一种海洋互联网系统架构及其仿真

周亮 姜胜明 李卓卡

摘要：随机科技的发展，互联网已经成为人们生活中不可或缺的一部分，陆地互联网已经非常发达，人们在陆地上可以很方便地接入互联网，而比陆地更广阔的是海洋，人类在海洋日益增多的活动需要一种便捷的、可靠的、性价比高的、快速的、覆盖水面水下的海洋互联网服务。目前海洋互联网主要基于卫星通信网络，卫星通信的缺点是价格高，速度慢。首先评估了可以用于构建海洋互联网的主要网络技术，提出了一种由多种网络系统联合组成的海洋互联网系统架构，并用Exata进行了仿真，证明了该架构的优越性和可行性。

关键词：海洋互联网；卫星 Exata仿真；無线自组网

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0048-03

1引言

随着计算机技术和网络通信技术的高速发展，人们的生活和工作越来越离不开网络，陆地上互联网基础设施已经比较完备，人们在陆地上可以随时随地接入Internet，比陆地更广阔的是海洋，我国是一个海洋大国，发展海洋互联网的重要性不言而喻。海洋互联网作为海洋基础设施，直接关系到海洋科学技术的发展，关系到国家安全，是实施海洋可持续发展战略的重要支撑，因而发展海洋互联网具有重要而深刻的意义[1]。

海洋互联网是指能在辽阔的海洋水域，包括水面和水下，提供互联网服务的网络系统。目前海洋互联网服务主要靠卫星系统来提供，不但速度低，成本高，而且通信费昂贵，不是普通用户所能承担得起的。所以，人们迫切希望能有一种廉价实用和方便的接海洋互联网服务。本文对构建海洋互联网的相关技术进行了介绍，提出了一种多网融合的海洋互联网架构。

2相关技术概述

2.1 卫星互联网

根据卫星轨道的高度不同，可以将卫星分为同步卫星，轨道高度为35786KM；中轨道卫星，轨道高度大于3000KM小于同步卫星轨道；低轨道卫星，轨道高度大约在200KM到3000KM[2]。同步卫星与地面观察者的相对位置不变，轨道周期为24小时。理论上，三个同步卫星可以覆盖几乎所有的地球表面。所以，同步卫星经常用来提供海洋互联网服务。但卫星制造、发射、运行和维护的成本相当高。在轨卫星的硬件升级和维修甚至相当于替换一个新的。举例来说，国际海事卫星组织的宽带全球区域网（Broadband Global Area Network）花费了至少10亿美元。而且，高轨道卫星的无线电在长距离的传输中产生了很高的丢失和衰减以至于必须使用体积庞大、传输功率大的终端设备，这对普通用户来说在经济上又是一个很大的负担。在高花费和低用户密度的情况下，卫星互联网对用户来说性价比非常低。

2.2 蜂窝网络

类似于WiMAX和LTE的高级蜂窝网络技术已经被使用于港口区域或密集航道用于给居民或来往的船只提供网络服务。2013年6月，电信运营商Verizon公司加强了他们在缅因州布斯贝港口周边的4G LTE网络覆盖。这项技术可以在最大半径百公里的范围内提供速度几百Mbps的网络。另外，华为的eWBB LTE解决方案可以在100千米半径的区域内提供下载速度和上传速度分别为100Mbps和50Mbps的网络。沿着海岸线架设更多的蜂窝网络是明智之举。岸基网络主要由设置在海岸线附近或者近岸岛屿上的某些类似于基站的陆地网络基础设施组成，形成近岸水域和陆地间的无线网络，将水域网络与陆地网络相连。当然岸基网络也有其局限性，相对于辽阔的海洋来说，其覆盖面积非常小。

2.3无线自组网

移动和无线局域网通常需要一定的基础设施如基站或接入点来协调终端之间的通信，终端之间无法直接通信。无线自组网（WANET）却恰恰相反，它不需要基础设施和终端就可以直接进行通信。此外，它的自组织和自愈合能力使得它很容易适应动态和不稳定的网络环境。这些特点已经为基于无线自组网（WANET）的海洋互联网方法所用，基于无线自组网的海洋网络方法尝试利用一切水面上配备无线通信设备的船舶、设施（如浮标），从而在水域部分组成一个自组网，进而使得船到船与船到岸可以通信。参考文献[7]是最早涉及这类思想，它提到在不使用卫星的情况下，WiMAX的网格网络为航行在地中海中的船舶提供船载因特网无线宽带接入服务。

