張洪銘，閆 實(shí)，唐 斌，王成才，彭木根*，陸 軍

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100871；2.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

近年來(lái)，世界各國(guó)間海洋資源的競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化，海洋正成為世界各國(guó)合作與競(jìng)爭(zhēng)的重要舞臺(tái)。海上無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)在海洋勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋安全、海洋漁業(yè)以及海洋運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，海上無(wú)線通信業(yè)務(wù)的需求也在日益增加。然而，不同于地面無(wú)線通信系統(tǒng)，海上通信節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少且分散，海上節(jié)點(diǎn)間通信距離通常較遠(yuǎn)，空間內(nèi)分布較稀疏。此外，海洋氣象條件惡劣多變，環(huán)境呈現(xiàn)高濕度、高鹽霧、高溫差等特點(diǎn)。在此環(huán)境下，海上無(wú)線傳輸介質(zhì)呈現(xiàn)較為明顯的非均勻分布，電磁環(huán)境復(fù)雜惡劣等因素都為設(shè)計(jì)高性能可靠海上無(wú)線通信系統(tǒng)帶來(lái)挑戰(zhàn)。同時(shí)，考慮到成本問(wèn)題，海上無(wú)線通信系統(tǒng)難以構(gòu)建像地面蜂窩網(wǎng)那樣集中式信息管理網(wǎng)絡(luò)，不同類(lèi)型通信節(jié)點(diǎn)的多樣化業(yè)務(wù)需求難以高效統(tǒng)一管理。因此，海上無(wú)線通信面臨空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)以及業(yè)務(wù)需求差異性大等挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的海上無(wú)線通信系統(tǒng)存在技術(shù)手段落后、通信設(shè)備紛雜及通信鏈路不穩(wěn)定等問(wèn)題。早期的海上無(wú)線通信方式主要以采用模擬信號(hào)傳輸方法的摩爾斯電報(bào)為主，通常情況每天或幾天才有一份幾十字的電報(bào)傳輸[1]。此后，海上無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展緩慢，窄帶直接印字電報(bào)和無(wú)線電話技術(shù)逐漸應(yīng)用于海上無(wú)線通信系統(tǒng)。20世紀(jì)初，海上無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化革新，例如全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)的研發(fā)使用、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)及航行數(shù)據(jù)記錄儀等安全導(dǎo)航系統(tǒng)被強(qiáng)制要求安裝到航行船舶上等。海上通信系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)急安全、定位導(dǎo)航以及語(yǔ)音通信等業(yè)務(wù)的支持。當(dāng)前，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)正積極推動(dòng)旨在加強(qiáng)岸基與船舶間信息交互能力的e-航海計(jì)劃[2]，通過(guò)對(duì)用戶間信息流和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流進(jìn)行高效統(tǒng)一的集成管理，實(shí)現(xiàn)海上信息高效安全的傳輸。其中，作為未來(lái)對(duì)e-航海戰(zhàn)略發(fā)展提供通信支撐作用的現(xiàn)代化GMDSS系統(tǒng)的研究工作正處于起步階段[3]。未來(lái)如高清實(shí)時(shí)視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等面向用戶體驗(yàn)質(zhì)量(Quality of Experience,QoE)的業(yè)務(wù)需求將不斷提升。例如，在遠(yuǎn)洋航行時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可幫助船上用戶與數(shù)千千米外的其他用戶在虛擬域進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)。此外，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)可幫助海上生病的用戶得到及時(shí)有效的治療。然而，現(xiàn)有的海上無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)法支撐上述業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。特別對(duì)于我國(guó)而言，當(dāng)前海上通信系統(tǒng)大多依賴(lài)國(guó)外技術(shù)，在關(guān)鍵的無(wú)線傳輸和組網(wǎng)領(lǐng)域只掌握較少的核心技術(shù)。在全球海上無(wú)線通信新一輪變革的背景和機(jī)遇下，為助力我國(guó)在無(wú)線傳輸和組網(wǎng)等核心技術(shù)領(lǐng)域取得更多突破性創(chuàng)新，本文針對(duì)海上無(wú)線通信空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)及業(yè)務(wù)需求差異性大的挑戰(zhàn)，對(duì)現(xiàn)有海上無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行回顧和總結(jié)，闡述其工作原理，并結(jié)合現(xiàn)有地面無(wú)線通信領(lǐng)域前沿技術(shù)，提出未來(lái)海上無(wú)線傳輸和組網(wǎng)技術(shù)研究方向。

