董浩，宋亮，化存卿，劉玲亞，唐俊華

（1. 上海交通大學網(wǎng)絡(luò)空間安全學院，上海 200240；2. 中交航信（上海）科技有限公司，上海 200086；3. 華東師范大學通信與電子工程學院，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)濟發(fā)展、國防建設(shè)等緊密相關(guān)。近年來，人類的海上活動日益頻繁，規(guī)模逐漸擴大，對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)濟活動迅速發(fā)展，對多樣化海上通信業(yè)務(wù)提出了新的需求[1]；日常的水質(zhì)檢測和氣象傳感器及鉆井平臺、勘測平臺等海上作業(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)境復雜多變，自然災害和意外突發(fā)事件頻繁，需要高速、實時的通信技術(shù)應對搶險救援[3]。因此，建立滿足需求的海上通信網(wǎng)絡(luò)對海上經(jīng)濟發(fā)展、海上作業(yè)、海上安全和緊急救援等[4]具有重要意義。

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

海上環(huán)境復雜多變、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，難以應對海上搶險等應用場景，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，不同時期的通信標準針對的應用場景不同，且使用的通信技術(shù)也存在很大的區(qū)別，這導致海上通信系統(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]等應對不同服務(wù)需求的系統(tǒng)，但因為各系統(tǒng)較為獨立，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，要實現(xiàn)海上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運行，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍、信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性提供有效的保障，需要考慮對已有的海上通信系統(tǒng)進行有效的系統(tǒng)融合，實現(xiàn)空?？缬騾f(xié)同傳輸；同時還需要結(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)射機和高靈敏度接收機的大型船只，通過窄帶通信進行電報、電話和數(shù)據(jù)傳輸[11]。近些年來，各國對寬帶在海上通信中的應用進行了廣泛的項目研究，包括通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）和長期演進（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)勢互補，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)狀和學術(shù)研究現(xiàn)狀兩個方面同時綜述概括4 個組成部分的研究現(xiàn)狀，其中，工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀主要介紹多個國家和企業(yè)目前推行和計劃實施項目的情況，而學術(shù)研究現(xiàn)狀主要概述了目前國內(nèi)外學者對海上通信新技術(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)展和引進新技術(shù)。海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）[16]部署在對地地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）上，旨在為各種應用提供全球性的語音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，如海上運輸、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 個全局波束、19 個區(qū)域波束和大約200 個窄點波束，可實現(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，在搶險救災中得到了廣泛應用；未來的第五代系統(tǒng)（Global Xpress）[21]，能夠為全球用戶提供50 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，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 個客戶通信波束和22 個網(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)和應急救援服務(wù)。

近年來，我國衛(wèi)星系統(tǒng)在海上通信領(lǐng)域也不斷取得進展。天通一號[22]于2016 年發(fā)射并成功進入軌道，2018 年投入商業(yè)使用，被稱為中國版的海事衛(wèi)星。天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是中國第一個移動衛(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)星導航系統(tǒng)[23]可在全球范圍內(nèi)提供定位、導航服務(wù)，還具有短報文通信能力，可以提供遇險求救和航海通告服務(wù)等。實踐十三號衛(wèi)星是中國首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星，應用了Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，其通信總?cè)萘靠蛇_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 個用戶點波束能夠覆蓋中國近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 向移動終端提供高達128 kbit/s 的數(shù)據(jù)服務(wù)，并且將來能夠為支持更大的帶寬和更高的速率服務(wù)，使移動終端的傳輸速率達到1.4 Mbit/s，大型用戶終端的高速數(shù)據(jù)服務(wù)達到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)。

針對空域的海上通信網(wǎng)絡(luò)，學術(shù)界也開展了廣泛的研究。文獻[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)能快速適應不同的場景，布網(wǎng)靈活，易于擴展，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[26]研究使用點波束技術(shù)以提高頻譜效率。面向任務(wù)需求，文獻[27]提出使用時變圖對空間信息網(wǎng)絡(luò)進行建模以處理其動態(tài)性?；跀?shù)學語言描述，文獻[28]將規(guī)劃與調(diào)度問題描述成多約束的優(yōu)化問題進行最優(yōu)問題的分析。文獻[29]研究了一種協(xié)調(diào)合作的衛(wèi)星和地面架構(gòu)，以提供實時的寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時提出了一種基于資源的分配策略，以提高對移動性的支持并降低系統(tǒng)功耗與干擾。為了應對海洋面積遼闊、終端分布稀疏不均勻的海洋通信典型特征，文獻[30]研究了海上目標定位問題，基于空域通信的無源雷達雙基地測距，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，通過來自目標的反射信號與來自衛(wèi)星的直接信號提取一組雙基地距離測量值。

