姜?jiǎng)倜鳎瘥愰w，徐艷麗

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院海洋互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306）

1 引言

目前，在海洋環(huán)境中常用的數(shù)據(jù)傳輸手段是衛(wèi)星傳輸，但存在一些缺點(diǎn)影響其普及率[1-3]：其性價(jià)比較低，更無(wú)法用于水下通信；近地軌道衛(wèi)星的傳播時(shí)延長(zhǎng)，需要特制的收/發(fā)終端和傳輸協(xié)議；中低軌道衛(wèi)星繞地球高速運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了高質(zhì)量通信組網(wǎng)的難度。另一個(gè)廣泛使用的海洋通信系統(tǒng)是海事無(wú)線電，由于受帶寬的限制，它主要用于語(yǔ)音通信，無(wú)法支持高速數(shù)據(jù)傳輸[4-5]。現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)也被少量應(yīng)用到港區(qū)和航道提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[6]，但相對(duì)于海洋，其覆蓋范圍太小，無(wú)法大規(guī)模部署在海域。目前無(wú)論海上戰(zhàn)備通信、應(yīng)急救援或常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸，還是軍用、商用或民用，都需要穩(wěn)健性強(qiáng)、性價(jià)比高和泛在的海洋數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。但目前還沒(méi)有一種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能單獨(dú)構(gòu)建一個(gè)性價(jià)比高、覆蓋范圍廣和使用方便的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，海洋數(shù)據(jù)高效傳輸是亟待解決的重要課題。

海洋涵蓋空天、海岸、水面和水下的廣闊空間（本文稱(chēng)“海洋空間”），特殊的地理和氣候條件使海洋空間陸基網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建立和維護(hù)變得非常困難和昂貴。雖然目前海洋空間中已經(jīng)部署了多種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但是它們的歸屬不同、掌管部門(mén)和運(yùn)作單位眾多、部署形式多樣以及通信制式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前缺乏有效的方法和規(guī)范統(tǒng)籌使用，它們之間無(wú)法有效方便地協(xié)作和互聯(lián)互通。海洋的特殊環(huán)境及海洋數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀決定了要改變上述局面是個(gè)艱難的任務(wù)，而且水下通信的瓶頸在短時(shí)間內(nèi)很難獲得突破，導(dǎo)致大面積水下高速組網(wǎng)仍需依賴水面及以上的通信系統(tǒng)。為了系統(tǒng)性地解決海洋數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問(wèn)題，提高海洋通信寶貴資源的利用率，需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)海洋空間中各種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空天地海潛一體化、應(yīng)急與常規(guī)系統(tǒng)、戰(zhàn)時(shí)與平時(shí)系統(tǒng)相互支撐的共同體，以此構(gòu)建穩(wěn)健性強(qiáng)和高效的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]。這種由多個(gè)系統(tǒng)有機(jī)組成、功能更完備、協(xié)作互助的復(fù)合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)體系[7]。而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的研究非常缺乏。

2 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的概況和體系架構(gòu)

