周 洋 張 松 吳 明 熊 蓄

(1.中國人民解放軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430250)

水下物聯(lián)網(wǎng)研究

周 洋1張 松2吳 明2熊 蓄2

(1.中國人民解放軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430250)

大約71%的地球表面被海洋覆蓋,隨著人類科技發(fā)展以及日益增長的資源需求,海洋的開發(fā)利用迫在眉睫,而水下環(huán)境的復雜性為人們探索與開發(fā)海洋資源帶來了困難,水下物聯(lián)網(wǎng)可為海洋的利用開發(fā)提供新的手段。論文針對水下物聯(lián)網(wǎng)開展了初步研究,分析了水下物聯(lián)網(wǎng)的特征,提出了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),在此基礎(chǔ)上分析了水下物聯(lián)網(wǎng)研究面臨的技術(shù)難點,最后給出了水下物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景。

水下物聯(lián)網(wǎng); 特征; 架構(gòu); 技術(shù)難點; 應(yīng)用前景

Class Number TP391.44

1 引言

全球約有四分之三的面積覆蓋著水資源,可以說水環(huán)境覆蓋了全球大部分的區(qū)域,其中96%的水環(huán)境為海洋環(huán)境。隨著人類科學技術(shù)的發(fā)展,陸地可開采的資源日漸匱乏,人們將探索的目光轉(zhuǎn)向海洋[1]。在當今世界,全球海洋經(jīng)濟正在興起,各國對海洋權(quán)益的重視日益加深,人們迫切的需求新的技術(shù)去探索廣闊的水下未知世界。開發(fā)利用海洋資源成為未來的發(fā)展趨勢,因此有效提高海洋資源勘探能力、海洋環(huán)境監(jiān)測保護能力以及海洋災(zāi)害預(yù)警能力成為了我國未來海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和海洋權(quán)益保護的必要手段,同時這也在提高未來國家核心競爭力方面占據(jù)了十分重要的戰(zhàn)略地位。

水下物聯(lián)網(wǎng)可定義為通過數(shù)字實體將水下物體智能互聯(lián)的全球范圍網(wǎng)絡(luò)[2],是一項計算與通信領(lǐng)域的技術(shù)革命,為探索水下世界提供了一種嶄新的方式。通過融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、跟蹤技術(shù)、嵌入式傳感器技術(shù)等先進技術(shù),水下器件可有效地實現(xiàn)對水下環(huán)境的感知、監(jiān)測和快速反應(yīng),并且使水下物體與陸地物體之間的互聯(lián)互通成為可能。每一個水下物理對象都伴隨一個虛擬對象,在虛擬對象上包含了該物理對象的當前信息與歷史信息,信息的內(nèi)容包含了對象的物理特性、起源、環(huán)境數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)是泛在的,用戶可通過多種不同的手段實時獲取,這將大大減小水下資源開發(fā)與管理的難度[3]。因此水下物聯(lián)網(wǎng)在海洋學、海洋經(jīng)濟活動、海底調(diào)查、災(zāi)害預(yù)警及救援、水雷探測、輔助導航以及海洋石油工業(yè)等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力,本文從網(wǎng)絡(luò)特征、架構(gòu)、典型應(yīng)用場景以及技術(shù)難點等方面對水下物聯(lián)網(wǎng)進行了初探。

2 水下物聯(lián)網(wǎng)的特征

與陸地上的傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)概念相比,水下物聯(lián)網(wǎng)雖然在結(jié)構(gòu)與功能上有相似之處。但受到水下環(huán)境制約以及水下設(shè)備計算能力與能量的限制,水下物聯(lián)網(wǎng)具有以下幾點特征。

2.1 不同的通信技術(shù)

無線電波只能在極低的頻率條件下才能在海水環(huán)境中傳輸相對較長的距離,而這需要很大的天線和非常高的發(fā)射功率,這在水下環(huán)境中顯然是不適用的[4]。相比之下,聲波在水下具有相對優(yōu)越的傳輸特性,因此水下聲通信鏈路成為了水下網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)氖滓x擇[5]。

水下聲通信主要受到了路徑損耗、噪聲、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及隨機變化的高延遲的影響。這些因素共同決定了水聲信道是一個時空不確定的信道,其可用帶寬是有限的,并且?guī)捠歉鶕?jù)距離和頻率動態(tài)變化的。在超過數(shù)十千米的長距離傳輸系統(tǒng)中可能只有幾千赫的帶寬,在幾十米范圍內(nèi)的短傳輸距離的系統(tǒng)中帶寬將可能超過幾百千赫[6]。

