未來海洋通信網絡架構與關鍵技術

張海君，蘇仁偉，唐 斌，王成才，隆克平，陸 軍*

(1.北京科技大學，北京 100083；2.中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

在過去的半個多世紀，包括電纜和光纜等有線通信以及從1G～6G的移動通信等在內的現代通信技術層出不窮、迅速發展，廣泛應用在人類社會的各行各業，成為社會信息化變革的重要支撐。然而，現代通信技術的應用主要局限在陸地場景，在海洋上的應用和拓展不足，導致海洋通信的發展與陸地通信相比明顯滯后，主要有以下兩方面的原因：一方面，21世紀之前人類尚未開始對海洋的大規模開發利用，海洋上的人類活動比較有限，對通信網絡的需求遠不如陸地場景；另一方面，在海洋上部署基礎通信設施時設備選址受限，氣象狀況多變、海水運動頻繁等復雜的環境因素給通信網絡的部署和維護帶來巨大挑戰，海洋的自然條件在很大程度上制約了海洋通信的發展。因此，加速海洋通信網絡的發展，需要實際需求作為動力，更需要科學方法和先進技術作為手段。

對于我國這樣的海洋大國而言，海洋在政治、經濟、國防、能源等各方面具有重要意義，黨的十八大首次提出了“海洋強國”戰略，旨在增強我國在開發海洋、利用海洋、保護海洋和管控海洋各方面的綜合實力。習近平總書記在十九大中再次強調“加快建設海洋強國”，充分體現出海洋在我國現代化進程中愈發重要的現實意義和戰略意義。為了響應國家的海洋戰略需求，“智慧海洋”工程獲得政府、企業和研究機構的高度重視，致力于提高我國的海洋開發利用能力和海洋管理能力。智慧海洋依托于信息化技術的發展，完善的海洋信息采集與傳輸體系是智慧海洋的基礎，健全的海洋通信網絡是賦能智慧海洋的關鍵支撐[1]。

隨著國家海洋戰略的實施以及“智慧海洋”工程的推進，海洋活動愈發頻繁，海洋業務種類愈發多樣，海上運輸、海洋漁業、氣象監測、油氣開采及海洋勘探等業務都在向更高效、更安全、更便捷的目標發展，全覆蓋、高質量的海洋通信網絡需求日益增加，亟需克服復雜環境給海洋通信發展造成的難題，建立完備的海洋通信網絡，實現對海域的全覆蓋和對海洋業務的全支持，助力人類對海洋的開發和利用。

本文介紹了傳統的海洋通信系統，總結了海洋通信網絡發展過程中存在的主要問題，對未來海洋通信網絡的系統架構進行了展望，分析了海洋環境信道建模、高可靠自適應組網和智能網絡資源管控三項關鍵技術所面臨的難題及其可能的解決途徑。

1 海洋通信發展現狀

1.1 傳統海洋通信系統

經過多年的發展，海洋通信已經獲得了深厚的技術積累，傳統海洋通信系統主要包括岸基移動通信系統、海上無線通信系統和海洋衛星通信系統[2]，各系統在覆蓋范圍、傳輸速率及網絡時延等方面存在較大差異，適合于不同的海洋業務。

1.1.1 岸基移動通信系統

岸基移動通信系統是陸地蜂窩網等技術在沿岸地區的應用和延伸，通過增加沿岸基站的天線高度和發射功率，或者在近海島礁上部署基站或中繼節點，在保證服務質量的前提下盡量增大無線網絡對海域的覆蓋范圍。在目前已經成功部署的岸基移動通信系統中，大多是通過LTE網絡為近海海域的用戶提供寬帶服務。華為與挪威通信服務商Tampnet聯合開發的離岸LTE網絡可以為離岸20～50 km的用戶提供語音和數據服務，上下行速率可以達到1 Mbit/s和2 Mbit/s[3]。韓國LTE-Maritime系統中的沿岸基站可以為離岸30 km內的用戶提供寬帶服務，上下行平均速率分別為3 Mbit/s和6 Mbit/s[4]。中國電信早在2016年7月便實現了對南沙群島7個島礁的4G信號覆蓋，島上基站需要借助衛星鏈路實現數據回傳；2017年中國電信利用海底光纜在南沙群島開通了4個光纜4G基站，覆蓋了永暑礁、渚碧礁和美濟礁等島礁及附近海域，傳輸速率遠高于此前的衛星基站。

