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面向海洋全方位綜合感知的一體化通信網(wǎng)絡
摘 要：當前，海洋探索逐步從近海向遠海，從平面向立體，從分立向全方位綜合感知的網(wǎng)絡信息體系發(fā)展。本文分析了全方位海洋綜合感知業(yè)務的主要特征，研究了當前海洋通信網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的主要問題與挑戰(zhàn)，提出了面向海洋綜合感知業(yè)務的一體化通信網(wǎng)絡架構，闡述了該網(wǎng)絡架構的功能與組成，指出了該網(wǎng)絡中需要研究的主要關鍵技術，以及網(wǎng)絡構建的方法和應用設想，為后續(xù)海上通信網(wǎng)絡演進發(fā)展提供了新思路?！ ?/p>
關鍵詞: 海洋網(wǎng)絡；綜合感知；網(wǎng)絡架構；一體化通信
引 言
“向海則興，背海則衰”，大力發(fā)展海洋事業(yè)已成為全世界的廣泛共識，構建海洋通信綜合保障體系，提升海洋通信網(wǎng)絡基礎設施和信息服務水平，是認識海洋、經(jīng)略海洋的重要基石。
面向海洋事業(yè)的發(fā)展需求，我國先后提出了“智慧海洋”、“透明海洋”等系列工程，對于海洋的探索逐步從近海向遠海，從平面向立體，從分立向全方位綜合感知的網(wǎng)絡信息體系發(fā)展[1-4]?，F(xiàn)有的海洋感知主要依托岸基、有人島礁、船舶和小型浮標等平臺，實現(xiàn)對近海和重點海域的海洋環(huán)境感知業(yè)務。然而，海洋全方位綜合感知旨在基于天基、空基、岸基、海基和潛基等平臺，通過各類傳感器，感知海洋目標、環(huán)境、地理及海洋裝備等信息，實現(xiàn)對海洋的全海域、全天候、全天時的綜合感知。與現(xiàn)有的海洋感知網(wǎng)絡相比，海洋全方位綜合感知對海洋通信網(wǎng)絡在多元異構接入、多網(wǎng)系融合和多元業(yè)務承載等方面提出了諸多挑戰(zhàn)。
為了應對這些挑戰(zhàn)，本文分析了新時期下全方位海洋綜合感知的物理空間特征和信息空間特征，研究了當前海洋通信網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的主要問題與挑戰(zhàn)，提出了面向海洋全方位綜合感知的一體化通信網(wǎng)絡架構，彌補了現(xiàn)有海洋通信網(wǎng)絡的不足。
1 海洋全方位綜合感知的主要特征
隨著海洋平臺設計、裝備制造、傳感器、人工智能和信息處理等技術的快速發(fā)展，海洋信息網(wǎng)絡平臺裝備正在向無人化、智能化和多樣化的方向快速發(fā)展，已形成了一批覆蓋“空、天、岸、海、潛”的新型海洋平臺裝備，如海洋觀測衛(wèi)星、無人機、大型浮標、潛標、無人島礁、無人艇、水下機器人等，具備全海域、全天候、全天時常態(tài)化的海上值守能力，對于海洋信息的感知也融合了雷達、AIS、ADS-B、光電、電磁、氣象、水文等海洋目標和環(huán)境信息，為建設海洋全方位綜合感知奠定了基礎。與現(xiàn)有的海洋感知網(wǎng)絡相比，海洋全方位綜合感知的主要特征體現(xiàn)在物理空間和信息空間兩個維度。
1.1 物理空間特征
海洋全方位綜合感知的物理特征主要體現(xiàn)在基礎平臺的多樣化、無人化和智能化等三個方面。海洋全方位綜合感知平臺是在傳統(tǒng)海上平臺的基礎上，增加了海洋觀測衛(wèi)星平臺、無人機、大小浮標、無人島礁和水下潛標等新型平臺，豐富了平臺的類型，形成了覆蓋空、天、岸、海、潛的海洋全方位綜合感知平臺裝備體系，如圖1所示。新型平臺主要以海上無人值守為主，具備智能控制、多平臺協(xié)同應用的能力，適合在惡劣的海洋環(huán)境中長期連續(xù)工作。
圖1海洋全方位綜合感知平臺裝備體系
1.2 信息空間特征
海洋全方位綜合感知的信息特征主要體現(xiàn)在信息的多樣性、時效性、價值性、共享性和可靠性等五個方面?！ ?/p>
(1) 信息的多樣性
海洋綜合感知主要通過各類傳感器實現(xiàn)對海洋目標（空中、水面和水下目標等）、海洋環(huán)境（氣象、水文、電磁等）、海洋地理和海洋平臺裝備的控制、狀態(tài)等信息的采集，如表1所示，感知的信息類型和要素多種多樣。