2.4 高空平台

高空平台（HAP）是一种近似稳定在距离地表17 ～ 22公里的高度的空中通信平台。其主要优势包括部署简单又快速、成本低、容量大，以及以更短的延迟覆盖广泛的地区。HAP的覆盖面的半径可达一百公里，半径大小取决于其高度和仰角。带宽50-MHz、频率为28GHz的HAP在离地面10公里的高度可提供的下行传输速度高达320Mbps。因此，HAPs可以比岸基网络和基于WANET的方式覆盖更广泛的水域，它尤其适合海岸线附近的大型水域，比如沿着海岸线200海里范围内的专属经济区。谷歌的Loon项目研究通过利用平流层的气球，旨在为世界上的每个人都提供互联网接入，该项目于2013年6月首先在新西兰进行了测试。HAP所面临的一个重大挑战是整体长期的能量维持。在风和气流相对温和的平流层HAP需要能量来推进和定位。

3海洋互联网系统架构

综上所述，依靠单一的网络很难构建海洋互联网，本文提出一种由下列网络系统联合所组成的混合协作网络，以及相应的接入网的选择方法来为海洋互联网用户提供网络接入服务。这些网络包括岸基无线网络、水面无线自组织网络、水下无线自组织网络、飞行器无线机会网络、高空平台通信系统和卫星通信系统。其中岸基无线网络是本文针对海洋互联网而提出；水下无线自组织网络主要是由水下无线传感器和执行器所组成的网络；飞行器无线机会网络是由空中的飞机、气球等飞行器组成的无线自组织网络；高空平台通信系统是一种位于平流层（离地面17～22公里）的无线基站组成；而卫星通信系统是由太空中的人造通信卫星和地面站所组成。系统的整体架构如图1所示。

岸基无线网络的覆盖范围为靠近岸基20海里，近海船舶可以与通信基站联网，近海的航标、灯塔、观潮台、气象观察站等设置上的无线设备也可以与通信基站进行连接。岸基无线网络由部署在海岸线上和其附近水域和岛屿上的无线基站组成，与地面互联网相连接，将地面互联网扩展到所覆盖的水域。岸基网络可以采用3G及LTE技术，从而获得较大的网络带宽。如图1所示，船舶与船舶、航标等之间组成水面无线自组织网络。我们通过在水下部属一些设备，如无线传感器，它们之间形成水下无线自组网络，用户可以与水下无線自组网进行连接。水面和水下自组网可以采用2.4G Wi-Fi，这样做的好处就是成本低，速率高。在距离地面6千米至13千米的空中，飞机及其他飞行器组成飞行器无线机会网络。飞行器无线机会网络被用来提供无法保障的网海洋互联网服务，用在下列两种情形：（1）当岸基无线网络、水面无线自组织网络、高空平台通信系统和卫星通信系统在所需服务区域均不存在时；（2）需要多路冗余数据传输以提高传输的可靠性。

当沿海岸线的区域不适宜部署所述岸基无线网络时，可以通过20～50千米的高空通信平台中无人飞机或飞艇连接接入到陆地互联网，高空平台通信系统被用来为该区域提供无线信号覆盖；同时，高空平台通信系统与下列之一的网络系统相连：邻近的所述岸基无线网络、邻近的其他地面无线网络、邻近的所述高空平台通信系统、卫星通信系统；列在前面的将被优先选用。当仅需要临时性海洋互联网服务时，而所述岸基无线网络和水面无线自组织网络在所需服务区域均不存在时，所述高空平台通信系统被用来满足这样的需求；当这些需求结束时，高空平台通信系统也被撤离。

在用户不能与上述的所有网络时，可以通过卫星接入到互联网。若对网络的实时性要求较高时，如执行搜救任务，则选用卫星通信系统。

4 系统仿真及分析

本文采用Scalable Network Technologies 公司的Exata 作为仿真平台，建立一个70000m * 70000 m的场景，仿真场景相关参数如表1所示。

我们分别对LTE、WiFi、卫星网及本文的提出的基于混合网络的海洋互联网进行仿真，得到如下的网络性能参数的比较图表。

从图中可以看出，当船舶在离海岸10公里左右时，LTE和混合网络的网络吞吐量最大，超过8000 kbps，在离岸20公里左右时，混合网络的吞吐量最大，维持在8000 kbps 左右，当离岸超过30公里时，卫星网和混合网的网络吞吐量最大，接近1000 kbps， 其他两种的网络的吞吐量均为0，也就是说，离海岸超过30公里时，只有卫星网和混合网可以覆盖，但整体来说，混合网络比卫星网络吞吐量大，而且费用要低很多。因此，混合网还是有很大的优越性的。

5 结论

本文提出了一种由多种网络融合的海洋互联网架构，解决了单一网络带宽小，覆盖范围小，性价比不高的缺点，提出了用户选择接入海洋互联网的方案，通过仿真证实了系统的可行性和优越性。目前，海洋互联网的研究还处于起步阶段，有很多问题，如海洋互联网网络协议的设计，网络安全和管理，还需我们进一步研究。

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