基于空域的通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣的特點，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，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)提供導航消息、氣象警告和預報以及緊急信息，以增強海上安全，但是該系統(tǒng)無法提供寬帶通信服務(wù)和從用戶處獲取實時信息。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，運用了自適應調(diào)制方法和正交頻分復用技術(shù)以提高頻譜效率。但是該系統(tǒng)由于傳輸時延較大，仍然不能提供實時通信服務(wù)[32]。另一個被廣泛應用的海上通信系統(tǒng)是船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）[33]，該系統(tǒng)由美國主導并得到國際海事組織的推薦，系統(tǒng)采用自組織時分多址接入并能夠傳輸船舶航跡信息，實現(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，實現(xiàn)9.6 kbit/s 的實時數(shù)據(jù)傳輸速率。目前，AIS 被廣泛應用于船舶監(jiān)控、海上搜救、船舶避障、航海導航等實時工作場景。

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用于海上通信。全球首個離岸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、油輪以及浮動生產(chǎn)存儲卸載設(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，該系統(tǒng)還支持視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳和無線中繼通信服務(wù)。在國內(nèi)，愛立信和中國移動合作在青島建設(shè)了TD-LTE 試用網(wǎng)絡(luò)進行海事覆蓋，該網(wǎng)絡(luò)工作在2.6 GHz 頻段，覆蓋離岸長達30 km的區(qū)域，峰值速率可達7 Mbit/s，為海上運輸和海上漁業(yè)等海上應用提供寬帶服務(wù)。在海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)應用中，電氣電子工程師學會（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[35]針對電子導航服務(wù)的非衛(wèi)星寬帶海事通信技術(shù)，對比了甚高頻數(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，憑借同時具有使用不同通信技術(shù)的能力和時延容忍網(wǎng)絡(luò)組件所提供的功能，netBaltic 系統(tǒng)能夠訪問國際海事組織定義的所有服務(wù)。

作為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴展，大量的學術(shù)研究工作也取得了很好的進展。文獻[36]為了降低中斷概率等網(wǎng)絡(luò)性能指標，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)，運用于沿海基站通信，與傳統(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[37]研究了陸地和海上兩種場景下不可靠鏈路分布特征，分析了LoRa 物理層參數(shù)配置對通信性能的影響，通過優(yōu)化擴頻因子和帶寬的配置改善不可靠鏈路性能。

對于岸基海上通信的信道研究，文獻[38]在非視距場景下對海上通信進行測量提出了兩徑模型，并引入了校正系數(shù)，在5 GHz 頻段下獲得了更好的信道預測結(jié)果。此外，考慮海上大氣特殊的折射率結(jié)構(gòu)，文獻[39]在視距場景下測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[40]提出一種在沿海網(wǎng)絡(luò)中應用蜂窩技術(shù)的框架，深入研究了天線選擇方案，為目標用戶形成虛擬服務(wù)云。文獻[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[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)字與模擬預編碼結(jié)合，降低系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜性和開銷。

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、實時通信和視頻監(jiān)控數(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。

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、無人機和海上航空器在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，基于定位和承擔角色的不同，可以應用于不同場景以盡量滿足復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，中國移動在距離陸地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)備的傳輸速率可達到15 Mbit/s，支持多樣化的深海通信服務(wù)需求。2017 年，中國電信在南沙群島建立了4 個4G 基站，通過水下電纜連接到陸地，進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)進一步擴大了沿海移動信號的覆蓋范圍，可以支持周圍的船只和漁民日益增長的業(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風等惡劣氣候條件的影響；同時，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，通常以大型船只作為中繼節(jié)點，用于擴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)的海上移動自組織網(wǎng)絡(luò)[43]，通過船對船通信擴大海上通信覆蓋范圍，該網(wǎng)絡(luò)使用27 MHz 和40 MHz 頻段，覆蓋離海岸長達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)啟動了TRITON項目[44]，旨在開發(fā)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來擴大海上通信的覆蓋范圍，在該網(wǎng)絡(luò)中，所有船只、海上信標或浮標等終端都能充當網(wǎng)狀節(jié)點，為附近的其他節(jié)點路由轉(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)的進步同樣也促進了海洋工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，文獻[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)。

