周 洋 張 松 吳 明 熊 蓄

(1.中國(guó)人民解放軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(guó)人民解放軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913)(2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(zhǎng)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(fù)雜性為人們探索與開發(fā)海洋資源帶來(lái)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(duì)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(diǎn),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(diǎn); 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(xué)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(dāng)今世界,全球海洋經(jīng)濟(jì)正在興起,各國(guó)對(duì)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì),因此有效提高海洋資源勘探能力、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)能力以及海洋災(zāi)害預(yù)警能力成為了我國(guó)未來(lái)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和海洋權(quán)益保護(hù)的必要手段,同時(shí)這也在提高未來(lái)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)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(shí)體將水下物體智能互聯(lián)的全球范圍網(wǎng)絡(luò)[2],是一項(xiàng)計(jì)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(jìn)技術(shù),水下器件可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水下環(huán)境的感知、監(jiān)測(cè)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(gè)水下物理對(duì)象都伴隨一個(gè)虛擬對(duì)象,在虛擬對(duì)象上包含了該物理對(duì)象的當(dāng)前信息與歷史信息,信息的內(nèi)容包含了對(duì)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(shí)時(shí)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(xué)、海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、海底調(diào)查、災(zāi)害預(yù)警及救援、水雷探測(cè)、輔助導(dǎo)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(chǎng)景以及技術(shù)難點(diǎn)等方面對(duì)水下物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(jì)算能力與能量的限制,水下物聯(lián)網(wǎng)具有以下幾點(diǎn)特征。

2.1 不同的通信技術(shù)

無(wú)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(duì)較長(zhǎng)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(duì)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(jī)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(gè)時(shí)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(dòng)態(tài)變化的。在超過數(shù)十千米的長(zhǎng)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(lái)對(duì)物品進(jìn)行跟蹤,受水環(huán)境的阻隔,無(wú)線電標(biāo)簽在水下難以得到應(yīng)用,因此在水下物聯(lián)網(wǎng)中將會(huì)采用不同的技術(shù)對(duì)水下移動(dòng)物體進(jìn)行跟蹤(例如魚類等),其中聲標(biāo)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(biāo)簽,水下可探測(cè)距離可超過1km,可有效地在水下三維環(huán)境中跟蹤移動(dòng)物體。

2.3 難以補(bǔ)充能量

水下設(shè)備一般都是都很難獲得能量補(bǔ)充,多數(shù)是由電池提供能源。當(dāng)電池能量耗盡時(shí),水下設(shè)備就會(huì)失效,導(dǎo)致水下物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越來(lái)越少,網(wǎng)絡(luò)功能難以體現(xiàn)。而水下節(jié)點(diǎn)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(jì)水下物聯(lián)網(wǎng)各層協(xié)議時(shí),需要重點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量是巨大的。與之相反,考慮到水下節(jié)點(diǎn)成本以及水下布置的難度,水下物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是一個(gè)稀疏網(wǎng)絡(luò)[9],因此水下物聯(lián)網(wǎng)的通信建立與維護(hù)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(dòng)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(wú)法接收衛(wèi)星定位信號(hào),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(duì)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(diǎn)隨波逐流的特點(diǎn)、水下時(shí)間同步困難都為水下定位算法的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(shí)別物體并收集信息,各類水下傳感器、水下航行器、標(biāo)簽等設(shè)備組成水下傳感器網(wǎng)絡(luò),各個(gè)水下節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù),水下傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)感知到的數(shù)據(jù)匯聚至智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；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(jì)算平臺(tái)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(yùn)用水下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿足用戶的實(shí)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(diǎn)中繼連入岸基網(wǎng)絡(luò)。這里主要針對(duì)感知層中的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)開展進(jìn)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(gè)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(lái)說水下傳感器網(wǎng)絡(luò)需要將傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再由智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與岸基網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。根據(jù)智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)安置在水面通過無(wú)線電的方式與岸基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通,而水底匯聚型則是將智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)安置在海底,并通過海底光纜的方式與岸基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)出現(xiàn)故障,其維修將會(huì)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(diǎn)的移動(dòng)性,將其分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)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(diǎn)通過錨固定于水底或是通過連接水面的浮標(biāo)以達(dá)到相對(duì)靜止,故該類網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)就是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不變的或是相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而言存在可以忽略的移動(dòng)[11]。圖2給出了一個(gè)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(gè)層次,上層是連接于水面浮標(biāo)的吊掛式水下節(jié)點(diǎn),下層為通過錨固定于水底的懸浮式水下節(jié)點(diǎn)。

