移動自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與監(jiān)管研究

沈　辰　中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所工程師

朱丹丹　湖南省通信管理局發(fā)展處主任科員

楊　哲　中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所工程師

薛　雪　中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所工程師

1　引言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是一種沒有固定通信基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，由移動節(jié)點(diǎn)自組織、自管理、自維護(hù)，通過節(jié)點(diǎn)的互相協(xié)作、多跳轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信。因其無中心化的自組織特點(diǎn)以及較強(qiáng)的魯棒性和抗毀性，移動自組織被較早的應(yīng)用于戰(zhàn)地通信、緊急救災(zāi)以及工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)逐漸走向成熟，智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)應(yīng)用先行突破。作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極具代表性的組網(wǎng)技術(shù)，移動自組織技術(shù)也加快了創(chuàng)新的步伐。ZigBee3.0版本的推出進(jìn)一步提升了智能家居互聯(lián)互通的水平；ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA等無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提出也將與5G以及其他短距離無線技術(shù)爭奪工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)未來組網(wǎng)技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)。同時，伴隨著個人智能終端的普及，以及Wi-Fi、藍(lán)牙技術(shù)向移動自組織領(lǐng)域拓展，移動自組織領(lǐng)域已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，逐漸向個人應(yīng)用滲透。眾多基于移動自組織網(wǎng)絡(luò)的即時通信應(yīng)用紛紛涌現(xiàn)，其特殊應(yīng)用場景的價值正在逐步顯現(xiàn)。

2　移動自組織技術(shù)發(fā)展情況

2.1　作為傳統(tǒng)移動自組織代表性技術(shù)，ZigBee技術(shù)逐漸趨于完善

經(jīng)過多年的發(fā)展，以其距離短、功耗低、速度慢、成本低、可靠性高的特點(diǎn)，ZigBee已成為移動自組織領(lǐng)域的代表性技術(shù)。近期，ZigBee推出了解決其互聯(lián)互通問題的3.0版本，受到了業(yè)界的廣泛歡迎。業(yè)界針對ZigBee3.0的推出抱有重大期待，ZigBee3.0通過統(tǒng)一應(yīng)用層協(xié)議，使得不同廠家以及不同應(yīng)用場景的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)互通。目前，在智能家居領(lǐng)域已形成基于ZigBee較為成熟的應(yīng)用產(chǎn)品，如小米網(wǎng)關(guān)、溫濕度傳感器等。

2.2　Z-WAVE“極簡”模式受關(guān)注，但存在一定監(jiān)管風(fēng)險

與ZigBee相比，Z-Wave其結(jié)構(gòu)更加簡單、成本更低、但傳輸速率也更低（僅有9.6kbit/s，為ZigBee理論速率1/10）。在功耗方面，Z-Wave睡眠模式達(dá)到2.5微安培，接收23毫安培，發(fā)射在0dBm輸出達(dá)到36毫安培，約為ZigBee的1/2到1/3。雖然極低的功耗與成本成為Z-Wave的賣點(diǎn)，但在中國存在限制使用風(fēng)險。不同于工作在2.4GHz的全球共用頻段，Z-Wave有兩種工作頻帶，分別是歐洲868.42MHz、美國908.42MHz，二者屬于國際無線劃分的一區(qū)和二區(qū)的ISM頻段，而中國屬于三區(qū)，沒有劃入ISM頻段。因此，Z-Wave在我國存在頻率使用限制風(fēng)險。

2.3　移動自組織有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)技術(shù)

在流程工業(yè)中實時/非實時場景控制中，工業(yè)無線網(wǎng)技術(shù)方向已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要演進(jìn)方向。ISA100.11a、Wireless HART以及WIA-PA均為面向工業(yè)應(yīng)用的無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，均于近年來提出并成為國際標(biāo)準(zhǔn)。其中，ISA100.11a由美國主導(dǎo)提出；WirelessHART由歐盟主導(dǎo)提出；WIA-PA由我國主導(dǎo)提出。目前，從應(yīng)用情況來看，ISA100.11a因其具有良好的擴(kuò)展性、開放性、接口友好性以及互聯(lián)性，受到更多的應(yīng)用。但另一方面，ISA100.11a具有更高的復(fù)雜度，設(shè)備端的邏輯相對復(fù)雜，成本及功耗相對更高。

2.4　藍(lán)牙技術(shù)的又一次革新，從點(diǎn)對點(diǎn)走向Mesh組網(wǎng)

