段瑞洋，王景璟，杜軍，王云龍,2，沈淵，任勇

（1. 清華大學(xué)電子工程系，北京 100084；2. 國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心，河南 鄭州 450002）

1 引言

海洋信息網(wǎng)絡(luò)是人類用于認(rèn)知海洋、開發(fā)海洋和經(jīng)略海洋的信息網(wǎng)絡(luò)，包括海洋信息的獲取、傳輸、融合應(yīng)用等。海洋信息的獲取是指通過聲、光、電、磁、熱等物理手段來獲取海洋或者海洋目標(biāo)的各類信息；海洋信息的傳輸是指通過海上通信、水下的水聲通信、光通信等技術(shù)將獲取到的信息傳輸?shù)胶Ｉ匣蜿懙厣系男畔⑻幚碇行?；海洋信息的融合?yīng)用是指利用各種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)來對(duì)海洋信息進(jìn)行處理，以獲得各類海洋或海洋目標(biāo)資料，并指導(dǎo)相關(guān)應(yīng)用。

現(xiàn)階段國內(nèi)外在發(fā)展海洋各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，海洋信息的獲取、傳輸、融合應(yīng)用等已經(jīng)由分立的子系統(tǒng)向多網(wǎng)融合互聯(lián)的信息體系發(fā)展。然而，目前尚未出現(xiàn)比較成熟的海洋信息網(wǎng)絡(luò)，這為我國“走向海洋”戰(zhàn)略的實(shí)施帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，在綜述現(xiàn)有海洋信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究和深度分析未來海洋信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有海洋信息空間網(wǎng)絡(luò)的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋全天時(shí)、全天候、全海域的“三全”信息覆蓋。

2 海洋信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

2.1 海洋信息獲取

2.1.1 海上信息獲取

目前，海上信息獲取的主要手段包括海洋衛(wèi)星、海上巡邏機(jī)、科考船等。

海洋衛(wèi)星主要用于海洋監(jiān)視、海洋水色監(jiān)測(cè)、海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)等[1-2]。海洋監(jiān)視主要通過可見光成像儀、紅外成像儀、合成孔徑雷達(dá)等光學(xué)或電磁探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有海浪觀測(cè)、海面目標(biāo)探測(cè)追蹤、海洋污染監(jiān)測(cè)等功能。海洋水色監(jiān)測(cè)利用海洋水色成像儀獲取監(jiān)測(cè)海洋表層可見光及紅外輻射信息，實(shí)現(xiàn)反演海水葉綠素濃度、懸浮泥沙、有機(jī)物含量等信息[3]。海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)主要借助微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)等微波遙感器實(shí)現(xiàn)，其中，微波輻射計(jì)被動(dòng)接收海水自然微波輻射，獲取輻射強(qiáng)度和極化特性，并反演海水表面溫度、風(fēng)向風(fēng)速、鹽度等信息[4]；微波散射計(jì)主動(dòng)向海面發(fā)出電磁波并接收海洋表面散射波，實(shí)現(xiàn)反演海水表面風(fēng)速和風(fēng)向信息；雷達(dá)高度計(jì)向海水表面發(fā)送微波脈沖信號(hào)，通過測(cè)量其雙程傳輸時(shí)間確定海面高度，通過信號(hào)波形反演海面波動(dòng)。我國的海洋衛(wèi)星主要包括海洋一號(hào)（HY-1）、海洋二號(hào)（HY-2）和海洋三號(hào)（HY-3）這3個(gè)系列[5]，其中，HY-1系列衛(wèi)星主要用于海洋水色環(huán)境信息獲取，載荷包括海洋水色掃描儀和海岸帶成像儀；HY-2系列衛(wèi)星主要用于海洋動(dòng)力環(huán)境信息獲取，載荷包括微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)等；HY-3系列衛(wèi)星主要用于海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)，載荷為多極化多模式合成孔徑雷達(dá)。此外，我國首顆1 m分辨率C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星“高分三號(hào)”和首顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星“高分四號(hào)”也能用于海洋信息獲取。

