李志鵬 崔昆濤 孫文強(qiáng)

摘 要：參照霧計(jì)算的基本原理，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)航標(biāo)進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、霧計(jì)算技術(shù)，能夠使其成為提供新型服務(wù)的海上通信基礎(chǔ)設(shè)施之一?；陟F計(jì)算的航道流場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，通過(guò)霧計(jì)算接入網(wǎng)（Fog Radio Access Networks， F-RAN），整合新型航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、附近水域的航行船舶等集群節(jié)點(diǎn)的可用計(jì)算資源，對(duì)分布式傳感器的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，生成航道附近水域流場(chǎng)的通用態(tài)勢(shì)圖，特別是可能出現(xiàn)流切變、橫流較大等重要航段的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)布給附近水域航行的船舶，以提前做好預(yù)判并采取適當(dāng)?shù)牟倏v應(yīng)對(duì)措施，保障航道內(nèi)的航行安全，提高船舶航行安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：霧計(jì)算;新型航標(biāo);航道流場(chǎng);實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知

1引言

航標(biāo)是助航標(biāo)志的簡(jiǎn)稱(chēng)，指標(biāo)示航道方向、界限與礙航物的標(biāo)志，是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和標(biāo)示礙航物與表示警告的人工標(biāo)志。目前，對(duì)利用航標(biāo)進(jìn)行遙測(cè)，以及海上態(tài)勢(shì)感知的研究，主要集中于航標(biāo)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，以實(shí)現(xiàn)航標(biāo)主管部門(mén)的遠(yuǎn)程管理，并為航行船舶提供準(zhǔn)確有效的助航服務(wù)。

為保證航道內(nèi)的航行安全，船舶進(jìn)出港航行時(shí)，駕駛?cè)藛T高度關(guān)注風(fēng)流對(duì)船舶操縱的影響，需要做好預(yù)判并提前采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施，保持好船位。但當(dāng)航道內(nèi)海流出現(xiàn)流切變、橫流流速較大等異常情況，會(huì)對(duì)航道內(nèi)航行的船舶操縱產(chǎn)生非常不利的影響，造成船舶偏離航道中心線，甚至發(fā)生擱淺事故。

但隨著無(wú)人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，為海上眾多重要應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐條件。例如窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)NB-IoT等，已逐步在包括航標(biāo)遙測(cè)等海上通信應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一定的試驗(yàn)進(jìn)展，也是新興通信技術(shù)在海上應(yīng)用的重要實(shí)踐[1]。

以航道側(cè)面標(biāo)為例，參照霧計(jì)算的基本原理，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)航標(biāo)進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、霧計(jì)算技術(shù)，能夠使其成為提供新型服務(wù)的海上通信基礎(chǔ)設(shè)施之一。在霧計(jì)算架構(gòu)模式下，通過(guò)霧計(jì)算接入網(wǎng)（Fog Radio Access Networks， F-RAN），整合新型航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、附近水域的航行船舶等集群節(jié)點(diǎn)的可用計(jì)算資源，對(duì)分布式傳感器的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，生成航道附近水域流場(chǎng)的通用態(tài)勢(shì)圖，特別是可能出現(xiàn)流切變、橫流較大等重要航段的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)布給附近水域航行的船舶，以提前做好預(yù)判并采取適當(dāng)?shù)牟倏v應(yīng)對(duì)措施，保障航道內(nèi)的航行安全，提高船舶航行安全系數(shù)，對(duì)于船舶在航道內(nèi)安全航行，具有重要的實(shí)際意義。

2 航標(biāo)遙測(cè)及新興通信技術(shù)的發(fā)展

2.1航標(biāo)遙測(cè)的現(xiàn)狀

目前，航標(biāo)遙測(cè)遙控技術(shù)已取得了一定的應(yīng)用，其主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，包括航標(biāo)位置、燈質(zhì)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。通過(guò)航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)，利用遙測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離測(cè)量、控制和監(jiān)視。通常情況下，航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)由測(cè)控中心、監(jiān)測(cè)終端和通信系統(tǒng)三個(gè)主要部分組成。監(jiān)測(cè)終端用于監(jiān)測(cè)航標(biāo)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)至測(cè)控中心，并由測(cè)控中心對(duì)航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制[2]。通過(guò)航標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分類(lèi)和研究，以及對(duì)航標(biāo)運(yùn)行狀況、故障原因進(jìn)行分析，能夠降低航標(biāo)維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)航標(biāo)組件的使用壽命，促進(jìn)航標(biāo)管理效能的提升[3]。

