摘要
当前正处于科技改变家居生活的风口，运营商、传统家电企业和互联网企业纷纷入局，将新兴技术与家居生活深度融合，衍生出多个家庭应用场景。本文通过研究家居生活智能化需求，结合新兴技术发展趋势，提出5G及人工智能在泛家庭领域的7大应用场景，打造智慧家庭新体验。
近年来随着社会的进步，生产力的升级，云计算、物联网、大数据等新技术不断涌现，科技正快速改变人们的生活方式，提升的人们生活水平，而当前处于风口顶端最受行业关注及追捧的科技无疑是5G和人工智能[1]。2020 年是5G和人工智能技术发展的井喷发展之年，一方面国家明确将“加快商用部署、加速产业链成熟、加快应用创新”作为5G重点工作，力争2020年底实现全国所有地级市覆盖 5G 网络，推动5G大规模商用。2019年10月，三大运营商开始在40个5G试点城市商用，5G商用将催生大批新产品、新服务、新模式和新业态，助力万亿级数字化市场增长。另一方面，人工智能是信息化发展的新阶段，是新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，此前国家制定了“推动智能产品在经济社会的集成应用、夯实人工智能产业发展的软硬件基础、培育推广智能制造新模式、完善人工智能发展环境”四方面重点任务，2020年我国人工智能产业将成为新的重要经济增长点，人工智能应用将继续普及增长，推动创新商业模式，并以新的方式推动社会进步[2]。
5G和人工智能技术的不断发展成熟也为家庭生活体验带来了更多的可能，势必重新定义智慧家庭，推动行业发展进步。5G 广覆盖、大连接和低时延三大标志特性将帮助智慧家庭带来新的改变和尝试，包括实现更多智能家居设备的互联，提供更流畅的多媒体内容，为高质量的语音和视频通话做出更好保障，提供更快的上传和下载速度，为智能技术的延伸提供强有力的技术支持。人工智能具备深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放和自主智能等特征，人工智能的发展彻底改变了家庭场景人机交互的方式，让人机交互不再局限于键盘和屏幕，人们可以通过语音实现与各种不同形态的终端设备实现互动，衍生出多个家庭新型场景让家庭生活更舒适，让家庭氛围更温暖。例如通过 AI 语音助手实现全屋智能设备控制，与智能音箱交互听想听的音乐，与智能遥控器交互看想看的电视节目等。
5G与人工智能是相辅相成的两种技术，5G能够促进人工智能技术落地应用，人工智能则可以让5G网络更灵活、更高效。5G及人工智能技术与智慧家庭的深度融合，带来颠覆性的创新机遇，促进产品创新升级，拉动智慧家庭消费需求[3]。
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1.1 5G 泛家庭领域接入技术
中国移动在5G无线频谱上获得2.6G和4.9G频段牌照，然而电磁波频率越高波长越短，信号能量衰落越快，信号绕射能力越弱。近期的5G外场测试发现，5G信号在室内环境中存在信号不稳定、覆盖不全的情况。这表明仅凭部署室外基站，很难完成完整5G室内信号的覆盖。家庭基站（femtocell）和新型无线局域网技术（Wi-Fi 6）可以部署在泛家庭环境中，用于解决5G信号不稳定等覆盖问题。
家庭基站又称飞站，是目前最小的无线接入基站类型，发射功率一般为毫瓦级，覆盖半径较小，支持接入用户数约 5 ～ 6 人。在泛家庭环境中，家庭基站可通过入户光纤宽带，经由 femto 网关快速连接至核心网让用户获取语音、数据等服务。不仅如此，由于家庭基站主要面向室内环境的设备接入，用户数量不会出现较大波动，因此网络服务质量能够得到较高保障。
