姜勝明
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海洋互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)與挑戰(zhàn)
姜勝明
(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海 201306)
海洋互聯(lián)網(wǎng)(marine internet)是陸地互聯(lián)網(wǎng)在海洋環(huán)境(水下、水面、空中)中的延伸,其重要性不言而喻。然而,陸地與海洋之間的巨大差異使得陸地互聯(lián)網(wǎng)無法直接無縫地擴展到海洋環(huán)境中,并導(dǎo)致一些成熟的網(wǎng)絡(luò)研究思路和設(shè)計方法變得不適用。簡要討論海洋互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略意義、現(xiàn)狀以及實現(xiàn)它的戰(zhàn)術(shù)思路和面臨的主要挑戰(zhàn)。
陸地互聯(lián)網(wǎng);海洋互聯(lián)網(wǎng);海洋物聯(lián)網(wǎng);水下物聯(lián)網(wǎng);水聲網(wǎng)絡(luò)
互聯(lián)網(wǎng)(internet)已成為當(dāng)今社會各項活動不可缺少的重要平臺;但是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在占地球面積71%的海洋中還沒有得到普及應(yīng)用,嚴(yán)重影響到海洋經(jīng)濟的發(fā)展、海洋國防及其他安全系統(tǒng)的建設(shè)和運作。目前在海洋中,互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(“海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)”,代碼1623[1])主要通過衛(wèi)星網(wǎng)提供,不但價格貴且傳輸速率低,也無法有效支持水下通信。海洋互聯(lián)網(wǎng)(marine internet)試圖將陸地互聯(lián)網(wǎng)盡量無縫地延伸到海洋中,覆蓋水下、水面和空中[2-5],能成為空天地海一體化系統(tǒng)和海洋物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)平臺。海洋互聯(lián)網(wǎng)中的許多節(jié)點可能是民間或商用的,它們能夠與其他特殊節(jié)點(如海底觀察網(wǎng)、軍艦等)一起構(gòu)成一個覆蓋面更廣和更頑健的海洋通信網(wǎng)絡(luò),所以對海洋互聯(lián)網(wǎng)的進一步開發(fā)和利用符合軍民融合的思想,具有一定的戰(zhàn)略意義。然而,由于陸地與海洋之間在地理環(huán)境、氣候條件和用戶分布特征等方面存在著巨大差異,陸地互聯(lián)網(wǎng)不能無縫地延伸到海洋中,也使得一些成熟的網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計的概念和方法變得不適用。本文簡要討論海洋互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略意義、現(xiàn)狀和實現(xiàn)它的戰(zhàn)術(shù)思路及所面臨的主要挑戰(zhàn)。
如今在陸地上,人們幾乎可以隨時隨地通過各種終端,如手提電腦和智能手機,享用通過互聯(lián)網(wǎng)所提供的各種服務(wù),也可以通過互聯(lián)網(wǎng)將分布在不同地方的物體鏈接起來,形成物聯(lián)網(wǎng)(internet of things)。然而,由于陸地與海洋之間的巨大差異,陸地互聯(lián)網(wǎng)不能無縫擴展到海洋環(huán)境中。這些區(qū)別主要反映在地理環(huán)境、氣候條件和用戶分布特征等幾個方面[6]。
隨著人類在海洋環(huán)境中活動的日益增加,迫切需要一種便捷、可靠、速率高、性價比合理并能覆蓋水下、水面和空中的海洋互聯(lián)網(wǎng)。它可以為海員、漁民、郵輪/游艇乘客以及海島軍民等提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù),使其能在海洋環(huán)境中享用不間斷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。同時也能為海洋經(jīng)濟的發(fā)展和國防建設(shè)提供支撐。例如海洋運輸和離岸石油生產(chǎn)等,可通過海洋互聯(lián)網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)更新、生產(chǎn)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控等;也可以通過海洋互聯(lián)網(wǎng)及時向陸上高性能計算機中心傳輸大量數(shù)據(jù),進行快速處理分析,并將結(jié)果迅速反饋給海上用戶,這些服務(wù)對海洋探測及其他海洋科研活動都非常重要[4-6]。
例如在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面,目前已有大量的傳感器部署在水下,且數(shù)量仍在增加,所以有大量的數(shù)據(jù)需要收集和處理。但現(xiàn)在主要的水下通信技術(shù)是基于水聲,傳輸速率低、傳輸時延長且通信能耗大[7];而基于藍(lán)綠激光的水下通信技術(shù)雖然能夠提供很高的傳輸速率和極短的傳播時延,但激光易被水吸收且無法繞過障礙物,使其傳輸距離非常有限;因此,目前單個水下無線網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積小。海洋互聯(lián)網(wǎng)可以用來連接處在不同位置的水下無線網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成覆蓋范圍大和高性能的水下監(jiān)測系統(tǒng),并使其與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),形成水下物聯(lián)網(wǎng)[8]。
