周亮 姜勝明 李卓卡

摘要：隨機科技的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，陸地互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)非常發(fā)達，人們在陸地上可以很方便地接入互聯(lián)網(wǎng)，而比陸地更廣闊的是海洋，人類在海洋日益增多的活動需要一種便捷的、可靠的、性價比高的、快速的、覆蓋水面水下的海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。目前海洋互聯(lián)網(wǎng)主要基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信的缺點是價格高，速度慢。首先評估了可以用于構(gòu)建海洋互聯(lián)網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種由多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)合組成的海洋互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，并用Exata進行了仿真，證明了該架構(gòu)的優(yōu)越性和可行性。

關(guān)鍵詞：海洋互聯(lián)網(wǎng)；衛(wèi)星 Exata仿真；無線自組網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0048-03

1引言

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們的生活和工作越來越離不開網(wǎng)絡(luò)，陸地上互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)比較完備，人們在陸地上可以隨時隨地接入Internet，比陸地更廣闊的是海洋，我國是一個海洋大國，發(fā)展海洋互聯(lián)網(wǎng)的重要性不言而喻。海洋互聯(lián)網(wǎng)作為海洋基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系到海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)系到國家安全，是實施海洋可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐，因而發(fā)展海洋互聯(lián)網(wǎng)具有重要而深刻的意義[1]。

海洋互聯(lián)網(wǎng)是指能在遼闊的海洋水域，包括水面和水下，提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)主要靠衛(wèi)星系統(tǒng)來提供，不但速度低，成本高，而且通信費昂貴，不是普通用戶所能承擔(dān)得起的。所以，人們迫切希望能有一種廉價實用和方便的接海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。本文對構(gòu)建海洋互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)進行了介紹，提出了一種多網(wǎng)融合的海洋互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

2相關(guān)技術(shù)概述

2.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)衛(wèi)星軌道的高度不同，可以將衛(wèi)星分為同步衛(wèi)星，軌道高度為35786KM；中軌道衛(wèi)星，軌道高度大于3000KM小于同步衛(wèi)星軌道；低軌道衛(wèi)星，軌道高度大約在200KM到3000KM[2]。同步衛(wèi)星與地面觀察者的相對位置不變，軌道周期為24小時。理論上，三個同步衛(wèi)星可以覆蓋幾乎所有的地球表面。所以，同步衛(wèi)星經(jīng)常用來提供海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。但衛(wèi)星制造、發(fā)射、運行和維護的成本相當(dāng)高。在軌衛(wèi)星的硬件升級和維修甚至相當(dāng)于替換一個新的。舉例來說，國際海事衛(wèi)星組織的寬帶全球區(qū)域網(wǎng)（Broadband Global Area Network）花費了至少10億美元。而且，高軌道衛(wèi)星的無線電在長距離的傳輸中產(chǎn)生了很高的丟失和衰減以至于必須使用體積龐大、傳輸功率大的終端設(shè)備，這對普通用戶來說在經(jīng)濟上又是一個很大的負擔(dān)。在高花費和低用戶密度的情況下，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對用戶來說性價比非常低。

2.2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

類似于WiMAX和LTE的高級蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被使用于港口區(qū)域或密集航道用于給居民或來往的船只提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。2013年6月，電信運營商Verizon公司加強了他們在緬因州布斯貝港口周邊的4G LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這項技術(shù)可以在最大半徑百公里的范圍內(nèi)提供速度幾百Mbps的網(wǎng)絡(luò)。另外，華為的eWBB LTE解決方案可以在100千米半徑的區(qū)域內(nèi)提供下載速度和上傳速度分別為100Mbps和50Mbps的網(wǎng)絡(luò)。沿著海岸線架設(shè)更多的蜂窩網(wǎng)絡(luò)是明智之舉。岸基網(wǎng)絡(luò)主要由設(shè)置在海岸線附近或者近岸島嶼上的某些類似于基站的陸地網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成，形成近岸水域和陸地間的無線網(wǎng)絡(luò)，將水域網(wǎng)絡(luò)與陸地網(wǎng)絡(luò)相連。當(dāng)然岸基網(wǎng)絡(luò)也有其局限性，相對于遼闊的海洋來說，其覆蓋面積非常小。