Bluetooth是一種基于IEEE802.15.1的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計之初為了實現(xiàn)固定/移動設(shè)備個人局域網(wǎng)之間的點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。2014年2月初，藍(lán)牙推出了Bluetooth Mesh模式，促使藍(lán)牙技術(shù)正式進(jìn)入以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。在實現(xiàn)Mesh組網(wǎng)的功能之外，Bluetooth Mesh其優(yōu)勢藍(lán)牙具有較高的終端普適性，大量智能終端均支持藍(lán)牙技術(shù)，因此無需ZigBee所必備的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

3　移動自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

3.1　“萬物互聯(lián)”成為移動自組織發(fā)展重要推動力

全球物聯(lián)網(wǎng)整體進(jìn)入實質(zhì)性推進(jìn)和規(guī)?；l(fā)展的新階段，應(yīng)用呈現(xiàn)重點(diǎn)突破態(tài)勢。經(jīng)過近幾年的培育和探索，全球物聯(lián)網(wǎng)正從碎片化、孤立化應(yīng)用為主的起步階段邁入“重點(diǎn)聚焦、跨界融合、集成創(chuàng)新”的新階段。物聯(lián)網(wǎng)市場快速啟動，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能可穿戴以及智能家居等諸多領(lǐng)域加速滲透。

隨著物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中重要的組網(wǎng)技術(shù)，移動自組織迎來新一波發(fā)展高潮。在過去十幾年的發(fā)展過程中，受限于應(yīng)用場景和終端限制，移動自組織網(wǎng)絡(luò)大多用于軍事、工業(yè)/農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及緊急救援服務(wù)中，應(yīng)用場景具有一定局限性，組網(wǎng)終端具有一定專用性。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)正在從“人人互聯(lián)”走向“物物互聯(lián)”，物物互聯(lián)的場景日漸豐富、互聯(lián)終端種類逐漸增加，作為物聯(lián)網(wǎng)的極具代表性的組網(wǎng)技術(shù)，移動自組織網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了快速發(fā)展的新趨勢。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)重點(diǎn)突破的領(lǐng)域，移動自組織網(wǎng)絡(luò)扮演著關(guān)鍵角色。

一是成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)OT場景下的重要技術(shù)解決路徑，有望爭奪未來技術(shù)主導(dǎo)權(quán)。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)對于網(wǎng)絡(luò)性能要求相比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景具有更高的要求，其端到端時延要求達(dá)到ms級、數(shù)據(jù)傳輸成功率要求接近99.999%、同步精度需達(dá)到百納秒級，并支持百萬級別/km2的連接數(shù)量以及極低的功耗要求。近年來，隨著各國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的深入部署，由美國主導(dǎo)的ISA100.11a、歐盟主導(dǎo)的WirelessHART以及我國主導(dǎo)的WIA-PA先后獲得國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會（IEC）認(rèn)可，成為流程工業(yè)中進(jìn)行生產(chǎn)控制的可靠、穩(wěn)定和安全的無線通信關(guān)鍵技術(shù)，將在未來與5G以及局域網(wǎng)技術(shù)WIA-FA等爭奪OT場景下的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)權(quán)。

二是逐漸成為智能家居領(lǐng)域首選。智能家居目標(biāo)構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。因此，智能家居設(shè)備通常需要擁有足夠的安全性、穩(wěn)定性、操作流暢性、較強(qiáng)的設(shè)備承載能力和較低的功耗，這與以ZigBee為代表的移動自組織網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)完全一致。目前，在智能家居領(lǐng)域，較為成熟與成功的解決方案基本均是基于移動自組織技術(shù)。例如，飛利浦、小米、360、百度、迅雷等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)推出的溫濕度傳感器、智能燈泡、智能插座、智能攝像頭等智能家居周邊設(shè)備，基本均以智能路由器為核心，利用移動自組織技術(shù)實現(xiàn)周邊設(shè)備的互聯(lián)。相對移動組織技術(shù)，蜂窩通信、Wi-Fi、傳統(tǒng)BLE等其他競爭技術(shù)在移動性、功耗等均存在一定劣勢。

3.2　互聯(lián)互通成為移動自組織技術(shù)發(fā)展的重要趨勢

隨著應(yīng)用場景的不斷拓展，不同廠家和技術(shù)組織為了搶占市場，紛紛推出了基于不同應(yīng)用場景的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和解決方案，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相互獨(dú)立，不能實現(xiàn)互通。以ZigBee為例，ZigBee聯(lián)盟曾先后頒布ZigBee Home Automation（ZigBee HA）、ZigBee Light Link（ZigBee LL）等應(yīng)用層協(xié)議來滿足智能家居、智能照明等領(lǐng)域。雖然這些協(xié)議均是基于ZiBee技術(shù)，但是這些協(xié)議在應(yīng)用層是獨(dú)立不互通的。因此，早期移動自組織技術(shù)之前雖解決了智能設(shè)備的連接問題，但是沒有解決智能設(shè)備的互聯(lián)互通問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)逐漸走向成熟，不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的互通性與相互融合逐漸得到各廠商之間的認(rèn)同。2015年，ZigBee聯(lián)盟正式推出3.0版本。Zig-Bee 3.0統(tǒng)一了ZigBee Home Automation在內(nèi)的6個標(biāo)準(zhǔn)。在基于網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，進(jìn)行了應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化，定義網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備運(yùn)行之間的一切連接方式，使不同供應(yīng)商的設(shè)備可以無縫協(xié)作。它使得開發(fā)者的產(chǎn)品開發(fā)更加容易，并帶來更大范圍的互操作性，設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的行為方式有統(tǒng)一的規(guī)范。

