一、磁域网技术概述

1、磁域网的概念

磁域网（MFAN）是可以在一个低频段的磁场上传输和接收数据的无线通信网络。磁场内的无线通信可以实现可靠的通信，并扩展了通信系统对金属、土壤和水的覆盖范围。这种无线通信网络是根据磁场通信的特点而设计的。在恶劣环境下，采用低载频可靠通信和大磁场区域，采用BPSK等简单鲁棒调制，以降低实现成本和错误概率；采用曼彻斯特编码或NRZ-L等动态编码技术，实现噪声鲁棒性。本质上，磁域网无线通信能够提供传输距离在几米之内的数千比特每秒（kbps）级的数据传输。

磁域网使用一种简单而高效的网络拓扑结构（如星型拓扑结构）以降低功耗。采用动态地址分配的方法实现了小数据包规模和高效率的地址管理，并考虑了可变数据传输速度和编码的自适应链路质量控制。磁域网中的设备根据角色被指定为两类元素：磁域网协调器（MFAN-C）和磁域网节点（MFAN-N）。在网络中，可以仅有一个协调器。当节点加入网络时，协调器根据节点的请求和协调器的决定为每个设备分配时隙。因此，考虑采用TDMA进行数据传输。

2、磁域网的应用场景

在恶劣的环境中的无线通信已成为各行各业的迫切需求。按现有的无线通信标准，传感器节点很难利用射频在金属、土壤和水周围传输数据。磁域网技术目前主要应用于满足地面状态管理、地下基础设施管理、建筑和桥梁的管理、灾难预防监控、污染管理等需求。全球的环保、建筑、农业、水利、交通运输等行业对磁域网有大量的需求，其中较为迫切的需求主要集中在水和含矿物质的土壤勘探、油藏漏油检测、土地运动滑坡监测和地震监测等方面，在当今物联网技术及应用飞速发展的大环境下具有较为广阔的应用前景和应用价值。

图1所示为基于磁域网的地下状态监测系统。该系统中，MFAN-N埋在地下，MFAN-C置于地上。如果MFAN-N从传感器接收到传感数据，则MFAN-N通过磁场将接收到的数据发送给MFAN-C。MFAN-C通过远距离无线或有线方式将接收到的MFAN-N数据发送到监控中心。

图1 地下状态监测系统

图2所示为基于磁域网的地表状态监测系统。该系统中，传感器节点可以埋在地下，用于探测地面塌陷、沉降、滑坡等。

图2 地表状态监测

二、磁域网相关国际标准和国家标准

1、 磁域网国际标准

磁域网国际标准ISO/IEC 15149“Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Magnetic field area network (MFAN)”系列对磁域网技术进行了规范，共包括4个部分：

ISO/IEC 15149-1:2014 Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Magnetic field area network (MFAN) — Part 1: Air interface（信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第1部分：空中接口），该标准规范了适用于低载频磁场环境中物理层及媒体访问控制层协议的空中接口。

ISO/IEC 15149-2:2015 Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Magnetic field area network (MFAN) — Part 2: In-band Control Protocol for Wireless Power Transfer（信息技术 系统间远程通信和信息交换磁域网 第2部分：带内无线充电控制协议），该标准规范了在同一频段内同时进行无线电能传输和数据传输的带内网络系统的具体要求。

ISO/IEC 15149-3:2016 Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Magnetic field area network (MFAN) — Part 3: Relay Protocol for Extended Range（信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第3部分：扩展范围的中继协议），该标准规范了适用于扩展范围内中继协议的寻址、请求、响应代码相关规则。

ISO/IEC 15149-4:2016 Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Magnetic field area network (MFAN) — Part 4: Security Protocol for Authentication（信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第4部分：安全鉴别协议），该标准规范了磁域网安全鉴别协议及要求。西电捷通公司承担了ISO/IEC 15149-4:2016的项目编辑，磁域网安全关键技术——磁域网安全协议（MFSec）由西电捷通公司提出并被国际标准采纳，这是我国在磁域网领域第一项成为国际标准的安全协议技术，填补了磁域网安全技术的空白。

