海上通信技術(shù)發(fā)展與研究綜述

董浩，宋亮，化存卿，劉玲亞，唐俊華

（1. 上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海 200240；2. 中交航信（上海）科技有限公司，上海 200086；3. 華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，上海 200241）

0 引言

海洋覆蓋了地球表面超過70%的面積，與氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)等緊密相關(guān)。近年來，人類的海上活動(dòng)日益頻繁，規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)海上通信的要求不斷提高。海上旅游業(yè)務(wù)、近海水產(chǎn)養(yǎng)殖和海上礦物勘探等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)迅速發(fā)展，對(duì)多樣化海上通信業(yè)務(wù)提出了新的需求[1]；日常的水質(zhì)檢測(cè)和氣象傳感器及鉆井平臺(tái)、勘測(cè)平臺(tái)等海上作業(yè)所需要的數(shù)據(jù)交換，需要可靠和穩(wěn)定的海上通信技術(shù)[2]；海上環(huán)境復(fù)雜多變，自然災(zāi)害和意外突發(fā)事件頻繁，需要高速、實(shí)時(shí)的通信技術(shù)應(yīng)對(duì)搶險(xiǎn)救援[3]。因此，建立滿足需求的海上通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海上作業(yè)、海上安全和緊急救援等[4]具有重要意義。

我國(guó)海洋面積約為300 萬平方千米，大陸海岸線長(zhǎng)18 000 余千米，島嶼數(shù)量達(dá)6 000 多個(gè)，發(fā)展海上通信能夠很好地連接海域內(nèi)的船只、軍艦用于國(guó)防和軍用場(chǎng)景[5]。海上通信是海上經(jīng)濟(jì)必不可少的一部分?！爸腔酆Ｑ蟆惫こ搪鋵?shí)國(guó)家海上戰(zhàn)略，是建設(shè)海上強(qiáng)國(guó)的重要工程，同時(shí)，“21 世紀(jì)海上絲綢之路”等發(fā)展戰(zhàn)略也得到了沿線國(guó)家的積極響應(yīng)，這些都需要穩(wěn)定、高效和可靠的海上通信覆蓋提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[6]。

海上環(huán)境復(fù)雜多變、基站部署困難、通信條件惡劣等原因?qū)е潞Ｉ贤ㄐ诺陌l(fā)展明顯滯后于陸地通信，難以應(yīng)對(duì)海上搶險(xiǎn)等應(yīng)用場(chǎng)景，更難滿足不同的業(yè)務(wù)需求[7]。另外需要注意的是，海上通信發(fā)展至今，不同時(shí)期的通信標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景不同，且使用的通信技術(shù)也存在很大的區(qū)別，這導(dǎo)致海上通信系統(tǒng)存在一定程度的割裂，互不兼容。目前，海上通信網(wǎng)絡(luò)主要包括基于衛(wèi)星的海上通信系統(tǒng)[8]、基于海岸的海上通信系統(tǒng)[9]、基于島嶼的海上通信系統(tǒng)[10]等應(yīng)對(duì)不同服務(wù)需求的系統(tǒng)，但因?yàn)楦飨到y(tǒng)較為獨(dú)立，缺乏統(tǒng)一的資源管理和操作協(xié)調(diào)，整體的利用效率很低，制約了海上通信的發(fā)展。

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)海上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運(yùn)行，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍、信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性提供有效的保障，需要考慮對(duì)已有的海上通信系統(tǒng)進(jìn)行有效的系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)空海跨域協(xié)同傳輸；同時(shí)還需要結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)、超5G 網(wǎng)絡(luò)以及未來6G 網(wǎng)絡(luò)的研究技術(shù)，針對(duì)目前海上通信系統(tǒng)存在的問題和技術(shù)瓶頸，新一代海上通信系統(tǒng)需要打破目前通信系統(tǒng)的限制，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信、多系統(tǒng)的靈活有效融合，提供全方位的通信覆蓋和更高的通信速率與資源配置效率。

1 海上通信研究現(xiàn)狀

海上通信區(qū)別于陸地通信的主要特點(diǎn)是覆蓋范圍廣闊，集合了多種通信技術(shù)為各種終端用戶提供服務(wù)。在海上通信的發(fā)展過程中，世界各國(guó)紛紛部署海岸基站和艦載無線終端，其中包括小型浮塔和配備大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏度接收機(jī)的大型船只，通過窄帶通信進(jìn)行電報(bào)、電話和數(shù)據(jù)傳輸[11]。近些年來，各國(guó)對(duì)寬帶在海上通信中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的項(xiàng)目研究，包括通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）和長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）技術(shù)等[12]。此外，蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和其他類型無線網(wǎng)絡(luò)也被廣泛研究用于促進(jìn)海上通信的發(fā)展[1]。根據(jù)通信方式的不同，本文將目前的海上通信系統(tǒng)分為4 個(gè)主要組成部分：基于空域的海上通信，以海上衛(wèi)星通信為主；基于陸地的海上通信，作為地面蜂窩通信的擴(kuò)展，由基于岸基的海上通信構(gòu)成；基于海域的海上通信，包括基于島嶼、船舶、海上航空器和無人機(jī)在內(nèi)的無線通信網(wǎng)絡(luò)基于跨域協(xié)同的海上通信，通過協(xié)調(diào)不同海上通信系統(tǒng)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高資源利用效率。海上通信系統(tǒng)模型如圖1 所示?；诤Ｉ贤ㄐ畔到y(tǒng)的主要組成部分，本文從工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀兩個(gè)方面同時(shí)綜述概括4 個(gè)組成部分的研究現(xiàn)狀，其中，工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀主要介紹多個(gè)國(guó)家和企業(yè)目前推行和計(jì)劃實(shí)施項(xiàng)目的情況，而學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀主要概述了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上通信新技術(shù)的研究和新方向的探索，海上通信工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)和海上通信學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀總結(jié)分別見表1 和表2。

表1 海上通信工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)

表2 海上通信學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀總結(jié)