5G CPE（Customer Premise Equipment，客户终端设备）是一种将5G无线信号转换为 Wi-Fi 信号的终端设备。与家庭基站通过光纤接入核心网的方式不同，5G CPE通过5G信号与宏基站通信接入5G核心网。目前，5G CPE 的实测网络速率在1 Gbit/s 以上，已达到吉比特光纤宽带的接入速率。将5G信号转成 Wi-Fi信号过程中，5G CPE将支持Wi-Fi 6技术。Wi-Fi 6又称 IEEE 802.11ax，是新一代的无线局域网标准。2019年9月16日，Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划。Wi-Fi 6采用正交频分多址（OFDMA）技术实现在一个通道内同时为多个客户端提供服务。多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术允许 5G CPE 同时与多个设备进行通信。Wi-Fi 6 仍支持 2.4 GHz和5 GHz频段，向下兼容 802.11 a/b/g/n/ac 等标准，可使用160 MHz 的频谱资源。调制方面采用1024正交调幅（1024 QAM）可以承载更多数据。Wi-Fi 6最高速率可达 9.6 Gbit/s，其数据传输速率比上一代 Wi-Fi提高了4倍，可以满足虚拟/增强现实（VR/AR）在泛家庭场所中的业务速率需求。
1.2 泛家庭领域 5G 网络技术
5G 泛家庭应用发展驱动5G泛家庭网络结构发生变化。5G泛家庭应用在ITU-R为5G网络业务划分的三大业务场景都有涉及，超高清视频、VR/AR 业务需求符合增强移动宽带（eMBB）和高可靠低时延（uRLLC）要求，全屋智能设备符合海量机器通信（mMTC）要求。因此，为了满足不同业务彼此之间相互矛盾的业务需求，泛家庭网络环境亟需构建一种灵活的网络结构为各类泛家庭应用提供支撑和管理。
网络功能虚拟化（NFV）通过抽象以及网络功能与物理硬件的隔离实现多用户间网络资源的共享。通信网络通常包含大量硬件设备，每提供一种新业务往往需要集成复杂的专用硬件。然而，硬件的生命周期随着技术的创新和业务的更替而变得越来越短。网络功能虚拟化通过软件实现各种网络功能，实现软硬件解耦以及功能抽象。5G泛家庭网络环境可能也需要采用网络功能虚拟化技术匹配未来5G网络架构的演进。
网络功能虚拟化架构主要包含3层：基础设施层、虚拟网络层和虚拟网络实现层。基础设施层指最底层的物理资源，包括路由器、计算处理器和存储设备等。虚拟网络层将硬件抽象成虚拟资源。虚拟网络实现层主要完成对网络功能的软件实现，由一个或者多个虚拟机组成。网络功能虚拟化使网络不再依赖专业硬件，可以灵活分配资源，并基于实际业务需求，实现资源弹性分配和数据安全隔离。
1.3 泛家庭领域人工智能技术
近年来人工智能技术的三大核心引擎：数据、算法和算力发展迅速，在智能安防、全屋智能和智慧社区等领域得到了广泛的应用。
数据方面：数据是驱动人工智能提升识别率和精准度的核心因素，互联网时代积累了海量数据，随着5G技术的发展和落地应用，全球的数据将以指数级增长。据预测，2025年全球产生的数据总量将超过160 ZB，是2016年的10倍。
算法方面：深度学习算法采用了深度神经网络（DNN）构建模型使得算法突破传统的人工提取特征和选择分类器的局限，学习能力更强，准确率更高，通用性更广。卷积神经网络（CNN）通过卷积层提取输入图像的特征，池化层对数据降维，全连接层输出高维特征的组合，从而得到训练任务的结果，主要用于人脸识别、目标检测和图像搜索等，其中基于深度CNN建立的人脸识别模型的准确率已经远远超过人类。循环递归网络（RNN）在序列中前面的输入也会影响到后面的输出，能有效的处理文章和音频等序列数据，主要应用在文本生成、语音识别和机器翻译等。生成对抗网络（GAN）是一种通过生成模型和判别模型相互博弈、不断学习更新的无监督学习算法，目前非常热门，在人脸图片生成、文字/图片相互转换、照片编辑等方面应用广泛。
算力方面：传统的CPU架构中计算单元占比小于30%，不满足海量数据的计算。相反，GPU架构中80% 以上为计算单元，与CPU相比能够支持大批量数据的吞吐和并行计算，极大缩短了计算时间，但是功耗大、成本高。NPU工作原理是在电路层模拟人类神经元和突触，并且用深度学习指令集直接处理大规模的神经元和突触，相同功耗下性能是GPU的100倍以上。FPGA具有功耗低、性能高和硬件可编程的特点，直接通过底层的逻辑门电路来实现算法运算，没有通过指令系统的翻译，执行效率更高。