為了進一步提高海上通信船對船的通信效率，國內(nèi)外專家學者也進行了不同的方案研究。文獻[46]提出使用多向天線，文獻[47]引入虛擬MIMO 技術(shù)，文獻[48]提出一種分布式自適應時隙分配方案，以及文獻[49]提出一種認知增強的網(wǎng)格介質(zhì)訪問控制（medium access control，MAC）協(xié)議等。一些應用于船舶間通信的多跳與中繼方案也被廣泛提出，如文獻[50-52]，應用于自組織海上通信網(wǎng)絡(luò)中，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，更好地為船舶提供通信服務(wù)。文獻[53]為異構(gòu)海上通信系統(tǒng)設(shè)計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，為提高通信效率，文獻[54]針對大型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)隨機接入的場景，提出了一種導頻域非正交多路訪問技術(shù)，解決導頻功率污染問題，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)可以為遠離海岸的深海船舶和作業(yè)平臺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，往往需要預先進行信道探測估計。文獻[55]為提高信道估計性能，提出了一種基于奇異值分解優(yōu)化觀測矩陣的快速貝葉斯匹配追蹤稀疏信道估計優(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，同時也能夠降低信道的不確定性帶來的影響。文獻[56]研究了海浪對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)值評估提供了有效的數(shù)據(jù)參數(shù)。

無人機、無人艇等海上航空器因為其靈活性，被積極部署在海上航線提供空對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 年啟動了Internet.org 項目[57]，旨在為偏遠地區(qū)的用戶以及海上用戶提供免費的網(wǎng)絡(luò)訪問。該項目利用55～82 km 高度的無人機作為空中基站，通過激光通信形成網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。Google 也于2013 年發(fā)起了Loon 項目[58]，為偏遠地區(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)?！癇LUECOM+”項目同樣使用熱氣球作為路由節(jié)點，使用多跳中繼技術(shù)來擴展覆蓋范圍，將陸基通信擴展到偏遠海上區(qū)域，該系統(tǒng)可以覆蓋距海岸長達150 km 的海域，提供3 Mbit/s 的寬帶通信服務(wù)[59]。對比高吞吐量的海洋衛(wèi)星，無人機等航空器也可用于對陸地沿?；镜难a充，減少海洋通信基礎(chǔ)設(shè)施部署缺乏導致的覆蓋盲區(qū)，增強海上通信的覆蓋率[60]。同時，因為其靈活性，在用戶數(shù)較少時可進一步提供按需服務(wù)來提高通信效率。但是，無人機和無人艇等空中基站與節(jié)點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[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)動的方法來獲取AI 訓練所需要真實的數(shù)據(jù)和環(huán)境。文獻[62-63]提出了專用于海上物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）的海上機器類型通信（machine type communication，MTC）概念，支持更多樣的海上服務(wù)業(yè)務(wù)。文獻[64]展示了一種基于SDN 的聯(lián)合睡眠調(diào)度和機會傳輸方案，以在海事無線通信網(wǎng)絡(luò)中的能耗和時延之間找到更好的折中方案。文獻[65]提出一種新穎的海上巨型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，利用海上浮動塔構(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[66]從數(shù)據(jù)編碼的角度，通過數(shù)據(jù)壓縮可以實現(xiàn)簡單且廉價的數(shù)據(jù)傳輸，并呼吁更多的船舶采用數(shù)據(jù)壓縮等方法，實現(xiàn)遠洋通信、遠航監(jiān)控等功能。文獻[67]提出通過智能語音識別和無線電測向提高海上通信質(zhì)量。文獻[68]考慮海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的不同，海洋無線電信號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測的馬爾可夫塊傳輸碼（block Markov superposition transmission，BMST），同時，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，無人機部署靈活可以實現(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，但劣勢也很明顯，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。

