面(miàn)向(xiàng)海洋全方位綜合感知的一體化通信網絡
摘 要：當前，海洋探索逐步從近海向(xiàng)遠海，從平面(miàn)向(xiàng)立體，從分立向(xiàng)全方位綜合感知的網絡信息體系發(fā)展。本文分析了全方位海洋綜合感知業務的主要特征，研究了當前海洋通信網絡的發(fā)展現狀和面(miàn)臨的主要問題與挑戰，提出了面(miàn)向(xiàng)海洋綜合感知業務的一體化通信網絡架構，闡述了該網絡架構的功能(néng)與組成(chéng)，指出了該網絡中需要研究的主要關鍵技術，以及網絡構建的方法和應用設想，爲後(hòu)續海上通信網絡演進(jìn)發(fā)展提供了新思路。
關鍵詞: 海洋網絡；綜合感知；網絡架構；一體化通信
引 言
“向(xiàng)海則興，背海則衰”，大力發(fā)展海洋事(shì)業已成(chéng)爲全世界的廣泛共識，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(miàn)向(xiàng)海洋事(shì)業的發(fā)展需求，我國(guó)先後(hòu)提出了“智慧海洋”、“透明海洋”等系列工程，對(duì)于海洋的探索逐步從近海向(xiàng)遠海，從平面(miàn)向(xiàng)立體，從分立向(xiàng)全方位綜合感知的網絡信息體系發(fā)展[1-4]。現有的海洋感知主要依托岸基、有人島礁、船舶和小型浮标等平台，實現對(duì)近海和重點海域的海洋環境感知業務。然而，海洋全方位綜合感知旨在基于天基、空基、岸基、海基和潛基等平台，通過(guò)各類傳感器，感知海洋目标、環境、地理及海洋裝備等信息，實現對(duì)海洋的全海域、全天候、全天時(shí)的綜合感知。與現有的海洋感知網絡相比，海洋全方位綜合感知對(duì)海洋通信網絡在多元異構接入、多網系融合和多元業務承載等方面(miàn)提出了諸多挑戰。
爲了應對(duì)這(zhè)些挑戰，本文分析了新時(shí)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絡的發(fā)展現狀和面(miàn)臨的主要問題與挑戰，提出了面(miàn)向(xiàng)海洋全方位綜合感知的一體化通信網絡架構，彌補了現有海洋通信網絡的不足。
1 海洋全方位綜合感知的主要特征
随著(zhe)海洋平台設計、裝備制造、傳感器、人工智能(néng)和信息處理等技術的快速發(fā)展，海洋信息網絡平台裝備正在向(xiàng)無人化、智能(néng)化和多樣(yàng)化的方向(xiàng)快速發(fā)展，已形成(chéng)了一批覆蓋“空、天、岸、海、潛”的新型海洋平台裝備，如海洋觀測衛星、無人機、大型浮标、潛标、無人島礁、無人艇、水下機器人等，具備全海域、全天候、全天時(shí)常态化的海上值守能(néng)力，對(duì)于海洋信息的感知也融合了雷達、AIS、ADS-B、光電、電磁、氣象、水文等海洋目标和環境信息，爲建設海洋全方位綜合感知奠定了基礎。與現有的海洋感知網絡相比，海洋全方位綜合感知的主要特征體現在物理空間和信息空間兩(liǎng)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在基礎平台的多樣(yàng)化、無人化和智能(néng)化等三個方面(miàn)。海洋全方位綜合感知平台是在傳統海上平台的基礎上，增加了海洋觀測衛星平台、無人機、大小浮标、無人島礁和水下潛标等新型平台，豐富了平台的類型，形成(chéng)了覆蓋空、天、岸、海、潛的海洋全方位綜合感知平台裝備體系，如圖1所示。新型平台主要以海上無人值守爲主，具備智能(néng)控制、多平台協同應用的能(néng)力，适合在惡劣的海洋環境中長(cháng)期連續工作。
圖1海洋全方位綜合感知平台裝備體系
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在信息的多樣(yàng)性、時(shí)效性、價值性、共享性和可靠性等五個方面(miàn)。
(1) 信息的多樣(yàng)性
海洋綜合感知主要通過(guò)各類傳感器實現對(duì)海洋目标（空中、水面(miàn)和水下目标等）、海洋環境（氣象、水文、電磁等）、海洋地理和海洋平台裝備的控制、狀态等信息的采集，如表1所示，感知的信息類型和要素多種(zhǒng)多樣(yàng)。
(2) 信息的時(shí)效性
不同類型的感知信息，在信息的時(shí)效性方面(miàn)具有明顯的差異，如空中目标的飛行速度較快，目标的方位、航向(xiàng)等信息的價值會(huì)随著(zhe)時(shí)間的推移而快速降低，對(duì)于時(shí)間的要求明顯高于航行速度較慢的水面(miàn)或水下目标，另外，海洋環境的變化總體相對(duì)緩慢，信息的時(shí)效性總體要求較低。
