ISOIEC TR 301672021 物联网-物联网水下通信技术标准立项发展报告

物联网—物联网水下通信技术标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InternetofThings(IoT)—UnderwaterCommunicationTechnologiesforIoT摘要关键词：物联网；水下通信；水下物联网；技术报告；国际标准；水声通信一、引言1.1研究背景物联网（InternetofThings,IoT）作为新一代信息技术的重要组成部分，正在深刻改变人类社会的生产生活方式。据国际数据公司（IDC）预测，到2025年全球物联网连接设备数量将超过416亿台，产生的数据总量将达到79.4泽字节（ZB）。然而，现阶段物联网的部署主要集中于陆地环境，覆盖了智慧城市、智能家居、工业互联网等应用场景，而占地球表面积约71%的海洋及其水下空间，仍处于物联网覆盖的薄弱地带。近年来，随着海洋经济战略地位的不断提升，水下物联网（UnderwaterInternetofThings,UIoT）的概念应运而生。水下物联网通过部署水下传感器节点、自主水下航行器（AUV）、水下机器人等智能设备，构建水下信息感知、传输与处理网络，广泛应用于海洋环境监测、海底资源勘探、水下目标探测、海洋牧场管理、水下考古、水下国防安全等众多领域。据市场研究机构估算，全球水下通信设备市场预计将从2023年的约30亿美元增长至2030年的超过70亿美元，年复合增长率约为13%。然而，水下环境的特殊性使得陆地物联网所依赖的射频通信技术难以直接应用于水下场景。水对电磁波的强衰减特性导致射频信号在水中的传播距离极为有限，而声波虽能在水中远距离传播，却面临可用带宽窄（通常仅为几十千赫兹）、传播时延大（约为空气中电磁波传播速度的五分之一）、多径效应严重、环境噪声干扰强等固有挑战。此外，水下传感器节点的能量供给极为有限，电池更换困难，如何实现低功耗、高可靠的水下通信成为制约水下物联网发展的核心技术瓶颈。1.2标准立项的必要性在上述技术挑战背景下，水下通信技术的标准化工作显得尤为紧迫。由于缺乏统一的技术规范和接口标准，不同厂商和设备之间的水下通信系统难以实现互联互通，严重制约了水下物联网产业的规模化发展。具体而言，标准立项的必要性体现在以下方面：第一，水下通信设备的互操作性需求迫切。不同制造商生产的水下调制解调器、水声换能器等设备在通信协议、接口规范、数据格式等方面存在显著差异，导致系统集成成本高昂，限制了水下物联网的规模化部署。第二，水下通信技术路线多元化需要统一引导。当前水下通信技术涉及声学、光学、射频、磁感应等多种技术路线，不同技术在传输速率、通信距离、能耗特性等方面各有优劣，亟需通过标准化的方式明确各类技术的适用场景和技术指标。第三，水下物联网系统架构需要规范化设计。水下物联网涉及水下感知层、通信层、网络层和应用层的多层次体系架构，需要建立统一的参考模型和体系框架，以指导各参与方协同推进系统建设。第四，国际标准化组织需填补水下物联网标准空白。截至ISO/IECTR30167:2021发布前，国际标准化组织在物联网标准体系（ISO/IEC30141物联网参考架构等）中尚未就水下通信技术形成专门的标准文件，存在明显的标准空白。1.3标准基本情况简介在此背景下，国际标准化组织（ISO）联合国际电工委员会（IEC）下属JointTechnicalCommittee1（JTC1）正式立项并发布了ISO/IECTR30167:2021《物联网—物联网水下通信技术》。该标准为技术报告（TechnicalReport,TR）类型，标准编号为ISO/IECTR30167:2021，英文名称为"InternetofThings(IoT)—UnderwatercommunicationtechnologiesforIoT"，由ISO/IECJTC1/SC41（物联网及数字孪生分技术委员会）归口管理。