在這類網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點(diǎn)的深度是通過控制連接于浮標(biāo)或錨的連接纜的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)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(shì)。特別是對(duì)于上層的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),其數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)收集到數(shù)據(jù)中心的傳輸是通過水面浮標(biāo)上的無(wú)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(shí),用戶可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)的覆蓋度要求來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)的位置和深度,從而能保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)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(duì)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),一般情況下,其節(jié)點(diǎn)的位置是預(yù)先計(jì)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(diǎn)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(diǎn)補(bǔ)充相對(duì)比較困難,因此網(wǎng)絡(luò)的自愈能力會(huì)相對(duì)較差,在一定程度上會(huì)影響應(yīng)用效果。但相對(duì)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(shì),一方面由于節(jié)點(diǎn)的固定性,使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,從而在水下網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)上相對(duì)比較簡(jiǎn)單；另一方面由于節(jié)點(diǎn)的非移動(dòng)性使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(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(shí)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(diǎn),不同的是在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中加入了水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn),水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以分為有動(dòng)力的自主航行節(jié)點(diǎn)(如水下自主航行器、水下機(jī)器人等)和無(wú)動(dòng)力的隨水流移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(懸浮節(jié)點(diǎn)或漂浮節(jié)點(diǎn))。這些節(jié)點(diǎn)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(gè)三維靜態(tài)模型加入一些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)模型。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(lái)動(dòng)態(tài)選擇和重組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)感知。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的存在也能夠克服由于部分固定節(jié)點(diǎn)失效所造成的部分網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)還可以根據(jù)固定節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)量的多少選擇合適的路由,從而實(shí)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(duì)于混合型水下傳感器網(wǎng)絡(luò),可以認(rèn)為它是一個(gè)特殊的移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò),在該網(wǎng)絡(luò)中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí),提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率。同時(shí),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的存在大大降低了固定節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸上的能量消耗,從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可建立水面節(jié)點(diǎn)與水下節(jié)點(diǎn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括水下移動(dòng)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(diǎn)是不受空間位置限制,即節(jié)點(diǎn)可以在其所處環(huán)境中自由移動(dòng)。這也決定了該種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的[13]。

將兩類移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整合為如圖4所示的結(jié)構(gòu)。對(duì)于處于水面的自由漂浮網(wǎng)絡(luò)[14],通常這種節(jié)點(diǎn)都裝有無(wú)線收發(fā)器,能實(shí)現(xiàn)與陸地基站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。這類網(wǎng)絡(luò)通常用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、水質(zhì)實(shí)時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)可自由移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成。它們通過漂浮裝置實(shí)現(xiàn)在水底任意深度的移動(dòng)。不過與混合結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)行為所不同的是,這些節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)都是被動(dòng)的,其運(yùn)動(dòng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很大程度上受到水流、風(fēng)力、潮汐和波浪等的綜合影響。正是由于節(jié)點(diǎn)可以隨著水流等的影響而運(yùn)動(dòng),使得這種網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面體現(xiàn)了很大的優(yōu)勢(shì),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(shí)性。這種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒有任何的約束,具有自由浮動(dòng)的特點(diǎn),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變成為網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn),這給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)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?fù)淇刂茙?lái)很大的困難。若將上述兩類移動(dòng)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(diǎn)同時(shí)擁有水下通信的功能,也需要水下節(jié)點(diǎn)能具有動(dòng)態(tài)建立路由和通信鏈路的能力,增加了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(fù)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等方面的性能,在水下無(wú)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(diǎn),又能充分利用無(wú)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(cè)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(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)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(wú)線電方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在深度方向上具有一條附著多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)纜(該纜可為光電復(fù)合纜,長(zhǎng)度可隨實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行變化),附著在纜上的智能節(jié)點(diǎn)與處于相近深度的水下傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)平面,稱為虛擬層。在虛擬層中,各智能節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)形成簇狀結(jié)構(gòu),由其自身?yè)?dān)任簇頭節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)簇的管理和數(shù)據(jù)的收集。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將其監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭智能節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)再通過纜傳輸給水面上的無(wú)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(rèn)為是水下應(yīng)用環(huán)境中一個(gè)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(diǎn),克服了由于水下惡劣環(huán)境和有限資源所引起缺點(diǎn)。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(diǎn)的能量供應(yīng)問題。同時(shí),由于可以利用有線連接將匯聚節(jié)點(diǎn)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(duì)于需要獲取水下實(shí)時(shí)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(zhǎng)距離的線纜布設(shè)將是昂貴和困難的,這會(huì)給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來(lái)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(diǎn)通過纜向水面節(jié)點(diǎn)傳輸,同時(shí)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(duì)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(dǎo)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(diǎn)