(2) 信息的時效性
不同類型的感知信息，在信息的時效性方面具有明顯的差異，如空中目標的飛行速度較快，目標的方位、航向等信息的價值會隨著時間的推移而快速降低，對于時間的要求明顯高于航行速度較慢的水面或水下目標，另外，海洋環(huán)境的變化總體相對緩慢，信息的時效性總體要求較低。
(3) 信息的價值性
在面向不同用戶或應用場景時，相同類型信息的價值也存在顯著的差別。如海上維權執(zhí)法時，海面異?；虿幻髂繕说男畔r值明顯高于合法目標的價值，系統(tǒng)運維時，設備的故障或告警信息對于系統(tǒng)安全性的影響，顯然大于正常的設備狀態(tài)信息。
(4) 信息的共享性
由于單平臺海上感知范圍有限，針對海洋目標的跨區(qū)連續(xù)監(jiān)測，需要不同的海洋平臺間共享目標信息，如目標的批號、型號、數(shù)量、位置、航向等信息，實現(xiàn)對海洋目標的綜合感知與協(xié)同探測。
(5) 信息的可靠性
不同類型的信息對于可靠性的要求也有明顯的區(qū)別，如對無人系統(tǒng)管控時，當平臺的姿態(tài)、供電等基礎保障資源的控制信息失真或丟失，可能導致姿態(tài)失控、全臺掉電和通信中斷、失聯(lián)等嚴重后果，其信息可靠性要求明顯高于其他感知設備的控制信息。通過對平臺特征和信息特征的分析，明確了新時期下海洋全方位綜合感知業(yè)務對海洋通信網(wǎng)絡的應用要求，即覆蓋“空、天、岸、海、潛”的多元接入、統(tǒng)一組網(wǎng)及按需服務等。
表1 典型的海洋綜合感知信息類型及要素
2 海洋通信網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，海上主要以岸基移動通信、海上無線通信、衛(wèi)星通信和水聲通信等分立的通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對全球海洋的基本覆蓋。
1）岸基移動通信
主要依托陸上2G/3G/4G等移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對近海30Km內的有效覆蓋[5]，支持話音和寬帶數(shù)據(jù)傳輸。
2）海上無線通信
主要采用中/高頻和甚高頻通信實現(xiàn)近海、中遠海域的覆蓋，常見的通信方式如表2所示[6]，我國主要采用奈伏泰斯系統(tǒng)（NAVTEX, navigational telex）[7-8]和船舶自動識別系統(tǒng)（AIS, automatic identification system）[8]，支持話音和窄帶數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸質量易受外界環(huán)境因素影響，可靠性較低。
3）衛(wèi)星通信
是目前保障全球各類海洋活動最主要的通信方式。國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）和銥星系統(tǒng)（Iridium）是應用最為廣泛的全球海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最新的第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)，最高支持100Mbit/s的下行速率和5Mbit/s的上行速率[9]，正在部署的第二代銥星系統(tǒng)（Iridium Next），最高支持1.5Mbit/s的移動通信和30Mbit/s的寬帶通信 [10]。