海上巡邏機(jī)的主要用途包括海面目標(biāo)搜索、海上救援、反潛探測(cè)等[6]，主要信息獲取手段包括雷達(dá)探測(cè)、光學(xué)探測(cè)、磁探測(cè)等。雷達(dá)探測(cè)通過機(jī)載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)[7]，用于水面艦艇探測(cè)和監(jiān)視、空中導(dǎo)航和氣象監(jiān)測(cè)。光學(xué)探測(cè)主要通過微光夜視儀和紅外線探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)，其中，微光探測(cè)儀主要在夜間目標(biāo)搜索中使用；紅外線探測(cè)儀可以獲取水下潛艇等目標(biāo)輻射的紅外線，主要用于反潛和艦艇偵查。磁探測(cè)通過磁異探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)，可以探測(cè)到潛艇等金屬裝備引起的磁場(chǎng)變化，主要用于反潛探測(cè)。

科考船一般都配有完善的信息采集和探測(cè)系統(tǒng)及船上實(shí)驗(yàn)室，可用于海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物、海洋地質(zhì)、海洋氣象等海洋信息的采集和分析[8]，常用探測(cè)設(shè)備包括拖網(wǎng)、溫鹽深儀、測(cè)深儀、多普勒流速剖面儀、超短基線定位系統(tǒng)、測(cè)波儀、船載微波輻射計(jì)、船載氣象站等。較為著名的科考船包括英國的“發(fā)現(xiàn)”系列科考船、德國的“太陽”系列科考船等。我國也是世界上第一批建造科學(xué)考察船的國家之一，已先后設(shè)計(jì)并建造“科學(xué)”系列、“東方紅”系列、“向陽紅”系列等多個(gè)系列和型號(hào)的科學(xué)考察船[9]。

2.1.2 水下信息獲取

水下信息獲取主要通過聲、光、電磁等手段對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、觀察和識(shí)別。聲波被認(rèn)為是最適合在水下進(jìn)行長(zhǎng)距離信息獲取和傳輸?shù)氖侄?，但是由于海水的聲學(xué)環(huán)境非常復(fù)雜，聲信號(hào)的傳播路徑不穩(wěn)定，研究者們同時(shí)也致力于探索非聲探測(cè)手段，其中較為成熟的是磁探測(cè)技術(shù)和光探測(cè)技術(shù)。

聲學(xué)手段是目前最為成熟的技術(shù)手段，研究的主要內(nèi)容包括聲信號(hào)的獲取和處理，其中，光纖水聽器和矢量水聽器是水聲研究領(lǐng)域最具有代表性的兩大技術(shù)。光纖水聽器具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，常用于海底陣、拖曳陣等聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)中。目前，英國國防裝備及支援局、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室以及日本和意大利的防務(wù)系統(tǒng)都在研究開發(fā)光纖水聽器的相關(guān)系統(tǒng)。矢量水聽器最早由 Nehorai等[10]在1956年提出并演示，后來美國與前蘇聯(lián)同時(shí)開展了相關(guān)研究工作。矢量水聽器可以同步/共點(diǎn)測(cè)量聲壓標(biāo)量和質(zhì)點(diǎn)振速矢量，切實(shí)改善聲吶系統(tǒng)的聲學(xué)性能，因此也是當(dāng)前水聲傳感器研究的熱點(diǎn)之一[11]。聲學(xué)水下探測(cè)分為主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè)這2種工作方式。主動(dòng)探測(cè)多用于檢測(cè)安靜型水下目標(biāo)和各種水雷，但在淺海環(huán)境下易受到干擾，提高主動(dòng)探測(cè)在淺海環(huán)境下的穩(wěn)定性是近年來的研究重點(diǎn)[12]。被動(dòng)探測(cè)隱蔽性高，是對(duì)各類水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的重要手段[13]，但當(dāng)水聲傳播使聲源信號(hào)發(fā)生畸變時(shí)，被動(dòng)檢測(cè)方法可能會(huì)失效。水聲信號(hào)處理主要研究陣列信號(hào)處理、?；盘?hào)處理、多基地探測(cè)等。此外，目前的研究注重多傳感器、多特征信息的融合應(yīng)用，如何獲取更豐富的目標(biāo)特征信息，并對(duì)信息進(jìn)行融合是水聲探測(cè)的一個(gè)重要研究方向[14]。

水下視覺測(cè)量是對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量的常用方法[15]，但是由于電磁波在水中的嚴(yán)重衰減，水下視覺測(cè)量的距離一般比較近。水下視覺測(cè)量的重點(diǎn)是減小電磁波在水中的快速衰減對(duì)成像質(zhì)量的限制，目前，在實(shí)際中得到應(yīng)用且達(dá)到較好效果的成像技術(shù)包括激光掃描法、距離選通法、條紋管水下激光三維成像、偏振光水下成像等。此外，一些先進(jìn)的識(shí)別技術(shù)，如距離編碼、極化濾波、圖像提取等也將進(jìn)一步在水下成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