2.1 業(yè)務(wù)特征

隨著涉海活動(dòng)逐漸增加，業(yè)務(wù)多樣化，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，這些都對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)安全提出更高的要求。另外，海洋數(shù)據(jù)分布稀疏、多源異構(gòu)，具有高維度、時(shí)空性、敏感性和多模態(tài)等特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息交互獨(dú)立、共享度低。近年新型海洋應(yīng)用（如E-navigation[8]）的出現(xiàn)，以及對(duì)未來(lái)應(yīng)用（如無(wú)人船舶[9]等）的研究，都對(duì)海洋通信業(yè)務(wù)提出了新的要求，以支持相關(guān)新型數(shù)據(jù)的有效傳輸，例如及時(shí)、可靠、安全和大量的數(shù)據(jù)高速傳輸以支持船岸一體化信息集成與融合，提升航保服務(wù)的性能、節(jié)約航行能耗、減少航運(yùn)排放以及高密度無(wú)人船舶航行的安全性和穩(wěn)定性等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由覆蓋天、空、岸、海及水下的綜合性通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，是關(guān)鍵的海洋信息化基礎(chǔ)設(shè)施[10]。海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖1所示，共分成四大部分[11]，即岸基、水面、空中和水下。當(dāng)前正在運(yùn)營(yíng)的岸基和空中通信網(wǎng)絡(luò)主要包括海事無(wú)線電、衛(wèi)星和局部部署的移動(dòng)通信系統(tǒng)。有線海底觀測(cè)網(wǎng)是目前相對(duì)成熟的水下通信系統(tǒng)，例如美國(guó)的MARS[12]和我國(guó)在南海、東海和黃海所部署的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[10]。除此之外，也有一些基于中低軌道衛(wèi)星的龐大星座項(xiàng)目計(jì)劃，例如，美國(guó)SpaceX公司的Starlink項(xiàng)目計(jì)劃采用12 000顆低軌道衛(wèi)星提供寬帶服務(wù)[13]；中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”星座計(jì)劃用300余顆低軌道小衛(wèi)星構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，首星已在2018年年底成功發(fā)射[14]。人們也在探討其他通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如高空通信平臺(tái)和無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。高空通信平臺(tái)能提供大范圍、高速率且相對(duì)廉價(jià)的通信服務(wù)，主要問(wèn)題是如何將它們長(zhǎng)期部署在特定空域以提供不間斷的通信服務(wù)[15]。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)不依賴于特定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，有很強(qiáng)的自組織和自愈能力[16-20]，適應(yīng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的海洋網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；例如，船舶自組織網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[18,21-23]以及由飛行器構(gòu)成的航空無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)[24]等。但是，這種網(wǎng)絡(luò)容量和通信質(zhì)量均不穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫咕W(wǎng)絡(luò)連通性得不到保障，無(wú)法提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[25]。水下通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜多變，因?yàn)檫m合水下通信的主要介質(zhì)是聲波，其傳輸速率和傳播速度都非常低、通信質(zhì)量不穩(wěn)定[26-31]。

圖1 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成[32]

2.3 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

陸基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要基于固定的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線主要用在“最后一公里”的接入部分。而海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是跨時(shí)空，甚至跨介質(zhì)（如聲電融合傳輸）的動(dòng)態(tài)異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)，且以無(wú)線為主[3,11,32]，這導(dǎo)致了海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性、系統(tǒng)異構(gòu)性和不穩(wěn)定性以及通信資源構(gòu)成的復(fù)雜性等方面都比其他網(wǎng)絡(luò)更突出。這些特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苡绊懛浅４?，?dǎo)致了現(xiàn)行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系無(wú)法適應(yīng)于海洋空間，因?yàn)榍罢呋谙鄬?duì)穩(wěn)定和單純的通信網(wǎng)絡(luò)資源、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間主要不同之處具體表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)邊界和路徑以及通信資源的動(dòng)態(tài)性和不確定性

一條海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的路徑可能一端在水下，另一端在陸上。在衛(wèi)星被摧毀或者費(fèi)用太高時(shí)[34]，該網(wǎng)絡(luò)路徑可能不使用衛(wèi)星，而是經(jīng)過(guò)水聲自組織網(wǎng)絡(luò)、船舶自組織網(wǎng)絡(luò)、航空自組織網(wǎng)絡(luò)和岸基網(wǎng)絡(luò)等。在這些網(wǎng)絡(luò)中，除岸基網(wǎng)絡(luò)外，其余都會(huì)由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，極不穩(wěn)定，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)邊界和網(wǎng)絡(luò)形態(tài)發(fā)生頻繁變化。例如，岸基網(wǎng)絡(luò)與船舶自組織網(wǎng)絡(luò)之間的邊界以及不同自組織網(wǎng)絡(luò)之間的邊界會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)（如船舶）移動(dòng)發(fā)生變化。同樣，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)會(huì)使常規(guī)型自組織網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。這些變化會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路徑的經(jīng)常性中斷，但目前還沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)體系考慮過(guò)如此動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，沒(méi)有相關(guān)體系能適用于這種復(fù)雜情形。

