探索海洋互联网的潜在应用与未来发展趋势：从陆地延伸到深海的关键技术

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1.引言海洋互联网的初衷是将陆地互联网尽可能无缝地延伸到海洋环境中（包括水下、水面和空中），为海洋环境中的用户提供互联网服务。其重要性和意义不言而喻。 。然而，在海洋的特殊环境下，海洋互联网还有很多潜在的应用前景。本文简要讨论了这些主要应用和主要研究内容，希望引起大家对海洋互联网研究和发展的关注。

简单来说，海洋互联网（2012年某次会议专题报告中提出，2018年“海洋互联网”相关文章6篇。随着研究的深入，海洋互联网的内涵和应用以及对陆地互联网的影响已经在应用方面，海洋互联网也逐渐发展成为现有的海事通信系统、海洋环境下的信息协作平台、海洋的辅助通信系统。甚至可以将海洋互联网的组网理念应用到陆地互联网上，构建国家战备网络。

2.海洋互联网简介

海洋互联网试图将陆地互联网尽可能无缝地延伸到海洋中，覆盖水下、水面和空中，实现空、天、地、海一体化的通信系统。然而海洋广阔、深邃、复杂，导致陆地与海洋在地理环境、气候条件、用户分布特征等方面存在巨大差异。因此，目前还无法找到单一的能够适应海洋环境、满足各种通信需求的通信方式，也没有单一的网络技术能够满足海洋中不同用户的互联需求。针对上述问题，在前期研究中提出了海洋互联网的实现思路，即利用一切可用的通信网络资源进行组网，但不依赖于任何特定的网络资源进行运营，并且在运营过程中，根据需要实时调整组网方式，以最好地满足应用需求。目前可用的成熟通信网络技术包括陆地移动通信网络、海上无线电通信系统等，可用于建设岸基网络，为近岸水域用户提供无缝的海上互联网服务；同时，综合利用各种动态拓扑无线网络（如船舶、浮标组成的水面自组织网络），扩大岸基网络覆盖范围；然后利用各种机会网络（如直升机、民航飞机等组成的网络）提供机会网络服务；利用高空通讯平台满足特定场合的临时需求；当卫星服务不具备成本效益且有其他网络可用时，卫星可以作为最后的选择，但当陆地服务无法无缝延伸到公海水域时，卫星通信是为该水域提供服务的唯一方式；水下采用无线（水声）自组织网络，通过水面各种网络和海底观测网络实现互联。

3、主要应用前景

本节将从海洋环境中依赖数据传输的典型应用来简要讨论海洋互联网的应用前景。不同的应用对数据传输的成本效益以及传输系统的鲁棒性和抗毁性有不同的要求。根据这些要求，海洋互联网的应用前景大致分为四个部分，即陆地互联网的延伸、海上通信系统的完善、海洋信息化应用平台和国防应用。

图1 海洋互联网的组成

3.1 地面互联网的延伸

即现有的陆地互联网服务将无缝延伸到近海环境，为这些水域的海洋互联网用户，如海员、渔民、海上作业平台用户、海洋研究和勘探的科学家、海洋生物等提供高性价比的解决方案。甚至守卫岛屿的军队和平民。互联网服务。这里之所以强调性价比，是因为目前卫星提供的互联网服务的性价比并不是普通互联网用户能够承受的。我国的发展中国家正在努力改变这种状况，提出了一项堪称“”的服务；但这项服务使用的新型智能手机最低零售价为1元起，相当于目前国际的1/10移动卫星公司。

3.2 海上通信系统的完善

海上通信系统有着悠久的发展历史，是海上运输和救援的重要通信平台。它们在确保海上运输作业的安全和效率方面发挥着关键作用。现有的海上通信系统主要由岸基海上无线电系统和海事卫星系统组成。出于同样的原因，目前海事卫星服务价格仍然居高不下，导致海上运输成本上升。虽然岸基海事无线电已经非常成熟，但由于带宽限制（UHF 20 MHz），已无法满足当前海上运输日益增长的通信需求。例如，70%的物流是通过航运完成的，因此智慧航运的发展将大大提高海上运输的效率和安全性，降低海上物流成本，并将进一步对降低整体物流成本起到积极作用。为了实现上述目标，需要开发性能更好、性价比更高的海上通信系统。由于海洋互联网可以最大限度地综合利用各种通信网络资源，可以用来改善甚至改变现有海上通信系统的格局。它可以将海洋互联的岸基系统和海事无线电的岸基系统融合在一起，不仅在基础设施方面共享，还可以让海上无线电系统共享移动通信系统丰富的通信带宽，解决其发展瓶颈。这不仅可以提高现有海上通信系统的性能和成本效益，而且可以催生新的海上通信系统，形成新的海上通信设备产业。这对于我国的相关产业来说尤为重要，因为目前的海上通信系统设备大部分都是进口的。

