海洋互聯網（marine internet）的初衷是將陸地互聯網盡量無縫地延伸到海洋環境中（包括水下、水面和空中），為在海洋環境中的用戶提供互聯網服務，其重要性和意義不言而喻。然而，在海洋這個特殊的環境中，海洋互聯網還有許多潛在的應用。簡要地討論一下這些主要應用和主要研究內容，希望引起大家對海洋互聯網研發的高度重視。

1 引言

簡單地說，海洋互聯網（marine internet）是陸地互聯網在海洋環境中的延伸，它由筆者在2012年一次大會的特邀報告中所提出，2013年正式發表，2018年6月，《電信科學》期刊組織了“海洋互聯網”專題，收集了6篇相關文章。隨著研究的不斷深入，對海洋互聯網的內涵、應用以及它對陸地互聯網影響的認識也不斷得到擴充和加深。尤其是在應用方面，海洋互聯網從當初作為陸地互聯網的延伸，逐步發展成為現有海事通信系統、海洋環境中的信息化協作平臺、海洋保護和防御輔助通信系統，甚至可將海洋互聯的組網理念應用到陸地互聯網中，構建國家戰備網絡。

2 海洋互聯網簡介

海洋互聯網試圖將陸地互聯網盡量無縫地延伸到海洋中，覆蓋水下、水面和空中，以實現空天地海一體化通信系統。但是，海洋是如此寬廣、深奧和復雜，造成了陸地與海洋在地理環境、氣候條件和用戶分布特征等方面存在巨大差異。所以，目前無法找到能適應海洋環境且滿足各種通信需求的單個通信方式，也不存在單個網絡技術能滿足海洋中不同用戶的互聯互通的需求。海洋互聯網組成如圖1所示。

針對上述問題，在前期研究中提出了海洋互聯網的實現思路，即利用一切可以利用的通信網絡資源進行組網，但又不依賴于任何一種特定的網絡資源而運作，并在運行過程中，根據需要實時調整組網方式，以最大限度地滿足應用的要求。目前可利用的成熟通信網絡技術包括陸地移動通信網絡、海事無線電通信系統等，它們可用來構建岸基網絡，為近岸水域的用戶提供無縫的海洋互聯網服務；同時綜合利用各種動態拓撲無線網絡（如由船舶、浮標組成的水面自組織網絡）來擴展岸基網絡覆蓋范圍；再利用各種機會網絡（如由直升機、民航飛機等組成的網絡）來提供機會性網絡服務；采用高空通信平臺來滿足特定場合的臨時性要求；在衛星服務性價比不高且有其他網絡的情況下，衛星可作為最后選項，但當陸地服務無法無縫地延伸到遠海水域時，衛星通信是為該水域提供服務的唯一方式；水下采用無線（水聲）自組織網絡，再通過水面上的各種網絡以及海底觀測網來實現互聯。

3 主要應用前景

本節將從海洋環境中需要依賴于數據傳輸的典型應用來簡要討論海洋互聯網的應用前景。各種應用對數據傳輸的性價比及傳輸系統的頑健性和抗毀能力等方面的要求是不同的；按照這些要求，粗略地將海洋互聯網的應用前景分成四大部分，即陸地互聯網的延伸、海事通信系統的提升、海洋信息化應用的平臺和國防應用。

圖1 海洋互聯網組成

3.1 陸地互聯網的延伸

即將現有陸地互聯服務無縫地擴展到近海環境中，為該水域的海洋互聯網用戶，如海員、漁民、離岸作業平臺用戶、海洋研究和探測的科學家，甚至守島軍民，提供性價比高的互聯網服務。這里之所以突出性價比，是因為目前由衛星所提供的互聯網服務的性價比不是普通互聯網用戶能承受的。我國正在發展的“天通一號”正努力改變這一局面，提出了堪稱“白菜價”的服務；但是該服務所用的新智能機的零售最低價格是1萬元，通信費用每分鐘1元錢起步，相當于目前國際移動衛星公司的1/10。