1 傳統(tǒng)海上無(wú)線通信技術(shù)

本節(jié)對(duì)現(xiàn)有代表性的海上無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵傳輸技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的梳理、比較和性能評(píng)估。針對(duì)不同業(yè)務(wù)類(lèi)別和通信頻段分為:① 主要面向定位導(dǎo)航的奈伏泰斯系統(tǒng)、海上數(shù)字廣播系統(tǒng)以及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng);② 面向應(yīng)急救援業(yè)務(wù)的數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng);③ 面向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳醺哳l數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。表1列舉了上述海上無(wú)線通信系統(tǒng)重的關(guān)鍵傳輸技術(shù)及參數(shù)。

表1 現(xiàn)有海上無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)及參數(shù)

1.1 奈伏泰斯系統(tǒng)

奈伏泰斯 (Navigational Telex,NAVTEX) 系統(tǒng)[4]通過(guò)中頻無(wú)線電以窄帶直接印字電報(bào)的方式為沿海區(qū)域航行的船舶提供如導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象預(yù)警以及險(xiǎn)情救援等安全信息的業(yè)務(wù)。奈伏泰斯系統(tǒng)于1999年成為GMDSS的重要組成部分[5]，可分為國(guó)際奈伏泰斯和國(guó)家奈伏泰斯兩種制式。如圖1所示，國(guó)際奈伏泰斯系統(tǒng)以518 kHz的頻率為全球16個(gè)海域提供英文海上安全信息播報(bào)的服務(wù)，而國(guó)家奈伏泰斯系統(tǒng)采用490 kHz或4 209.5 kHz的頻率傳輸以當(dāng)?shù)卣Z(yǔ)言為主的海上安全信息。特別地，我國(guó)于1986年正式應(yīng)用486 kHz頻段的國(guó)家奈伏泰斯系統(tǒng)，為我國(guó)東部、南部沿海海域提供中文安全信息服務(wù)。

奈伏泰斯系統(tǒng)通常由業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)站、發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)三部分組成。其中，業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)站將收集到的相關(guān)海洋安全信息經(jīng)篩選過(guò)濾后發(fā)送至發(fā)射臺(tái)，經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制后通過(guò)載頻信號(hào)由發(fā)射臺(tái)廣播至目標(biāo)海域。目標(biāo)海域內(nèi)的船舶上通過(guò)接收機(jī)可以自動(dòng)接收、解碼和打印奈伏泰斯安全信息。其中，奈伏泰斯系統(tǒng)采用二進(jìn)制頻移鍵控(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式，以100 Baud的調(diào)制速率傳輸載頻差值為170 Hz的信號(hào)。在接收端，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、濾波、解調(diào)和解碼后得到NAVTEX報(bào)文。奈伏泰斯系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾和抗衰減能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，覆蓋半徑約370 km。

1.2 海上數(shù)字廣播系統(tǒng)

海上數(shù)字廣播(Navigational Data,NAVDAT)系統(tǒng)[6]是一個(gè)面向海上船舶導(dǎo)航和安全的廣播通信系統(tǒng)，主要由信息管理系統(tǒng)、岸臺(tái)發(fā)射機(jī)和船載接收機(jī)組成。如圖1所示，2012年舉行的世界無(wú)線電通信大會(huì)正式將495～505 kHz定為NAVDAT系統(tǒng)的專(zhuān)用頻段。為提高覆蓋范圍，NAVDAT系統(tǒng)采用海面波導(dǎo)傳輸和天波傳輸兩種傳輸方法。