水下磁探測(cè)技術(shù)是各種非聲探測(cè)中發(fā)展較早、技術(shù)較成熟的一種探測(cè)方法。大多數(shù)水下軍事目標(biāo)由于自身選材的原因極易受到磁化，當(dāng)處于水下環(huán)境時(shí)，這些軍事目標(biāo)會(huì)表現(xiàn)出與地球磁場(chǎng)截然不同的磁場(chǎng)特性，因此可以被探測(cè)出來。水下磁探測(cè)技術(shù)主要用于尋找水下沉船、水雷等磁性物體，常用的高靈敏度水下磁探儀對(duì)于水下常規(guī)動(dòng)力潛艇的探測(cè)距離可以達(dá)到350～400 m，對(duì)核潛艇則可以達(dá)到600～800 m。目前，水下磁探測(cè)技術(shù)是在淺海地區(qū)最為可靠有效的探測(cè)技術(shù)[16]。

2.2 海洋信息傳輸

2.2.1 海上通信

海上通信主要包括海上無線通信、海洋衛(wèi)星通信和岸基移動(dòng)通信。海上無線通信主要采用中/高頻通信和甚高頻通信，在我國主要用于奈伏泰斯系統(tǒng)（NAVTEX, navigational telex）[17-18]和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS, automatic identification system）[19]。海洋衛(wèi)星通信主要依靠海事衛(wèi)星系統(tǒng)[20]（INMARSAT,international maritime satellite communication system），我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也能提供短分組通信服務(wù)[21]。岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由近海岸的陸地蜂窩網(wǎng)基站與船只用戶構(gòu)成，我國近海岸、海島及海上漂浮平臺(tái)上布置了大量的2G/3G/4G基站，為近海船只用戶提供通信即數(shù)據(jù)服務(wù)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，未來的岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅能為近海船只用戶提供穩(wěn)定可靠的通信服務(wù)，而且還能為智慧港口、智慧碼頭建設(shè)等提供有力的技術(shù)支撐。

目前，海洋通信主要的研究思路是將陸地通信網(wǎng)絡(luò)中較為成熟的技術(shù)，如LTE（long term evolution）、WiMAX（worldwide interoperability for microwave access）、WLAN（wireless local area network）等應(yīng)用到海洋場(chǎng)景中進(jìn)行海洋通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[22-30]。在這些工作中，比較有代表性的是 TRITON（TRI-media telematic oceanographic network）項(xiàng)目[22]，該項(xiàng)目將無線城域網(wǎng)移植于海上，主要利用WiMAX技術(shù)，基于IEEE 802.16協(xié)議開發(fā)一種高速、低成本的海上通信系統(tǒng)。除此之外，很多研究者考慮將海上蒸發(fā)波導(dǎo)通信[31-35]、散射通信[36-39]、流星余跡通信[40-42]等技術(shù)應(yīng)用于海上電磁波通信，以實(shí)現(xiàn)超視距傳輸。還有不少工作將自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[43-48]、多天線技術(shù)[49-53]和延遲容忍技術(shù)[54-59]應(yīng)用到海上通信系統(tǒng)中，在不同程度上都取得了很好的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

2.2.2 水聲通信

由于海水對(duì)電磁波的吸收嚴(yán)重，水聲通信成為了解決水下長(zhǎng)距離通信的重要手段。然而，水聲信道是迄今為止最復(fù)雜的無線通信信道之一，固有的窄帶、高噪、強(qiáng)多途、時(shí)空頻變、時(shí)延等給水聲通信技術(shù)設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)[60]。水聲通信系統(tǒng)在國外的發(fā)展要遠(yuǎn)早于中國，具有代表性的有美國海軍研究辦公室和空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部發(fā)起的可部署分布自主系統(tǒng)[61]和“SeaWeb”計(jì)劃[62-64]、歐洲防衛(wèi)局水下網(wǎng)絡(luò)的頑健聲學(xué)通信項(xiàng)目[65-66]。我國水聲通信系統(tǒng)研究起步較晚，但在國家“863”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等支持下，在通信算法、通信機(jī)研制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、組網(wǎng)應(yīng)用試驗(yàn)、協(xié)議規(guī)范制定等方面取得了一定的成績(jī)，比較有代表性的是國家“863”計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域“水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目研制了基于多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制、多進(jìn)制頻移鍵控、正交頻分復(fù)用等不同制式的水聲通信系統(tǒng)，并開展了海上試驗(yàn)[67-68]。