该标准于2021年6月30日正式发布，国别为国际组织，语言为英文，分类号为电信综合。作为一项技术报告，该标准旨在为物联网应用场景下的水下通信技术提供一个系统性的技术描述和指导性框架，涵盖水下通信的技术类型、系统架构、关键性能指标和应用场景分析等内容，为后续制定正式的国际标准奠定基础。根据国际标准化组织的标准制定流程，技术报告（TR）通常发布在正式国际标准（IS）之前，用于收集和整理特定领域的技术信息，为后续标准化工作提供参考依据。二、标准编制概况2.1标准编制背景与过程ISO/IECTR30167:2021的编制工作由ISO/IECJTC1/SC41（物联网及数字孪生分技术委员会）牵头组织。SC41是国际标准化组织在物联网领域的核心技术委员会，负责物联网基础标准、参考架构、互操作性、应用指南等系列标准的制定工作，下辖多个工作组（WorkingGroup,WG）和咨询组，在物联网标准化领域具有广泛的国际影响力。水下通信技术标准的立项动议源于多个成员国和联络组织的共同推动。在SC41的历次全体会议和工作组会议中，多个国家成员体相继提出将水下通信纳入物联网标准体系的技术提案，认为随着物联网应用场景从陆地延伸至海洋，水下通信技术标准化需求日趋迫切。经过充分讨论和论证，SC41于2018年前后正式启动了该技术报告的编制工作，成立了专门的项目团队负责起草。在编制过程中，项目团队广泛收集了各国在水下通信领域的技术研究成果和工程实践经验，邀请了来自学术界（高校与科研机构）、产业界（通信设备制造商、海洋工程企业）以及用户方（海洋管理部门、国防机构）等多方利益相关方参与研讨和评审。报告初稿历经多次工作组内部评审、委员会投票和意见征集，最终于2021年上半年完成全部编制程序，经ISO中央秘书处审核后于2021年6月30日正式发布并对外销售。2.2标准制定的法律政策与管理依据本标准的制定严格遵循了国际标准化组织（ISO）和/or国际电工委员会（IEC）联合技术指令（ISO/IECDirectives）所规定的技术工作程序和文本编写规则。具体而言，该标准的制定贯彻了以下管理依据：（1）ISO/IECDirectives,Part1:ConsolidatedISOSupplement—规定了技术委员会和分技术委员会的组织架构、工作程序、文件类型划分及批准流程，确保标准制定过程的公开性、透明性和协商一致性；（2）ISO/IECDirectives,Part2:PrinciplesandrulesforthestructureanddraftingofISOandIECdocuments—规定了国际标准文件的结构编写规则、要素表述要求和文本规范，确保发布文件在语言表达、术语定义和编排格式上的统一性；（3）ISO/IECJTC1技术工作程序（StandingDocument,SD）系列文件—对JTC1范围内技术报告（TR）的立项评估、编制流程、评审机制和表决程序提出了具体操作要求。在技术内容层面，本标准的制定参考了ISO/IEC30141《物联网—参考架构》所确立的物联网系统基础框架，确保水下通信技术标准与物联网整体标准体系的一致性和兼容性。同时，标准的制定还参考了ITU-R、IEEE等国际组织在水下声通信领域已有的研究成果和技术规范，力求在最大程度上吸纳全球水下通信技术的最新进展。2.3标准类型定位说明值得特别说明的是，ISO/IECTR30167:2021定位为技术报告（TechnicalReport,TR），而非正式国际标准（InternationalStandard,IS）。