智能家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)方案

中國聯(lián)通研究院 北京 100032

引言

網(wǎng)關(guān)是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的核心終端，其智能化是智慧家庭實(shí)現(xiàn)的有效途徑。智能家庭網(wǎng)關(guān)是智慧家庭的核心，通過智能家庭網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、信息輸入、輸出、集中控制、遠(yuǎn)程管理、聯(lián)動控制等功能。

智能家庭網(wǎng)關(guān)具備智能家居控制樞紐及無線路由兩大功能，一方面可以負(fù)責(zé)家庭的安防工作及信息采集，通過無線方式與智能終端產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；另一方面具備無線路由功能，為終端提供無線網(wǎng)絡(luò)接入功能。智能家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家庭的接入中心是連接家庭網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備[1]，是家庭的網(wǎng)絡(luò)中心以及智能設(shè)備的管理中心。

1)智能網(wǎng)關(guān)可以擔(dān)當(dāng)智能家庭的多種角色，是網(wǎng)絡(luò)和家庭服務(wù)器的最佳匯集點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)兼具家庭通信和家庭服務(wù)器雙重功能，都有智能化需求；網(wǎng)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中需要整合哪些功能，取決于網(wǎng)關(guān)的定位(如圖1所示)。

2)智能網(wǎng)關(guān)的智能主要體現(xiàn)在可操控、可擴(kuò)展定制、可感知和提供增值業(yè)務(wù)的能力等方面(如圖2所示)。

圖1 智能家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居中的位置

圖2 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端為智能網(wǎng)關(guān)提供了操控界面；網(wǎng)關(guān)的硬件冗余、可擴(kuò)展軟件架構(gòu)、迭代升級的(網(wǎng)關(guān)及客戶端)版本，以及可擴(kuò)展的基于用戶及終端的增值業(yè)務(wù)架構(gòu)，使得智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以為智慧家庭提供強(qiáng)大的終端基礎(chǔ)；網(wǎng)關(guān)的開放軟件環(huán)境不僅吸引第三方參與智慧家庭創(chuàng)新，也允許用戶下載插件定制自己的智慧家庭；網(wǎng)關(guān)能感知終端、應(yīng)用、上網(wǎng)行為、位置、用戶等關(guān)鍵信息；基于智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)建立以用戶為中心的智慧家庭增值業(yè)務(wù)平臺，為快速推出滿足智慧家庭需求的增值產(chǎn)品提供了基礎(chǔ)。

3)相對傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)而言，智能網(wǎng)關(guān)增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)硬件的同時，更多通過軟件提升用戶使用體驗，實(shí)現(xiàn)用戶定制擴(kuò)展，感知用戶需求，達(dá)到好用、易用、有用、智能的效果。滿足家庭娛樂、家庭自動化、家庭安防、家庭數(shù)字、產(chǎn)品輔助、家庭IT咨詢、電子健康、電子教育等智慧家庭生活需求(如圖3所示)。

圖3 智能家庭網(wǎng)關(guān)的用戶體驗

1 發(fā)展智能家庭網(wǎng)關(guān)對運(yùn)營商的意義

1.1 運(yùn)營商與互聯(lián)網(wǎng)廠商的對比分析

智能網(wǎng)關(guān)是智能家庭服務(wù)的入口 ，誰占據(jù)智能網(wǎng)關(guān)入口，誰就獲得了發(fā)展智能家庭業(yè)務(wù)和應(yīng)用的機(jī)會。相對于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商，電信運(yùn)營商具有接入服務(wù)、規(guī)模采購、專業(yè)維護(hù)、套餐營銷、整合網(wǎng)絡(luò)和已有業(yè)務(wù)等優(yōu)勢，為大規(guī)模發(fā)展智能網(wǎng)關(guān)提供了良好基礎(chǔ)。