近些年，水聲通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究主要集中在水聲協(xié)議和軟硬件實(shí)現(xiàn)上[69]。水聲通信物理層核心技術(shù)包括信道模型設(shè)計(jì)、單載波相移鍵控、多進(jìn)制頻移鍵控、正交頻分復(fù)用技術(shù)、判決反饋均衡技術(shù)、時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)、稀疏信道估計(jì)與均衡技術(shù)、寬帶多普勒補(bǔ)償技術(shù)等[70-71]。水聲通信鏈路層關(guān)鍵技術(shù)分為多址技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)。目前，研究的多址技術(shù)包括頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、載波偵聽多路訪問、避免沖突多路訪問等[72-75]。對(duì)于差錯(cuò)控制，主要研究技術(shù)為前向差錯(cuò)修正和自動(dòng)重傳請(qǐng)求[76-78]。水聲通信網(wǎng)絡(luò)層主要解決數(shù)據(jù)分組如何從發(fā)送端到達(dá)接收端的路徑規(guī)劃，以及流量控制、擁塞控制等問題。目前的研究除了 VBF（vector-based forwarding proto）、FBR（focused beam routing）、REBAR（reliable and energy balanced routing algorithm）等典型的路由算法及其改進(jìn)算法[79-81]外，一些跨層路由策略和基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的路由算法也相繼被提出[82-84]。而水聲通信系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)也極為關(guān)鍵，硬件模塊設(shè)計(jì)主要研究聲吶垂直接收陣、收發(fā)合置換能器、功率放大器、前置濾波器、多路接收機(jī)、處理器、信號(hào)處理機(jī)、電源管理等模塊設(shè)計(jì)[85-87]。

2.2.3 水下光通信

水下光通信采用光作為信息傳輸?shù)妮d體，通過水下信道進(jìn)行信息傳輸。通常認(rèn)為，光波由于水體的吸收和散射，在水下傳輸時(shí)會(huì)有較大損耗，但是研究表明，波長(zhǎng)為470～540 nm的藍(lán)綠激光在水下的衰減非常小，因此水下光通信現(xiàn)有研究工作主要集中在藍(lán)綠激光波段。此外，水下光通信研究還集中在調(diào)制技術(shù)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)等方面。水下光通信系統(tǒng)常采用的調(diào)制技術(shù)包括OOK（on-off- keying）調(diào)制[88-90]、脈沖位置調(diào)制技術(shù)[91-93]、脈寬調(diào)制[94]等。除上述強(qiáng)度調(diào)制方案外，相干調(diào)制方案也在很多水下光通信系統(tǒng)中被應(yīng)用，典型的相干調(diào)制技術(shù)包括相移鍵控、正交幅度調(diào)制及正交頻分復(fù)用等技術(shù)[95-97]。

2.3 海洋大數(shù)據(jù)信息融合應(yīng)用

當(dāng)前，海洋數(shù)據(jù)來源不同，格式多樣，為了充分利用不同設(shè)備采集的海洋數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。目前，針對(duì)海洋數(shù)據(jù)融合處理的應(yīng)用主要集中在衛(wèi)星方面。

為提升對(duì)海洋的監(jiān)控能力，我國相繼發(fā)射了多顆海洋系列衛(wèi)星，用于對(duì)海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境等方面的監(jiān)測(cè)。通過融合已發(fā)射的海洋衛(wèi)星及其他遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用廣度和深度得到進(jìn)一步提升。例如，在海洋環(huán)境保護(hù)方面，通過融合相應(yīng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，制作了我國鄰近海域赤潮、溢油等業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)；在海洋預(yù)報(bào)減災(zāi)方面，通過融合不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)，切實(shí)提高了海溫預(yù)報(bào)的精度和實(shí)效性；在海洋資源開發(fā)方面，通過融合不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為全國海洋漁業(yè)生產(chǎn)提供了實(shí)時(shí)海況分析、魚情預(yù)報(bào)等服務(wù)。