3.3 海洋信息应用平台

与陆地互联网一样，海洋互联网可以为不同的信息应用提供统一的开发平台，让这些应用的用户实现互联互通。这些应用主要包括以下几个方面：海洋物联网骨干网络、海洋通信网络资源配置优化、海洋作业协同平台、智慧海洋发展路径等。海上物联网主要由安装在水面舰艇、浮标及各类平台上的传感器组成，如温度、湿度、风速、风向、降雨量、定位等传感器。无人船还需要配备其他传感器来收集影响航行的船舶内外数据。船舶之间虽然可以形成船舶自组织网络，但无法满足大规模数据采集和传输的需求。

水下物联网由各种水下传感器网络组成，应用于环境监测、水下探测、灾害预测、港口安全、国防等领域。典型的传感器包括水温、盐度、流速、声纳以及各种生物和化学传感器。然而，由于物理特性的限制，目前水下传感器主要通过水声网络连接。水声通信的一些特点，如无法长距离高速传输、传播速度慢、信道质量不稳定等，使得单个水声传感器网络无法高速覆盖水下大面积区域。因此，有必要利用海洋互联网将分布在不同海洋区域的无线传感器网络连接起来，形成大规模的有效覆盖。

(1)海洋通信网络资源优化配置

目前，用户在海洋环境中遇到的数据传输问题可以分为两个方面：网络内的数据传输问题，即用户自身网络内的节点之间的数据传输。目前，这个问题一般由用户自行解决，形成了多种组网方式；网络外的数据传输问题，即用户需要将数据传输到外部节点，例如陆地服务器。目前，大多数用户只能购买第三方服务，例如靠近海岸的用户可以购买移动通信服务，远离海岸的用户可以购买卫星服务。

海洋物联网的组成

目前，用户一般单独购买上述服务，且购买的服务无法共享以分摊费用。如上所述，与移动通信业务相比，目前卫星业务的成本效益还很低；因此，当移动用户靠近海岸时，最好使用移动通信服务，最后再使用卫星服务。卫星服务套餐通常提供两种类型的服务：预付费和后付费。前者是一次性购买一定量的数据流量，后者是按照实际消耗量付费。前者往往相对便宜，但一旦用不完，就只能浪费了。海洋互联网可以提供通信网络资源的共享平台，根据用户的位置和应用需求实时调整通信网络资源的分配，降低用户的通信成本。主要操作点如下： A 购买服务，而不是直接向通信服务提供商购买服务； A选择性价比较好的服务来降低用户的通信成本。

（二）海洋作业协作平台

海洋中一直存在着大量的人类活动。除了人们熟知的渔业、航运、旅游、油气生产等活动外，还有海洋气候、潮汐、赤潮等各种海洋环境检查、探测、灾害预警和科研活动。水文资料观测与采集，地震、海啸等自然灾害预警，海洋资源勘探、开采与运输，海洋大气、生物、物理、化学、地理学等科学研究。但目前这些活动几乎都是单独进行的。彼此之间缺乏沟通和协作，呈现出“”的局面。海洋活动成本巨大，相关单位也希望通过相互合作降低成本。但目前还存在缺乏团结和协调的情况。方便且具有成本效益的通信网络平台来共享信息和协调活动，也无法连接部署在海洋中的设备实现有效的远程控制和共享，主要原因是缺乏具有成本效益的海洋物联网。前面已经讨论了海洋互联网在海洋物联网建设和支撑信息共享方面的作用。 ，还能对海洋作业协同平台建设发挥积极作用。

（三）智慧海洋的发展路径

智慧海洋以完善海洋信息采集传输体系为基础，系统整合海洋权益、管理、开发三个领域的设备和活动，实现海洋资源共享和海洋活动协调。当前，智慧海洋不仅是相关行业关注的热点，也是国家海洋强国战略的重要组成部分。虽然智慧海洋的具体内涵还有待完善，但实现智慧海洋的几个要素已经明确。首先，需要采集大量原始、多维度、多粒度、跨时空的数据。同时，这些海量数据需要得到有效处理、整合和共享。这些运作都离不开海洋互联网。同样，分布在海洋中的各种仪器设备需要远程控制，不同涉海单位需要有效协作。这些实践活动都离不开数据的有效传输，需要海洋互联网的支持。

