聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

官權(quán)升，陳偉琦，余華，陳芳炯，季飛

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聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

官權(quán)升，陳偉琦，余華，陳芳炯，季飛

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641）

海洋信息的傳輸需要穿越水—空氣界面，在信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上需要水聲網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的高效融合。然而，水聲鏈路性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水上無(wú)線電鏈路，成為制約海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。提出聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的新思路，通過(guò)聲、電鏈路的協(xié)同協(xié)作，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景展示聲電協(xié)同的優(yōu)勢(shì)后，進(jìn)一步討論了聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與協(xié)議以及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。聲電協(xié)同不僅是實(shí)現(xiàn)空、海一體化網(wǎng)絡(luò)融合的有效方法，也是實(shí)現(xiàn)海洋網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)融合的重要方法。

海洋信息網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)；水聲網(wǎng)絡(luò)；聲電協(xié)同；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 引言

海洋面積占地球表面積70%以上。人類目前已探索的海洋區(qū)域只有5%，還有95%的廣闊海域是未知的，人類對(duì)海底蘊(yùn)含的豐富資源和能量更是利用甚少。海洋信息網(wǎng)絡(luò)是人類關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋的重要技術(shù)手段之一。以物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在試圖連接陸地上的所有物體，卻難以覆蓋廣闊的海域，特別是水下的世界。

海洋的傳感數(shù)據(jù)是人類認(rèn)識(shí)海洋的重要信息，比如海洋動(dòng)力、生態(tài)、地質(zhì)、氣象等環(huán)境信息。海洋信息一般通過(guò)生物、化學(xué)等傳感機(jī)制獲取，這些傳感器一般部署在水下。傳感器中的海洋信息再回傳到陸地監(jiān)控中心或海面作業(yè)平臺(tái)。海洋勘探、海洋數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全服務(wù)等海洋應(yīng)用均依賴于海洋信息的可靠高效傳輸[1]。

海洋信息傳輸需要經(jīng)歷水和空氣兩種介質(zhì)，由水下節(jié)點(diǎn)（包括水下傳感器節(jié)點(diǎn)、水下巡航器等）、水面中繼節(jié)點(diǎn)（包括船只和浮標(biāo)）、空中節(jié)點(diǎn)（包括衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)）等組成一個(gè)海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。水下傳感器先將獲取的傳感數(shù)據(jù)傳送到水面節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)水面節(jié)點(diǎn)傳送到陸地監(jiān)控中心或海面作業(yè)平臺(tái)。水下的節(jié)點(diǎn)之間可以采用海底光纜、線纜、光波、電磁波或聲波的方式通信；水面上的節(jié)點(diǎn)之間一般采用無(wú)線電磁波通信。

圖1 海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)示意

海面上無(wú)線電通信已有多種成熟通信系統(tǒng)[2]。全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）的中頻（MF）、高頻（HF）、甚高頻（VHF）通信系統(tǒng)可提供中遠(yuǎn)距離通信覆蓋?，F(xiàn)有的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）還允許船舶之間自組網(wǎng)。海事衛(wèi)星系統(tǒng)（InmarSat）等可以提供除兩極外的全球海域的無(wú)縫覆蓋。在近海，包括商用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)可以提供高速、低成本的通信方式。利用電磁波在海面蒸汽波導(dǎo)層的超折射傳播，還能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高速率的海洋通信[3-4]。空中無(wú)人機(jī)或平流層飛艇的中繼可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)通信[5]。

海洋信息傳輸?shù)碾y點(diǎn)在于水下[6-10]。早期的水下信息傳輸主要采用海底光纜和線纜的有線傳輸方式。但很顯然，由于需要在深水固定布設(shè)，有線傳輸方式的工程難度大、成本高、維護(hù)難。電磁波在水中有著不同于空氣中的傳播特性，海水對(duì)電磁波能量的吸收作用很強(qiáng)，只能使用長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波通信，但需要大功率發(fā)射機(jī)和巨大的天線，顯然不適用于浮標(biāo)、傳感器和水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。光通信也是一種水下傳輸方式。雖然海水對(duì)藍(lán)綠光吸收最少，但由于光在水中的散射、衰減等影響，水下藍(lán)綠激光通信也只能達(dá)到數(shù)百米的通信距離。聲波是在水中能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奈ㄒ惠d體，稱為水聲通信。隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，用水聲無(wú)線連接代替專用線纜連接成為水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)的趨勢(shì)。

