引言
智慧城市是一项重要的全球倡议。在过去十年中，信息技术和通信网络、传感器、执行器、云基础设施、大数据以及基于这些使能技术的产品/服务的发展改变了人们在城市中的生活方式。现在，智能手机随时随地提供信息、服务和通信，现代人已经适应了这种新的生活方式。与此同时，各种各样的智能城市技术正试图说服政府和公共管理部门，这些技术可以帮助城市提高提供城市服务的效率、可用性、质量和成本。与此同时，政府正在向在线服务转型，但他们必须确保没有人落后，即使是那些无法获得这项技术的人。
一、关于智能城市用例和垂直领域的概述
用例是一个软件和系统工程术语，描述用户如何使用系统来实现特定目标。用例充当软件建模技术，定义要实现的功能以及可能遇到的任何错误的解决方法亚洲最重要的垂直产业是：未来工厂、汽车、健康、能源和媒体娱乐。预计5G将整合不同的电信技术（如移动、固定、卫星和光纤）、频谱管理框架（如许可和未许可）和启用功能（如物联网-物联网）为了这些垂直行业的利益，5G体系结构将适应各种具有延迟、弹性、覆盖范围和带宽等高级需求的用例。这些源自垂直行业的用例应被视为5G需求的驱动因素。
从未来5G网络的角度来看，有三种主要的使用案例：按需提供千兆字节带宽的海量宽带（xMBB）、连接数百万传感器和机器的海量机器类型通信（mMTC）和允许高可靠性即时反馈的关键机器类型通信（uMTC）。
这三个主要类别可以进一步划分为几个系列，每个系列都包括一些用例。从运行商的角度来看，包括智能城市用例在内的地块系列表现出了兴趣。该系列包括具有广泛特性和需求的设备（传感器、执行器），5G必须对其进行大规模部署。传感器检测并响应来自物理环境的输入。执行器负责移动或控制机构或系统。传感器感觉到执行器可以执行该动作的测量特性和基础。IoT系列包括低成本/远程/低功率MTCA以及宽带MTC。
智能城市的服务包括计量解决方案（天然气、能源、水）、城市基础设施远程监控（污染、温度、湿度、噪音）、实时交通信息和控制、城市或建筑灯光管理和公共安全警报，以提高应急响应时间，除了这些具有非常不同特征的服务的聚合（必须在公共通信和交互框架中进行组合）。
二、智能城市智能照明用例
（一）智能照明用例基础
某城市是罗马尼亚第一个基于5G开发的智能城市，也是其他希望开发此类解决方案的城市或运营商的关键驱动力。该城市是罗马尼亚一个拥有约7万居民的中小型城市，通过采用最新的ICT技术，包括低功耗广域网（LoRaWAN）、机器长期演进（LTE-M）以及最终的5G使能技术，作为智能城市正在向前迈进。对于智能城市用例，Orange提出了一种开放的数据策略和开放的体系结构（图1-图3）通过将城市本身的数据集货币化，可以进一步开发新的应用程序。Orange选择该城市，以展示目标智能城市高层架构在智能照明用例下处理关键智能照明基础设施的能力。
图1 基于LoRaWAN的智能照明系统
图2 使用LTE-M的智能照明系统
图3 采用5G网络的智能照明系统
将在5G mMTC类别的范围内考虑智能照明用例，其中的挑战是在不影响服务质量（QoS）和体验质量（QoE）的情况下，满足大量连接的执行器/控制器。智能照明案例需要满足的另一项服务要求是确保超高的网络可靠性和可用性，而通过访问层和传输层管理连接的执行器/控制器的低功耗、上下文感知和位置感知要求可以进一步提高解决方案的成本效率。在智能街道灯杆基础设施应保持供电以促进其他城市服务（如公共安全监控、空气质量监控、公共Wi-Fi热点和广告）的白天，这一点尤为重要。
在该城市的案例中，运行商计划建设至少100个智能控制器（执行器）的现场测试基础设施，这些智能控制器将部署在城市的主要道路上。这将有助于当局了解解决方案的总体好处，并将其与现状进行比较。
