毛細管網(wǎng)絡(luò )構建網(wǎng)絡(luò )社會(huì )

　　2011年在巴塞羅那的全球移動(dòng)通信大會(huì )上，愛(ài)立信開(kāi)創(chuàng )性的提出萬(wàn)物互聯(lián)的“網(wǎng)絡(luò )社會(huì ) (Networked Society)”概念，同時(shí)作出大膽預測，到2020年全球將會(huì )有超過(guò)500億個(gè)的終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互相連接。“網(wǎng)絡(luò )社會(huì )”是一種可持續的社會(huì )發(fā)展形態(tài)，“所有可以獲益于連接的事物均將連接起來(lái)”。寬帶、移動(dòng)和云是“網(wǎng)絡(luò )社會(huì )”的三大驅動(dòng)力量。在愛(ài)立信看來(lái)，“網(wǎng)絡(luò )社會(huì )”將深刻改變人類(lèi)、商業(yè)和社會(huì )的未來(lái)。

　　如今網(wǎng)絡(luò )社會(huì )已經(jīng)在各處顯現，比如遠程監控森林或者農場(chǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、遠洋運輸的連接、學(xué)校之間通過(guò)寬帶互聯(lián)等等。個(gè)人和商業(yè)都越來(lái)越依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )連接性來(lái)完成他們的任務(wù)。

　　毛細管網(wǎng)絡(luò )概念

　　為了介紹設備互相連接的狀態(tài)，我們引入了毛細管網(wǎng)絡(luò )(Capillary Network)的概念2。類(lèi)似于傳統生物醫學(xué)的毛細血管，這里我們提到的毛細管網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò )，它使用短程無(wú)線(xiàn)接入通信技術(shù)，為本地多個(gè)設備提供設備互聯(lián)互通和網(wǎng)絡(luò )接入的能力。通過(guò)利用蜂窩網(wǎng)絡(luò )的主要功能，也就是網(wǎng)絡(luò )的無(wú)處不在，以及集成安全性、網(wǎng)絡(luò )管理和先進(jìn)的回傳連接，毛細管網(wǎng)絡(luò )將成為推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )社會(huì )的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節。

　　毛細管網(wǎng)絡(luò )使用短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)提供本地連接性，然后通過(guò)毛細管網(wǎng)關(guān)連通到全球通信基礎網(wǎng)絡(luò )架構中。毛細管網(wǎng)絡(luò )以一種智能的方式連接數十億的事物和需要連接的設備，同時(shí)，也需要一些新的功能來(lái)發(fā)揮其作用。

　　那么，究竟毛細管網(wǎng)絡(luò )可以支持什么樣的應用場(chǎng)景呢?例如，毛細管網(wǎng)絡(luò )可以連接一組建筑物中的傳感器，提供相關(guān)信息給房產(chǎn)管理部門(mén);或者毛細管網(wǎng)絡(luò )可以將運輸途中的貨物連接到監控應用程序。

　　無(wú)論何種應用，毛細管網(wǎng)絡(luò )工作方式完全不同于現有的通信系統，當前的通信系統主要用于人和系統去進(jìn)行通信。機器類(lèi)型的通信(MTC)應用場(chǎng)景隨著(zhù)應用變化很大，而不像當前通信系統是靠一個(gè)單一的標準去滿(mǎn)足所有設備的通信需求，因此毛細管網(wǎng)絡(luò )的設計，必須滿(mǎn)足基于不同應用場(chǎng)景的需求。

　　例如，對于靠電池供電的設備，保持通信量最小是一個(gè)關(guān)鍵的設計參數，這樣設備可以睡眠盡量久的時(shí)間。機器類(lèi)型的通信通常對數據速率的需求是很低的，比如那些每天或者每小時(shí)上報小數據量的設備。并且，需要連接的設備數量可能有幾十億之多，要求連接的成本要非常低。

　　個(gè)人和企業(yè)正越來(lái)越多地依賴(lài)于數字平臺。計算和通信正在蔓延到生活的每一個(gè)方面，提供了一種管理和運營(yíng)資產(chǎn)、基礎設施和更有效處理商業(yè)流程的方式。信息和通信技術(shù)(ICT)的廣泛覆蓋正是網(wǎng)絡(luò )社會(huì )的核心，在網(wǎng)絡(luò )社會(huì )中，只要連接性能提供額外的價(jià)值，那么這些事物就會(huì )被連接起來(lái)。

　　無(wú)處不在的連接和網(wǎng)絡(luò )社會(huì )

