海洋通信網(wǎng)絡協(xié)議 算法和架構(gòu)
隨著人類海洋活動的不斷增加，如何提供高性能、高性 價比、可靠安 全的海洋通信網(wǎng)絡服務已成為一個亟待解決的問題。海洋是一個巨大的咸水體，其空間由岸基、水面、天空和水下組成，網(wǎng)絡部署環(huán)境、氣候條件和用戶分布等與陸地空間存在較大差異，這導致陸基通信網(wǎng)絡技術(shù)無法直接應用到海洋環(huán)境中。衛(wèi)星通信是目前僅有能提供海洋幾乎全覆蓋的通信網(wǎng)絡技術(shù)，但是由于其制造和維護成本高、部署風險大，衛(wèi)星服務的性價 比阻礙其被廣泛應用，這也推動了近年來對海洋空間新型通信網(wǎng)絡技術(shù)的研究和探討。本書分析海洋通信網(wǎng)絡所面臨的環(huán)境特點和技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，介紹現(xiàn)有主要海洋通信網(wǎng)絡技術(shù)，研究和討論一些新型海洋通信網(wǎng)絡的協(xié)議、算法和體系架構(gòu)及發(fā)展趨勢。
本書可為從事相關(guān)領(lǐng)域研究和開發(fā)的人員提供有價值的借鑒，為高校師生了解海洋通信網(wǎng)絡現(xiàn)狀和發(fā)展方向提供指導，為政府部門和企事業(yè)單位的科研規(guī)劃人員提供參考。
·國家出版基金：海洋信息技術(shù)叢書
·海洋信息技術(shù)——天網(wǎng)、海網(wǎng)、地網(wǎng)三網(wǎng)一體化維度闡述海洋通信網(wǎng)絡協(xié)議、算法和架構(gòu)
·系統(tǒng)性介紹覆蓋海洋空間（由岸基、水面、空中和水下四大部分組成）的通信網(wǎng)絡技術(shù)的專著
姜勝明
教授。2012年在國際上率先提出海洋互聯(lián)網(wǎng)概念，獲國家自然科學基金、國家基金與廣東省聯(lián)合基金、上海市教委科創(chuàng)基金（2022年入選交通部重點項目庫）等，獨著相關(guān)領(lǐng)域國際頂 級期刊論文多篇，獨著Springer英文專著兩部（一部被列為“十三五”國家重點圖書由哈工大翻譯出版），獲發(fā)明專利20余項；基于這些專利而立項的“動態(tài)開放式無線智能組網(wǎng)技術(shù)”獲上海市浦東新區(qū)“重大項目知識產(chǎn)權(quán)評議”資助。
第 1章 海洋通信網(wǎng)絡概述 001
1.1 引言 001
1.2 海洋通信網(wǎng)絡環(huán)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 海洋通信網(wǎng)絡用戶 006
1.3 現(xiàn)行海洋通信網(wǎng)絡 006
1.3.1 海事無線電 006
1.3.2 船舶自動識別系統(tǒng)（AIS） 007
1.3.3 陸基無線接入系統(tǒng) 008
1.3.4 衛(wèi)星系統(tǒng) 008
1.3.5 水下無線系統(tǒng) 008
1.3.6 海底觀測系統(tǒng) 009
1.4 岸基網(wǎng)絡 009
1.4.1 陸基無線接入網(wǎng)絡 010
1.4.2 蒸發(fā)波導通信（EDC） 011
1.4.3 自由空間光系統(tǒng)（FSO） 011
1.4.4 應用 012
1.5 水面網(wǎng)絡 012
1.5.1 傳感器自組網(wǎng)（SenANET） 013
1.5.2 航海自組網(wǎng)（NANET） 013
1.5.3 基于WiMAX的網(wǎng)狀網(wǎng)絡 014
1.5.4 類蜂窩網(wǎng)絡 015
1.6 空中通信網(wǎng)絡 015
1.6.1 高空通信平臺（HAP） 016
1.6.2 航空自組網(wǎng)（AANET） 016
1.6.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡和計劃 016
1.7 水下通信網(wǎng)絡 017
1.7.1 水聲網(wǎng)絡（UWAN） 017
1.7.2 水下光網(wǎng)絡 018
1.8 海洋網(wǎng)絡互聯(lián)方法 018
1.8.1 網(wǎng)絡互聯(lián) 018
1.8.2 移動性支持 019
1.8.3 網(wǎng)絡管理 019
1.9 小結(jié) 020
參考文獻 020
第 2章 海洋通信信道 029
2.1 信道概述 029
2.1.1 信道定義 029
2.1.2 信道分類 030
2.1.3 海洋信道特性 030
2.2 信道建�！�031
2.2.1 快衰落建�！�032
2.2.2 慢衰落建�！�032
2.3 小結(jié) 034
第3章 海事地面無線數(shù)字通信技術(shù)綜述 036
3.1 傳統(tǒng)地面數(shù)字通信技術(shù)：AIS 036
3.1.1 AIS的產(chǎn)生 036