近幾年，國內衛(wèi)星通信也有了長足的發(fā)展，2016年發(fā)射了首顆移動通信衛(wèi)星“天通一號”，實現(xiàn)對我國領海及周邊海域的全面覆蓋，最高支持384Kbit/s的移動通信，2017年發(fā)射了首顆高通量衛(wèi)星“中星16”，覆蓋了對我國近海300Km海域，最高支持150Mbit/s的寬帶通信[9]，2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全面建成，將為全球用戶提供短報文通信服務。目前，國內外衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在從分立向天基組網(wǎng)、天地一體化方向發(fā)展[11-14]，主要代表系統(tǒng)包括國外OneWeb公司的太空互聯(lián)網(wǎng)低軌星座，SpaceX公司的星鏈（StarLink）及國內中國電科的“天地一體化信息網(wǎng)絡”、航天科技的“鴻雁”星座和航天科工的“虹云”工程。
4）水下無線通信
主要包括水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信三種方式。水聲通信目前水下節(jié)點之間遠距離窄帶通信的唯一手段，水下電磁通信主要使用甚低頻、超低頻和極低頻進行通信，用于岸海間遠距離小深度的水下通信場景[15]，水下光通信主要利用藍綠波長的光進行水下通信，支持近距離的高速通信，但技術尚未成熟。
隨著通信技術的發(fā)展和海上平臺設計、裝備制造、供電等能力的不斷提升，各類新的通信手段也具備了在海上應用的基礎，目前正在探索激光通信、散射通信、流星余跡、自組網(wǎng)等技術在海上的應用。
表2 我國常見的海上無線通信系統(tǒng)
3 存在的主要問題與挑戰(zhàn)
盡管海上已經(jīng)構建了不同類型的通信網(wǎng)絡，初步實現(xiàn)了對海的立體通信覆蓋，但仍存在以下幾個方面問題：一是缺乏全局頂層規(guī)劃設計，通信資源孤立分散，難以發(fā)揮整體優(yōu)勢；二是網(wǎng)絡架構標準不統(tǒng)一、互聯(lián)互通不暢；三是業(yè)務通信保障模式單一。
面對海洋綜合感知網(wǎng)絡信息體系的快速發(fā)展，當前的海洋通信網(wǎng)絡無法適應業(yè)務全面拓展的需求，亟需按照“空、天、岸、海、潛”五位一體的多元異構接入、多網(wǎng)系融合和多元業(yè)務承載的思路，發(fā)展新型海洋通信網(wǎng)絡架構，解決全方位的隨遇接入、統(tǒng)一組網(wǎng)和按需服務等問題。
本文提出了一體化的海洋通信網(wǎng)絡架構。通過融合多網(wǎng)系（光纖、衛(wèi)星通信、散射通信、LTE、短波、北斗和水聲通信等寬窄帶通信手段）、統(tǒng)籌多種通信平臺資源（天基、空基、岸基、?；蜐摶?，構建多元的接入方式、統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡和智能的資源適配，為一體化海洋通信網(wǎng)絡提供統(tǒng)一架構支持。
4 一體化海洋通信網(wǎng)絡架構
面向“空、天、岸、海、潛”的一體化海洋通信網(wǎng)絡架構采用分層技術體系，在天基、空基、岸基、?；蜐摶绕脚_之上，構建了多元接入層、統(tǒng)一網(wǎng)絡層、協(xié)同服務層和運維管控、安全防護系統(tǒng)等“三層兩系統(tǒng)”的技術體系網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)對海洋綜合態(tài)勢感知、海洋目標監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測等海洋綜合感知業(yè)務的全面支撐，具體如圖2所示。
圖2一體化海洋通信網(wǎng)絡架構
多元接入層主要解決空、天、岸、海、潛全方位的隨遇接入問題，基于海上應用比較成熟的寬帶、窄帶通信手段，實現(xiàn)對海洋各類平臺隨遇接入。在實際工程應用中，海上通信接入方式的選擇需要結合海洋平臺的類型、部署方式和應用場景等，具體如表2所示，海洋衛(wèi)星主要通過微波或激光接入岸基，大型無人機主要通過衛(wèi)星或微波通信實現(xiàn)寬帶接入，水面大型監(jiān)測平臺，由于平臺搭載和供電能力強，可同時搭載衛(wèi)星通信、散射、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式，實現(xiàn)常規(guī)寬帶接入和惡劣海況條件下的窄帶接入，水下固定陣主要通過光電復合纜接入岸基，對于小型的空中、水面和水下平臺，由于平臺綜合能力較弱，主要通過北斗、水聲等窄帶接入，或者與大型平臺協(xié)同組網(wǎng)實現(xiàn)寬帶接入。