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)大多要求一小時(shí)上傳一次數(shù)據(jù)，對(duì)通信延遲的要求相對(duì)較低，為時(shí)延不敏感型任務(wù)。現(xiàn)階段，航標(biāo)遙測(cè)的數(shù)據(jù)通信，在內(nèi)河、港區(qū)等近距離時(shí)，多采用商用無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)有效通信距離大約為15海里左右;當(dāng)大于15海里時(shí)，航標(biāo)上的通信終端將無(wú)法正常通信[4]。

在距離較遠(yuǎn)的情況下，部分系統(tǒng)考慮使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信，以及各類(lèi)在建的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。衛(wèi)星通信主要是為了解決遙測(cè)遙控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信問(wèn)題[5]。

2.2新興通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，就海上通信技術(shù)應(yīng)用而言，通用的、可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施是非常匱乏的，特別是隨著無(wú)人技術(shù)的快速發(fā)展，凸顯了海上通信基礎(chǔ)設(shè)施的制約，限制了很多重要的海上應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于大部分衛(wèi)星通信的帶寬也是較為受限的，并且普遍存在較大的通信延遲。

由于現(xiàn)有的海上通信可靠性、穩(wěn)定性、帶寬無(wú)法滿足IMO E-Navigation戰(zhàn)略的需求，因此，為了滿足未來(lái)海上通信發(fā)展的需要，需要對(duì)現(xiàn)有的海上通信架構(gòu)進(jìn)行變革，不斷注入新的技術(shù)，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范[6]。

近年來(lái)，新興通信技術(shù)不斷出現(xiàn)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表，為海上重要應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)了希望。例如窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)NB-IoT等，已逐步在包括航標(biāo)遙測(cè)等海上通信應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一定的試驗(yàn)進(jìn)展[7]。

3 霧計(jì)算

3.1霧計(jì)算的基本原理

霧計(jì)算是指在該通信架構(gòu)模式中，數(shù)據(jù)、處理和應(yīng)用程序集中在網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備中，而不是幾乎全部保存在云中，是云計(jì)算的延伸概念，由思科在2011年提出，并做了相關(guān)的定義。

霧計(jì)算采用分布式架構(gòu)，計(jì)算平面更接近網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用服務(wù)，是分布式計(jì)算的應(yīng)用[8]。

云計(jì)算要求使用者連上遠(yuǎn)端的大型數(shù)據(jù)中心才能獲取服務(wù)，而霧計(jì)算在本地即可完成服務(wù)。雖然霧計(jì)算所能提供的計(jì)算能力比不上大型的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，但通過(guò)充分利用集群節(jié)點(diǎn)算力，也能夠達(dá)到整體優(yōu)化的計(jì)算性能[9]。

霧計(jì)算和邊緣計(jì)算是兩種比較相似的概念。霧計(jì)算相對(duì)于邊緣計(jì)算，具有好的可擴(kuò)展性、層次性和位置感知能力[10]。

F-RAN通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將原本位于云計(jì)算中心的服務(wù)、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能配置到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣處，在網(wǎng)絡(luò)邊緣處，部署在具有計(jì)算和存儲(chǔ)能力的邊緣節(jié)點(diǎn)，使其能夠滿足快速發(fā)展的移動(dòng)通信服務(wù)的快速連接、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)操作、安全和隱私保護(hù)等方面的需求，并保持霧計(jì)算集群網(wǎng)絡(luò)良好的動(dòng)態(tài)服務(wù)性能。

3.2霧計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)特征

根據(jù)CISCO發(fā)布的白皮書(shū)，霧計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)特征，主要包括[11]：

（1）低延遲：由于霧計(jì)算能夠在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣處，距離用戶設(shè)備最近的位置，完成服務(wù)、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能配置，因此，能夠在有限帶寬的前提下，為用戶提供超低延遲的計(jì)算服務(wù)，滿足時(shí)延敏感型的任務(wù)場(chǎng)景。并且，當(dāng)采集數(shù)據(jù)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣時(shí)，包括：車(chē)輛、船舶、道路、鐵路等，需要考慮霧計(jì)算。

（2）節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬：由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，因此，將這些邊緣設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耸遣磺袑?shí)際的，也是沒(méi)有必要的，因?yàn)樵S多關(guān)鍵分析不需要云規(guī)模的處理和存儲(chǔ)。霧計(jì)算則能夠有效克服上述不利因素，為通信服務(wù)節(jié)省可觀的帶寬。

（3）數(shù)據(jù)安全性高：由于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)用于涉及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施或應(yīng)用場(chǎng)景安全運(yùn)行的重要決策，在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)時(shí)，都得到高度的安全防護(hù)。在受到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行有效監(jiān)視和自動(dòng)響應(yīng)，并確?；A(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)的完整性和可用性。

