毛細管網(wǎng)絡構(gòu)建網(wǎng)絡社會

　　2011年在巴塞羅那的全球移動通信大會上，愛立信開創(chuàng)性的提出萬物互聯(lián)的“網(wǎng)絡社會 (Networked Society)”概念，同時作出大膽預測，到2020年全球?qū)谐^500億個的終端通過網(wǎng)絡互相連接。“網(wǎng)絡社會”是一種可持續(xù)的社會發(fā)展形態(tài)，“所有可以獲益于連接的事物均將連接起來”。寬帶、移動和云是“網(wǎng)絡社會”的三大驅(qū)動力量。在愛立信看來，“網(wǎng)絡社會”將深刻改變?nèi)祟?、商業(yè)和社會的未來。

　　如今網(wǎng)絡社會已經(jīng)在各處顯現(xiàn)，比如遠程監(jiān)控森林或者農(nóng)場、車聯(lián)網(wǎng)、遠洋運輸?shù)倪B接、學校之間通過寬帶互聯(lián)等等。個人和商業(yè)都越來越依賴于網(wǎng)絡連接性來完成他們的任務。

　　毛細管網(wǎng)絡概念

　　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(Capillary Network)的概念2。類似于傳統(tǒng)生物醫(yī)學的毛細血管，這里我們提到的毛細管網(wǎng)絡是一個本地網(wǎng)絡，它使用短程無線接入通信技術(shù)，為本地多個設備提供設備互聯(lián)互通和網(wǎng)絡接入的能力。通過利用蜂窩網(wǎng)絡的主要功能，也就是網(wǎng)絡的無處不在，以及集成安全性、網(wǎng)絡管理和先進的回傳連接，毛細管網(wǎng)絡將成為推動網(wǎng)絡社會的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

　　毛細管網(wǎng)絡使用短距離無線技術(shù)來提供本地連接性，然后通過毛細管網(wǎng)關(guān)連通到全球通信基礎網(wǎng)絡架構(gòu)中。毛細管網(wǎng)絡以一種智能的方式連接數(shù)十億的事物和需要連接的設備，同時，也需要一些新的功能來發(fā)揮其作用。

　　那么，究竟毛細管網(wǎng)絡可以支持什么樣的應用場景呢?例如，毛細管網(wǎng)絡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;或者毛細管網(wǎng)絡可以將運輸途中的貨物連接到監(jiān)控應用程序。

　　無論何種應用，毛細管網(wǎng)絡工作方式完全不同于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，當前的通信系統(tǒng)主要用于人和系統(tǒng)去進行通信。機器類型的通信(MTC)應用場景隨著應用變化很大，而不像當前通信系統(tǒng)是靠一個單一的標準去滿足所有設備的通信需求，因此毛細管網(wǎng)絡的設計，必須滿足基于不同應用場景的需求。

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

　　個人和企業(yè)正越來越多地依賴于數(shù)字平臺。計算和通信正在蔓延到生活的每一個方面，提供了一種管理和運營資產(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)絡社會的核心，在網(wǎng)絡社會中，只要連接性能提供額外的價值，那么這些事物就會被連接起來。

　　無處不在的連接和網(wǎng)絡社會

　　網(wǎng)絡社會中的連接的意義在于提高效率，利用現(xiàn)有資源可以做成更多的事情，可以為更多的人提供服務，減少額外的基礎設施，并開發(fā)新的服務類型以超越傳統(tǒng)的人際互動方式。例如，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以監(jiān)測牲畜和農(nóng)作物的實時狀態(tài)，以便自動控制灌溉、 施肥、投飼和水質(zhì)水平， 這確保了農(nóng)作物和牲畜保持健康和資源的合理使用。在智能醫(yī)療系統(tǒng)中，病人和老人能夠通過遠程監(jiān)控得到幫助，再一次用智能的方式來利用資源，提高了醫(yī)療健康服務的可用性，減少了親自訪問診所和旅途的必要性。

　　從整體上來說，通信逐步從以人為中心向以物為中心轉(zhuǎn)變，其中也包括人。世界正在走向機器類型的通信(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。

　　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(tǒng)主要還是為人與人之間彼此通信而設計。在物物通信的場景里面，有時候需要由電池來給設備供電，因此低能耗就很關(guān)鍵。對于大規(guī)模部署，設備的架構(gòu)是必不可少的。典型地，小設備的數(shù)據(jù)速率需求是比較低的。當涉及到數(shù)十億的設備需要連接時，連接的成本需要做到很低。所有這些需求，都將是機器類型通信的一個先決條件。

