海洋數據傳輸網絡體系結構及挑戰

姜勝明，葛麗閣，徐艷麗

（上海海事大學信息工程學院海洋互聯網技術實驗室，上海 201306）

1 引言

目前，在海洋環境中常用的數據傳輸手段是衛星傳輸，但存在一些缺點影響其普及率[1-3]：其性價比較低，更無法用于水下通信；近地軌道衛星的傳播時延長，需要特制的收/發終端和傳輸協議；中低軌道衛星繞地球高速運轉，增加了高質量通信組網的難度。另一個廣泛使用的海洋通信系統是海事無線電，由于受帶寬的限制，它主要用于語音通信，無法支持高速數據傳輸[4-5]。現代移動通信技術也被少量應用到港區和航道提供互聯網服務[6]，但相對于海洋，其覆蓋范圍太小，無法大規模部署在海域。目前無論海上戰備通信、應急救援或常規數據傳輸，還是軍用、商用或民用，都需要穩健性強、性價比高和泛在的海洋數據傳輸服務。但目前還沒有一種通信網絡系統能單獨構建一個性價比高、覆蓋范圍廣和使用方便的海洋數據傳輸系統，海洋數據高效傳輸是亟待解決的重要課題。

海洋涵蓋空天、海岸、水面和水下的廣闊空間（本文稱“海洋空間”），特殊的地理和氣候條件使海洋空間陸基網絡設施的建立和維護變得非常困難和昂貴。雖然目前海洋空間中已經部署了多種通信網絡系統，但是它們的歸屬不同、掌管部門和運作單位眾多、部署形式多樣以及通信制式和標準不統一。目前缺乏有效的方法和規范統籌使用，它們之間無法有效方便地協作和互聯互通。海洋的特殊環境及海洋數據傳輸技術的現狀決定了要改變上述局面是個艱難的任務，而且水下通信的瓶頸在短時間內很難獲得突破，導致大面積水下高速組網仍需依賴水面及以上的通信系統。為了系統性地解決海洋數據傳輸的相關問題，提高海洋通信寶貴資源的利用率，需要統籌協調海洋空間中各種通信網絡系統，實現空天地海潛一體化、應急與常規系統、戰時與平時系統相互支撐的共同體，以此構建穩健性強和高效的海洋數據傳輸系統[3]。這種由多個系統有機組成、功能更完備、協作互助的復合通信網絡系統通常稱為網絡體系[7]。而目前國內外對海洋數據傳輸網絡體系的研究非常缺乏。

2 海洋數據傳輸網絡的概況和體系架構

2.1 業務特征

隨著涉海活動逐漸增加，業務多樣化，數據業務逐步代替傳統語音業務，這些都對通信網絡安全提出更高的要求。另外，海洋數據分布稀疏、多源異構，具有高維度、時空性、敏感性和多模態等特征，導致數據信息交互獨立、共享度低。近年新型海洋應用（如E-navigation[8]）的出現，以及對未來應用（如無人船舶[9]等）的研究，都對海洋通信業務提出了新的要求，以支持相關新型數據的有效傳輸，例如及時、可靠、安全和大量的數據高速傳輸以支持船岸一體化信息集成與融合，提升航保服務的性能、節約航行能耗、減少航運排放以及高密度無人船舶航行的安全性和穩定性等。

2.2 網絡構成

海洋數據傳輸網絡由覆蓋天、空、岸、海及水下的綜合性通信網絡節點組成，是關鍵的海洋信息化基礎設施[10]。海洋數據傳輸網絡系統組成如圖1所示，共分成四大部分[11]，即岸基、水面、空中和水下。當前正在運營的岸基和空中通信網絡主要包括海事無線電、衛星和局部部署的移動通信系統。有線海底觀測網是目前相對成熟的水下通信系統，例如美國的MARS[12]和我國在南海、東海和黃海所部署的觀測網絡[10]。除此之外，也有一些基于中低軌道衛星的龐大星座項目計劃，例如，美國SpaceX公司的Starlink項目計劃采用12 000顆低軌道衛星提供寬帶服務[13]；中國航天科技集團有限公司的“鴻雁”星座計劃用300余顆低軌道小衛星構建通信網絡，首星已在2018年年底成功發射[14]。人們也在探討其他通信網絡技術，如高空通信平臺和無線自組織網絡。高空通信平臺能提供大范圍、高速率且相對廉價的通信服務，主要問題是如何將它們長期部署在特定空域以提供不間斷的通信服務[15]。無線自組織網絡不依賴于特定通信網絡設施，有很強的自組織和自愈能力[16-20]，適應動態不穩定的海洋網絡環境；例如，船舶自組織網絡和網狀網絡[18,21-23]以及由飛行器構成的航空無線自組織網絡[24]等。但是，這種網絡容量和通信質量均不穩定，動態網絡拓撲使網絡連通性得不到保障，無法提供不間斷的網絡服務[25]。水下通信網絡環境更加復雜多變，因為適合水下通信的主要介質是聲波，其傳輸速率和傳播速度都非常低、通信質量不穩定[26-31]。

