海洋通信网络协议、算法和架构

随着人类海洋活动的不断增加，如何提供高性能、高性 价比、可靠安 全的海洋通信网络服务已成为一个亟待解决的问题。海洋是一个巨大的咸水体，其空间由岸基、水面、天空和水下组成，网络部署环境、气候条件和用户分布等与陆地空间存在较大差异，这导致陆基通信网络技术无法直接应用到海洋环境中。卫星通信是目前仅有能提供海洋几乎全覆盖的通信网络技术，但是由于其制造和维护成本高、部署风险大，卫星服务的性价 比阻碍其被广泛应用，这也推动了近年来对海洋空间新型通信网络技术的研究和探讨。本书分析海洋通信网络所面临的环境特点和技术发展所面临的挑战，介绍现有主要海洋通信网络技术，研究和讨论一些新型海洋通信网络的协议、算法和体系架构及发展趋势。
　　本书可为从事相关领域研究和开发的人员提供有价值的借鉴，为高校师生了解海洋通信网络现状和发展方向提供指导，为政府部门和企事业单位的科研规划人员提供参考。

姜胜明
教授。2012年在国际上率先提出海洋互联网概念，获国家自然科学基金、国家基金与广东省联合基金、上海市科创基金（2022年入选交通部重点项目库）等，独著相关领域国际顶 级期刊论文多篇，独著Springer英文专著两部（一部被列为“十三五”国家重点图书由哈工大翻译出版），获发明专利20余项；基于这些专利而立项的“动态开放式无线智能组网技术”获上海市浦东新区“重大项目知识产权评议”资助。

第 1章 海洋通信网络概述 001
1.1　引言　001
1.2　海洋通信网络环境　002
1.2.1　海岸　002
1.2.2　水面　003
1.2.3　空中　004
1.2.4　水下　005
1.2.5　海洋通信网络用户　006
1.3　现行海洋通信网络　006
1.3.1　海事无线电　006
1.3.2　船舶自动识别系统（AIS）　007
1.3.3　陆基无线接入系统　008
1.3.4　卫星系统　008
1.3.5　水下无线系统　008
1.3.6　海底观测系统　009
1.4　岸基网络　009
1.4.1　陆基无线接入网络　010
1.4.2　蒸发波导通信（EDC）　011
1.4.3　自由空间光系统（FSO）　011
1.4.4　应用　012
1.5　水面网络　012
1.5.1　传感器自组网（SenANET）　013
1.5.2　航海自组网（NANET）　013
1.5.3　基于WiMAX的网状网络　014
1.5.4　类蜂窝网络　015
1.6　空中通信网络　015
1.6.1　高空通信平台（HAP）　016
1.6.2　航空自组网（AANET）　016
1.6.3　卫星网络和计划　016
1.7　水下通信网络　017
1.7.1　水声网络（UWAN）　017
1.7.2　水下光网络　018
1.8　海洋网络互联方法　018
1.8.1　网络互联　018
1.8.2　移动性支持　019
1.8.3　网络管理　019
1.9　小结　020
参考文献　020
第　2章 海洋通信信道　029
2.1　信道概述　029
2.1.1　信道定义　029
2.1.2　信道分类　030
2.1.3　海洋信道特性　030
2.2　信道建模　031
2.2.1　快衰落建模　032
2.2.2　慢衰落建模　032
2.3　小结　034
第3章　海事地面无线数字通信技术综述　036
3.1　传统地面数字通信技术：AIS　036
3.1.1　AIS的产生　036
3.1.2　AIS的功能　037
3.1.3　AIS的分类　038
3.2　AIS的通信架构　039
3.3　AIS的组网协议　040
3.3.1　AIS层模块以及帧和时隙　040
3.3.2　AIS消息　042
3.3.3　AIS时隙分配规则及协议　043
3.3.4　AIS入网过程　044
3.4　AIS的主要算法　046
3.4.1　AIS的通信算法　046
3.4.2　AIS的应用算法　048
3.5　AIS的发展方向　050
3.5.1　技术方面　050
3.5.2　应用方面　051
参考文献　052
第4章　VDES关键技术研究　053
4.1　引言　054
4.2　VDES发展现状　056
4.3　VDES的概述　057
4.3.1　VDES的系统架构　057
4.3.2　VDES频谱划分方案　059
4.4　VDES关键技术　061
4.4.1　VDES调制解调技术　062
4.4.2　VDES时隙层级与结构　063
4.5　VDES数据链路层协议　064
4.5.1　传统TDMA协议概述　065
4.5.2　改进的TDMA协议　069
4.6　小结　080
参考文献　080
第5章　蜂窝网通信在海洋中的应用　082
5.1　引言　082
5.2　蜂窝网技术在海洋通信中的应用　084
5.2.1　基于LTE系统的岸基无线接入方案　085