另外，由于海洋觀測(cè)手段的不斷完善，海洋數(shù)據(jù)量呈爆炸性增長(zhǎng)，海洋數(shù)據(jù)融合處理已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。鑒于海洋大數(shù)據(jù)的重要性，國內(nèi)在陸續(xù)構(gòu)建一些海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)。2016年，作為“海洋科技城”的山東省青島市提出要打造國際化海洋大數(shù)據(jù)中心。同年 11月，浙江省舟山市啟動(dòng)海洋大數(shù)據(jù)中心建設(shè)。廣東省同樣在積極構(gòu)建海洋大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用平臺(tái)，在2018年1月舉行的廣東海洋大數(shù)據(jù)峰會(huì)上，一些海洋大數(shù)據(jù)綜合平臺(tái)應(yīng)用相繼亮相。此外，清華大學(xué)正在籌建海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)，該平臺(tái)將運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等應(yīng)用。

2.4 現(xiàn)有海洋信息網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

盡管我國在海洋信息的獲取、傳輸、融合應(yīng)用等分立系統(tǒng)已經(jīng)取得了很多成果，但現(xiàn)有的海洋信息網(wǎng)絡(luò)仍存在時(shí)間、空間和載荷這3個(gè)方面的短板，并且存在信息覆蓋不全、信息獲取不足、互聯(lián)互通不暢、信息應(yīng)用水平差等問題，如現(xiàn)有的空天網(wǎng)絡(luò)易受云層遮擋，且不能探測(cè)水下目標(biāo)。究其原因，是因?yàn)槿狈ν晟频男畔Ⅲw系，無法進(jìn)行全天時(shí)、全天候、全海域的實(shí)時(shí)信息覆蓋，在中遠(yuǎn)海尤其在水下，缺乏常駐平臺(tái)，因而缺乏信息的實(shí)時(shí)獲取及傳輸能力。本文提出了一種新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)作為技術(shù)探索，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有海洋信息網(wǎng)絡(luò)的不足，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、全海域的“三全”覆蓋。

3 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)

3.1 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)組成

本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，本文提出在現(xiàn)有海洋信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充“兩靜三動(dòng)”5類新型節(jié)點(diǎn)——水上水下共平臺(tái)基站、海底潛標(biāo)、艦艇、無人機(jī)和自主潛航器，構(gòu)成海域立體大蜂窩新架構(gòu)，組成岸、海、空、天、潛的一體化新體系，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、全海域的“三全”信息覆蓋。與現(xiàn)有海洋信息網(wǎng)絡(luò)相比，新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)主要增加了水上水下共平臺(tái)基站和自主潛航器。水上水下共平臺(tái)基站呈蜂窩狀分布，基站間距為100 km，相比于陸地蜂窩網(wǎng)基站，水上水下共平臺(tái)基站覆蓋范圍更大，因此可稱為大蜂窩架構(gòu)。水上水下共平臺(tái)基站搭載雷達(dá)、聲吶、無線通信設(shè)備、水聲通信設(shè)備等載荷，使其既是水上通信網(wǎng)基站，又是水下通信網(wǎng)基站。自主潛航器分布在共平臺(tái)基站覆蓋范圍內(nèi)，按照一定的路徑規(guī)劃在相鄰的基站間巡航，搭載聲吶、水聲通信設(shè)備等載荷，使其既是水下探測(cè)前端，又是重要的水聲通信節(jié)點(diǎn)。水上水下共平臺(tái)基站和自主潛航器都具有長(zhǎng)期存在易補(bǔ)充的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⑿畔⒏采w推廣到中遠(yuǎn)海及水下。海底潛標(biāo)、水面艦艇和空中無人機(jī)也是新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)重要骨干節(jié)點(diǎn)，可搭載聲、光、電、磁、熱等多種傳感器設(shè)備作為載荷，可以進(jìn)一步擴(kuò)大海上信息覆蓋范圍。本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)具有多樣化信息融合處理方式，如無人潛航器（AUV, autonomous underwater vehicle）、海底潛標(biāo)等組成的信息探測(cè)系統(tǒng)在獲取到信息后，可以分別通過水上/水下通信網(wǎng)將信息傳輸?shù)剿纤鹿财脚_(tái)基站，水上水下共平臺(tái)基站上搭載具備一定能力的信息處理平臺(tái)，既可以將信息在本地處理，也可以將信息通過無線通信系統(tǒng)回傳到陸地上進(jìn)行融合處理。因此，本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)海洋信息探測(cè)、傳輸和融合的無縫結(jié)合，可以在任何時(shí)間、任何氣候條件下，實(shí)現(xiàn)近海及中遠(yuǎn)海、水上及水下的全面信息覆蓋，即全天時(shí)、全天候、全海域的“三全”信息覆蓋。