統(tǒng)一網(wǎng)絡層主要解決空、天、岸、海、潛全方位的統(tǒng)一組網(wǎng)問題，基于IP承載，屏蔽異構終端、接入鏈路的差異，在多元接入層之上構建基于數(shù)據(jù)分組交換的核心網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一路由與轉發(fā)。為了實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的互聯(lián)互通，需要根據(jù)接入網(wǎng)的傳輸協(xié)議和業(yè)務承載要求，對傳輸協(xié)議和業(yè)務報文格式進行轉換和重新封裝，實現(xiàn)多手段、多用戶、多業(yè)務之間統(tǒng)一融合互通的通信應用服務。
協(xié)同服務層主要解決空、天、岸、海、潛綜合感知業(yè)務的按需服務問題，其介于海洋應用與統(tǒng)一網(wǎng)絡層之間，負責統(tǒng)籌上層業(yè)務需求和底層網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)上下數(shù)據(jù)協(xié)同和控制協(xié)同，是海洋通信網(wǎng)絡架構的核心層。協(xié)同服務層包括上下兩個子層。協(xié)同服務層向上主要通過對海洋目標、環(huán)境、控制、狀態(tài)等信息的分類、分級，結合業(yè)務傳輸速率、時延、優(yōu)先級、可靠性等QoS要求，構建海洋綜合感知業(yè)務管理平臺，并通過與網(wǎng)絡實時資源的匹配，實現(xiàn)海洋各類感知業(yè)務的注冊、接納控制和業(yè)務編排等；協(xié)同服務層向下主要通過對底層異構網(wǎng)絡資源的抽象封裝，構建面向不同應用需求的網(wǎng)絡模型等，實現(xiàn)對衛(wèi)通、散射、短波、北斗等異構網(wǎng)絡資源的發(fā)現(xiàn)、注冊、調度和管理等。
與現(xiàn)有海洋通信網(wǎng)絡相比，新型海洋通信網(wǎng)絡旨在解決天、空、岸、海、潛的立體組網(wǎng)、多元異構網(wǎng)絡間的融合互聯(lián)及業(yè)務與網(wǎng)絡資源的上下協(xié)同，提升網(wǎng)絡整體的協(xié)調性和資源的利用率，構建面向海洋綜合感知的多網(wǎng)系高效融合互聯(lián)的網(wǎng)絡空間。
表2 空、天、岸、海、潛主要平臺通信接入方式及典型應用場景
5 涉及的主要關鍵技術
面向新型海洋通信網(wǎng)絡建設，本文認為主要存在以下幾點關鍵技術需要研究解決：
一是針對海洋信息資源類型繁多，通信保障需求各異，而通信資源相對有限的問題，重點研究海洋信息的分類與分級管理；
二是面向海洋通信資源異構性強，融合應用難度大的問題，重點研究異構網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理；
三是針對海洋應用多元、服務質量迥異的問題，重點研究業(yè)務與資源協(xié)同控制；
四是針對復雜環(huán)境下，系統(tǒng)及裝備的兼容性、一致性難以保障的問題，重點研究海洋網(wǎng)絡綜合集成的相關標準。
5.1 海洋綜合感知信息的分類與分級管理
對于海洋的綜合感知，主要涉及海洋目標、海洋環(huán)境、海洋地理及平臺裝備的控制和狀態(tài)等信息，不同類型的信息在時效性、價值性等方面具有明顯的差異，對于承載網(wǎng)絡的時延、寬帶及可靠性等要求也有明顯區(qū)別，在海上網(wǎng)絡資源整體受限的條件下，為了實現(xiàn)異構網(wǎng)絡對海洋信息差異化的服務保障，需要對海洋信息進行分類、分級管理，根據(jù)信息的價值和時效性等特征，結合業(yè)務的QoS服務保障需求，研究面向海洋綜合感知信息的分類與分級方法，建立海洋綜合感知信息的統(tǒng)一管理平臺。
5.2 異構網(wǎng)絡資源的智能管理
