海上通信技術發展與研究綜述

董浩，宋亮，化存卿，劉玲亞，唐俊華

（1. 上海交通大學網絡空間安全學院，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、經濟發展、國防建設等緊密相關。近年來，人類的海上活動日益頻繁，規模逐漸擴大，對海上通信的要求不斷提高。海上旅游業務、近海水產養殖和海上礦物勘探等經濟活動迅速發展，對多樣化海上通信業務提出了新的需求[1]；日常的水質檢測和氣象傳感器及鉆井平臺、勘測平臺等海上作業所需要的數據交換，需要可靠和穩定的海上通信技術[2]；海上環境復雜多變，自然災害和意外突發事件頻繁，需要高速、實時的通信技術應對搶險救援[3]。因此，建立滿足需求的海上通信網絡對海上經濟發展、海上作業、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，島嶼數量達6 000 多個，發展海上通信能夠很好地連接海域內的船只、軍艦用于國防和軍用場景[5]。海上通信是海上經濟必不可少的一部分。“智慧海洋”工程落實國家海上戰略，是建設海上強國的重要工程，同時，“21 世紀海上絲綢之路”等發展戰略也得到了沿線國家的積極響應，這些都需要穩定、高效和可靠的海上通信覆蓋提供強有力的技術支撐[6]。

海上環境復雜多變、基站部署困難、通信條件惡劣等原因導致海上通信的發展明顯滯后于陸地通信，難以應對海上搶險等應用場景，更難滿足不同的業務需求[7]。另外需要注意的是，海上通信發展至今，不同時期的通信標準針對的應用場景不同，且使用的通信技術也存在很大的區別，這導致海上通信系統存在一定程度的割裂，互不兼容。目前，海上通信網絡主要包括基于衛星的海上通信系統[8]、基于海岸的海上通信系統[9]、基于島嶼的海上通信系統[10]等應對不同服務需求的系統，但因為各系統較為獨立，缺乏統一的資源管理和操作協調，整體的利用效率很低，制約了海上通信的發展。

綜上所述，要實現海上網絡系統高效運行，對網絡覆蓋的范圍、信息傳輸的實時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進行有效的系統融合，實現空海跨域協同傳輸；同時還需要結合5G 網絡、超5G 網絡以及未來6G 網絡的研究技術，針對目前海上通信系統存在的問題和技術瓶頸，新一代海上通信系統需要打破目前通信系統的限制，實現多網絡協同通信、多系統的靈活有效融合，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 海上通信研究現狀

海上通信區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為各種終端用戶提供服務。在海上通信的發展過程中，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、電話和數據傳輸[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務（general packet radio service，GPRS）和長期演進（long term evolution，LTE）技術等[12]。此外，蜂窩網絡、衛星網絡和其他類型無線網絡也被廣泛研究用于促進海上通信的發展[1]。根據通信方式的不同，本文將目前的海上通信系統分為4 個主要組成部分：基于空域的海上通信，以海上衛星通信為主；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的無線通信網絡基于跨域協同的海上通信，通過協調不同海上通信系統形成優勢互補，提高資源利用效率。海上通信系統模型如圖1 所示。基于海上通信系統的主要組成部分，本文從工業發展現狀和學術研究現狀兩個方面同時綜述概括4 個組成部分的研究現狀，其中，工業發展現狀主要介紹多個國家和企業目前推行和計劃實施項目的情況，而學術研究現狀主要概述了目前國內外學者對海上通信新技術的研究和新方向的探索，海上通信工業發展現狀總結和海上通信學術研究現狀總結分別見表1 和表2。

表1 海上通信工業發展現狀總結

表2 海上通信學術研究現狀總結

圖1 海上通信系統模型

1.1 基于空域的海上通信

衛星通信的優勢在于能憑借高度提供廣域連接，結合衛星間的組網實現全球覆蓋。近年來低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛星的快速發展，如SpaceX Starlink[13]、CloudSat[14]、SPECSI[15]等，在復雜的海上通信環境中有不可替代的作用。