圖1 海上通信系統(tǒng)模型

1.1 基于空域的海上通信

衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)在于能憑借高度提供廣域連接，結(jié)合衛(wèi)星間的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。近年來低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星的快速發(fā)展，如SpaceX Starlink[13]、CloudSat[14]、SPECSI[15]等，在復(fù)雜的海上通信環(huán)境中有不可替代的作用。

海事衛(wèi)星通信在過去30 多年不斷發(fā)展和引進(jìn)新技術(shù)。海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）[16]部署在對(duì)地地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）上，旨在為各種應(yīng)用提供全球性的語音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，如海上運(yùn)輸、緊急救援等。第一代系統(tǒng)（Inmarsat-1）主要提供模擬語音、傳真和低速數(shù)據(jù)服務(wù)[17]；第二代系統(tǒng)（Inmarsat-2）于1990 年投入使用，可提供數(shù)字語音、傳真和中低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[18]；第三代系統(tǒng)（Inmarsat-3）[19]于1996 年投入使用，可支持移動(dòng)分組數(shù)據(jù)服務(wù)，其容量是Inmarsat-2 的8 倍；第四代系統(tǒng)（Inmarsat-4）由4顆衛(wèi)星組成（其中包括一顆備份衛(wèi)星），每顆衛(wèi)星都有1 個(gè)全局波束、19 個(gè)區(qū)域波束和大約200 個(gè)窄點(diǎn)波束，可實(shí)現(xiàn)492 kbit/s 的峰值速率[20]，能夠滿足衛(wèi)星地面終端數(shù)量急劇增加的通信需求，在搶險(xiǎn)救災(zāi)中得到了廣泛應(yīng)用；未來的第五代系統(tǒng)（Global Xpress）[21]，能夠?yàn)槿蛴脩籼峁?0 Mbit/s的下行鏈路服務(wù)和5 Mbit/s 的上行鏈路服務(wù)，以支持更多樣的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。同時(shí)，高通量衛(wèi)星也正在被廣泛研究，如EchoStar-19 的容量超過了200 Gbit/s，并配備了138 個(gè)客戶通信波束和22 個(gè)網(wǎng)關(guān)波束，該衛(wèi)星將為北美用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)急救援服務(wù)。

近年來，我國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)在海上通信領(lǐng)域也不斷取得進(jìn)展。天通一號(hào)[22]于2016 年發(fā)射并成功進(jìn)入軌道，2018 年投入商業(yè)使用，被稱為中國(guó)版的海事衛(wèi)星。天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是中國(guó)第一個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要覆蓋亞太地區(qū)，包括大部分太平洋和印度洋，峰值速率為9.6 kbit/s，可以提供語音、短消息和低速數(shù)據(jù)服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[23]可在全球范圍內(nèi)提供定位、導(dǎo)航服務(wù)，還具有短報(bào)文通信能力，可以提供遇險(xiǎn)求救和航海通告服務(wù)等。實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星，應(yīng)用了Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，其通信總?cè)萘靠蛇_(dá)20 GB 以上，超過了之前所有研制通信衛(wèi)星容量總和，而配有的26 個(gè)用戶點(diǎn)波束能夠覆蓋中國(guó)近200 km 的近海海域。

隨著低成本火箭技術(shù)及其他航天技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)衛(wèi)星通信也得到了快速發(fā)展。銥星系統(tǒng)（Iridium）是LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可為使用衛(wèi)星電話的用戶提供語音和低速數(shù)據(jù)服務(wù)。第二代銥星星座Iridium NEXT 也于2017 年開始部署，由66 顆活動(dòng)衛(wèi)星、9 顆在軌備用衛(wèi)星和6 顆地面?zhèn)溆眯l(wèi)星組成。目前，Iridium NEXT 向移動(dòng)終端提供高達(dá)128 kbit/s 的數(shù)據(jù)服務(wù)，并且將來能夠?yàn)橹С指蟮膸捄透叩乃俾史?wù)，使移動(dòng)終端的傳輸速率達(dá)到1.4 Mbit/s，大型用戶終端的高速數(shù)據(jù)服務(wù)達(dá)到30 Mbit/s[24]。此外，O3b 衛(wèi)星能夠提供中軌道小衛(wèi)星的通信系統(tǒng)已開通運(yùn)行；SpaceX、維珍銀河等也正在規(guī)劃由600～700 顆低軌微小衛(wèi)星組成的通信網(wǎng)絡(luò)，為全球提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

針對(duì)空域的海上通信網(wǎng)絡(luò)，學(xué)術(shù)界也開展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[25]將控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離的概念和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的思想引入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，提出一種聚合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（softwaredefinednetwork，SDN）控制系統(tǒng)的新一代網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能快速適應(yīng)不同的場(chǎng)景，布網(wǎng)靈活，易于擴(kuò)展，資源利用率高。為了提高衛(wèi)星海上通信的傳輸速率、提高寬帶覆蓋范圍，文獻(xiàn)[26]研究使用點(diǎn)波束技術(shù)以提高頻譜效率。面向任務(wù)需求，文獻(xiàn)[27]提出使用時(shí)變圖對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模以處理其動(dòng)態(tài)性?；跀?shù)學(xué)語言描述，文獻(xiàn)[28]將規(guī)劃與調(diào)度問題描述成多約束的優(yōu)化問題進(jìn)行最優(yōu)問題的分析。文獻(xiàn)[29]研究了一種協(xié)調(diào)合作的衛(wèi)星和地面架構(gòu)，以提供實(shí)時(shí)的寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)提出了一種基于資源的分配策略，以提高對(duì)移動(dòng)性的支持并降低系統(tǒng)功耗與干擾。為了應(yīng)對(duì)海洋面積遼闊、終端分布稀疏不均勻的海洋通信典型特征，文獻(xiàn)[30]研究了海上目標(biāo)定位問題，基于空域通信的無源雷達(dá)雙基地測(cè)距，利用通信衛(wèi)星以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）（包括GPS、GLONAS和Galileo）提出一種新的定位算法，通過來自目標(biāo)的反射信號(hào)與來自衛(wèi)星的直接信號(hào)提取一組雙基地距離測(cè)量值。