3.4 国防应用

海上互联网具有较强的抗毁性，可用于增强近海防御网络系统、国家战备网络系统等国防通信系统的生存能力。

(1)近海防御网络系统辅助部件

近海防御是国防安全的重要组成部分。我国是海洋大国，领海面积有6500多个岛屿，海岸线长达18000公里，因此国防工程相当庞大。任何防御系统都离不开情报收集和目标探测、通信和对抗等系统。部署在岸上、水面、水下和空中的各种传感器设备构成情报和探测系统，并通过特定的通信网络与指挥中心和对抗系统相连。当前通信系统中的许多设施都是固定的或者其运动轨迹是可预测的，因此很容易被发现和破坏，最终会影响整个防御系统的功能。此外，在广阔的水域和空域，及时、准确地识别目标也相当困难。在海洋环境中，存在着大量的民用、商业和科研船舶、飞机和水下航行器。海洋互联网可以将它们连接起来，成为近海防御通信系统的辅助部分，协助情报收集和目标识别。上述民用、商业和科研设施不仅可以承载各种传感设备，还可以成为海洋互联网的网络节点。由于海洋互联网能够尽最大努力综合利用这些网络资源，因此具有很强的生存能力。因此，海上国防通信系统可以利用海上互联网来提高其稳健性。此外，海上互联网可以为进入我国领海的船舶提供互联网服务，持续宣示领海主权。例如，可以在远海荒岛或大型水上浮标平台（如中国电子科技集团有限公司制造的综合信息浮标）上安装通信设备，形成海洋互联网接入点，例如：如Wi-Fi，并提供海上互联网。在服役期间，它宣示对领海的主权。

（二）提高国家战备网络系统生存能力

目前地面互联网设施的位置一般是固定的，如路由器、基站、光纤等；同样，除固定有线网络外，国防系统使用的通信网络还包括卫星网络和其他无线网络。这些固定设施相对容易被发现；尽管卫星是移动的，但其运动轨迹是可以检测和预测的。应急通信系统通常是无线的，任何主动传输高功率无线信号的设施都可能成为目标。这些重要的通信设施是关键时刻攻击的首选目标。一旦被敌人摧毁，如何应对和指挥是一个难题。

通过将海洋互联网的组网理念延伸到陆地网络，可以形成全民参与的网络，使其成为国家应急通信网络的一部分，提高其生存能力。同时，还可以使网络“从技术、产品、资本等方面上升到应用系统的融合，实现军民一体化的国防通信系统”。

四、主要研究内容

海洋互联网是一个超大规模、多模式协同的混合网络。其网络单元可以是单个节点或子网，可以是政府所有、企业运营或私人建设；它们可以是预建的，也可以是临时建立的，可以是固定的，也可以是移动的。为了将这些网络单元有机地整合在一起，形成大规模、高度动态和协作的网络，需要对网络体系结构、组网方法、管理和安全进行研究。水下无线网络的研究内容在文献[13-15]中已有讨论。水下网络的主要研究内容概括如下。

(1)海洋互联网系统架构

为了使不同类型的网络单元能够融入海洋互联网系统，需要研究动态变化的网络边界下的网络互联方法和相应的系统架构。这是因为与传统网络不同，海洋互联网网络边界的拓扑和结构是不断变化的。

(2)海洋互联网服务系统

海洋互联网用户可能来自世界各地、临时聚集，需要研究在缺乏可靠网络连接的情况下的用户认证、网络安全等问题。陆地互联网服务基于固定服务器，但在海洋环境中，为了更好地服务海洋互联网用户，可能会出现移动服务器，因此在这种情况下需要研究域名服务和用户漫游方法。

（三）海洋互联网标准体系

由于海洋互联网的开放性，其网络单位和用户可能来自不同国家和地区，暂时聚集在同一海域；它们会使用不同的无线频段和通信标准，具有不同的通信能力，并涉及用户管理等问题；如上所述，海洋互联网可以作为不同应用实现互联互通的平台。为了有效实现这些目标，需要研究相关标准。

(4)网络资源快速感知和智能分配

由于海洋互联网的复杂性和网络资源的动态变化，需要研究能够及时发现海洋环境中各种可用通信网络资源并合理有效地分配的方法，以满足用户在性价比方面的要求尽量;此外，海洋互联网无法实现网络资源的统一管理和分配。在这种情况下，如何支持用户优先使用资源也需要研究。

(5)关键网络协议和算法

这涉及到网络路径检测、评估和选择，以及端到端服务质量和安全等相关问题。当经济高效的卫星网络服务尚未广泛普及时，海洋互联网需要依靠不同网络的合作来最大化数据传输机会。在此过程中，如何识别彼此并保证数据安全是一大挑战。在如此庞大的动态拓扑网络中，如何及时找到经济有效且满足应用需求的端到端传输路径和方法也是一个挑战；与现有网络不同，路径和相应的资源分配可以在呼叫建立时确定。 ，并且在会话期间一般保持不变；然而，在互联网的海洋中，这种变化会时常发生，特别是当部分路径是机会主义路径时。

五、结论

本文简要讨论了海洋互联网的一些主要潜在应用和研究内容，从中可以了解其重要性和意义，特别是它对建设海洋强国可以发挥的积极作用。然而，目前海洋互联网的研究和发展还处于起步阶段。希望有更多的人加入其研发活动，共同努力使我国在该领域处于世界领先地位。