移动自组织网络发展与监管研究

沈　辰　中国信息通信研究院产业与规划研究所工程师

朱丹丹　湖南省通信管理局发展处主任科员

杨　哲　中国信息通信研究院产业与规划研究所工程师

薛　雪　中国信息通信研究院产业与规划研究所工程师

1　引言

移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是一种没有固定通信基础设施的网络，由移动节点自组织、自管理、自维护，通过节点的互相协作、多跳转发实现节点间的通信。因其无中心化的自组织特点以及较强的鲁棒性和抗毁性，移动自组织被较早的应用于战地通信、紧急救灾以及工业传感网络等物联网相关领域。

近年来，随着物联网逐渐走向成熟，智能家居、工业互联网等物联网重点应用先行突破。作为物联网领域极具代表性的组网技术，移动自组织技术也加快了创新的步伐。ZigBee3.0版本的推出进一步提升了智能家居互联互通的水平；ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA等无线自组织网络技术的提出也将与5G以及其他短距离无线技术争夺工业互联网工厂内网络未来组网技术的主导权。同时，伴随着个人智能终端的普及，以及Wi-Fi、蓝牙技术向移动自组织领域拓展，移动自组织领域已经不再局限于传统的应用领域，逐渐向个人应用渗透。众多基于移动自组织网络的即时通信应用纷纷涌现，其特殊应用场景的价值正在逐步显现。

2　移动自组织技术发展情况

2.1　作为传统移动自组织代表性技术，ZigBee技术逐渐趋于完善

经过多年的发展，以其距离短、功耗低、速度慢、成本低、可靠性高的特点，ZigBee已成为移动自组织领域的代表性技术。近期，ZigBee推出了解决其互联互通问题的3.0版本，受到了业界的广泛欢迎。业界针对ZigBee3.0的推出抱有重大期待，ZigBee3.0通过统一应用层协议，使得不同厂家以及不同应用场景的ZigBee技术实现互通。目前，在智能家居领域已形成基于ZigBee较为成熟的应用产品，如小米网关、温湿度传感器等。

2.2　Z-WAVE“极简”模式受关注，但存在一定监管风险

与ZigBee相比，Z-Wave其结构更加简单、成本更低、但传输速率也更低（仅有9.6kbit/s，为ZigBee理论速率1/10）。在功耗方面，Z-Wave睡眠模式达到2.5微安培，接收23毫安培，发射在0dBm输出达到36毫安培，约为ZigBee的1/2到1/3。虽然极低的功耗与成本成为Z-Wave的卖点，但在中国存在限制使用风险。不同于工作在2.4GHz的全球共用频段，Z-Wave有两种工作频带，分别是欧洲868.42MHz、美国908.42MHz，二者属于国际无线划分的一区和二区的ISM频段，而中国属于三区，没有划入ISM频段。因此，Z-Wave在我国存在频率使用限制风险。

2.3　移动自组织有望成为工业互联网工厂内无线网络主导技术

在流程工业中实时/非实时场景控制中，工业无线网技术方向已成为工业互联网工厂内网络技术的重要演进方向。ISA100.11a、Wireless HART以及WIA-PA均为面向工业应用的无线自组织网络技术标准，均于近年来提出并成为国际标准。其中，ISA100.11a由美国主导提出；WirelessHART由欧盟主导提出；WIA-PA由我国主导提出。目前，从应用情况来看，ISA100.11a因其具有良好的扩展性、开放性、接口友好性以及互联性，受到更多的应用。但另一方面，ISA100.11a具有更高的复杂度，设备端的逻辑相对复杂，成本及功耗相对更高。

2.4　蓝牙技术的又一次革新，从点对点走向Mesh组网

Bluetooth是一种基于IEEE802.15.1的无线通信技术标准，设计之初为了实现固定/移动设备个人局域网之间的点对点的数据交换。2014年2月初，蓝牙推出了Bluetooth Mesh模式，促使蓝牙技术正式进入以智能家居为代表的物联网领域。在实现Mesh组网的功能之外，Bluetooth Mesh其优势蓝牙具有较高的终端普适性，大量智能终端均支持蓝牙技术，因此无需ZigBee所必备的网关设备。

3　移动自组织网络发展特点与趋势

3.1　“万物互联”成为移动自组织发展重要推动力

全球物联网整体进入实质性推进和规模化发展的新阶段，应用呈现重点突破态势。经过近几年的培育和探索，全球物联网正从碎片化、孤立化应用为主的起步阶段迈入“重点聚焦、跨界融合、集成创新”的新阶段。物联网市场快速启动，在工业互联网、智能可穿戴以及智能家居等诸多领域加速渗透。