(3) 信息的價值性
在面(miàn)向(xiàng)不同用戶或應用場景時(shí)，相同類型信息的價值也存在顯著的差别。如海上維權執法時(shí)，海面(miàn)異常或不明目标的信息價值明顯高于合法目标的價值，系統運維時(shí)，設備的故障或告警信息對(duì)于系統安全性的影響，顯然大于正常的設備狀态信息。
(4) 信息的共享性
由于單平台海上感知範圍有限，針對(duì)海洋目标的跨區連續監測，需要不同的海洋平台間共享目标信息，如目标的批号、型号、數量、位置、航向(xiàng)等信息，實現對(duì)海洋目标的綜合感知與協同探測。
(5) 信息的可靠性
不同類型的信息對(duì)于可靠性的要求也有明顯的區别，如對(duì)無人系統管控時(shí)，當平台的姿态、供電等基礎保障資源的控制信息失真或丢失，可能(néng)導緻姿态失控、全台掉電和通信中斷、失聯等嚴重後(hòu)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(guò)對(duì)平台特征和信息特征的分析，明确了新時(shí)期下海洋全方位綜合感知業務對(duì)海洋通信網絡的應用要求，即覆蓋“空、天、岸、海、潛”的多元接入、統一組網及按需服務等。
表1 典型的海洋綜合感知信息類型及要素
2 海洋通信網絡的發(fā)展現狀
目前，海上主要以岸基移動通信、海上無線通信、衛星通信和水聲通信等分立的通信網絡實現對(duì)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等移動通信網絡實現對(duì)近海30Km内的有效覆蓋[5]，支持話音和寬帶數據傳輸。
2）海上無線通信
主要采用中/高頻和甚高頻通信實現近海、中遠海域的覆蓋，常見的通信方式如表2所示[6]，我國(guó)主要采用奈伏泰斯系統（NAVTEX, navigational telex）[7-8]和船舶自動識别系統（AIS, automatic identification system）[8]，支持話音和窄帶數據傳輸，但傳輸質量易受外界環境因素影響，可靠性較低。
3）衛星通信
是目前保障全球各類海洋活動最主要的通信方式。國(guó)際海事(shì)衛星系統（Inmarsat）和銥星系統（Iridium）是應用最爲廣泛的全球海洋衛星通信系統，最新的第五代海事(shì)衛星系統，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（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(guó)内衛星通信也有了長(cháng)足的發(fā)展，2016年發(fā)射了首顆移動通信衛星“天通一号”，實現對(duì)我國(guó)領海及周邊海域的全面(miàn)覆蓋，最高支持384Kbit/s的移動通信，2017年發(fā)射了首顆高通量衛星“中星16”，覆蓋了對(duì)我國(guó)近海300Km海域，最高支持150Mbit/s的寬帶通信[9]，2020年北鬥衛星導航系統的全面(miàn)建成(chéng)，將(jiāng)爲全球用戶提供短報文通信服務。目前，國(guó)内外衛星通信系統正在從分立向(xiàng)天基組網、天地一體化方向(xiàng)發(fā)展[11-14]，主要代表系統包括國(guó)外OneWeb公司的太空互聯網低軌星座，SpaceX公司的星鏈（StarLink）及國(guó)内中國(guó)電科的“天地一體化信息網絡”、航天科技的“鴻雁”星座和航天科工的“虹雲”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(zhǒng)方式。水聲通信目前水下節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(jìn)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(cháng)的光進(jìn)行水下通信，支持近距離的高速通信，但技術尚未成(chéng)熟。
随著(zhe)通信技術的發(fā)展和海上平台設計、裝備制造、供電等能(néng)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、流星餘迹、自組網等技術在海上的應用。
表2 我國(guó)常見的海上無線通信系統
3 存在的主要問題與挑戰