同時，不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)聯(lián)盟也已開展合作。2016年年初，ZigBee聯(lián)盟宣布與EnOcean聯(lián)盟開展合作，將整合EnOcean能量采集無線技術(shù)與ZigBee 3.0的優(yōu)勢。雙方合作后EnOcean聯(lián)盟將提供完全兼容ZigBee 3.0的方案，ZigBee聯(lián)盟也將利用EnOcean聯(lián)盟的技術(shù)及經(jīng)驗對GreenPower應(yīng)用層進(jìn)行改進(jìn)，將應(yīng)用于包括智能家居、環(huán)境監(jiān)測等各種物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。此外，作為智能家居領(lǐng)域最大的競爭對手，ZigBee聯(lián)盟與谷歌、三星領(lǐng)導(dǎo)的ThreadGroup的合作也已達(dá)成共識。由于Thread不涉及應(yīng)用層協(xié)議，因此雙方合作將在Thread網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上實現(xiàn)ZigBee的應(yīng)用層協(xié)議，使得智能家居廠商的網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有統(tǒng)一的UI交互。

雖然ZigBee3.0的推出成功帶動了移動自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸走向互聯(lián)互通、融合開放的階段。因其采用專有的組網(wǎng)方式和路由協(xié)議，與Wi-Fi、藍(lán)牙、NB-IoT等協(xié)議互聯(lián)互通問題仍沒有得到徹底解決。更大程度的兼容性是移動自組織網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展還需考慮的重要問題。

3.3　組網(wǎng)終端日漸豐富，為移動自組織提供廣闊發(fā)展空間

“萬物互聯(lián)”時代的到來使得各類型終端聯(lián)網(wǎng)需求日益增加，移動自組織的應(yīng)用場景也不再將局限于傳統(tǒng)生產(chǎn)、監(jiān)控以及救援等領(lǐng)域。特別是隨著移動自組織技術(shù)應(yīng)用于移動智能終端，個人應(yīng)用市場將成為廣闊的藍(lán)海，基于自組織網(wǎng)絡(luò)的即時通信、互動游戲等應(yīng)用已逐漸顯現(xiàn)。同時，隨著集群技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，移動自組織技術(shù)也是無人機(jī)集群、機(jī)器人集群實現(xiàn)軍事行動、空間探索等應(yīng)用中信息傳遞的關(guān)鍵技術(shù)。

借助智能終端，個人應(yīng)用或成為另一新興領(lǐng)域。隨著蘋果iOS7系統(tǒng)的推出，其中多點(diǎn)互聯(lián)通信新框架受到開發(fā)者的廣泛關(guān)注。在蘋果借助此技術(shù)推出AirDrop無線文件傳輸功能之后，多款利用此框架實現(xiàn)終端組網(wǎng)的即時通信應(yīng)用也陸續(xù)出現(xiàn)，并引起業(yè)界關(guān)注。此框架通過整合藍(lán)牙（BLE MESH）和Wi-Fi（P2P WiFi）技術(shù)，實現(xiàn)附近Apple設(shè)備（iMac/iPad/iPhone）的發(fā)現(xiàn)和連接。應(yīng)用開發(fā)者利用Multipeer connectivity框架建立設(shè)備近距離連接，使眾多互相鏈接的節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，從而在特定區(qū)域內(nèi)傳遞信息流或是其他文件資源，而不依賴于現(xiàn)有WLAN或移動網(wǎng)絡(luò)。此次向個人即時通信領(lǐng)域的拓展，是利用智能終端實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的一次新嘗試，受到廣泛的關(guān)注。

移動自組織成為集群智能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。集群智能是眾多無智能個體通過相互合作所表現(xiàn)的智能行為。因為需要較強(qiáng)的魯棒性，集群智能的控制通常是分布式的。因此，具有動態(tài)組網(wǎng)以及高可靠性的移動自組織技術(shù)在集群智能系統(tǒng)中至關(guān)重要。目前，集群智能系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)器人空間探索以及軍事領(lǐng)域。在近期珠海航展上，中國電科CETC披露了我國第一個固定翼無人機(jī)集群試驗原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了67架規(guī)模的集群原理驗證，打破之前由美國海軍保持的50架固定翼無人機(jī)集群的世界紀(jì)錄。其中，集群無人機(jī)之間的信息傳遞就是基于個體之間的自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