基于空域的通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，可以提供不同類型的數(shù)據(jù)服務(wù)。但是，目前主要的衛(wèi)星系統(tǒng)僅支持中低速通信服務(wù)，且衛(wèi)星通信的費(fèi)用以及船載衛(wèi)星終端的通信成本高昂，需要降低通信成本，以充分發(fā)揮衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)，提高衛(wèi)星通信的資源利用效率。

1.2 基于陸地的海上通信

作為陸地通信的延伸段，可以結(jié)合利用地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等成熟的陸地通信技術(shù)，為近海海上通信提供高容量、低成本、安全可靠的通信服務(wù)。

奈伏泰斯系統(tǒng)（NAVTEX）是一種在中頻工作的窄帶系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率為300 bit/s，可為離岸200 n mile 以內(nèi)的船舶提供海事安全信息直接打印服務(wù)。NAVTEX 系統(tǒng)提供導(dǎo)航消息、氣象警告和預(yù)報(bào)以及緊急信息，以增強(qiáng)海上安全，但是該系統(tǒng)無法提供寬帶通信服務(wù)和從用戶處獲取實(shí)時(shí)信息。PACTOR 系統(tǒng)[31]采用窄帶高頻通信系統(tǒng)，可以提供數(shù)據(jù)速率為10.5 kbit/s 的純文本電子郵件服務(wù)。第一代PACTOR 系統(tǒng)（PACTOR-I）可提供直接打印和分組無線電服務(wù)，在后續(xù)系統(tǒng)中，運(yùn)用了自適應(yīng)調(diào)制方法和正交頻分復(fù)用技術(shù)以提高頻譜效率。但是該系統(tǒng)由于傳輸時(shí)延較大，仍然不能提供實(shí)時(shí)通信服務(wù)[32]。另一個(gè)被廣泛應(yīng)用的海上通信系統(tǒng)是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）[33]，該系統(tǒng)由美國(guó)主導(dǎo)并得到國(guó)際海事組織的推薦，系統(tǒng)采用自組織時(shí)分多址接入并能夠傳輸船舶航跡信息，實(shí)現(xiàn)船舶避碰和安全航行。AIS 轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備能夠工作在甚高頻上，實(shí)現(xiàn)9.6 kbit/s 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率。目前，AIS 被廣泛應(yīng)用于船舶監(jiān)控、海上搜救、船舶避障、航海導(dǎo)航等實(shí)時(shí)工作場(chǎng)景。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶無線通信也被更多地運(yùn)用于海上通信。全球首個(gè)離岸LTE 網(wǎng)絡(luò)由挪威Tampnet 公司和華為公司聯(lián)合開發(fā)[34]，該系統(tǒng)涵蓋了離岸20～50 km 的鉆井平臺(tái)、油輪以及浮動(dòng)生產(chǎn)存儲(chǔ)卸載設(shè)備，能提供1 Mbit/s 上行鏈路和2 Mbit/s 下行鏈路的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳和無線中繼通信服務(wù)。在國(guó)內(nèi)，愛立信和中國(guó)移動(dòng)合作在青島建設(shè)了TD-LTE 試用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行海事覆蓋，該網(wǎng)絡(luò)工作在2.6 GHz 頻段，覆蓋離岸長(zhǎng)達(dá)30 km的區(qū)域，峰值速率可達(dá)7 Mbit/s，為海上運(yùn)輸和海上漁業(yè)等海上應(yīng)用提供寬帶服務(wù)。在海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，電氣電子工程師學(xué)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）于2003年制定的IEEE 802.15.4 通信協(xié)議也能夠在海岸范圍內(nèi)提供高速的傳輸服務(wù)。文獻(xiàn)[35]針對(duì)電子導(dǎo)航服務(wù)的非衛(wèi)星寬帶海事通信技術(shù)，對(duì)比了甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和一些無線電通信的經(jīng)典擴(kuò)展解決方案提供的基本服務(wù)集，得出了現(xiàn)代海上通信的完全異構(gòu)的netBaltic 系統(tǒng)用途最廣的結(jié)論，憑借同時(shí)具有使用不同通信技術(shù)的能力和時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)組件所提供的功能，netBaltic 系統(tǒng)能夠訪問國(guó)際海事組織定義的所有服務(wù)。

作為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，大量的學(xué)術(shù)研究工作也取得了很好的進(jìn)展。文獻(xiàn)[36]為了降低中斷概率等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，提出了一種面向海洋通信的具有非正交多址接入的部分解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用于沿?；就ㄐ牛c傳統(tǒng)的CRN-NOMA（cognitive radio network-non-orthogonal multiple access）方案相比，該方案顯著提高了海上通信的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[37]研究了陸地和海上兩種場(chǎng)景下不可靠鏈路分布特征，分析了LoRa 物理層參數(shù)配置對(duì)通信性能的影響，通過優(yōu)化擴(kuò)頻因子和帶寬的配置改善不可靠鏈路性能。

對(duì)于岸基海上通信的信道研究，文獻(xiàn)[38]在非視距場(chǎng)景下對(duì)海上通信進(jìn)行測(cè)量提出了兩徑模型，并引入了校正系數(shù)，在5 GHz 頻段下獲得了更好的信道預(yù)測(cè)結(jié)果。此外，考慮海上大氣特殊的折射率結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[39]在視距場(chǎng)景下測(cè)量了近岸航道的通信情況，提出了三射線路徑損耗模型。在不同岸基通信技術(shù)的研究中，文獻(xiàn)[40]提出一種在沿海網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用蜂窩技術(shù)的框架，深入研究了天線選擇方案，為目標(biāo)用戶形成虛擬服務(wù)云。文獻(xiàn)[41]的工作提出了一種基于LTE 技術(shù)的沿海網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持多種海上無線服務(wù)方案，同時(shí)采用設(shè)備到設(shè)備（device to device，D2D）的傳輸和多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術(shù)以支持更高效的數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[42]研究的海事基站通信系統(tǒng)基于大規(guī)模多輸入多輸出（massive MIMO）技術(shù)，通過數(shù)字與模擬預(yù)編碼結(jié)合，降低系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和開銷。