　　網(wǎng)絡(luò )社會(huì )中的連接的意義在于提高效率，利用現有資源可以做成更多的事情，可以為更多的人提供服務(wù)，減少額外的基礎設施，并開(kāi)發(fā)新的服務(wù)類(lèi)型以超越傳統的人際互動(dòng)方式。例如，智能農業(yè)系統可以監測牲畜和農作物的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以便自動(dòng)控制灌溉、 施肥、投飼和水質(zhì)水平， 這確保了農作物和牲畜保持健康和資源的合理使用。在智能醫療系統中，病人和老人能夠通過(guò)遠程監控得到幫助，再一次用智能的方式來(lái)利用資源，提高了醫療健康服務(wù)的可用性，減少了親自訪(fǎng)問(wèn)診所和旅途的必要性。

　　從整體上來(lái)說(shuō)，通信逐步從以人為中心向以物為中心轉變，其中也包括人。世界正在走向機器類(lèi)型的通信(MTC)，智能設備都將被連接，一定程度上顯示出機器間通信(M2M)和 物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的爆炸式增長(cháng)。

　　然而，物物之間的通信，和當前的通信方式完全不同，當前的系統主要還是為人與人之間彼此通信而設計。在物物通信的場(chǎng)景里面，有時(shí)候需要由電池來(lái)給設備供電，因此低能耗就很關(guān)鍵。對于大規模部署，設備的架構是必不可少的。典型地，小設備的數據速率需求是比較低的。當涉及到數十億的設備需要連接時(shí)，連接的成本需要做到很低。所有這些需求，都將是機器類(lèi)型通信的一個(gè)先決條件。

　　為了滿(mǎn)足這些新的業(yè)務(wù)需求，傳統的蜂窩通信技術(shù)必須得到加強。例如，在LTE的R12里面就引入了節電模式，使用該技術(shù)，那些需要每小時(shí)周期性的發(fā)送報告的傳感器在兩節AA電池的支撐下可以運行 10年以上，同時(shí)，因為信令流程的簡(jiǎn)化，設備可以工作更長(cháng)時(shí)間。在3GPP的Release 12中還引入了一個(gè)新的LTE設備類(lèi)別，使得 LTE調制解調器連接的設備具有較低的復雜度和更低的成本。此外，3GPP正致力于將LTE的網(wǎng)絡(luò )覆蓋提升15-20dB，這將有助于網(wǎng)絡(luò )覆蓋到那些比較有挑戰的位置，比如地下室。

　　毛細管網(wǎng)絡(luò )和短程通信技術(shù)是網(wǎng)絡(luò )社會(huì )的一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，在將來(lái)需要提供給各種場(chǎng)景下幾十億設備的連接性上，將會(huì )發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這些技術(shù)包括低功耗的藍牙技術(shù)、IEEE802.15.4、IEEE 802.11ah。

　　接下來(lái)我們簡(jiǎn)單介紹一下毛細管網(wǎng)絡(luò )的連接性管理，QoS管理以及安全方面的考慮。

　　毛細管網(wǎng)絡(luò )架構

　　短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)使得為一個(gè)本地區域內的多個(gè)設備提供連接性成為可能。典型情況下，本地的毛細管網(wǎng)絡(luò )需要連接到基礎通信網(wǎng)絡(luò )上，比如有些服務(wù)需要連接到因特網(wǎng)或者云服務(wù)中。把毛細管網(wǎng)絡(luò )連接到全球基礎通信網(wǎng)絡(luò )上，可以通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現，它可以是一個(gè)廣域的網(wǎng)絡(luò )或者局部的蜂窩網(wǎng)絡(luò )接入。在蜂窩網(wǎng)絡(luò )和毛細管網(wǎng)絡(luò )之間，可以使用網(wǎng)關(guān)設備來(lái)實(shí)現橋接，而毛細管網(wǎng)絡(luò )本來(lái)看上去就像是一個(gè)用戶(hù)設備。下圖1是上述想法的架構圖。主要有三部分組成：毛細管網(wǎng)絡(luò )連接域，蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接域以及數據域。毛細管網(wǎng)絡(luò )加上蜂窩網(wǎng)絡(luò )提供這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的連接能力。數據域主要展示的是針對特定業(yè)務(wù)的數據處理能力在網(wǎng)絡(luò )的分布。從安全性的角度，這三層領(lǐng)域是相互獨立的。通過(guò)不同領(lǐng)域的安全性的配合，可以實(shí)現整體端到端的安全性需要。

　　圖1:毛細管網(wǎng)絡(luò )架構圖

　　跟傳統電信網(wǎng)絡(luò )一樣，毛細管網(wǎng)絡(luò )也需要一個(gè)回傳連接，通常這是通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。蜂窩網(wǎng)絡(luò )大范圍的覆蓋可以輕松的實(shí)現回傳網(wǎng)絡(luò )的連接，而不需要安裝額外的回傳設備。毛細管網(wǎng)絡(luò )本身可能也在移動(dòng)中，比如在交通設備上監視貨物的狀態(tài)，在這種情況下，自然會(huì )使用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)做回傳。

