海洋物联网水面及水下多模通信技术研究进展_罗汉江.pdf

第 卷第期 年月山东科技大学学报（自然科学版）（）：文章编号：（）海洋物联网水面及水下多模通信技术研究进展罗汉江，卜凡峰，王京龙，杨玉婷（山东科技大学 计算机科学与工程学院，山东 青岛 ）摘要：海洋物联网水面及水下多模通信借助通信技术的多样性和灵活性，实现高效可靠的数据传输，引起了研究者的广泛关注。该技术旨在利用水声、无线电、光学等多种无线通信技术的互补性，并融合软件定义技术、强化学习、深度学习等人工智能技术，以提供高效、可定制、智能化的自适应网络。本研究首先讨论了海洋物联网水面及水下多种无线通信及融合技术；然后，重点针对海空跨介质多模通信技术及水下多模通信技术的研究进展作了系统的综述；最后，针对海洋物联网水面及水下多模通信技术的未来发展进行探讨与展望。关键词：海洋物联网；水面及水下网络；多模通信技术；海空跨介质通信；研究进展中图分类号：文献标志码：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；山东省自然科学基金项目（）作者简介：罗汉江（），男，山东淄博人，教授，博士，主要从事人工智能、智慧海洋、工业互联网、多智能体强化学习、无人机及机器人集群智能协同等研究 ，（，）：，：；随着我国海洋强国战略的推进及智慧海洋的快速建设，海洋物联网技术受到了广泛关注。海洋物联网的发展必然要融合、软件定义技术、强化学习、深度学习等人工智能技术，构建“空天地海”多维度一体化网络，推动具有全域感知及泛在连接、高带宽、低延时、高速可靠数据传输的新型海洋物联网的研究与应用。然而，由于水气通信介质的差异、恶劣海洋环境的影响，导致在建立陆基站、机载节点（即卫星、飞机和无人机）和水下传感器节点之间的网络连接时，存在海空跨介质通信信道复杂度高、水下网络传输效率低山东科技大学学报（自然科学版）年第期等问题。为了解决上述问题，研究者提出多模通信的概念。海洋物联网多模通信是指在通信设备上集成两个或多个物理层技术，包括基于不同的物理层技术（如声学和光学）或基于相同物理层技术的不同表现（如工作在不同且互不干扰频段上的多个声学系统中），以解决海空跨介质通信和水下高速网络构建等问题。海洋多模通信网络体系结构由水面和水下两个部分组成，如图所示。其中，水下传感器由锚定节点和移动节点组成，节点之间采用声波和光波的混合通信进行水下传感数据的收集和转发；水面节点和机载节点充当水下数据接收器，通过声或光通信接收水下数据，然后使用无线电通信转发至陆基站进行数据处理和分析。然而，上述无线通信技术在单独应用时各有优缺点。例如，无线电通信能够提供广泛的海洋表面网络覆盖，但高频无线电波在海水中传播时会遭受严重衰减，限制了其在水下的通信距离；水下声通信（，）作为水下无线通信的补充技术，既能以数百 的数据速率传输数公里，也能以数十 的数据速率传输数百米，但受限于水下声波的传播速度和频率，存在时延高、能量消耗大等缺陷。为了弥补 的不足，近年来提出的低能耗、高带宽、高速率的水下无线光通信（，）技术受到广泛关注。然而，通信距离短，且易受海洋浊度和光对准的影响，导致其在鲁棒性方面远不如 。图海洋多模通信网络体系结构 正是由于多种通信技术的性能差异，促进了多模通信的发展。因此，如何融合多种无线通信技术，实现优势互补，构建高效的海空跨介质通信和水下无线传感器网络成为海洋物联网多模通信研究的重点。然而，海空跨介质多模通信虽然能够有效地实现水面与水下网络的互联互通，但仍存在以下问题：通过配有多个收发器接口的浮标建立中继点可以实现海空跨介质通信，但存在水面与水下网络效率不均衡、信道模型复杂等问题 ；海上中继节点目标明显，面临安全隐患，并且额外的跳数增加了端到端延迟，亟需更加灵活、安全、高效的跨介质通信技术。此外，随着水下应用对网络性能要求的提升，水下多模通信在构建可靠、节能、高速网络时存在以下问题：多频段声波信号能够实现中低速网络数据传输，但存在噪声干扰和能量消耗大等问题，如何根据信道状态和应用需求动态调整通信模态是声波多模通信面临的主要问题；为建立高速水下网络，亟需克服光对准严格和通信距离有限等问题 。