2.2 不同的跟蹤技術(shù)

傳統(tǒng)陸地物聯(lián)網(wǎng)中大多采用RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)來對物品進行跟蹤,受水環(huán)境的阻隔,無線電標簽在水下難以得到應(yīng)用,因此在水下物聯(lián)網(wǎng)中將會采用不同的技術(shù)對水下移動物體進行跟蹤(例如魚類等),其中聲標簽追蹤就是一種可行的方式[7],該方式利用聲發(fā)射裝置作為聲標簽,水下可探測距離可超過1km,可有效地在水下三維環(huán)境中跟蹤移動物體。

2.3 難以補充能量

水下設(shè)備一般都是都很難獲得能量補充,多數(shù)是由電池提供能源。當電池能量耗盡時,水下設(shè)備就會失效,導致水下物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)目越來越少,網(wǎng)絡(luò)功能難以體現(xiàn)。而水下節(jié)點的電池更換又是極為困難的,為了提高水下物聯(lián)網(wǎng)的生存周期,在設(shè)計水下物聯(lián)網(wǎng)各層協(xié)議時,需要重點考慮能耗問題[8]。

2.4 不同的網(wǎng)絡(luò)密度

在傳統(tǒng)陸地物聯(lián)網(wǎng)中,由于將所有“物體”連接到一個網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點和設(shè)備數(shù)量是巨大的。與之相反,考慮到水下節(jié)點成本以及水下布置的難度,水下物聯(lián)網(wǎng)將會是一個稀疏網(wǎng)絡(luò)[9],因此水下物聯(lián)網(wǎng)的通信建立與維護將更加困難。

2.5 不同的定位技術(shù)

在傳統(tǒng)陸地物聯(lián)網(wǎng)中,移動物體的定位一般依靠GPS(Global Positioning System)定位技術(shù)或北斗定位技術(shù)。在水下環(huán)境中由于無法接收衛(wèi)星定位信號,陸地上使用的定位方法不能直接應(yīng)用與水下環(huán)境中,這就需要針對水下環(huán)境開發(fā)新的定位算法。水下的三維環(huán)境、節(jié)點隨波逐流的特點、水下時間同步困難都為水下定位算法的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

3 水下物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

水下物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)如圖1所示,可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

其中感知層用于識別物體并收集信息,各類水下傳感器、水下航行器、標簽等設(shè)備組成水下傳感器網(wǎng)絡(luò),各個水下節(jié)點負責感知數(shù)據(jù),水下傳感器網(wǎng)絡(luò)負責將各節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)匯聚至智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)層通過智能網(wǎng)關(guān)將水下網(wǎng)絡(luò)與岸基網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),其中涵蓋了網(wǎng)絡(luò)管理、云計算平臺等多方面內(nèi)容,主要用于處理與傳輸感知層獲取的數(shù)據(jù)；應(yīng)用層是一系列智能應(yīng)用解決方案的組合,運用水下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿足用戶的實際需求。

水下物聯(lián)網(wǎng)與陸地物聯(lián)網(wǎng)最大的區(qū)別在于感知層,由于水下環(huán)境的特殊性,水下原始數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于水下傳感器網(wǎng)絡(luò),通過水下傳感器網(wǎng)絡(luò)感知與收集水下數(shù)據(jù)再經(jīng)過智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點中繼連入岸基網(wǎng)絡(luò)。這里主要針對感知層中的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)開展進一步的分析。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同于普通陸地傳感器網(wǎng)絡(luò),水下環(huán)境由于其具有深度的因素使得水下環(huán)境成為了一個三維環(huán)境,因此水下傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般來說水下傳感器網(wǎng)絡(luò)需要將傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)節(jié)點再由智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點與岸基網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。根據(jù)智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點的位置可以將水下傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩類：水面匯聚型和水底匯聚型。水面匯聚型是將智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點安置在水面通過無線電的方式與岸基網(wǎng)絡(luò)進行連通,而水底匯聚型則是將智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點安置在海底,并通過海底光纜的方式與岸基網(wǎng)絡(luò)進行連通。水底匯聚型的網(wǎng)絡(luò)更加具有隱蔽性,但是一旦智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點出現(xiàn)故障,其維修將會十分困難,因此水面匯聚型的應(yīng)用更為廣泛,以水面匯聚型的網(wǎng)絡(luò)為例,根據(jù)其節(jié)點的移動性,將其分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)以及異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)[10]四種。

