聲電協同海洋信息傳輸網絡

官權升，陳偉琦，余華，陳芳炯，季飛

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聲電協同海洋信息傳輸網絡

官權升，陳偉琦，余華，陳芳炯，季飛

（華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510641）

海洋信息的傳輸需要穿越水—空氣界面，在信息傳輸網絡架構上需要水聲網絡和無線電網絡的高效融合。然而，水聲鏈路性能遠遠落后于水上無線電鏈路，成為制約海洋信息傳輸網絡性能的瓶頸。提出聲電協同海洋信息傳輸網絡的新思路，通過聲、電鏈路的協同協作，提高網絡的性能。通過3個應用場景展示聲電協同的優勢后，進一步討論了聲電協同海洋信息傳輸網絡的架構與協議以及面臨的技術挑戰。聲電協同不僅是實現空、海一體化網絡融合的有效方法，也是實現海洋網絡通信、計算和存儲融合的重要方法。

海洋信息網絡；無線電網絡；水聲網絡；聲電協同；網絡架構

1 引言

海洋面積占地球表面積70%以上。人類目前已探索的海洋區域只有5%，還有95%的廣闊海域是未知的，人類對海底蘊含的豐富資源和能量更是利用甚少。海洋信息網絡是人類關心海洋、認識海洋、經略海洋的重要技術手段之一。以物聯網等為代表的新型信息網絡技術正在試圖連接陸地上的所有物體，卻難以覆蓋廣闊的海域，特別是水下的世界。

海洋的傳感數據是人類認識海洋的重要信息，比如海洋動力、生態、地質、氣象等環境信息。海洋信息一般通過生物、化學等傳感機制獲取，這些傳感器一般部署在水下。傳感器中的海洋信息再回傳到陸地監控中心或海面作業平臺。海洋勘探、海洋數據采集、環境監測、公共安全服務等海洋應用均依賴于海洋信息的可靠高效傳輸[1]。

海洋信息傳輸需要經歷水和空氣兩種介質，由水下節點（包括水下傳感器節點、水下巡航器等）、水面中繼節點（包括船只和浮標）、空中節點（包括衛星和無人機）等組成一個海洋信息傳輸網絡，如圖1所示。水下傳感器先將獲取的傳感數據傳送到水面節點，再通過水面節點傳送到陸地監控中心或海面作業平臺。水下的節點之間可以采用海底光纜、線纜、光波、電磁波或聲波的方式通信；水面上的節點之間一般采用無線電磁波通信。

圖1 海洋信息傳輸網絡示意

海面上無線電通信已有多種成熟通信系統[2]。全球海上遇險與安全系統（GMDSS）的中頻（MF）、高頻（HF）、甚高頻（VHF）通信系統可提供中遠距離通信覆蓋。現有的船舶自動識別系統（automatic identification system，AIS）還允許船舶之間自組網。海事衛星系統（InmarSat）等可以提供除兩極外的全球海域的無縫覆蓋。在近海，包括商用移動通信網絡在內的岸基移動通信系統可以提供高速、低成本的通信方式。利用電磁波在海面蒸汽波導層的超折射傳播，還能實現更遠距離、更高速率的海洋通信[3-4]。空中無人機或平流層飛艇的中繼可以實現動態的無線電網絡通信[5]。

海洋信息傳輸的難點在于水下[6-10]。早期的水下信息傳輸主要采用海底光纜和線纜的有線傳輸方式。但很顯然，由于需要在深水固定布設，有線傳輸方式的工程難度大、成本高、維護難。電磁波在水中有著不同于空氣中的傳播特性，海水對電磁波能量的吸收作用很強，只能使用長波、甚長波、超長波通信，但需要大功率發射機和巨大的天線，顯然不適用于浮標、傳感器和水下移動節點。光通信也是一種水下傳輸方式。雖然海水對藍綠光吸收最少，但由于光在水中的散射、衰減等影響，水下藍綠激光通信也只能達到數百米的通信距離。聲波是在水中能遠距離傳輸的唯一載體，稱為水聲通信。隨著水聲通信技術的發展，用水聲無線連接代替專用線纜連接成為水下監測網的趨勢。