NAVDAT系統(tǒng)將不同格式的信息源信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到NAVDAT的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理，處理后的信息通過(guò)岸臺(tái)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到岸臺(tái)發(fā)射機(jī)，岸臺(tái)發(fā)射機(jī)將所需傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^(guò)正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)載波信號(hào)傳輸，子載波間間隔為41.66 Hz，每個(gè)子載波采用正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)方法進(jìn)行調(diào)制。船載接收機(jī)接收到信號(hào)后對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得文本、數(shù)據(jù)、傳真及圖片等不同類(lèi)型的信息。NAVDAT系統(tǒng)最高傳輸速率可達(dá)約25 kbit/s，覆蓋半徑可達(dá)648 km。

圖1 海上無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜使用劃分Fig.1 Spectrum usage of maritime communication systems

1.3 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)[7]是一個(gè)在VHF頻段上運(yùn)行的海上自動(dòng)跟蹤識(shí)別系統(tǒng)，可以周期性地為船舶、岸臺(tái)和海事主管單位廣播船名、識(shí)別碼、航向、航速及位置等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)海域內(nèi)船舶的自動(dòng)跟蹤識(shí)別和監(jiān)視。如圖1所示，AIS系統(tǒng)使用161.975 MHz和162.025 MHz兩個(gè)專(zhuān)用頻段，分別用于發(fā)射和接收以避免干擾。為保證通信質(zhì)量，船舶在沿岸航行時(shí)，AIS系統(tǒng)的運(yùn)行帶寬為12.5 kHz或25 kHz；而遠(yuǎn)洋航行時(shí)，AIS系統(tǒng)的運(yùn)行帶寬為25 kHz。AIS系統(tǒng)通過(guò)時(shí)分多址(Time-division Multiple Access,TDMA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，擴(kuò)大系統(tǒng)通信容量。

根據(jù)不同應(yīng)用類(lèi)別，AIS設(shè)備可分為面向大型郵輪的A類(lèi)AIS設(shè)備、面向中小型船只的B類(lèi)AIS設(shè)備、裝備在搜救飛機(jī)上的機(jī)載AIS設(shè)備以及裝備在航標(biāo)上的AIS設(shè)備等。針對(duì)不同業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量需求，不同類(lèi)型的設(shè)備采用不同的TDMA技術(shù)。例如，針對(duì)大型郵輪的穩(wěn)定性接入需求，A類(lèi)AIS設(shè)備采用性能較好的固定時(shí)隙預(yù)分配的自組織TDMA(Self-organized TDMA,SOTDMA)接入方式(SOTDMA將每個(gè)VHF信道的時(shí)間分割成26.7 ms的時(shí)隙，1 min為一幀,每一幀又被分為2 250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)AIS用戶在每幀內(nèi)按被分配的時(shí)隙進(jìn)行通信)；相比之下，針對(duì)小型船只間接性的接入需求，B類(lèi)AIS設(shè)備采用以避免碰撞為主的載波監(jiān)測(cè)TDMA(Carrier-sense TDMA,CSTDMA)接入方法。在CSTDMA接入方法中，AIS設(shè)備通過(guò)對(duì)每個(gè)信道時(shí)隙內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的大小來(lái)判斷該時(shí)隙是否被占用。例如，當(dāng)某個(gè)時(shí)隙內(nèi)的接收信號(hào)強(qiáng)度比載波監(jiān)聽(tīng)的門(mén)限高10 dB,則該時(shí)隙已被占用而無(wú)法作為候選發(fā)射時(shí)隙。在調(diào)制編碼方面，AIS系統(tǒng)采用基于不歸零反向碼(Non-return to Zero,NRZI)的最小頻移鍵控(Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK)調(diào)制方法，傳輸速率可達(dá)9.6 kbit/s，覆蓋半徑約為37 km。

1.4 數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng)