無(wú)論是光波還是聲波，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨越水、空兩種介質(zhì)的遠(yuǎn)距離傳輸。因此，海洋信息的傳輸依賴于在水下以水聲通信為主要通信方式組成的水聲網(wǎng)絡(luò)以及在水上以電磁波無(wú)線通信為主的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了水聲網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)混合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]。這種聲（即水聲）電（即無(wú)線電）混合網(wǎng)絡(luò)極大地方便了海洋信息的實(shí)時(shí)傳輸。例如，在水下部署潛標(biāo)可以測(cè)量溫度、鹽度、洋流等數(shù)據(jù)，以往只能依靠海洋綜合科學(xué)考察船每年從海中回收一次潛標(biāo)獲取和分析數(shù)據(jù)。聲電混合網(wǎng)絡(luò)的部署可以實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，提高海洋氣候和環(huán)境預(yù)報(bào)的精度，為海洋環(huán)境和全球氣候研究提供重要技術(shù)支撐。

2 聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

海洋信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由水聲鏈路和無(wú)線電鏈路混合組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)海洋信息的跨域傳輸。當(dāng)前的研究一般將無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和水聲網(wǎng)絡(luò)分成兩部分獨(dú)立展開(kāi)。然而，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)共同傳輸相同的海洋信息。

注意到，聲電混合海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中，部署在水下的水聲鏈路和水面的無(wú)線電鏈路質(zhì)量差別較大。水聲信道較復(fù)雜，具有低帶寬、長(zhǎng)傳播時(shí)延、高誤碼率等特性[12-13]。復(fù)雜水聲信道的高誤碼率導(dǎo)致頻繁的數(shù)據(jù)分組丟失和連接中斷。與無(wú)線電鏈路相比，水聲鏈路的可用帶寬極低、丟失分組率高、傳輸時(shí)延長(zhǎng)。一般認(rèn)為水聲鏈路的時(shí)延比無(wú)線電鏈路大5個(gè)數(shù)量級(jí)，而傳輸速率低3個(gè)數(shù)量級(jí)，水聲鏈路的能效（傳輸1 bit所需要的能耗）也比無(wú)線電鏈路高3個(gè)數(shù)量級(jí)，見(jiàn)表1。水聲載波的長(zhǎng)傳播時(shí)延又進(jìn)一步降低了極有限帶寬水聲信道的利用率。水下節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，并且電池的更換非常困難，因此水下節(jié)點(diǎn)也是能量資源受限的系統(tǒng)。

表1 LinkQuest水聲通信節(jié)點(diǎn)和華為微基站的能效比較[11]

從表1可以看出，由水聲鏈路組成的水下網(wǎng)絡(luò)成為制約聲電混合海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。受限于水下復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境，很難大幅度提升水聲鏈路性能。同時(shí)注意到，在大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景中，水聲和無(wú)線電鏈路較大的性能差異，導(dǎo)致了水下水聲網(wǎng)絡(luò)和水面上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重的性能失配：水聲鏈路較為擁堵，而無(wú)線電鏈路則較為空閑。

利用無(wú)線電鏈路相對(duì)多余的空閑鏈路資源，實(shí)現(xiàn)水聲鏈路和無(wú)線電鏈路的協(xié)同協(xié)作，是克服性能失配、提高海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)新思路。聲電協(xié)同提升海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的原理就像圖2所示的新木桶理論[14]。直立的木桶容量由最短的木板決定，但如果以適當(dāng)?shù)慕嵌葍A斜，不需要改變木板的物理局限也可顯著提升木桶容量。水聲鏈路是海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的短板，聲電協(xié)同可類比于木桶的傾斜。在無(wú)法大幅度提高水聲鏈路性能（即提升短板）的情況下，聲電協(xié)同是一個(gè)提高網(wǎng)絡(luò)容量的解決方案。

