海洋互聯網概述

劉軍，王鳳豪

?

海洋互聯網概述

劉軍，王鳳豪

（吉林大學智慧海洋研究中心，吉林 長春 130012）

海洋互聯網是互聯網在海洋環境中的延伸。海洋互聯網與現有陸地互聯網有著很大的不同，需要展開廣泛和深入的研究。總結了海洋互聯網中幾種比較常見的網絡結構，并對其進行分類對比。現有的海洋互聯網服務主要通過海事衛星提供，介紹了岸基網、水聲通信和水聲網絡在海洋自組網中的作用，并將介紹如何將無線自組織網絡技術應用到海洋互聯網中，如船舶自組網、航空自組網以及水下自組網等。從空中、水面、水下多個角度出發，分析多種不同組網技術的優缺點、局限性以及未來的發展趨勢，并提出海洋互聯網未來可能的組網策略。

海洋互聯網；海事衛星；水聲通信；自組網

1 引言

隨著海洋經濟的迅猛發展、人類在海洋活動的日益增多以及對海洋保護和海洋安全意識的不斷提高，迫切需要一種便捷、可靠、高速率、性價比合理的海洋互聯網，它能在海洋環境（包括水面和水下兩部分）中提供熟知的互聯網服務[1]。但是，海洋的特殊地理環境、氣候條件以及用戶分布，使得現有陸地互聯網技術無法直接應用到海洋環境中。海洋是一個巨大的鹽水體，其總面積約為3.6億平方千米，約占地球表面積的71%，平均深度約達3 795 m。因此，在海洋上搭建和維護網絡設施是極其困難和昂貴的；而且，海洋的高濕度、頻降水和頻發的極端天氣，不僅會影響超高頻衛星通信的性能，而且會嚴重破壞網絡設施，甚至導致網絡的癱瘓；另外，相比于陸地互聯網，海洋互聯的用戶密度相當低、分布極不均勻，且多數是臨時性的用戶，隨船而動。這些特點嚴重影響投資效益。

陸地互聯網幾乎不需要考慮地下網絡服務，而海洋互聯網則需要為水下提供網絡支持，以擴大水下網絡（如水下物聯網）的覆蓋范圍和服務能力。當前主要的水下通信技術基于水聲，其傳輸速率低、傳播時延大；而基于藍綠激光的水下通信技術雖然能夠提供很高的傳輸速率和極短的傳播時延，但激光易被吸收且無法繞過障礙物，使其傳輸距離非常有限。這些都限制了單個高速率水下無線網絡的覆蓋范圍，因而需要海洋互聯網來連接不同的水下網絡，以構成性能穩定、可大范圍覆蓋的水下系統。

目前，在海洋環境中被廣泛使用的通信技術主要是基于甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）的海事無線電，其最大覆蓋范圍約為110 km，能提供語音和數字通信服務，是海上導航、航行安全、救援作業所不可缺少的通信平臺。但由于帶寬的限制（例如將4個25 kHz VHF海事無線電信道合成的數字信道，空中數據速率僅為302.2 kbit/s）以及特定的應用背景，它無法滿足許多普通互聯網應用的需求。現在，海洋互聯網服務主要通過衛星提供，但衛星系統在建造、發射和運營方面的成本高以及應用的技術相對滯后，這類網絡服務不但性價比低，而且使用不方便，也無法有效支持水下通信。目前研究得比較多的是如何將無線自組織網絡技術應用到海洋互聯網中，如船舶自組網、基于飛行器的機會網絡以及水下自組網等。而這種網絡的覆蓋范圍比較小, 動態網絡拓撲會破壞網絡連通性和導致網絡性能的不穩定。

