5G LAN技術在智慧樓宇控制中的應用探索與實踐

［丁智 彭海燕 秦潔 瞿水華 許樂飛］

1 引言

根據(jù)國家住建部《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》（2022），“十四五”期間，存量建筑節(jié)能改造面積在2025 年達到3.5 億平方米，同時，每年還有3.7 億平方米的寫字樓新增規(guī)模。不論是新建樓宇的智能樓控系統(tǒng)建設，還是存量建筑樓宇的數(shù)字化智能化改造，都是一個長期的巨大市場。在國家雙碳戰(zhàn)略牽引下，智能樓宇系統(tǒng)部署的增長是一個較為確定的方向。傳統(tǒng)的樓宇智能化改造需要穿線布網(wǎng)，存在投入大、工程難度大、工期長等難點。當前，運營商已經(jīng)部署大量的5G室內(nèi)覆蓋基站，具備良好的5G 公網(wǎng)覆蓋基礎，通過復用5G 公網(wǎng)，采用網(wǎng)絡切片方式開通5G智慧樓宇專網(wǎng)，為智能樓宇系統(tǒng)免布線聯(lián)網(wǎng)提供了極強的便利性、靈活性、具有較高性價比，有著廣泛的應用前景。[1]

2 5G LAN 的關鍵技術

基于3GPP R15版本設計的5G專網(wǎng)不支持二層通信，一個三層的組網(wǎng)要與園區(qū)原有二層（局域網(wǎng)）網(wǎng)絡對接，在一個5 G CPE 收納多個終端的場景，需在端側(cè)和服務器側(cè)對齊部署AR 路由器實現(xiàn)L3 與L2 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)一對設備的點對點二層通信，這種方案成本高，組網(wǎng)復雜；在終端對終端點對點通信場景下，CPE 需簽約固定IP，也會帶來一定的運維復雜度。

R16 版本定義5G LAN 技術，引入組管理、本地轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務隧道三個特性，支持極簡組網(wǎng)和組內(nèi)全互連二層通信。[2]當終端開機后，網(wǎng)絡會在默認的IP PDU（packet data unit）session 基礎上，新建一個以太PDU session，并以5G LAN 組播以及IGMP snooping 設備自發(fā)現(xiàn)和自動配置的方式完成端到端的業(yè)務能力，最終實現(xiàn)5G 連接替代有線連接，支持管理服務器與控制器之間的二層通信需求，并實現(xiàn)了整體系統(tǒng)架構的扁平化，5GLAN協(xié)議如圖1所示。

圖1 5G LAN 協(xié)議棧

基于智能樓宇中樓宇控制場景，如圖2 所示，本文提出采用5G LAN 技術建設端到端應用示范，驗證5G LAN組播以及IGMP（Internet Group Management Protocol，Internet 組管理協(xié)議）snooping 設備自發(fā)現(xiàn)和自動配置等5G LAN 的功能和性能。[3]

圖2 樓宇環(huán)境控制系統(tǒng)示意圖

如圖3 所示，組播的目標是讓某個頻道的組播源（如PC4）只發(fā)一路數(shù)據(jù)，就能讓所有當前注冊接收該頻道的組成員（如PC1 和PC3）都能收到數(shù)據(jù)（如圖中綠色實線），而沒有注冊接收該頻段的設備（如PC2）不能收到數(shù)據(jù)。

圖3 IGMP snooping 交換機組播轉(zhuǎn)發(fā)基本原理

IGMP 協(xié)議，是當前最主流的組播成員管理協(xié)議。IGMP Snooping 交換機實現(xiàn)動態(tài)學習組播關系的功能（這里的交換機在5G 組網(wǎng)里即為支持IGMP Snooping 功能的5G 核心網(wǎng)）。為了讓交換機能動態(tài)學習到組播關系，PC1 和PC3 加入該頻道時，需要向交換機設備發(fā)送IGMP report 報文（如圖中綠色虛線），報文中用一個預先約定的組播字段標識組播組（即頻道），IGMP Snooping 交換機分析收到的IGMP report 報文，就可以內(nèi)部建立頻道與組成員相連端口的組播關系，隨后交換機收到組播源的數(shù)據(jù)報文時，就可以按照組播關系將組播數(shù)據(jù)報文復制多份，按需發(fā)給各個組播成員，實現(xiàn)組播源到組播成員一對多的組播，且不會發(fā)送到不參與組播的設備（例如PC2）。

流程說明如下：

（1）PC1 發(fā)出IGMP report 報文，動態(tài)注冊加入IGMP組1（組播IP 如224.0.0.180 標識），IGMP snooping 交換機識別IGMP 報文，更新組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（2）PC3 發(fā)出IGMP report 報文，也動態(tài)注冊加入IGMP 組1，IGMP snooping交換機更新組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（3）組播源發(fā)出組播業(yè)務報文，目的IP填充為224.0.0.180，經(jīng)IGMP snooping交換機轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）IGMP snooping 交換識別組播業(yè)務報文中的組播IP/MAC，根據(jù)組播轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)給PC1 和PC3。