圖2 新木桶理論示意

聲電協(xié)同不但是海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能提升的需要，也是聲電混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)的要求。海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸一般需要跨越水、空氣兩種介質(zhì)，涉及聲、電兩種通信鏈路。海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用要求聲、電兩種通信鏈路協(xié)同協(xié)作，深度融合。

3 聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

聲電協(xié)同主要考慮水聲和無(wú)線電資源的置換，特別是將相對(duì)冗余的無(wú)線電資源用來(lái)輔助水下網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)通過(guò)3個(gè)聲電協(xié)同的應(yīng)用場(chǎng)景，闡述聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能提升的原理，并討論實(shí)現(xiàn)聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與協(xié)議。

3.1 聲電協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景

（1）水面聲電協(xié)同機(jī)會(huì)路由

機(jī)會(huì)路由是提高鏈路不可靠網(wǎng)絡(luò)的吞吐量的有效途徑，利用信道的廣播特性，通過(guò)允許多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，提高端到端的吞吐量[15]。但是，機(jī)會(huì)路由需要大量的控制信令進(jìn)行候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集選擇、機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)等。控制信令的交換消耗了不可忽略的帶寬資源，進(jìn)一步降低了本來(lái)就很有限的水聲信道可用帶寬。水面聲電協(xié)同路由[16]的思路是：通過(guò)水面節(jié)點(diǎn)的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)分擔(dān)水聲網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)路由信令，最大程度降低水聲網(wǎng)絡(luò)的信令開(kāi)銷，提高水聲鏈路的帶寬利用率。

聲電協(xié)同機(jī)會(huì)路由在水面上部署多個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)具備水聲和無(wú)線電接口。水下傳感器節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)水聲鏈路將傳感數(shù)據(jù)分組廣播給所有水面節(jié)點(diǎn)，以提高水面節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)分組的成功率。多個(gè)水面節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)空間機(jī)會(huì)接收分集，提高了水聲鏈路的傳輸可靠性。轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)會(huì)存在于多個(gè)成功接收數(shù)據(jù)分組的水面節(jié)點(diǎn)，而且每個(gè)水面節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)分組的成功率均不同，接收成功的節(jié)點(diǎn)才有機(jī)會(huì)參與數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，多個(gè)水面節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)相同的數(shù)據(jù)分組副本會(huì)造成帶寬資源的浪費(fèi)。處于最佳數(shù)據(jù)回傳位置（比如最靠近監(jiān)控中心）的水面節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)可以加快數(shù)據(jù)分組的投遞，節(jié)省信道帶寬資源以及降低端到端時(shí)延。水面節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)交換控制信令，選取最佳的水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。由于水上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了水下水聲網(wǎng)絡(luò)大部分的路由開(kāi)銷，水下節(jié)點(diǎn)只需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組，最大程度利用了水聲信道有限的帶寬資源，從而提高海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖3 水面聲電協(xié)同機(jī)會(huì)路由

（2）聲電異構(gòu)路徑數(shù)據(jù)傳輸

海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)擁有的水聲和無(wú)線電異構(gòu)鏈路給數(shù)據(jù)傳輸提供了多種路徑選擇。如圖4所示，水下節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)水聲鏈路（如路徑1），也可以借助無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助，通過(guò)水面節(jié)點(diǎn)（如路徑2）或移動(dòng)空基、天基節(jié)點(diǎn)（如路徑3）多跳轉(zhuǎn)發(fā)。