3.2 海事通信系統的提升

海事通信系統發展歷史悠久，是海上交通運輸和救援的重要通信平臺，對保障海上運輸作業的安全和效益起到關鍵性的作用。現有海事通信系統主要由岸基海事無線電系統和海事衛星系統組成。由于同樣的原因，海事衛星服務價格目前仍然很高，提高了海上運輸的成本。而岸基海事無線電雖然已很成熟，但是由于受到帶寬的限制（VHF 6.025 MHz，UHF 20 MHz），它已無法滿足目前海上運輸日益增長的通信需求，如AIS系統的普及和應用的推廣，更無法支持以無人化為標志的智慧航運新的發展需要。據統計，全球有超過70%物流是由航運來完成的，所以智慧航運的發展將大大提高海上運輸的效率和安全性，降低海上物流成本，將進一步對整個物流成本的降低起到積極作用。

為了實現上述目標，需要研發性能更好、性價比更高的海事通信系統。由于海洋互聯網能盡最大努力綜合利用各種通信網絡資源，可以用來提升甚至改變現有海事通信系統的格局。例如，參考文獻[9]提出可以將海洋互聯的岸基系統與海事無線電的岸基系統進行融合，不僅在基礎設施方面進行共享，還可以讓海事無線電系統分享移動通信系統豐富的通信帶寬來解決其發展瓶頸。這不僅能提升現行海事通信系統性能和性價比，而且能催生新的海事通信系統，形成新型海事通信設備產業。這對我國相關產業尤其重要，因為現行海事通信系統設備大多數靠進口。

3.3 海洋信息化應用的平臺

如同陸地互聯網，海洋互聯網可為不同的信息化應用提供一個統一的開發平臺，使這些應用的用戶實現互聯互通。這些應用主要包括以下方面：海洋物聯網的骨干網、海洋通信網絡資源分配優化、海洋作業的協作平臺和智慧海洋的發展之路。

（1）海洋物聯網的橋梁

陸地物聯網由無線傳感器網絡和陸地互聯網組成。前者是實現物體與網絡空間相連的手段，后者是把分布在不同區域的無線傳感器網絡進行跨時空連接的平臺，從而實現萬物的互聯互通。同樣，海洋物聯網也需要海洋互聯網將分布在不同區域的水面和水下的傳感器網絡連接起來。

如圖2所示，海洋物聯網大致分為海面和水下物聯網兩部分。海面物聯網主要是由安裝在水面船舶、浮標以及各類平臺上的傳感器所組成的，例如溫度、濕度、風速/風向、雨量、定位等傳感器。無人駕駛船舶還需要配備其他傳感器以收集船內外影響航行的數據。雖然船舶之間可形成船舶自組網絡，但無法滿足大范圍數據收集和傳輸的需求。

水下物聯網由各種水下傳感器網絡組成，應用于環境監測、水下探測、災難預測、港口安全和國防等方面。典型的傳感器有水溫、鹽度、流速、聲吶以及各類生物和化學傳感器等。但是由于物理特性的限制，目前水下傳感器主要由水聲網絡相連。而水聲通信的一些特點，如無法長距離高速傳輸、傳播速度慢以及信道質量不穩定等，使得單個水聲傳感器網絡無法高速地覆蓋較大的水下區域，所以，需要用海洋互聯網將分布在不同海洋區域的無線傳感器網絡連接起來，形成大范圍的有效覆蓋。

（2）海洋通信網絡資源的優化分配

目前海洋環境中用戶所遇到的數據傳輸問題可分成兩個方面：網絡內部的數據傳輸問題，即用戶自身網絡內節點之間的數據傳輸，目前這個問題一般由用戶自己解決，形成了各種組網方法；網絡外部數據傳輸問題，即用戶需要將數據傳輸到外部節點，如陸上服務器。目前絕大多數用戶只能購買第三方服務，例如靠近海岸的用移動通信服務，而遠離海岸的用衛星服務。

圖2 海洋物聯網的組成

目前用戶一般獨自購買上述服務，且所購買的服務無法共享來分擔成本。如前文所述，相對于移動通信服務，目前衛星服務的性價比還很低；所以，當一個移動用戶靠近海岸時，最好使用移動通信服務，在不得已時再使用衛星服務。衛星服務套餐一般提供預付費和后付費兩種服務，前者是一次購買一定的數據流量，后者按照實際消費支付。前者往往會相對便宜點，但是一旦用不完，就只能浪費了。