海事衛星通信在過去30 多年不斷發展和引進新技術。海事衛星通信系統（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據通信服務，如海上運輸、緊急救援等。第一代系統（Inmarsat-1）主要提供模擬語音、傳真和低速數據服務[17]；第二代系統（Inmarsat-2）于1990 年投入使用，可提供數字語音、傳真和中低速數據傳輸服務[18]；第三代系統（Inmarsat-3）[19]于1996 年投入使用，可支持移動分組數據服務，其容量是Inmarsat-2 的8 倍；第四代系統（Inmarsat-4）由4顆衛星組成（其中包括一顆備份衛星），每顆衛星都有1 個全局波束、19 個區域波束和大約200 個窄點波束，可實現492 kbit/s 的峰值速率[20]，能夠滿足衛星地面終端數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（Global Xpress）[21]，能夠為全球用戶提供50 Mbit/s的下行鏈路服務和5 Mbit/s 的上行鏈路服務，以支持更多樣的網絡通信服務。同時，高通量衛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 個網關波束，該衛星將為北美用戶提供高速互聯網服務和應急救援服務。

近年來，我國衛星系統在海上通信領域也不斷取得進展。天通一號[22]于2016 年發射并成功進入軌道，2018 年投入商業使用，被稱為中國版的海事衛星。天通一號衛星移動通信系統是中國第一個移動衛星通信系統，該系統主要覆蓋亞太地區，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、短消息和低速數據服務。北斗衛星導航系統[23]可在全球范圍內提供定位、導航服務，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等。實踐十三號衛星是中國首顆高軌道高通量通信衛星，應用了Ka頻段多波束寬帶通信系統，其通信總容量可達20 GB 以上，超過了之前所有研制通信衛星容量總和，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及其他航天技術的發展，商業衛星通信也得到了快速發展。銥星系統（Iridium）是LEO 衛星通信系統，可為使用衛星電話的用戶提供語音和低速數據服務。第二代銥星星座Iridium NEXT 也于2017 年開始部署，由66 顆活動衛星、9 顆在軌備用衛星和6 顆地面備用衛星組成。目前，Iridium NEXT 向移動終端提供高達128 kbit/s 的數據服務，并且將來能夠為支持更大的帶寬和更高的速率服務，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據服務達到30 Mbit/s[24]。此外，O3b 衛星能夠提供中軌道小衛星的通信系統已開通運行；SpaceX、維珍銀河等也正在規劃由600～700 顆低軌微小衛星組成的通信網絡，為全球提供互聯網接入服務。

針對空域的海上通信網絡，學術界也開展了廣泛的研究。文獻[25]將控制、轉發分離的概念和網絡虛擬化的思想引入衛星通信網絡，提出一種聚合軟件定義網絡（softwaredefinednetwork，SDN）控制系統的新一代網絡，該網絡能快速適應不同的場景，布網靈活，易于擴展，資源利用率高。為了提高衛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以提高頻譜效率。面向任務需求，文獻[27]提出使用時變圖對空間信息網絡進行建模以處理其動態性。基于數學語言描述，文獻[28]將規劃與調度問題描述成多約束的優化問題進行最優問題的分析。文獻[29]研究了一種協調合作的衛星和地面架構，以提供實時的寬帶傳輸網絡服務，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，利用通信衛星以及全球導航衛星系統（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具有覆蓋范圍廣的特點，可以提供不同類型的數據服務。但是，目前主要的衛星系統僅支持中低速通信服務，且衛星通信的費用以及船載衛星終端的通信成本高昂，需要降低通信成本，以充分發揮衛星通信的優勢，提高衛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，可以結合利用地面蜂窩網絡、無線城域網、無線局域網等成熟的陸地通信技術，為近海海上通信提供高容量、低成本、安全可靠的通信服務。

奈伏泰斯系統（NAVTEX）是一種在中頻工作的窄帶系統，數據速率為300 bit/s，可為離岸200 n mile 以內的船舶提供海事安全信息直接打印服務。NAVTEX 系統提供導航消息、氣象警告和預報以及緊急信息，以增強海上安全，但是該系統無法提供寬帶通信服務和從用戶處獲取實時信息。PACTOR 系統[31]采用窄帶高頻通信系統，可以提供數據速率為10.5 kbit/s 的純文本電子郵件服務。第一代PACTOR 系統（PACTOR-I）可提供直接打印和分組無線電服務，在后續系統中，運用了自適應調制方法和正交頻分復用技術以提高頻譜效率。但是該系統由于傳輸時延較大，仍然不能提供實時通信服務[32]。另一個被廣泛應用的海上通信系統是船舶自動識別系統（automatic identification system，AIS）[33]，該系統由美國主導并得到國際海事組織的推薦，系統采用自組織時分多址接入并能夠傳輸船舶航跡信息，實現船舶避碰和安全航行。AIS 轉發設備能夠工作在甚高頻上，實現9.6 kbit/s 的實時數據傳輸速率。目前，AIS 被廣泛應用于船舶監控、海上搜救、船舶避障、航海導航等實時工作場景。