2.3無線自組網(wǎng)

移動和無線局域網(wǎng)通常需要一定的基礎(chǔ)設(shè)施如基站或接入點來協(xié)調(diào)終端之間的通信，終端之間無法直接通信。無線自組網(wǎng)（WANET）卻恰恰相反，它不需要基礎(chǔ)設(shè)施和終端就可以直接進行通信。此外，它的自組織和自愈合能力使得它很容易適應(yīng)動態(tài)和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這些特點已經(jīng)為基于無線自組網(wǎng)（WANET）的海洋互聯(lián)網(wǎng)方法所用，基于無線自組網(wǎng)的海洋網(wǎng)絡(luò)方法嘗試?yán)靡磺兴嫔吓鋫錈o線通信設(shè)備的船舶、設(shè)施（如浮標(biāo)），從而在水域部分組成一個自組網(wǎng)，進而使得船到船與船到岸可以通信。參考文獻[7]是最早涉及這類思想，它提到在不使用衛(wèi)星的情況下，WiMAX的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)為航行在地中海中的船舶提供船載因特網(wǎng)無線寬帶接入服務(wù)。

2.4 高空平臺

高空平臺（HAP）是一種近似穩(wěn)定在距離地表17 ～ 22公里的高度的空中通信平臺。其主要優(yōu)勢包括部署簡單又快速、成本低、容量大，以及以更短的延遲覆蓋廣泛的地區(qū)。HAP的覆蓋面的半徑可達一百公里，半徑大小取決于其高度和仰角。帶寬50-MHz、頻率為28GHz的HAP在離地面10公里的高度可提供的下行傳輸速度高達320Mbps。因此，HAPs可以比岸基網(wǎng)絡(luò)和基于WANET的方式覆蓋更廣泛的水域，它尤其適合海岸線附近的大型水域，比如沿著海岸線200海里范圍內(nèi)的專屬經(jīng)濟區(qū)。谷歌的Loon項目研究通過利用平流層的氣球，旨在為世界上的每個人都提供互聯(lián)網(wǎng)接入，該項目于2013年6月首先在新西蘭進行了測試。HAP所面臨的一個重大挑戰(zhàn)是整體長期的能量維持。在風(fēng)和氣流相對溫和的平流層HAP需要能量來推進和定位。

3海洋互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

綜上所述，依靠單一的網(wǎng)絡(luò)很難構(gòu)建海洋互聯(lián)網(wǎng)，本文提出一種由下列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)合所組成的混合協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，以及相應(yīng)的接入網(wǎng)的選擇方法來為海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。這些網(wǎng)絡(luò)包括岸基無線網(wǎng)絡(luò)、水面無線自組織網(wǎng)絡(luò)、水下無線自組織網(wǎng)絡(luò)、飛行器無線機會網(wǎng)絡(luò)、高空平臺通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其中岸基無線網(wǎng)絡(luò)是本文針對海洋互聯(lián)網(wǎng)而提出；水下無線自組織網(wǎng)絡(luò)主要是由水下無線傳感器和執(zhí)行器所組成的網(wǎng)絡(luò)；飛行器無線機會網(wǎng)絡(luò)是由空中的飛機、氣球等飛行器組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)；高空平臺通信系統(tǒng)是一種位于平流層（離地面17～22公里）的無線基站組成；而衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由太空中的人造通信衛(wèi)星和地面站所組成。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