（4）異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)采集及防護(hù)：由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以分布，霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)需要能夠在具有不同環(huán)境條件的廣泛地理區(qū)域內(nèi)收集和保護(hù)數(shù)據(jù)，特別是在很多情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署在不受控的惡劣環(huán)境中，完成異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)采集及防護(hù)。

（5）網(wǎng)絡(luò)上下文信息：提供網(wǎng)絡(luò)信息和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序，F(xiàn)-RAN能夠使眾多重要的應(yīng)用場(chǎng)景得以實(shí)現(xiàn)?；贔-RAN實(shí)時(shí)信息，這些應(yīng)用程序可以估計(jì)無(wú)線信道的阻塞和網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，并通過(guò)應(yīng)用AI算法，使其能夠做出優(yōu)化的決策，以便更好地向客戶提供服務(wù)[12]。

（6）將數(shù)據(jù)移至最佳位置進(jìn)行處理：最佳位置部分地取決于決策處理所需的速度，特別是對(duì)于時(shí)延敏感型決策任務(wù)，應(yīng)該更靠近產(chǎn)生和作用于數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。相反，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析則需要云的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。

傳統(tǒng)的云計(jì)算架構(gòu)無(wú)法滿足上述性能要求。目前，通常的做法就是將所有數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)邊緣移到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，但來(lái)自眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的流量將大大超出帶寬容量，并增加了通信延遲。另外，由于云服務(wù)器僅與IP通信，而不能與使用無(wú)數(shù)其他協(xié)議的IoT設(shè)備進(jìn)行通信。因此，分析大量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的理想位置，就是產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行操作的設(shè)備附近。這是霧計(jì)算的核心。

4基于霧計(jì)算的航道流場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知

對(duì)于進(jìn)出港航行船舶而言，對(duì)航道內(nèi)的流場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，實(shí)時(shí)性要求非常高，是典型的時(shí)延敏感型任務(wù)。

按照傳統(tǒng)的通信架構(gòu)模式，海上傳感器的采集數(shù)據(jù)需要通過(guò)無(wú)線信道傳送至處理中心，經(jīng)計(jì)算處理后，再將計(jì)算結(jié)果發(fā)布給航道附近水域的航行船舶。這樣的架構(gòu)模式，在通信時(shí)延方面，存在著一些較為明顯的問(wèn)題，主要包括：

（1）在內(nèi)河航道或近海等區(qū)域，通信傳輸距離較近時(shí)，可使用商用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，但超出覆蓋范圍時(shí)，則商用電信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定或中斷的情況。

（2）在距離較遠(yuǎn)時(shí)，如采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則完成整個(gè)服務(wù)過(guò)程的傳輸延遲會(huì)很大，不能滿足航行船舶對(duì)實(shí)時(shí)的流場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的需要，同時(shí)，由于航標(biāo)多采用可再生能源，能源能力存在一定的動(dòng)態(tài)變化，并且也較為有限，在這種情況下，航標(biāo)的上行鏈路通信能耗也是較大的，存在明顯的制約。

（3）不論采取何種傳輸方式，由于生成進(jìn)出港航道附近水域流場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，需要將傳感器的多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)計(jì)算。如按照傳統(tǒng)的通信架構(gòu)模式，將傳感器數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程云端進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算服務(wù)完成后，再將服務(wù)結(jié)構(gòu)反饋并發(fā)布給航道內(nèi)航行的船舶，會(huì)受到信道帶寬、傳輸延時(shí)、覆蓋范圍等不利因素的明顯影響，在實(shí)際應(yīng)用中，是不可忽視的。

基于此，通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、霧計(jì)算技術(shù)等新興通信技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)航標(biāo)等海上設(shè)施進(jìn)行技術(shù)改造，能夠使其成為提供新型服務(wù)的重要海上通信基礎(chǔ)設(shè)施之一，能夠?yàn)楸姸嘀匾Ｉ蠎?yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，提供技術(shù)支撐條件。

基于霧計(jì)算的航道流場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，改變傳統(tǒng)的通信架構(gòu)，著重于改善通信延遲、傳輸帶寬等限制因素，為時(shí)延敏感任務(wù)，提供實(shí)時(shí)的計(jì)算服務(wù)。