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(lái)了很大的挑戰(zhàn)。鑒于水下物聯(lián)網(wǎng)的這個(gè)特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)管理需要具備自配置、自愈、自優(yōu)化、自保護(hù)能力[17]。其中自配置能力與網(wǎng)絡(luò)中各部件的自動(dòng)配置能力有關(guān),該能力在協(xié)同運(yùn)作方面十分重要,例如水下節(jié)點(diǎn)之間需要交互配置信息、位置信息以及運(yùn)動(dòng)信息,并根據(jù)信息交互結(jié)果實(shí)時(shí)更改配置,以順利完成協(xié)同任務(wù)；自愈能力主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中新成員的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)以及錯(cuò)誤的自動(dòng)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(huì)出現(xiàn)時(shí)變的通信盲區(qū),在通信盲區(qū)的節(jié)點(diǎn)將無(wú)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(hù)與重構(gòu)；自優(yōu)化能力的重點(diǎn)在于自動(dòng)檢測(cè)并控制網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)保證性能的優(yōu)化,水下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中應(yīng)該可以通過標(biāo)簽或傳感器的輔助來(lái)自主學(xué)習(xí)特定的應(yīng)用信息,用來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化；自保護(hù)能力用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)保護(hù),避免網(wǎng)絡(luò)受到攻擊,攻擊者可能會(huì)攔截?cái)?shù)據(jù)包、修改數(shù)據(jù)或?qū)嵤└蓴_導(dǎo)致丟包,水下物聯(lián)網(wǎng)需要尋求適用的安全機(jī)制保護(hù)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(diǎn)不僅有固定不動(dòng),更多的節(jié)點(diǎn)是可以自主移動(dòng)的,跟蹤技術(shù)必不可少,特別是針對(duì)水下生物的跟蹤,需要進(jìn)一步開展研究,主要需要考慮標(biāo)簽是否會(huì)對(duì)水下生物造成傷害或限制其活動(dòng),具體包括標(biāo)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(diǎn)壽命密切相關(guān),而水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量難以補(bǔ)充,節(jié)點(diǎn)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?fù)鋵?duì)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù),對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)也要關(guān)注能量的均衡,要避免部分節(jié)點(diǎn)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(shì)是將多個(gè)水下物體連通起來(lái),實(shí)現(xiàn)信息的交互,在執(zhí)行某些復(fù)雜任務(wù)時(shí),單個(gè)節(jié)點(diǎn)難以獨(dú)立完成,需要多個(gè)同類節(jié)點(diǎn)或異類節(jié)點(diǎn)共同完成,這時(shí)水下物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)之間的信息交互,還要進(jìn)行分析與規(guī)劃,給出優(yōu)化的行動(dòng)方案,可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)包括了資源與任務(wù)調(diào)度技術(shù)、編隊(duì)技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。

4.5 跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

由于水下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中,不同層可能有相同的關(guān)注重點(diǎn),例如各個(gè)層次設(shè)計(jì)時(shí)均要重點(diǎn)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(jìn)行跨層的聯(lián)合設(shè)計(jì),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(jì)就是跨層設(shè)計(jì)的典型,可以使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)有效利用信道,避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞和能量的過度消耗,達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和使用壽命的目的。

4.6 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

本文中水下物聯(lián)網(wǎng)涉及的節(jié)點(diǎn)種類尚不完備,未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展,水下物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的節(jié)點(diǎn)種類越來(lái)越多,各種水下異構(gòu)節(jié)點(diǎn)、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(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此需要研究制定水下物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從頂層架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)形式、通信方式、組網(wǎng)協(xié)議等方面進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化工作,確保水下物聯(lián)網(wǎng)的功能得以實(shí)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(xué)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(xué)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)桨哆?可以實(shí)現(xiàn)信息的自適應(yīng)采集。有效地提高海洋觀測(cè)能力和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)能力。

2) 海洋資源的開發(fā)。海洋中蘊(yùn)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(cè)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(xiàng)指標(biāo),保證開發(fā)安全。

3) 環(huán)境監(jiān)測(cè)。水下物聯(lián)網(wǎng)可以用于水環(huán)境的污染監(jiān)測(cè),它可以實(shí)時(shí)獲取水環(huán)境中PH值變化、濁度變化、氧含量變化以及各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)的變化,從而有效監(jiān)測(cè)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(lái)對(duì)海洋生物等進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)用于了解人類活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4) 災(zāi)害預(yù)報(bào)。布置在海底的水下物聯(lián)網(wǎng)可以監(jiān)測(cè)到遠(yuǎn)處的地震活動(dòng),隨之可以向岸邊發(fā)送海嘯警報(bào)并且水下物聯(lián)網(wǎng)也可以協(xié)助研究海嘯的產(chǎn)生機(jī)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(cè)系統(tǒng),通過各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)有效識(shí)別入侵目標(biāo)以及跟蹤目標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的雷達(dá)與聲吶系統(tǒng),水下物聯(lián)網(wǎng)能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),可提高監(jiān)測(cè)精度和覆蓋范圍。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水下物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(duì)架構(gòu)感知層中的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)分析,同時(shí)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(diǎn),并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

未來(lái),水下物聯(lián)網(wǎng)的研究需要針對(duì)其特征攻克相關(guān)技術(shù)難點(diǎn),整合各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)形成標(biāo)準(zhǔn)化的總體架構(gòu),在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(wú)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