根据ISO/IEC指令的规定，技术报告主要用于发布尚未达到正式国际标准成熟度的技术信息，包括探索性研究的技术成果、正在发展中的技术方向，或行业实践中收集的技术数据。技术报告不具有强制性约束力，但为后续制定正式国际标准提供了技术基础和指南依据。选择技术报告作为该文件的发布形式，主要基于以下考虑：一方面，水下通信技术尚处于快速发展演变阶段，多种技术路线并存，立即制定强制性国际标准的条件尚不成熟；另一方面，作为物联网标准体系中首项水下通信标准文件，有必要先以技术报告的形式统一认识、厘清技术脉络，为未来正式标准的制定提供参考基础。这一选择充分体现了国际标准化组织务实、稳健的标准制定策略。三、标准主要内容解析3.1标准适用范围与定位ISO/IECTR30167:2021的适用范围涵盖物联网架构下采用各类物理层传输技术的水下通信系统和设备。该标准定位为面向物联网应用场景的技术描述文件，旨在解决水下通信技术在物联网应用中的系统性规范和指导问题，为此类系统的设计、开发、部署和运维提供技术参考。该标准描述的水下通信场景包括但不限于：海洋环境监测网络（海水温度、盐度、深度、浊度等参数的实时采集与传输）、海底油气田及矿产资源开发的远程监控、水产养殖智能化管理（饲料投喂控制、水质在线监测等）、水下基础设施（海底电缆、管道等）状态监测、港口与航道安全监控，以及面向海洋科学考察的数据采集与传输系统等。3.2水下通信技术类型与比较分析该技术报告的核心内容之一是对适用于物联网水下通信场景的主要技术类型进行了系统梳理和比较分析。报告详尽地描述了以下主要技术路线：（1）水声通信技术水声通信是当前水下通信中技术最成熟、应用最广泛的技术手段。该技术利用声波在水中的良好传播特性（水下声速约为1500m/s），可在数公里至数十公里的距离上实现通信，但其可用带宽极为有限。浅水环境中，声通信的可用带宽通常仅为数kHz至数十kHz，对应的数据传输速率一般在kbps量级。报告进一步指出，水声通信还面临着多径效应导致的码间干扰问题、环境噪声（航运噪声、生物噪声、海洋环境噪声）干扰、传播时延大（导致吞吐量下降和协议效率降低）等一系列技术挑战。（2）水下光通信技术水下光通信（通常指蓝绿光波段，波长为450-550nm）可在数十米的短距离内实现极高的数据传输速率（可达Gbps量级），且具有低时延、低功耗的优势。然而，水对光信号的吸收和散射作用较强，清澈海水中光的衰减系数虽相对较低，但在浑浊水域或近岸水域中，光信号的传播距离受到严重限制。报告将水下光通信定位为适用于短距离高速率数据传输的补充性技术手段。（3）水下射频通信技术射频（RF）信号在水下的传播特性受水的导电性影响显著，在海水中的衰减极其严重，通常仅能在极短距离（厘米级至米级）内实现通信。但在淡水环境或极低频率条件下，射频通信的传播距离可以有所扩展。报告指出，射频通信的优势在于不受声学噪声干扰、不需严格的收发对准、可穿透沉积物等，适用于特定物联网场景下的短距离通信需求。（4）磁感应通信技术磁感应（Magneto-Inductive,MI）通信利用低频交变磁场在水下传播来实现无线通信，该技术不受水浊度和盐度的影响，通信信道特性稳定，且可穿透非金属障碍物，适用于跨介质通信和特定水下物联网场景。该标准通过上述多类通信技术的系统对比分析，给出了各类技术的适用场景建议、技术成熟度评估和关键性能参数参考范围，为物联网系统设计人员在选择水下通信技术路线时提供了实用指南。3.3水下物联网网络架构与关键技术要素在技术类型梳理的基础上，该标准进一步归纳了水下物联网系统的网络架构层次和关键技术要素。报告阐述了水下物联网系统的一般性分层架构，包括水下感知层、水下通信层、水下网络层和水面网关层等逻辑层次，并描述了各层次的功能职责和接口关系。标准强调了水面网关（SurfaceGateway）在连接水下网络与陆地互联网中所扮演的关键纽带角色，指出其需完成跨介质通信转换（水下声信号与陆地射频信号之间的协议转换和数据中继）。