在上述架構(gòu)模式下，智能航標(biāo)，以及各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備采集的大量數(shù)據(jù)，不需要回傳至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行服務(wù)解算。通過(guò)充分利用霧計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源，在網(wǎng)絡(luò)邊緣，即可生成航道流場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，并將服務(wù)實(shí)時(shí)分發(fā)給附近航行船舶等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，極大地改善服務(wù)的通信延遲及計(jì)算延遲，且有效地降低了對(duì)航標(biāo)等設(shè)施通信能耗的要求。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于霧計(jì)算的航道流場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，參照霧計(jì)算概念設(shè)計(jì)，并結(jié)合海上應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際情況，著重改善通信延遲、傳輸帶寬、有效覆蓋范圍等限制因素。

網(wǎng)絡(luò)由新型航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、船舶等集群節(jié)點(diǎn)組成。通過(guò)充分利用異構(gòu)且多樣化的存儲(chǔ)、計(jì)算資源，使集群整體算力得到有效地發(fā)揮，提升網(wǎng)絡(luò)的整體計(jì)算性能。

在霧計(jì)算架構(gòu)模式下，集群網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用節(jié)點(diǎn)的可用計(jì)算資源，智能航標(biāo)，以及各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備采集的大量數(shù)據(jù)，可以在整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邊緣完成計(jì)算服務(wù)，不需要將數(shù)據(jù)回傳至遠(yuǎn)程云端的數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行服務(wù)解算，改善了整個(gè)服務(wù)過(guò)程的通信傳輸延時(shí)和計(jì)算延時(shí)。

通過(guò)F-RAN，有效整合新型航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、附近水域的航行船舶等集群節(jié)點(diǎn)的可用計(jì)算資源，對(duì)分布式傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，生成航道附近水域流場(chǎng)的通用圖景，特別是可能出現(xiàn)流切變、橫流較大等重要航段，首先發(fā)布給附近水域航行的船舶，以提前做好預(yù)判并采取措施，保障航道內(nèi)的航行安全。

盡管相對(duì)遠(yuǎn)程云，單個(gè)霧節(jié)點(diǎn)的算力是較為有限的，但是隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)充分利用霧集群節(jié)點(diǎn)的可用計(jì)算資源來(lái)提高整體的計(jì)算性能，也能夠有效地改善海上通信條件（有效覆蓋范圍、信道帶寬、信道質(zhì)量等因素）帶來(lái)的不利影響。

受平臺(tái)尺寸、可再生能源供應(yīng)等因素的制約，航標(biāo)等海上基礎(chǔ)設(shè)施的算力相對(duì)有限，集群網(wǎng)絡(luò)中的船舶節(jié)點(diǎn)可以提供其可用的計(jì)算資源，作為有效的補(bǔ)充，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化的性能。并且，當(dāng)集群網(wǎng)絡(luò)中，船舶等可用計(jì)算資源的節(jié)點(diǎn)逐步增加時(shí)，經(jīng)有效協(xié)調(diào)并充分利用，網(wǎng)絡(luò)的整體算力會(huì)進(jìn)一步提升，為時(shí)延敏感型任務(wù)，提供更佳的計(jì)算服務(wù)。

由于包括航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等海上霧計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)采用可再生能源，能源能力較為有限，且動(dòng)態(tài)變化較大。霧計(jì)算集群能夠兼顧節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、能源能力動(dòng)態(tài)性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜合能源能力的充分利用，使網(wǎng)絡(luò)綜合能耗保持在動(dòng)態(tài)合理水平。

與航道附近水域航行船舶相比，主管部門(mén)或者其他用戶對(duì)海域的流場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，可以適當(dāng)降低。根據(jù)實(shí)際需要，該部分通信可采用包括海上近程通信系統(tǒng)，或者高通量低軌衛(wèi)星等方式。

綜上所述，基于霧計(jì)算的航道流場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，能夠根據(jù)海區(qū)的交通狀況，船舶請(qǐng)求服務(wù)的數(shù)量，以及海區(qū)的關(guān)注度，提供實(shí)時(shí)的、可靠的海上態(tài)勢(shì)感知服務(wù)，對(duì)于保障航道內(nèi)航行船舶安全具有重要意義。

4.2關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1基于移動(dòng)通信的V2V通信技術(shù)

V2V通信技術(shù)是用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，臨近節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間直接進(jìn)行信息交換的通信技術(shù)。建立V2V通信鏈路后，數(shù)據(jù)交互無(wú)需核心設(shè)備的干預(yù)，能夠大大提升頻譜利用率和吞吐量，是解決移動(dòng)終端大數(shù)據(jù)接入及傳輸、時(shí)延敏感型任務(wù)場(chǎng)景的重要途徑。