隨著4G、5G 及未來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基于陸地的海上通信可以為離岸用戶提供寬帶通信服務(wù)，如文件下載、實(shí)時(shí)通信和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳。但是，與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，基于陸地的海上通信覆蓋范圍有限，而覆蓋范圍的性能很大程度上取決于海岸基站的部署。因此擴(kuò)大通信覆蓋范圍將是陸地通信網(wǎng)絡(luò)拓展到深海海上通信的關(guān)鍵難點(diǎn)。

1.3 基于海域的海上通信

基于海域的海上通信主要包括基于島嶼、大型船舶、無人機(jī)和海上航空器在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，基于定位和承擔(dān)角色的不同，可以應(yīng)用于不同場(chǎng)景以盡量滿足復(fù)雜多變且超范圍的海上通信需求。

基于島嶼部署的基站能提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，為深海島嶼附近的海上終端提供有力的通信支持。2016 年，中國(guó)移動(dòng)在距離陸地1 400 多千米的永暑礁上建立了4G 基站，其通過在島上建立衛(wèi)星地面站將信號(hào)傳輸?shù)街欣^衛(wèi)星，通過衛(wèi)星組網(wǎng)再傳輸?shù)疥懙厣系牡孛嬲?，附近的船載通信設(shè)備的傳輸速率可達(dá)到15 Mbit/s，支持多樣化的深海通信服務(wù)需求。2017 年，中國(guó)電信在南沙群島建立了4 個(gè)4G 基站，通過水下電纜連接到陸地，進(jìn)一步提升了島嶼海上通信能力。作為類似陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的遷移，基于島嶼基站的建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)大了沿海移動(dòng)信號(hào)的覆蓋范圍，可以支持周圍的船只和漁民日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。但是，基于島嶼的海上通信更容易遭受臺(tái)風(fēng)等惡劣氣候條件的影響；同時(shí)，部署成本昂貴，需要綜合考慮島嶼的位置和航線的路線；并且由于遠(yuǎn)離陸地，回傳階段的通信鏈路也必須有效優(yōu)化。

基于船舶的海上通信具有靈活性高、易自組網(wǎng)的特點(diǎn)，通常以大型船只作為中繼節(jié)點(diǎn)，用于擴(kuò)大基于海岸以及島嶼的海上通信覆蓋范圍，為更多的海上終端提供連接和通信服務(wù)。日本開發(fā)的海上移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)[43]，通過船對(duì)船通信擴(kuò)大海上通信覆蓋范圍，該網(wǎng)絡(luò)使用27 MHz 和40 MHz 頻段，覆蓋離海岸長(zhǎng)達(dá)70 km 的海上區(qū)域，但是，傳輸速率僅為1.2 kbit/s，且只支持窄帶通信服務(wù)，如短消息服務(wù)等。新加坡也已經(jīng)啟動(dòng)了TRITON項(xiàng)目[44]，旨在開發(fā)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來擴(kuò)大海上通信的覆蓋范圍，在該網(wǎng)絡(luò)中，所有船只、海上信標(biāo)或浮標(biāo)等終端都能充當(dāng)網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)，為附近的其他節(jié)點(diǎn)路由轉(zhuǎn)發(fā)流量，系統(tǒng)的工作頻道為5.8 GHz，提供6 Mbit/s 的寬帶通信服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)距離海岸線最多可到27 km 區(qū)域的有效覆蓋。陸地通信技術(shù)的進(jìn)步同樣也促進(jìn)了海洋工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，文獻(xiàn)[45]提出通過收集和分析來自AIS 的大量空間數(shù)據(jù)流，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提高AIS 網(wǎng)絡(luò)中船只軌跡記錄的質(zhì)量，以保證智能船舶交通服務(wù)。

為了進(jìn)一步提高海上通信船對(duì)船的通信效率，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也進(jìn)行了不同的方案研究。文獻(xiàn)[46]提出使用多向天線，文獻(xiàn)[47]引入虛擬MIMO 技術(shù)，文獻(xiàn)[48]提出一種分布式自適應(yīng)時(shí)隙分配方案，以及文獻(xiàn)[49]提出一種認(rèn)知增強(qiáng)的網(wǎng)格介質(zhì)訪問控制（medium access control，MAC）協(xié)議等。一些應(yīng)用于船舶間通信的多跳與中繼方案也被廣泛提出，如文獻(xiàn)[50-52]，應(yīng)用于自組織海上通信網(wǎng)絡(luò)中，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，更好地為船舶提供通信服務(wù)。文獻(xiàn)[53]為異構(gòu)海上通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種無線多跳回傳網(wǎng)絡(luò)，討論了路徑選擇算法以提高吞吐量和覆蓋性能，并且通過不同船舶間的自組織網(wǎng)絡(luò)來改善連接性。同時(shí)，為提高通信效率，文獻(xiàn)[54]針對(duì)大型MIMO 海事通信系統(tǒng)中的上行鏈路大型終端設(shè)備無授權(quán)隨機(jī)接入的場(chǎng)景，提出了一種導(dǎo)頻域非正交多路訪問技術(shù)，解決導(dǎo)頻功率污染問題，提高頻譜利用率和降低中斷概率。

基于船舶的網(wǎng)狀或自組織海上通信網(wǎng)絡(luò)可以為遠(yuǎn)離海岸的深海船舶和作業(yè)平臺(tái)提供更大范圍的覆蓋和寬帶通信服務(wù)。但是，其鏈路穩(wěn)定性受海上天氣條件頻繁變化的限制，往往需要預(yù)先進(jìn)行信道探測(cè)估計(jì)。文獻(xiàn)[55]為提高信道估計(jì)性能，提出了一種基于奇異值分解優(yōu)化觀測(cè)矩陣的快速貝葉斯匹配追蹤稀疏信道估計(jì)優(yōu)化算法，該算法不僅能夠充分考慮海上通信的信道稀疏性，同時(shí)也能夠降低信道的不確定性帶來的影響。文獻(xiàn)[56]研究了海浪對(duì)無線電傳播和通信鏈路質(zhì)量的影響，首次使用沿海和深海水域的海浪模型檢查視距通信條件，為海上通信信道模型開發(fā)和數(shù)值評(píng)估提供了有效的數(shù)據(jù)參數(shù)。