随着物联网呈现加速发展态势，作为物联网领域中重要的组网技术，移动自组织迎来新一波发展高潮。在过去十几年的发展过程中，受限于应用场景和终端限制，移动自组织网络大多用于军事、工业/农业生产以及紧急救援服务中，应用场景具有一定局限性，组网终端具有一定专用性。当前互联网正在从“人人互联”走向“物物互联”，物物互联的场景日渐丰富、互联终端种类逐渐增加，作为物联网的极具代表性的组网技术，移动自组织网络出现了快速发展的新趋势。在物联网应用呈现重点突破的领域，移动自组织网络扮演着关键角色。

一是成为工业互联网OT场景下的重要技术解决路径，有望争夺未来技术主导权。工厂内网络对于网络性能要求相比传统物联网应用场景具有更高的要求，其端到端时延要求达到ms级、数据传输成功率要求接近99.999%、同步精度需达到百纳秒级，并支持百万级别/km2的连接数量以及极低的功耗要求。近年来，随着各国工业互联网战略的深入部署，由美国主导的ISA100.11a、欧盟主导的WirelessHART以及我国主导的WIA-PA先后获得国际电工标准委员会（IEC）认可，成为流程工业中进行生产控制的可靠、稳定和安全的无线通信关键技术，将在未来与5G以及局域网技术WIA-FA等争夺OT场景下的技术与标准主导权。

二是逐渐成为智能家居领域首选。智能家居目标构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。因此，智能家居设备通常需要拥有足够的安全性、稳定性、操作流畅性、较强的设备承载能力和较低的功耗，这与以ZigBee为代表的移动自组织网络特点完全一致。目前，在智能家居领域，较为成熟与成功的解决方案基本均是基于移动自组织技术。例如，飞利浦、小米、360、百度、迅雷等互联网企业推出的温湿度传感器、智能灯泡、智能插座、智能摄像头等智能家居周边设备，基本均以智能路由器为核心，利用移动自组织技术实现周边设备的互联。相对移动组织技术，蜂窝通信、Wi-Fi、传统BLE等其他竞争技术在移动性、功耗等均存在一定劣势。

3.2　互联互通成为移动自组织技术发展的重要趋势

随着应用场景的不断拓展，不同厂家和技术组织为了抢占市场，纷纷推出了基于不同应用场景的技术标准和解决方案，其技术标准相互独立，不能实现互通。以ZigBee为例，ZigBee联盟曾先后颁布ZigBee Home Automation（ZigBee HA）、ZigBee Light Link（ZigBee LL）等应用层协议来满足智能家居、智能照明等领域。虽然这些协议均是基于ZiBee技术，但是这些协议在应用层是独立不互通的。因此，早期移动自组织技术之前虽解决了智能设备的连接问题，但是没有解决智能设备的互联互通问题。

随着物联网智能家居行业逐渐走向成熟，不同技术标准之间的互通性与相互融合逐渐得到各厂商之间的认同。2015年，ZigBee联盟正式推出3.0版本。Zig-Bee 3.0统一了ZigBee Home Automation在内的6个标准。在基于网络层的标准化基础上，进行了应用层的标准化，定义网络和设备运行之间的一切连接方式，使不同供应商的设备可以无缝协作。它使得开发者的产品开发更加容易，并带来更大范围的互操作性，设备在网络中的行为方式有统一的规范。

同时，不同技术标准与行业联盟也已开展合作。2016年年初，ZigBee联盟宣布与EnOcean联盟开展合作，将整合EnOcean能量采集无线技术与ZigBee 3.0的优势。双方合作后EnOcean联盟将提供完全兼容ZigBee 3.0的方案，ZigBee联盟也将利用EnOcean联盟的技术及经验对GreenPower应用层进行改进，将应用于包括智能家居、环境监测等各种物联网领域。此外，作为智能家居领域最大的竞争对手，ZigBee联盟与谷歌、三星领导的ThreadGroup的合作也已达成共识。由于Thread不涉及应用层协议，因此双方合作将在Thread网络架构上实现ZigBee的应用层协议，使得智能家居厂商的网关设备支持多协议标准，具有统一的UI交互。

虽然ZigBee3.0的推出成功带动了移动自组织网络技术逐渐走向互联互通、融合开放的阶段。因其采用专有的组网方式和路由协议，与Wi-Fi、蓝牙、NB-IoT等协议互联互通问题仍没有得到彻底解决。更大程度的兼容性是移动自组织网络未来发展还需考虑的重要问题。

3.3　组网终端日渐丰富，为移动自组织提供广阔发展空间

“万物互联”时代的到来使得各类型终端联网需求日益增加，移动自组织的应用场景也不再将局限于传统生产、监控以及救援等领域。特别是随着移动自组织技术应用于移动智能终端，个人应用市场将成为广阔的蓝海，基于自组织网络的即时通信、互动游戏等应用已逐渐显现。同时，随着集群技术、机器人技术以及人工智能的发展，移动自组织技术也是无人机集群、机器人集群实现军事行动、空间探索等应用中信息传递的关键技术。