數(shù)字選擇性呼叫(Digital Selective Calling,DSC)系統(tǒng)[8]采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，為海上船舶提供遇險(xiǎn)呼叫的業(yè)務(wù)。DSC系統(tǒng)由岸臺(tái)和船臺(tái)兩部分組成，其中依據(jù)不同船型大小，船臺(tái)又可分為A、B和C型三種。如圖1所示，A型船臺(tái)使用中頻(Medium Frequency,MF)/高頻(High Frequency,HF)/甚高頻(Very High Frequency,VHF)頻段，適用于遠(yuǎn)洋航行的大型船舶；B型使用MF/VHF頻段，適用于中小型船舶；C型使用VHF頻段，適用于小型船舶。根據(jù)不同的場(chǎng)景，DSC系統(tǒng)可在單臺(tái)呼叫、群呼以及直撥電話等不同的呼叫功能中選擇合適的呼叫方式進(jìn)行通信，以保證附近岸臺(tái)或船舶可以及時(shí)接收到遇險(xiǎn)船舶的求救信號(hào)。

通常，呼叫船臺(tái)在MF、HF或VHF的某一頻段設(shè)置遇險(xiǎn)呼叫頻段，使用FSK的調(diào)制方法傳輸電文或呼叫序列。在MF/HF上，DSC的通信速率為100 bit/s。為保證呼叫成功率，船臺(tái)在MF/HF頻段采用每隔一段時(shí)間(一般大于5 min)向附近連續(xù)發(fā)送多個(gè)呼叫序列的方法進(jìn)行呼救，直到接收到附近岸臺(tái)或船舶回傳的遇險(xiǎn)收妥呼叫序列為止。而在VHF頻段上，DSC系統(tǒng)的通信速率為1.2 kbit/s,船臺(tái)可在首次呼叫未成功時(shí)，每隔5 s重復(fù)發(fā)送呼叫信號(hào)。DSC系統(tǒng)在VHF頻段上覆蓋半徑一般約為37.04 km,而在MF/HF上的覆蓋半徑可達(dá)370.4 km。

1.5 甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)

甚高頻數(shù)據(jù)交換(VHF Data Exchange System,VDES)系統(tǒng)[9]是一個(gè)旨在增強(qiáng)不同VHF頻段子系統(tǒng)運(yùn)行兼容性和互補(bǔ)性的通信系統(tǒng)，通常由岸臺(tái)、船站設(shè)備、VDE衛(wèi)星地面段、VDE衛(wèi)星空間段以及海上信息服務(wù)中心組成。VDES系統(tǒng)為不同的業(yè)務(wù)類(lèi)別分配了18個(gè)海上專(zhuān)用VHF通信信道，包括4個(gè)傳統(tǒng)的AIS和ASM信道、4個(gè)衛(wèi)星信道、2個(gè)用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男略鯝IS信道以及8個(gè)高速VDE信道。VDES系統(tǒng)采用25 kHz、50 kHz和100 kHz三種帶寬分別用于AIS和ASM信道、高速VDE信道和衛(wèi)星信道。

VDES系統(tǒng)為不同的信道配置不同的編碼調(diào)制方法，其中在兩個(gè)傳統(tǒng)的AIS安全信道，VDES延用AIS系統(tǒng)中的GMSK調(diào)制方法，通信速率為9.6 kbit/s。在其他新增通信信道，VDES通過(guò)采用自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)方法為不同信道的用戶提供通信服務(wù)。例如，針對(duì)距離較遠(yuǎn)的用戶接收信號(hào)信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)較低的問(wèn)題，VDES系統(tǒng)可采用高性能的1/2碼率Turbo碼配上π/4DQPSK的編碼調(diào)制方法進(jìn)行信號(hào)傳輸。相比之下，當(dāng)通信距離較近時(shí)，VDES可采用3/4碼率Turbo碼配上16QAM的編碼調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)高速率的信號(hào)傳輸。另一方面，針對(duì)不同信道的業(yè)務(wù)需求，VDES采用隨機(jī)時(shí)分多址接入(Random Access TDMA,RATDMA)、增量時(shí)分多址接入(Incremental TDMA,ITDMA)、SOTDMA以及固定時(shí)分多址接入(Fixed Access TDMA,FATDMA)四種時(shí)分多址接入方法實(shí)現(xiàn)用戶的靈活接入，覆蓋半徑可達(dá)92.6 km。