隨著無線通信技術的發展，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 網絡由挪威Tampnet 公司和華為公司聯合開發[34]，該系統涵蓋了離岸20～50 km 的鉆井平臺、油輪以及浮動生產存儲卸載設備，能提供1 Mbit/s 上行鏈路和2 Mbit/s 下行鏈路的語音和數據服務。同時，該系統還支持視頻監控數據上傳和無線中繼通信服務。在國內，愛立信和中國移動合作在青島建設了TD-LTE 試用網絡進行海事覆蓋，該網絡工作在2.6 GHz 頻段，覆蓋離岸長達30 km的區域，峰值速率可達7 Mbit/s，為海上運輸和海上漁業等海上應用提供寬帶服務。在海上無線傳感網絡應用中，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 通信協議也能夠在海岸范圍內提供高速的傳輸服務。文獻[35]針對電子導航服務的非衛星寬帶海事通信技術，對比了甚高頻數據交換系統和一些無線電通信的經典擴展解決方案提供的基本服務集，得出了現代海上通信的完全異構的netBaltic 系統用途最廣的結論，憑借同時具有使用不同通信技術的能力和時延容忍網絡組件所提供的功能，netBaltic 系統能夠訪問國際海事組織定義的所有服務。

作為地面蜂窩網絡擴展，大量的學術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絡性能指標，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發協作中繼網絡，運用于沿海基站通信，與傳統的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 物理層參數配置對通信性能的影響，通過優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，在5 GHz 頻段下獲得了更好的信道預測結果。此外，考慮海上大氣特殊的折射率結構，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的研究中，文獻[40]提出一種在沿海網絡中應用蜂窩技術的框架，深入研究了天線選擇方案，為目標用戶形成虛擬服務云。文獻[41]的工作提出了一種基于LTE 技術的沿海網絡架構，支持多種海上無線服務方案，同時采用設備到設備（device to device，D2D）的傳輸和多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術以支持更高效的數據傳輸。文獻[42]研究的海事基站通信系統基于大規模多輸入多輸出（massive MIMO）技術，通過數字與模擬預編碼結合，降低系統的實現復雜性和開銷。

隨著4G、5G 及未來無線網絡的發展，基于陸地的海上通信可以為離岸用戶提供寬帶通信服務，如文件下載、實時通信和視頻監控數據上傳。但是，與衛星網絡相比，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絡拓展到深海海上通信的關鍵難點。

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的通信網絡，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量的通信服務，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星地面站將信號傳輸到中繼衛星，通過衛星組網再傳輸到陸地上的地面站，附近的船載通信設備的傳輸速率可達到15 Mbit/s，支持多樣化的深海通信服務需求。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絡的遷移，基于島嶼基站的建設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務需求，提供高質量的通信服務。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化。

基于船舶的海上通信具有靈活性高、易自組網的特點，通常以大型船只作為中繼節點，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。日本開發的海上移動自組織網絡[43]，通過船對船通信擴大海上通信覆蓋范圍，該網絡使用27 MHz 和40 MHz 頻段，覆蓋離海岸長達70 km 的海上區域，但是，傳輸速率僅為1.2 kbit/s，且只支持窄帶通信服務，如短消息服務等。新加坡也已經啟動了TRITON項目[44]，旨在開發無線網狀網絡來擴大海上通信的覆蓋范圍，在該網絡中，所有船只、海上信標或浮標等終端都能充當網狀節點，為附近的其他節點路由轉發流量，系統的工作頻道為5.8 GHz，提供6 Mbit/s 的寬帶通信服務，可實現距離海岸線最多可到27 km 區域的有效覆蓋。陸地通信技術的進步同樣也促進了海洋工業物聯網的快速發展，文獻[45]提出通過收集和分析來自AIS 的大量空間數據流，采用數據驅動提高AIS 網絡中船只軌跡記錄的質量，以保證智能船舶交通服務。