3.2 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

本文提出的海洋信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是新型的信息體系架構(gòu)，本質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的系統(tǒng)，涉及2個(gè)網(wǎng)絡(luò)和4個(gè)系統(tǒng)。2個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別是通信網(wǎng)和探測(cè)網(wǎng)，4個(gè)系統(tǒng)分別是水上通信系統(tǒng)、水下通信系統(tǒng)、水上探測(cè)系統(tǒng)和水下探測(cè)系統(tǒng)，具體如圖2所示。

圖2 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

具體而言，水上水下共平臺(tái)基站、無人機(jī)與水面艦艇構(gòu)成水上通信系統(tǒng)；水上水下平臺(tái)基站、自主潛航器構(gòu)成水下通信系統(tǒng)；水上水下共平臺(tái)基站與水上通信網(wǎng)構(gòu)成水上探測(cè)系統(tǒng)；水上水下共平臺(tái)基站、自主潛航器、海底潛標(biāo)與水下通信網(wǎng)構(gòu)成水下探測(cè)系統(tǒng)。通過水上水下共平臺(tái)基站將2個(gè)網(wǎng)絡(luò)和4個(gè)系統(tǒng)形成信息體系，實(shí)現(xiàn)探測(cè)通信平臺(tái)一體，水上水下相輔相成，系統(tǒng)之間通過協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)體系效能的倍增。

新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)由主體塔網(wǎng)、移動(dòng)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)（水下增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)）和管理網(wǎng)組成。主體塔網(wǎng)是指固定的島基基站和海上漂浮塔基站，這些固定節(jié)點(diǎn)是保證主體需求所必需的，擁有較強(qiáng)的通信能力、探測(cè)能力和能源保障能力，能夠抵抗惡劣天氣及環(huán)境。無人機(jī)、艦船、無人潛航器等作為移動(dòng)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，可以增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍并提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬，也具有一定的探測(cè)能力。由于通信探測(cè)共平臺(tái)的特性，新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)中的很多節(jié)點(diǎn)既是骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，也是接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，支持現(xiàn)有各種不同的移動(dòng)通信終端接入。同時(shí)，新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)可與現(xiàn)有的和未來的地面網(wǎng)絡(luò)和天基網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，如圖3所示。

圖3 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)

在圖3中，新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)、天基網(wǎng)絡(luò)及體系內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間以標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)間、網(wǎng)內(nèi)協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過標(biāo)準(zhǔn)的用戶接口來提供服務(wù)。新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)的接口架構(gòu)如圖4所示，接口及其描述如表1所示。

3.3 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

圖4 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)接口架構(gòu)

表1 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)接口及其描述

采用軟件定義的理念，從技術(shù)上可以將新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)劃分為感知傳輸層、功能服務(wù)層和應(yīng)用系統(tǒng)層這3層，具體技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。通過南向接口統(tǒng)籌新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)信息體系資源形成資源池，支撐體系化的應(yīng)用服務(wù)；通過北向應(yīng)用服務(wù)接口，提供網(wǎng)絡(luò)通信、目標(biāo)探測(cè)、導(dǎo)航定位等各類應(yīng)用服務(wù)。

圖5 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

4 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)中的科學(xué)問題

盡管本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)已有許多現(xiàn)有的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和研究工作作為支撐，但是還有很多待解決的問題，這些問題可以歸納為如下4類。

4.1 平臺(tái)與載荷的定性定量關(guān)系

在新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)中，平臺(tái)與載荷是影響網(wǎng)絡(luò)效能的根本要素。平臺(tái)與載荷影響“三全”信息覆蓋的定性定量關(guān)系問題、態(tài)勢(shì)與任務(wù)的定量刻畫及其與網(wǎng)絡(luò)資源之間的動(dòng)態(tài)匹配問題是其中的關(guān)鍵問題。挖掘探測(cè)平臺(tái)、資源及探測(cè)目標(biāo)的異構(gòu)異質(zhì)復(fù)雜性導(dǎo)致資源管理的多樣化與隨機(jī)性，對(duì)多源協(xié)同探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨需適應(yīng)性及網(wǎng)絡(luò)探測(cè)能力可調(diào)配性的要求，分析動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源與協(xié)議體系對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能組成與劃分的支撐作用及其對(duì)應(yīng)關(guān)系是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.2 高效協(xié)同和系統(tǒng)探測(cè)能力相互制約關(guān)系