4　移動自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與監(jiān)管建議

4.1　關(guān)注新興領(lǐng)域，搶占技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)

隨著移動自組織應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，工業(yè)、家居兩個領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化成為產(chǎn)業(yè)布局和競爭的焦點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域，美國研究機(jī)構(gòu)積極推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2015年，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)，并大力推動其主導(dǎo)的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)實際應(yīng)用，希望成為未來OT場景下的規(guī)范。同時，德國提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，并在信息通信、集成電路、安全、數(shù)據(jù)分析等重點(diǎn)領(lǐng)域開展研究。在智能家居領(lǐng)域，Allseen聯(lián)盟、開放互聯(lián)聯(lián)盟、Thread聯(lián)盟等均積極推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)之間的互聯(lián)互通。

我國相關(guān)組織與企業(yè)積極參與標(biāo)準(zhǔn)的制定，但部分領(lǐng)域?qū)嶋H影響力較為有限。在智能家居領(lǐng)域，ZigBee聯(lián)盟中國成員組成為ZigBee3.0標(biāo)準(zhǔn)的重要參與者，在其標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中貢獻(xiàn)了部分代碼，并充分表達(dá)了我國企業(yè)相關(guān)訴求，保障了我國企業(yè)的重要利益。同時，基于對標(biāo)準(zhǔn)的熟悉，我國企業(yè)在面向我國亞洲市場也走在前列，率先推出基于ZigBee3.0的智能家居產(chǎn)品。在工業(yè)領(lǐng)域，由中科院沈陽自動化研究所、北科大、浙大等研究機(jī)構(gòu)自主研發(fā)的用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA已于2011年成為我國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，并于同年成為IEC國際正式標(biāo)準(zhǔn)。然而，目前WIA-PA只有小規(guī)模示范應(yīng)用，多是國內(nèi)試驗性質(zhì)的開環(huán)應(yīng)用。主要原因在于工業(yè)界對工業(yè)無線的接受程度還較低，市場還在培育中。同時，我國芯片集成廠商較為看重成熟的解決方案，對創(chuàng)新性業(yè)務(wù)市場動力不足，WIA-PA芯片采用有限。為了搶占移動自組織的新興領(lǐng)域技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的制高點(diǎn)，建議加強(qiáng)自主核心技術(shù)的研究與布局，重點(diǎn)開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能家居、集群智能下的空間探索以及軍事應(yīng)用的移動自組織技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究。繼續(xù)推進(jìn)我國自主技術(shù)如WIA-PA的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，鼓勵芯片、終端、應(yīng)用企業(yè)協(xié)同合作，共同參與標(biāo)準(zhǔn)制定，推動商業(yè)模式和服務(wù)模式等方面的創(chuàng)新。

4.2　加強(qiáng)個人應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的監(jiān)管

近期，應(yīng)用軟件開發(fā)商利用iOS和安卓的系統(tǒng)框架紛紛推出了脫離接入ISP網(wǎng)絡(luò)的自組織網(wǎng)絡(luò)即時通信APP，此類移動服務(wù)基于終端Wi-Fi和藍(lán)牙構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信。一方面在“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差”、“人群密度高”、“有分享交流的需求”應(yīng)用場景給使用者帶來便利，另一方面也為監(jiān)管帶來新的挑戰(zhàn)。在2015年中國香港非法“占中”事件中，移動終端自組織網(wǎng)絡(luò)成為非法“占中”參與者進(jìn)行通信的重要手段之一。其中，一款利用了Multipeer connectivity框架的即時聊天軟件FireChat達(dá)到香港蘋果APP軟件商店即時通信軟件下載量第一，應(yīng)用商店瀏覽量比之前增長150倍，高峰期有超過1.6萬人同時使用該軟件。此類即時通信軟件在事實上脫離了監(jiān)管，具有用于傳遞非法信息的可能，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)應(yīng)用的管理。一是要加強(qiáng)應(yīng)用商店的管理，實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)者實名制以及應(yīng)用服務(wù)器的溯源，對于不法用途的APP軟件應(yīng)及時實現(xiàn)應(yīng)用的下架。二是聯(lián)合基礎(chǔ)電信運(yùn)營企業(yè)、社交媒體企業(yè)共同開展針對此類應(yīng)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]謝川.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013(9).

[3]王平,王泉.工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國儀器儀表,2009(10).