無論是光波還是聲波，都無法實現跨越水、空兩種介質的遠距離傳輸。因此，海洋信息的傳輸依賴于在水下以水聲通信為主要通信方式組成的水聲網絡以及在水上以電磁波無線通信為主的無線電網絡。海洋信息傳輸網絡已經形成了水聲網絡與無線電網絡混合的網絡系統[11]。這種聲（即水聲）電（即無線電）混合網絡極大地方便了海洋信息的實時傳輸。例如，在水下部署潛標可以測量溫度、鹽度、洋流等數據，以往只能依靠海洋綜合科學考察船每年從海中回收一次潛標獲取和分析數據。聲電混合網絡的部署可以實現潛標數據的實時傳輸，提高海洋氣候和環境預報的精度，為海洋環境和全球氣候研究提供重要技術支撐。

2 聲電協同海洋信息傳輸網絡

海洋信息網絡是一個由水聲鏈路和無線電鏈路混合組成的異構網絡，可以實現海洋信息的跨域傳輸。當前的研究一般將無線電網絡和水聲網絡分成兩部分獨立展開。然而，這兩個網絡共同傳輸相同的海洋信息。

注意到，聲電混合海洋信息傳輸網絡中，部署在水下的水聲鏈路和水面的無線電鏈路質量差別較大。水聲信道較復雜，具有低帶寬、長傳播時延、高誤碼率等特性[12-13]。復雜水聲信道的高誤碼率導致頻繁的數據分組丟失和連接中斷。與無線電鏈路相比，水聲鏈路的可用帶寬極低、丟失分組率高、傳輸時延長。一般認為水聲鏈路的時延比無線電鏈路大5個數量級，而傳輸速率低3個數量級，水聲鏈路的能效（傳輸1 bit所需要的能耗）也比無線電鏈路高3個數量級，見表1。水聲載波的長傳播時延又進一步降低了極有限帶寬水聲信道的利用率。水下節點一般采用電池供電，并且電池的更換非常困難，因此水下節點也是能量資源受限的系統。

表1 LinkQuest水聲通信節點和華為微基站的能效比較[11]

從表1可以看出，由水聲鏈路組成的水下網絡成為制約聲電混合海洋信息傳輸網絡性能的瓶頸。受限于水下復雜的生態環境，很難大幅度提升水聲鏈路性能。同時注意到，在大多數的應用場景中，水聲和無線電鏈路較大的性能差異，導致了水下水聲網絡和水面上無線電網絡嚴重的性能失配：水聲鏈路較為擁堵，而無線電鏈路則較為空閑。

利用無線電鏈路相對多余的空閑鏈路資源，實現水聲鏈路和無線電鏈路的協同協作，是克服性能失配、提高海洋信息傳輸網絡性能的一個新思路。聲電協同提升海洋信息傳輸網絡性能的原理就像圖2所示的新木桶理論[14]。直立的木桶容量由最短的木板決定，但如果以適當的角度傾斜，不需要改變木板的物理局限也可顯著提升木桶容量。水聲鏈路是海洋信息傳輸網絡的短板，聲電協同可類比于木桶的傾斜。在無法大幅度提高水聲鏈路性能（即提升短板）的情況下，聲電協同是一個提高網絡容量的解決方案。

圖2 新木桶理論示意

聲電協同不但是海洋信息傳輸網絡性能提升的需要，也是聲電混合異構網絡組網架構的要求。海洋信息傳輸網絡的數據傳輸一般需要跨越水、空氣兩種介質，涉及聲、電兩種通信鏈路。海洋信息傳輸網絡的實際應用要求聲、電兩種通信鏈路協同協作，深度融合。

3 聲電協同海洋信息傳輸網絡的應用與挑戰

聲電協同主要考慮水聲和無線電資源的置換，特別是將相對冗余的無線電資源用來輔助水下網絡的組網和數據傳輸。本節通過3個聲電協同的應用場景，闡述聲電協同海洋信息傳輸網絡性能提升的原理，并討論實現聲電協同海洋信息傳輸網絡的架構與協議。