圖1 海洋數據傳輸網絡系統組成[32]

2.3 網絡特點

陸基數據傳輸網絡系統主要基于固定的光纖骨干網絡，無線主要用在“最后一公里”的接入部分。而海洋數據傳輸網絡是跨時空，甚至跨介質（如聲電融合傳輸）的動態異構復雜系統，且以無線為主[3,11,32]，這導致了海洋數據傳輸網絡在拓撲動態性、系統異構性和不穩定性以及通信資源構成的復雜性等方面都比其他網絡更突出。這些特點對數據傳輸的性能影響非常大，導致了現行數據傳輸網絡體系無法適應于海洋空間，因為前者基于相對穩定和單純的通信網絡資源、拓撲結構和系統構成。它們之間主要不同之處具體表現在以下4個方面。

（1）網絡邊界和路徑以及通信資源的動態性和不確定性

一條海洋數據傳輸網絡的路徑可能一端在水下，另一端在陸上。在衛星被摧毀或者費用太高時[34]，該網絡路徑可能不使用衛星，而是經過水聲自組織網絡、船舶自組織網絡、航空自組織網絡和岸基網絡等。在這些網絡中，除岸基網絡外，其余都會由于節點的移動性而實時動態變化，極不穩定，甚至會引起網絡邊界和網絡形態發生頻繁變化。例如，岸基網絡與船舶自組織網絡之間的邊界以及不同自組織網絡之間的邊界會隨著節點（如船舶）移動發生變化。同樣，節點移動會使常規型自組織網絡轉變成機會性網絡，反之亦然。這些變化會導致網絡路徑的經常性中斷，但目前還沒有網絡體系考慮過如此動態變化的網絡系統，沒有相關體系能適用于這種復雜情形。

（2）通信介質的異構性和性能的非對稱性

當數據傳輸跨越水下和水面并延伸到陸地上時，水下主要的通信介質為聲波，其信號傳播速度和通信速率與水面及陸上所使用的電磁波相差甚遠。電磁波以光速傳播，通信速率能達到Gbit/s級；而聲波在海水中的傳播速度只有1.5 km/s，最大通信速率在kbit/s級別。當前的網絡體系沒有完全考慮這些非對稱性，只是把處理這些非對稱性交給網絡之間的轉換節點。這種做法只適用于具有固定邊界的網絡，不適用于動態邊界的異構網絡。另外，網絡之間的轉換節點主要解決傳輸速率的非對稱性（含協議的異構性），沒有考慮信號傳播速度的巨大差異性，因為傳統網絡是基于電磁波的。這種巨大差異對傳輸層端到端傳輸協議的性能造成很大影響，特別是TCP（transmission control protocol）[29]，因為它的運作是基于端到端來回時延的。目前針對無線網絡改進的TCP主要解決了對網絡擁塞狀況誤判的問題[33]，并沒有考慮傳播速度的非對稱性及長時延，所以無法適用于海洋傳輸網絡。