海洋互聯(lián)網(wǎng)還可以用于海上國防及其他水域(如港口、航道等)安全系統(tǒng)的建設(shè)。我國海洋面積約300萬平方千米,大陸海岸線18 000余千米,島嶼有6 000多個。海洋互聯(lián)網(wǎng)可以將它們連接起來,實現(xiàn)互聯(lián)互通,同時,也可讓敏感保密通信隱蔽在大量的海洋互聯(lián)網(wǎng)的通信中。如下文所述,海洋互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念是利用一切可以利用的通信資源進行組網(wǎng),但又不依賴于任何一種特定的網(wǎng)絡(luò)進行運作,所以它具有很強的生存能力,使之成為戰(zhàn)備網(wǎng)絡(luò)的一部分,即在預(yù)先建好的網(wǎng)絡(luò)癱瘓而無法運作的情況下,海洋互聯(lián)網(wǎng)可以成為最后一線希望。
海洋是一個13億立方千米的巨大鹽水體,平均深度達(dá)3 682 m,覆蓋了地球表面的71%。在海洋上搭建陸用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施是極其困難和昂貴的;而且,海洋氣候條件特殊,如高濕度、頻發(fā)的降水和極端天氣,都會降低超高頻衛(wèi)星通信的性能,破壞網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。另外,海洋互聯(lián)用戶多數(shù)是臨時性的,密度相當(dāng)?shù)颓曳植紭O不均勻。這是由于海洋面積是陸地的2.5倍,且大部分是無人區(qū),而用戶一般是隨船(如能容納幾百至上千人的郵輪)而動的。這些特點將嚴(yán)重影響投資效益。
下面簡要總結(jié)一下目前可能用于海洋互聯(lián)網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
海事無線電(maritime radio system)是在海洋環(huán)境中被廣泛使用的通信技術(shù)。它主要包括海洋甚高頻無線電(very high frequency,VHF)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)上它主要支持音頻通信,后來部分VHF信道用來支持低速率的數(shù)據(jù)傳輸,如VDL(VHF data link)。VDL是船舶自動認(rèn)證系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)的通信平臺。AIS能自動跟蹤船舶,為導(dǎo)航和避撞提供相關(guān)信息。目前我國沿海共有AIS岸臺375座,其中東海海區(qū)有158個。隨著AIS應(yīng)用的不斷擴大,VDL的通信容量已經(jīng)無法滿足這一需求,VDES(VHF data enhanced system)被研發(fā)。它通過合并傳統(tǒng)的VHF信道,形成帶寬為100 kHz、空中數(shù)據(jù)速率為307.2 kbit/s的信道。詳細(xì)情況見表1。另外,超高頻(ultra high frequency,UHF)中,也有6個波段被用于船舶通信。
由于海事通信的總帶寬非常有限,已無法滿足海事通導(dǎo)本身的需求。而常用的Wi-Fi速率可達(dá)54 Mbit/s,3G手機的上行速率可達(dá)1.8 Mbit/s,4G為5 Mbit/s,所以,VHF無法滿足很多互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。
現(xiàn)代移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)(mobile cellular network)技術(shù),例如WiMAX和LTE已經(jīng)被應(yīng)用到港區(qū)和繁忙航道中來為這些區(qū)域提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。它們能提供可高達(dá)幾百Mbit/s的傳輸速率,最大覆蓋半徑()可達(dá)上百千米。例如,華為eWBB LTE能覆蓋=100 km,提供50 Mbit/s和100 Mbit/s的上行和下行傳輸速率。但在海洋中,單個基站或接入點(access point,AP)的覆蓋范圍太小,又無法大規(guī)模地架設(shè)它們。例如,僅沿海岸線部署(全球海岸線長度=356 000 km)上述基站,總的覆蓋面積可估算如下:=3.62108km2,占海洋總面積的9.83%[9]。
表1 主要海事通信技術(shù)(1海里=1.852 km)
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(satellite network)的發(fā)展要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于互聯(lián)網(wǎng),但是其用戶數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù),主要原因是性價比低,不易得到普及。根據(jù)衛(wèi)星軌道的高度(),可以將衛(wèi)星分為靜地軌道衛(wèi)星(GEO,=35 786 km)、中軌道衛(wèi)星(MEO,3 000 km≤<35 786 km)和低軌道衛(wèi)星(LEO,200 km≤<30 00 km)[5,9]。