3.1.2 AIS的功能 037
3.1.3 AIS的分類 038
3.2 AIS的通信架構(gòu) 039
3.3 AIS的組網(wǎng)協(xié)議 040
3.3.1 AIS層模塊以及幀和時隙 040
3.3.2 AIS消息 042
3.3.3 AIS時隙分配規(guī)則及協(xié)議 043
3.3.4 AIS入網(wǎng)過程 044
3.4 AIS的主要算法 046
3.4.1 AIS的通信算法 046
3.4.2 AIS的應用算法 048
3.5 AIS的發(fā)展方向 050
3.5.1 技術(shù)方面 050
3.5.2 應用方面 051
參考文獻 052
第4章 VDES關(guān)鍵技術(shù)研究 053
4.1 引言 054
4.2 VDES發(fā)展現(xiàn)狀 056
4.3 VDES的概述 057
4.3.1 VDES的系統(tǒng)架構(gòu) 057
4.3.2 VDES頻譜劃分方案 059
4.4 VDES關(guān)鍵技術(shù) 061
4.4.1 VDES調(diào)制解調(diào)技術(shù) 062
4.4.2 VDES時隙層級與結(jié)構(gòu) 063
4.5 VDES數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 064
4.5.1 傳統(tǒng)TDMA協(xié)議概述 065
4.5.2 改進的TDMA協(xié)議 069
4.6 小結(jié) 080
參考文獻 080
第5章 蜂窩網(wǎng)通信在海洋中的應用 082
5.1 引言 082
5.2 蜂窩網(wǎng)技術(shù)在海洋通信中的應用 084
5.2.1 基于LTE系統(tǒng)的岸基無線接入方案 085
5.2.2 基于大規(guī)模天線陣列技術(shù)的速率提升方案 086
5.2.3 基于中繼技術(shù)的�；鶡o線通信系統(tǒng) 086
5.3 蜂窩通信先進技術(shù)在海洋通信網(wǎng)絡中的應用可能 087
5.3.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng) 087
5.3.2 D2D通信技術(shù) 088
5.3.3 軟件定義網(wǎng)絡 089
5.3.4 網(wǎng)絡切片技術(shù) 090
5.4 小結(jié) 091
參考文獻 091
第6章 海上水面通信組網(wǎng)技術(shù) 094
6.1 概述 095
6.1.1 自組織網(wǎng)絡基本概念 095
6.1.2 自組織網(wǎng)絡通信特點 096
6.1.3 自組織網(wǎng)絡在海洋通信中的應用 098
6.2 無線自組網(wǎng)路由技術(shù) 099
6.2.1 拓撲控制 099
6.2.2 能量管理 100
6.2.3 服務質(zhì)量管理 100
6.2.4 機會路由 101
6.3 常見的海上路由協(xié)議 101
6.4 小結(jié) 102
參考文獻 103
第7章 海洋無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制與路由協(xié)議 106
7.1 引言 106
7.2 拓撲控制概述 107
7.2.1 特點及設(shè)計目標 108
7.2.2 研究現(xiàn)狀 109
7.3 基于功率控制的拓撲控制 109
7.3.1 節(jié)能型功率控制 110
7.3.2 基于網(wǎng)絡容量分配的功率控制 110
7.3.3 基于節(jié)點度的功率控制 111
7.3.4 基于鄰近圖的功率控制 112
7.4 基于無線接口模式管理的拓撲控制 112
7.4.1 基于密度控制的拓撲控制 112
7.4.2 基于占空比的拓撲控制 113
7.4.3 自適應的拓撲控制 114
7.4.4 聚簇管理的拓撲控制 114
7.5 基于移動輔助的拓撲控制 115
7.5.1 基于軌跡的拓撲控制 115
7.5.2 基于深度調(diào)整的拓撲控制 116
7.6 拓撲控制問題和需要研究的內(nèi)容 116
7.6.1 現(xiàn)存問題 117
7.6.2 需要研究的內(nèi)容 117
7.7 路由協(xié)議概述 118
7.8 能量感知的路由協(xié)議 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 稀疏感知節(jié)能分簇路由協(xié)議 121
7.9 基于節(jié)點遷移的路由協(xié)議 121
7.9.1 矢量轉(zhuǎn)發(fā)和逐跳矢量轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議 122
7.9.2 基于深度的路由協(xié)議 123
7.9.3 虛擬隧道協(xié)議 123
7.9.4 基于局部和虛擬匯聚移動的路由協(xié)議 124