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

基于衛(wèi)星廣闊的覆蓋能力，文獻[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[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)計中，研究最廣泛的是基于混合“衛(wèi)星－無人機－地面網(wǎng)絡(luò)”的框架。文獻[74]考慮了近海地區(qū)的混合“衛(wèi)星－無人機－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，針對海上IoT 設(shè)備稀疏分布的特點，可以使用以用戶為中心的方式形成虛擬集群，靈活運用NOMA 技術(shù)以降低相互之間的干擾[75]。文獻[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。進一步參考地面接入網(wǎng)絡(luò)中的移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC），文獻[77]提出衛(wèi)星和無人機為用戶提供邊緣計算服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)訪問的功能，設(shè)計了一種深度增強算法優(yōu)化邊緣資源動態(tài)管理。同時，文獻[78]針對海洋通信環(huán)境復雜、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邊緣計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，要實現(xiàn)海上通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效運行，對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性提供有效的保障，是進一步發(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)。針對用戶需求的多樣性、海上惡劣的環(huán)境與復雜的信道以及目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足等問題進行研究，從海上通信的4 個主要通信方式出發(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)拓撲動態(tài)變化及用戶需求多樣化導致通信效率較低

除了浮標、海上工作平臺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、移動性強的特點，這導致網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷變化。如基于海域的海上通信，無人機、無人艇和熱氣球的位置部署要按需優(yōu)化，并且根據(jù)終端的移動方向和規(guī)律，需要動態(tài)調(diào)整，這對快速網(wǎng)絡(luò)重組帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。而基于陸地的海上通信，終端會根據(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)化路由選擇來應對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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的船只單位進行通信。但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身拓撲的動態(tài)變化以及信道的實時變化，帶來的衛(wèi)星資源調(diào)度分配非常復雜，這導致用戶在與衛(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導致通信帶寬和資源在一定程度上的浪費。同時，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，因為海上環(huán)境的變化，也會面臨動態(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)接入條件場景下，使得海上通信更多變，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更為復雜。

在海上通信網(wǎng)絡(luò)中，可以考慮通過知識驅(qū)動網(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)，適應海上用戶位置和需求的動態(tài)變化。

2.2 海上通信受限于惡劣環(huán)境及復雜信道導致通信可靠性較低

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。岸對船和船對船通信更容易受到海面條件和大氣條件的影響，如溫度、濕度和風速等；此外，船載天線的高度和角度會隨海浪迅速變化；同時，海上通信信道的衰落對天線高度和角度等參數(shù)特別敏感，這些參數(shù)可能導致頻繁的鏈路中斷。由于這些復雜的因素，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)、獨立使用，標準化程度低，彼此間相互獨立，多數(shù)已在軌的應用衛(wèi)星不具備星間通信鏈路，無法對未來快速發(fā)展的海上通信提供保障。需要針對通信過程中衛(wèi)星的選擇與協(xié)同、波束干擾以及覆蓋區(qū)域等問題進行進一步研究。

2.3 海上通信受限于不同系統(tǒng)的差異性導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)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。但是，目前各系統(tǒng)均為獨立系統(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)，能夠保障用戶實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、可靠、價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)，進行有效的通信資源分配與用戶調(diào)度來適應不同的需求。在用戶端可以根據(jù)實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接入多個網(wǎng)絡(luò)，如岸基網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)同通信實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)更穩(wěn)定的海上通信。此外，還可以進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、上行預編碼等技術(shù)實現(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)別于陸地通信應用環(huán)境。

3.1 海浪運動模型學習

與陸地通信環(huán)境條件不同，海上無線通信中的接收信號強度會由于海面的波動而受到干擾。海浪會導致天線高度和通信節(jié)點（如船舶和浮標）的方向發(fā)生變化，海浪運動對海上通信的影響如圖2 所示，從而影響接收信號的強度。具體來說，海浪導致船和浮標（即放置在它們上面的通信天線）會出現(xiàn)擺動，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，因為船之間的距離相對于天線高度較長，所以由天線高度變化引起的天線增益變化較小，而天線傾斜變化會對接收信號強度產(chǎn)生更大的影響。同時，衛(wèi)星通信也對方向性較為敏感，要求終端天線與衛(wèi)星對準，而復雜海況下浮標橫縱搖擺致使海上節(jié)點天線與衛(wèi)星對準困難，通信鏈路極不穩(wěn)定，容易中斷。