聲、電鏈路各有其特點(diǎn)。水聲鏈路時(shí)延長(zhǎng)、帶寬低、誤比特率高；船舶與無(wú)人機(jī)之間的無(wú)線電鏈路由于其高度機(jī)動(dòng)，具備連接間斷特性；衛(wèi)星天基無(wú)線電鏈路代價(jià)較高，也同樣具有長(zhǎng)時(shí)延的特點(diǎn)。水下節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及所處網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，選擇不同的路徑傳輸數(shù)據(jù)。水上船舶、無(wú)人機(jī)無(wú)線電鏈路可用于圖像、短視頻等大數(shù)據(jù)量的集中傳輸；水聲鏈路可用于低頻周期性環(huán)境傳感數(shù)據(jù)的傳輸；衛(wèi)星鏈路則可用于緊急可靠指令的傳輸。海底兩個(gè)遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)平臺(tái)之間通信時(shí)，發(fā)送端和接收端可以通過(guò)多跳聲電鏈路進(jìn)行協(xié)同通信，將數(shù)據(jù)先由水聲鏈路發(fā)送到水面，由無(wú)線電信道進(jìn)行中繼傳輸，然后再由水聲鏈路發(fā)送到另一個(gè)水下開(kāi)發(fā)平臺(tái)。特別地，兩個(gè)水下潛艇避免長(zhǎng)距離水聲通信，利用短距離的水聲、無(wú)線電異構(gòu)鏈路交換消息，可以降低被敵方發(fā)現(xiàn)的概率。

圖4 聲電異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸路徑

（3）自主水下航行器聲電協(xié)同數(shù)據(jù)收集

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以利用自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）的移動(dòng)性及其聲電多模協(xié)作，提高數(shù)據(jù)收集效率。如圖5所示，水底部署了多個(gè)水下傳感器。這些傳感器可以直接將傳感的數(shù)據(jù)發(fā)送到水面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而回傳到控制中心。但是，水下傳感器與水面節(jié)點(diǎn)之間的水聲鏈路距離較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)直接發(fā)送到水面將消耗較大的水聲通信機(jī)能量。水下傳感器節(jié)點(diǎn)的部署成本較高，為其更換電池的成本也較高。直接使用長(zhǎng)距離水聲鏈路降低了水下傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命。而水下AUV節(jié)點(diǎn)則可以自動(dòng)回收補(bǔ)充能源。在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入水下AUV，在AUV節(jié)點(diǎn)移動(dòng)靠近傳感器節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)AUV與傳感器節(jié)點(diǎn)之間短距離的水聲鏈路，AUV可以高速率、高可靠性和低能耗地收集傳感器的數(shù)據(jù)。之后，AUV可以移動(dòng)靠近水面節(jié)點(diǎn)或上浮到水面，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電模塊回傳到控制中心。這種AUV收集數(shù)據(jù)的方式雖然消耗了AUV的大量能量，卻節(jié)省了難以部署的水下傳感器的能耗，延長(zhǎng)了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)收集的可靠性[17]。

圖5 AUV聲電協(xié)同數(shù)據(jù)收集

3.2 聲電協(xié)同海洋信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與協(xié)議

海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由水下傳感器、移動(dòng)AUV、水面船只、浮標(biāo)、波浪滑翔器、水上衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成（如圖1所示），包含多種水聲和無(wú)線電鏈路，具備異構(gòu)的、動(dòng)態(tài)的端到端數(shù)據(jù)傳輸路徑。面對(duì)這樣復(fù)雜的海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該思考更加有效的協(xié)議架構(gòu)來(lái)組織和管理，而不是直接應(yīng)用傳統(tǒng)的TCP/IP分層協(xié)議架構(gòu)。

目前已經(jīng)存在很多針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)反向工程的優(yōu)化理論。在優(yōu)化理論框架下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)被看成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用最大化問(wèn)題。協(xié)議分層則對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)效用最大化問(wèn)題分解后的子問(wèn)題。不同分層協(xié)議的本地迭代達(dá)到子問(wèn)題的優(yōu)化，同時(shí)達(dá)到全局的優(yōu)化目標(biāo)。這樣，協(xié)議分層被看成網(wǎng)絡(luò)效用全局優(yōu)化問(wèn)題的異步、分布式計(jì)算解決方案。網(wǎng)絡(luò)效用最大化理論可以幫助理解和設(shè)計(jì)聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[18]。特別地，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮聲、電資源的有限性和可交換性。在聲電協(xié)作框架下，網(wǎng)絡(luò)的分層和協(xié)議設(shè)計(jì)需要考慮哪些聲電資源可以置換、如何置換以及置換多少資源。如圖6所示，木桶傾斜角的不同決定了木桶的容量，可類比于當(dāng)聲電資源置換不夠或者置換過(guò)度時(shí)，海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的容量都未能得到最大化。網(wǎng)絡(luò)效用最大化理論有助于構(gòu)建最優(yōu)聲電資源置換。