互聯(lián)網(wǎng)公司通過智能化占領(lǐng)了智能手機(jī)和智能電視，正在加速對家庭其他設(shè)備(智能路由器、智能攝像頭等)的智能化，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)智能世界的占領(lǐng)。1)小米、極路由從智能網(wǎng)關(guān)終端入手，在提升用戶無線聯(lián)接體驗的同時，積極探索互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)集成和體驗優(yōu)化(目前以智能內(nèi)容服務(wù)為主)，嘗試智能網(wǎng)關(guān)開放環(huán)境、智能家居服務(wù)等創(chuàng)新領(lǐng)域。2)百度、迅雷、360、果殼等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)公司則從自身核心能力出發(fā)，通過定制智能家庭網(wǎng)關(guān)，優(yōu)化自身服務(wù)，擴(kuò)大用戶群和服務(wù)面。

互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)廠商與運(yùn)營商智能網(wǎng)關(guān)的比較如表1所示。

表1 智能網(wǎng)關(guān)比較

目前，智能網(wǎng)關(guān)面臨的主要問題有以下幾點(diǎn)。1)管道效率降低。寬帶增“用”不增收，24小時伺服、下載、CDN節(jié)點(diǎn)下沉等都會提升流量使用，但不能帶來更多收入。2)入口和用戶丟失。寬帶用戶難以轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)通智慧家庭增值業(yè)務(wù)用戶，聯(lián)通家庭增值業(yè)務(wù)創(chuàng)新(如互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容整合、智能家居、智能安防)可能性降低。3)重復(fù)建設(shè)、基礎(chǔ)創(chuàng)新受阻。兩個盒子，功能重復(fù)，使用不便，智能管道、大數(shù)據(jù)、固移融合、多屏互動等基礎(chǔ)服務(wù)創(chuàng)新更加困難。4)用戶體驗和寬帶需求提升。智慧家庭業(yè)務(wù)增多，寬帶提速的需求增加。

在與互聯(lián)網(wǎng)廠商的競爭中運(yùn)營商事實(shí)上已經(jīng)占據(jù)了第一家庭入口，具有成本優(yōu)勢，同時，擁有龐大的用戶群，完善的銷售渠道，靈活的寬帶套餐，可結(jié)合的管道能力，這些都是運(yùn)營商搶占家庭市場的有利因素；因此，運(yùn)營商需要加快部署智能家庭網(wǎng)關(guān)，引入互聯(lián)網(wǎng)能力和機(jī)制，與接入終端融合，融合后的終端將更具優(yōu)勢。1)業(yè)務(wù)發(fā)展方面。利于寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，擴(kuò)大智能沃家用戶，通過融合終端將智能網(wǎng)關(guān)部署在用戶家中。2)競爭方面。更好把握運(yùn)營商已有的管道資源，免于被管道化；合一的方式降低了最終用戶的投入，打壓互聯(lián)網(wǎng)廠商；PON上行網(wǎng)關(guān)智能化與OLT耦合度給互聯(lián)網(wǎng)廠商設(shè)置了天然門檻。3)成本方面。集成的網(wǎng)關(guān)設(shè)備成本低，與寬帶接入同時進(jìn)行一次性上門安裝/甚至免上門安裝。4)管理維護(hù)。一個盒子故障點(diǎn)減少，多個運(yùn)維界面接口可統(tǒng)一。

1.2 中國聯(lián)通發(fā)展智能網(wǎng)關(guān)的意義與必要性

1)搶占入口，應(yīng)對競爭，把握智能家庭服務(wù)發(fā)展核心，增強(qiáng)用戶黏性?；ヂ?lián)網(wǎng)廠商家庭智能化布局，不僅引起寬帶增“用”不增收，而且會將聯(lián)通寬帶用戶徹底管道化，喪失智慧家庭入口，抑制已有和未來運(yùn)營商在智慧家庭增值業(yè)務(wù)上的發(fā)展，中國電信已在積極研發(fā)智能網(wǎng)關(guān)、布局智慧家庭，中國移動獲得了寬帶牌照，其威脅與日俱增。智能網(wǎng)關(guān)是家庭區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)核心，運(yùn)營商把握智能網(wǎng)關(guān)能夠有效降低客戶流失率。