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5G及人工智能等新兴技术发展，加速社会数字化转型，催热智慧家庭市场，人们对于衣、食、住、行的家居生活有了更高期望，满足人们多样化需求的智慧家庭已成为社会发展的必然趋势[4]。当前5G及人工智能技术已经开始广泛应用于无线宽带、智能组网、智能音视频通信、高清视频内容、智能安防、全屋智能和智慧社区多个家庭场景，使人们开始真正体验智慧家庭生活。
2.1 场景 1 ：无线宽带，让家庭连接更灵活
光纤难以施工的小区、临时性工地、偏远区域在部署有线宽带时存在施工困难、光纤拉远和布线不美观等问题。5G使用毫米波频段，能够提供更好的室内覆盖和更高的带宽，5G支持海量连接和低延时高可靠场景的新型家庭应用。5G无线宽带接入一方面能有效解决部分区域有线宽带施工问题，另一方面解决4G无线网络上行速率受限、视频清晰度不够等问题。5G无线宽带兼顾高带宽、高可靠性与随时随地连接的灵活性，将成为固定宽带的有力补充。
2.2 场景 2 ：智能组网，让屋内信号覆盖无死角
在万物互联时代，每个人都离不开网络，传统路由器不易设置、室内网络覆盖需要专业组网设计且存在一定网络安全风险。在传统组网方式下，老人和儿童不懂网络的设置和使用，需要运维人员提供上门服务；在别墅等大户型室内网络覆盖不达标，需要专业的组网设计；网上不良内容无法监控，上网安全问题频发，家庭用户需要绿色网络，需要安全上网；追剧、视频通话等不顺畅，游戏掉线、卡顿，网络使用感知较差，需要稳定网络以及游戏加速。通过研发智能组网业务，利用人工智能技术分析网络信号强度热力图并自动探测，网关搭配多个智能组网终端，实现全屋信号覆盖，有效解决室内网线布线不合理、有线覆盖缺失、单点 Wi-Fi 覆盖较弱等造成的 Wi-Fi 室内覆盖效果不佳问题。利用智能组网产品，无需设置便可直接上网且网络更稳定，信号全覆盖，可保证视频、娱乐不卡顿，同时可管控儿童上网时长和访问权限，保护儿童远离网上暴力，满足所有家庭成员的上网需求。
2.3 场景 3 ：智能音视频通信，让亲情沟通更便捷
传统语音通话只能通过键盘或屏幕进行人机交互，对于老人、小孩以及残障人士而言，存在手机屏幕小、操作复杂、手持通话不方便、终端形态单一和通话体验不佳等问题。通过将智能语音交互及通信能力赋能多形态终端，打造支持分配固话号和手机号，支持大、中、小屏互通的会打电话的家庭智能终端，丰富通信场景。满足老人、小孩以及残障人士语音交互便捷通话、异地亲情沟通、高清视频通话的需求，实现免装 APP、免按键、看得见、听得清的多形态智能终端通话。
2.4 场景 4 ：高清视频内容，让家庭生活更多样
在现代家庭中，普遍存在小孩课余教育不方便、外出购物没时间、老人小孩看病难等问题。互动教育、大屏电商、大屏医疗等大屏业务，利用5G为用户提供流畅的高清视频、AR/VR体验，让用户足不出户，即可解决这些难题，为用户提供所需的专业内容和优质体验。大屏教育通过直播互动以及智能语音交互，为孩子提供课堂式教学体验，并且利用AI表情分析，实时同步学习报告，优化学习效果；大屏电商利用智能语音交互及大数据赋能，实现精准推荐及语音购物；大屏医疗可通过大屏播放养生保健、医学科普、广场舞、瑜伽、健身等健康知识，同时可在家中与医生视频沟通，获取专业建议，实现视频问诊。
2.5 场景 5 ：智能安防，让家庭生活更放心
传统安防监控，对所发生事件进行实时记录，用于事后取证，功能单一；监控摄像头配置较差，无法对移动目标进行实时监控和行为分析，只能通过画面的前后对比进行辨别；需要布线，施工难度较大，只适用于小范围固定区域的监控。随着5G及人工智能技术与智慧家庭的深度融合，安防有了质的改变。利用5G提供超高清实时监控，无需进行现场布线，在网络覆盖范围内均可进行图像传输；通过人工智能技术赋能摄像头，可实现对移动目标进行人脸识别、自动跟踪以及行为分析，自动完成视频推送预警，起到“防患于未然”的作用。除了智能监控，基于家庭云存储与AI能力，面向儿童、老人、宠物看护场景，还能实现一键呼叫、高清视频回看、哭声安抚、人形侦测和异常报警等智能看护功能，全方位满足智能安防需求。