系統(tǒng)資源與任務(wù)的高效匹配、映射和面向任務(wù)的多源探測(cè)設(shè)備之間的高效協(xié)同是網(wǎng)絡(luò)探測(cè)中的關(guān)鍵問題。如何在保證探測(cè)能力的前提下減小系統(tǒng)開銷、如何在資源受限的情況下通過協(xié)同提高系統(tǒng)探測(cè)能力是新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.3 影響通信網(wǎng)絡(luò)容量界的因素及其定量關(guān)系

廣域稀布陣下的無線多跳傳輸容量極限和安全性、公平性等多種因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響及其與通信速率的折中是網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中的關(guān)鍵問題。面向多跳分集傳輸?shù)膫鬏斂刂茀f(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院偷蜁r(shí)延，設(shè)計(jì)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能、公平性等因素的路由選擇算法是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.4 業(yè)務(wù)需求影響時(shí)空相關(guān)融合的作用原理

面向業(yè)務(wù)需求的大時(shí)空尺度下多源異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合原理與方法及不同業(yè)務(wù)影響數(shù)據(jù)相關(guān)融合度的作用原理是網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。發(fā)展高效的數(shù)據(jù)挖掘分析方法、研究面向業(yè)務(wù)需求的多源異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

5 新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

為了支撐新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，需要對(duì)多種關(guān)鍵技術(shù)展開研究，如多基地雷達(dá)探測(cè)與跟蹤、海上蒸發(fā)波導(dǎo)通信、水上水下共平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、任務(wù)隨需的海洋大數(shù)據(jù)信息融合及群體智能等。

5.1 多基地雷達(dá)探測(cè)與跟蹤

海面環(huán)境中，各島基/塔基雷達(dá)平臺(tái)之間無線通信很難長(zhǎng)期保證穩(wěn)定。在帶寬、誤碼率、時(shí)延等無線通信指標(biāo)非理想條件下，需要研究多基地雷達(dá)協(xié)同檢測(cè)技術(shù)，分析檢測(cè)性能對(duì)通信條件、信雜噪比、處理時(shí)間等因素的需求。此外，水上探測(cè)系統(tǒng)的一大關(guān)鍵目標(biāo)是檢測(cè)超高速飛行器，但是其具有明顯的高速、高機(jī)動(dòng)特點(diǎn)，容易導(dǎo)致單一雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)跡缺失。多基地雷達(dá)能夠以大空間角跨度觀測(cè)同一目標(biāo)，但是需要研究不同雷達(dá)之間的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)跡有效補(bǔ)盲和無間斷跟蹤。

5.2 海上蒸發(fā)波導(dǎo)通信

受海洋環(huán)境限制，海上往往需要實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信，甚至超視距通信，因此能否有效利用海面蒸發(fā)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)多頻段低仰角掠海超視距傳輸技術(shù)、提高鏈路可靠性成為水上通信與組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

5.3 水上水下共平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

水上水下共平臺(tái)基站既是水上基站又是水下基站，由于其融合了水上通信系統(tǒng)和水下通信系統(tǒng)，因此現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議不再適用，需要研究新的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來提高水上水下通信效率。

5.4 任務(wù)隨需的海洋大數(shù)據(jù)信息融合

新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為了提高海洋大數(shù)據(jù)信息融合應(yīng)用水平，需要研究適用的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)條件下數(shù)據(jù)智能化處理和融合。

5.5 群體智能

無人潛航器之間的協(xié)作有利于提高信息獲取及傳輸效率，但是現(xiàn)階段無人潛航器之間協(xié)作效率低，需要研究新的群體智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人潛航器之間的深度協(xié)作，如智能化路徑設(shè)計(jì)、協(xié)同定位等。

6 海洋信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景

本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景，具體地，在構(gòu)建近海防御、海洋交通運(yùn)輸安全管理、海洋自然資源管理和環(huán)境保護(hù)、海上應(yīng)急救援、海洋科學(xué)考察等方面均可發(fā)揮重要的技術(shù)支撐和保障作用。

6.1 近海防御

現(xiàn)階段我國近海海域空間存在著信息覆蓋范圍有限、信息感知能力不足、多源信息融合手段欠缺、目標(biāo)檢測(cè)追蹤能力差等問題，尤其對(duì)隱身飛機(jī)、靜音潛艇等重點(diǎn)目標(biāo)缺乏有效的探測(cè)手段。本文提出的海洋信息網(wǎng)絡(luò)能夠與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)融合，構(gòu)成岸、海、空、天、潛多空間融合，聲、光、電、磁、熱多種探測(cè)手段一體，主被動(dòng)探測(cè)手段協(xié)同的海域監(jiān)測(cè)體系，能夠大大提升我國近海防御能力。