各類網絡技術都無法單獨構成性價比高和使用方便的海洋互聯網解決方案，將不同網絡技術融合是一種可能的趨勢, 但目前國內外對海洋互聯網的系統性研究相對滯后。

2 海洋互聯網組網技術分類

海洋互聯網技術隨著研究環境的變化不斷發展，呈現出很多不同的網絡結構，本文將主要從以下幾個網絡結構展開分析總結。

2.1 以海事衛星為中心的組網

現在，海洋互聯網服務主要通過海事衛星提供，海事衛星（InmarSat）通信系統由海事衛星、地面站、終端組成，目前的4個覆蓋區為太平洋、印度洋、大西洋東區和大西洋西區，可提供南北緯75°以內的遇險安全通信業務，可以提供海、陸、空全方位的移動衛星通信服務[2]。海事衛星系統的推出，極大地改善了海事、航空領域通信的狀況，因而得到迅速的發展。海事衛星使用L頻段（帶寬15 MHz：1 535~1 542.5 MHz、1 636.5~ 1 644 MHz），它的通信費用十分昂貴，很多用戶不得不望而卻步，但是由于在遇險安全通信業務等方面有著種種優點，在移動衛星通信中有著不可替代性，尤其是在突發事件應用中，保持行進中的視頻圖像、數據通信，海事衛星系統在國內外都占據首要地位。InmarSat FB（國際海事衛星從投入到運行至今，逐步推出了A、B、C、F、FB各個系統）系統功能參數見表1。

InmarSat FB業務是工作在第四代海事衛星上的最新一代船岸衛星通信系統，可以為船舶提供語音電話、按數據流量計費最高可達432 kbit/s的標準IP數據通信、最高可達256 kbit/s的streaming IP數據通信和64 kbit/s ISDN、標準3G文本短信等多種船岸通信功能，真正實現了全球寬帶覆蓋和船舶24 h多業務同時在線[3]。

表1 InmarSat FB系統功能參數

2.2 基于地面基站的組網

沿海岸邊基站和島嶼島礁基站在海洋互聯網中必不可少，是海洋互聯網一個很好的通信設施補充，移動通信網絡應用于這些基站，能夠構建一個以地面基站為中心的岸基網絡[4]。

目前，在海洋環境中被廣泛使用的通信技術主要是基于甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）的海事無線電，其最大覆蓋范圍約為110 km，能提供語音和數字通信服務，是海上導航、航行安全、救援作業所不可缺少的通信平臺。但由于帶寬的限制（例如由4個25 kHz VHF海事無線電信道合成的數字信道，空中數據速率僅為302.2 kbit/s）以及特定的應用背景，它無法滿足許多普通互聯網應用的需求。目前給海事通信的總帶寬：VHF為6.025 MHz、UHF為20 MHz。

可以考慮提高昂貴頻譜資源的利用率，在滿足海洋互聯網服務的同時，也提高運營商的收益。目前移動通信技術主要有3G通信、4G通信和正在研究的5G通信技術[5]。將移動通信技術及相關應用用到岸基網絡中，形成新一代海事通信體系，為近海用戶提供陸地式的互聯服務。未來海洋互聯網的發展將會隨著移動通信技術的更新而不斷改進，海洋互聯網相關領域的發展將很大程度上依賴5G通信的技術的研究和發展。5G通信技術實現后，未來很有可能形成海上自組網和海洋互聯網的格局。一個岸基網絡的基本構想如圖1所示，圖1中，TBS為陸基基站，VBS為船載基站，T指終端。

2.3 水聲通信與水聲網絡

與陸地通信相同，水下網絡也分為無線通信和有線通信。水下網絡環境惡劣，建設和維護網絡的難度、成本和風險更高。水下有線通信可以通過在海底鋪設通信光纜和電纜，它的優點是通信容量大、性能穩定、供電可靠、相對安全；缺點是建設成本高、維護難，很難大范圍地立體鋪設。由于電磁波在水下環境中傳播衰弱非常快，所以水下無線通信只能將光和聲作為傳播介質，并且主要通信介質是聲波，水下無線通信以水聲通信為主，以水下光通信為輔。但是聲波作為水聲通信的介質，其帶寬小、傳播慢、不穩定等特性使得一些關鍵網絡協議（如介質訪問控制協議、可靠傳輸協議及網絡安全等）的設計變得更加困難。在目前及將來的一段時間內，水聲通信是水下傳感器網絡中主要的水下無線通信方式[6]。目前水聲通信與水聲網絡的實際性能極大地偏離了人們從理論分析期望上所能達到的理想效果，最主要的原因還在于聲波在水下傳播時所面臨的實際信道情況遠比人們通常所用的理論分析復雜，如何克服多途干擾、時頻和多普勒擴展、時變衰落，是水聲通信技術中需要重點解決的問題。