2 海上無(wú)線通信技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 海上超遠(yuǎn)距離傳輸

現(xiàn)有海上無(wú)線通信系統(tǒng)主要使用中頻、高頻以及甚高頻頻段為用戶提供如定位導(dǎo)航、應(yīng)急安全及語(yǔ)音等業(yè)務(wù)。如圖2所示，中頻和高頻頻段多用于為海上用戶提供定位導(dǎo)航和應(yīng)急安全等數(shù)據(jù)量較少的業(yè)務(wù)。此類(lèi)業(yè)務(wù)需要較遠(yuǎn)的信號(hào)傳輸距離來(lái)提高服務(wù)覆蓋率，如DSC系統(tǒng)中較大的通信覆蓋范圍可提高附近船舶接收遇險(xiǎn)船只呼叫信號(hào)的概率，提高遇險(xiǎn)船舶得到及時(shí)援助的機(jī)會(huì)。

圖2 現(xiàn)有海上無(wú)線通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求和支撐技術(shù)概覽Fig.2 Overview of service requirements and key techniques employed by current maritime communication systems

通常，海上無(wú)線信號(hào)可借助蒸發(fā)波導(dǎo)以及天波傳輸實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信。如圖3所示，海面上的逆溫和逆濕等因素導(dǎo)致大氣折射指數(shù)與高度間存在負(fù)梯度關(guān)系，當(dāng)負(fù)梯度數(shù)值滿足一定條件時(shí)，電磁波傳輸軌跡的曲率將會(huì)大于地球曲率，使得電磁波陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，形成蒸發(fā)波導(dǎo)傳輸[10]。蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象對(duì)于頻率高于3 GHz的電磁波尤為顯著。如圖4所示，1989年法國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)27.7 km的信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)中顯示，蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)10.5 GHz和16 GHz頻率的信號(hào)在70%的時(shí)間內(nèi)有超過(guò)10 dB的增益效果。

圖3 海上超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸Fig.3 Long-range transmissions for maritime communications

圖4 蒸發(fā)波導(dǎo)傳輸對(duì)不同測(cè)試頻點(diǎn)接收信號(hào)增益 大于10 dB的出現(xiàn)概率Fig.4 Probability distributionsof the signal strength≥10 dB for evaporation duct transmissions

相比之下如圖3所示，天波傳輸是由電磁波在電離層反射或折射而形成的一種超遠(yuǎn)距離傳輸方法。由于高頻電磁波對(duì)電離層有較強(qiáng)的穿透性，天波傳輸主要對(duì)MF、HF以及部分VHF頻段的信號(hào)有效。例如，基于MF和HF頻段的NAVDAT系統(tǒng)采用天波傳輸方法，傳輸距離可達(dá)648 km。如上所述，現(xiàn)有海上超遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)主要采用抗干擾和抗衰減性能較好且易實(shí)現(xiàn)的FSK調(diào)制技術(shù)，以廣播為主的方式傳輸信息。然而，現(xiàn)有中頻和高頻頻段的無(wú)線傳輸技術(shù)存在傳輸速率低和傳輸時(shí)延高的問(wèn)題。此外，多種不同的設(shè)備存在制式不兼容和操作方式差異大等問(wèn)題。