近年來，5G技術趨向成熟并逐步商用，在智慧海洋的建設中也大顯身手[5-6]。煙臺移動與山東耕海海洋科技有限公司共同開展了“耕海一號”海洋牧場項目，該項目引入了先進的5G技術，可以利用5G水下攝像系統實時觀察水產的生長情況，加快近海養殖到遠海養殖的進軍；國內首例海洋牧場無線專網通信系統也已經在煙臺長島建設成功，可以實現水下數據采集以及視頻數據的百兆傳輸。福建移動于2019年在惠安海域部署了泉州首批用于覆蓋海面的5G基站，并在無人海洋監測船的首次航行中完成了遠程水質采樣、自動分析、視頻及環境數據監測等業務流程，開始以信息化手段進行海洋管理、環境監測等工作。

1.1.2 海上無線通信系統

海上無線通信系統主要包括NAVTEX、PACTOR和AIS等窄帶無線通信系統，其信號發射基站同樣部署在沿岸地區，與岸基移動通信系統的區別主要在于用頻更靈活、覆蓋距離更遠、數據傳輸速率更低。具體地，NAVTEX系統工作在中頻頻段，為離岸370 km以內的海上船只和用戶提供氣象預警和導航數據等服務[7]；PACTOR屬于高頻系統，覆蓋范圍比NAVTEX系統更遠，但是只能提供純文本通信服務，而且傳輸時延較大[8]；AIS系統利用甚高頻信道傳輸信號，可以為近海區域和遠海區域提供不同的信道帶寬，能實現9.6 kbit/s的實時數據傳輸[7]；挪威的Telenor系統同樣工作在甚高頻頻段，其通過在海面石油設施上部署基站擴展了信號的覆蓋范圍，但數據傳輸速率沒有得到明顯改善[2]。在各種海上無線通信系統中，NAVTEX系統和AIS系統在我國被廣泛應用，主要是為了兼容“全球海上遇險與安全系統(GMDSS)”，保障船舶海上航行時的安全。

1.1.3 海洋衛星通信系統

海洋衛星通信系統是海洋通信網絡的重要組成部分，是目前實現海洋全覆蓋的主要可行途徑，其中發展最成熟、應用最廣泛的是國際海事衛星組織(INMARSAT)所建設的海事衛星系統[3]，目前已經發展至第五代，共包括13顆地球同步軌道衛星。海事衛星系統從第三代系統開始支持分組數據業務；第四代系統可以實現除極地海域外的全球覆蓋，峰值速率為492 kbit/s；第五代系統可以提供50 Mbit/s的下行速率和5 Mbit/s的上行速率，基本滿足了寬帶網絡服務的需求。目前后三代系統仍在使用中，應用重心依然在船舶航行、海上救援等海洋業務，但也可以為航空和陸地通信提供服務。

根據監控發現疑點下發疑點信息后，各單位的信息反饋是確定是否存在問題的重要判斷依據，也是及時解決問題的前提。因此，要進一步完善動態監控疑點信息核查和反饋制度，監控部門要對監控疑點及時整理、及時下達、限時反饋、督促整改；預算單位應認真核查疑點信息反映的情況，真實、完整的反饋信息，對存在的問題立即整改，對體制、機制方面的問題要分析上報。監控部門對反饋信息仍存在質疑的，應采取現場檢查等方式進行核查，確保準確反映存在的問題。