报告还对部署水下物联网系统需要重点关注的关键技术要素进行了归纳，包括：水下网络节点的物理层设计及节能策略（水下设备能量极度受限，通常依赖电池供电且更换困难，因此功耗管理至关重要）；水下信道的时变特性及其对网络协议设计的影响；水下节点的定位与同步（GPS信号无法穿透水面，水下节点需要借助声学定位等手段实现自身位置确定和时间同步）；水下网络路由协议设计（需克服高时延、低带宽和节点移动性带来的挑战）；水下通信安全问题（包括物理层安全和上层加密机制的适配性）；以及水下设备的可靠性与维护策略（需具备抵抗生物附着、腐蚀和高压的能力）。3.4应用场景与部署考量报告选取了多个典型水下物联网应用场景进行了深入分析，包括海洋环境监测、海底资源勘探开发监控、海洋养殖智能化管理、水下基础设施巡检、港口安防和水下考古等。针对每个应用场景，报告分析了其通信需求特征（传输速率、时延要求、通信距离、可靠性指标等），并将需求映射至相应的技术方案，为工程实践提供了参考。此外，报告还讨论了水下物联网系统部署中的若干实际考量因素，如设备布放方式（锚系固定、漂流型、移动型等）、节点密度与网络拓扑设计、能源供给方案（电池容量设计、海洋能量收集技术等）、防水防腐封装保护要求、部署成本控制等，帮助使用者更全面地规划和实施水下物联网系统建设项目。四、标准的意义与影响分析4.1填补国际标准空白，引导技术发展方向ISO/IECTR30167:2021的发布，填补了国际物联网标准体系中水下通信领域的空白。该标准首次以国际权威标准化文件的形式，确立了物联网水下通信技术的基本技术框架和术语体系，为全球范围内物联网水下通信的研究、开发和产业化工作提供了统一的技术语境。标准中对于各类水下通信技术类型的系统梳理和对比分析，对于引导全球水下通信技术的良性发展、避免重复投入和碎片化开发具有重要的导向作用。4.2促进产业互联互通，降低系统集成成本长期以来，水下通信设备市场高度分散，不同制造商的产品在接口、协议和性能指标方面差异较大，系统集成方往往需要花费大量资源进行定制化适配。该技术报告所提供的通用性技术框架和分类描述，为产业链上下游建立了共同的技术认知基础，有助于推动设备间的互操作性提升，降低系统集成和部署成本，从而促进水下物联网产业的规模化发展。4.3为后续标准制定奠定基础作为技术报告，ISO/IECTR30167:2021还为后续制定正式的物联网水下通信国际标准（IS）奠定了基础。该报告中所形成的技术分类框架、术语定义、性能指标体系和应用场景分析，将成为后续标准制定工作的重要输入。可以预见，在技术报告发布后，SC41将根据技术发展和产业需求，适时启动正式国际标准的制定工作，逐步构建完整的水下物联网通信标准体系。五、主要起草单位介绍ISO/IECTR30167:2021的编制汇集了全球多个国家在物联网及水下通信领域的顶尖机构和专家。该标准的起草过程中，核心推动力量来自于韩国电子通信研究院（ElectronicsandTelecommunicationsResearchInstitute,ETRI）以及韩国科学技术院等韩国科研机构，同时也吸纳了欧洲、北美和中日等国家和地区在水下声通信及海洋物联网领域的专家参与。韩国电子通信研究院（ETRI）作为韩国政府资助的国家级信息通信技术研究机构，在水下通信和海洋物联网研究领域积累了深厚的技术底蕴和丰富的研究经验。ETRI成立于1976年，总部位于韩国大田广域市，是韩国在信息通信技术（ICT）领域规模最大的政府出资研究机构，拥有研究人员约2000名，其中博士级研究人员超过700名。在水下通信领域，ETRI长期从事水声通信信号处理、水下传感器网络协议、水下通信调制解调器设计与开发等方向的研究工作，并多次承担韩国海洋水产部（MOF）和国家研究基