在基于霧計(jì)算的航道流場(chǎng)態(tài)實(shí)時(shí)勢(shì)感知應(yīng)用場(chǎng)景中，基于移動(dòng)通信的V2V通信技術(shù)，能夠有效地提高集群頻譜效率;利用近距離增益，霧計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)可以在較小的發(fā)射功率條件下，獲得更大的傳輸速率。同時(shí)，依靠有限的能源能力，提升集群節(jié)點(diǎn)的通信性能。

4.2.2智能組網(wǎng)技術(shù)

智能組網(wǎng)技術(shù)可以在低時(shí)延、高可靠性應(yīng)用場(chǎng)景中，有效地降低節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)延，具備在低功耗、大連接場(chǎng)景中，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋和接入的能力，支持更高的靈活性和可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基于霧計(jì)算的集群節(jié)點(diǎn)，利用智能組網(wǎng)技術(shù)，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)靈活自組織和自管理，網(wǎng)絡(luò)功能和角色、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)配置，靈活地實(shí)現(xiàn)包括控制、管理和傳輸服務(wù)的集群內(nèi)、本地化處理。

4.2.3 F-RAN無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化

在F-RAN中，用戶層面和控制層面解耦，控制能力和計(jì)算能力下沉，協(xié)作無(wú)線信號(hào)處理和協(xié)同無(wú)線資源管理功能，可在集群節(jié)點(diǎn)之間靈活實(shí)現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)接入網(wǎng)中非理想前傳鏈路受限的影響，實(shí)現(xiàn)了更高的網(wǎng)絡(luò)性能增益[13]。

在系統(tǒng)級(jí)層面上，融合人工智能技術(shù);在鏈路級(jí)層面上，融合非正交多址技術(shù)的新型F-RAN架構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，為F-RAN不斷地演進(jìn)，提供了更多的技術(shù)可能性[14]。

4.2.4霧集群節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡

通常情況下，受海上能源供應(yīng)的限制，包括新型航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等海上基礎(chǔ)設(shè)施，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的算力，也是較為有限的。只有充分和平衡的利用每個(gè)群集節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，才能夠優(yōu)化集群整體的計(jì)算性能，以達(dá)到滿足延遲敏感型任務(wù)的要求。

相對(duì)而言，航道附近水域航行的船舶，可以配置較強(qiáng)的計(jì)算資源。由于海霧集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，系統(tǒng)能夠根據(jù)需要對(duì)組織進(jìn)行重構(gòu)，包括節(jié)點(diǎn)成員丟失或損壞、新增的節(jié)點(diǎn)成員等，因此，在集群節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行有效協(xié)調(diào)和負(fù)載平衡，以實(shí)現(xiàn)充分利用成員節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，就變得尤為重要。

加之，海上無(wú)線信道的狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間快速變化，因此，只有充分、平衡地利用每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，才能達(dá)到整體計(jì)算性能的優(yōu)化和提升。

4.3運(yùn)行成效

（1）基于MEC的航道流場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，通過(guò)RAN，航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及附近水域的航行船舶，充分發(fā)揮移動(dòng)邊緣計(jì)算優(yōu)勢(shì)，將分布的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，生成航道附近水域流場(chǎng)的通用圖景，特別是可能出現(xiàn)流切變、橫流流速大等重要航段，進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，并發(fā)布給航道內(nèi)附近水域航行的船舶，提早預(yù)判并采取應(yīng)對(duì)措施，保證船舶的航行安全。

（2）航道流場(chǎng)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，首先于服務(wù)航道內(nèi)附近水域航行的船舶，必要時(shí)也可發(fā)布給主管機(jī)關(guān)或其他相關(guān)用戶，對(duì)通信時(shí)延的要求也可以相對(duì)適當(dāng)降低。

（3）由于MEC網(wǎng)絡(luò)充分利用了成員節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，計(jì)算服務(wù)主要分布在邊緣節(jié)點(diǎn)上，智能航標(biāo)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器的采集數(shù)據(jù)，不需要傳送至岸基中心進(jìn)行處理，對(duì)通信設(shè)施建設(shè)的要求也相對(duì)較低，同時(shí)也有效地降低了設(shè)備的能耗。

5 結(jié)語(yǔ)

霧計(jì)算能夠消除往返云計(jì)算的通信過(guò)程，從而提高了任務(wù)響應(yīng)速度?；陟F計(jì)算的航道流場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，區(qū)別于傳統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，克服了原有體制的通信覆蓋范圍、通信帶寬的制約，能夠充分發(fā)揮霧計(jì)算的性能優(yōu)勢(shì)，將生成的航道附近水域流場(chǎng)的通用態(tài)勢(shì)圖，實(shí)時(shí)地發(fā)布給航道內(nèi)附近水域航行的船舶，對(duì)于保障船舶航行安全具有重要意義。

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