因此，开发可靠、高效的水面及水下多模通信技术对推动构建新型海洋网络具有重要作用。罗汉江等：海洋物联网水面及水下多模通信技术研究进展多模通信技术基础为推动构建新型海洋物联网，水面及水下高效网络连接需要结合多种无线通信技术。但海洋传感器在节点类型、产品型号、数字编码方式以及物理结构上的差异，导致多模通信需要更复杂的逻辑和系统来支持多模融合。本节首先介绍各种海洋无线通信技术，进而阐述多模通信网络融合技术。海洋无线通信技术）无线电通信。无线电波通过电磁波携带数据信息，在空气介质中具有良好的传输表现，是目前海面节点与陆基站、机载节点之间通信的主要技术。但电磁波在导体中的穿透深度与其频率直接相关，频率越高，衰减越大，导致电磁波在具有导电性质的海水中传输时造成严重衰减，传播距离受到严重限制，。尽管远距离水下无线通信可使用无线电通信技术，但需要使用大功率巨型天线。）水声通信。通过声波携带数据信息，传播距离在数百米到数十公里之间，是目前水下无线传感器网络应用最广泛的通信技术。此外，通信距离与带宽和通信频率成反比，通信速率与通信频率成正比，使得通过不同 频率的组合搭配，可以满足不同应用的网络需求。例如，低频远距离低速率传输和高频近距离高速率通信。然而，信道会随着时间、空间和频率的变化而变化，具有严重的多径效应和多普勒频移，导致其存在带宽低、时延高、功耗大等问题。）水下无线光通信。以光波作为信息载体进行通信，具有高带宽、低时延、低能耗等特点，能够满足水下实时视频传输和跨水气介质直接通信等需求。通信光源主要包括激光二极管（，）和发光二极管（，），普遍采用低损耗、低时延、高穿透性的蓝绿光波段（波长在 ）。其他如红色垂直腔面发射激光器，可在 范围内达到 的数据传输速率。然而，易受环境光噪声、光对准、湍流及障碍物等因素的影响，通信稳定性较差。此外，由于水中杂质对光子具有吸收和散射效应，使得 通信距离有限。）磁感应通信。磁感应通信因具有高传播速率、安全、经济高效等优点，近年来备受关注。磁感应技术使用两个有线线圈进行信息交换，可以穿透水与空气介质层，实现海空跨介质通信。但因磁场衰弱和涡流损耗程度与通信传输距离呈正相关，水下磁感应通信距离较短。磁感应通信受环境噪音影响较小，但需要固定的天线布置，目前在水下应用还处于起步阶段，相关理论有待进一步完善。表总结了海洋物联网多种无线通信技术特征。从表可以看出，多种无线通信技术各有其优缺点，但在通信时延、速率、距离、功耗等方面具有互补性。比如，在海面部署无线通信网络，可结合海面无线电通信和水声通信，实现海空跨介质通信；在水下部署无线通信网络，可结合水声通信的长距离、低速率和光通信（或磁感应通信）的短距离、高速率，实现低功耗、高效通信。因此，可根据具体应用需求，将多种通信技术互补集成，提高海洋无线网络通信性能。表海洋物联网无线通信技术特征 通信种类传播速度（）数据速率 通信距离发射功率海面无线电通信 水声通信 水下无线光通信 磁感应通信 多模通信网络融合技术传统的海洋物联网存在网络架构封闭、不灵活等缺点，要实现海洋物联网多模通信的高速可靠传输，需要多种技术的融合支撑，主要技术如下。）通信标准。由于声、光、电通信设备标准不同，多模通信受转发处理硬件和数字编码技术不山东科技大学学报（自然科学版）年第期兼容的限制，导致异质网络之间通信困难。为了推动不同通信设备之间的互操作性，的研究人员制定了首个水下通信国际标准，即 通信标准，使用 物理层编码方案。被用于水下网络节点之间的首次通信、发现和参数交换，然后采用更高速率的其他调制方案，实现更高的数据速率。文献 在水下实验了 通信过程，通过部署由个水下设备组成的网络，并使用 进行初始接触和参数协商，然后切换到专有通信方案。）跨层优化。多模通信需要实现多种通信技术的融合，而每种通信技术在数据速率、传输距离、传播速度以及发射功率不同，导致在传输层拥塞窗口大小、网络层路径选择、数据链路层调整链路状态和物理层的发射功率存在差异。