自组织网络在IOT设备中的应用
2022-03-25 17:13:01来源：移动Labs
近几年来，IOT设备在家庭和工业上开始广泛的应用，网络接入方式是决定IOT设备建立连接的稳定性、可靠性以及成本的关键技术之一。当一个设备需要进行无线联网的时候，大家最本能地想法是通过Wi-Fi、蜂窝等方式，直接连接在网关/路由器上，实现IOT设备的联网。
Wi-Fi和蜂窝的连接方式除简单、有效外，还具有带宽大的优势，但单点的网关/AP覆盖的范围有限，特别是IOT设备在家庭和工业区等场景下，信号覆盖存在死角，比如水池里、沙发角落甚至是房屋外部。面对这种情况，要么扩大网关/路由器的覆盖范围，要么换一种其他的联网方式，比如使用具有Mesh功能的路由器。即通过多个路由器组成一组MESH来扩大无线覆盖范围，从而部分解决上述的问题。但其并不完全是一种自组织网络，而且一组MESH路由器不仅价格昂贵，并且仍会存在覆盖死角。
通过使用自组织网络(AdHoc)类型的网络协议可以有效解决信号覆盖不到的问题，如zigbee、蓝牙mesh等均为自组织网络的一种。自组织网络具有自发生产网络拓扑，并且在节点失能后网络自动愈合的特点。
那么什么是自组织网(ad hoc)呢?与传统网络最大的不同之处，自组织网的节点是处于不稳定的拓扑状态，因通信节点位置上的移动或信道的变化，网络内节点很难有一个稳定接入AP。自组织网内的节点可以成为其他节点接入网络的转发节点， 且拓扑变化过程中，是无需人工进行干预的，这也是其名称“自组织”的由来。
从平面结构，不超过10个节点的无人机网，到理论最多65536个节点的zigbee网络，他们都属于自组织网络。
因其无需基础网络、抗毁性强、低功耗、覆盖广泛等优点，自组织网在军事、紧急救灾、传感器网络等多方面均有广泛的应用。
从IEEE802.11标准下的蓝牙、zigBee等、到军事领域各种私有的协议，自组织网的核心依然是分布式的节点的路由如何维护路由关系以应对变化的拓扑结构。简而言之就是节点在发送数据的时候，如何知道下一条的节点是哪个。
在MAC层解决了信道接入的基础上，在网络层面解决方式主要是两大类：
1、表驱动方式：该方式是网络内所有节点通过定期或者不定期的广播本节点的路由信息，其他节点收到后进行转发，并更新自身的路由表。在更新路由记录时，产生一个自增的id，通过对比id大小来进行路由表的淘汰。通过以上的步骤，可以在网络内所有节点维护全量的路由表，好处是转发延时小;劣势是维护路由表的开销会比较大，且会随着节点数目增大而剧烈上升。
2、按需路由方式：该方式下节点并不维护一张实时、全量的路由表。当有转发的需求时，会发起寻路请求，经过其他节点转发，到达目的节点;目的节点返回确认消息，经转发后回到源节点，从而建立起一条路由。该方法的好处与劣势与上一种刚好相反：维护开销小但是延时较大。
那么，与传统的点到点网络相比，自组织网络在IOT应用场景里有什么优势呢?
自组织对网络覆盖要求不高。可以有效解决家庭室内外、野外作业等固有网络设施不足的场景内的网络覆盖问题。
网络环境适应性强，当发生遮挡或者节点失能时，网络会自动调整。同时对于IOT设备使用者也极为方便，设备的安装过程也不用刻意地调整设备节点的网络环境，在网络环境有变动的情况下，一般也不需要进行人工干预。
网络连接量大。传统的Wifi方式，一般连接上限在40到80个，无法支持工业级的IOT应用场景。而自组织网络通过网络分成的方式，可以大大提升网络内支持的节点数量。如zigBee协议支持数量为65536，现代的智能楼宇和工厂的动辄现需要数万个传感器，自组织网络的接入方式是最好的选择。
功耗相对于WiFi、蜂窝较低，通过定时唤醒和监听，自组织网络设备可以长时间处在休眠状态，减少功耗。这个特性决定了IOT设备可以依靠电池实现长时间的工作，大大减少了设备的维护工作。
以上，ZigBee、Z-Wave、Thread、蓝牙mesh等自组织网络协议已成为IOT产业不可缺少的连接方式，也会在未来的物联网发展中覆盖更广的场景，起到更重要的作用。
作者：郭冠华，单位：中国移动智慧家庭运营中心