（3）海洋通信網絡資源的復雜性和局限性

除衛星外，能用于構建岸基網絡的通信技術主要包括移動通信系統（如3G、4G）、無線城域網（如WiMAX）。它們能提供高性價比的通信網絡服務，但其覆蓋范圍相對于海域就顯得太渺小。海事無線電雖能長距離傳輸，但速率低，主要適用于語音傳輸。各種類型的無線自組織網絡能一定程度彌補其他網絡的缺陷[34]，如延伸岸基網絡的覆蓋距離和提高其覆蓋效率，但其本身的性能和穩定性無法保障。把各種海洋信網絡資源盡量有機地融合是非常必要的，但這種融合網絡是目前網絡體系無法支持的，主要因為該體系為轉發型網絡（forwarding network）而設計，即網絡節點只轉發路過它的數據包，不進行存儲。在海洋通信網絡中，當轉發型網絡缺失或無法提供全覆蓋時，只能寄希望于機會性網絡進行補充甚至替代。機會性網絡需要存儲?攜帶?轉發（store-carry- forward）數據包甚至消息。目前這種機會性網絡轉發只能在現有體系的應用層上實現[35]，無法與網絡層的轉發進行有機融合和聯合優化提高數據傳輸的效率。

（4）海洋空間網絡用戶的流動性和低密度性及構成的高復雜性

由于海洋空間的開放性，其網絡用戶（如海員、郵輪乘客、漁民等）往往來自不同的國家和地區，臨時性地聚集在某一國/地區內或國際海域，并隨船舶做集體性移動。而海洋大部分區域是無人居住的區域，用戶密度比陸上低得多。目前支持陸上移動性的系統基于固定網絡邊界和固定基站；在海洋中，除動態的網絡邊界外，網絡基站往往也安裝在船舶上（船上用戶通過網絡基站接入其他網絡），并隨船舶移動；目前沒有相應的移動支持方法，因為現有的網絡體系形成于20世紀70年代，當時還沒有移動性支持的概念，所以體系中缺乏相關設計。另外，目前所采用的移動性支持主要涉及網絡“最后一公里”的接入部分，對固定的骨干網絡是透明的。整個海洋通信網絡是動態變化的[36]。另外，船舶的移動性往往使得采用不同頻段、通信制式和容量設備的用戶臨時性聚集在同一海域，目前沒有相關的體系能支持他們之間的直接互聯互通。

2.4 體系架構

為了提高海洋空間通信網絡資源的利用率，我們在2013年提出了海洋互聯網（marine internet）的概念[37-38]，2018年6月，《電信科學》期刊組織了一期“海洋互聯網”專題[39]。海洋互聯網的核心思想是綜合利用海洋空間一切可以利用的通信網絡資源進行動態實時組網，使系統不依賴任何一種特定網絡資源，并根據需要實時調整組網策略最大限度地滿足服務質量和性價比等方面的要求[3,11,40]。一個基于海洋互聯網的海洋數據傳輸網絡體系構想如圖2所示，在現有計算機網絡體系架構的基礎上，通過盡最大努力實時組網實現一體化融合的海洋數據傳輸系統。該結構主要包括3部分：海洋空間通信網絡資源的管理、可用資源探測與融合以及網絡體系管理。第一部分主要涉及海洋空間通信網絡資源的表征、歸類、認證、授權和發布等；第二部分主要涉及海洋通信網絡資源的探測和使用、實時動態組網、端到端數據傳輸及用戶移動性管理等；第三部分主要涉及通信界面、協作激勵機制、優先級支持與安全策略實施和用戶認證等方面。

圖2 一個基于海洋互聯網的海洋數據傳輸網絡體系構想

3 體系架構面臨的主要挑戰

海洋空間通信網絡特殊的環境導致了海洋數據傳輸網絡拓撲的動態變化性和通信資源構成的復雜性、系統異構性以及不確定性。這些特點對構建魯棒、高效、穩定的海洋數據傳輸網絡體系提出了巨大的挑戰，主要體現在以下幾個方面。

3.1 海洋數據傳輸網絡體系的自適應性

海洋空間通信網絡環境的特點要求傳輸網絡體系能夠盡量利用一切可使用的通信網絡資源進行實時動態組網，以最大限度地實現可靠高效傳輸。但是這些資源分布不均勻，其可用性無法得到保障。而且它們的異構性高，邊界不清晰穩定，通信性能差異大，標準制式和性價比也不同，無法直接互聯互通。目前比較成熟的網絡體系是ISO七層參照模型和TCP/IP五層實用模型，它們都是基于固定且對等層之間的數據傳輸結構，針對具有確定邊界網絡而設計的體系。所以，它們可以在不同網絡的交界處設立轉換節點解決網絡之間的異構性和網絡容量、傳播特性等方面的不對稱性等問題，實現互聯互通。但是，在海洋空間中無法確定這類轉換節點的位置，使這種方法不適用于海洋空間網絡。在這種情況下，當一個移動節點A遇到異構節點B時，即使B能為A提供與外界通信的最后機會，A也無法充分利用B。這就要求傳輸網絡體系能快速地適應上述特點和環境變化，克服非對稱性和異構性所帶來的通信障礙，盡最大努力協作組網，最大化海洋通信網絡的互聯互通性。