2.2 海上高速數(shù)據(jù)傳輸

如圖2所示，現(xiàn)有海上語(yǔ)音和視頻等業(yè)務(wù)通常使用VHF頻段，采用頻譜效率較高的編碼調(diào)制技術(shù)，穩(wěn)定傳輸距離較近。例如，VDES系統(tǒng)在兩個(gè)傳統(tǒng)的AIS信道采用包絡(luò)起伏和帶外輻射較小的GMSK調(diào)制技術(shù)，達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)抗衰落和能效的效果。此外，現(xiàn)有海上VHF通信系統(tǒng)主要采用基于TDMA的多址接入技術(shù)。以VDES系統(tǒng)中的SOTDMA為例，單位分鐘被平均劃分成2 250個(gè)時(shí)隙，系統(tǒng)自動(dòng)為需要發(fā)送信息的船舶分配可用時(shí)隙，并且與其他時(shí)隙配置信息一起廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)船舶，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主有序的運(yùn)行狀態(tài)。然而，在近海岸隨著用戶接入量的增加，信道內(nèi)可用時(shí)隙數(shù)量會(huì)減少甚至無(wú)可用時(shí)隙資源，進(jìn)而導(dǎo)致時(shí)隙預(yù)約沖突率提高，降低系統(tǒng)性能。

現(xiàn)有海上語(yǔ)音和視頻等業(yè)務(wù)主要受限于船舶的移動(dòng)性以及海洋復(fù)雜多變的環(huán)境影響。一方面，船舶的移動(dòng)性為基于信道估計(jì)的高性能無(wú)線通信方法設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。并且，快速移動(dòng)的船舶還會(huì)導(dǎo)致海上通信鏈路不穩(wěn)定，甚至通信鏈路頻繁中斷。另一方面，海洋復(fù)雜多變的環(huán)境使得海上無(wú)線通信信道呈現(xiàn)較強(qiáng)的時(shí)變性。例如，不同于陸地上，即使在天氣很好的情況下，海面的波動(dòng)以及隨時(shí)間而變的海面濕度等因素都會(huì)對(duì)海上無(wú)線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大影響。特別在傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，上述問(wèn)題導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度難以一直保證高于正常接收機(jī)靈敏度，導(dǎo)致在接收端信號(hào)解碼失敗，影響通信質(zhì)量。值得注意的是，VDES系統(tǒng)采用Turbo碼提高了系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，使得接收信號(hào)強(qiáng)度在較低的情況下仍能保證信息準(zhǔn)確的接收，極大地提高了系統(tǒng)的性能。然而，現(xiàn)有海上通信系統(tǒng)受帶寬限制，存在通信速率較低的問(wèn)題。例如，VDES系統(tǒng)最高通信速率可達(dá)307.2 kbit/s，雖然已達(dá)到較好語(yǔ)音質(zhì)量所需要求的64 kbit/s，但是尚不能滿足傳輸標(biāo)清視頻所需的3 Mbit/s最低速率要求。

2.3 海上無(wú)線組網(wǎng)

在海上無(wú)線組網(wǎng)方面，現(xiàn)有如VDES系統(tǒng)已初步形成了天-地-海一體化的組網(wǎng)架構(gòu)，可為不同業(yè)務(wù)需求的海上用戶提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。例如，VDES系統(tǒng)可以為遠(yuǎn)海航行的海上用戶提供高通量衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以滿足其高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求。此外，值得注意的是，美國(guó)DARPA于2020年發(fā)布的彈性組網(wǎng)分布式馬賽克通信項(xiàng)目通過(guò)在空間上部署小尺寸、輕質(zhì)量、低功耗和低成本通信單元組成分布式組網(wǎng)系統(tǒng)，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性以及抗干擾能力。然而不同于陸地上的通信網(wǎng)絡(luò)，海上船舶空間有限，難以部署大型通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。此外，船舶的高移動(dòng)性、海洋復(fù)雜多變的環(huán)境以及潛在的高強(qiáng)度電磁干擾等問(wèn)題都會(huì)影響通信鏈路質(zhì)量，造成通信鏈路頻繁中斷甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