圖6 聲電資源置換程度影響網(wǎng)絡(luò)容量

為了提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量能力，應(yīng)用層需要為網(wǎng)絡(luò)提供準(zhǔn)確的服務(wù)質(zhì)量要求，以便海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)可以高效利用聲電資源，比如，提供業(yè)務(wù)分類或端到端時(shí)延要求，使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成為網(wǎng)絡(luò)控制的一部分[19-20]。

在傳輸層，聲電協(xié)同海洋信息網(wǎng)絡(luò)需要新的擁塞控制和可靠控制機(jī)制。無(wú)線電和水聲信道差異較大，特別是水聲信道，其帶寬更小、時(shí)延更大。端到端的反饋信息本身就占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，還會(huì)加劇信道的競(jìng)爭(zhēng)，降低帶寬利用率。為提高網(wǎng)絡(luò)性能，需要壓縮反饋，甚至取消反饋機(jī)制。這又產(chǎn)生了新問(wèn)題，即造成了端到端擁塞控制和可靠控制的失效。造成這種問(wèn)題的根源是擁塞控制和可靠控制高度耦合，且均依賴于端到端反饋的有效性和準(zhǔn)確性。為應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)首先應(yīng)當(dāng)解耦擁塞控制和可靠控制[21-22]。另外，較大的往返時(shí)間（round-trip time，RTT），無(wú)論對(duì)于端到端的擁塞控制還是可靠控制，都是極大的挑戰(zhàn)。聲電協(xié)同海洋信息網(wǎng)絡(luò)需要摒棄傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)依賴端到端反饋的可靠控制和擁塞控制方法，采用逐跳或者逐域的控制方法，對(duì)無(wú)線電子網(wǎng)絡(luò)和水聲子網(wǎng)絡(luò)分別采用不同的控制方法[23-24]。

網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)聲電協(xié)同的關(guān)鍵。聲電協(xié)同是連接水上無(wú)線電子網(wǎng)和水下水聲子網(wǎng)的橋梁。無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和水聲網(wǎng)絡(luò)可能使用了不同的鏈路級(jí)地址編碼方式。這就需要在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行地址的管理和轉(zhuǎn)換，消除對(duì)復(fù)雜網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)關(guān)管理的需要，以便數(shù)據(jù)在不同子網(wǎng)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)。特別是當(dāng)海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)需要接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層的地址需要支持基于IP的通信。注意到，水聲信道的帶寬較低，IP的地址和分組頭很大，這些開(kāi)銷降低了帶寬利用率。利用IETF 6LoWPAN[25]技術(shù)壓縮聲電協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)地址是一個(gè)重要技術(shù)方向。數(shù)據(jù)的傳輸路徑由網(wǎng)絡(luò)層的路由功能確定，從第3.1節(jié)的聲電協(xié)同場(chǎng)景可以看出，傳輸路徑的選擇在很大程度上決定了端到端的性能。海洋信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸路徑由異構(gòu)的動(dòng)態(tài)聲電鏈路組成。聲電協(xié)同路由不僅要確定路徑的鏈路各使用何種信道，還要確定何時(shí)使用這些信道。另外，廣闊的海洋很難做到網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)連接覆蓋，網(wǎng)絡(luò)層路由尤其需要支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)式的延遲容忍（delay tolerant）和中斷容忍（disruption tolerant）路由。

對(duì)聲、電鏈路的管理是實(shí)現(xiàn)聲電協(xié)同的基礎(chǔ)。鏈路層/物理層對(duì)聲、電信道信息的準(zhǔn)確感知不僅可以提高鏈路的性能，也是高層協(xié)議的決策基礎(chǔ)。海洋環(huán)境較為復(fù)雜，不管是水上還是水下。環(huán)境要素對(duì)信道狀態(tài)也有相當(dāng)大的影響。如水下的溫度、深度、壓強(qiáng)、生物密度、洋流等，水上的空氣濕度、氣候等，都會(huì)影響信號(hào)的衰減和多徑效應(yīng)。復(fù)雜的環(huán)境要素也給聲電協(xié)同鏈路管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