跨层优化将传统分层网络中的几层或者多层进行联合优化，通过网络层之间的信息交互、网络资源的合理分配及网络效能的最大发挥，为多模通信提供了方法基础 。文献 提出一种基于多频段水声传感器网络噪声感知（）协议，通过跨层优化，利用物理信道质量调整声波频率以抵抗环境噪声干扰。文献 提出一种声光混合路由协议，通过联合优化物理层和网络层，根据传输能耗和时延选择最佳声光通信技术，实现自适应路由。）软件定义网络。跨层优化实现多模通信需要专有的路由算法支持，其可编程性和扩展性较差。软件定义网络（，）的结构如图所示，其核心是将硬件（数据平面）和软件（控制平面）分离，由软件驱动数据分组转发和网络控制，网络节点根据具体应用需求对数据报文进行重新计算和操作，。通过调制解调器控制系统集中管理，多模通信设备只需要区分其传感器，不需要合并不同的调制解调器。通过结合网络功能虚拟化（，）和软件定义的调制解调器（，），使用基于 的无线网络架构可实现网络资源最优化配比，发挥声光电设备的优势 。文献 将 引入水下通信系统中，为 水下应用和发展提供了理论支撑。图软件定义网络结构示意图 海洋物联网将传感器部署在海面、海中和海底，通过构建海洋无线立体观测网络，为海洋环境观测、灾害预警、资源探测、军事安全等提供实时准确的观测信息。然而，由于水面水下通信介质的差异、复杂的海洋环境、水下信号的衰减以及多样的应用需求，对水面水下网络的互联互通以及水下高速网络的构建提出新的挑战。下面主要从海空跨介质多模通信和水下多模通信，阐述如何结合多模通信技术，发挥声光电技术优势，实现可靠、高速的海洋物联网。海空跨介质多模通信技术应用海空跨介质技术作为连接水下传感器网络和水面无线网络的关键技术，对构建水面水下一体化网络具有重要意义。由于受到海空不同的传输介质以及海洋环境的影响，如何实现跨越水气界面的可靠通信一直是学术界的研究热点。下面分别对基于中继的跨介质通信和无中继的跨介质通信进行说明。基于中继的跨介质通信由于声波在水下传播时具有衰减小、传播距离远等特点，因此声波是水下无线通信的首选媒介。但声波从水下传播到水面时，会被反射而无法穿过水气界面。水上无线通信领域普遍采用基于无线电的射频（，）通信，而海水作为一种导体，对无线电波具有天然的电磁屏蔽作用，无线电波在射入水中会迅速衰减而无法满足通信需求。为了解决跨水气界面通信难的问题，一种可行方案是在海面上部署漂浮的中继节点（比如浮标），配备多种发射和接收设备，用于水面和水下传感器网络之间的数据转发任务。例如，同时为中继节点配备 和 两种模式通信系统，利用声学收发器与水下传感网络交换信息，通过无线电收发器与陆上的基站进行罗汉江等：海洋物联网水面及水下多模通信技术研究进展通信。海空跨介质通信方面的研究主要集中在水面部署网关的应用场景，没有充分挖掘水面、水下的声电协同数据传输的潜力。年，等 提出基于深度调整的水下多模通信方案，每个节点均配备水下声学、海面射频调制解调器以及深度调整系统。传感器节点根据需要发送的数据量权衡网络的能量成本和数据延迟，进而确定是否浮出水面搭建 链路。然而，节点的升降会导致网络延迟的增加。为充分挖掘海面部署网络与水下平行网络的声电协同数据传输潜力，年，等 提出在海面部署大量浮标节点构建海面网络，然后结合应用的服务质量（，）要求，利用 信道互补的优势来提高网络可靠性和吞吐量，根据数据包对可靠性和时延的要求，自适应地选择声电组合方式转发数据。以上协议虽然实现了高效的浮标中继跨介质通信，但缺乏对不同通信介质下的信道模型分析。年，等 在 多模海空跨介质通信模型中，提出端到端信噪比的累积分布函数和概率密度函数。实验结果表明，链路的衰落和由气泡、水温引起的 紊乱是影响系统性能的主要因素。为了克服光链路不稳定问题，年，等 提出一种基于硅光电倍增管阵列的多输入多输出（，）方案，以减少海洋光学湍流的影响，并放宽对准要求。另外，在连接海面与基站时容易受到障碍物（如海浪、船只等）的