水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
空海跨域通信专栏
一种面向任务的海空跨域网络路由协议
署名作者：
张皓波, 王彪, 韩兆越
作者单位：
江苏科技大学 海洋学院, 江苏 镇江, 212000
基金项目：
国家自然科学基金项目资助(52071164).
摘要
海空跨域网络由水下子网和水上子网构成, 为了充分利用资源, 多种不同的应用程序共享相同的物理设施, 不同的数据包共存于同一网络中, 需要差异化的传送策略来满足应用需求, 但现有的路由协议往往无法根据应用需求来提供个性化的服务。针对该问题, 文中提出了一种面向任务的海空跨域网络路由协议, 该协议根据任务类型的不同, 调整转发因子的计算方式, 并以此为特定的任务类型选择最合适的下一跳节点。此外, 协议中还增加了预处理层来完成异构网络之间的通信。仿真结果表明, 与其他典型的协议相比, 文中所提协议能够根据任务的特定需求实现最优的传输策略。
引言
由于海洋在国防领域的重要意义, 党的十八大和十九大做出了“维护国家海洋权益”、“建设海洋强国”的战略部署。中央网信办也印发《“十四五”国家信息化规划》, 提出要在“十四五”期间实施“空天地海立体化网络建设和应用示范工程”。在这种综合网络中, 海空跨域网络是一个基本且关键的组成部分, 它连接了天空与海洋, 如无人机、无人水面航行器、自主水下航行器和水下传感器网络等[1-3]。通过海空跨域网络, 人们可以进行海洋环境和海洋资产监测、商业开发、港口保护、灾害预防以及军事监视等任务[4]。
如何寻找一条稳定且高效的从发送端到接收端的可靠路径, 即路由协议的设计, 是海空跨域网络数据传输的基础, 也是当前研究的热点。海空跨域网络路由协议的难点在于其网络结构的特殊性和网络任务的多样性, 由于网络包含水上子网和水下子网2个部分, 受限于空气、海水2种介质时空环境的非连续性, 信息跨介质传输面临较大困难, 文献[5]和文献[6]对该问题进行了详细分析, 并以水面节点为中继节点提出了海空跨域网络的通信系统总体架构。文献[7]以面向6G的空天地海一体化网络的角度详细分析了水面网络和水下网络的特点, 并提出由水面网络节点如船舶、浮标及水面无人艇等提供边缘计算服务, 处理水上信息与水下信息。与此类似, 文献[8]将节点分为普通节点和超级节点, 普通节点负责收集数据, 超级节点通过网关连接其他网络。
上述文献都是采用基于中继的方法完成水下网络与水上网络之间的通信。除此之外, 还可以采用直接通信的方式进行跨域通信, 具体可分为光直接通信和非光直接通信[9-10]。其中, 光直接通信技术近年来取得了巨大的发展。然而, 严重的信号吸收以及不稳定的波浪面、湍流、散射、反射及失准等各种挑战严重降低了其性能并限制了其实际应用[11-12]。非光直接通信包括激光诱导声通信[13]、水声诱导通信[14]、电磁波通信[15]和磁感应波通信[16], 可以实现空中节点和水下节点之间的低延迟和平滑的通信。与光直接通信相比, 电磁波和磁感应波的主要优势在于其对海水湍流、气泡和浊度的耐受性, 可实现从水面到海底的直接通信。其缺点是电磁波信号受到严重的海水吸收影响, 并且通信系统需要大体积高功耗的天线; 磁感应通信由于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[17]。激光诱导声通信和水声诱导通信在利用激光声学和声学射频2种不同的通信信号类型基础上, 同时结合了水声技术的优势; 前者利用高功率激光束撞击水面产生水声信号进行通信; 后者是利用机载雷达系统或激光传感器对水声信号产生的水面振动进行探测和跟踪。虽然这些方法均有望实现直接跨界通信, 但这些技术仍处于早期阶段, 还需要进一步的研究。
为了提高网络资源利用效率, 海空跨域网络需要支持多种应用程序, 同时承担多种任务。为了满足不同任务的个性化需求, 文献[18]提出了一种网络模式快速切换技术来应对不同的应用场景, 但该技术较为复杂, 需要为节点配置多种模式下的协议栈, 切换时还需要确定涉及范围, 详细的切换方式文中没有描述。文献[4]根据延时和可靠性2种指标将任务类型分为4种, 并为每种任务设计相应的路由协议, 节点在收到数据包时, 根据不同的任务类型触发不同的路由协议。虽然文中使用的网络模型较为简单, 但其自适应的路由设计思路值得借鉴。文献[19]针对现有的网络架构无法根据不同的任务类型提供个性化网络服务的问题, 提出了一种面向任务的智能网络架构, 该网络可以根据不同的任务类型和网络状况提供不同的组网方案。同时, 文中针对异构网络互联问题提出了网络功能虚拟化的概念, 即同一网络设施可以支持不同类型的通信方式, 应用终端只需要考虑内容本身, 无需考虑底层网络的实现细节。
综上所述, 为了应对海空跨域网络结构的特殊性, 文中结合网络功能虚拟化技术建立了海空跨域网络架构。在硬件层面, 跨域节点通过使用通用设备同时支持水下声通信和无线电通信, 实现跨域网络物理层面的互联互通; 在软件层面, 通过增加预处理层屏蔽底层网络的实现细节, 完成数据包内容的提取和交付; 针对海空跨域网络任务多样性问题, 在文献[20]的基础上提出了一种面向任务的海空跨域路由协议, 协议主要面对紧急和非紧急2种任务, 其中设计的路由协议在延长网络寿命方面有较好效果, 可以用于非紧急任务。文中对文献[20]中转发因子的计算方式进行了改进, 使其能针对不同的任务计算出不同的转发因子, 进而选出最佳的下一跳节点以实现最优的传输策略。
结束语
文中针对海空跨域网络结构的特殊性和任务的多样性, 提出了一种面向任务的海空跨域网络路由协议。在网络结构方面, 文中使用网络功能虚拟化技术提供海空跨域通信的硬件支持, 通过使用预处理层实现跨域网络之间的数据传递; 在路由方面, 文中提出了一种灵活的转发因子计算方式, 可以根据不同的任务类型计算不同的转发因子, 从而使节点在转发数据时面对不同的任务类型均能快速找到符合任务需求的最佳下一跳节点。仿真结果表明, 文中所提的协议在传输常规任务数据包时, 实现了较低的能耗和较长的网络寿命; 在传输紧急任务数据包时, 协议实现了较低的端到端时延。不过需要指出的是, 传输常规任务数据包的路由策略引入了一定的端到端时延, 而在传输紧急任务数据包时协议消耗了更多的能量且不考虑能量均衡。文中所提协议主要针对网络中同时有紧急任务传输需求和常规任务传输需求的系统, 例如带有自然灾害(如海底地震及海啸等)预警的海洋环境监测网络。
目前文中提出的协议考虑的任务类型较少, 今后的工作会考虑增加更多的任务类型, 并在任务提取与网络资源管理方面作进一步研究。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