　　在大范圍的部署場(chǎng)景中，一些設備可能會(huì )通過(guò)毛細管網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)來(lái)接入到網(wǎng)絡(luò )中，也有一些設備會(huì )直接連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò )上。當部署一個(gè)毛細管網(wǎng)絡(luò )時(shí)，服務(wù)提供商需要安裝一些毛細管網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)來(lái)滿(mǎn)足本地接入的需求。

　　網(wǎng)關(guān)的選擇

　　在網(wǎng)關(guān)的選擇上，需要考慮三個(gè)層面的信息：連接性、限制條件和策略，如下圖2所示。

　　連接性指的是設備和網(wǎng)關(guān)之間動(dòng)態(tài)的無(wú)線(xiàn)連接性，設備通常是通過(guò)偵聽(tīng)的方式從網(wǎng)關(guān)獲取連接信息;在毛細管網(wǎng)絡(luò )中，也有一些短距通信技術(shù)可以讓網(wǎng)關(guān)來(lái)檢測到來(lái)自設備的連接性請求。

　　限制條件指的是網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)中的一些靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的狀態(tài)屬性，比如電量水平、負荷水平如設備連接的數量、對質(zhì)量QoS的支持、使用的成本因素以及休眠調度等。網(wǎng)關(guān)連接的蜂窩網(wǎng)絡(luò )的連接狀態(tài)和鏈路質(zhì)量，也是考量的因素。當然，設備本身的情況，比如設備類(lèi)型、電池電量、QoS需求以及來(lái)自毛細管網(wǎng)絡(luò )的信號強度等，都是需要考慮的。

　　策略是對網(wǎng)關(guān)選擇目的的考慮。策略方面需要考慮眾多因素來(lái)決定限制因素的優(yōu)先級。

　　圖2:毛細管網(wǎng)關(guān)選擇

　　QoS管理

　　對于機器類(lèi)型通信(MTC)的QoS要求在帶寬，時(shí)延和抖動(dòng)等方面和傳統通信系統不同。對MTC的要求經(jīng)常是需要的最小吞吐量以及保證網(wǎng)絡(luò )的連通性，一些情況下，甚至對極低的時(shí)延有很?chē)栏竦南拗埔蟆?/p>

　　例如，一個(gè)傳感器應該能夠對檢測到異常事件的情況下，即使網(wǎng)絡(luò )擁塞，也能夠在指定時(shí)間內，可靠地傳送報警信息。為了實(shí)現這一目標，需要較低的時(shí)延來(lái)支持實(shí)時(shí)監測控制的功能，而通常這類(lèi)場(chǎng)景對帶寬的需求并不高。也就是說(shuō)，對于機器類(lèi)型的通信，QoS的要求在服務(wù)和服務(wù)之間變化很大。

　　這里我們講的QoS，是一個(gè)端到端的概念，在毛細管網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景下，QoS就需要從短距離通信網(wǎng)絡(luò )和蜂窩網(wǎng)絡(luò )都要考慮。不同的短距離通信網(wǎng)絡(luò )會(huì )提供不同的QoS管理方法，總體上可以分為兩種：優(yōu)先分組傳輸(例如802.11)和帶寬保留方案(例如802.15.4和低功耗藍牙技術(shù))。由于短距離通信技術(shù)是在不需要授權的頻譜內工作，外界的干擾水平是不太確定的，這就會(huì )限制可以被保證的QoS等級。同時(shí)，蜂窩網(wǎng)絡(luò )的QoS方法所提供的連接性，已經(jīng)非常成熟，可以將業(yè)務(wù)區分并提供特定的業(yè)務(wù)處理能力。

　　如上面提到的，為了提供端到端的QoS，需要將毛細管網(wǎng)絡(luò )和蜂窩網(wǎng)絡(luò )QoS能力橋接起來(lái)，這就需要定義一個(gè)業(yè)務(wù)如何從一個(gè)域被映射到另一個(gè)域的QoS等級。 QoS的橋接需要在毛細管網(wǎng)絡(luò )和蜂窩網(wǎng)絡(luò )之間、或者在數據業(yè)務(wù)提供商和網(wǎng)絡(luò )連接供應商之間的服務(wù)協(xié)議來(lái)定義。

　　連接設備的安全性

　　毛細管網(wǎng)絡(luò )中的設備，有可能在尺寸、計算能力、功耗和能源等方面有較大差異。這種差異使得實(shí)施和部署安全措施變得十分挑戰。在毛細管網(wǎng)絡(luò )和機器類(lèi)型通信的場(chǎng)景下，通常沒(méi)有一個(gè)通用的模型，因為毛細管網(wǎng)絡(luò )中的設備通常有很多限制，所以很難用一個(gè)通用的安全解決方案來(lái)解決。有些限制比較多的設備，可能不具備實(shí)現的條件。所以針對特定的場(chǎng)景，需要定制特定的安全性解決方案。如下圖3所示：