智能照明使用案例将促进三项关键功能的实现，这三项功能在传统城市照明基础设施甚至现代照明基础设施上都不可能或难以实现，无论现代罗兰技术或蜂窝彩票技术（LTE-M、窄带loT-NB IoT）的发展如何：
1.责任实体将能够实时、安全地远程控制目标网络中的每个照明极，以调整照明强度并有效管理能耗。该系统将向城市管理者报告公共照明配电公司，自动控制灯光的能力，包括根据特定政策（例如白天时刻、自然光强度、位置、交通）的开/关和关闭能力。该系统与采用更高效的LED镇流器灯相结合，预计将在短短四到五年内产生高达80%的能源成本降低和投资回报。全世界3亿个路灯灯杆中只有约10%使用节能LED，只有2%通过传统通信技术（如2G/3G）连接。
2.此外，该系统将允许实时和基于历史的能耗测量。2016年，洛杉矶市仅通过切换到100%LED路灯就实现了63%的节能，节省了900万美元的成本，并将公共照明相关的温室气体排放量减少了47000米。这相当于近10辆乘用车一年的温室气体排放量。
3.负责街道照明设施运营和维护的实体将能够主动发现公共照明网络上的故障、能量损失或能量影响，因为该系统将实时生成每个灯杆或每个灯杆分支的干预票。该功能将极大地提高城市照明服务的可用性，并通过维护活动降低运营成本。有一项国际标准规定了一套指标，用于定义和衡量生活质量和城市服务的绩效。这适用于任何以可比较和可验证的方式衡量其绩效的城市或直辖市，无论大小和位置。街道照明可以消耗15-50%的公共电力。公共路灯的耗电量计算为公共路灯的总耗电量（分子）除以路灯所在街道的总距离（分母）。
（二）目标
我们希望在Alba Iulia中实施智能照明用例的主要目标是：
智能城市物联网的业务、功能和安全要求规范-智能照明框架结构，重点是能耗优化和5G架构支持的智能照明；
5G以上用例的原型演示；
在不降低初始设置演示中实现的KPI值的情况下，演示共享基础设施中选定的智能城市地块应用程序共存；
在项目的5G通信框架内集成和测试该垂直用例；
展示5G对不同无线接入技术的开放性；
将服务创建时间从几周或几天调整到几小时；>扩展的网络覆盖范围、新的服务能力和新的业务模式；
加强网络管理和网络控制；使用不同类型的无线接入网（RAN）终端。
我们的最佳实践将是创建一个测量框架，通过智能照明系统，该框架可以监测和评估城市级智能和联网照明投资的影响。采用基于5G的艺术城市数据集将有助于构建智能技术项目的投资案例。这些数据集可以清楚地定义投资如何改善整个城市的生活质量和生活质量基础设施，并为市民带来利益。
（三）智能照明用例的高级架构
目前，运行商已在该城市实施了图1所示的解决方案。其中，网络基础设施基于LoRaWAN。
在不久的将来，我们将在该城市实施图2中的解决方案，其中LoRaWAN技术将被LTE-M所取代。这一转变是实现我们最终目标的一大步，即在该城市智能城市中开发智能照明系统，使用5G基础设施。此理想实现的架构如图3所示。
高层架构（如图1-3所示）由三个层次构成：数据采集和传输层，开放批量中间件层和应用层。数据收集和传输层将为所有传感器、执行器以及智能城市解决方案生成的原始数据集提供RAWAN、LTE-M和5G特定连接。
这些数据集将被发送到open MiddleWare平台进行存储、处理和保护。还可以与其他无法通过传感器或执行器实时访问的数据集一起工作。图3所示的智能照明解决方案将位于5G架构的云边缘部分。它不是一个低延迟或高带宽的解决方案，在这种特殊情况下，此服务的虚拟化不必靠近部署（位置）。灯杆提供并向管理服务器传输与功率、电压、电流、有功/无功视在功率、功率因数、能量（有功/无功）和运行时间相关的指示器。