圖1 岸基網絡的基本構想

近年來，高速率、高可靠性水聲通信技術的發展，使得水聲網絡逐漸成為一個研究熱點。水聲網絡的實現需要基于高可靠性點對點物理層水聲通信技術, 開展多網絡節點組網, 達到信息互通、共享的目的, 同時通過無線浮標將上傳的數據接入陸地上現有的立體信息網中, 可形成真正意義上覆蓋全球的立體信息網[7]。

由于水聲信道是難度最大的無線信道之一，所以水聲網絡的研究和發展面臨著巨大的挑戰，主要體現在以下幾個方面。

? 受限的通信能力：由于復雜的水聲物理層以及多普勒效應和強多途等因素影響，水聲網絡的構建相對于陸地網絡而言要困難很多。

? 網絡通信效率低，拓撲結構相對不穩定。

? 網絡節點的能量受限：由于網絡節點工作在水下，節點的能量受到嚴重的限制，因此在系統的設計中還要盡量考慮節約資源。

由于以上種種因素，水聲網絡的規模往往受到嚴重的限制，以至于目前的水聲網絡并不能長期化、規模化，因此目前的研究還都僅僅停留在比較小的規模上。

2.4 基于Ad Hoc的航海自組網和航空自組網

Ad Hoc最初起源于軍事，主要用于在惡劣的戰場環境下快速自動組網[8]。后來逐漸應用于地震、水災等突發事件的營救以及在移動蜂窩網絡等方面發揮作用。目前對Ad Hoc技術的研究主要集中在針對使用網絡拓撲的動態變化的路由協議上，目前已研究出的成果主要有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA等。

在跨洋航空通信中，通過衛星覆蓋實現的天基網存在成本高、帶寬有限、時延大等問題，地面基站網絡又存在覆蓋范圍小、無法支持飛機跨海洋飛行的問題，航空自組網（airborne Ad Hoc network）應運而生。航空自組網是移動自組織網絡（MANet）在航空通信領域的應用[9]。航空自組網將移動自組織技術應用于飛行器之間，使得航空飛行器能夠進行直接通信，為空中感知信息、空中交通管理等方面提供了新的技術手段。通過使用航空自組網技術，一定范圍內的航空飛行器之間可以自動建立局部網絡，網絡中的飛行器節點之間可以多跳的方式控制指令、飛行狀態信息以及空情信息，無需借助地面控制中心或者衛星。航空自組網主要提供了空中交通控制服務、航線運營服務、乘客無線通信服務。特點是網絡節點稀疏、網絡規模比較大、網絡拓撲高動態性、網絡鏈路帶寬受限、可靠性低。

同樣，與航空自組網相似，航海自組網（navigation Ad Hoc network）是移動自組織網絡在航海通信領域的應用。將Ad Hoc技術應用于航海自組網研究的最大優點是可以通過Ad Hoc通信比較及時地報告和監控船舶信息，不需要太快的數據傳輸就可以維持一個較大的網絡時延限制。目前來說，最大的技術障礙在于海洋中船舶跨度很大，船舶在近海分布較為集中，而在遠海領域則比較稀疏。