1) 靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)

該類結(jié)構(gòu)中是采用將配有傳感器的節(jié)點通過錨固定于水底或是通過連接水面的浮標以達到相對靜止,故該類網(wǎng)絡(luò)的最大特點就是其拓撲結(jié)構(gòu)是不變的或是相對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而言存在可以忽略的移動[11]。圖2給出了一個綜合的三維靜態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？梢詫⒃摼W(wǎng)絡(luò)分成上下兩個層次,上層是連接于水面浮標的吊掛式水下節(jié)點,下層為通過錨固定于水底的懸浮式水下節(jié)點。

在這類網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點的深度是通過控制連接于浮標或錨的連接纜的長度來進行控制的。相較于二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能在空間覆蓋度上體現(xiàn)一定的優(yōu)勢。特別是對于上層的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),其數(shù)據(jù)從節(jié)點收集到數(shù)據(jù)中心的傳輸是通過水面浮標上的無線電通信完成的,這一方面提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性,另一方面也提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。同時,用戶可以根據(jù)實際監(jiān)測的覆蓋度要求來選擇節(jié)點的位置和深度,從而能保證監(jiān)測的準確性,但這給網(wǎng)絡(luò)布置提高了難度,增加了網(wǎng)絡(luò)布置成本。

對于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),一般情況下,其節(jié)點的位置是預(yù)先計算的。與陸上靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比較,用于水下感知的節(jié)點成本更高,從而使得該類網(wǎng)絡(luò)一般都不是密集網(wǎng)絡(luò),另外水下節(jié)點補充相對比較困難,因此網(wǎng)絡(luò)的自愈能力會相對較差,在一定程度上會影響應(yīng)用效果。但相對于其他類型的水下傳感器網(wǎng)絡(luò),靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)也有其自身的優(yōu)勢,一方面由于節(jié)點的固定性,使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,從而在水下網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計上相對比較簡單；另一方面由于節(jié)點的非移動性使得網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不易發(fā)生變化,網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)連通度能得到一定的保證,從而也使得感知數(shù)據(jù)具有一定的時間連續(xù)性。

2) 混合網(wǎng)絡(luò)

與上述提及的水下靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似,在混合網(wǎng)絡(luò)中也包含很多靜態(tài)的傳感器節(jié)點,不同的是在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中加入了水下移動節(jié)點,水下移動節(jié)點可以分為有動力的自主航行節(jié)點(如水下自主航行器、水下機器人等)和無動力的隨水流移動的節(jié)點(懸浮節(jié)點或漂浮節(jié)點)。這些節(jié)點可以加入到上述所描繪的任一靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)以提高網(wǎng)絡(luò)性能[12]。

圖3描繪了在一個三維靜態(tài)模型加入一些移動節(jié)點構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)模型。移動節(jié)點可以根據(jù)自身能量的多少和不同區(qū)域的數(shù)據(jù)流的大小來動態(tài)選擇和重組拓撲結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)感知。移動節(jié)點的存在也能夠克服由于部分固定節(jié)點失效所造成的部分網(wǎng)絡(luò)盲點問題,從而保證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋度,提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。移動節(jié)點還可以根據(jù)固定節(jié)點所采集數(shù)據(jù)量的多少選擇合適的路由,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)木夂途W(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。

對于混合型水下傳感器網(wǎng)絡(luò),可以認為它是一個特殊的移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò),在該網(wǎng)絡(luò)中,移動節(jié)點不僅可以是任務(wù)的執(zhí)行者,還可以是網(wǎng)絡(luò)的管理者。移動節(jié)點成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站,可以很大程度上的縮短數(shù)據(jù)包的端到端延時,提高網(wǎng)絡(luò)運行的效率。同時,移動節(jié)點的存在大大降低了固定節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸上的能量消耗,從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。移動節(jié)點可建立水面節(jié)點與水下節(jié)點的聯(lián)系,因此其能力很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3) 移動網(wǎng)絡(luò)

移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括水下移動網(wǎng)絡(luò)和自由漂移網(wǎng)絡(luò)。在這類結(jié)構(gòu)中,各節(jié)點是不受空間位置限制,即節(jié)點可以在其所處環(huán)境中自由移動。這也決定了該種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的[13]。