無人機(jī)、無人艇等海上航空器因?yàn)槠潇`活性，被積極部署在海上航線提供空對(duì)海上的通信連接和業(yè)務(wù)服務(wù)，基于航空器的海上通信比基于船只的海上通信的覆蓋范圍更大。Facebook 在2013 年啟動(dòng)了Internet.org 項(xiàng)目[57]，旨在為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶以及海上用戶提供免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)訪問。該項(xiàng)目利用55～82 km 高度的無人機(jī)作為空中基站，通過激光通信形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Google 也于2013 年發(fā)起了Loon 項(xiàng)目[58]，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供網(wǎng)絡(luò)訪問和緊急通信服務(wù)（2.4 GHz/5.8 GHz 頻段），該項(xiàng)目使用海拔20 km 的超高壓氣球建立通信網(wǎng)絡(luò)，可以提供10 Mbit/s 的通信服務(wù)。“BLUECOM+”項(xiàng)目同樣使用熱氣球作為路由節(jié)點(diǎn)，使用多跳中繼技術(shù)來擴(kuò)展覆蓋范圍，將陸基通信擴(kuò)展到偏遠(yuǎn)海上區(qū)域，該系統(tǒng)可以覆蓋距海岸長(zhǎng)達(dá)150 km 的海域，提供3 Mbit/s 的寬帶通信服務(wù)[59]。對(duì)比高吞吐量的海洋衛(wèi)星，無人機(jī)等航空器也可用于對(duì)陸地沿?；镜难a(bǔ)充，減少海洋通信基礎(chǔ)設(shè)施部署缺乏導(dǎo)致的覆蓋盲區(qū)，增強(qiáng)海上通信的覆蓋率[60]。同時(shí)，因?yàn)槠潇`活性，在用戶數(shù)較少時(shí)可進(jìn)一步提供按需服務(wù)來提高通信效率。但是，無人機(jī)和無人艇等空中基站與節(jié)點(diǎn)更容易受到惡劣天氣的損害，因而可靠性較低。

基于海域的海上通信中，一些新型技術(shù)也廣泛運(yùn)用。人工智能（artificial intelligence，AI）已在許多領(lǐng)域取得了很好的成果，文獻(xiàn)[61]提出一種AI 支持的海洋物聯(lián)網(wǎng)自主網(wǎng)絡(luò)，采用并行網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的方法來獲取AI 訓(xùn)練所需要真實(shí)的數(shù)據(jù)和環(huán)境。文獻(xiàn)[62-63]提出了專用于海上物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）的海上機(jī)器類型通信（machine type communication，MTC）概念，支持更多樣的海上服務(wù)業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[64]展示了一種基于SDN 的聯(lián)合睡眠調(diào)度和機(jī)會(huì)傳輸方案，以在海事無線通信網(wǎng)絡(luò)中的能耗和時(shí)延之間找到更好的折中方案。文獻(xiàn)[65]提出一種新穎的海上巨型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，利用海上浮動(dòng)塔構(gòu)建了連接到地面網(wǎng)絡(luò)的多跳視距（line of sight，LoS）鏈路，為海上用戶提供廣域無縫覆蓋。文獻(xiàn)[66]從數(shù)據(jù)編碼的角度，通過數(shù)據(jù)壓縮可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且廉價(jià)的數(shù)據(jù)傳輸，并呼吁更多的船舶采用數(shù)據(jù)壓縮等方法，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋通信、遠(yuǎn)航監(jiān)控等功能。文獻(xiàn)[67]提出通過智能語音識(shí)別和無線電測(cè)向提高海上通信質(zhì)量。文獻(xiàn)[68]考慮海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的不同，海洋無線電信號(hào)受到許多因素的影響，如天氣條件、蒸發(fā)管道和波浪引起的船舶搖擺，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，研究采用了易于配置且性能可預(yù)測(cè)的馬爾可夫塊傳輸碼（block Markov superposition transmission，BMST），同時(shí)，采用具有空間調(diào)制（spatial modulation，SM）的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（physicallayer network coding，PNC）方案來提高頻譜利用率。

1.4 基于跨域協(xié)同的海上通信

海上衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，無人機(jī)部署靈活可以實(shí)現(xiàn)按需通信，基于島嶼的海上通信基站技術(shù)成熟，沿?；就ㄐ欧€(wěn)定，基于船只和浮塔的海上通信可以提高通信效率。每種通信方式都有各自的優(yōu)勢(shì)，但劣勢(shì)也很明顯，融合基于空域、陸地和海域3 種通信方式，即基于跨域協(xié)同的海上通信的方式也有大量的研究工作。

基于無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)按需通信的能力，無人機(jī)與其他通信系統(tǒng)可以緊密融合。文獻(xiàn)[69]提出依靠現(xiàn)有的衛(wèi)星和地面系統(tǒng)，利用頻譜共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的有效回傳通信，擴(kuò)大海洋通信的覆蓋范圍。文獻(xiàn)[70]研究了無人機(jī)與現(xiàn)有海洋通信系統(tǒng)的融合，考慮海洋船只分布、軌跡等具有的獨(dú)特特征，針對(duì)快速寬帶海事覆蓋場(chǎng)景，利用無人機(jī)的靈活性，提出一種衛(wèi)星、無人機(jī)和地面網(wǎng)絡(luò)的混合多層通信框架。但是無人機(jī)輔助的移動(dòng)中繼通信系統(tǒng)的性能受到基站與無人機(jī)之間無線回傳鏈路容量的限制。文獻(xiàn)[71]考慮在海洋下行通信場(chǎng)景中使用緩存無人機(jī)輔助的解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略，并優(yōu)化了無人機(jī)的最佳部署位置。

