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物联网智能家居场景通信耗用分析

作者:未知

  【摘 要】针对物联网智能家居场景,介绍了智能家居系统的基本架构,设计实验分析了智能家居系统控制中的通信耗用情况,并根据智能家居需求响应调度应用,对智能家居用户通信耗用成本的经济性进行了分析。分析结果表明采用终端感知控制单元和云端直接互联的智能家居系统架构时,在当前运营商物联网资费套餐的情况下,用户通信耗用成本还相对较高。针对物联网的发展趋势,对于不同的物联网业务应用场景,电信运营商可进一步丰富物联网通信计费方式,增加物联网资费套餐的多样性和合理性。
  【关键词】物联网;智能家居;通信耗用;经济性
  Communication Consumption Analysis in IoT Smart Home Scenario
  FAN Rong1, JIANG Yisheng1, YUN Jingyang2, HU Jiayi2
  [Abstract] For the smart home application scenario in Internet of Things (IoT), the basic architectures of smart home systems are introduced. The communication consumption in the control of smart home systems is analyzed according to experiments. Combined with the response of smart home requirements, applications are to scheduled, and then the economic efficiency of communication consumption cost for smart home users is analyzed. Analysis results demonstrate that, when the smart home architecture with terminal perception control unit and direct cloud connection is used, the communication consumption cost is relatively high in the case of current operators’ IoT communication tariff packages. According to the developmental trend, telecommunication operators should further enrich the charge modes of IoT communications and increase the versatility and feasibility of IoT communication tariff packages for different IoT service application scenarios.
  [Key words]Internet of Things (IoT); smart home; communication consumption; economic efficiency
  1 引言
  据2017年6月至2017年8月公开发布的统计数据,2017年中国移动、中国电信和中国联通的物联网连接(用户)数分别达到1.3亿、0.28亿和0.5亿。据GSMA移动智库与中国信息通信研究院发布的研究报告预测,到2020年中国物联网的连接总数将达到10亿,具备广阔的发展前景。2017年1月工信部发布的《信息通信行业发展规划物联网分册(2016―2020年)》中明确指出“十三五”期间物联网重点领域应用示范工程包括智能制造、智慧农业、智能家居、智能交通和车联网等领域。中??移动也推出了面向企业客户的交通物流、节能环保和智慧城市及面向个人客户的车联网、智能家居和智能穿戴等物联网解决方案。
  传统的用户侧用电家居主要包括空调、冰箱和照明等电气设备,作为物联网发展的重点领域,智能家居通过将用户所需的冷热电等进行耦合,根据居住者的生活习惯、电网电压及其他信息进行运行管理,可以实现节能降耗、电网友好和参与需求管理等[1]。智能家居作为家庭使用的终端单元,也成为了智能电网的重要组成部分。从电能使用的角度来看,智能家居系统通过与智能电网系统互动,使得用户可以依据自己的需求及电价因素等主观地控制电能使用[2]。
  文献[3]介绍了智能家居系统中不同感知和控制设备的具体通信速率要求,但当前对智能家居系统控制过程中通信耗用的研究鲜有涉及。本文针对物联网智能家居场景,基于物联网智能开关设备,设计实验对智能家居系统控制中的通信耗用进行分析。
  2 智能家居系统基本架构
  图1为在文献[3]和文献[4]的基础上建立的包含家庭节点(Home Node,HN)的智能家居系统示意图。如图1所示,智能家居系统可以划分为感知层、网络及平台层(云端)、应用层等三个层次[5]。家庭区域内感知控制单元和HN间可采用Zigbee、LTE和NB-IoT等无线连接方式[3,5]。家庭区域外云端与HN和应用间可采用LTE和NB-IoT等连接方式[4]。