為了進一步提高海上通信船對船的通信效率，國內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，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格介質訪問控制（medium access control，MAC）協議等。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絡中，擴大網絡覆蓋范圍，更好地為船舶提供通信服務。文獻[53]為異構海上通信系統設計了一種無線多跳回傳網絡，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絡來改善連接性。同時，為提高通信效率，文獻[54]針對大型MIMO 海事通信系統中的上行鏈路大型終端設備無授權隨機接入的場景，提出了一種導頻域非正交多路訪問技術，解決導頻功率污染問題，提高頻譜利用率和降低中斷概率。

基于船舶的網狀或自組織海上通信網絡可以為遠離海岸的深海船舶和作業平臺提供更大范圍的覆蓋和寬帶通信服務。但是，其鏈路穩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化觀測矩陣的快速貝葉斯匹配追蹤稀疏信道估計優化算法，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和數值評估提供了有效的數據參數。

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務服務，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]，旨在為偏遠地區的用戶以及海上用戶提供免費的網絡訪問。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絡進行數據傳輸。Google 也于2013 年發起了Loon 項目[58]，為偏遠地區的用戶提供網絡訪問和緊急通信服務（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絡，可以提供10 Mbit/s 的通信服務。“BLUECOM+”項目同樣使用熱氣球作為路由節點，使用多跳中繼技術來擴展覆蓋范圍，將陸基通信擴展到偏遠海上區域，該系統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[59]。對比高吞吐量的海洋衛星，無人機等航空器也可用于對陸地沿海基站的補充，減少海洋通信基礎設施部署缺乏導致的覆蓋盲區，增強海上通信的覆蓋率[60]。同時，因為其靈活性，在用戶數較少時可進一步提供按需服務來提高通信效率。但是，無人機和無人艇等空中基站與節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，一些新型技術也廣泛運用。人工智能（artificial intelligence，AI）已在許多領域取得了很好的成果，文獻[61]提出一種AI 支持的海洋物聯網自主網絡，采用并行網絡驅動的方法來獲取AI 訓練所需要真實的數據和環境。文獻[62-63]提出了專用于海上物聯網（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業務。文獻[64]展示了一種基于SDN 的聯合睡眠調度和機會傳輸方案，以在海事無線通信網絡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絡，利用海上浮動塔構建了連接到地面網絡的多跳視距（line of sight，LoS）鏈路，為海上用戶提供廣域無縫覆蓋。文獻[66]從數據編碼的角度，通過數據壓縮可以實現簡單且廉價的數據傳輸，并呼吁更多的船舶采用數據壓縮等方法，實現遠洋通信、遠航監控等功能。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量。文獻[68]考慮海洋環境與陸地環境的不同，海洋無線電信號受到許多因素的影響，如天氣條件、蒸發管道和波浪引起的船舶搖擺，為了確保數據傳輸的可靠性，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，采用具有空間調制（spatial modulation，SM）的物理層網絡編碼（physicallayer network coding，PNC）方案來提高頻譜利用率。

1.4 基于跨域協同的海上通信

海上衛星通信覆蓋范圍廣，無人機部署靈活可以實現按需通信，基于島嶼的海上通信基站技術成熟，沿海基站通信穩定，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。

基于無人機可實現按需通信的能力，無人機與其他通信系統可以緊密融合。文獻[69]提出依靠現有的衛星和地面系統，利用頻譜共享技術實現無人機的有效回傳通信，擴大海洋通信的覆蓋范圍。文獻[70]研究了無人機與現有海洋通信系統的融合，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，提出一種衛星、無人機和地面網絡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發中繼策略，并優化了無人機的最佳部署位置。

基于衛星廣闊的覆蓋能力，文獻[72]提出了融合空域和海域的海上傳輸方案，其中，衛星多播和海上中繼合作為深海提供了無處不在的網絡覆蓋，同時提出了協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]通過感知海上環境的變化優化了空域和海域協同通信的覆蓋范圍。