基于衛(wèi)星廣闊的覆蓋能力，文獻(xiàn)[72]提出了融合空域和海域的海上傳輸方案，其中，衛(wèi)星多播和海上中繼合作為深海提供了無處不在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)提出了協(xié)作分組接入和功率分配算法來解決同頻干擾等問題。文獻(xiàn)[73]通過感知海上環(huán)境的變化優(yōu)化了空域和海域協(xié)同通信的覆蓋范圍。

基于跨域協(xié)同的海上通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，研究最廣泛的是基于混合“衛(wèi)星－無人機(jī)－地面網(wǎng)絡(luò)”的框架。文獻(xiàn)[74]考慮了近海地區(qū)的混合“衛(wèi)星－無人機(jī)－地面”網(wǎng)絡(luò)，建立了按需覆蓋優(yōu)化框架，在滿足衛(wèi)星用戶所受干擾的約束條件下最大限度地提高了地面基站和無人機(jī)服務(wù)的地面用戶的最低速率。而這種混合網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)海上IoT 設(shè)備稀疏分布的特點(diǎn)，可以使用以用戶為中心的方式形成虛擬集群，靈活運(yùn)用NOMA 技術(shù)以降低相互之間的干擾[75]。文獻(xiàn)[76]解決了此混合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合鏈路調(diào)度和速率適配問題，在保證服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）的情況下最小化網(wǎng)絡(luò)的總能耗。進(jìn)一步參考地面接入網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC），文獻(xiàn)[77]提出衛(wèi)星和無人機(jī)為用戶提供邊緣計(jì)算服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)訪問的功能，設(shè)計(jì)了一種深度增強(qiáng)算法優(yōu)化邊緣資源動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)，文獻(xiàn)[78]針對(duì)海洋通信環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)量離散、用戶密度分布不均、海上業(yè)務(wù)設(shè)備類型不同等諸多局限性，提出了一種基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的空地融合輔助的海上通信網(wǎng)，提高海上通信的服務(wù)質(zhì)量。

2 目前海上通信系統(tǒng)存在的問題

目前，5G 網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化、超5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及未來6G 網(wǎng)絡(luò)的研究，使得海上通信系統(tǒng)能夠打破目前通信系統(tǒng)的限制，通過多種通信方式融合、路由策略優(yōu)化、組網(wǎng)通信系統(tǒng)集成研發(fā)等方式，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信、提供大范圍覆蓋和高速率的海上通信[79]。在未來網(wǎng)絡(luò)框架下，要實(shí)現(xiàn)海上通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性提供有效的保障，是進(jìn)一步發(fā)展海上網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)用戶需求的多樣性、海上惡劣的環(huán)境與復(fù)雜的信道以及目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足等問題進(jìn)行研究，從海上通信的4 個(gè)主要通信方式出發(fā)總結(jié)了存在的問題，海上通信系統(tǒng)存在問題見表3。

表3 海上通信系統(tǒng)存在問題

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化及用戶需求多樣化導(dǎo)致通信效率較低

除了浮標(biāo)、海上工作平臺(tái)等固定位置的終端通信需求，海上通信業(yè)務(wù)存在分布稀疏、移動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?。如基于海域的海上通信，無人機(jī)、無人艇和熱氣球的位置部署要按需優(yōu)化，并且根據(jù)終端的移動(dòng)方向和規(guī)律，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，這對(duì)快速網(wǎng)絡(luò)重組帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而基于陸地的海上通信，終端會(huì)根據(jù)自身位置優(yōu)化選擇接入網(wǎng)絡(luò)，使得陸地網(wǎng)絡(luò)不斷優(yōu)化路由選擇來應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；相較于傳統(tǒng)岸基通信較小的覆蓋范圍，衛(wèi)星較大的覆蓋范圍能夠很好地支持離岸較遠(yuǎn)的船只單位進(jìn)行通信。但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化以及信道的實(shí)時(shí)變化，帶來的衛(wèi)星資源調(diào)度分配非常復(fù)雜，這導(dǎo)致用戶在與衛(wèi)星通信的過程中出現(xiàn)鏈路不穩(wěn)定的狀態(tài)[80]。此外，由于海上不同的用戶往往對(duì)數(shù)據(jù)有著不同層面的需求，傳統(tǒng)通信的單一化配置會(huì)導(dǎo)致通信帶寬和資源在一定程度上的浪費(fèi)。同時(shí)，基于自組網(wǎng)等方式建立起來的海上、陸地和跨域協(xié)同通信，因?yàn)楹Ｉ檄h(huán)境的變化，也會(huì)面臨動(dòng)態(tài)變化的問題。而用戶需求的多樣化不斷提升，在有可選擇網(wǎng)絡(luò)接入條件場(chǎng)景下，使得海上通信更多變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

在海上通信網(wǎng)絡(luò)中，可以考慮通過知識(shí)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提升通信效率和提高資源利用率，有效減少終端動(dòng)態(tài)變化所帶來的通信問題。此外，還可以考慮通過一系列智能化機(jī)制，例如，使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，對(duì)不同的海上環(huán)境、不同的用戶需求，根據(jù)資源條件和服務(wù)要求提供靈活的服務(wù)，適應(yīng)海上用戶位置和需求的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 海上通信受限于惡劣環(huán)境及復(fù)雜信道導(dǎo)致通信可靠性較低

與陸地環(huán)境相比，大量的海水蒸發(fā)使海面大氣壓分布不均勻。岸對(duì)船和船對(duì)船通信更容易受到海面條件和大氣條件的影響，如溫度、濕度和風(fēng)速等；此外，船載天線的高度和角度會(huì)隨海浪迅速變化；同時(shí)，海上通信信道的衰落對(duì)天線高度和角度等參數(shù)特別敏感，這些參數(shù)可能導(dǎo)致頻繁的鏈路中斷。由于這些復(fù)雜的因素，海上通信的可靠性通常較低。