組播以及利用IGMP 協(xié)議構建組播組是智能樓宇系統(tǒng)默認的使用方式。樓宇系統(tǒng)設備面臨著海量樓宇的場景交付，必須在設備安裝后實現(xiàn)自動化配置功能，這樣可以避免安裝人員的技能要求。

樓宇系統(tǒng)控制器在發(fā)到現(xiàn)場前都會預配置一個組播組標識（頻道，各系統(tǒng)、各個設備廠商有其約定俗成的差異），控制器聯(lián)網(wǎng)后，會通過IGMP report 報文（如圖綠色虛線）注冊到預配置的組播組中，IGMP Snooping 路由器分析IGMP report 報文并動態(tài)創(chuàng)建組播關系。如基于5G 網(wǎng)絡，控制器聯(lián)網(wǎng)即通過5G CPE 實現(xiàn)，而IGMP Snooping 路由器則由5G 核心網(wǎng)（UPF）實現(xiàn)，如圖4 所示。DICP 客戶端作為組播源，可以向組播組一對多的發(fā)送組播報文（如圖綠色實線），這里包括控制器設備的IP 地址、最新的軟件版本、參數(shù)配置等，從而實現(xiàn)控制器設備的自發(fā)現(xiàn)和自動配置集中下發(fā)的過程，簡化了智能樓宇中大量控制器的部署過程，并對控制器設備安裝配屬的技能要求最小化。此外，各個系統(tǒng)、各個設備廠商的設備也基于此過程實現(xiàn)了不同組的劃分，做到了組隔離的作用。

圖4 5G LAN 的IGMP 組播增強在智能樓控中的應用

5G LAN 應用于智能樓控其優(yōu)勢可以概括為“四個不變”：應用不變，針對企業(yè)應用中采用廣播或組播通信，無需重構；拓撲不變，保持原本有線組網(wǎng)，保持組間隔離關系；配置不變，保持企業(yè)（固定）IP 分配，無需對接或修改對接配置；性能不變，最大程度保證時延抖動、可靠性指標。從而大大降低了傳統(tǒng)樓宇控制系統(tǒng)的改造的施工復雜度和建設周期。

3 基于5G LAN 及NB-IoT 融合組網(wǎng)的樓宇智能化改造實踐

基于以上理論分析，本文項目團隊開展了深圳某存量樓宇新風系統(tǒng)改造為例，引入包括5G 核心網(wǎng)、5G 基站、5G 終端在內(nèi)的5G LAN 端到端能力，支持樓內(nèi)的各級、各類控制器（RWG、PXC 等）及其與樓宇系統(tǒng)管理服務器實現(xiàn)5G 化全連接。采用NB-IoT 網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集上報，采用5G LAN 技術實現(xiàn)新風機一級和二級控制機器及其空調(diào)系統(tǒng)服務器之間的連接，實現(xiàn)對樓宇的空調(diào)基礎溫度和二氧化碳的自動控制，達到節(jié)能環(huán)保，提升效率的目標。

3.1 樓宇新風系統(tǒng)改造總體方案

本項目改造樓宇在10 余年前投入建設一套新風系統(tǒng)及盤管空調(diào)系統(tǒng)。如圖5 所示，系統(tǒng)的工作原理如下：

圖5 本項目樓宇新風和空調(diào)系統(tǒng)圖

（1）大樓通過冷源設備將固定溫度冷水送至新風機組和盤管空調(diào)

（2）新風系統(tǒng)：新風機組將室外新風經(jīng)過濾后由新風管道帶到各個房間。新風機組配有冷水閥門，可根據(jù)需要確定是否對新風進行預制冷。

（3）空調(diào)：每個房間安裝有獨立的風機盤管，冷水源通過室內(nèi)部署的管道將冷水送至各個房間的盤管，風機通過吹盤管將空氣制冷并由空調(diào)出風口送出。房間內(nèi)的溫控器可以由人員來控制盤管空調(diào)的開關，即控制盤管風機和冷水閥門。人員也可以通過調(diào)整溫控器上的溫度來控制風機的工作。

該樓宇新風機組是典型的非數(shù)字化系統(tǒng)，新風機組控制箱內(nèi)僅設計了開關控制按鈕。此外，新風機組也未安裝任何傳感器設備進行空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集以更智能化的控制開關和風機的運轉(zhuǎn)。這導致如果新風機組全天開啟無疑會大量浪費能耗，如需基于室內(nèi)空氣質(zhì)量或人員舒適度去不斷啟停又需要專人管理，這無疑非常困難。這個兩難局面最終導致的結(jié)果是該樓宇新風機組長期處于關停狀態(tài)，樓內(nèi)人員長期開著窗戶進行換氣，一方面造成設備浪費和人員體驗不佳，另一方面在夏天空調(diào)開啟下開窗也會導致能耗大量消耗。