所以，在船舶分布密集區域采用Ad Hoc組網可能更好，而在船舶稀疏分布的遠海，可以采用衛星、島嶼基站等方式組網。

同時未來隨著跨洋航空自組網和航海自組網的發展，海洋中的船舶如何與飛行器之間通過中繼節點成功連接進而交換數據是可能的考慮問題。

2.5 高空通信平臺組網

高空平臺通信系統（high attitude platform station, HAPS）將無線基站安放在長時間停留在高空的飛行器上來提供電信業務[10]，被認為是一種2008年以后有良好潛在應用價值的寬帶無線接入手段。一般來說，HAPS的基站是飛行器，通常是飛艇。HAPS 基站處于距地面 20~50 km 的平流層中，保持相對靜止，基站之間通過光互連鏈路形成網絡。覆蓋半徑可達 100 km，主要取決于它的高度和仰角。只需較少的基站就可以完成廣域覆蓋。和衛星通信系統相比，HAPS具有高容量、高頻譜利用率、時延小、路徑損耗小、易維護、易升級、可迅速建設等優點。和地面通信系統相比，HAPS具有超大覆蓋、低功率、易升級、可迅速建設等優點；另外，在發生地震等災難時所受影響很小。

HAPS適合用于構建一個無線城域網。HAPS綜合了地面無線系統和衛星系統的技術優點，理論上可以用少量的網絡設施實現大區域和高密度覆蓋,與地面無線系統需要土地進行站址建設和衛星系統需要發射衛星以及修建地面站截然不同，HAPS可以大幅度降低成本。

由于海洋的特殊地理環境及稀疏的用戶，希望只需較少的基站就可以完成廣域覆蓋，同時考慮到HAPS的低成本。HAPS非常適于海洋互聯網。雖然HAPS有很多優勢，但是也有很多需要解決的問題，如飛行器構建材料、能量供給以及平臺控制。

HAPS已經受到了國際上的廣泛重視，目前，美國、日本、歐洲等國家和地區處于領先地位，各發達國家都在投巨資進行相應研究，而國內HAPS開展工作較為緩慢。中國是個海洋大國，特別是我國在南海諸島等區域有著廣闊的海域，我國應該積極研究跟蹤國際上的動態，支持國際上深入研究HAPS的努力并逐步參與其中。未來海洋互聯網的發展將在很大程度上依賴HAPS技術的研究和發展。HAPS技術成熟后，深海領域海洋互聯網會迎來更好的發展。

3 未來海洋互聯網可能的組網策略

到目前為止，無法找到能適應不同通信環境、滿足各種應用需求的單個通信方式。所以電、光、聲多模融合通信應該是個選項。單種類型網絡也無法提供覆蓋范圍廣、高性價比、能滿足各種應用需求、穩定可靠的海洋互聯網服務，超大規模多模協作型混合網絡是個趨勢，且無線應該主導[11]。預期下一步的海洋互聯網研究重點如下。

? 利用成熟的陸地移動通信網絡等技術形成岸基網絡，為近岸水域的用戶提供無縫的海洋互聯網服務，同時可以利用各種動態拓撲無線網絡（如由船舶、浮標、直升機等組成的無線網絡）來擴展岸基網絡覆蓋范圍。

? 水下采用無線（水聲）自組織網絡，再通過水面上的各種網絡，還有海底觀測網實現互聯互通。

? 可以采用高空通信平臺來滿足特定場合的（臨時性）特殊要求。

? 如何將無線自組網絡技術應用到海洋互聯網中可能成為未來研究的重點。

? 衛星作為最后選項（取決于衛星服務的性價比）。

希望未來的海洋互聯網能夠成為一個智能大黑箱，將各種網絡有機地組合起來，使之緊密協作來滿足各種應用要求。

4 結束語

本文結合國內外研究現狀，分析了海洋互聯網常見的多個網絡結構，各類網絡技術都無法單獨構成性價比高和使用方便的海洋互聯網解決方案，將不同網絡技術融合是一種可能的趨勢。目前國內外對海洋互聯網的系統性研究相對滯后，如何將各種網絡有機地組合起來，使之緊密協作來滿足各種應用要求是未來海洋互聯網研究的重點。

[1] 劉大海, 葛佳敏,李曉璇, 等.“互聯網+海洋經濟”的融合機制及實現路徑研究[J]. 海洋經濟, 2016, 6(2): 13-19.