海洋互聯網可以提供一個通信網絡資源的共享平臺，根據用戶的位置和應用要求實時地調整通信網絡資源的分配，以降低用戶的通信成本。主要運作要點如下：由A統一購買一定數量的移動通信服務和衛星服務，并盡量利用一些其他的網絡資源，例如船舶自組網等；用戶向A購買服務，而不是直接向通信服務提供商購買服務；A根據用戶的應用要求及其位置變化，實時地為A選擇性價比更好的服務，以降低用戶的通信成本。

（3）海洋作業的協作平臺

海洋中一直有大量的人類活動存在，除了熟知的捕魚、海運、旅游和油氣生產等活動外，還有各種海洋環境考察、探測、災難預警和科研等活動，例如海洋氣候、潮汐和赤潮的觀察及水文數據的收集，地震、海嘯等自然災害的預警，海洋資源的勘探、開采和運輸，海洋大氣、生物、物理、化學和地理等方面的科學研究等。但是目前這些活動幾乎都是獨自進行的，彼此之間缺乏溝通，更無法協作，呈現“九龍治水”的局面。

海洋中的活動成本巨大，相關單位也希望通過相互協作來降低成本。但是，目前缺乏統一、便捷和性價比高的通信網絡平臺來共享信息和協調活動，也無法將部署在海洋中的設備連接起來，實現有效的遠程控制和共享，主要原因是缺乏高性價比的海洋物聯網。前文已經討論過海洋互聯網對海洋物聯網建設以及在支持信息共享方面的作用，所以，它也能對海洋作業的協作平臺的建設發揮積極的作用。

（4）智慧海洋的發展之路

智慧海洋是以完善海洋信息采集與傳輸體系為基礎，將海洋權益、管控、開發三大領域的裝備和活動進行體系性整合，以實現海洋資源共享和海洋活動協同。目前，智慧海洋不僅是相關行業所關注的熱門話題，更成為國家發展海洋強國戰略的組成部分。雖然目前尚需對智慧海洋的具體內涵進行完善，但實現智慧海洋的幾個要素是明確的。首先，有大量原始的、多維度、多粒度和跨時空的數據需要收集，同時，需要對這些海量數據進行有效的處理、融合及分享。這些操作都離不開海洋互聯網。同樣，分布在海洋中的各種儀器設備需要遠程控制，不同涉海單位需要有效協作，這些實踐活動都離不開數據的有效傳輸，需要海洋互聯網的支持。

3.4 國防方面的應用

海洋互聯網具有較強的抗毀能力，這一特點可以用來增強國防通信系統的生存能力，例如近海防御網絡系統和國家戰備網絡系統。

（1）近海防御網絡系統的輔助成分

近海防御是國防安全的重要組成部分。我國是一個海洋大國，領海面積約300萬平方千米，有6 500多個島嶼和1.8萬千米的海岸線，所以防御工程相當巨大。任何防御系統都離不開情報收集和目標偵測、通信和反制等系統。部署在岸基、水面、水下和空中的各種傳感器設備構成情報和偵測系統，并通過特定的通信網絡與指揮中心和反制系統聯系起來。現行通信系統中的很多設施是固定的或者其運動軌跡是可預測的，所以它們容易被發現和破壞，最終會影響整個防御系統的功能發揮。另外，在廣闊水域和空域中及時準確地識別目標相當困難。而在海洋環境中，有大量的民用和商用以及科研用船舶、飛行器和水下航行器等，海洋互聯網能夠把它們連接起來，成為近海防御通信系統的輔助部分，協助情報收集和目標識別。

上述所提民用、商用和科研用設施不僅可裝載各類傳感設備，也可成為海洋互聯網的網絡節點。由于海洋互聯網能盡最大努力綜合利用這些網絡資源，有較強的生存能力。所以近海防御通信系統可以利用海洋互聯網來提高其頑健性。另外，通過海洋互聯網可以為進入我國領海的船只提供互聯網服務，不間斷地宣示領海主權。例如，可以在遠海的荒島或者大型水面浮標平臺（如中國電子科技集團有限公司制造的綜合信息浮臺）上安裝通信設備，構成如Wi-Fi的海洋互聯網的接入點，在提供海洋互聯網服務的同時，宣示領海主權。

（2）國家戰備網絡系統生存能力的提升

構成現行陸地互聯網設施的位置一般都是固定的，如路由器、基站和光纖；同樣，國防系統所用的通信網絡除了固定的有線網絡外，還有衛星網絡及其他無線網絡。這些固定的設施比較容易被發現；衛星雖然是移動的，但其運動軌跡是可以被探測和預測的。應急通信系統往往是無線的，任何主動發射大功率無線信號的設施均可以被鎖定。這些重要的通信設施在關鍵時刻就是首選的攻擊目標，一旦被敵方摧毀，如何應急和指揮是面臨的難題。