（2）通信介質(zhì)的異構(gòu)性和性能的非對(duì)稱(chēng)性

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸跨越水下和水面并延伸到陸地上時(shí)，水下主要的通信介質(zhì)為聲波，其信號(hào)傳播速度和通信速率與水面及陸上所使用的電磁波相差甚遠(yuǎn)。電磁波以光速傳播，通信速率能達(dá)到Gbit/s級(jí)；而聲波在海水中的傳播速度只有1.5 km/s，最大通信速率在kbit/s級(jí)別。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)體系沒(méi)有完全考慮這些非對(duì)稱(chēng)性，只是把處理這些非對(duì)稱(chēng)性交給網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。這種做法只適用于具有固定邊界的網(wǎng)絡(luò)，不適用于動(dòng)態(tài)邊界的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另外，網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要解決傳輸速率的非對(duì)稱(chēng)性（含協(xié)議的異構(gòu)性），沒(méi)有考慮信號(hào)傳播速度的巨大差異性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是基于電磁波的。這種巨大差異對(duì)傳輸層端到端傳輸協(xié)議的性能造成很大影響，特別是TCP（transmission control protocol）[29]，因?yàn)樗倪\(yùn)作是基于端到端來(lái)回時(shí)延的。目前針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的TCP主要解決了對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況誤判的問(wèn)題[33]，并沒(méi)有考慮傳播速度的非對(duì)稱(chēng)性及長(zhǎng)時(shí)延，所以無(wú)法適用于海洋傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3）海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)雜性和局限性

除衛(wèi)星外，能用于構(gòu)建岸基網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)主要包括移動(dòng)通信系統(tǒng)（如3G、4G）、無(wú)線城域網(wǎng)（如WiMAX）。它們能提供高性價(jià)比的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但其覆蓋范圍相對(duì)于海域就顯得太渺小。海事無(wú)線電雖能長(zhǎng)距離傳輸，但速率低，主要適用于語(yǔ)音傳輸。各種類(lèi)型的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)能一定程度彌補(bǔ)其他網(wǎng)絡(luò)的缺陷[34]，如延伸岸基網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離和提高其覆蓋效率，但其本身的性能和穩(wěn)定性無(wú)法保障。把各種海洋信網(wǎng)絡(luò)資源盡量有機(jī)地融合是非常必要的，但這種融合網(wǎng)絡(luò)是目前網(wǎng)絡(luò)體系無(wú)法支持的，主要因?yàn)樵擉w系為轉(zhuǎn)發(fā)型網(wǎng)絡(luò)（forwarding network）而設(shè)計(jì)，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)路過(guò)它的數(shù)據(jù)包，不進(jìn)行存儲(chǔ)。在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)型網(wǎng)絡(luò)缺失或無(wú)法提供全覆蓋時(shí)，只能寄希望于機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充甚至替代。機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)需要存儲(chǔ)?攜帶?轉(zhuǎn)發(fā)（store-carry- forward）數(shù)據(jù)包甚至消息。目前這種機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)只能在現(xiàn)有體系的應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)[35]，無(wú)法與網(wǎng)絡(luò)層的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行有機(jī)融合和聯(lián)合優(yōu)化提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

（4）海洋空間網(wǎng)絡(luò)用戶的流動(dòng)性和低密度性及構(gòu)成的高復(fù)雜性

由于海洋空間的開(kāi)放性，其網(wǎng)絡(luò)用戶（如海員、郵輪乘客、漁民等）往往來(lái)自不同的國(guó)家和地區(qū)，臨時(shí)性地聚集在某一國(guó)/地區(qū)內(nèi)或國(guó)際海域，并隨船舶做集體性移動(dòng)。而海洋大部分區(qū)域是無(wú)人居住的區(qū)域，用戶密度比陸上低得多。目前支持陸上移動(dòng)性的系統(tǒng)基于固定網(wǎng)絡(luò)邊界和固定基站；在海洋中，除動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)邊界外，網(wǎng)絡(luò)基站往往也安裝在船舶上（船上用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基站接入其他網(wǎng)絡(luò)），并隨船舶移動(dòng)；目前沒(méi)有相應(yīng)的移動(dòng)支持方法，因?yàn)楝F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系形成于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有移動(dòng)性支持的概念，所以體系中缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)。另外，目前所采用的移動(dòng)性支持主要涉及網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的接入部分，對(duì)固定的骨干網(wǎng)絡(luò)是透明的。整個(gè)海洋通信網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的[36]。另外，船舶的移動(dòng)性往往使得采用不同頻段、通信制式和容量設(shè)備的用戶臨時(shí)性聚集在同一海域，目前沒(méi)有相關(guān)的體系能支持他們之間的直接互聯(lián)互通。

2.4 體系架構(gòu)