2)發(fā)展智能家庭服務(wù)，基于開放平臺拓展新增值領(lǐng)域，刺激帶寬需求。運(yùn)營商傳統(tǒng)業(yè)務(wù)逐漸飽和，涉足智慧家庭服務(wù)，能夠顯著提升寬帶接入的附加價值，促進(jìn)信息消費(fèi)。提供開放能力平臺，集成第三方應(yīng)用，借力互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新，豐富增值業(yè)務(wù)，刺激帶寬消費(fèi)。

3)智能化運(yùn)維，改善運(yùn)維環(huán)境，降低運(yùn)維成本和壓力。手機(jī)APP自助管理和維護(hù)家庭網(wǎng)絡(luò)，變被動維護(hù)為主動維護(hù)，提升用戶滿意度，減少用戶投訴。采用可視化操作、自動監(jiān)測運(yùn)行、快速定位故障等智能措施，減少對用戶的依賴，降低運(yùn)維成本。

4)提升大數(shù)據(jù)挖掘能力和云服務(wù)能力，促進(jìn)精細(xì)化運(yùn)營。70%～80%的移動用戶在家庭區(qū)域通過Wi-Fi上網(wǎng)，通過智能網(wǎng)關(guān)捕捉用戶的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)行為至關(guān)重要。智能網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò)的云端入口，是各種云服務(wù)的承載實(shí)體 。

2 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能家庭網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外信息交互的樞紐，對外提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接口，對內(nèi)為家庭內(nèi)部的各種終端設(shè)備提供互聯(lián)互通，并為家庭網(wǎng)絡(luò)提供豐富和強(qiáng)大的其他功能[2]。

智能家庭網(wǎng)關(guān)通過寬帶接入和承載網(wǎng)連接到中國聯(lián)通的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。同時，通過承載網(wǎng)連接到家庭網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)和網(wǎng)元管理系統(tǒng)，被遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)和網(wǎng)元管理系統(tǒng)所管理。圖4給出了智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖4 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

智能網(wǎng)關(guān)主要通過以太網(wǎng)端口(接入設(shè)備如IPTV機(jī)頂盒、IP攝像頭、可視電話)、WLAN無線接口連接各種上網(wǎng)終端(臺式個人電腦、筆記本電腦、PAD、軟交換語音電話等)和中國聯(lián)通定制的業(yè)務(wù)終端，也可以通過USB接口創(chuàng)建局域網(wǎng)或個域網(wǎng)連接智能家居等終端設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)的USB除了可以連接USB Dongle外，還可以直接連接常見的USB擴(kuò)展設(shè)備(如存儲設(shè)備、3G/LTE上網(wǎng)卡等)，也可以用于手機(jī)等終端的USB充電。具備POTS口的智能網(wǎng)關(guān)可以通過該接口接入模擬電話機(jī)。各種家庭網(wǎng)絡(luò)終端在通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)的同時，還通過智能網(wǎng)關(guān)訪問寬帶IP網(wǎng)絡(luò)(包括互聯(lián)網(wǎng)和中國聯(lián)通業(yè)務(wù)網(wǎng))，并與寬帶IP網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)平臺或其它各類終端配合，進(jìn)一步為用戶提供更廣泛的家庭網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力[3]。

智能網(wǎng)關(guān)管理平臺主要提供對智能網(wǎng)關(guān)和管理客戶端的支撐及管理能力，主要包括網(wǎng)關(guān)管理、客戶端管理、插件管理、開發(fā)者管理和上網(wǎng)行為數(shù)據(jù)管理功能。

智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端主要提供用戶使用智能網(wǎng)關(guān)功能和服務(wù)的操控能力，在局域網(wǎng)內(nèi)部時客戶端可以直接與智能網(wǎng)關(guān)交互實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操控功能，在公眾網(wǎng)絡(luò)則通過智能網(wǎng)關(guān)管理平臺實(shí)現(xiàn)與智能網(wǎng)關(guān)的交互。

智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)邏輯接口如圖5所示，主要包括五類邏輯接口。

1)A接口。智能網(wǎng)關(guān)與RMS服務(wù)器之間的邏輯接口，實(shí)現(xiàn)RMS服務(wù)器對智能網(wǎng)關(guān)，以及對家庭網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的統(tǒng)一管理。

