面向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遠海，從平面向立體，從分立向全方位綜合感知的網絡信息體系發展。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展現狀和面臨的主要問題與挑戰，提出了面向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與組成，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，為后續海上通信網絡演進發展提供了新思路。
關鍵詞: 海洋網絡；綜合感知；網絡架構；一體化通信
引 言
“向海則興，背海則衰”，大力發展海洋事業已成為全世界的廣泛共識，構建海洋通信綜合保障體系，提升海洋通信網絡基礎設施和信息服務水平，是認識海洋、經略海洋的重要基石。
面向海洋事業的發展需求，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絡信息體系發展[1-4]。現有的海洋感知主要依托岸基、有人島礁、船舶和小型浮標等平臺，實現對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、海基和潛基等平臺，通過各類傳感器，感知海洋目標、環境、地理及海洋裝備等信息，實現對海洋的全海域、全天候、全天時的綜合感知。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提出了諸多挑戰。
為了應對這些挑戰，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絡的發展現狀和面臨的主要問題與挑戰，提出了面向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
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展，海洋信息網絡平臺裝備正在向無人化、智能化和多樣化的方向快速發展，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境信息，為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海上平臺的基礎上，增加了海洋觀測衛星平臺、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、多平臺協同應用的能力，適合在惡劣的海洋環境中長期連續工作。
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。
(1) 信息的多樣性
海洋綜合感知主要通過各類傳感器實現對海洋目標（空中、水面和水下目標等）、海洋環境（氣象、水文、電磁等）、海洋地理和海洋平臺裝備的控制、狀態等信息的采集，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。如海上維權執法時，海面異常或不明目標的信息價值明顯高于合法目標的價值，系統運維時，設備的故障或告警信息對于系統安全性的影響，顯然大于正常的設備狀態信息。
(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連續監測，需要不同的海洋平臺間共享目標信息，如目標的批號、型號、數量、位置、航向等信息，實現對海洋目標的綜合感知與協同探測。
(5) 信息的可靠性
不同類型的信息對于可靠性的要求也有明顯的區別，如對無人系統管控時，當平臺的姿態、供電等基礎保障資源的控制信息失真或丟失，可能導致姿態失控、全臺掉電和通信中斷、失聯等嚴重后果，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務對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近海30Km內的有效覆蓋[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]，我國主要采用奈伏泰斯系統（NAVTEX, navigational telex）[7-8]和船舶自動識別系統（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。國際海事衛星系統（Inmarsat）和銥星系統（Iridium）是應用最為廣泛的全球海洋衛星通信系統，最新的第五代海事衛星系統，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，國內衛星通信也有了長足的發展，2016年發射了首顆移動通信衛星“天通一號”，實現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年發射了首顆高通量衛星“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年北斗衛星導航系統的全面建成，將為全球用戶提供短報文通信服務。目前，國內外衛星通信系統正在從分立向天基組網、天地一體化方向發展[11-14]，主要代表系統包括國外OneWeb公司的太空互聯網低軌星座，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、自組網等技術在海上的應用。
表2 我國常見的海上無線通信系統
3 存在的主要問題與挑戰
盡管海上已經構建了不同類型的通信網絡，初步實現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劃設計，通信資源孤立分散，難以發揮整體優勢；二是網絡架構標準不統一、互聯互通不暢；三是業務通信保障模式單一。
面對海洋綜合感知網絡信息體系的快速發展，當前的海洋通信網絡無法適應業務全面拓展的需求，亟需按照“空、天、岸、海、潛”五位一體的多元異構接入、多網系融合和多元業務承載的思路，發展新型海洋通信網絡架構，解決全方位的隨遇接入、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。通過融合多網系（光纖、衛星通信、散射通信、LTE、短波、北斗和水聲通信等寬窄帶通信手段）、統籌多種通信平臺資源（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的資源適配，為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
面向“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、海基和潛基等平臺之上，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“三層兩系統”的技術體系網絡架構，實現對海洋綜合態勢感知、海洋目標監測、海洋環境監測等海洋綜合感知業務的全面支撐，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，海洋衛星主要通過微波或激光接入岸基，大型無人機主要通過衛星或微波通信實現寬帶接入，水面大型監測平臺，由于平臺搭載和供電能力強，可同時搭載衛星通信、散射、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式，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。為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，對傳輸協議和業務報文格式進行轉換和重新封裝，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個子層。協同服務層向上主要通過對海洋目標、環境、控制、狀態等信息的分類、分級，結合業務傳輸速率、時延、優先級、可靠性等QoS要求，構建海洋綜合感知業務管理平臺，并通過與網絡實時資源的匹配，實現海洋各類感知業務的注冊、接納控制和業務編排等；協同服務層向下主要通過對底層異構網絡資源的抽象封裝，構建面向不同應用需求的網絡模型等，實現對衛通、散射、短波、北斗等異構網絡資源的發現、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，構建面向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，重點研究異構網絡資源的統一管理；
三是針對海洋應用多元、服務質量迥異的問題，重點研究業務與資源協同控制；
四是針對復雜環境下，系統及裝備的兼容性、一致性難以保障的問題，重點研究海洋網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、海洋環境、海洋地理及平臺裝備的控制和狀態等信息，不同類型的信息在時效性、價值性等方面具有明顯的差異，對于承載網絡的時延、寬帶及可靠性等要求也有明顯區別，在海上網絡資源整體受限的條件下，為了實現異構網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，根據信息的價值和時效性等特征，結合業務的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一管理平臺。
5.2 異構網絡資源的智能管理
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擬化技術，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
為了實現業務需求與異構網絡資源的有效匹配，在對海洋綜合感知業務分類、分級管理和對異構網絡資源虛擬化的基礎上，重點研究基于業務需求和實時網絡資源狀態的聯合接納控制算法、異構網絡模型最佳匹配算法，實現對業務的接納控制和最佳網絡模型的選擇，同時基于業務選擇的網絡模型，研究底層網絡智能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 復雜環境下的綜合集成
新型海洋通信網絡主要依托各型無人平臺構建，平臺內外環境惡劣，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境中。在實際構建網絡時，為了保障系統和裝備長期穩定工作，需要結合平臺的類型、系統/裝備的部署環境和使用要求等，研究系統/裝備在復雜環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，保障系統及準備在復雜環境下的兼容性和一致性。
6 網絡構建與應用設想
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絡是在統籌“空基、天基、岸基、海基、潛基”等平臺資源和海上通信資源的基礎上，按照統一需求、統一架構、統一標準、統一建設和統一管理的原則，以海基為核心，利用光纖、衛星通信、散射通信、LTE、自組網、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，實現全海域、全天候、全天時的立體綜合組網，保障“空、天、岸、海、潛”等海上各類平臺的隨遇接入、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絡信息體系發展，本文分析了新時期海洋全方位綜合感知的主要特征，研究了海洋通信網絡的現狀及存在的問題，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，最后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未來海洋通信網絡的重要探索，希望為我國“智慧海洋”和 “透明海洋”等系列工程中通信網絡建設提供新的思路。
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