3.2 海洋通信網絡資源的快速探測和智能組網

海洋通信網絡資源指海洋空間中具有通信和組網功能的節點和其服務能力；海洋空間通信網絡是缺乏協調中心、時空跨度大的分布式網絡。一個節點能擁有的通信網絡資源數量取決于其周圍節點的分布密度和它們相關能力以及該節點本身的探測能力。發現鄰居節點的速度和力度是這種能力的主要體現，其方法大致可分主動和被動兩種。前者是節點通過廣播探測消息，收到該信息的節點應答[41]。在被動探測中[42]，節點僅偵聽周圍的發送活動，并根據偵聽到的結果認知鄰居節點。主動探測效率高，但消耗更多能量，也對其他通信造成干擾。而被動偵聽沒有上述問題，但當一個節點需要鄰居節點組網時，這種方式可能無法及時滿足要求。主動探測能力主要取決于節點的最大發射功率，被動探測能力主要取決于節點的接收靈敏度。發射功率越強，探測能力也越大，但造成的干擾也越大；同樣，探測的頻譜越寬，探測能力也越強，但探測時間也更長。如何在大搜索域中快速發現最多鄰居節點、減少對其他通信的干擾、滿足海洋空間動態組網要求需要做進一步研究。

在廣闊海洋空間中，通信節點具有多樣性（如不同的通信介質、制式和能力）、分布和可用性不確定等特點。另外，節點的移動性會導致鄰居關系的快速變化，影響網絡的連通性，尤其在節點分布稀疏的情況。所以，需要經常性及時快速地探測才能有效支持實時動態組網。與此同時，節點還要掌握探測節點的通達能力，并量化表征其狀態和預測其未來可能的變化。針對傳統無線網絡，特別是無線自組織網絡，已經有許多類似的研究成果[43]。但是無線網絡中節點的復雜性、異構性、非對稱性和動態性以及分布空間的尺度及維度都無法與海洋空間網絡相比，導致這些成果無法直接適用。海洋空間網絡在選擇中繼節點時，需要考慮更多、更復雜的因素，盡量在構建網絡路徑時，采用非對稱性和差異性小的鏈路，以最大化數據傳輸的性價比和可靠性。

3.3 海洋數據透明傳輸和優先級支持

數據透明傳輸指應用層將數據從源節點傳輸給目的節點的過程中，相關操作獨立于下層的通信與網絡系統。例如，目前互聯網傳輸協議之一的TCP，只有源節點和目的節點參與相關操作，中間節點不參與。在這種情況下，海洋數據傳輸網絡體系的開放性和兼容性可在不改變應用的前提下，不斷地將新發展的通信網絡技術融入海洋數據傳輸體系，以不斷提高數據傳輸的性價比、可靠性和穩定性。TCP原先是為有線網絡設計的，將擁塞控制功能放在了傳輸層，只有源節點和目的節點參與，以簡化中間節點的復雜度。但傳輸層無法及時準確掌握網絡層的擁塞情況，只能通過數據接收成功情況推測網絡的擁塞狀況。這種做法在無線網絡中造成很多擁塞誤判，因為，多跳無線網絡有很多非擁塞因素也會導致數據丟失[44]。目前部分針對無線網絡修改的TCP方 案[34]，除了針對近地軌道衛星外，其無線網絡的規模都比較小，節點類型單一，無法與海洋空間無線網絡相比。對于近地軌道衛星，地面站與衛星之間沒有其他節點，情況簡單，在海洋空間通信網絡中，節點情況復雜。

海洋數據傳輸網絡體系不僅融合海洋空間各種通信網絡資源，同時也支持海洋各種應用和用戶。通信網絡資源有限不可避免地導致資源使用的競爭，需要優先級機制支持不同級別的應用和用戶。例如與應急救援相關的數據需優先傳輸，指揮者比一般用戶需優先接入網絡等。陸基網絡優先級機制主要基于接入控制和網絡或數據鏈路層的調度算法，一般需要對資源實現統一分配，每個中間節點需要安裝相應的調度功能[45]。其在固定結構的有線網絡中比較容易實現，而海洋空間通信網絡空間跨度大、異構復雜、網絡邊界不清晰和網絡連通性不穩定，很難實現統一管理。