除了海事衛星系統外，各國建設的大多數衛星系統雖然并非為海洋場景和海事活動量身定制，但都將實現全球覆蓋作為最基本的目標。因此，只要海面上部署的地球站和用戶終端與太空衛星相適配，各類衛星系統均可適用于海洋通信。銥星系統屬于全球性衛星移動通信系統[9]，以為全球任何區域的用戶提供移動通信服務為目標，目前其可以提供的峰值速率僅為4.7 kbit/s，但正在建設的下一代系統“Iridium-NEXT”將極大地提高數據速率，在L波段和Ka波段分別達到1.5 Mbit/s和8 Mbit/s。全球星系統也屬于衛星移動通信系統，并且和銥星系統一樣使用了近地軌道，可以提供話音、傳真和短報文等業務，峰值速率為38 kbit/s。我國于2012年開始建設“天通一號”衛星移動通信系統，2016年成功發射第一顆衛星，實現了對太平洋和印度洋大部分海域的覆蓋，目前主要面向應急通信和海洋物聯網等領域，可以提供的峰值速率為384 kbit/s[10]。近年來各航天強國都積極投入到巨型低軌星座系統的建設中，例如美國的Starlink星座[10]、英國的OneWeb星座[11]，以及我國的“鴻雁”和“虹云”星座[11]。這些巨型低軌星座系統將分別部署從數百顆到數萬顆不等的衛星以實現全球覆蓋，為所有地區的用戶提供低成本的寬帶服務，將來必定在海洋通信中發揮重要作用。

1.2 存在的主要問題

雖然上述3種海洋通信系統都經過了多年的研究和發展，但是由于技術、環境及電磁波特性等原因，各自均存在難以克服的缺陷。岸基移動通信系統采用成熟的陸地蜂窩網通信技術，其速率、時延等網絡性能基本上可以滿足沿岸海事活動的需求，但網絡覆蓋范圍受限是不可避免的缺陷。海上無線通信系統的基站同樣主要部署在沿岸地區，盡管采用特定頻率擴大了信號傳輸距離，但是降低了服務質量，只能夠支持窄帶業務。作為海洋通信網絡的重要補充，衛星通信的最大優點是覆蓋范圍極廣，但從太空到地面的遠距離傳輸導致其時延較大，而且終端設備需要配備高增益天線來彌補傳輸損耗，從而導致成本較高。除了各類系統本身存在的問題之外，多年來各系統獨立發展，缺乏統一標準和聯合管理，導致系統間互聯互通和協調工作的能力較差，盡管三者共同構成的海洋通信網絡基本上可以實現對全球海域的覆蓋，但在網絡性能方面卻難以滿足未來海洋業務多樣化的需求。

從空天地海的角度而言，岸基移動通信系統與海上無線通信系統都屬于地基海洋通信系統，海洋衛星通信系統屬于天基海洋通信系統，除此之外，海洋業務對空基和海基通信網絡也存在一定需求。例如，進行海上救援時可以利用無人機在事故發生的特定海域上空實現快速組網，提供高速率、高可靠、低時延的寬帶網絡服務；海上浮標可以用來進行海洋監測和信息感知，如果失事船只的通信系統遭到破壞，附近的海上浮標則可以提供報警和定位功能。BLUECOM+是空基通信系統中的代表性項目，于2016年被研究人員提出，利用繩系氣球將通信節點部署在海面上方來實現多跳中繼，在葡萄牙海岸的試驗表明通過兩跳中繼可以覆蓋離岸超過100 km的海域，傳輸速率可以超過3 Mbit/s[13]。在海基通信方面，新加坡的TRITON項目利用船舶作為中繼節點，將沿岸基站的蜂窩網絡延伸至海面，覆蓋距離可以達到30 km，峰值速率為6 Mbit/s[10]；我國在南海海域的鉆井平臺上成功應用了基于TD-LTE技術的綜合集群調度系統，在鉆井平臺及附近船舶上都部署了TD-LTE專網基站，分別為鉆井平臺工作群組和船舶工作群組提供4G寬帶服務。空基和海基通信都很容易受到海洋環境波動和氣象條件變化的影響，通信鏈路和網絡拓撲的穩定性差，部署難度較大，目前的空基和海基系統大多形式相對簡單，無法有效應對海洋環境，網絡服務能力也有待提高。相對于地基和天基通信而言，空基和海基通信發展明顯不足，各方面技術尚不成熟。