衛(wèi)星通信相較于岸基通信以及船聯(lián)網(wǎng)對(duì)船只的通信受海上環(huán)境的影響較小，可以提高海上通信接入端的可靠性和通信效率。但是，由于目前衛(wèi)星多為定制開發(fā)、獨(dú)立使用，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，彼此間相互獨(dú)立，多數(shù)已在軌的應(yīng)用衛(wèi)星不具備星間通信鏈路，無法對(duì)未來快速發(fā)展的海上通信提供保障。需要針對(duì)通信過程中衛(wèi)星的選擇與協(xié)同、波束干擾以及覆蓋區(qū)域等問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.3 海上通信受限于不同系統(tǒng)的差異性導(dǎo)致通信成本高昂及覆蓋范圍有限

目前的海上通信系統(tǒng)，同時(shí)包括海上無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、岸基通信系統(tǒng)、船載基站通信系統(tǒng)、空中基站通信系統(tǒng)等不同方法組成的通信系統(tǒng)來滿足不同的需求，如海上無線通信系統(tǒng)通信成本低廉、衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有廣域的覆蓋范圍、岸基通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。但是，目前各系統(tǒng)均為獨(dú)立系統(tǒng)，無法資源共享以及協(xié)同傳輸，且分別擁有不同的覆蓋范圍，海上通信的成本高昂。

針對(duì)未來海上通信的發(fā)展，通過綜合利用各種通信系統(tǒng)，能夠保障用戶實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、可靠、價(jià)格低廉的海上通信服務(wù)。根據(jù)不同的服務(wù)需求，考慮跨域協(xié)同，融合各種海上通信系統(tǒng)，進(jìn)行有效的通信資源分配與用戶調(diào)度來適應(yīng)不同的需求。在用戶端可以根據(jù)實(shí)際需求選擇接入不同網(wǎng)絡(luò)，用戶還可以選擇多模終端同時(shí)接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如岸基網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)同通信實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的海上通信。此外，還可以進(jìn)一步考慮同頻多系統(tǒng)融合、協(xié)作通信來提高通信資源的利用率，降低海上通信成本。

3 新一代海上通信系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)階段各種海上通信系統(tǒng)較為封閉，基于跨域協(xié)同的海上通信系統(tǒng)發(fā)展明顯滯后，可以借鑒陸地網(wǎng)絡(luò)的成熟技術(shù)，如基于衛(wèi)星超幀的通信技術(shù)、基站波束成形、上行預(yù)編碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的有效融合。但海上網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，通信系統(tǒng)考慮的關(guān)鍵技術(shù)需要明顯區(qū)別于陸地通信應(yīng)用環(huán)境。

3.1 海浪運(yùn)動(dòng)模型學(xué)習(xí)

與陸地通信環(huán)境條件不同，海上無線通信中的接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)由于海面的波動(dòng)而受到干擾。海浪會(huì)導(dǎo)致天線高度和通信節(jié)點(diǎn)（如船舶和浮標(biāo)）的方向發(fā)生變化，海浪運(yùn)動(dòng)對(duì)海上通信的影響如圖2 所示，從而影響接收信號(hào)的強(qiáng)度。具體來說，海浪導(dǎo)致船和浮標(biāo)（即放置在它們上面的通信天線）會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，在左右、前后不同維度上傾斜，并在海浪中上升或下降。值得注意的是，因?yàn)榇g的距離相對(duì)于天線高度較長(zhǎng)，所以由天線高度變化引起的天線增益變化較小，而天線傾斜變化會(huì)對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生更大的影響。同時(shí)，衛(wèi)星通信也對(duì)方向性較為敏感，要求終端天線與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)，而復(fù)雜海況下浮標(biāo)橫縱搖擺致使海上節(jié)點(diǎn)天線與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)困難，通信鏈路極不穩(wěn)定，容易中斷。

圖2 海浪運(yùn)動(dòng)對(duì)海上通信的影響

為了最大限度地降低海浪導(dǎo)致海面不穩(wěn)定帶來的影響，需要對(duì)海浪與接收信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究，通過對(duì)海浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行建模，研究由于天線桿傾斜造成的天線增益變化的影響。通過對(duì)海浪模型、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性、天線輻射特性等進(jìn)行特征深度學(xué)習(xí)，考慮改變有效鏈路的持續(xù)時(shí)間、業(yè)務(wù)類型和容量的區(qū)別，以及衛(wèi)星和節(jié)點(diǎn)的仰角等，改變通信策略，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)波束成形算法，優(yōu)化折中浮標(biāo)天線增益和波束寬度，適應(yīng)海上環(huán)境，尤其是海浪運(yùn)動(dòng)時(shí)變的特性。

3.2 海上信道建模

在跨域協(xié)同的融合空海地通信網(wǎng)絡(luò)中，研究的信道類型主要有兩大類型：空海信道（如衛(wèi)星到海面用戶和海上基站的通信鏈路等）和海面信道（如用于陸對(duì)船、船對(duì)船通信等）。由于海上傳播環(huán)境的獨(dú)特特征，如稀疏散射、海浪運(yùn)動(dòng)以及海面的管道效應(yīng)，海上信道鏈路的建模在許多方面與常規(guī)地面無線信道有所不同，會(huì)對(duì)海上終端的收發(fā)器設(shè)計(jì)有重大影響，需要從建模的角度突出差異性，更切實(shí)地反映海上的通信環(huán)境[81]。接收端和發(fā)送端距離遠(yuǎn)導(dǎo)致的反饋時(shí)延大，為了保證長(zhǎng)距離通信，發(fā)射機(jī)必須適當(dāng)?shù)丶心繕?biāo)用戶的信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）；由于鏈路不匹配、高路徑損耗導(dǎo)致信道條件較差，在海上通信中可能難以獲得準(zhǔn)確和及時(shí)的CSI 捕獲?？梢岳脷v史統(tǒng)計(jì)的CSI 來輔助優(yōu)化傳輸方案[82]；為了提高信道估計(jì)性能，可以利用信道的稀疏性功能將資源僅集中在信道的主要成分上，文獻(xiàn)[83]創(chuàng)造性地利用了基于位置的大規(guī)模CSI 設(shè)計(jì)混合預(yù)編碼，實(shí)現(xiàn)功率分配和用戶調(diào)度策略。