3.4 海洋空間移動用戶的漫游支持

漫游支持指移動通信用戶在不需要更改其聯系信息（如手機號碼）的情況下，可以自由漫游而不失去連通性，這種特性是目前移動通信系統的獨特優勢。海洋空間通信網絡的用戶大多數是移動用戶（如漁民、海員和游客等）。但是，目前陸基移動通信網絡支持用戶漫游的方法不適用海洋環境主要原因是兩者網絡結構的差異。陸基移動通信網絡的無線部分主要是接入網，即把用戶手機連接到基站的部分（如4G、Wi-Fi），用戶漫游時會不斷地切換連接其手機的基站，這些基站通過有線連接固定的骨干網。雖然用戶是移動的，但基站是固定的，可通過確定用戶所連接的基站就能與該用戶進行通信。手機號碼與用戶注冊地的網絡相關聯，當用戶離開其注冊地到訪其他區域時，到訪地會給漫游用戶的手機分配一個與到訪地關聯的臨時號碼，并把這個號碼告知其注冊地。其他用戶的手機可通過其原來的號碼先訪問其注冊地而得知其臨時號碼，再連接該用戶手機。整個過程對用戶是透明的[46]。

在海洋空間通信網絡中，海洋移動用戶往往通過安裝在船舶上的基站連接衛星、岸基網絡或者另一個船舶基站。當連接靜地軌道衛星時，由于衛星覆蓋范圍大，船舶的移動不影響通信，在這種情況下，可以采用陸基漫游支持方法維護海洋移動用戶的連通性。但是在后兩種情況下，其他用戶首先要設法連接移動的船舶基站，才能連接海洋移動用戶。當該船舶基站與岸基網絡基站直接相連時，這個問題可采用類似于陸基漫游支持方法加以解決。當目的船舶基站經過一個或多個船舶基站與岸基基站相連時，中間基站的移動性會使問題變得更加復雜，陸基漫游支持方法不再適用于該場景。另外，陸基漫游支持方法基于可靠的網絡連通性，即網絡中任意兩節點都能及時可靠傳輸數據。在海洋空間通信網絡中，當衛星無法用時，網絡連通性就無法得到保障。

3.5 安全數據傳輸

海洋通信網絡環境主要由海岸線、水面、天空和水下等組成，用戶主要由高機動性用戶構成，且往往來自不同國家或地區，并可能運行特定應用（如軍事通信、海上運輸數據傳輸）。與陸地網絡環境和用戶的構成顯著不同，使海洋網絡數據傳輸的安全問題面臨比陸地網絡更多的挑戰。大多數陸地網絡安全系統依賴基于加/解密方案和穩定的中央系統，如認證服務器和公鑰基礎設施（public key infrastructure，PKI）等。這些系統要求較高的網絡容量和可靠網絡連接支持。高動態網絡拓撲、不可靠網絡連接和低通信容量是海洋通信網絡的主要特點，該網絡主要由各種基于岸基和水面的無線網絡、覆蓋范圍廣、可靠但昂貴的衛星網絡和低速海事無線電系統組成，無法提供如陸地網絡一樣的可靠、高速網絡連接支持網絡安全方案。當網絡的一部分是水聲網絡時，其安全部分將面臨更多的挑戰[47]。海面網絡節點稀疏且移動，在有些情況下需要節點的協作組網才可能完成數據傳輸，如何在缺乏可靠數據傳輸保障的情況下確認參與協作節點的安全性，尤其當節點來自不同國家和地區時，需要研究相應的方法。

4 結束語

本文簡要討論了高效海洋數據傳輸目前所面臨的主要問題，闡述了海洋空間通信網絡與陸地通信網絡的主要區別，在此基礎上指出了研究適用于海洋通信環境的新型網絡體系的必要性，并提出了基于海洋互聯網的數據傳輸網絡體系架構設想以及需要進一步研究的相關問題。由此可見，相關研究還處在初始階段，其中，通信網絡的體系結構既為根本也是統領通信系統研發的核心部分，需要做深入研究。