2)B接口。智能網(wǎng)關(guān)與EMS服務(wù)器之間的邏輯接口，適用于PON接入網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)EMS服務(wù)器對智能網(wǎng)關(guān)PON 接口和部分業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程管理。

3)C接口。智能網(wǎng)關(guān)功能及插件管理平臺和智能網(wǎng)關(guān)之間的遠(yuǎn)程邏輯接口，可以實(shí)現(xiàn)對智能網(wǎng)關(guān)功能管理、插件加載及配置等功能。

4)D接口。智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端和智能網(wǎng)關(guān)之間的本地邏輯接口，可以實(shí)現(xiàn)對智能網(wǎng)關(guān)本地管理等功能。

5)E接口。智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端和智能網(wǎng)關(guān)功能及插件管理平臺之間的遠(yuǎn)程邏輯接口，可以實(shí)現(xiàn)對智能網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程管理等功能。

圖5 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)邏輯接口圖

圖6 智能家庭網(wǎng)關(guān)功能要求

2.2 智能家庭網(wǎng)關(guān)核心功能及擴(kuò)展服務(wù)功能建議

2.2.1 智能家庭網(wǎng)關(guān)能力及管理要求

目前，運(yùn)營商部署的家庭網(wǎng)關(guān)主要為家庭用戶提供寬帶接入和語音業(yè)務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理、基本網(wǎng)絡(luò)安全等功能[4]。運(yùn)營商想要更好地發(fā)展家庭網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)，必須增加網(wǎng)關(guān)的功能，為家庭用戶提供更好的服務(wù)。

智能家庭網(wǎng)關(guān)需要具備的核心功能及擴(kuò)展功能如圖6所示。1)基礎(chǔ)服務(wù)和管理增強(qiáng)要求。應(yīng)具有基于DPI的流識別、安全事件通知、客戶端本地和遠(yuǎn)程管理功能[5]。2)新增擴(kuò)展服務(wù)功能。架構(gòu)擴(kuò)展功能：插件管理、客戶端管理、消息推送。管道智能化：DPI(基于流的終端、應(yīng)用、URL識別和統(tǒng)計)、動態(tài)帶寬。擴(kuò)展能力或服務(wù)：下載存儲、多屏互動、測速、智能家居、家庭門戶等。潛在應(yīng)用：智慧家庭的家庭互聯(lián)網(wǎng)、超級遙控器、支付、社交、手機(jī)助手、云存儲、云安全等功能。3)傳送功能。建議全路由模式。4)接入和聯(lián)網(wǎng)功能。支持PON和WLAN等。

2.2.2 智能家庭網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展服務(wù)功能建議

智能家庭網(wǎng)關(guān)在發(fā)展初期應(yīng)盡量重用智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能力建立家庭基礎(chǔ)服務(wù)能力，盡量發(fā)揮管理客戶端作為智能家庭管理和業(yè)務(wù)統(tǒng)一入口的效用。智能家庭網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)展功能建議如下。

1)DPI功能。網(wǎng)關(guān)集成DPI功能易于控制，數(shù)據(jù)獲取全面，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用識別、關(guān)鍵字統(tǒng)計、流量整形、URL識別和統(tǒng)計、網(wǎng)關(guān)及下掛設(shè)備基本信息統(tǒng)計、終端類型識別等。

2)動態(tài)帶寬功能。主要規(guī)定動態(tài)帶寬的自動觸發(fā)要求，逐步從插件模式演進(jìn)為遠(yuǎn)程或客戶端配置模式。

3)下載存儲功能。由于下載與門戶、下載協(xié)議相關(guān)，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容下載以插件實(shí)現(xiàn)為主，因此，建議聯(lián)通后續(xù)通過自建內(nèi)容門戶或引入合作伙伴實(shí)施下載存儲業(yè)務(wù)。

4)消息推送功能。借由管理平臺，實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)向客戶端、相關(guān)業(yè)務(wù)或應(yīng)用平臺主動推送消息。上報消息主要包括：網(wǎng)關(guān)安全事件產(chǎn)生的消息、用戶關(guān)注事件產(chǎn)生的消息、網(wǎng)關(guān)功能執(zhí)行產(chǎn)生的消息(如設(shè)備接入、插件安裝、內(nèi)容下載、智能家居告警等)。