在海上信道模型建模方面，可以進(jìn)一步考慮其他因素，海上環(huán)境中用戶分布稀疏，不同用戶的信道條件差異很大，在這種情況下，如何保證用戶調(diào)度中的公平性是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。而對(duì)于遠(yuǎn)程用戶，除已經(jīng)按照用戶的方向設(shè)計(jì)波束，否則無法建立通信鏈接，這表明調(diào)度必須利用用戶的有限信息設(shè)計(jì)，例如，從AIS 等外部源獲取的位置信息。同時(shí)，長(zhǎng)距離傳輸引起的大時(shí)延表明傳輸協(xié)議中的反饋量應(yīng)最小化，否則可能導(dǎo)致無法承受的傳輸和處理時(shí)延。鑒于此，無反饋高層技術(shù)（如網(wǎng)絡(luò)編碼）可能在海上通信中有很好的應(yīng)用[84]。而稀疏的用戶分布和高度動(dòng)態(tài)的拓?fù)鋵?duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的終端可以在廣泛分散的用戶之間提供可靠和靈活的連接。受信道不穩(wěn)定、不常規(guī)的位置出現(xiàn)和有限的CSI獲取等不利因素的影響，海事網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計(jì)也是重要的研究方向。

3.3 大氣波導(dǎo)效應(yīng)

大氣波導(dǎo)效應(yīng)是由空氣的折射率變化引起的一種異常傳播現(xiàn)象。根據(jù)大氣折射指數(shù)垂直梯度，大氣折射可以分為多種類型，海上大氣折射基本類型如圖3 所示，其中，逆溫或水汽急劇減小會(huì)加大空氣密度和折射率的垂直變化，造成無線電波射線的超折射傳播，其電磁能量在該層大氣的上下壁之間來回反射向前傳播，形成好像在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行傳播的現(xiàn)象，即大氣的波導(dǎo)效應(yīng)。由于海水蒸發(fā)，與陸地環(huán)境相比，海面的大氣分布不均勻，在海平面上方0～20 m 的范圍內(nèi)可能會(huì)存在最常見、最容易被利用的一類大氣波導(dǎo)，即蒸發(fā)波導(dǎo)。電磁傳播環(huán)境易受海面條件（潮汐波等）和大氣條件（溫度、濕度、風(fēng)速等）的影響，電磁波的異常傳播會(huì)對(duì)海上環(huán)境中通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響[85]，因此，準(zhǔn)確地了解大氣折射率分布，進(jìn)行通信系統(tǒng)的性能評(píng)估和預(yù)測(cè)是新一代海上通信的重要方向。

圖3 海上大氣折射基本類型

與信號(hào)在自由空間傳播相比，大氣波導(dǎo)層中的信號(hào)傳輸路徑損耗更小、傳輸距離更遠(yuǎn)，是實(shí)現(xiàn)超視距（beyond-line-of-sight，b-LoS）傳播的有效方法之一。目前為了更好地利用大氣波導(dǎo)效應(yīng)，提高傳輸效率，需要有效估計(jì)大氣的折射率分布。其中，雜波折射率（refractivity from clutter，RFC）[86]技術(shù)通過使用雷達(dá)海雜波估計(jì)大氣的折射率分布，該雷達(dá)雜波不需要任何其他設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)檢測(cè)。盡管RFC技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但也有一些局限性，其中最主要的是很難將海雜波和天氣雜波分開，尤其在下雨天氣環(huán)境中。另外，當(dāng)前使用的海面歸一化雷達(dá)截面模型的不確定性也會(huì)嚴(yán)重限制估計(jì)的精度。

3.4 微波散射效應(yīng)

微波散射效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)島嶼和海上平臺(tái)的超視距覆蓋和通信。與大氣波導(dǎo)效應(yīng)不同的是，微波散射效應(yīng)利用對(duì)流層中不均勻的大氣成分，對(duì)微波信號(hào)產(chǎn)生前向散射而實(shí)現(xiàn)超視距傳播。地球的大氣層通常分為電離層、平流層和對(duì)流層，其中對(duì)流層是指從地表到平均海拔10～12 km 的大氣層，對(duì)流層中的湍流和非均勻介質(zhì)可以使入射微波向前和向地面散射，從而實(shí)現(xiàn)超視距通信。微波散射通信具有通信距離長(zhǎng)、容量大、安全性高、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，微波散射非常適合為環(huán)境惡劣地區(qū)（如高山、沙漠和海上）的用戶提供通信服務(wù)[87]。

由于更加頻繁的大氣流動(dòng)，海上對(duì)流層中的散射體數(shù)量遠(yuǎn)大于地面對(duì)流層中的散射體數(shù)量。因此，海上通信中使用微波散射的傳輸距離被認(rèn)為比地面通信中的傳輸距離更大。到目前為止，已經(jīng)建立的使用微波頻段（如2.2 GHz 頻段[87]和5.8 GHz 頻段[88]）已經(jīng)進(jìn)行了海上通信的實(shí)驗(yàn)鏈接。但是，散射信道的衰落比LoS 內(nèi)的信道衰落更深，需要大功率微波天線或大型天線陣列補(bǔ)償傳輸損耗。因此，微波散射通信仍不具有成本效益，主要用于覆蓋島嶼、艦艇和鉆井平臺(tái)在內(nèi)的數(shù)百千米的遠(yuǎn)距離海上通信。

4 結(jié)束語

近年來，隨著海上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的急劇增加，人們對(duì)海上通信能力的要求日益提升。本文分析了海上通信的特點(diǎn)，在調(diào)研國(guó)內(nèi)外海上通信研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從空域、陸地、海域和跨域協(xié)同4 個(gè)方面總結(jié)了不同海上系統(tǒng)之間的發(fā)展歷程、服務(wù)業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景。討論了目前海上通信存在的主要問題，即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化引起的通信效率較低、惡劣環(huán)境和信道復(fù)雜導(dǎo)致的通信可靠性不高，以及不同系統(tǒng)之間的兼容性問題。最后，針對(duì)復(fù)雜的海上通信環(huán)境，提出了4 種新一代海上通信系統(tǒng)需要解決的核心技術(shù)，希望對(duì)海上通信的發(fā)展、研究和應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。