將兩類移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整合為如圖4所示的結(jié)構(gòu)。對于處于水面的自由漂浮網(wǎng)絡(luò)[14],通常這種節(jié)點都裝有無線收發(fā)器,能實現(xiàn)與陸地基站的實時數(shù)據(jù)交換。這類網(wǎng)絡(luò)通常用于環(huán)境污染監(jiān)測、水質(zhì)實時監(jiān)視、海岸線生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)監(jiān)控和環(huán)境污染物跟蹤等[15]。處于水下的移動網(wǎng)絡(luò)由多個可自由移動的節(jié)點組成。它們通過漂浮裝置實現(xiàn)在水底任意深度的移動。不過與混合結(jié)構(gòu)中的移動節(jié)點行為所不同的是,這些節(jié)點的移動都是被動的,其運動是受到水體特性(如波浪、潮汐、水流等)因素的影響[16]。

大部分這類網(wǎng)絡(luò)都是被動網(wǎng)絡(luò),其拓撲結(jié)構(gòu)很大程度上受到水流、風力、潮汐和波浪等的綜合影響。正是由于節(jié)點可以隨著水流等的影響而運動,使得這種網(wǎng)絡(luò)在進行跟蹤監(jiān)測應(yīng)用方面體現(xiàn)了很大的優(yōu)勢,也在一定程度上排除了人為的干擾因素,從而保證跟蹤的真實性。這種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點沒有任何的約束,具有自由浮動的特點,拓撲結(jié)構(gòu)易變成為網(wǎng)絡(luò)的最大特點,這給網(wǎng)絡(luò)帶來的最大的弊端就是網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和通信鏈路得不到保證,也給拓撲控制帶來很大的困難。若將上述兩類移動網(wǎng)絡(luò)整合在一起,就需要在上下兩層建立通信鏈接,這需要水面節(jié)點同時擁有水下通信的功能,也需要水下節(jié)點能具有動態(tài)建立路由和通信鏈路的能力,增加了網(wǎng)絡(luò)的運行成本。

4) 異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)混合結(jié)構(gòu)

由于水下環(huán)境的復雜性和水聲通信的不可靠性,為提高網(wǎng)絡(luò)在能量供應(yīng)、可靠性傳輸、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間等方面的性能,在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入有線連接成為一種可行的方案。有線通信的介質(zhì)可以是電纜,也可以是光纜。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即有效繼承了有線網(wǎng)絡(luò)的可靠性特點,又能充分利用無線網(wǎng)絡(luò)的靈活性,使得網(wǎng)絡(luò)整體性能更優(yōu)越。

如圖5所示三維立體監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。在這種結(jié)構(gòu)中,水面上散布著一些漂浮的網(wǎng)關(guān)節(jié)點,這些節(jié)點是連接水下網(wǎng)絡(luò)和岸基網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站,主要通過無線電方式進行數(shù)據(jù)傳輸。每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點在深度方向上具有一條附著多個智能節(jié)點的長纜(該纜可為光電復合纜,長度可隨實際應(yīng)用的需要進行變化),附著在纜上的智能節(jié)點與處于相近深度的水下傳感器節(jié)點形成一個平面,稱為虛擬層。在虛擬層中,各智能節(jié)點與其它節(jié)點形成簇狀結(jié)構(gòu),由其自身擔任簇頭節(jié)點,負責簇的管理和數(shù)據(jù)的收集。簇內(nèi)節(jié)點將其監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭智能節(jié)點,簇頭節(jié)點再通過纜傳輸給水面上的無線發(fā)射部分,最后連接到岸基網(wǎng)絡(luò)。

這類網(wǎng)絡(luò)可以認為是水下應(yīng)用環(huán)境中一個特殊的混合結(jié)構(gòu)。由于存在有線連接,使得這種網(wǎng)絡(luò)很大程度上繼承有線網(wǎng)絡(luò)高效、穩(wěn)定、可靠的特點,克服了由于水下惡劣環(huán)境和有限資源所引起缺點。這種網(wǎng)絡(luò)有效地解決了數(shù)據(jù)匯集量最大的匯聚節(jié)點的能量供應(yīng)問題。同時,由于可以利用有線連接將匯聚節(jié)點收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給水上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),既保證了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃杂挚s短了端到端延遲。這對于需要獲取水下實時數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有很重要的意義。

若這類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在深海區(qū)域,則長距離的線纜布設(shè)將是昂貴和困難的,這會給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來很大的約束。此外,水下網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)都依賴于智能匯聚節(jié)點通過纜向水面節(jié)點傳輸,同時用戶也需通過纜向水下網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令,所以纜的完整性對網(wǎng)絡(luò)的生存起到?jīng)Q定性作用。如果纜受到水下惡劣環(huán)境的影響使其受到損壞,將導致網(wǎng)絡(luò)的癱瘓,甚至任務(wù)的失敗。