3.1 聲電協同應用場景

（1）水面聲電協同機會路由

機會路由是提高鏈路不可靠網絡的吞吐量的有效途徑，利用信道的廣播特性，通過允許多個中繼節點參與接收和轉發數據分組，提高端到端的吞吐量[15]。但是，機會路由需要大量的控制信令進行候選轉發節點集選擇、機會轉發協調等。控制信令的交換消耗了不可忽略的帶寬資源，進一步降低了本來就很有限的水聲信道可用帶寬。水面聲電協同路由[16]的思路是：通過水面節點的無線電網絡分擔水聲網絡的機會路由信令，最大程度降低水聲網絡的信令開銷，提高水聲鏈路的帶寬利用率。

聲電協同機會路由在水面上部署多個浮標節點，如圖3所示。浮標節點具備水聲和無線電接口。水下傳感器節點首先通過水聲鏈路將傳感數據分組廣播給所有水面節點，以提高水面節點接收數據分組的成功率。多個水面節點形成一個空間機會接收分集，提高了水聲鏈路的傳輸可靠性。轉發的機會存在于多個成功接收數據分組的水面節點，而且每個水面節點接收數據分組的成功率均不同，接收成功的節點才有機會參與數據分組轉發。同時，多個水面節點轉發相同的數據分組副本會造成帶寬資源的浪費。處于最佳數據回傳位置（比如最靠近監控中心）的水面節點的轉發可以加快數據分組的投遞，節省信道帶寬資源以及降低端到端時延。水面節點通過無線電網絡交換控制信令，選取最佳的水面轉發節點，并協調轉發過程。由于水上無線電網絡承擔了水下水聲網絡大部分的路由開銷，水下節點只需要發送數據分組，最大程度利用了水聲信道有限的帶寬資源，從而提高海洋信息傳輸網絡的性能。

圖3 水面聲電協同機會路由

（2）聲電異構路徑數據傳輸

海洋信息傳輸網絡擁有的水聲和無線電異構鏈路給數據傳輸提供了多種路徑選擇。如圖4所示，水下節點的數據可以通過水聲鏈路（如路徑1），也可以借助無線電網絡的協助，通過水面節點（如路徑2）或移動空基、天基節點（如路徑3）多跳轉發。

聲、電鏈路各有其特點。水聲鏈路時延長、帶寬低、誤比特率高；船舶與無人機之間的無線電鏈路由于其高度機動，具備連接間斷特性；衛星天基無線電鏈路代價較高，也同樣具有長時延的特點。水下節點可以根據其數據特點以及所處網絡的特點，選擇不同的路徑傳輸數據。水上船舶、無人機無線電鏈路可用于圖像、短視頻等大數據量的集中傳輸；水聲鏈路可用于低頻周期性環境傳感數據的傳輸；衛星鏈路則可用于緊急可靠指令的傳輸。海底兩個遠程開發平臺之間通信時，發送端和接收端可以通過多跳聲電鏈路進行協同通信，將數據先由水聲鏈路發送到水面，由無線電信道進行中繼傳輸，然后再由水聲鏈路發送到另一個水下開發平臺。特別地，兩個水下潛艇避免長距離水聲通信，利用短距離的水聲、無線電異構鏈路交換消息，可以降低被敵方發現的概率。

圖4 聲電異構數據傳輸路徑

（3）自主水下航行器聲電協同數據收集

水下傳感器網絡還可以利用自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）的移動性及其聲電多模協作，提高數據收集效率。如圖5所示，水底部署了多個水下傳感器。這些傳感器可以直接將傳感的數據發送到水面節點進行轉發，進而回傳到控制中心。但是，水下傳感器與水面節點之間的水聲鏈路距離較長，數據直接發送到水面將消耗較大的水聲通信機能量。水下傳感器節點的部署成本較高，為其更換電池的成本也較高。直接使用長距離水聲鏈路降低了水下傳感器節點的使用壽命。而水下AUV節點則可以自動回收補充能源。在水下傳感器網絡中引入水下AUV，在AUV節點移動靠近傳感器節點后，通過AUV與傳感器節點之間短距離的水聲鏈路，AUV可以高速率、高可靠性和低能耗地收集傳感器的數據。之后，AUV可以移動靠近水面節點或上浮到水面，將收集到的數據通過無線電模塊回傳到控制中心。這種AUV收集數據的方式雖然消耗了AUV的大量能量，卻節省了難以部署的水下傳感器的能耗，延長了水下傳感器網絡的生命周期，同時提高了數據收集的可靠性[17]。