岸基無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍為靠近岸基20海里，近海船舶可以與通信基站聯(lián)網(wǎng)，近海的航標(biāo)、燈塔、觀潮臺、氣象觀察站等設(shè)置上的無線設(shè)備也可以與通信基站進行連接。岸基無線網(wǎng)絡(luò)由部署在海岸線上和其附近水域和島嶼上的無線基站組成，與地面互聯(lián)網(wǎng)相連接，將地面互聯(lián)網(wǎng)擴展到所覆蓋的水域。岸基網(wǎng)絡(luò)可以采用3G及LTE技術(shù)，從而獲得較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。如圖1所示，船舶與船舶、航標(biāo)等之間組成水面無線自組織網(wǎng)絡(luò)。我們通過在水下部屬一些設(shè)備，如無線傳感器，它們之間形成水下無線自組網(wǎng)絡(luò)，用戶可以與水下無線自組網(wǎng)進行連接。水面和水下自組網(wǎng)可以采用2.4G Wi-Fi，這樣做的好處就是成本低，速率高。在距離地面6千米至13千米的空中，飛機及其他飛行器組成飛行器無線機會網(wǎng)絡(luò)。飛行器無線機會網(wǎng)絡(luò)被用來提供無法保障的網(wǎng)海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，用在下列兩種情形：（1）當(dāng)岸基無線網(wǎng)絡(luò)、水面無線自組織網(wǎng)絡(luò)、高空平臺通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)在所需服務(wù)區(qū)域均不存在時；（2）需要多路冗余數(shù)據(jù)傳輸以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

當(dāng)沿海岸線的區(qū)域不適宜部署所述岸基無線網(wǎng)絡(luò)時，可以通過20～50千米的高空通信平臺中無人飛機或飛艇連接接入到陸地互聯(lián)網(wǎng)，高空平臺通信系統(tǒng)被用來為該區(qū)域提供無線信號覆蓋；同時，高空平臺通信系統(tǒng)與下列之一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連：鄰近的所述岸基無線網(wǎng)絡(luò)、鄰近的其他地面無線網(wǎng)絡(luò)、鄰近的所述高空平臺通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)；列在前面的將被優(yōu)先選用。當(dāng)僅需要臨時性海洋互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時，而所述岸基無線網(wǎng)絡(luò)和水面無線自組織網(wǎng)絡(luò)在所需服務(wù)區(qū)域均不存在時，所述高空平臺通信系統(tǒng)被用來滿足這樣的需求；當(dāng)這些需求結(jié)束時，高空平臺通信系統(tǒng)也被撤離。

在用戶不能與上述的所有網(wǎng)絡(luò)時，可以通過衛(wèi)星接入到互聯(lián)網(wǎng)。若對網(wǎng)絡(luò)的實時性要求較高時，如執(zhí)行搜救任務(wù)，則選用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)仿真及分析

本文采用Scalable Network Technologies 公司的Exata 作為仿真平臺，建立一個70000m * 70000 m的場景，仿真場景相關(guān)參數(shù)如表1所示。

我們分別對LTE、WiFi、衛(wèi)星網(wǎng)及本文的提出的基于混合網(wǎng)絡(luò)的海洋互聯(lián)網(wǎng)進行仿真，得到如下的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的比較圖表。

從圖中可以看出，當(dāng)船舶在離海岸10公里左右時，LTE和混合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，超過8000 kbps，在離岸20公里左右時，混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大，維持在8000 kbps 左右，當(dāng)離岸超過30公里時，衛(wèi)星網(wǎng)和混合網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，接近1000 kbps， 其他兩種的網(wǎng)絡(luò)的吞吐量均為0，也就是說，離海岸超過30公里時，只有衛(wèi)星網(wǎng)和混合網(wǎng)可以覆蓋，但整體來說，混合網(wǎng)絡(luò)比衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)吞吐量大，而且費用要低很多。因此，混合網(wǎng)還是有很大的優(yōu)越性的。

5 結(jié)論

本文提出了一種由多種網(wǎng)絡(luò)融合的海洋互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，解決了單一網(wǎng)絡(luò)帶寬小，覆蓋范圍小，性價比不高的缺點，提出了用戶選擇接入海洋互聯(lián)網(wǎng)的方案，通過仿真證實了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。目前，海洋互聯(lián)網(wǎng)的研究還處于起步階段，有很多問題，如海洋互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)安全和管理，還需我們進一步研究。

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