當前海上應用較為成熟的通信方式主要包括光纖、海上衛(wèi)星通信、散射通信、微波、LTE、短波、超短波、北斗、流星余跡和水聲通信等，各類通信資源異構性強，網(wǎng)絡能力也存在明顯的差異，如海上覆蓋范圍、接入速率、傳輸時延等。在面向海上差異化的服務保障需求時，為了實現(xiàn)資源的高效利用，屏蔽底層網(wǎng)絡的差異性，需要重點研究網(wǎng)絡資源虛擬化技術，根據(jù)不同通信網(wǎng)絡的典型特征，從物理網(wǎng)絡基礎設施中抽象網(wǎng)絡資源，形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡資源池，支持底層網(wǎng)絡資源的自動感知和網(wǎng)絡資源調度，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理和按需配置。
5.3 業(yè)務和異構網(wǎng)絡的協(xié)同控制
為了實現(xiàn)業(yè)務需求與異構網(wǎng)絡資源的有效匹配，在對海洋綜合感知業(yè)務分類、分級管理和對異構網(wǎng)絡資源虛擬化的基礎上，重點研究基于業(yè)務需求和實時網(wǎng)絡資源狀態(tài)的聯(lián)合接納控制算法、異構網(wǎng)絡模型最佳匹配算法，實現(xiàn)對業(yè)務的接納控制和最佳網(wǎng)絡模型的選擇，同時基于業(yè)務選擇的網(wǎng)絡模型，研究底層網(wǎng)絡智能的切換技術和寬窄帶異構網(wǎng)絡的負載均衡技術，實現(xiàn)上層業(yè)務和底層網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)協(xié)同和控制協(xié)同。
5.4 復雜環(huán)境下的綜合集成
新型海洋通信網(wǎng)絡主要依托各型無人平臺構建，平臺內外環(huán)境惡劣，搭載空間和供電能力受限，設備長期處于高溫、高濕、高鹽霧、高輻射、震動、沖擊和搖擺等復雜環(huán)境中。在實際構建網(wǎng)絡時，為了保障系統(tǒng)和裝備長期穩(wěn)定工作，需要結合平臺的類型、系統(tǒng)/裝備的部署環(huán)境和使用要求等，研究系統(tǒng)/裝備在復雜環(huán)境下的六性設計標準、電磁兼容性設計標準和設備在平臺中的布局標準、加裝標準、布線標準和供電標準等，保障系統(tǒng)及準備在復雜環(huán)境下的兼容性和一致性。
6 網(wǎng)絡構建與應用設想
如圖3所示，面向海洋全方位綜合感知的一體化海洋通信網(wǎng)絡是在統(tǒng)籌“空基、天基、岸基、?；摶钡绕脚_資源和海上通信資源的基礎上，按照統(tǒng)一需求、統(tǒng)一架構、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一建設和統(tǒng)一管理的原則，以?；鶠楹诵模霉饫w、衛(wèi)星通信、散射通信、LTE、自組網(wǎng)、短波、北斗和水聲通信等接入方式，連通天基、空基、岸基和水下，實現(xiàn)全海域、全天候、全天時的立體綜合組網(wǎng)，保障“空、天、岸、海、潛”等海上各類平臺的隨遇接入、統(tǒng)一組網(wǎng)和按需服務，逐步構建海洋全方位一體化的通信保障體系，滿足海洋監(jiān)測預警、海洋漁業(yè)管理、海洋科學考察、海洋搜救等各類海上應用的需求，服務國家“智慧海洋”、“透明海洋”等系列工程。
圖3 一體化海洋通信網(wǎng)絡構建及應用設想
結 語
隨著我國“智慧海洋”和 “透明海洋”等系列工程的推進實施，對于海洋的探索逐步從近海向遠海，從平面向立體，從分立向綜合感知的網(wǎng)絡信息體系發(fā)展，本文分析了新時期海洋全方位綜合感知的主要特征，研究了海洋通信網(wǎng)絡的現(xiàn)狀及存在的問題，在此基礎上提出了面向海洋全方位綜合感知業(yè)務的一體化海洋通信網(wǎng)絡架構，分析了該網(wǎng)絡架構中涉及的主要關鍵技術，最后提出了網(wǎng)絡構建的原則和未來應用的設想。本文提出的一體化海洋通信網(wǎng)絡架構是對未來海洋通信網(wǎng)絡的重要探索，希望為我國“智慧海洋”和 “透明海洋”等系列工程中通信網(wǎng)絡建設提供新的思路。
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