7.10 基于地理位置的路由協(xié)議 124
7.10.1 基于定位的路由協(xié)議 124
7.10.2 無定位的路由協(xié)議 125
7.10.3 協(xié)作機制下的路由協(xié)議 125
7.11 路由協(xié)議問題和需要研究的內(nèi)容 126
7.11.1 現(xiàn)存問題 126
7.11.2 主要研究內(nèi)容 127
7.12 小結(jié) 127
參考文獻 127
第8章 海洋無線傳感器網(wǎng)絡的定位技術(shù) 132
8.1 引言 132
8.2 定位算法分類及原理 133
8.2.1 基于測距的定位算法 134
8.2.2 基于非測距的定位算法 137
8.3 現(xiàn)狀分析 138
8.4 參數(shù)不確定性情況的定位算法 140
8.4.1 問題描述 140
8.4.2 發(fā)射功率未知的目標定位 142
8.5 小結(jié) 153
參考文獻 153
第9章 海洋衛(wèi)星通信技術(shù) 157
9.1 衛(wèi)星通信的基本概念和特點 157
9.1.1 衛(wèi)星通信的基本概念 157
9.1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成 158
9.1.3 衛(wèi)星通信的分類 158
9.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 160
9.2.1 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng) 160
9.2.2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 160
9.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù) 161
9.3.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡的路由協(xié)議 161
9.3.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡的TCP 163
9.3.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡的資源管理 163
9.3.4 海事衛(wèi)星系統(tǒng) 164
9.4 小結(jié) 164
參考文獻 165
第 10章 海洋空中通信網(wǎng)絡技術(shù) 166
10.1 引言 166
10.2 無人機系統(tǒng)概述 167
10.2.1 無人機分類 167
10.2.2 無人機集群化 169
10.2.3 FANET 169
10.3 空對海與空對空數(shù)據(jù)鏈路通信 170
10.3.1 空對海數(shù)據(jù)鏈路 170
10.3.2 空對空數(shù)據(jù)鏈路 172
10.4 組網(wǎng)技術(shù) 172
10.4.1 組網(wǎng)方案 172
10.4.2 通信方式 174
10.4.3 組網(wǎng)實例 175
10.5 小結(jié) 176
參考文獻 176
第 11章 水下通信網(wǎng)絡技術(shù)現(xiàn)狀 179
11.1 引言 179
11.2 水下通信方式與特點 180
11.2.1 水下有線通信技術(shù) 180
11.2.2 水下無線通信技術(shù) 180
11.2.3 水下融合通信技術(shù) 182
11.3 水下通信應用 182
11.3.1 基于有線通信的應用 182
11.3.2 基于無線通信的應用 183
11.4 水聲通信技術(shù) 184
11.4.1 調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 184
11.4.2 編碼與解碼技術(shù) 186
11.4.3 媒體訪問控制技術(shù) 186
11.4.4 組網(wǎng)技術(shù) 186
11.5 水下無線光通信技術(shù) 187
11.5.1 光源技術(shù) 187
11.5.2 調(diào)制技術(shù) 188
11.5.3 信道編碼技術(shù) 188
11.5.4 探測技術(shù) 188
11.6 小結(jié) 189
參考文獻 189
第 12章 高速海洋通信鏈路技術(shù)研究 194
12.1 海洋通信中的大氣波導 194
12.1.1 大氣波導分類 195
12.1.2 大氣波導中的無線電波傳播 196
12.1.3 大氣波導在船舶通信中的應用 202
12.2 自由空間光通信在海洋中的應用 203
12.2.1 自由空間光通信的理論 203
12.2.2 自由空間光通信在海洋中的應用場景 204
12.3 小結(jié) 205
參考文獻 206