2、 磁域网国家标准

磁域网国家标准GB/T 40783“信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网”以采用国际标准ISO/IEC 15149的方式制定，拟包括四部分：空中接口协议、带内控制协议、中继协议和安全协议。目前，我国正在开展GB/T 40783第1部分和第2部分的制定工作，进展情况如下：

GB/T 40783.1-2021《信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第1部分:空中接口》已发布，该标准提供了磁域网（MFAN）内信息通信协议，在吸纳了国际标准ISO/IEC 15149-1:2014技术优点的基础上，对磁域网间信息通信空中接口的协议规定进一步完善。为了保证信息传感设备在特殊环境中能够有效通信，结合国内磁域网通信技术的应用需求，改进了其安全机制，进而提出符合国内行业发展的磁域网间信息通信空中接口规范。MFAN支持基于无线通信以及复杂环境下的无线电能传输等服务。

GB/T 40783.2《信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第2部分: 带内无线充电控制协议》，处在国家标准报批阶段，以等同采用ISO/IEC 15149-2:2015的方式，规定了一种可以在同一频带内同时进行无线能量传输和数据传输的带内网络系统，为稳定的网络以及远程和持续的能量供应提供了技术解决方案。该网络的设计基于在ISO/IEC 15149-2中给出的磁域网原理，以此方式实现在设备控制方面优先的同时，对请求中的多个设备进行无线能量传输管理。本文件注重于PHY层和MAC层协议，不涉及有关上层协议的事项。PHY层和MAC层应能够共同执行以下任务：数据传输、信号控制、无线能量传输。

三、磁域网团体标准

1、T/WAPIA 042.3-2021

1） 标准简况

T/WAPIA 042.3-2021《信息技术 系统间远程通信和信息交换 磁域网 第3部分：扩展范围的中继协议》，该标准由WAPI产业联盟（中关村无线网络安全产业联盟）与工业和信息化部宽带无线IP标准工作组共同提出，由无线网络安全标准化委员会归口，具体由西电捷通公司牵头起草，无线网络安全技术国家工程实验室、中关村无线网络安全产业联盟、中国南方电网电力调度控制中心、广西电网公司电力科学研究院、中国南方电网超高压输电公司广州局、重庆邮电大学、国家无线电监测中心检测中心等参与。

2） 标准主要技术内容

该标准以等同采用国际标准ISO/IEC 15149-3:2016的方式制定，主要规定了用于扩展磁域网的有效覆盖范围的中继协议，定义了寻址、请求和响应代码等内容。该标准的主要内容包括：范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、概述、网络元素、网络功能、网络状态、MAC层帧格式、MAC层功能。

MFAN中继网络超帧包括请求周期，响应周期和自发周期。

在请求周期，MFAN-R将响应请求数据包广播至所有设备。MFAN-N收到后，决定是否将响应数据包返回给MFAN-R。MFAN-R可以将设备分组来选择性接收目标设备的响应。

在响应周期，由MFAN-R分组的MFAN-N选择性将响应数据包返回给MFAN-R。一旦MFAN-R接收到来自MFAN-N的响应数据包，MFAN-R就发送确认数据包以确认接收。如果MFAN-N没有收到来自MFAN-R的确认数据包，则MFAN-N会在响应期间持续发送响应数据包，直到它们能接收确认数据包为止。

当一段时间内没有MFAN-N发送响应数据包时，自发周期开始。该时间段一直持续到直到MFAN-R请求响应请求数据包为止，这是新超帧的开始。例外地，MFAN-N能够在自发周期内传输数据，而无需MFAN-C或MFAN-R的请求。

中继器设置过程如图3所示，在请求周期，当MFAN-C向具有中继器功能的MFAN-N发送RSRq数据包时，MFAN-N在响应周期发送RSRs数据包。MFAN-C探测MFAN-N的中继器设置状态，然后发送RSRA数据包。如果中继器的设置过程完成，则MFAN-N成为MFAN-R，然后MFAN-R在MFAN中继网络中扮演MFAN-C的角色。