基于跨域協同的海上通信系統設計中，研究最廣泛的是基于混合“衛星－無人機－地面網絡”的框架。文獻[74]考慮了近海地區的混合“衛星－無人機－地面”網絡，建立了按需覆蓋優化框架，在滿足衛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的地面用戶的最低速率。而這種混合網絡中，針對海上IoT 設備稀疏分布的特點，可以使用以用戶為中心的方式形成虛擬集群，靈活運用NOMA 技術以降低相互之間的干擾[75]。文獻[76]解決了此混合網絡的聯合鏈路調度和速率適配問題，在保證服務質量（quality of service，QoS）的情況下最小化網絡的總能耗。進一步參考地面接入網絡中的移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC），文獻[77]提出衛星和無人機為用戶提供邊緣計算服務和網絡訪問的功能，設計了一種深度增強算法優化邊緣資源動態管理。同時，文獻[78]針對海洋通信環境復雜、業務量離散、用戶密度分布不均、海上業務設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，提高海上通信的服務質量。

2 目前海上通信系統存在的問題

目前，5G 網絡的商業化、超5G 網絡的發展以及未來6G 網絡的研究，使得海上通信系統能夠打破目前通信系統的限制，通過多種通信方式融合、路由策略優化、組網通信系統集成研發等方式，實現多網絡協同通信、提供大范圍覆蓋和高速率的海上通信[79]。在未來網絡框架下，要實現海上通信網絡系統的高效運行，對網絡的覆蓋范圍、信息傳輸的實時性和可靠性提供有效的保障，是進一步發展海上網絡通信系統所面臨的關鍵技術挑戰。針對用戶需求的多樣性、海上惡劣的環境與復雜的信道以及目前網絡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總結了存在的問題，海上通信系統存在問題見表3。

表3 海上通信系統存在問題

2.1 網絡拓撲動態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，海上通信業務存在分布稀疏、移動性強的特點，這導致網絡拓撲不斷變化。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化，并且根據終端的移動方向和規律，需要動態調整，這對快速網絡重組帶來嚴峻的挑戰。而基于陸地的海上通信，終端會根據自身位置優化選擇接入網絡，使得陸地網絡不斷優化路由選擇來應對網絡拓撲結構的變化；相較于傳統岸基通信較小的覆蓋范圍，衛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。但是衛星網絡自身拓撲的動態變化以及信道的實時變化，帶來的衛星資源調度分配非常復雜，這導致用戶在與衛星通信的過程中出現鏈路不穩定的狀態[80]。此外，由于海上不同的用戶往往對數據有著不同層面的需求，傳統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，基于自組網等方式建立起來的海上、陸地和跨域協同通信，因為海上環境的變化，也會面臨動態變化的問題。而用戶需求的多樣化不斷提升，在有可選擇網絡接入條件場景下，使得海上通信更多變，網絡拓撲結構更為復雜。

在海上通信網絡中，可以考慮通過知識驅動網絡提升通信效率和提高資源利用率，有效減少終端動態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，使用軟件定義網絡、網絡功能虛擬化、網絡切片等技術，對不同的海上環境、不同的用戶需求，根據資源條件和服務要求提供靈活的服務，適應海上用戶位置和需求的動態變化。

2.2 海上通信受限于惡劣環境及復雜信道導致通信可靠性較低

與陸地環境相比，大量的海水蒸發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特別敏感，這些參數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。

衛星通信相較于岸基通信以及船聯網對船只的通信受海上環境的影響較小，可以提高海上通信接入端的可靠性和通信效率。但是，由于目前衛星多為定制開發、獨立使用，標準化程度低，彼此間相互獨立，多數已在軌的應用衛星不具備星間通信鏈路，無法對未來快速發展的海上通信提供保障。需要針對通信過程中衛星的選擇與協同、波束干擾以及覆蓋區域等問題進行進一步研究。

2.3 海上通信受限于不同系統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，同時包括海上無線通信系統、衛星通信系統、岸基通信系統、船載基站通信系統、空中基站通信系統等不同方法組成的通信系統來滿足不同的需求，如海上無線通信系統通信成本低廉、衛星通信系統具有廣域的覆蓋范圍、岸基通信網絡可以實現數據高速傳輸。但是，目前各系統均為獨立系統，無法資源共享以及協同傳輸，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展，通過綜合利用各種通信系統，能夠保障用戶實現穩定、高效、可靠、價格低廉的海上通信服務。根據不同的服務需求，考慮跨域協同，融合各種海上通信系統，進行有效的通信資源分配與用戶調度來適應不同的需求。在用戶端可以根據實際需求選擇接入不同網絡，用戶還可以選擇多模終端同時接入多個網絡，如岸基網絡與衛星網絡，通過協同通信實現高速的數據傳輸，實現更穩定的海上通信。此外，還可以進一步考慮同頻多系統融合、協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發展關鍵技術