  中国移动根据客户对速率的不同要求提供不同的物联网解决方案,如针对高、中速率的TD-LTE网络和针对低速率的NB-IoT网络[6]。NB-IoT网络具有传输效率高、覆盖范围广、连接能力强、组网灵活等优势,同时拥有成熟的产业链,模组和芯片等硬件价格低廉,建设及运行成本低。由于智能家居系统内对感知控制单元的通信速率要求不高,峰值速率为200 kb/s的NB-IoT网络理论上能够满足智能家居系统的数据通信需求[3]。   包含家庭中继网关(如图1中的HN)的智能家居系统架构可以节省移动通信信道容量需求,但会影响家居单元间的不同通信需求[7]。随着NB-IoT网络的全面部署,考虑NB-IoT?W络海量连接等优势,作为未来发展趋势,可以通过NB-IoT网络实现智能家居系统内感知控制单元和云端的直接互联,使得信息可以通过蜂窝网络直接上传到云端的管理平台上,可以避免中继网关带来的系统结构复杂和连接可靠性等方面的问题,增加了系统的稳定性和灵活性,并能降低系统安装部署和维护的成本[7-8]。
  3 智能家居系统通信耗用实验分析
  图2是为智能家居系统通信耗用分析而搭建的实验测试系统。测试系统中采用市售某型智能开关作为感知控制单元,通过手机控制应用可以实现智能开关的开关控制(开通、关断和点动)及开关状态感知。图2中的智能开关采用中国移动物联网卡实现云端与智能开关的连接,云端与智能开关间和云端与手机控制应用间通过移动网络互联。
  图2 智能家居实验测试系统
  针对图2中的智能家居实验测试系统,2017年9月11日设计并进行了3组实验以分析智能家居系统控制过程中的通信耗用。3组实验的具体实验内容、日期、时间段和实验时间段内智能开关的流量耗用如表1所示。为方便统计实验时间段内智能开关流量耗用情况,实验过程中智能开关使用一张归属地为上海的中国移动SIM卡(IMSI:460022166515541),并通过查询详单的方式获得实验时间段内的流量耗用。通过对表1中的实验结果进行分析,图2测试系统中智能开关的每次开关控制的平均通信耗用为0.295 kB/次操作。
  本章通过实验的方法得到了智能家居测试系统控制过程中的通信耗用情况。除本文考虑的智能家居场景外,文献[9]列出了远程医疗、智慧农业、车联网等其它典型物联网业务感知或控制操作的数据传输频率和数据包大小,不同物联网业务数据传输过程中单向数据包大小范围为0.026~0.146 kB/次操作。考虑到本章智能家居通信耗用实验结果中统计了双向流量,和文献[9]列出的数据相比,本章实验结果具备合理性。随着未来物联网连接数的不断增加,通过实验等方法得到更加精确的物联网内不同用户(设备)的通信耗用模型能够为NB-IoT网络的部署规划设计及运营策略提供重要的参考。
  4 智能家居场景通信耗用成本经济性分析
  在分时电价环境下,满足用户的生活习惯及用能需求,将家庭范围内的电器等用能负荷设施参与电网需求响应调度,实现节能降耗并减少用户电费支出是物联网智能家居的重要目标。本章将在上一章实验结果的基础上,结合当前国内主要电信运营商物联网卡资费情况,对智能家居需求响应调度应用中的通信耗用成本及经济性进行分析。
  2017年6月,中国电信率先推出了全球首个NB-IoT套餐[10]。紧接着,德国电信也发布了其NB-IoT业务套餐。表2中为国内主要电信运营商物联网卡资费情况(2017年10月)。目前,我国主要运营商物联网卡的计费方式分为两类:一类为流量套餐,按流量计费;另一类为连接服务费和高频功能费相结合,可以理解为按连接次数计费。
  表3列出了智能家居参与需求响应调度的用户通信流量耗用和电费收益估算情况。表3中,参考文献[11]中考虑的家庭用能负荷设施种数和每种设施个数(1~2个),设置智能家居系统户均感知控制单元数为10个/户。文献[12]至文献[14],需求响应调度时间步长一般在15分钟至1小时,因此智能家居参与需求响应调度的通信连接频次一般为1~4次/小时。
  取通信连接频次的中间值2次/小时,表3中还列出了含家庭中继网关(如图1所示)和不含中继网关(感知控制单元和云端直接互联)这两种智能家居系统架构中,家庭中继网关和每个与云端直接互联的感知控制单元的平均通信次数、单次连接流量耗用和月度流量耗用估算情况。其中,感知控制单元单次连接流量耗用取上一章实验结果值,中继网关单次连接流量耗用近似取家庭范围内所有感知控制单元流量耗用需求之和。
  对参与需求响应调度的智能家居用户电费收益的估算,参照《上海市居民年度账单缴费白皮书(2016)》,上海居民家庭2016年度户均缴纳电费2 099.52元(174.96元/月×12月),将该数值取为表3中户均年度电费参数值。智能家居参与需求响应调度用户电费下降率一般为5%~15%[15],因此表3中估算的智能家居参与需求响应调度的用户年度电费收益范围为104.98~314.93元/年。
  表4为根据表3中相关参数值得到的智能家居参与需求响应调度用户通信耗用成本的估算情况。其中,按流量计费和按连接次数计费分别参照表2中运营商1和运营商3的资费情况。对按流量计费的方式,根据表3中月度流量耗用情况,智能家居系统考虑家庭中继网关时,中继网关处选择运营商1的流量套餐为2元/月(5 MB);不考虑中继网关,采用直接互联的系统架构时,感知控制单元处选择的流量套餐为1元/月(2 MB)。为分析智能家居参与需求响应调度中用户通信耗用成本占电费收益的比重,在表3的基础上进一步取平均电费下降率为10%(如文献[16]中的结果9.99%),用户平均年度电费收益为209.95元/年。
  对于表4中的智能家居参与需求响应调度用户的通信耗用成本,当采用包含家庭中继网关的智能家居系统架构时,按流量计费和按连接次数计费两种计费方式下用户通信耗用成本占用户平均年度电费收益比例分别为11.43%和6.25%~9.53%,较为合适。
  表4 智能家居参与需求响应调度用户通信耗用成本的估算情况
  序号 智能家居系统架构 计费方式 用户年度通信耗用
  成本
  1 包含中继网关 按流量计费 24元/年
  2 包含中继网关 按连接次数计费 13.13元~20元/年
  3 不包含中继网关 按流量计费 120元/年


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