　　為了滿足這些新的業(yè)務需求，傳統(tǒng)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(jié)電模式，使用該技術(shù)，那些需要每小時周期性的發(fā)送報告的傳感器在兩節(jié)AA電池的支撐下可以運行 10年以上，同時，因為信令流程的簡化，設備可以工作更長時間。在3GPP的Release 12中還引入了一個新的LTE設備類別，使得 LTE調(diào)制解調(diào)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)絡覆蓋提升15-20dB，這將有助于網(wǎng)絡覆蓋到那些比較有挑戰(zhàn)的位置，比如地下室。

　　毛細管網(wǎng)絡和短程通信技術(shù)是網(wǎng)絡社會的一個重要的開發(fā)領(lǐng)域，在將來需要提供給各種場景下幾十億設備的連接性上，將會發(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。

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

　　毛細管網(wǎng)絡架構(gòu)

　　短距離無線技術(shù)使得為一個本地區(qū)域內(nèi)的多個設備提供連接性成為可能。典型情況下，本地的毛細管網(wǎng)絡需要連接到基礎通信網(wǎng)絡上，比如有些服務需要連接到因特網(wǎng)或者云服務中。把毛細管網(wǎng)絡連接到全球基礎通信網(wǎng)絡上，可以通過蜂窩網(wǎng)絡來實現(xiàn)，它可以是一個廣域的網(wǎng)絡或者局部的蜂窩網(wǎng)絡接入。在蜂窩網(wǎng)絡和毛細管網(wǎng)絡之間，可以使用網(wǎng)關(guān)設備來實現(xiàn)橋接，而毛細管網(wǎng)絡本來看上去就像是一個用戶設備。下圖1是上述想法的架構(gòu)圖。主要有三部分組成：毛細管網(wǎng)絡連接域，蜂窩網(wǎng)絡連接域以及數(shù)據(jù)域。毛細管網(wǎng)絡加上蜂窩網(wǎng)絡提供這兩個網(wǎng)絡中節(jié)點的連接能力。數(shù)據(jù)域主要展示的是針對特定業(yè)務的數(shù)據(jù)處理能力在網(wǎng)絡的分布。從安全性的角度，這三層領(lǐng)域是相互獨立的。通過不同領(lǐng)域的安全性的配合，可以實現(xiàn)整體端到端的安全性需要。

　　圖1:毛細管網(wǎng)絡架構(gòu)圖

　　跟傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡一樣，毛細管網(wǎng)絡也需要一個回傳連接，通常這是通過蜂窩網(wǎng)絡來實現(xiàn)。蜂窩網(wǎng)絡大范圍的覆蓋可以輕松的實現(xiàn)回傳網(wǎng)絡的連接，而不需要安裝額外的回傳設備。毛細管網(wǎng)絡本身可能也在移動中，比如在交通設備上監(jiān)視貨物的狀態(tài)，在這種情況下，自然會使用移動蜂窩網(wǎng)絡來做回傳。

　　在大范圍的部署場景中，一些設備可能會通過毛細管網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)來接入到網(wǎng)絡中，也有一些設備會直接連接到蜂窩網(wǎng)絡上。當部署一個毛細管網(wǎng)絡時，服務提供商需要安裝一些毛細管網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)來滿足本地接入的需求。

　　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)之間動態(tài)的無線連接性，設備通常是通過偵聽的方式從網(wǎng)關(guān)獲取連接信息;在毛細管網(wǎng)絡中，也有一些短距通信技術(shù)可以讓網(wǎng)關(guān)來檢測到來自設備的連接性請求。

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

　　對于機器類型通信(MTC)的QoS要求在帶寬，時延和抖動等方面和傳統(tǒng)通信系統(tǒng)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)絡的連通性，一些情況下，甚至對極低的時延有很嚴格的限制要求。

　　例如，一個傳感器應該能夠?qū)z測到異常事件的情況下，即使網(wǎng)絡擁塞，也能夠在指定時間內(nèi)，可靠地傳送報警信息。為了實現(xiàn)這一目標，需要較低的時延來支持實時監(jiān)測控制的功能，而通常這類場景對帶寬的需求并不高。也就是說，對于機器類型的通信，QoS的要求在服務和服務之間變化很大。