為了提高海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，我們?cè)?013年提出了海洋互聯(lián)網(wǎng)（marine internet）的概念[37-38]，2018年6月，《電信科學(xué)》期刊組織了一期“海洋互聯(lián)網(wǎng)”專(zhuān)題[39]。海洋互聯(lián)網(wǎng)的核心思想是綜合利用海洋空間一切可以利用的通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)組網(wǎng)，使系統(tǒng)不依賴任何一種特定網(wǎng)絡(luò)資源，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整組網(wǎng)策略最大限度地滿足服務(wù)質(zhì)量和性價(jià)比等方面的要求[3,11,40]。一個(gè)基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想如圖2所示，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)盡最大努力實(shí)時(shí)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一體化融合的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)主要包括3部分：海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的管理、可用資源探測(cè)與融合以及網(wǎng)絡(luò)體系管理。第一部分主要涉及海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的表征、歸類(lèi)、認(rèn)證、授權(quán)和發(fā)布等；第二部分主要涉及海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的探測(cè)和使用、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、端到端數(shù)據(jù)傳輸及用戶移動(dòng)性管理等；第三部分主要涉及通信界面、協(xié)作激勵(lì)機(jī)制、優(yōu)先級(jí)支持與安全策略實(shí)施和用戶認(rèn)證等方面。

圖2 一個(gè)基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想

3 體系架構(gòu)面臨的主要挑戰(zhàn)

海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)特殊的環(huán)境導(dǎo)致了海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化性和通信資源構(gòu)成的復(fù)雜性、系統(tǒng)異構(gòu)性以及不確定性。這些特點(diǎn)對(duì)構(gòu)建魯棒、高效、穩(wěn)定的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系提出了巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的自適應(yīng)性

海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn)要求傳輸網(wǎng)絡(luò)體系能夠盡量利用一切可使用的通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，以最大限度地實(shí)現(xiàn)可靠高效傳輸。但是這些資源分布不均勻，其可用性無(wú)法得到保障。而且它們的異構(gòu)性高，邊界不清晰穩(wěn)定，通信性能差異大，標(biāo)準(zhǔn)制式和性價(jià)比也不同，無(wú)法直接互聯(lián)互通。目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)體系是ISO七層參照模型和TCP/IP五層實(shí)用模型，它們都是基于固定且對(duì)等層之間的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，針對(duì)具有確定邊界網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的體系。所以，它們可以在不同網(wǎng)絡(luò)的交界處設(shè)立轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)解決網(wǎng)絡(luò)之間的異構(gòu)性和網(wǎng)絡(luò)容量、傳播特性等方面的不對(duì)稱(chēng)性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。但是，在海洋空間中無(wú)法確定這類(lèi)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的位置，使這種方法不適用于海洋空間網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A遇到異構(gòu)節(jié)點(diǎn)B時(shí)，即使B能為A提供與外界通信的最后機(jī)會(huì)，A也無(wú)法充分利用B。這就要求傳輸網(wǎng)絡(luò)體系能快速地適應(yīng)上述特點(diǎn)和環(huán)境變化，克服非對(duì)稱(chēng)性和異構(gòu)性所帶來(lái)的通信障礙，盡最大努力協(xié)作組網(wǎng)，最大化海洋通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通性。

3.2 海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的快速探測(cè)和智能組網(wǎng)

海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源指海洋空間中具有通信和組網(wǎng)功能的節(jié)點(diǎn)和其服務(wù)能力；海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)是缺乏協(xié)調(diào)中心、時(shí)空跨度大的分布式網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)能擁有的通信網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量取決于其周?chē)?jié)點(diǎn)的分布密度和它們相關(guān)能力以及該節(jié)點(diǎn)本身的探測(cè)能力。發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)的速度和力度是這種能力的主要體現(xiàn)，其方法大致可分主動(dòng)和被動(dòng)兩種。前者是節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播探測(cè)消息，收到該信息的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答[41]。在被動(dòng)探測(cè)中[42]，節(jié)點(diǎn)僅偵聽(tīng)周?chē)陌l(fā)送活動(dòng)，并根據(jù)偵聽(tīng)到的結(jié)果認(rèn)知鄰居節(jié)點(diǎn)。主動(dòng)探測(cè)效率高，但消耗更多能量，也對(duì)其他通信造成干擾。而被動(dòng)偵聽(tīng)沒(méi)有上述問(wèn)題，但當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要鄰居節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，這種方式可能無(wú)法及時(shí)滿足要求。主動(dòng)探測(cè)能力主要取決于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率，被動(dòng)探測(cè)能力主要取決于節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度。發(fā)射功率越強(qiáng)，探測(cè)能力也越大，但造成的干擾也越大；同樣，探測(cè)的頻譜越寬，探測(cè)能力也越強(qiáng)，但探測(cè)時(shí)間也更長(zhǎng)。如何在大搜索域中快速發(fā)現(xiàn)最多鄰居節(jié)點(diǎn)、減少對(duì)其他通信的干擾、滿足海洋空間動(dòng)態(tài)組網(wǎng)要求需要做進(jìn)一步研究。

