与岸基网络不同,水面上没有稳定的地方来部署网络基础设施。在这种情况下,如何在海洋中应用不依赖预先建好基础设施的无线自组网(WANET) [63] 被广泛研究。WANET的自组织和自愈能力,以及简单和快捷部署的特点,使其更适合动态的海洋通信网络环境。尤其是机会网络,在这种网络中,连接中断和连接机会经常是节点移动造成的。这节主要回顾一下传感器自组网(SenANET)、航海自组网(NANET)和网状网络,以及利用类蜂窝网络结构来构建水面网络等方面的研究。
由于传感器随海浪移动,文献[64]提出了一种针对这种随机移动的路由方案,其基本思想是根据电源供应和可靠性来量化每个节点的状态,再建立一个路由选择度量,取代传统的最短路径度量。文献[65]研究了另一种路由方案和基于CSMA的MAC协议,以应对海面上射频信道条件的持续变化对网络性能的影响。该MAC有3种模式:不可靠、延迟敏感可靠和带宽敏感可靠。第一个最简单,该路由协议基于多路径路由的转换,来适应上行节点的变化。研究模拟了800m×800m区域中500 个节点的网络,每个节点通信范围为50m。
基于链路信号强度、稳定性和带宽,文献[66]提出了一种评估DTN中无人机之间的链路质量的机制,并把它融入高效数据传输的路由中。其下一跳选择按照以下策略进行:首先邻近接触、最佳质量接触、同网关的最佳质量接触。研究使用真实水上运动场景进行评估,结果表明第三种策略的传输率最高。
文献[67]通过数据采集和制图系统仿真,研究了几种移动自组网(MANET)路由协议在SenANET中的性能,这些协议包括AODV、AOMDV [68] 、DSDV [69] 和DSR [70] 。该网络配备了VHF和5G通信系统。岸上5G基站具有移动边缘计算功能,可与SenANET通信,并连接到中央处理云。结果表明,AOMDV在包传递率和路由负载方面表现更好,这与下面讨论的NANET研究 [71] 所观察到的现象类似。
文献[72]研究了使用船舶作为中继节点扩展岸基网覆盖范围的可行性,该研究使用了新加坡东海岸实际船舶移动的轨迹,表明在90%的时间里,船舶通过多跳船舶自组网(SANET),约90%的节点可以连接到岸基基站,具体参数为:平均路径长度约为1.8跳,船舶间传输距离至少为8km。
基于SANET和水面其他具有无线通信功能的节点(如浮标和平台)可以构建NANET [73] 。在近海水域,由于船舶密度较高,这种网络是可以实现的,它可以提供船对船、船对岸通信。与陆基MANET相比,NANET的一些有利特性可用来进一步提高网络的性能,如AIS可提供船舶的位置和速度信息。这种网络也被称为MaritimeManet [74] ,它进一步使用多个定向传输取代传统MANET全向传输。文献[28]研究了一种基于AIS的路由协议,让节点利用船舶AIS的位置信息来确定邻居,并做出路由决策。类似地,文献[75]研究了GAODV协议,使用位置信息选择性地广播路由请求。类似于文献[67],文献[71]研究了海上交通模式(由节点密度和移动性确定)对AODV、AOMDV和DSDV路由协议性能的影响,得出了类似的结论。
当NANET中的节点分布太稀疏而不能保证节点之间持续的连通性时,网络就变为DTN。在这种情况下,间歇性连接会显著降低TCP的性能,这是因为中断会影响TCP的拥塞控制窗口的设置。因此,文献[76]提出了一个RAR(Replication Adaptive Routing)协议,以使TCP更具有适应性。网络状态的实时检测用于确定网络是无线网状网络(WMN)还是DTN。如果是WMN,则数据通过单个路径传输,不进行复制;否则,复制的数据将通过多个路径传输。该方案在一个由20多个节点组成的测试实验中得到了验证。
当船舶自组网(SANET)被船载用户用来访问其他网络时,它就是一种无线网状网络(WMN),类似于无线骨干网。许多SANET是基于WiMAX的,例如,文献[11]为地中海不使用卫星的船只提供船载互联网宽带接入;文献[77]采用了智能中间件技术,允许节点在邻近船只稀疏或远离基站时切换到卫星链路,以实现船对船、船对岸的高速通信。为了提供可靠的海上网络连接,文献[78]讨论了另一个智能中间件以充当本地船载应用的接入路由器:船充当中继节点,将数据转发给岸基基站,卫星作为备案。文献[79]回顾了几种基于WiMAX的SANET,用于实现可靠和具有再生能力的海上通信网络技术。
文献[80]仿真研究了船间通信MAC协议的网络吞吐量、数据投递率和平均时延等方面的性能。在某些海洋条件下,例如,当海浪方向垂直于节点连接方向时,协议对于恒定流量在1跳和2跳(跳距超过10km)连接的情况下均可取得良好的性能。然而,该协议对AODV的路由请求广播的支持效率低,这是因为每个路由请求的传输都需要一个三方握手来获取数据发送的机会。因而,文献[81]提出了一种在MAC消息中捎带路由消息的方案。
类似地,文献[82]仿真研究了OLSR [83] 、AODV和AOMDV的性能。结果表明,OLSR的效率较低,AOMDV受海况的影响较小,而AODV在平均包延迟和投递率方面较好。文献[84]把该研究扩展到DTN中,用新加坡海峡实际测量的海陆模型进行仿真,并与Epidemic [85] 和Spray and Wait等路由协议进行比较,结果表明,DTN路由协议的端到端数据包投递率比AODV和OLSR的更高。
除WiMAX之外,还有一些使用LTE构建NANET的研究,它比WiMAX更快,覆盖范围更广。文献[86]简要介绍了一个基于LTE的桥接项目MariComm,它试图在海上提供约1Mbit/s的互联网服务,允许使用中继站构建海上异构中继网络;在韩国南部海域对由4艘船组成的系统进行性能测试,单跳距离为4~20.3km,速率为2~6Mbit/s。文献[87]讨论了另一个韩国LTE海事项目,它试图开发一种海上通信设施,支持在100km覆盖范围内、1Mbit/s的数据通信;配备了LTE海上路由器的船只、岸基基站和操作中心所组成的测试实验实现了上述目标,覆盖范围为100km左右。
文献[88]讨论了一种基于Wi-Fi的上行链路海上无线电通信模型,即船上用户设备到岸上基于分布式天线的蜂窝基站;提出了一种天线选择算法,以最小服务云来满足船舶用户设备的质量要求。性能指标包括平均数据速率和链路中断概率,数值计算证明了该算法的有效性。