網(wǎng)絡(luò)接入方式方面，近海海域接入業(yè)務(wù)種類(lèi)呈現(xiàn)多樣化特征，現(xiàn)有的固定接入方式存在網(wǎng)絡(luò)資源利用率低和接入時(shí)延過(guò)高的問(wèn)題。另一方面，遠(yuǎn)海海域海上通信節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)分散，大尺度空間-時(shí)間維度下通信節(jié)點(diǎn)及其業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)明顯的稀疏性。例如，某一遠(yuǎn)海海域內(nèi)，當(dāng)有遠(yuǎn)洋航行的郵輪經(jīng)過(guò)時(shí)，郵輪內(nèi)的用戶對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的需求劇增；而當(dāng)郵輪駛離此海域時(shí)，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間此海域可能無(wú)通信業(yè)務(wù)的需求。因此，如何為遠(yuǎn)海海域提供彈性高效的海上通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，相比于陸地上較為安全可靠的供電系統(tǒng)，海上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)面臨著小型設(shè)備供電不足、大型設(shè)備或平臺(tái)供電穩(wěn)定性差的問(wèn)題，影響海上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的處理能力，導(dǎo)致海上難以構(gòu)建長(zhǎng)久穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。

3 未來(lái)海上無(wú)線傳輸技術(shù)研究方向

與地面無(wú)線傳輸技術(shù)相比，現(xiàn)有的海上無(wú)線傳輸技術(shù)較為落后，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的海上無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求?；仡櫟孛娣涓C網(wǎng)從1G～5G性能的提升，無(wú)線傳輸技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。以多址接入技術(shù)為例，從1G模擬信號(hào)制式下基于頻率調(diào)制的FDMA技術(shù)，2G數(shù)字信號(hào)制式下的TDMA和CDMA技術(shù)，3G的WCDMA/CDMA2000,到4G的MC-CDMA/OFDMA，再到5G的OFDMA，可支持的通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了從語(yǔ)音到多媒體，再到萬(wàn)物互聯(lián)的飛躍。然而，考慮到海洋空間復(fù)雜多變的環(huán)境影響，現(xiàn)有的地面無(wú)線通信技術(shù)不能直接用于海上無(wú)線通信系統(tǒng)。例如考慮到海上經(jīng)常出現(xiàn)的暴雨、大風(fēng)以及海面水汽蒸發(fā)等現(xiàn)象，當(dāng)前基于毫米波的高速傳輸技術(shù)在應(yīng)用到海上無(wú)線通信時(shí)，需考慮隨著頻率的提高，因雨衰增大導(dǎo)致的傳輸距離受限的影響。此外，考慮到成本問(wèn)題，海上難以建立像地面那樣由光纖互連的固定基站，提供快速高效的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。因此，針對(duì)海上空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)及業(yè)務(wù)需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，可通過(guò)下文所述技術(shù)進(jìn)一步提升海上無(wú)線通信系統(tǒng)性能。

3.1 海上毫米波和太赫茲傳輸技術(shù)

針對(duì)帶寬受限導(dǎo)致的海上傳輸速率低的問(wèn)題，尚未充分開(kāi)發(fā)利用的30 GHz～3 THz的毫米波和太赫茲頻段擁有連續(xù)可用的大帶寬，可以滿足未來(lái)海上高速通信的應(yīng)用需求。如圖5所示，毫米波和太赫茲頻段受大氣吸收的影響(如電磁波與氧分子或水分子的共振吸收)，較高的衰減系數(shù)使得毫米波和太赫茲在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)產(chǎn)生較大的路徑損耗。盡管如此，如圖5所示，仍然存在一些衰減系數(shù)較低的寬頻帶大氣窗口可用于信號(hào)傳輸。然而考慮到海上惡劣天氣的影響，如何補(bǔ)償毫米波和太赫茲頻段較高的大氣衰減，是實(shí)現(xiàn)海上高性能毫米波和太赫茲系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖5 毫米波和太赫茲大氣吸收特性Fig.5 Absorption characteristics of mmWave and Terahertz waves