GEO的位置相對于地面觀察者是不變的,其軌道周期為24 h;理論上,3個衛(wèi)星可以覆蓋除兩極以外的其他地球表面。國際海事衛(wèi)星組織利用GEO提供以下服務(wù):聲音、IP數(shù)據(jù)以及全球海上遇險和安全系統(tǒng)(GMDSS)[5,9]。然而,經(jīng)過GEO的地面基站之間的信號傳輸時延已達(dá)250 ms,這幾乎是語音通信端到端時延限值的兩倍;如加上通信和網(wǎng)絡(luò)處理時延,整個端到端時延高達(dá)約750 ms。而TCP的重傳時延一般設(shè)在650 ms左右[10],嚴(yán)重影響TCP和服務(wù)質(zhì)量保障協(xié)議的性能。
LEO已在全球星(GlobalStar)[11]和銥星系統(tǒng)(Iridium)[12]中被用來降低傳輸時延。由于LEO相對于地面高速轉(zhuǎn)動,很難使用定向天線來實現(xiàn)高質(zhì)量的無線通信。當(dāng)船舶在海面上波動前行時,須安裝一個復(fù)雜的衛(wèi)星追蹤系統(tǒng)。衛(wèi)星采用以下頻段:L-頻段(1~2 GHz)、C-頻段(4~8 GHz)、Ku-頻段(19 GHz)和Ka-頻段(29 GHz)[13]。其中Ku-頻段和Ka-頻段的通信非常容易受到水分以及各種形式降水的影響,而這些都是海洋中常見的現(xiàn)象。此外,因為電磁波不能很好地在水下傳播,衛(wèi)星不能有效地支持水下通信。
衛(wèi)星的制造、發(fā)射、運行和維護的成本高,對一個在軌衛(wèi)星的硬件升級和維修幾乎意味著整個衛(wèi)星的更換;另外,高軌道衛(wèi)星的長距離通信有很高的信號衰減,必須使用體積龐大、功率大的終端設(shè)備;所以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的性價比很低。表2列出了目前市場上的幾種由衛(wèi)星所提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(2017年2月數(shù)據(jù))。
無線自組網(wǎng)(wireless Ad Hoc network,WANet)不依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,終端間就可以直接通信。它的自組織和自愈能力使得它容易適應(yīng)動態(tài)和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,能在海洋互聯(lián)網(wǎng)中得到充分應(yīng)用。它可以利用一切配備通信功能的船舶和設(shè)施(如浮標(biāo))自組網(wǎng)絡(luò),使得船舶之間和船岸之間可以進行通信。相類似的研究包括海事自組織網(wǎng)絡(luò)(maritime Ad Hoc network)[14]、海事網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(maritime mesh network)[15]、航海自組織網(wǎng)絡(luò)(nautical Ad Hoc network,NANet)[16]和船舶自組織網(wǎng)絡(luò)(ship Ad Hoc network)[17]等。除此之外,還可利用空中任何運載工具,如氣球、飛艇、直升機和民航飛機等,形成一個航空無線自組織網(wǎng)絡(luò)(aeronautical Ad Hoc network,AANet)[18]來提供機會網(wǎng)絡(luò);NANet結(jié)合AANet可以覆蓋更大的水域,提供更多的網(wǎng)絡(luò)機會;另外,水下無線自組織網(wǎng)絡(luò)(underwater Ad Hoc network,UANet)[19]無需建立水下網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,可用來連接水下無人航行器和傳感器等設(shè)備。
表2 后付費式銥星的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(OpenPort airtime)
無線自組織網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小,信道容量和質(zhì)量不可靠,動態(tài)拓?fù)涫苟说蕉诉B通性能不穩(wěn)定,其性能很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的密度和分布,但它們都是高度動態(tài)變化的。所以,它無法保證不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接和可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),而這些對海上安全和海事應(yīng)急救援是至關(guān)重要的[5,9]。
海洋中有很多傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network),如水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)、海底觀測網(wǎng)、海洋預(yù)報臺和海洋遙感系統(tǒng)等。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)主要基于無線自組網(wǎng),海洋遙感系統(tǒng)經(jīng)常使用衛(wèi)星,海洋預(yù)報臺有岸基設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。海底觀測網(wǎng)以海底通信光纖和電纜為基礎(chǔ),其通信容量大、性能穩(wěn)定、供電可靠且相對安全,但建設(shè)成本高、維護難度大,很難大范圍地在海洋中鋪建。