隨著國民經濟快速穩健地發展，現在我國已經有很多民間和商用設施可以成為通信網絡節點，如各類交通工具（小汽車、貨運車、船舶、摩托/電單車等）、路燈架、電線桿甚至手機等。這些節點的數量龐大，其運動軌跡無法預測。它們均可以通過海洋互聯網的組網方式來構建一個無處不在又無法被徹底摧毀的網絡。雖然它在性能和可靠性方面無法與基于固定設施的網絡相媲美，但當這些設施被摧毀后，它們就成為“救命稻草”。

所以，通過將海洋互聯網的組網理念擴展到陸地網絡，形成一個全民可參與的“人民網絡”，并使它成為國家應急戰備通信網絡的一部分，以提高其生存能力。同時，也可以使“軍民融合”從技術、產品、資本等方面上升到應用系統的融合，實現軍民一體的國防通信體系。

4 主要研究內容

海洋互聯網是個超大規模、多模協作的混合網絡，其網絡單元可以是單個節點或子網絡，可以是政府所屬、企業經營或者民間自建；它們可以被預先建好或臨時組建，可以是固定或移動的。要想將這些網絡單元有機融合以形成大規模、高動態和相互協作的網絡，需要在網絡架構、組網方法、管理及安全等方面進行研究。水下無線網絡研究內容已在參考文獻[13-15]中進行了討論，水上網絡的主要研究內容小結如下。

（1）海洋互聯網的系統架構

為了使不同類型的網絡單元能融入海洋互聯網系統中，需要研究在動態變化的網絡邊界情況下網絡互聯的方法及與之相適應的系統架構，這是因為不同于傳統網絡，海洋互聯網的拓撲和網絡的邊界都是不斷變化的。

（2）海洋互聯網的服務系統

海洋互聯網用戶可能來自世界各地，臨時聚集在一起，需要研究在缺乏可靠網絡連接的情況下用戶身份驗證和網絡安全等問題。陸地互聯網服務是基于固定服務器的，但在海洋環境中，為了更好地服務海洋互聯網用戶，可能會出現移動服務器，所以需要研究在這種情況下域名服務及用戶漫游的方法。

（3）海洋互聯網的標準體系

由于海洋互聯網的開放性，其網絡單元和用戶可能來自不同國家地區，臨時聚集在同一水域；它們會使用不同的無線頻段和通信制式，擁有不同的通信容量，并涉及用戶管理等問題；如上所述，海洋互聯網可作為不同應用的平臺來實現互聯互通。要想有效地實現這些目標，需要研究相關標準。

（4）網絡資源的快速感知和智能分配

由于海洋互聯網的復雜性和網絡資源的動態變化，需要研究能及時發現海洋環境中各種可用通信網絡資源并合理有效地分配它們的方法，以盡可能滿足用戶在性價比方面的要求；另外，海洋互聯網無法對網絡資源實現統一管理和分配，在這種情況下，如何支持用戶使用資源的優先級也需要進行研究。

（5）關鍵網絡協議和算法

這涉及網絡路徑探測、評估和選擇以及端到端服務質量和安全性等相關問題。當性價比高的衛星網絡服務沒有普及時，海洋互聯網需要依賴不同網絡協作來最大化數據傳輸的機會，在這過程中如何鑒別各自的身份和確保數據的安全是一大挑戰。在如此大型的動態拓撲網絡中，如何及時地尋找到性價比合理且滿足應用要求的端到端傳輸路徑和方法也面臨挑戰；不同于現有網絡，路徑及相應的資源分配可在呼叫建立時確定，而且在會話過程中一般保持不變；但是在海洋互聯網中，這種變化會時常發生，尤其當路徑中有一部分是機會性路徑時。

5 結束語

本文簡要地討論了海洋互聯網的一些主要潛在應用和研究內容，從中可以領悟其重要性和意義，尤其是在建設海洋強國方面所能發揮的積極作用。但是，目前海洋互聯網的研發還處在起步階段，希望有更多人加入它的研發活動中，共同努力，使我國在這一領域處在世界領先地位。