圖5 AUV聲電協同數據收集

3.2 聲電協同海洋信息網絡架構與協議

海洋信息傳輸網絡主要由水下傳感器、移動AUV、水面船只、浮標、波浪滑翔器、水上衛星、無人機等組網節點組成（如圖1所示），包含多種水聲和無線電鏈路，具備異構的、動態的端到端數據傳輸路徑。面對這樣復雜的海洋信息傳輸網絡，應該思考更加有效的協議架構來組織和管理，而不是直接應用傳統的TCP/IP分層協議架構。

目前已經存在很多針對互聯網架構反向工程的優化理論。在優化理論框架下，網絡設計被看成一個網絡效用最大化問題。協議分層則對應于網絡效用最大化問題分解后的子問題。不同分層協議的本地迭代達到子問題的優化，同時達到全局的優化目標。這樣，協議分層被看成網絡效用全局優化問題的異步、分布式計算解決方案。網絡效用最大化理論可以幫助理解和設計聲電協同海洋信息傳輸網絡架構[18]。特別地，網絡架構設計需要考慮聲、電資源的有限性和可交換性。在聲電協作框架下，網絡的分層和協議設計需要考慮哪些聲電資源可以置換、如何置換以及置換多少資源。如圖6所示，木桶傾斜角的不同決定了木桶的容量，可類比于當聲電資源置換不夠或者置換過度時，海洋信息傳輸網絡的容量都未能得到最大化。網絡效用最大化理論有助于構建最優聲電資源置換。

圖6 聲電資源置換程度影響網絡容量

為了提高網絡服務質量能力，應用層需要為網絡提供準確的服務質量要求，以便海洋信息傳輸網絡可以高效利用聲電資源，比如，提供業務分類或端到端時延要求，使得網絡應用成為網絡控制的一部分[19-20]。

在傳輸層，聲電協同海洋信息網絡需要新的擁塞控制和可靠控制機制。無線電和水聲信道差異較大，特別是水聲信道，其帶寬更小、時延更大。端到端的反饋信息本身就占用網絡帶寬資源，還會加劇信道的競爭，降低帶寬利用率。為提高網絡性能，需要壓縮反饋，甚至取消反饋機制。這又產生了新問題，即造成了端到端擁塞控制和可靠控制的失效。造成這種問題的根源是擁塞控制和可靠控制高度耦合，且均依賴于端到端反饋的有效性和準確性。為應對這個問題，聲電協同網絡首先應當解耦擁塞控制和可靠控制[21-22]。另外，較大的往返時間（round-trip time，RTT），無論對于端到端的擁塞控制還是可靠控制，都是極大的挑戰。聲電協同海洋信息網絡需要摒棄傳統網絡依賴端到端反饋的可靠控制和擁塞控制方法，采用逐跳或者逐域的控制方法，對無線電子網絡和水聲子網絡分別采用不同的控制方法[23-24]。

網絡層是實現聲電協同的關鍵。聲電協同是連接水上無線電子網和水下水聲子網的橋梁。無線電網絡和水聲網絡可能使用了不同的鏈路級地址編碼方式。這就需要在網絡層進行地址的管理和轉換，消除對復雜網關以及網關管理的需要，以便數據在不同子網進行多跳轉發。特別是當海洋信息傳輸網絡需要接入互聯網時，網絡層的地址需要支持基于IP的通信。注意到，水聲信道的帶寬較低，IP的地址和分組頭很大，這些開銷降低了帶寬利用率。利用IETF 6LoWPAN[25]技術壓縮聲電協同的網絡地址是一個重要技術方向。數據的傳輸路徑由網絡層的路由功能確定，從第3.1節的聲電協同場景可以看出，傳輸路徑的選擇在很大程度上決定了端到端的性能。海洋信息網絡的數據傳輸路徑由異構的動態聲電鏈路組成。聲電協同路由不僅要確定路徑的鏈路各使用何種信道，還要確定何時使用這些信道。另外，廣闊的海洋很難做到網絡的強連接覆蓋，網絡層路由尤其需要支持移動節點存儲—攜帶—轉發式的延遲容忍（delay tolerant）和中斷容忍（disruption tolerant）路由。