6.2 海洋交通運(yùn)輸安全管理

現(xiàn)階段我國海運(yùn)發(fā)展存在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、監(jiān)測(cè)監(jiān)管手段不到位、重大突發(fā)事件應(yīng)急保障能力不完善等問題。本文提出的海洋信息網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行智能環(huán)境感知，并通過船只信息互聯(lián)獲取航行數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智能規(guī)劃、智能調(diào)控和智能管理，從而提升海洋交通運(yùn)輸安全管理水平。

6.3 海洋自然資源管理和環(huán)境保護(hù)

傳統(tǒng)的海上資源勘探技術(shù)如海上地震技術(shù)、海上電磁勘探技術(shù)、海上化學(xué)勘探技術(shù)等由于在信息接收和監(jiān)測(cè)上存在困難，都很難在深遠(yuǎn)海資源勘探取得令人滿意的效果，且傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段存在發(fā)現(xiàn)時(shí)間晚、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力不足的問題。本文提出的海洋信息網(wǎng)絡(luò)能夠通過水上/水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、無人自主潛航器等采集水下的各種海洋物理、化學(xué)數(shù)據(jù)，并從中分析得到有用的勘探數(shù)據(jù)，從而可以指導(dǎo)海洋資源勘探及開發(fā)，并對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提升海洋環(huán)境保護(hù)水平。

6.4 海上應(yīng)急救援

現(xiàn)階段我國海上應(yīng)急救援系統(tǒng)還不完善，存在發(fā)現(xiàn)時(shí)間晚、險(xiǎn)情評(píng)估不準(zhǔn)確等問題，本文提出的海洋信息網(wǎng)絡(luò)既能夠通過各類傳感器設(shè)備主動(dòng)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，也可以通過水上/水下通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)接收險(xiǎn)情信息，并在發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后及時(shí)進(jìn)行評(píng)估，并指導(dǎo)應(yīng)急救援工作，從而能夠極大提升海上應(yīng)急救援工作水平。

6.5 海洋科學(xué)考察

藍(lán)色經(jīng)濟(jì)需要海洋科技引領(lǐng)支撐，而海洋科技創(chuàng)新以海洋認(rèn)知為前提。海洋認(rèn)知能力的提升又依賴于海洋調(diào)查、觀測(cè)、勘探的能力和水平。目前，我國海洋綜合探測(cè)與研究主要依賴海洋科考船，但科考船存在著船舶和調(diào)查裝備使用缺乏統(tǒng)籌安排、船舶更新易出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)等問題，新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用將在極大程度上彌補(bǔ)科考船的劣勢(shì)。在新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)設(shè)立觀測(cè)站，可以對(duì)海域的水文信息、生物信息、環(huán)境信息等各種科學(xué)研究所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)并且將數(shù)據(jù)定時(shí)回傳，極大地方便了對(duì)于海域的科學(xué)研究，節(jié)省了船舶出行的成本。同時(shí)，科考船上進(jìn)行的科研以船舶為平臺(tái)，所能使用的設(shè)備和探測(cè)范圍有限，而海洋信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋了岸、海、空、天、潛。依托于新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)，可以擴(kuò)大科考范圍，增大數(shù)據(jù)采集頻率，使海洋科學(xué)的研究更加全面、深入。

7 結(jié)束語

海洋信息網(wǎng)絡(luò)涉及海洋信息獲取、傳輸、融合應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，且各環(huán)節(jié)越來越以一種綜合的方式呈現(xiàn)。本文從信息獲取、傳輸、融合應(yīng)用等角度綜述了海洋信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，并在深度分析未來海洋信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)。本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)在原有信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了“兩靜三動(dòng)”5類節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成海域立體大蜂窩新架構(gòu)，組成岸、海、空、天、潛一體化新體系，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、全海域暨“三全”信息覆蓋。隨后，本文對(duì)該新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、科學(xué)問題、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文提出的新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)是海洋信息體系研究方面的重要探索性工作，希望能夠啟發(fā)更多的科技工作者投入海洋信息網(wǎng)絡(luò)研究中來，從而推動(dòng)形成海洋信息網(wǎng)絡(luò)的新架構(gòu)、新標(biāo)準(zhǔn)。