5)設(shè)備發(fā)現(xiàn)和多屏互動。鼓勵終端或應(yīng)用通過DHCP、UPnP等方式上報相關(guān)信息，支持DPI模塊對設(shè)備的發(fā)現(xiàn)。

6)測速功能。以自有測速平臺為主，也可引入第三方測速機(jī)制提供給用戶參考。

2.3 智能家庭網(wǎng)關(guān)管理客戶端設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端是實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)管理的主要入口及用戶界面，包括PC、手機(jī)、PAD客戶端?？蛻舳斯芾矸譃楸镜毓芾砗瓦h(yuǎn)程管理，本地管理是指智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端在家庭局域網(wǎng)中與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互，采用TCP協(xié)議進(jìn)行交互；遠(yuǎn)程管理是指智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端通過與智能網(wǎng)關(guān)管理平臺進(jìn)行連接和交互，智能網(wǎng)關(guān)管理平臺通過接口向客戶端推送消息通知。

管理客戶端在局域網(wǎng)內(nèi)，直接通過接口與智能網(wǎng)關(guān)交互，獲得智能網(wǎng)關(guān)本地管理和局域應(yīng)用交互的能力，客戶端操作記錄可上傳到管理平臺；管理客戶端在廣域網(wǎng)上，是管理平臺的接觸界面，用戶登陸后經(jīng)由管理平臺對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，將網(wǎng)管與管理平臺建立連接，由管理平臺轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)消息實(shí)現(xiàn)對智能網(wǎng)關(guān)的管理。

智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端具備可視化管理、遠(yuǎn)程控制、ONT自安裝、簡單故障自助解決等能力，提升最終用戶體驗。系統(tǒng)需支持客戶端的下載、注冊、登錄、綁定和解綁等操作?？蛻舳说幕竟δ芤姳?。

表2 智能網(wǎng)關(guān)管理客戶端基本功能

由于智能家庭網(wǎng)關(guān)還處于發(fā)展初期，需要逐步實(shí)現(xiàn)其在智能家庭網(wǎng)絡(luò)中的作用，因此，在智能家庭網(wǎng)關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)上需要根據(jù)實(shí)際情況逐步增加各類功能，在前期建議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)管理控制類和網(wǎng)關(guān)信息查詢類基礎(chǔ)功能；其次實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)下掛設(shè)備管理功能，而對于應(yīng)用類功能可以根據(jù)管理平臺和DPI深度包檢測技術(shù)的發(fā)展情況選擇性實(shí)現(xiàn)，同時，吸引用戶訂購其它的特色業(yè)務(wù)，例如，提供智能流量整形和用戶上網(wǎng)行為分析等業(yè)務(wù)功能。

3 結(jié)束語

目前，智慧家庭的發(fā)展尚處于發(fā)展初期，智能家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家庭的核心產(chǎn)品，如何能夠把握住發(fā)展時機(jī)，對運(yùn)營商來說至關(guān)重要。面對著家庭互聯(lián)網(wǎng)的競爭加劇，業(yè)務(wù)與終端緊密結(jié)合，運(yùn)營商與互聯(lián)網(wǎng)廠商對于家庭入口的競爭尤為關(guān)鍵，隨著光纖入戶的逐漸普及，加上互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，把握住關(guān)鍵入口發(fā)展業(yè)務(wù)，就能夠吸引更多的用戶。

其實(shí)未來智慧家庭的發(fā)展趨勢必將是走向融合的道路，互聯(lián)互通勢不可擋，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多樣化、個性化、安全和高效的智慧生活將成為現(xiàn)實(shí)，因此作為智能家居入口的智能家庭網(wǎng)關(guān)隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將真正發(fā)揮出智能樞紐的重要作用，推動智慧生活全面到來。只要運(yùn)營商能夠抓住發(fā)展的關(guān)鍵時期，通過融合、開發(fā)、服務(wù)建立自身的核心能力，在今后的智能家庭網(wǎng)絡(luò)中將有更大發(fā)展空間。

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