盡管海上已經(jīng)構建了不同類型的通信網絡，初步實現了對(duì)海的立體通信覆蓋，但仍存在以下幾個方面(miàn)問題：一是缺乏全局頂層規劃設計，通信資源孤立分散，難以發(fā)揮整體優勢；二是網絡架構标準不統一、互聯互通不暢；三是業務通信保障模式單一。
面(miàn)對(duì)海洋綜合感知網絡信息體系的快速發(fā)展，當前的海洋通信網絡無法适應業務全面(miàn)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、多網系融合和多元業務承載的思路，發(fā)展新型海洋通信網絡架構，解決全方位的随遇接入、統一組網和按需服務等問題。
本文提出了一體化的海洋通信網絡架構。通過(guò)融合多網系（光纖、衛星通信、散射通信、LTE、短波、北鬥和水聲通信等寬窄帶通信手段）、統籌多種(zhǒng)通信平台資源（天基、空基、岸基、海基和潛基），構建多元的接入方式、統一的核心網絡和智能(néng)的資源适配，爲一體化海洋通信網絡提供統一架構支持。
4 一體化海洋通信網絡架構
面(miàn)向(xiàng)“空、天、岸、海、潛”的一體化海洋通信網絡架構采用分層技術體系，在天基、空基、岸基、海基和潛基等平台之上，構建了多元接入層、統一網絡層、協同服務層和運維管控、安全防護系統等“三層兩(liǎng)系統”的技術體系網絡架構，實現對(duì)海洋綜合态勢感知、海洋目标監測、海洋環境監測等海洋綜合感知業務的全面(miàn)支撐，具體如圖2所示。
圖2一體化海洋通信網絡架構
多元接入層主要解決空、天、岸、海、潛全方位的随遇接入問題，基于海上應用比較成(chéng)熟的寬帶、窄帶通信手段，實現對(duì)海洋各類平台随遇接入。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台的類型、部署方式和應用場景等，具體如表2所示，海洋衛星主要通過(guò)微波或激光接入岸基，大型無人機主要通過(guò)衛星或微波通信實現寬帶接入，水面(miàn)大型監測平台，由于平台搭載和供電能(néng)力強，可同時(shí)搭載衛星通信、散射、短波、北鬥等多種(zhǒng)寬窄帶通信方式，實現常規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(guò)光電複合纜接入岸基，對(duì)于小型的空中、水面(miàn)和水下平台，由于平台綜合能(néng)力較弱，主要通過(guò)北鬥、水聲等窄帶接入，或者與大型平台協同組網實現寬帶接入。
統一網絡層主要解決空、天、岸、海、潛全方位的統一組網問題，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據分組交換的核心網絡，實現數據的統一路由與轉發(fā)。爲了實現異構網絡間的互聯互通，需要根據接入網的傳輸協議和業務承載要求，對(duì)傳輸協議和業務報文格式進(jìn)行轉換和重新封裝，實現多手段、多用戶、多業務之間統一融合互通的通信應用服務。
協同服務層主要解決空、天、岸、海、潛綜合感知業務的按需服務問題，其介于海洋應用與統一網絡層之間，負責統籌上層業務需求和底層網絡資源，實現上下數據協同和控制協同，是海洋通信網絡架構的核心層。協同服務層包括上下兩(liǎng)個子層。協同服務層向(xiàng)上主要通過(guò)對(duì)海洋目标、環境、控制、狀态等信息的分類、分級，結合業務傳輸速率、時(shí)延、優先級、可靠性等QoS要求，構建海洋綜合感知業務管理平台，并通過(guò)與網絡實時(shí)資源的匹配，實現海洋各類感知業務的注冊、接納控制和業務編排等；協同服務層向(xiàng)下主要通過(guò)對(duì)底層異構網絡資源的抽象封裝，構建面(miàn)向(xiàng)不同應用需求的網絡模型等，實現對(duì)衛通、散射、短波、北鬥等異構網絡資源的發(fā)現、注冊、調度和管理等。
與現有海洋通信網絡相比，新型海洋通信網絡旨在解決天、空、岸、海、潛的立體組網、多元異構網絡間的融合互聯及業務與網絡資源的上下協同，提升網絡整體的協調性和資源的利用率，構建面(miàn)向(xiàng)海洋綜合感知的多網系高效融合互聯的網絡空間。
表2 空、天、岸、海、潛主要平台通信接入方式及典型應用場景
5 涉及的主要關鍵技術
面(miàn)向(xiàng)新型海洋通信網絡建設，本文認爲主要存在以下幾點關鍵技術需要研究解決：
一是針對(duì)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(duì)有限的問題，重點研究海洋信息的分類與分級管理；
二是面(miàn)向(xiàng)海洋通信資源異構性強，融合應用難度大的問題，重點研究異構網絡資源的統一管理；