LIU D H, GE J M, LI X X, et al. Integration mechanism and implementation path of “internet plus marine economy”[J]. Haiyang Jingji, 2016, 6(2): 13-19.

[2] 李子木.海事衛星系統發展及應用[J].無線電工程, 2009, 39(10): 8-10, 15.

LI Z M. Development and applications of Inmarsat system[J].Radio Engineering of China, 2009, 39(10): 8-10, 15.

[3] 石世怡.關于Inmarsat海事衛星通信系統[J].廣播電視信息, 2009(6): 83-85, 88.

SHI S Y. About Inmarsat maritime satellite communication system[J]. Radio & Television Information, 2009(6): 83-85, 88.

[4] 王偉時. AIS岸基網絡方案的設想[J]. 航海技術, 2003(2): 17-18.

WANG W S. The assumption of AIS shoreline network scheme[J]. Marine Technology, 2003(2): 17-18.

[5] 程日濤, 張海濤, 王樂. 5G無線網部署策略[J]. 電信科學, 2018, 34(Z1): 1-8.

CHENG R T, ZHANG H T, WANG L. 5G wireless network deployment strategy [J]. Telecommunications Science, 2018, 34(Z1): 1-8.

[6] 許肖梅. 水聲通信與水聲網絡的發展與應用[J]. 聲學技術, 2009, 28(6): 811-816.

XU X M. Development and applications of underwater acoustic communication and networks[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(6): 811-816.

[7] 鄭君杰. 水聲通信網絡問題研究[J]. 電信科學, 2009, 25(10): 63-66.

ZHENG J J. Research on underwater acoustic communication network problems[J]. Telecommunications Science, 2009, 25(10): 63-66.

[8] 張程. 移動自組網的關鍵技術研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2010.

ZHANG C. Research on key technologies of mobile ad hoc networks[D]. Chongqing: Chongqing University, 2010.

[9] 鄭博, 張衡陽, 黃國策, 等. 航空自組網的現狀與發展[J]. 電信科學, 2011, 27(5): 38-47.

ZHENG B, ZHANG H Y, HUANG G C, et al. The status and development of aviation ad hoc networks[J]. Telecommunications Science, 2011, 27(5): 38-47.

[10] DAVEY L, BUTLER R, BUCHANAN R, et al. High altitude platform stations for Australia[J]. Telecommunications Journal of Australia, 2008, 58(2/3).

[11] JIANG S M. A possible development of marine internet: a large scale cooperative heterogeneous wireless network[J]. Journal of Communication & Computer, 2015(12): 199-211.

Overview of marine internet

LIU Jun, WANG Fenghao

Smart Ocean Science and Technology Research Institute, Jilin University, Changchun 130012, China

Marine internet is an extension of the internet in the marine environment. Marine internet is very different from the existing terrestrial internet and needs extensive and in-depth research. Several common network structures in the marine internet were summarized and compared. The existing marine internet services are mainly provided through maritime satellites. Therole of shore-based networks, underwater acoustic communication and underwater acoustic networks in the Ad Hoc networks of the sea were introduced, and how to apply wireless Ad Hoc network technologies to the marine internet was introduced, such as ship Ad Hoc networks, aviation Ad Hoc networks and underwater Ad Hoc networks. From the multiple perspectives of air, water, and underwater, the advantages and disadvantages, limitations, and future development trends of many different networking technologies were analyzed, and possible future networking strategies for the marine internet were proposed .

marine internet, maritime satellite, underwater acoustic communication, Ad Hoc network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018198

劉軍（1979?），男，博士，吉林大學智慧海洋研究中心副主任、博士生導師，主要研究方向為水下傳感器網絡、嵌入式網絡系統、智慧海洋技術、水下傳感器技術。

王鳳豪（1995?），男，吉林大學智慧海洋研究中心碩士生，主要研究方向為智慧海洋。

2018?05?01；

2018?06?11