目前這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要以數(shù)據(jù)通信為主,而且專一和相互獨立,無法滿足互聯(lián)網(wǎng)的要求。如果它們開放界面并連接在一起,可形成海洋物聯(lián)網(wǎng);它們也可成為海洋互聯(lián)網(wǎng)的一部分,共同提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
上述任何一種網(wǎng)絡(luò)都不能成為一個高性價比、覆蓋范圍廣和方便使用的海洋互聯(lián)網(wǎng)解決方案,主要原因總結(jié)如下:到目前為止,無法找到一個能適應(yīng)不同通信環(huán)境、滿足各種應(yīng)用需求的通信方式,所以電、光、聲多模融合通信是一個選擇;目前兩個極端網(wǎng)絡(luò)(即衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和海底觀測網(wǎng)絡(luò))建設(shè)和維護成本太高,中間型網(wǎng)絡(luò)(如移動通信網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò))在海洋環(huán)境中無法單獨成氣候。在這種情況下,需要將不同網(wǎng)絡(luò)融合在一起,形成超大規(guī)模多模協(xié)作的混合網(wǎng)絡(luò),且無線網(wǎng)絡(luò)占主導(dǎo)地位[9]。
圖1展示了根據(jù)這一思路構(gòu)成的海洋互聯(lián)網(wǎng)[9],主要由基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的岸基網(wǎng)絡(luò)、高空通信平臺[20]和不同形式的無線自組織網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星等組成[9],運作如下[6,9]。
圖1 一個基于不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)[6,9]
? 利用陸地移動通信技術(shù)(含集群通信)及帶寬構(gòu)建岸基網(wǎng)絡(luò),為近岸水域的用戶提供無縫互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。例如,利用4G帶寬(100 MHz)以及現(xiàn)有AIS基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建岸基網(wǎng)絡(luò),并形成新一代海事通信技系統(tǒng),在提供海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的同時,也能提高運營商的收益[21]。同時,新的通信技術(shù),如RoF(radio over fiber),可以不斷地用來提高岸基網(wǎng)絡(luò)的性能。海洋雖大,但大多數(shù)在海洋中的人類活動發(fā)生在沿岸海域[5]。
? 利用各種動態(tài)拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)來擴展岸基網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,利用各種機會網(wǎng)絡(luò)來提供機會性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。例如直升機(群)和民航飛機的地空寬帶所提供的機會性數(shù)據(jù)傳輸。
? 采用高空通信平臺來滿足臨時性的特殊要求。它能幾乎靜止地處在離地面大約17 km以上的平流層,覆蓋半徑可達(dá)100 km。它有比衛(wèi)星大得多的通信容量,下行鏈路數(shù)據(jù)速率可達(dá)320 Mbit/s(頻段28 GHz,帶寬50 MHz,高度10 km以上)。
? 衛(wèi)星作為最后選項,主要用來保障大范圍的應(yīng)急和救援通信。這種狀況的改變將取決于衛(wèi)星服務(wù)的性價比的變化以及用戶的承受能力。
? 水下采用無線(水聲)自組網(wǎng),通過水面上的各種網(wǎng)絡(luò)和海底觀測網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián),擴大水下網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,并組建海洋物聯(lián)網(wǎng)。
如何能使不同網(wǎng)絡(luò)有機地融合在一起并高效協(xié)作,形成一個可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和變化趨勢以及應(yīng)用要求來實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)組合的海洋互聯(lián)網(wǎng)是個巨大的挑戰(zhàn),這涉及海洋互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)容量模型等基本問題[5]。當(dāng)性價比合適的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)沒有普及時,海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)不可避免地依賴機會網(wǎng)絡(luò);如何讓來自不同國家和地區(qū)的用戶進行有效協(xié)作以最大化數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C會,在協(xié)作中如何鑒別各自的身份(尤其是在無法與中心取得聯(lián)系的情況下)和確保數(shù)據(jù)的安全也是一大挑戰(zhàn)。