三是針對(duì)海洋應用多元、服務質量迥異的問題，重點研究業務與資源協同控制；
四是針對(duì)複雜環境下，系統及裝備的兼容性、一緻性難以保障的問題，重點研究海洋網絡綜合集成(chéng)的相關标準。
5.1 海洋綜合感知信息的分類與分級管理
對(duì)于海洋的綜合感知，主要涉及海洋目标、海洋環境、海洋地理及平台裝備的控制和狀态等信息，不同類型的信息在時(shí)效性、價值性等方面(miàn)具有明顯的差異，對(duì)于承載網絡的時(shí)延、寬帶及可靠性等要求也有明顯區别，在海上網絡資源整體受限的條件下，爲了實現異構網絡對(duì)海洋信息差異化的服務保障，需要對(duì)海洋信息進(jìn)行分類、分級管理，根據信息的價值和時(shí)效性等特征，結合業務的QoS服務保障需求，研究面(miàn)向(xiàng)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一管理平台。
5.2 異構網絡資源的智能(néng)管理
當前海上應用較爲成(chéng)熟的通信方式主要包括光纖、海上衛星通信、散射通信、微波、LTE、短波、超短波、北鬥、流星餘迹和水聲通信等，各類通信資源異構性強，網絡能(néng)力也存在明顯的差異，如海上覆蓋範圍、接入速率、傳輸時(shí)延等。在面(miàn)向(xiàng)海上差異化的服務保障需求時(shí)，爲了實現資源的高效利用，屏蔽底層網絡的差異性，需要重點研究網絡資源虛拟化技術，根據不同通信網絡的典型特征，從物理網絡基礎設施中抽象網絡資源，形成(chéng)統一的網絡資源池，支持底層網絡資源的自動感知和網絡資源調度，實現異構網絡資源的統一管理和按需配置。
5.3 業務和異構網絡的協同控制
爲了實現業務需求與異構網絡資源的有效匹配，在對(duì)海洋綜合感知業務分類、分級管理和對(duì)異構網絡資源虛拟化的基礎上，重點研究基于業務需求和實時(shí)網絡資源狀态的聯合接納控制算法、異構網絡模型最佳匹配算法，實現對(duì)業務的接納控制和最佳網絡模型的選擇，同時(shí)基于業務選擇的網絡模型，研究底層網絡智能(néng)的切換技術和寬窄帶異構網絡的負載均衡技術，實現上層業務和底層網絡間的數據協同和控制協同。
5.4 複雜環境下的綜合集成(chéng)
新型海洋通信網絡主要依托各型無人平台構建，平台内外環境惡劣，搭載空間和供電能(néng)力受限，設備長(cháng)期處于高溫、高濕、高鹽霧、高輻射、震動、沖擊和搖擺等複雜環境中。在實際構建網絡時(shí)，爲了保障系統和裝備長(cháng)期穩定工作，需要結合平台的類型、系統/裝備的部署環境和使用要求等，研究系統/裝備在複雜環境下的六性設計标準、電磁兼容性設計标準和設備在平台中的布局标準、加裝标準、布線标準和供電标準等，保障系統及準備在複雜環境下的兼容性和一緻性。
6 網絡構建與應用設想
如圖3所示，面(miàn)向(xiàng)海洋全方位綜合感知的一體化海洋通信網絡是在統籌“空基、天基、岸基、海基、潛基”等平台資源和海上通信資源的基礎上，按照統一需求、統一架構、統一标準、統一建設和統一管理的原則，以海基爲核心，利用光纖、衛星通信、散射通信、LTE、自組網、短波、北鬥和水聲通信等接入方式，連通天基、空基、岸基和水下，實現全海域、全天候、全天時(shí)的立體綜合組網，保障“空、天、岸、海、潛”等海上各類平台的随遇接入、統一組網和按需服務，逐步構建海洋全方位一體化的通信保障體系，滿足海洋監測預警、海洋漁業管理、海洋科學(xué)考察、海洋搜救等各類海上應用的需求，服務國(guó)家“智慧海洋”、“透明海洋”等系列工程。
圖3 一體化海洋通信網絡構建及應用設想
結 語
随著(zhe)我國(guó)“智慧海洋”和 “透明海洋”等系列工程的推進(jìn)實施，對(duì)于海洋的探索逐步從近海向(xiàng)遠海，從平面(miàn)向(xiàng)立體，從分立向(xiàng)綜合感知的網絡信息體系發(fā)展，本文分析了新時(shí)期海洋全方位綜合感知的主要特征，研究了海洋通信網絡的現狀及存在的問題，在此基礎上提出了面(miàn)向(xiàng)海洋全方位綜合感知業務的一體化海洋通信網絡架構，分析了該網絡架構中涉及的主要關鍵技術，最後(hòu)提出了網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絡架構是對(duì)未來海洋通信網絡的重要探索，希望爲我國(guó)“智慧海洋”和 “透明海洋”等系列工程中通信網絡建設提供新的思路。
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