从传输网络的角度来看，通信量的特点是来自大量设备的小数据突发。照明电表传输的数据包大小为30字节。
该供应流程的端到端步骤包括：
1.安装灯杆系统。
2.灯杆已通电。
3.磁极系统正试图连接到通信网络。
4.系统通过通信网络进行了认证。
a、 如果身份验证成功，请转至步骤5。
B否则转到步骤4，在网络级别分析失败原因。
5.灯杆照明系统已通过管理服务器的认证。
a、 如果是，则验证成功，系统开始工作。否则，转到步骤5，在管理服务器级别分析原因。
设备必须通过5G网络与云端进行通信，并且必须能够控制灯杆。
成功条件：灯杆已通电，并且正在尝试向虚拟核心（vCore）网络进行身份验证。
终端保护失败：设备无法通过5G网络与云端进行通信，无法控制灯杆；LightingPoles和LightingManagement服务器之间的连接正在切换；由于网络拥塞或虚拟化网络功能（VNF）过载，lighting Pole发送的数据在传输过程中丢失。
（四）端到端网络要求
对于智能照明，建议为底层物理基础设施提供管理功能。大型智能城市实施的解决方案涉及多达数百万台通过通信网络连接到管理系统的设备。要求是提供访问通过部署在大规模智能传感器上，以一种简单、可扩展且高效的方式“切片”。设备和传感器需要可寻址和可识别，以便在网络和管理系统中注册的专用片中进行精确管理和自动化。许可证必须确保并保证性能、可用性和处理大量设备的能力，这些设备将资源访问到计划或触发模式中，并且必须响应已识别的智能城市照明通信请求。当需要时，应提供并提供切片。在核心部分要求网络切片，作为针对特定照明用例的虚拟网络功能的动态扩展能力。切片要求可集成为“智能城市切片”方法。
智能照明的智能城市用例对RAN功能有特定要求：高可靠性、密集覆盖、适应小数据量和适应大设备密度/km2。图4中的系统架构描述了一般核心要求。
图4 5G智能照明用例的系统架构
从核心网络的角度来看，与系统通信的智能照明用例相关的要求包括：VNFS配置（虚拟移动管理器网络实体-vMME、虚拟分组网关-vPGW和虚拟服务网关-vsGW）、服务链、IP/MPLS（多协议标签交换）传输网络和设备端到端身份验证。
通过一组通信组件，在核心网络级别上定义和创建VNFS结构和/或到物理网络功能（PNF）网络的链路的可能性涵盖了相关场景。它将被定义为一个具有专用资源的特定切片系统，用于智能城市场景中的通信能力：
低带宽需求；
低延迟；
按需快速部署核心系统；
大规模通信型设备；
大量的设备和传感器；
对信令能力的高要求；对系统触发器的敏感响应；
易于容纳新设备；
经济方面，为了业务案例的可持续性，在专用硬件基础设施上适应分层原则。
总之，智能城市照明模型必须在正常条件下提供低功率、低能耗功能，基本功能依靠电池延长时间范围，并提供永久或临时计划或触发功能。
三、结束语
智能照明用例的原型设计将使该城市的灯杆（约100根灯杆）能够在新的切片概念上进行管理，比较从LoRaWAN到LTE-M和NB IoT的不同接入技术，并突出KPI。试验台将使用专用切片核心网络。
本文中介绍的用例将由Orange在该城市和实验室环境中实施和测试，结果将与基于LoRaWAN的现有功能网络基础设施进行比较，以突出5G的好处。考虑到上述特征，5G网络下的智能照明用例将与这些新功能有所不同：与2010年相比，它提供了更高的无线区域容量和更多样化的服务能力，每项服务可节省高达80%的能源，缩短了平均服务创建时间周期，可以创建一个安全、可靠和可靠的互联网，服务提供的“零感知”停机时间，促进了非常密集的无线通信部署，并实现了高级用户控制的隐私。
参考文献：
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