水下網(wǎng)絡(luò)問題更復(fù)雜,解決難度也更大。這是由于水下通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡劣,建設(shè)和維護的難度、成本和風(fēng)險更高。目前水下的主要通信介質(zhì)是聲波,其容量小、傳播慢、不穩(wěn)定等特性使得一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計變得更加困難。復(fù)雜的水聲信號傳播環(huán)境(如多徑傳播、變化的噪聲環(huán)境和傳播速度以及信道的非對稱性)使得信道呈現(xiàn)時空變化性,影響信號接收性能;大功耗和有限能量供應(yīng)使得能效成為網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵因素;缺乏保護及不易照看的水下環(huán)境使得網(wǎng)絡(luò)安全變得十分重要但又十分困難。例如,介質(zhì)訪問控制協(xié)議的最終目的是讓共享同一通信介質(zhì)的用戶能最大化公平使用介質(zhì),其關(guān)鍵是接收方能成功收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)。無線電網(wǎng)絡(luò)常用的做法是讓數(shù)據(jù)的發(fā)送方來安排發(fā)送時間,錯開不同發(fā)送方數(shù)據(jù)到達(dá)同一接收點的時間,以避免沖突。上述方法的運行條件是信號傳播時延或不同節(jié)點之間傳播時延之間的差異可以忽略不計。但該條件在水聲網(wǎng)絡(luò)中無法成立,產(chǎn)生“時空不確定性”[22]。
海洋互聯(lián)網(wǎng)不僅能支持海洋經(jīng)濟、環(huán)境保護和科研等活動,也有利于海上國防和安全系統(tǒng)的建設(shè)。但對它的系統(tǒng)性研究才剛剛開始,其系統(tǒng)的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)管理的難度之大遠(yuǎn)超現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),要完成這樣巨大的系統(tǒng)工程需要多方協(xié)作以及國家的支持。
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Marine internet: strategies, tactics and challenges
JIANG Shengming
College of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 210306, China
The marine internet is an extension of the terrestrial internet in the marine environment (underwater, water and air) and its importance is self-evident. However, the huge differences between land and sea make it impossible for the terrestrial internet to directly and seamlessly expand into the marine environment, and lead to some mature network research ideas and design methods becoming inapplicable. The strategic significance, status quo, tactics and major challenges of the marine internet were discussed briefly.
terrestrial internet, marine internet, marine internet of things, underwater internet of things, underwater acoustic network
TN929.5
A
10.11959/j.issn.1000?0801.2018193
姜勝明(1964?),男,博士,上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師,長期從事通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議和算法等方面的研究工作。作為核心骨干成員參與了國家“973”計劃和“863”計劃項目,編寫全英文專著兩部(Springer出版),獲得國家發(fā)明專利9項,發(fā)表論文150多篇。曾被評為華南理工大學(xué)首屆“我最喜愛的導(dǎo)師”,獲選首屆上?!扒擞媱潯眲?chuàng)新人才,擔(dān)任第11屆IEEE國際通信系統(tǒng)會議(ICCS 2008)組委會主席及30多個國際學(xué)術(shù)會議技術(shù)程序委員會(TPC)成員以及《International Journal of Distributed Sensor Networks》編輯。
2018?05?01;
2018?06?09
國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61472237,No.U1701265)
The National Natural Science Foundation of China (No.61472237, No.U1701265)