4 海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)

海洋開(kāi)發(fā)與海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的巨大需求，驅(qū)動(dòng)著人類對(duì)海洋的持續(xù)探索。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)針對(duì)蘇聯(lián)潛艇的聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SOSUS），在美國(guó)本土東、西兩側(cè)的大西洋和太平洋深水中建立起一系列水聽(tīng)器陣，通過(guò)專用纜線相互鏈接，并最終與岸基網(wǎng)絡(luò)連接，電纜長(zhǎng)度達(dá)30 000海里（55 560 km）。蘇聯(lián)也建設(shè)過(guò)類似系統(tǒng)。以SOSUS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，美國(guó)空海作戰(zhàn)系統(tǒng)中心于20世紀(jì)90年代研發(fā)了綜合水下監(jiān)視系統(tǒng)（integrated undersea surveillance system，IUSS）[26]，采用了光纖傳輸技術(shù)。IUSS不僅能夠有效探測(cè)沿?；顒?dòng)的核動(dòng)力潛艇和安靜型常規(guī)潛艇，也為編隊(duì)指揮提供準(zhǔn)確的威脅位置信息，給美海軍各種反潛戰(zhàn)平臺(tái)提供了所需的反潛信息。這個(gè)龐大的水聲警戒網(wǎng)在戰(zhàn)略反潛中起了很重要的作用。

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，用水聲無(wú)線連接代替光纜、線纜連接成為海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)的趨勢(shì)。美國(guó)1993 年提出的自主海洋采樣網(wǎng)（autonomous ocean sampling network，ASON）[27]首次提到水聲網(wǎng)的概念。美國(guó)國(guó)家海洋學(xué)研究伙伴計(jì)劃隨后實(shí)施了一項(xiàng)用于水聲通信、水下網(wǎng)絡(luò)傳輸及海軍其他使命的遙測(cè)前沿觀測(cè)網(wǎng)（front-resolving observational network with telemetry，F(xiàn)RONT），并在1998 年提出用于支撐 FRONT 的稱為海網(wǎng)（Seaweb）的水下聲網(wǎng)絡(luò)的概念[28]。歷經(jīng)12年的Seaweb是美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)性遠(yuǎn)程聲納和海洋網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的重要部分，是目前比較成功的水聲網(wǎng)絡(luò)概念。從1998年開(kāi)始，Seaweb每隔一兩年做一次實(shí)驗(yàn)，在2005年的實(shí)驗(yàn)中已實(shí)現(xiàn)固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的混合組網(wǎng)，并已實(shí)現(xiàn)媒介接入控制、路由等組網(wǎng)功能。在Seaweb基礎(chǔ)上，2005年美國(guó)海軍研究室和國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）聯(lián)合提出PLUSNet（persistent littoral undersea surveillance network）計(jì)劃[29]。該計(jì)劃打算利用10年的時(shí)間，建設(shè)一個(gè)覆蓋美國(guó)近海水下無(wú)線持續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。以水下潛/浮標(biāo)為固定節(jié)點(diǎn)、水下無(wú)人平臺(tái)為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的同時(shí)為巡航導(dǎo)彈、潛艇提供導(dǎo)航，并通過(guò)水面無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)與指揮系統(tǒng)連接。歐洲也推出類似的ACME計(jì)劃[30]。

國(guó)內(nèi)在海洋監(jiān)測(cè)、水聲組網(wǎng)方面起步較晚，“十一五”期間開(kāi)展了海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究。2009年4月，同濟(jì)大學(xué)等科研單位在上海附近海域進(jìn)行了海底觀測(cè)組網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，并且建立了中國(guó)第一個(gè)用專用線纜連接的海底綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與示范系統(tǒng)。2016年底，中國(guó)科學(xué)院實(shí)現(xiàn)了潛標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在水面上放置了一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)母◇w，它與潛標(biāo)通過(guò)無(wú)線和有線兩種方式連接。潛標(biāo)將數(shù)據(jù)傳輸給浮體，浮體發(fā)射到衛(wèi)星，然后再反饋回陸地實(shí)驗(yàn)室。