在廣闊海洋空間中，通信節(jié)點(diǎn)具有多樣性（如不同的通信介質(zhì)、制式和能力）、分布和可用性不確定等特點(diǎn)。另外，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致鄰居關(guān)系的快速變化，影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，尤其在節(jié)點(diǎn)分布稀疏的情況。所以，需要經(jīng)常性及時(shí)快速地探測(cè)才能有效支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)還要掌握探測(cè)節(jié)點(diǎn)的通達(dá)能力，并量化表征其狀態(tài)和預(yù)測(cè)其未來(lái)可能的變化。針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，特別是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)有許多類(lèi)似的研究成果[43]。但是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性、異構(gòu)性、非對(duì)稱(chēng)性和動(dòng)態(tài)性以及分布空間的尺度及維度都無(wú)法與海洋空間網(wǎng)絡(luò)相比，導(dǎo)致這些成果無(wú)法直接適用。海洋空間網(wǎng)絡(luò)在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮更多、更復(fù)雜的因素，盡量在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)路徑時(shí)，采用非對(duì)稱(chēng)性和差異性小的鏈路，以最大化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男詢r(jià)比和可靠性。

3.3 海洋數(shù)據(jù)透明傳輸和優(yōu)先級(jí)支持

數(shù)據(jù)透明傳輸指應(yīng)用層將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸給目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，相關(guān)操作獨(dú)立于下層的通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如，目前互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議之一的TCP，只有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)參與相關(guān)操作，中間節(jié)點(diǎn)不參與。在這種情況下，海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的開(kāi)放性和兼容性可在不改變應(yīng)用的前提下，不斷地將新發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入海洋數(shù)據(jù)傳輸體系，以不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男詢r(jià)比、可靠性和穩(wěn)定性。TCP原先是為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，將擁塞控制功能放在了傳輸層，只有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)參與，以簡(jiǎn)化中間節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度。但傳輸層無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確掌握網(wǎng)絡(luò)層的擁塞情況，只能通過(guò)數(shù)據(jù)接收成功情況推測(cè)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。這種做法在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中造成很多擁塞誤判，因?yàn)椋嗵鵁o(wú)線網(wǎng)絡(luò)有很多非擁塞因素也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失[44]。目前部分針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)修改的TCP方 案[34]，除了針對(duì)近地軌道衛(wèi)星外，其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模都比較小，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型單一，無(wú)法與海洋空間無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比。對(duì)于近地軌道衛(wèi)星，地面站與衛(wèi)星之間沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)，情況簡(jiǎn)單，在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)情況復(fù)雜。

海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系不僅融合海洋空間各種通信網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)也支持海洋各種應(yīng)用和用戶。通信網(wǎng)絡(luò)資源有限不可避免地導(dǎo)致資源使用的競(jìng)爭(zhēng)，需要優(yōu)先級(jí)機(jī)制支持不同級(jí)別的應(yīng)用和用戶。例如與應(yīng)急救援相關(guān)的數(shù)據(jù)需優(yōu)先傳輸，指揮者比一般用戶需優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò)等。陸基網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)機(jī)制主要基于接入控制和網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)度算法，一般需要對(duì)資源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一分配，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)需要安裝相應(yīng)的調(diào)度功能[45]。其在固定結(jié)構(gòu)的有線網(wǎng)絡(luò)中比較容易實(shí)現(xiàn)，而海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)空間跨度大、異構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)邊界不清晰和網(wǎng)絡(luò)連通性不穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