4 研究面臨的技術(shù)難點

4.1 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

水下物聯(lián)網(wǎng)需要自我管理,相關(guān)操作沒有人工干預(yù)介入,這給網(wǎng)絡(luò)的管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。鑒于水下物聯(lián)網(wǎng)的這個特點,網(wǎng)絡(luò)管理需要具備自配置、自愈、自優(yōu)化、自保護能力[17]。其中自配置能力與網(wǎng)絡(luò)中各部件的自動配置能力有關(guān),該能力在協(xié)同運作方面十分重要,例如水下節(jié)點之間需要交互配置信息、位置信息以及運動信息,并根據(jù)信息交互結(jié)果實時更改配置,以順利完成協(xié)同任務(wù)；自愈能力主要用來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中新成員的自動發(fā)現(xiàn)以及錯誤的自動修正,水下物聯(lián)網(wǎng)采用的水聲信道受路徑損耗、噪聲、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)的影響,信道不穩(wěn)定,可能會出現(xiàn)時變的通信盲區(qū),在通信盲區(qū)的節(jié)點將無法連接網(wǎng)絡(luò),因此自愈能力需要支持網(wǎng)絡(luò)連接的維護與重構(gòu)；自優(yōu)化能力的重點在于自動檢測并控制網(wǎng)絡(luò)資源來保證性能的優(yōu)化,水下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運行過程中應(yīng)該可以通過標簽或傳感器的輔助來自主學習特定的應(yīng)用信息,用來保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化；自保護能力用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的主動保護,避免網(wǎng)絡(luò)受到攻擊,攻擊者可能會攔截數(shù)據(jù)包、修改數(shù)據(jù)或?qū)嵤└蓴_導致丟包,水下物聯(lián)網(wǎng)需要尋求適用的安全機制保護數(shù)據(jù)的安全可靠。

4.2 跟蹤技術(shù)

水下物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點不僅有固定不動,更多的節(jié)點是可以自主移動的,跟蹤技術(shù)必不可少,特別是針對水下生物的跟蹤,需要進一步開展研究,主要需要考慮標簽是否會對水下生物造成傷害或限制其活動,具體包括標簽的制造材料、形狀、尺寸大小等。

4.3 節(jié)能技術(shù)

水下物聯(lián)網(wǎng)的壽命與節(jié)點壽命密切相關(guān),而水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量難以補充,節(jié)點的壽命主要由能量決定,因此為了提升網(wǎng)絡(luò)壽命,急需研究節(jié)能技術(shù)。其中網(wǎng)絡(luò)拓撲對能量消耗起到了決定性作用,需要研究適用于水下物聯(lián)網(wǎng)的拓撲優(yōu)化技術(shù),對整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,盡量減小不必要的能量消耗,另外在節(jié)約能量的同時也要關(guān)注能量的均衡,要避免部分節(jié)點過度消耗能量。

4.4 協(xié)同技術(shù)

水下物聯(lián)網(wǎng)最大的優(yōu)勢是將多個水下物體連通起來,實現(xiàn)信息的交互,在執(zhí)行某些復雜任務(wù)時,單個節(jié)點難以獨立完成,需要多個同類節(jié)點或異類節(jié)點共同完成,這時水下物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢就得以體現(xiàn),這就需要協(xié)同技術(shù)的支持。協(xié)同技術(shù)不僅僅要關(guān)注與多節(jié)點之間的信息交互,還要進行分析與規(guī)劃,給出優(yōu)化的行動方案,可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)點包括了資源與任務(wù)調(diào)度技術(shù)、編隊技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)等多項技術(shù)。

4.5 跨層設(shè)計技術(shù)

由于水下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計過程中,不同層可能有相同的關(guān)注重點,例如各個層次設(shè)計時均要重點考慮水聲信道特殊性、節(jié)約能量等方面因素,因此有必要進行跨層的聯(lián)合設(shè)計,提高水下物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能。其中MAC層和路由層的聯(lián)合設(shè)計就是跨層設(shè)計的典型,可以使得各個節(jié)點有效利用信道,避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞和能量的過度消耗,達到提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和使用壽命的目的。

4.6 標準化技術(shù)