對聲、電鏈路的管理是實現聲電協同的基礎。鏈路層/物理層對聲、電信道信息的準確感知不僅可以提高鏈路的性能，也是高層協議的決策基礎。海洋環境較為復雜，不管是水上還是水下。環境要素對信道狀態也有相當大的影響。如水下的溫度、深度、壓強、生物密度、洋流等，水上的空氣濕度、氣候等，都會影響信號的衰減和多徑效應。復雜的環境要素也給聲電協同鏈路管理帶來了挑戰。

4 海洋信息傳輸網絡的現狀與趨勢

海洋開發與海洋環境監測的巨大需求，驅動著人類對海洋的持續探索。早在20世紀50年代，美國針對蘇聯潛艇的聲音監測系統（SOSUS），在美國本土東、西兩側的大西洋和太平洋深水中建立起一系列水聽器陣，通過專用纜線相互鏈接，并最終與岸基網絡連接，電纜長度達30 000海里（55 560 km）。蘇聯也建設過類似系統。以SOSUS系統為基礎，美國空海作戰系統中心于20世紀90年代研發了綜合水下監視系統（integrated undersea surveillance system，IUSS）[26]，采用了光纖傳輸技術。IUSS不僅能夠有效探測沿海活動的核動力潛艇和安靜型常規潛艇，也為編隊指揮提供準確的威脅位置信息，給美海軍各種反潛戰平臺提供了所需的反潛信息。這個龐大的水聲警戒網在戰略反潛中起了很重要的作用。

隨著水聲通信技術的發展，用水聲無線連接代替光纜、線纜連接成為海洋監測網的趨勢。美國1993 年提出的自主海洋采樣網（autonomous ocean sampling network，ASON）[27]首次提到水聲網的概念。美國國家海洋學研究伙伴計劃隨后實施了一項用于水聲通信、水下網絡傳輸及海軍其他使命的遙測前沿觀測網（front-resolving observational network with telemetry，FRONT），并在1998 年提出用于支撐 FRONT 的稱為海網（Seaweb）的水下聲網絡的概念[28]。歷經12年的Seaweb是美國海軍實驗性遠程聲納和海洋網絡計劃中的重要部分，是目前比較成功的水聲網絡概念。從1998年開始，Seaweb每隔一兩年做一次實驗，在2005年的實驗中已實現固定節點和移動節點的混合組網，并已實現媒介接入控制、路由等組網功能。在Seaweb基礎上，2005年美國海軍研究室和國防部先進研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）聯合提出PLUSNet（persistent littoral undersea surveillance network）計劃[29]。該計劃打算利用10年的時間，建設一個覆蓋美國近海水下無線持續監測網絡。以水下潛/浮標為固定節點、水下無人平臺為活動節點構建網絡，在實現監測的同時為巡航導彈、潛艇提供導航，并通過水面無線電網絡與指揮系統連接。歐洲也推出類似的ACME計劃[30]。

國內在海洋監測、水聲組網方面起步較晚，“十一五”期間開展了海底長期觀測網絡關鍵技術的研究。2009年4月，同濟大學等科研單位在上海附近海域進行了海底觀測組網技術的實驗，并且建立了中國第一個用專用線纜連接的海底綜合觀測實驗與示范系統。2016年底，中國科學院實現了潛標數據的實時傳輸。在水面上放置了一個數據實時傳輸的浮體，它與潛標通過無線和有線兩種方式連接。潛標將數據傳輸給浮體，浮體發射到衛星，然后再反饋回陸地實驗室。