2 未來海洋通信網絡架構

從海洋業務在空間上的分布來看，海洋漁業和油氣開采等業務大部分在近海海域開展，海上運輸、氣象監測及海洋勘探等業務則經常需要涉足遠海海域。在網絡需求方面，未來的船舶自主航行需要無線通信網絡在可靠性和實時性上滿足需求；海洋工業中的安全生產視頻監控主要依賴于高速率通信網絡，而海量設備接入則對網絡的容量有更高要求；進行海上緊急救援時，快組網、高速率、低時延、高可靠的無線通信網絡是救援活動迅速開展、現場畫面實時傳輸、救援指令準確下達的保障。因此，各項海事活動和海洋業務對無線網絡服務能力的需求存在明顯差異。天基、空基、地基、海基中的每種通信系統都各有優勢和缺陷，任意一種通信系統都無法完全滿足全球海域的無縫覆蓋和海洋業務的異質化、精細化需求，因此未來海洋通信網絡需要各類通信系統的有機融合，從而形成空天地海一體化的海洋通信網絡[14-15]。

空天地海一體化網絡系統如圖1所示，該架構主要由天基網絡、空基網絡、地基網絡和海基網絡四部分組成。其中，天基網絡可以實現對全球海域的覆蓋，提供寬帶或窄帶服務；空基網絡適用于對特定區域提供高速率低時延的網絡服務；地基網絡沿岸部署基站，可以保證近岸海域的高質量寬帶服務；海基網絡通過海上浮標作為中繼實現岸基網絡的延伸，或者由船載基站接收衛星信號，進而為周圍小型船只提供網絡服務。空天地海一體化網絡的各個子網絡之間根據海洋環境和業務需求進行必要的連接，確保船舶、海上作業平臺及海岸之間的互聯互通。所有子網絡各司其職而又相同協調，實現對全海域的覆蓋和對全業務的支持，各項海事活動和海洋業務根據其到海岸的距離、對網絡服務的需求以及自身網絡設備的性能等因素靈活選擇最高效、最經濟的接入網絡和通信方式。例如，港口距離海岸較近，直接由沿岸基站提供寬帶服務；海上油氣資源開采中的遠程操控、實時監控等業務對網絡性能要求較高，需要沿岸基站或船載基站提供高質量的網絡服務；海上救援任務發生在小范圍區域，可以通過附近的海上浮標定位事故位置，由無人機實現快速組網，通過寬帶衛星或空中基站實現現場畫面的實時回傳以及救援指令的準確下達；遠洋航行時的船舶導航對數據速率要求較低，可以由窄帶衛星提供網絡服務；無人艇和無人機將在未來海戰中作為主戰裝備登場，實施戰場偵察、精準打擊和集群作戰等任務，天基網絡和空基網絡將發揮不可替代的作用。

圖1 空天地海一體化網絡架構Fig.1 Space-air-ground-sea integrated network architecture

3 未來海洋通信網絡關鍵技術

在空天地海一體化的宏觀架構下，未來海洋通信網絡從設計、部署到實際應用的過程中仍面臨一系列難題，由于海洋環境與陸地環境的顯著差異，陸地通信中的許多技術無法在海洋通信中直接使用。因此，未來海洋通信網絡還需要在一些關鍵技術上實現突破，具體包括海洋環境信道建模、高可靠自適應組網及智能資源管控等方面。

3.1 海洋環境信道建模

與陸地通信的信道環境相比，潮汐、海浪、濕度、氣壓及海水蒸發等因素的綜合作用使海洋通信的信道環境更加復雜，對海洋通信的信道建模除了考慮天線高度、傳輸距離及信號頻率等參數外[16-17]，還必須考慮獨特的海洋環境對電磁波的影響，對海洋環境下的信道條件進行全面分析與準確建模是設計和部署海洋通信網絡的前提。