借助智能终端，个人应用或成为另一新兴领域。随着苹果iOS7系统的推出，其中多点互联通信新框架受到开发者的广泛关注。在苹果借助此技术推出AirDrop无线文件传输功能之后，多款利用此框架实现终端组网的即时通信应用也陆续出现，并引起业界关注。此框架通过整合蓝牙（BLE MESH）和Wi-Fi（P2P WiFi）技术，实现附近Apple设备（iMac/iPad/iPhone）的发现和连接。应用开发者利用Multipeer connectivity框架建立设备近距离连接，使众多互相链接的节点形成网状网络，从而在特定区域内传递信息流或是其他文件资源，而不依赖于现有WLAN或移动网络。此次向个人即时通信领域的拓展，是利用智能终端实现自组织网络的一次新尝试，受到广泛的关注。

移动自组织成为集群智能系统关键技术。集群智能是众多无智能个体通过相互合作所表现的智能行为。因为需要较强的鲁棒性，集群智能的控制通常是分布式的。因此，具有动态组网以及高可靠性的移动自组织技术在集群智能系统中至关重要。目前，集群智能系统主要应用于机器人空间探索以及军事领域。在近期珠海航展上，中国电科CETC披露了我国第一个固定翼无人机集群试验原型系统，实现了67架规模的集群原理验证，打破之前由美国海军保持的50架固定翼无人机集群的世界纪录。其中，集群无人机之间的信息传递就是基于个体之间的自组织网络实现。

4　移动自组织网络发展与监管建议

4.1　关注新兴领域，抢占技术与标准制高点

随着移动自组织应用领域不断扩展，工业、家居两个领域标准化成为产业布局和竞争的焦点。在工业领域，美国研究机构积极推进工业互联网标准。2015年，美国工业互联网联盟发布了工业互联网参考架构，并大力推动其主导的ISA100.11a标准实际应用，希望成为未来OT场景下的规范。同时，德国提出工业4.0战略，并在信息通信、集成电路、安全、数据分析等重点领域开展研究。在智能家居领域，Allseen联盟、开放互联联盟、Thread联盟等均积极推进标准之间的互联互通。

我国相关组织与企业积极参与标准的制定，但部分领域实际影响力较为有限。在智能家居领域，ZigBee联盟中国成员组成为ZigBee3.0标准的重要参与者，在其标准的制定过程中贡献了部分代码，并充分表达了我国企业相关诉求，保障了我国企业的重要利益。同时，基于对标准的熟悉，我国企业在面向我国亚洲市场也走在前列，率先推出基于ZigBee3.0的智能家居产品。在工业领域，由中科院沈阳自动化研究所、北科大、浙大等研究机构自主研发的用于工业过程测量、监视与控制的无线自组织网络系统标准WIA-PA已于2011年成为我国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的WIA子标准，并于同年成为IEC国际正式标准。然而，目前WIA-PA只有小规模示范应用，多是国内试验性质的开环应用。主要原因在于工业界对工业无线的接受程度还较低，市场还在培育中。同时，我国芯片集成厂商较为看重成熟的解决方案，对创新性业务市场动力不足，WIA-PA芯片采用有限。为了抢占移动自组织的新兴领域技术与标准的制高点，建议加强自主核心技术的研究与布局，重点开展工业互联网、智能家居、集群智能下的空间探索以及军事应用的移动自组织技术标准研究。继续推进我国自主技术如WIA-PA的研发和产业化，鼓励芯片、终端、应用企业协同合作，共同参与标准制定，推动商业模式和服务模式等方面的创新。

4.2　加强个人应用领域相关应用的监管

近期，应用软件开发商利用iOS和安卓的系统框架纷纷推出了脱离接入ISP网络的自组织网络即时通信APP，此类移动服务基于终端Wi-Fi和蓝牙构建自组织网络实现通信。一方面在“网络环境差”、“人群密度高”、“有分享交流的需求”应用场景给使用者带来便利，另一方面也为监管带来新的挑战。在2015年中国香港非法“占中”事件中，移动终端自组织网络成为非法“占中”参与者进行通信的重要手段之一。其中，一款利用了Multipeer connectivity框架的即时聊天软件FireChat达到香港苹果APP软件商店即时通信软件下载量第一，应用商店浏览量比之前增长150倍，高峰期有超过1.6万人同时使用该软件。此类即时通信软件在事实上脱离了监管，具有用于传递非法信息的可能，应加强相关应用的管理。一是要加强应用商店的管理，实现应用开发者实名制以及应用服务器的溯源，对于不法用途的APP软件应及时实现应用的下架。二是联合基础电信运营企业、社交媒体企业共同开展针对此类应用的管制。

[1]Wikipedia.Mobile adhoc network[DB/OL].2017[2017-11-22].http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_ad_hoc_network.

[2]谢川.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用,2013(9).

[3]王平,王泉.工业无线技术ISA100.11a的现状与发展[J].中国仪器仪表,2009(10).