　　這里我們講的QoS，是一個端到端的概念，在毛細管網(wǎng)絡場景下，QoS就需要從短距離通信網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡都要考慮。不同的短距離通信網(wǎng)絡會提供不同的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(quán)的頻譜內(nèi)工作，外界的干擾水平是不太確定的，這就會限制可以被保證的QoS等級。同時，蜂窩網(wǎng)絡的QoS方法所提供的連接性，已經(jīng)非常成熟，可以將業(yè)務區(qū)分并提供特定的業(yè)務處理能力。

　　如上面提到的，為了提供端到端的QoS，需要將毛細管網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡QoS能力橋接起來，這就需要定義一個業(yè)務如何從一個域被映射到另一個域的QoS等級。 QoS的橋接需要在毛細管網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡之間、或者在數(shù)據(jù)業(yè)務提供商和網(wǎng)絡連接供應商之間的服務協(xié)議來定義。

　　連接設備的安全性

　　毛細管網(wǎng)絡中的設備，有可能在尺寸、計算能力、功耗和能源等方面有較大差異。這種差異使得實施和部署安全措施變得十分挑戰(zhàn)。在毛細管網(wǎng)絡和機器類型通信的場景下，通常沒有一個通用的模型，因為毛細管網(wǎng)絡中的設備通常有很多限制，所以很難用一個通用的安全解決方案來解決。有些限制比較多的設備，可能不具備實現(xiàn)的條件。所以針對特定的場景，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)絡安全架構(gòu)

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

　　對于在授權(quán)的端到端設備之間的業(yè)務保護，廣泛使用的一些安全機制比如TLS會提高終端或者業(yè)務之間的互操作性。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)絡標準提供了一種方法，通過一種通用引導架構(gòu) (generic bootstrapping architecture, GBA) 的方法，可在SIM卡上存儲用戶身份和加密信息。

　　2. 安全域：毛細管網(wǎng)絡包含兩個安全域，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(shù)據(jù)安全域。如上圖3所示。

　　3. 引導：設備開機或者喚醒時，需要判斷從哪個毛細管網(wǎng)絡可以提供有效安全的連接。通過使用引導服務器，將毛細管終端引導到對應服務上并進行自動配合，是其中的方法之一。

　　網(wǎng)絡管理

　　對于連接到毛細管網(wǎng)絡的終端設備，其自動配置和連接性管理等一系列任務，需要網(wǎng)絡管理功能來支撐。除此之外，網(wǎng)絡管理需要建立接入控制限制和數(shù)據(jù)處理規(guī)則，以滿足基于服務協(xié)議SLA的QoS規(guī)則;服務提供商可以使用網(wǎng)絡管理功能來適配服務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)絡管理提供實時的結(jié)果反饋，因為只有設備喚醒之后才能做到這點。

　　網(wǎng)絡管理的巨大挑戰(zhàn)還是來源于端到端的管理，特別是網(wǎng)絡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)實體來提供的。那些對于連接的管理，就可能需要額外的工作和成本來實現(xiàn)。為了客服這些限制，就需要實現(xiàn)不同域之間網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，這樣沿著通信通道的各個節(jié)點的信息都能匯集和利用起來。

　　總結(jié)

　　隨著網(wǎng)絡社會逐步成型，各種不同的設備和系統(tǒng)會被相互連接起來，從而形成我們所說的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)。在這框架下，蜂窩網(wǎng)絡將繼續(xù)在提供連接性方面發(fā)揮顯著作用，一些設備將會直接連接到蜂窩網(wǎng)絡中，而另一些設備會使用短距離通信技術(shù)并通過毛細管網(wǎng)絡連接到蜂窩網(wǎng)絡里面來。蜂窩網(wǎng)絡連接毛細管網(wǎng)絡和網(wǎng)關(guān)設備，可以提供包括室內(nèi)和室外的整體連接性。

　　由于連接了大量的終端實體，網(wǎng)絡管理和自動網(wǎng)關(guān)選擇對于在毛細管網(wǎng)絡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)絡和蜂窩網(wǎng)絡之間進行安全的銜接。通過這些功能，未來的網(wǎng)絡將可以為所有的連接事物提供優(yōu)化的連接方式，無論他們在哪里，或是如何被連接的。