針對該樓控系統(tǒng)的問題和挑戰(zhàn)，本文研究采用5G LAN 的全連接技術對其樓控系統(tǒng)進行數(shù)字化、智能化改造。[4]而在改造過程中，引入全無線化的理念，免于布線快速施工，一方面避免樓宇結(jié)構的破壞，另一方面也對業(yè)主日常業(yè)務影響達到最小化，樓宇控制結(jié)構示意如圖6 所示。

圖6 樓宇控制結(jié)構示意圖

首先，針對每臺新風機組，增加一套DDC（direct digital control）控制器，將新風機組的監(jiān)控點位接入DDC，改造控制箱，安裝調(diào)節(jié)型水閥，增加傳感器，使得原來只能就地啟停的新風機組，改為既可本地控制也能遠程管控是數(shù)字化設備，服務器與DDC 控制器都通過5G 網(wǎng)絡組網(wǎng)。

其次，在每個房間增加溫濕度傳感器和CO2 傳感器，采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過NB-IoT 網(wǎng)絡傳輸，提供給控制器、管理器進行閉環(huán)化處理，并配套一臺服務器搭載樓宇控制平臺，對現(xiàn)場DDC 進行管理并對采集的數(shù)據(jù)進行界面顯示，方便工作人員進行運維。

3.2 5G LAN 專網(wǎng)建設方案

本文的5G 專網(wǎng)復用運營商公網(wǎng)已建設的5G 基站，核心網(wǎng)采用行業(yè)專網(wǎng)邊緣UPF/MEC，對接支持5G LAN功能的5GC，開展5G LAN 全無線通信測試。網(wǎng)絡拓撲如圖7 所示。

圖7 5G LAN 專網(wǎng)拓撲方案

智能樓宇的一級和若干個二級控制器與支持5G LAN的CPE 對接，通過5G 專網(wǎng)連接到MEC 的智能樓宇控制平臺。傳感器通過NB-IoT 將采集的信息傳遞到物聯(lián)網(wǎng)平臺，MEC 上的NB 虛擬控制器從IoT 平臺獲取傳感器數(shù)據(jù)后按業(yè)務需求（預配置）并發(fā)送至智能樓宇控制平臺以及各級控制器，智能樓宇控制平臺和NB虛擬控制器為部署在MEC上的應用服務。

項目驗證了支持DHCP 服務器動態(tài)分配IP地址、DICP Client與控制器組播通信、控制器間單播互通、平臺與控制器單播互通、平臺與控制器廣播通信等用例，數(shù)據(jù)包傳輸速率及時延均達到預期效果。

3.3 5G LAN 終端

如圖8所示，本文研究的終端采用中微普業(yè)R511設備，該設備內(nèi)置集成展銳6 nm V516 芯片的移遠模組RM500U，支持3GPP R16 協(xié)議，是業(yè)界第一款支持5G LAN 的商用芯片。

圖8 5G 模組和終端

4 新風機智能化運行效果評估

本次改造后，通過NB-IoT 傳感器收集各個辦公區(qū)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，反饋到控制管理系統(tǒng)進行分析處理做出啟停決策，如圖9所示，當二氧化碳濃度≥800 ppm時，啟動新風機，當二氧化碳濃度≤600 ppm 時，關閉新風機，控制指令通過5G 網(wǎng)絡傳遞給控制器執(zhí)行。一方面保障了在關門關窗狀態(tài)下空氣舒適度，另一方面新風系統(tǒng)按需啟動，大量節(jié)能?；谠圏c數(shù)據(jù)評估，預計全年整樓每平方千米能節(jié)能808 度，減排808 千克。同時基于運營商既有5G 網(wǎng)絡的5G LAN 專用切片改造方案免布線等物理施工，大大降低施工周期和成本。

圖9 新風機組根據(jù)二氧化碳濃度控制啟停記錄

5 結(jié)束語

本文創(chuàng)新的提出基于5G LAN 技術的智能樓宇控制系統(tǒng)應用方案，并開展基于外場實際環(huán)境的改造實踐，通過對終端、基站、核心網(wǎng)設備開展端到端5G LAN 升級改造，以免布線方式高效便捷實現(xiàn)了樓宇原有各級、各類控制器與樓宇系統(tǒng)管理服務器的5G 化全連接，使樓宇空調(diào)溫度和新風系統(tǒng)的智能化自動控制，實施效果良好。

基于運營商5G 網(wǎng)絡數(shù)智底座優(yōu)勢，本方案為智能樓宇系統(tǒng)免布線聯(lián)網(wǎng)提供了極強的便利性、靈活性、具有較高性價比，賦能5G 智能樓宇，促進社會節(jié)能降耗，為國家雙碳戰(zhàn)略做出有益探索。