3.4 海洋空間移動(dòng)用戶的漫游支持

漫游支持指移動(dòng)通信用戶在不需要更改其聯(lián)系信息（如手機(jī)號(hào)碼）的情況下，可以自由漫游而不失去連通性，這種特性是目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)的用戶大多數(shù)是移動(dòng)用戶（如漁民、海員和游客等）。但是，目前陸基移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持用戶漫游的方法不適用海洋環(huán)境主要原因是兩者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異。陸基移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線部分主要是接入網(wǎng)，即把用戶手機(jī)連接到基站的部分（如4G、Wi-Fi），用戶漫游時(shí)會(huì)不斷地切換連接其手機(jī)的基站，這些基站通過(guò)有線連接固定的骨干網(wǎng)。雖然用戶是移動(dòng)的，但基站是固定的，可通過(guò)確定用戶所連接的基站就能與該用戶進(jìn)行通信。手機(jī)號(hào)碼與用戶注冊(cè)地的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)用戶離開(kāi)其注冊(cè)地到訪其他區(qū)域時(shí)，到訪地會(huì)給漫游用戶的手機(jī)分配一個(gè)與到訪地關(guān)聯(lián)的臨時(shí)號(hào)碼，并把這個(gè)號(hào)碼告知其注冊(cè)地。其他用戶的手機(jī)可通過(guò)其原來(lái)的號(hào)碼先訪問(wèn)其注冊(cè)地而得知其臨時(shí)號(hào)碼，再連接該用戶手機(jī)。整個(gè)過(guò)程對(duì)用戶是透明的[46]。

在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，海洋移動(dòng)用戶往往通過(guò)安裝在船舶上的基站連接衛(wèi)星、岸基網(wǎng)絡(luò)或者另一個(gè)船舶基站。當(dāng)連接靜地軌道衛(wèi)星時(shí)，由于衛(wèi)星覆蓋范圍大，船舶的移動(dòng)不影響通信，在這種情況下，可以采用陸基漫游支持方法維護(hù)海洋移動(dòng)用戶的連通性。但是在后兩種情況下，其他用戶首先要設(shè)法連接移動(dòng)的船舶基站，才能連接海洋移動(dòng)用戶。當(dāng)該船舶基站與岸基網(wǎng)絡(luò)基站直接相連時(shí)，這個(gè)問(wèn)題可采用類(lèi)似于陸基漫游支持方法加以解決。當(dāng)目的船舶基站經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)船舶基站與岸基基站相連時(shí)，中間基站的移動(dòng)性會(huì)使問(wèn)題變得更加復(fù)雜，陸基漫游支持方法不再適用于該場(chǎng)景。另外，陸基漫游支持方法基于可靠的網(wǎng)絡(luò)連通性，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)都能及時(shí)可靠傳輸數(shù)據(jù)。在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)衛(wèi)星無(wú)法用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連通性就無(wú)法得到保障。

3.5 安全數(shù)據(jù)傳輸

海洋通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境主要由海岸線、水面、天空和水下等組成，用戶主要由高機(jī)動(dòng)性用戶構(gòu)成，且往往來(lái)自不同國(guó)家或地區(qū)，并可能運(yùn)行特定應(yīng)用（如軍事通信、海上運(yùn)輸數(shù)據(jù)傳輸）。與陸地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶的構(gòu)成顯著不同，使海洋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題面臨比陸地網(wǎng)絡(luò)更多的挑戰(zhàn)。大多數(shù)陸地網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)依賴基于加/解密方案和穩(wěn)定的中央系統(tǒng)，如認(rèn)證服務(wù)器和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）等。這些系統(tǒng)要求較高的網(wǎng)絡(luò)容量和可靠網(wǎng)絡(luò)連接支持。高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、不可靠網(wǎng)絡(luò)連接和低通信容量是海洋通信網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)主要由各種基于岸基和水面的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、覆蓋范圍廣、可靠但昂貴的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和低速海事無(wú)線電系統(tǒng)組成，無(wú)法提供如陸地網(wǎng)絡(luò)一樣的可靠、高速網(wǎng)絡(luò)連接支持網(wǎng)絡(luò)安全方案。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的一部分是水聲網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其安全部分將面臨更多的挑戰(zhàn)[47]。海面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稀疏且移動(dòng)，在有些情況下需要節(jié)點(diǎn)的協(xié)作組網(wǎng)才可能完成數(shù)據(jù)傳輸，如何在缺乏可靠數(shù)據(jù)傳輸保障的情況下確認(rèn)參與協(xié)作節(jié)點(diǎn)的安全性，尤其當(dāng)節(jié)點(diǎn)來(lái)自不同國(guó)家和地區(qū)時(shí)，需要研究相應(yīng)的方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要討論了高效海洋數(shù)據(jù)傳輸目前所面臨的主要問(wèn)題，闡述了海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)與陸地通信網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別，在此基礎(chǔ)上指出了研究適用于海洋通信環(huán)境的新型網(wǎng)絡(luò)體系的必要性，并提出了基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)想以及需要進(jìn)一步研究的相關(guān)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，相關(guān)研究還處在初始階段，其中，通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)既為根本也是統(tǒng)領(lǐng)通信系統(tǒng)研發(fā)的核心部分，需要做深入研究。