第 13章 智能海洋通信技術(shù) 209
13.1 引言 209
13.2 通信智能的發(fā)展 210
13.3 智能算法簡介 211
13.3.1 智能優(yōu)化算法 211
13.3.2 ML算法 211
13.3.3 DL算法 212
13.4 智能海洋通信技術(shù) 212
13.4.1 智能水聲通信 213
13.4.2 智能水下物聯(lián)網(wǎng) 214
13.4.3 智能海洋應急通信 216
13.5 小結(jié) 217
參考文獻 218
第 14章 邊緣計算在海洋中的應用 223
14.1 引言 223
14.2 海洋邊緣計算體系架構(gòu) 225
14.2.1 體系架構(gòu) 225
14.2.2 海洋邊緣計算優(yōu)勢 226
14.3 海洋邊緣計算關(guān)鍵問題及技術(shù)研究 227
14.3.1 資源提供 227
14.3.2 資源管理 228
14.3.3 數(shù)據(jù)處理 230
14.3.4 安全管理 231
14.4 海洋邊緣計算的挑戰(zhàn)與展望 233
14.4.1 面臨的挑戰(zhàn) 233
14.4.2 未來研究方向 235
14.5 小結(jié) 236
參考文獻 236
第 15章 海洋互聯(lián)網(wǎng)概述 239
15.1 引言 239
15.2 海洋互聯(lián)網(wǎng)原理 240
15.3 網(wǎng)絡組成 241
15.3.1 岸基網(wǎng)絡 241
15.3.2 無線自組網(wǎng) 243
15.3.3 衛(wèi)星系統(tǒng) 243
15.3.4 水下網(wǎng)絡 243
15.3.5 通信鏈路和方式 244
15.4 網(wǎng)絡互聯(lián) 246
15.5 仿真試驗 247
15.6 主要應用 249
15.6.1 陸地互聯(lián)網(wǎng)的延伸 249
15.6.2 海事通信系統(tǒng)的提升 249
15.6.3 海洋物聯(lián)網(wǎng)的橋梁 250
15.6.4 海洋通信網(wǎng)絡資源分配優(yōu)化 250
15.6.5 海洋作業(yè)的協(xié)作平臺 251
15.6.6 智慧海洋的發(fā)展之路 251
15.6.7 近海聯(lián)防輔助通信系統(tǒng) 252
15.6.8 國家應急通信網(wǎng)絡的組成部分 252
15.7 面臨的挑戰(zhàn) 253
15.7.1 動態(tài)、含糊的網(wǎng)絡邊界 253
15.7.2 實時變化的超大規(guī)模WANET 254
15.7.3 端到端可靠性和安全性 254
15.7.4 海洋互聯(lián)移動性管理 255
15.8 小結(jié) 256
參考文獻 256
第 16章 海洋互聯(lián)網(wǎng)安全 259
16.1 引言 259
16.2 海洋信息安全現(xiàn)狀與問題 260
16.3 無線網(wǎng)絡入侵檢測技術(shù) 260
16.4 基于MK-ELM的WSN入侵檢測系統(tǒng)設(shè)計 263
16.4.1 ELM算法原理 263
16.4.2 構(gòu)造多核極限學習機算法 268
16.4.3 基于MK-ELM的WSN入侵檢測系統(tǒng) 270
16.4.4 仿真實驗及結(jié)果分析 272
16.5 小結(jié) 280
參考文獻 280
第 17章 基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡體系架構(gòu) 284
17.1 引言 284
17.2 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的概況和體系架構(gòu) 285
17.2.1 業(yè)務特征 285
17.2.2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 286
17.2.3 網(wǎng)絡特點 286
17.2.4 基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu) 288
17.3 體系結(jié)構(gòu)面臨的主要挑戰(zhàn) 289
17.3.1 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡體系的自適應性 289
17.3.2 海洋通信網(wǎng)絡資源的快速探測和智能組網(wǎng) 290
17.3.3 海洋數(shù)據(jù)透明傳輸和優(yōu)先級支持 291
17.3.4 海洋空間移動用戶的漫游支持 292
17.3.5 安全數(shù)據(jù)傳輸 293
17.4 小結(jié) 293
參考文獻 293
附錄 297
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