5.2.2　基于大规模天线阵列技术的速率提升方案　086
5.2.3　基于中继技术的海基无线通信系统　086
5.3　蜂窝通信先进技术在海洋通信网络中的应用可能　087
5.3.1　窄带物联网　087
5.3.2　D2D通信技术　088
5.3.3　软件定义网络　089
5.3.4　网络切片技术　090
5.4　小结　091
参考文献　091
第6章　海上水面通信组网技术　094
6.1　概述　095
6.1.1　自组织网络基本概念　095
6.1.2　自组织网络通信特点　096
6.1.3　自组织网络在海洋通信中的应用　098
6.2　无线自组网路由技术　099
6.2.1　拓扑控制　099
6.2.2　能量管理　100
6.2.3　服务质量管理　100
6.2.4　机会路由　101
6.3　常见的海上路由协议　101
6.4　小结　102
参考文献　103
第7章　海洋无线传感器网络的拓扑控制与路由协议　106
7.1　引言　106
7.2　拓扑控制概述　107
7.2.1　特点及设计目标　108
7.2.2　研究现状　109
7.3　基于功率控制的拓扑控制　109
7.3.1　节能型功率控制　110
7.3.2　基于网络容量分配的功率控制　110
7.3.3　基于节点度的功率控制　111
7.3.4　基于邻近图的功率控制　112
7.4　基于无线接口模式管理的拓扑控制　112
7.4.1　基于密度控制的拓扑控制　112
7.4.2　基于占空比的拓扑控制　113
7.4.3　自适应的拓扑控制　114
7.4.4　聚簇管理的拓扑控制　114
7.5　基于移动辅助的拓扑控制　115
7.5.1　基于轨迹的拓扑控制　115
7.5.2　基于深度调整的拓扑控制　116
7.6　拓扑控制问题和需要研究的内容　116
7.6.1　现存问题　117
7.6.2　需要研究的内容　117
7.7　路由协议概述　118
7.8　能量感知的路由协议　119
7.8.1　聚焦波束路由　119
7.8.2　分布式水下分簇方案　120
7.8.3　稀疏感知节能分簇路由协议　121
7.9　基于节点迁移的路由协议　121
7.9.1　矢量转发和逐跳矢量转发协议　122
7.9.2　基于深度的路由协议　123
7.9.3　虚拟隧道协议　123
7.9.4　基于局部和虚拟汇聚移动的路由协议　124
7.10　基于地理位置的路由协议　124
7.10.1　基于定位的路由协议　124
7.10.2　无定位的路由协议　125
7.10.3　协作机制下的路由协议　125
7.11　路由协议问题和需要研究的内容　126
7.11.1　现存问题　126
7.11.2　主要研究内容　127
7.12　小结　127
参考文献　127
第8章　海洋无线传感器网络的定位技术　132
8.1　引言　132
8.2　定位算法分类及原理　133
8.2.1　基于测距的定位算法　134
8.2.2　基于非测距的定位算法　137
8.3　现状分析　138
8.4　参数不确定性情况的定位算法　140
8.4.1　问题描述　140
8.4.2　发射功率未知的目标定位　142
8.5　小结　153
参考文献　153
第9章　海洋卫星通信技术　157
9.1　卫星通信的基本概念和特点　157
9.1.1　卫星通信的基本概念　157
9.1.2　卫星通信系统组成　158
9.1.3　卫星通信的分类　158
9.2　卫星通信网络体系结构　160
9.2.1　卫星宽带通信系统　160
9.2.2　卫星移动通信系统　160
9.3　卫星网络的关键技术　161
9.3.1　卫星网络的路由协议　161
9.3.2　卫星网络的TCP　163
9.3.3　卫星网络的资源管理　163
9.3.4　海事卫星系统　164
9.4　小结　164
参考文献　165
第　10章 海洋空中通信网络技术　166
10.1　引言　166
10.2　无人机系统概述　167
10.2.1　无人机分类　167
10.2.2　无人机集群化　169
10.2.3　FANET　169
10.3　空对海与空对空数据链路通信　170
10.3.1　空对海数据链路　170
10.3.2　空对空数据链路　172
10.4　组网技术　172
10.4.1　组网方案　172
10.4.2　通信方式　174
10.4.3　组网实例　175
10.5　小结　176
参考文献　176
第　11章 水下通信网络技术现状　179
11.1　引言　179
11.2　水下通信方式与特点　180
11.2.1　水下有线通信技术　180
11.2.2　水下无线通信技术　180
11.2.3　水下融合通信技术　182
11.3　水下通信应用　182
11.3.1　基于有线通信的应用　182