海洋信道模型[18-19]可以用于無線網絡部署前對信道容量、傳輸增益等性能的評估，但在實際通信過程中海洋環境的變化仍然會導致其缺乏靈活性、準確性和全面性。部署全方位、全要素的海洋環境態勢感知系統來收集濕度、氣壓等海洋信息，利用機器學習和大數據技術充分挖掘海洋環境信息與時空維度之間、海洋環境信息與實測信號增益之間的相關性，為海洋環境變化的預測和信道估計提供經驗和依據。基于海洋環境變化相對較慢的性質，在實際通信中只需設置合適的時間間隔來感知海洋信息，通過對環境信息的感知及預測，系統可以利用已有的知識和經驗對信道模型進行實時修正，使海洋信道估計更加準確，為通信系統天線高度、波束方向及載波頻率等參數的及時調整提供指導，從而提高海洋通信網絡的性能。

3.2 高可靠自適應組網

在面向海洋場景的空基通信系統中，無人機和飛艇等空中基站或節點長時間處于高速移動狀態，并且海洋上惡劣的氣象條件也可能導致通信設備故障或者傳輸鏈路斷裂，以上因素都會造成網絡拓撲的頻繁變化，進而引起局部網絡甚至整個網絡的通信問題。當海基通信系統中的基站和節點部署在船舶或無人艇上時，其會在組網方面面臨與空基通信系統相似的問題。因此，未來海洋通信網絡需要具備基于高可靠通信鏈路的自適應組網機制。

通信鏈路的高可靠性依賴于能夠提供高檢錯能力和高糾錯能力的信道編碼方式，需要對已有的差錯控制方式進行創新，或者將多種差錯控制方式有機融合、取長補短。此外，在算法設計上減輕用戶之間的相互干擾也是提高鏈路傳輸可靠性的關鍵。例如，利用強化學習和博弈論等方法選擇干擾最小的傳輸信道和優化的發射功率[20-21]，可以提高各用戶接收信號的信噪比，分別在頻率域和功率域增強鏈路的可靠性。

自適應組網技術使無人機、飛艇和船舶可以在實際應用場景中選擇合適的組網模式，根據覆蓋區域的大小、設備數量的多少以及對網絡性能的需求等要素在無中心、單中心及多中心等模式中進行選擇，各種組網模式如圖2所示(以海面上空的無人機組網為例)。

圖2 各組網模式示意圖Fig.2 Three networking modes

在覆蓋范圍較小、無人機數量較少的情況下，如果海洋業務對無線網絡的穩定性要求較高，無人機可以選擇無中心模式進行組網，任意無人機的故障或通信鏈路的斷裂都不會影響其他無人機與基站之間的數據傳輸。無中心組網還要求基站的數量和空間分布符合一定條件，使任意無人機可以與最近的船載基站或空中基站保持高可靠、低時延的通信；如果基站數量較少，則單中心組網的效果會更好，將與基站之間通信質量最好的無人機設置為中心節點，使其作為其他無人機與基站之間的中繼提供服務。當無人機組網所需覆蓋的范圍較大、無人機數量較多時，無中心和單中心組網都會導致極大的鏈路開銷，因此多中心組網更適合此類場景。實現自適應組網的核心在于開發一種良好的路由協議[22-23]，使其支持對環境變化的動態感知、高度自適應路由的建立，以及對網絡拓撲的自主維護和斷裂重組。

海面上空的無人機節點在選擇傳輸路徑時除了考慮路徑長度和路徑擁塞度等因素外，還應該充分衡量路徑的穩定性[24-25]、最小化鏈路建立后發生斷裂的概率，或者使無人機節點在鏈路斷裂前可以及時切換到其他鏈路，避免傳輸中斷。因此，有效的路徑穩定性評價方法可以從源頭上應對惡劣環境下鏈路易斷裂的常見問題，而非在鏈路斷裂后再采取應對措施。關于路徑穩定性評價方法的具體實現，通過在節點之間有間隔地發送特定形式的監測信號，并根據其接收強度衡量路徑穩定性是一種簡單的思路。此外，可以增強無人機對環境的感知能力和對節點移動軌跡的預測能力，根據周圍環境和節點移動方向、速度等因素靈活調整監測信號的發送頻率，提高路徑穩定性評價的有效性。