從以上海洋觀測網的實踐看出，海洋信息無線實時傳輸的關鍵是實現跨水—空氣界面的信息交換。海面上的無線通信手段較為豐富，無論是 VHF通信、船舶自動識別系統還是海事衛星系統，幾乎都基于電磁波的無線電網絡。為此，利用無線電波實現穿越水—空氣界面通信是一個低成本的方案[31-32]。激光通信是另外一個可選方案[33]。然而，無論是電磁波還是激光，都無法在水下實現長距離通信。

海洋信息的獲取和傳輸不可避免要求水聲網絡和水上無線電網絡的融合，而不是簡單地通過水面網關節點連接水上和水下兩個獨立的網絡。雖然海洋信息傳輸網絡已被注意到是一個聲、電鏈路混合的網絡，但事實上，水上無線電網絡和水聲網絡的研究工作還在獨立開展。具備水聲和無線電通信接口的水—空氣界面網關是連接水上無線電網絡和水聲網絡的重要橋梁。美國國防部先進研究計劃局也關注到了這個問題，于2015年發布了“下一代水下通信系統（Next Generation Undersea Communications）”的研究計劃征集[34]，其中水下—水面接口與網關是其重點方向之一。本文提出的聲電協同將是水下—水面網關融合水上無線電網絡和水聲網絡的重要方法。聲電協同也將是實現海洋信息網絡通信、計算和存儲融合的重要方法。

5 結束語

萬物互聯向水下、海洋延伸是信息網絡的發展趨勢。本文針對海洋信息傳輸網絡的應用和技術挑戰，提出了聲電協同的技術框架，克服了水聲鏈路對網絡性能提升的限制。本文還深入討論了聲電協同海洋信息傳輸網絡的架構和協議。未來，海洋信息傳輸網絡還進一步與陸上網絡互聯互通，接入互聯網[35]。隨著海洋開發的發展，陸上信息網絡向海洋、水下延伸是必然趨勢，將形成空、天、地、海一體化的萬物互聯未來網絡架構[36]。

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Acoustic-radio cooperative marine information network

GUAN Quansheng, CHEN Weiqi, YU Hua, CHEN Fangjiong, JI Fei

School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

The transmissions of ocean information have to cross the water-air interface. In this case, the information transmission network architecture requires the efficient integration of the underwater acoustic network and the radio. However, the performance of the underwater acoustic link lags far behind the radio link, and becomes a bottleneck that restricts the performance of marine information networks. An acoustic-radio cooperative marine information network was proposed, which exploited the cooperation of acoustic and radio links to improve network performance. After demonstrating the advantages of acoustic-radio cooperation through three application scenarios, the network architecture and protocols, as well as the challenges for the acoustic-radio cooperative maritime information network were discussed. Acoustic-radio cooperation was not only an effective method for realizing the integration of air-water networks, but also an important method for realizing the integration of network communications, computing, and storage in marine information networks.

marine information network, wireless radio network, underwater acoustic network, acoustic-radio cooperation, network architecture

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018196

官權升（1985?），男，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，主要研究方向為無線網絡、水聲網絡、聲電協作網絡等。

陳偉琦（1986?），女，華南理工大學電子與信息學院博士生，主要研究方向為多跳水聲網絡技術。

余華（1973?），男，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，主要研究方向為無線通信與水聲通信。

陳芳炯（1975?），男，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，主要研究方向為信號探測與估計、陣列信號處理和無線通信。

季飛（1970?），女，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，主要研究方向為無線通信與網絡、水聲通信與網絡。

2018?05?01；

2018?06?09

國家自然科學基金資助項目（No.61431005，No.61671208，No.U1701265，No.61771202）；廣東省自然科學基金重大基礎研究培育項目（No.2016A030308006）；廣州珠江科技新星計劃基金資助項目（No.201610010043）

The National Natural Science Foundation of China (No.61431005, No.61671208, No.U1701265, No.61771202), Natural Science Foundation of Guangdong Province of China (No.2016A030308006), Pearl River S&T Nova Program of Guangzhou (No.201610010043)