　　圖3:毛細管網(wǎng)絡(luò )安全架構

　　例如，安裝在家庭的溫度傳感器是不太可能具有發(fā)電廠(chǎng)的傳感器相同嚴格的安全要求的。不同的場(chǎng)景安全失敗導致的后果也很不一樣。所以需針對特定的場(chǎng)景來(lái)評估風(fēng)險，并制定安全性的解決方案。安全性的解決方案反過(guò)來(lái)也會(huì )影響設備硬件的選擇，因為它需要硬件具備實(shí)施安全性方案的能力。

　　對于在授權的端到端設備之間的業(yè)務(wù)保護，廣泛使用的一些安全機制比如TLS會(huì )提高終端或者業(yè)務(wù)之間的互操作性。在某些情況下，可能有必要部署更優(yōu)的安全解決方案。安全性的解決方案主要考慮幾個(gè)方面：

　　1. 設備識別：新接入的設備通常具有設備身份ID和一些證明身份的信息，比如密鑰。3GPP網(wǎng)絡(luò )標準提供了一種方法，通過(guò)一種通用引導架構 (generic bootstrapping architecture, GBA) 的方法，可在SIM卡上存儲用戶(hù)身份和加密信息。

　　2. 安全域：毛細管網(wǎng)絡(luò )包含兩個(gè)安全域，即毛細管終端域和毛細管網(wǎng)關(guān)域。終端域又可以分為連接安全域和數據安全域。如上圖3所示。

　　3. 引導：設備開(kāi)機或者喚醒時(shí)，需要判斷從哪個(gè)毛細管網(wǎng)絡(luò )可以提供有效安全的連接。通過(guò)使用引導服務(wù)器，將毛細管終端引導到對應服務(wù)上并進(jìn)行自動(dòng)配合，是其中的方法之一。

　　網(wǎng)絡(luò )管理

　　對于連接到毛細管網(wǎng)絡(luò )的終端設備，其自動(dòng)配置和連接性管理等一系列任務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò )管理功能來(lái)支撐。除此之外，網(wǎng)絡(luò )管理需要建立接入控制限制和數據處理規則，以滿(mǎn)足基于服務(wù)協(xié)議SLA的QoS規則;服務(wù)提供商可以使用網(wǎng)絡(luò )管理功能來(lái)適配服務(wù)策略以及增加或者移除設備。

　　對于一些使用電池供電的設備，其對應的網(wǎng)絡(luò )管理操作，也必須是能耗上做優(yōu)化，以減少電池電量的影響。而對于那些經(jīng)常處于休眠狀態(tài)的設備，不能要求網(wǎng)絡(luò )管理提供實(shí)時(shí)的結果反饋，因為只有設備喚醒之后才能做到這點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò )管理的巨大挑戰還是來(lái)源于端到端的管理，特別是網(wǎng)絡(luò )有不同域的連接而成，甚至于這些不同的域可能是由不同的商業(yè)實(shí)體來(lái)提供的。那些對于連接的管理，就可能需要額外的工作和成本來(lái)實(shí)現。為了客服這些限制，就需要實(shí)現不同域之間網(wǎng)絡(luò )管理系統的互聯(lián)互通，這樣沿著(zhù)通信通道的各個(gè)節點(diǎn)的信息都能匯集和利用起來(lái)。

　　總結

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )社會(huì )逐步成型，各種不同的設備和系統會(huì )被相互連接起來(lái)，從而形成我們所說(shuō)的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)。在這框架下，蜂窩網(wǎng)絡(luò )將繼續在提供連接性方面發(fā)揮顯著(zhù)作用，一些設備將會(huì )直接連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò )中，而另一些設備會(huì )使用短距離通信技術(shù)并通過(guò)毛細管網(wǎng)絡(luò )連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò )里面來(lái)。蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接毛細管網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)設備，可以提供包括室內和室外的整體連接性。

　　由于連接了大量的終端實(shí)體，網(wǎng)絡(luò )管理和自動(dòng)網(wǎng)關(guān)選擇對于在毛細管網(wǎng)絡(luò )中提供可靠的連接是至關(guān)重要的。為了確保通信是安全和可靠的，需要在毛細管網(wǎng)絡(luò )和蜂窩網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行安全的銜接。通過(guò)這些功能，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )將可以為所有的連接事物提供優(yōu)化的連接方式，無(wú)論他們在哪里，或是如何被連接的。