現階段各種海上通信系統較為封閉，基于跨域協同的海上通信系統發展明顯滯后，可以借鑒陸地網絡的成熟技術，如基于衛星超幀的通信技術、基站波束成形、上行預編碼等技術實現不同系統之間的有效融合。但海上網絡環境復雜多變，通信系統考慮的關鍵技術需要明顯區別于陸地通信應用環境。

3.1 海浪運動模型學習

與陸地通信環境條件不同，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點（如船舶和浮標）的方向發生變化，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生更大的影響。同時，衛星通信也對方向性較為敏感，要求終端天線與衛星對準，而復雜海況下浮標橫縱搖擺致使海上節點天線與衛星對準困難，通信鏈路極不穩定，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定帶來的影響，需要對海浪與接收信號強度之間的關系進行詳細研究，通過對海浪運動規律進行建模，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時間、業務類型和容量的區別，以及衛星和節點的仰角等，改變通信策略，設計動態波束成形算法，優化折中浮標天線增益和波束寬度，適應海上環境，尤其是海浪運動時變的特性。

3.2 海上信道建模

在跨域協同的融合空海地通信網絡中，研究的信道類型主要有兩大類型：空海信道（如衛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地面無線信道有所不同，會對海上終端的收發器設計有重大影響，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境[81]。接收端和發送端距離遠導致的反饋時延大，為了保證長距離通信，發射機必須適當地集中目標用戶的信道狀態信息（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。可以利用歷史統計的CSI 來輔助優化傳輸方案[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]創造性地利用了基于位置的大規模CSI 設計混合預編碼，實現功率分配和用戶調度策略。

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，如何保證用戶調度中的公平性是一個關鍵挑戰。而對于遠程用戶，除已經按照用戶的方向設計波束，否則無法建立通信鏈接，這表明調度必須利用用戶的有限信息設計，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（如網絡編碼）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的拓撲對網絡架構設計提出了更高的要求，如網狀網絡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。受信道不穩定、不常規的位置出現和有限的CSI獲取等不利因素的影響，海事網狀網絡中的路由設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象。根據大氣折射指數垂直梯度，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，形成好像在波導內進行傳播的現象，即大氣的波導效應。由于海水蒸發，與陸地環境相比，海面的大氣分布不均勻，在海平面上方0～20 m 的范圍內可能會存在最常見、最容易被利用的一類大氣波導，即蒸發波導。電磁傳播環境易受海面條件（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境中通信系統的性能產生重大影響[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備，可以實現近實時檢測。盡管RFC技術具有一定的優勢，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，對微波信號產生前向散射而實現超視距傳播。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可以使入射微波向前和向地面散射，從而實現超視距通信。微波散射通信具有通信距離長、容量大、安全性高、靈活性強的優點。因此，微波散射非常適合為環境惡劣地區（如高山、沙漠和海上）的用戶提供通信服務[87]。

由于更加頻繁的大氣流動，海上對流層中的散射體數量遠大于地面對流層中的散射體數量。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]）已經進行了海上通信的實驗鏈接。但是，散射信道的衰落比LoS 內的信道衰落更深，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的數百千米的遠距離海上通信。

4 結束語

近年來，隨著海上業務數據量的急劇增加，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，在調研國內外海上通信研究現狀的基礎上，從空域、陸地、海域和跨域協同4 個方面總結了不同海上系統之間的發展歷程、服務業務和應用場景。討論了目前海上通信存在的主要問題，即網絡拓撲動態變化引起的通信效率較低、惡劣環境和信道復雜導致的通信可靠性不高，以及不同系統之間的兼容性問題。最后，針對復雜的海上通信環境，提出了4 種新一代海上通信系統需要解決的核心技術，希望對海上通信的發展、研究和應用有一定的指導作用。