3.3 網絡資源智能管控

海洋通信網絡在基礎設施的選址、部署及維護等環節都會受到海洋自然條件的限制，隨著海洋業務愈發多樣，如何通過有限的、共同的基礎通信設施為不同業務按需提供網絡服務是海洋通信必須解決的難題,這要求在未來海洋通信網絡中能夠實現網絡資源的靈活調度和按需配置。

作為未來無線網絡的關鍵技術之一，網絡切片技術可以根據海洋場景下的不同業務需求進行網絡資源的按需編排和網絡功能的靈活裁剪[26,27]。具體地，在切片前首先需要獲取海洋業務的流量、時延等特征，完成業務特征到服務級別的映射，進而按照服務級別選擇合適的切片。網絡切片的簡單思路是預先制定業務類型與切片的對應關系，但此方法對網絡資源的分配依然不夠靈活和精細，盡管確保了所分配的切片可以滿足特定業務的需求，卻無法最大化整個系統的效能。因此，需要弱化業務特征、服務級別和切片類型之間的固定關系，針對海洋業務特征直接創建相應的切片，實現網絡切片的定制化，在切片的創建過程中利用深度學習、強化學習等人工智能技術對網絡資源分配方式進行優化，實現用戶服務質量與系統整體效能之間的平衡。

網絡切片技術涉及接入網、承載網和核心網，包括對整個端到端網絡中無線域、存儲域和計算域資源的調度，將邊緣計算、動態頻譜共享及超大規模天線等技術融入網絡切片的實現過程中，可以優化對計算、頻譜、空間等特定資源的分配，從而進一步增強系統的資源管控能力。融合了邊緣計算等技術的未來海洋通信網絡資源管控體系如圖3所示，具體地，在海上救援和戰場偵察等任務中，無人機往往需要進行長時間作業，并且保證圖像視頻等數據的實時傳輸；受限于自身體積和能量，單個無人機節點的數據處理能力非常有限，此時利用邊緣計算技術[28-29]將其計算任務卸載到周圍的空閑無人機或專門的分布式數據處理單元，可以通過對計算資源的高效利用滿足無人機數據傳輸低功耗和低時延的需求。在智能化的海上油氣開采等海洋業務中，無線網絡需要利用有限的帶寬支持海量設備的接入，頻譜所有者獨占使用權的傳統頻譜分配方式難以滿足要求；在此場景中利用頻譜感知、接入控制和共享管理等技術實現動態頻譜共享[30-31]，對頻譜占有權和使用權進行分離，可以靈活調配用戶的可用頻譜，提高頻譜資源利用率。在海上浮標或者島礁上，能夠用來部署基礎設施的空間非常有限，當提供網絡服務的基站數量較少時，在基站上部署大規模或超大規模的天線陣列可以充分利用空間自由度[32-33]，通過顯著的波束增益增大系統容量和覆蓋范圍。

圖3 未來海洋通信網絡資源管控體系Fig.3 Future marine communication network resource management and control system

4 結論

未來海洋業務的發展趨勢是拓展至更廣的海域和開展更多樣的工作，對海洋通信網絡的覆蓋范圍和服務質量提出了更高的要求，未來海洋通信網絡需要在覆蓋全球海域的基礎上，為各種海洋業務提供定制化的高質量網絡服務。本文介紹了目前海洋通信網絡的發展狀況，并對其缺陷和不足進行了總結。針對傳統海洋通信網絡中存在的主要問題，展望了未來海洋通信網絡的系統架構，并分析了各項關鍵技術面臨的難點及其可能的解決途徑，支持未來海洋通信網絡建設。