本文中水下物聯(lián)網(wǎng)涉及的節(jié)點種類尚不完備,未來隨著技術(shù)的發(fā)展,水下物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的節(jié)點種類越來越多,各種水下異構(gòu)節(jié)點、系統(tǒng)的互聯(lián)互通將變得十分困難,各種不同的協(xié)議之間也需要進行轉(zhuǎn)換,因此需要研究制定水下物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標準,從頂層架構(gòu)、節(jié)點形式、通信方式、組網(wǎng)協(xié)議等方面進行一系列的標準化工作,確保水下物聯(lián)網(wǎng)的功能得以實現(xiàn)。

5 應(yīng)用前景

水下物聯(lián)網(wǎng)可以在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用,具體的相關(guān)應(yīng)用主要分為以下幾類:

1) 海洋科學數(shù)據(jù)的采集。水下物聯(lián)網(wǎng)可以通過水下傳感器將相關(guān)的海洋科學數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)桨哆?可以實現(xiàn)信息的自適應(yīng)采集。有效地提高海洋觀測能力和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測能力。

2) 海洋資源的開發(fā)。海洋中蘊含著豐富的石油天然氣等資源,隨著陸地資源的日益減少,海洋資源的開發(fā)迫在眉睫。水下物聯(lián)網(wǎng)可以協(xié)助探測水下油田位置以及繪制水下地貌,另外在開采過程中也可以有效監(jiān)控開采設(shè)備的各項指標,保證開發(fā)安全。

3) 環(huán)境監(jiān)測。水下物聯(lián)網(wǎng)可以用于水環(huán)境的污染監(jiān)測,它可以實時獲取水環(huán)境中PH值變化、濁度變化、氧含量變化以及各項化學指標的變化,從而有效監(jiān)測江河湖海各種水環(huán)境的污染情況。另外水下物聯(lián)網(wǎng)也可以用來對海洋生物等進行跟蹤監(jiān)測用于了解人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4) 災(zāi)害預(yù)報。布置在海底的水下物聯(lián)網(wǎng)可以監(jiān)測到遠處的地震活動,隨之可以向岸邊發(fā)送海嘯警報并且水下物聯(lián)網(wǎng)也可以協(xié)助研究海嘯的產(chǎn)生機制與影響。

5) 軍事應(yīng)用。水下物聯(lián)網(wǎng)可以有效地構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)監(jiān)測系統(tǒng),通過各項傳感器數(shù)據(jù)有效識別入侵目標以及跟蹤目標。相比于傳統(tǒng)的雷達與聲吶系統(tǒng),水下物聯(lián)網(wǎng)能夠進行現(xiàn)場監(jiān)測,可提高監(jiān)測精度和覆蓋范圍。

6 結(jié)語

本文對水下物聯(lián)網(wǎng)進行研究,給出了水下物聯(lián)網(wǎng)的特征,并提出了水下物聯(lián)網(wǎng)的典型架構(gòu),針對架構(gòu)感知層中的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了重點分析,同時分析了水下物聯(lián)網(wǎng)研究過程中可能面臨的技術(shù)難點,并對其應(yīng)用前景進行了展望。

未來,水下物聯(lián)網(wǎng)的研究需要針對其特征攻克相關(guān)技術(shù)難點,整合各項先進技術(shù)形成標準化的總體架構(gòu),在此基礎(chǔ)上進一步開展應(yīng)用研究與信息服務(wù)研究,最終使水下物聯(lián)網(wǎng)走向?qū)嶋H應(yīng)用。

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Internet of Underwater Things

ZHOU Yang1ZHANG Song2WU Ming2XIONG Xu2

(1. Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd, Shanghai 201913) (2. 722 Research Institute, CSIC, Wuhan 430250)

Approximately 71% of the Earth’s surface is covered by ocean. With the development of human science and technology and the growing demand of resources, the development and utilization of ocean is imminently. The complexity of underwater environment has brought difficulties for people to explore and develop marine resources, the internet of underwater things can provide new ways for the development and utilization of the ocean. In this paper, a preliminary study on the internet of underwater things is carried out. The characteristics of the internet of underwater things are analyzed, and the network architecture is put forward. On the basis of this, the technical difficulties in the research are analyzed. Finally, the prospects of the application are presented.

internet of underwater things, characteristic, architecture, technical difficulties, application prospect

2016年7月11日,

2016年8月29日

周洋,男,工程師,研究方向：通信工程。張松,男,工程師,研究方向：無線通信、艦船通信。吳明,男,博士,研究方向：通信與信息系統(tǒng)、艦船通信。熊蓄,男,工程師,研究方向：艦船通信。

TP391.44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.003