從以上海洋觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)踐看出，海洋信息無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)年P(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)跨水—空氣界面的信息交換。海面上的無(wú)線通信手段較為豐富，無(wú)論是 VHF通信、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)還是海事衛(wèi)星系統(tǒng)，幾乎都基于電磁波的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。為此，利用無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)穿越水—空氣界面通信是一個(gè)低成本的方案[31-32]。激光通信是另外一個(gè)可選方案[33]。然而，無(wú)論是電磁波還是激光，都無(wú)法在水下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。

海洋信息的獲取和傳輸不可避免要求水聲網(wǎng)絡(luò)和水上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的融合，而不是簡(jiǎn)單地通過(guò)水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接水上和水下兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。雖然海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)已被注意到是一個(gè)聲、電鏈路混合的網(wǎng)絡(luò)，但事實(shí)上，水上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和水聲網(wǎng)絡(luò)的研究工作還在獨(dú)立開(kāi)展。具備水聲和無(wú)線電通信接口的水—空氣界面網(wǎng)關(guān)是連接水上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和水聲網(wǎng)絡(luò)的重要橋梁。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局也關(guān)注到了這個(gè)問(wèn)題，于2015年發(fā)布了“下一代水下通信系統(tǒng)（Next Generation Undersea Communications）”的研究計(jì)劃征集[34]，其中水下—水面接口與網(wǎng)關(guān)是其重點(diǎn)方向之一。本文提出的聲電協(xié)同將是水下—水面網(wǎng)關(guān)融合水上無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和水聲網(wǎng)絡(luò)的重要方法。聲電協(xié)同也將是實(shí)現(xiàn)海洋信息網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)融合的重要方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

萬(wàn)物互聯(lián)向水下、海洋延伸是信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了聲電協(xié)同的技術(shù)框架，克服了水聲鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提升的限制。本文還深入討論了聲電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和協(xié)議。未來(lái)，海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)還進(jìn)一步與陸上網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，接入互聯(lián)網(wǎng)[35]。隨著海洋開(kāi)發(fā)的發(fā)展，陸上信息網(wǎng)絡(luò)向海洋、水下延伸是必然趨勢(shì)，將形成空、天、地、海一體化的萬(wàn)物互聯(lián)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[36]。

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Acoustic-radio cooperative marine information network

GUAN Quansheng, CHEN Weiqi, YU Hua, CHEN Fangjiong, JI Fei

School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

The transmissions of ocean information have to cross the water-air interface. In this case, the information transmission network architecture requires the efficient integration of the underwater acoustic network and the radio. However, the performance of the underwater acoustic link lags far behind the radio link, and becomes a bottleneck that restricts the performance of marine information networks. An acoustic-radio cooperative marine information network was proposed, which exploited the cooperation of acoustic and radio links to improve network performance. After demonstrating the advantages of acoustic-radio cooperation through three application scenarios, the network architecture and protocols, as well as the challenges for the acoustic-radio cooperative maritime information network were discussed. Acoustic-radio cooperation was not only an effective method for realizing the integration of air-water networks, but also an important method for realizing the integration of network communications, computing, and storage in marine information networks.

marine information network, wireless radio network, underwater acoustic network, acoustic-radio cooperation, network architecture

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018196

官權(quán)升（1985?），男，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)、水聲網(wǎng)絡(luò)、聲電協(xié)作網(wǎng)絡(luò)等。

陳偉琦（1986?），女，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)槎嗵暰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

余華（1973?），男，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與水聲通信。

陳芳炯（1975?），男，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)探測(cè)與估計(jì)、陣列信號(hào)處理和無(wú)線通信。

季飛（1970?），女，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)、水聲通信與網(wǎng)絡(luò)。

2018?05?01；

2018?06?09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61431005，No.61671208，No.U1701265，No.61771202）；廣東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究培育項(xiàng)目（No.2016A030308006）；廣州珠江科技新星計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.201610010043）

The National Natural Science Foundation of China (No.61431005, No.61671208, No.U1701265, No.61771202), Natural Science Foundation of Guangdong Province of China (No.2016A030308006), Pearl River S&T Nova Program of Guangzhou (No.201610010043)