图3 中继器设置过程

该标准规范的扩展范围的中继协议已在多个场景下进行了工程化实现和验证，验证结果表明该标准所规范的协议能够适用于磁域网环境下的短距离信息通信。

2、T/WAPIA 042.4-2021

1） 标准简况

T/WAPIA 042.4-2021《信息技术系统间远程通信和信息交换磁域网第4部分：安全鉴别协议》，该标准由WAPI产业联盟（中关村无线网络安全产业联盟）与工业和信息化部宽带无线IP标准工作组共同提出，由无线网络安全标准化委员会归口，具体由西电捷通公司牵头起草，无线网络安全技术国家工程实验室、中关村无线网络安全产业联盟、中国南方电网电力调度控制中心、广西电网公司电力科学研究院、中国南方电网超高压输电公司广州局、重庆邮电大学、国家无线电监测中心检测中心等参与。

2）标准主要技术内容

该标准以等同采用国际标准ISO/IEC 15149-4:2016的方式制定，主要规定了磁域网安全鉴别协议，该技术为资源受限但又有特定安全需求的磁域网设备提供安全防护能力。该标准定义了寻址，请求和响应代码等内容。该标准的主要内容如下：范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和缩略语、综述、网络元素、网络功能、网络状态、物理层帧格式、MAC层功能和附录A安全考虑。

磁域网与其他网络（如无线传感器网络）相似，受到许多网络安全威胁。为了对抗这些威胁，在上述网络里应采取必要的安全措施。

ITU-T X.800和ITU-T X.805里规定信息和/或其他资源的破坏、信息的错误或修改、信息的泄露适用于磁域网。

此外，针对节点的特定威胁，例如传感器节点被捕获、侦听、敏感数据泄露、拒绝服务攻击（DoS攻击）和网络的恶意使用等也同样出现在磁域网里。

ITU-T X.805里规定数据保密性、数据鉴别/身份、数据完整性适用于磁域网。

该标准规定了磁域网安全协议（MFSec）。MFSec使用异或运算实现了MFAN-C和MFAN-N之间的双向鉴别。

鉴别过程如图4所示，在请求周期，MFAN-C发送AuRq分组给未鉴别的MFAN-N。在响应周期MFAN-N发送AuRs分组给MFAN-C。MFAN-C识别此MFAN-N是否合法，并通过AuRC分组通知结果。当鉴别过程成功完成时，相关的身份标识符应包括在ASA分组里，当鉴别不成功，MFAN-C必须记录相关MFAN-N的身份。如果MFAN-C未接收到AURs分组，或者MFAN-N由于分组错误未接收到AuRC分组，MFAN-C连续发送AuRq分组的每个超帧，直到接收到正确的AuRC分组为止。当从MFAN-C接收到AuRC时，MFAN-N的鉴别过程完成。

图4 鉴别过程

本文件规范的安全鉴别协议已在多个场景下进行了工程化实现和验证，验证结果表明本文件所规范的协议能够适用于磁域网环境下的短距离信息通信。

3、标准应用前景

磁域网是一种使用磁场作为通信介质，能够在恶劣环境下进行可靠通信的无线网络。磁域网是一种近场磁感应系统，在传统的无线网络中，数据通过无线电波进行交换；而在磁域网中，数据和能量是通过磁场中的粒子进行交换的。传统的无线电波在水、土壤甚至金属中传播信号会极大衰减，损耗严重，传输数据较为困难；而磁域网技术是利用低频段使用磁场技术发送和接收数据的一种新型的无线通信网络技术，它利用磁场的特性，可以突破恶劣环境下数据难以传输这一瓶颈，利用金属、土壤和水内部的多个传感器节点将数据传输至外部协调器中。

磁域网是近距离感知和通信网络的一种新兴形式，是形成物联网的新型连接网络。磁域网技术目前主要的典型应用是满足地面状态管理、地下基础设施管理、建筑和桥的管理、灾难预防监控、污染管理等需求。当前，全球的环保、建筑、农业、水利、交通运输等行业对磁域网的需求正在急速提升，其中较为迫切的需求主要集中在水和含矿物质的土壤勘探、油藏漏油检测、土地运动滑坡监测和地震监测等方面，在当今物联网技术及应用飞速发展的大环境下具有较为广阔的应用前景和应用价值。

WAPI产业联盟作为在全球研究磁域网技术和开发标准最早的标准组织之一，将持续践行网络强国战略，组织成员单位进一步完善磁域网标准体系，并引领磁域网产业发展。