圖2 海浪運動對海上通信的影響

為了最大限度地降低海浪導致海面不穩(wěn)定帶來的影響，需要對海浪與接收信號強度之間的關(guān)系進行詳細研究，通過對海浪運動規(guī)律進行建模，研究由于天線桿傾斜造成的天線增益變化的影響。通過對海浪模型、節(jié)點運動特性、天線輻射特性等進行特征深度學習，考慮改變有效鏈路的持續(xù)時間、業(yè)務(wù)類型和容量的區(qū)別，以及衛(wèi)星和節(jié)點的仰角等，改變通信策略，設(shè)計動態(tài)波束成形算法，優(yōu)化折中浮標天線增益和波束寬度，適應海上環(huán)境，尤其是海浪運動時變的特性。

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（如用于陸對船、船對船通信等）。由于海上傳播環(huán)境的獨特特征，如稀疏散射、海浪運動以及海面的管道效應，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，會對海上終端的收發(fā)器設(shè)計有重大影響，需要從建模的角度突出差異性，更切實地反映海上的通信環(huán)境[81]。接收端和發(fā)送端距離遠導致的反饋時延大，為了保證長距離通信，發(fā)射機必須適當?shù)丶心繕擞脩舻男诺罓顟B(tài)信息（channel state information，CSI）；由于鏈路不匹配、高路徑損耗導致信道條件較差，在海上通信中可能難以獲得準確和及時的CSI 捕獲?？梢岳脷v史統(tǒng)計的CSI 來輔助優(yōu)化傳輸方案[82]；為了提高信道估計性能，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[83]創(chuàng)造性地利用了基于位置的大規(guī)模CSI 設(shè)計混合預編碼，實現(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關(guān)鍵挑戰(zhàn)。而對于遠程用戶，除已經(jīng)按照用戶的方向設(shè)計波束，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，例如，從AIS 等外部源獲取的位置信息。同時，長距離傳輸引起的大時延表明傳輸協(xié)議中的反饋量應最小化，否則可能導致無法承受的傳輸和處理時延。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用[84]。而稀疏的用戶分布和高度動態(tài)的拓撲對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，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)計也是重要的研究方向。

3.3 大氣波導效應

大氣波導效應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，形成好像在波導內(nèi)進行傳播的現(xiàn)象，即大氣的波導效應。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)可能會存在最常見、最容易被利用的一類大氣波導，即蒸發(fā)波導。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、風速等）的影響，電磁波的異常傳播會對海上環(huán)境中通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響[85]，因此，準確地了解大氣折射率分布，進行通信系統(tǒng)的性能評估和預測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

與信號在自由空間傳播相比，大氣波導層中的信號傳輸路徑損耗更小、傳輸距離更遠，是實現(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效應，提高傳輸效率，需要有效估計大氣的折射率分布。其中，雜波折射率（refractivity from clutter，RFC）[86]技術(shù)通過使用雷達海雜波估計大氣的折射率分布，該雷達雜波不需要任何其他設(shè)備，可以實現(xiàn)近實時檢測。盡管RFC技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，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，當前使用的海面歸一化雷達截面模型的不確定性也會嚴重限制估計的精度。

3.4 微波散射效應

微波散射效應也可以實現(xiàn)島嶼和海上平臺的超視距覆蓋和通信。與大氣波導效應不同的是，微波散射效應利用對流層中不均勻的大氣成分，對微波信號產(chǎn)生前向散射而實現(xiàn)超視距傳播。地球的大氣層通常分為電離層、平流層和對流層，其中對流層是指從地表到平均海拔10～12 km 的大氣層，對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，從而實現(xiàn)超視距通信。微波散射通信具有通信距離長、容量大、安全性高、靈活性強的優(yōu)點。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，海上對流層中的散射體數(shù)量遠大于地面對流層中的散射體數(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)進行了海上通信的實驗鏈接。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、艦艇和鉆井平臺在內(nèi)的數(shù)百千米的遠距離海上通信。

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，在調(diào)研國內(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)和應用場景。討論了目前海上通信存在的主要問題，即網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化引起的通信效率較低、惡劣環(huán)境和信道復雜導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，針對復雜的海上通信環(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)，希望對海上通信的發(fā)展、研究和應用有一定的指導作用。