11.3.2　基于无线通信的应用　183
11.4　水声通信技术　184
11.4.1　调制与解调技术　184
11.4.2　编码与解码技术　186
11.4.3　媒体访问控制技术　186
11.4.4　组网技术　186
11.5　水下无线光通信技术　187
11.5.1　光源技术　187
11.5.2　调制技术　188
11.5.3　信道编码技术　188
11.5.4　探测技术　188
11.6　小结　189
参考文献　189
第　12章 高速海洋通信链路技术研究　194
12.1　海洋通信中的大气波导　194
12.1.1　大气波导分类　195
12.1.2　大气波导中的无线电波传播　196
12.1.3　大气波导在船舶通信中的应用　202
12.2　自由空间光通信在海洋中的应用　203
12.2.1　自由空间光通信的理论　203
12.2.2　自由空间光通信在海洋中的应用场景　204
12.3　小结　205
参考文献　206
第　13章 智能海洋通信技术　209
13.1　引言　209
13.2　通信智能的发展　210
13.3　智能算法简介　211
13.3.1　智能优化算法　211
13.3.2　ML算法　211
13.3.3　DL算法　212
13.4　智能海洋通信技术　212
13.4.1　智能水声通信　213
13.4.2　智能水下物联网　214
13.4.3　智能海洋应急通信　216
13.5　小结　217
参考文献　218
第　14章 边缘计算在海洋中的应用　223
14.1　引言　223
14.2　海洋边缘计算体系架构　225
14.2.1　体系架构　225
14.2.2　海洋边缘计算优势　226
14.3　海洋边缘计算关键问题及技术研究　227
14.3.1　资源提供　227
14.3.2　资源管理　228
14.3.3　数据处理　230
14.3.4　安全管理　231
14.4　海洋边缘计算的挑战与展望　233
14.4.1　面临的挑战　233
14.4.2　未来研究方向　235
14.5　小结　236
参考文献　236
第　15章 海洋互联网概述　239
15.1　引言　239
15.2　海洋互联网原理　240
15.3　网络组成　241
15.3.1　岸基网络　241
15.3.2　无线自组网　243
15.3.3　卫星系统　243
15.3.4　水下网络　243
15.3.5　通信链路和方式　244
15.4　网络互联　246
15.5　仿真试验　247
15.6　主要应用　249
15.6.1　陆地互联网的延伸　249
15.6.2　海事通信系统的提升　249
15.6.3　海洋物联网的桥梁　250
15.6.4　海洋通信网络资源分配优化　250
15.6.5　海洋作业的协作平台　251
15.6.6　智慧海洋的发展之路　251
15.6.7　近海联防辅助通信系统　252
15.6.8　国家应急通信网络的组成部分　252
15.7　面临的挑战　253
15.7.1　动态、含糊的网络边界　253
15.7.2　实时变化的超大规模WANET　254
15.7.3　端到端可靠性和安全性　254
15.7.4　海洋互联移动性管理　255
15.8　小结　256
参考文献　256
第　16章 海洋互联网安全　259
16.1　引言　259
16.2　海洋信息安全现状与问题　260
16.3　无线网络入侵检测技术　260
16.4　基于MK-ELM的WSN入侵检测系统设计　263
16.4.1　ELM算法原理　263
16.4.2　构造多核极限学习机算法　268
16.4.3　基于MK-ELM的WSN入侵检测系统　270
16.4.4　仿真实验及结果分析　272
16.5　小结　280
参考文献　280
第　17章 基于海洋互联网的数据传输网络体系架构　284
17.1　引言　284
17.2　海洋数据传输网络的概况和体系架构　285
17.2.1　业务特征　285
17.2.2　网络结构　286
17.2.3　网络特点　286
17.2.4　基于海洋互联网的体系架构　288
17.3　体系结构面临的主要挑战　289
17.3.1　海洋数据传输网络体系的自适应性　289
17.3.2　海洋通信网络资源的快速探测和智能组网　290
17.3.3　海洋数据透明传输和优先级支持　291
17.3.4　海洋空间移动用户的漫游支持　292
17.3.5　安全数据传输　293
17.4　小结　293
参考文献　293
附录　297

·国家出版基金：海洋信息技术丛书
·海洋信息技术——天网、海网、地网三网一体化维度阐述海洋通信网络协议、算法和架构
·系统性介绍覆盖海洋空间（由岸基、水面、空中和水下四大部分组成）的通信网络技术的专著