2.6 场景 6 ：全屋智能，让家居生活更智能
对于生活和工作节奏都十分快的上班族来说，处理家务的时间和精力非常有限，因此家居生活体验直接影响生活质量的高低。在传统的家居生活中，无论是家电开关控制、房屋打扫、做饭洗衣等家务还是亲情沟通、教育娱乐、医疗健康等日常家居生活，都需要花费大量的时间，从而加重上班族的疲惫感，在家中无法获得愉悦感。随着技术的发展，家居生活也发生了重大变革，相比于传统的家居生活，基于5G及人工智能等新技术而衍生的全屋智能家居生活让我们的家居体验进入了一个全新的世界。5G实现了各类终端及应用的互联互通，搭载AI功能则成为了智能家居的风向标。全屋智能家居覆盖门厅、厨房、餐厅、书房、儿童房、客厅、卧室和卫生间八大场景，产品涵盖了智能家电、智能组网、亲情沟通、安防监控、节能控制、教育娱乐和医疗健康。通过智能家居，能轻松处理家务，为用户的家居生活减负，让用户尽享沉浸式智慧服务，体验轻松愉快的家居生活。
2.7 场景 7 ：智慧社区，让社区生活更温馨
传统社区存在以下诸多痛点。
(1)物业公司营收单一，且存在信息孤岛。
(2)业主/居民诸多不便，体验不佳。例如忘带钥匙或者门禁卡则无法进入小区；外来人员很容易进入社区，存在安全隐患 ；车辆进门需要报门牌号，找车位不方便等。
(3)政府部门不能及时掌握社区内人员信息与动态，存在安防死角。
为解决传统社区存在的问题，基于自研AI算法和云边端协同管理平台，结合各类智能硬件设备，对社区通行和社区安防等场景进行智能化升级，为用户提供便捷安全的社区居住体验，为物业人员提供智能高效的管理体系。
社区通行方案：智慧社区从出入口门禁升级改造开始，包括人员和车辆的通行方案。人员通行通过人脸识别技术实现刷脸通行，集成云对讲、手机 NFC-USIM 和 IC卡等几种通行方式，使用人脸识别 PAD 统一识别，关联门禁开关，通行数据实时上传。车辆通行通过车牌识别和车辆引导等实现车辆的通行管理。
社区安防方案：综合运用机器视觉能力、人脸识别、视频分类和视频结构化分析等算法，通过摄像头采集数据，实现人脸自动抓取、身份识别和监控，并与小区人脸库、公安重点关注人员、黑名单库进行比对，发现车辆占道和攀爬等社区异常情况及时报警，在异常行为和黑名单比对报警后，可进行视频回放，方便分析相关人员走向，保障社区安全。
结束语
20世纪90年代末，比尔盖茨在中国推行“维纳斯计划”和“智慧家庭”概念，随后国内企业迅速跟进，智慧家庭体验及专卖店如雨后春笋般出现在各大城市[5]。经过近30年的发展，5G和人工智能等新兴技术已经被广泛应用于泛家庭领域，以满足人们对于智能化家居生活的需求。目前智慧家庭仍然存在成本高和技术不够成熟等问题，智能家居设备还没有进入普通家庭，智慧家庭仍有广阔的发展前景，需要产业链上下游企业在技术和标准等层面展开积极合作，共同打造智慧家庭生态，为市场提供更加优质的智慧家庭体验。
参考文献
[1] 姚玉秀.“5G+AI”万物互联未来无限[J]. 信息系统工程, 2019(5).
[2] 廖军，刘永生, 吴浩然, 等. 5G+AI赋能产业变革[J]. 通信世界，2019(6).
[3] 林琳.“5G+AI”的风口和挑战[N]. 通信信息报，2019-04-10(1).
[4] 邓竹祥. 智慧家庭发展新趋势及运营商对策[J]. 通信企业管理，2014(10).
[5] 吴戈特. 浅谈智能家居的发展历程及未来趋势[J]. 建筑监督检测与造价，2017(3).
该篇文章发表于《电信工程技术与标准化》2020年第2期。
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