為了解決上述挑戰(zhàn)，可設(shè)計(jì)高增益天線補(bǔ)償海上毫米波和太赫茲頻段較高的大氣衰減。不同于陸地，海上毫米波和太赫茲高增益天線的設(shè)計(jì)還需要考慮到海浪顛簸以及船舶的移動(dòng)性等問(wèn)題。先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)采用高度集成和電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)制，可以提供快速轉(zhuǎn)向、尺寸小及多波束靈活可控等優(yōu)點(diǎn)[11]。一方面，船舶在顛簸海浪中快速航行場(chǎng)景下，可通過(guò)相控陣天線的靈活轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)與岸臺(tái)或其他船舶的精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)通信；另一方面，可以利用對(duì)相控陣天線波束數(shù)量、功耗及角度等參數(shù)控制，對(duì)不同距離以及不同業(yè)務(wù)需求的鏈路實(shí)現(xiàn)高速自適應(yīng)的無(wú)線通信。此外，靈活可控的優(yōu)點(diǎn)還使得相控陣天線有著很好的抗干擾能力，適用遠(yuǎn)海船舶間的通信?？紤]到成本、性能以及復(fù)雜度等因素，未來(lái)海上毫米波和太赫茲相控陣天線設(shè)計(jì)需采用數(shù)?；旌戏绞?，以射頻鏈路和天線陣子部分連接的方法獲得較好的天線增益。此外，采用高精度封裝的毫米波和太赫茲相控陣天線還需考慮海洋高濕度和高鹽度等惡劣環(huán)境的影響。

3.2 海上編碼調(diào)制技術(shù)

現(xiàn)有VDES系統(tǒng)所采用的Turbo碼迭代譯碼采用串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，存在譯碼時(shí)延過(guò)高的問(wèn)題，不適用于海上如應(yīng)急救援等應(yīng)用場(chǎng)景。因此如圖6所示，面向多樣化的海上業(yè)務(wù)需求，可采用基于速率自適應(yīng)的LDPC碼和較短碼塊的極化(Polar)碼[12]作為未來(lái)海上無(wú)線通信系統(tǒng)的信道編碼技術(shù)。面向數(shù)據(jù)傳輸為主的業(yè)務(wù)，可采用基于速率自適應(yīng)的LDPC碼?；谒俾首赃m應(yīng)的LDPC碼通過(guò)采用速率自適應(yīng)的打孔方法，克服傳統(tǒng)LDPC碼碼率單一的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)為不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)需求靈活配置適當(dāng)?shù)拇a率。此外，面向以控制信令傳輸為主的業(yè)務(wù)，可采用Polar碼。Polar碼是基于信道極化的信道編碼技術(shù)，可以通過(guò)采用碼長(zhǎng)較短的編碼方法，提供高性能短包通信。

在調(diào)制技術(shù)方面，一方面，考慮到海上無(wú)線信道大尺度衰落的影響，可采用信號(hào)包絡(luò)起伏較小的如GMSK等調(diào)制方法。然而，此類(lèi)調(diào)制方法存在誤碼率較高的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低的新型快速濾波器和解調(diào)方法。另一方面，如圖6所示，為了進(jìn)一步提高頻譜效率，可采用64QAM、256QAM以及1024QAM等高階數(shù)字調(diào)制方法。然而，海上無(wú)線通信信道復(fù)雜多變，傳輸信號(hào)易受海上雜波和無(wú)線電干擾等影響，當(dāng)采用頻譜效率較高的高階數(shù)字調(diào)制技術(shù)時(shí)，易出現(xiàn)接收信號(hào)誤碼率高的問(wèn)題。然而，海上自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)依然面臨如快速高效濾波技術(shù)、編碼調(diào)制聯(lián)合信號(hào)最優(yōu)化迭代譯碼方法設(shè)計(jì)以及具體硬件實(shí)現(xiàn)等挑戰(zhàn)。

圖6 面向不同業(yè)務(wù)需求的未來(lái)海上自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)Fig.6 Adaptive coding and modulation for different service requirements in maritime communications

3.3 基于通信-感知一體化的未來(lái)海上新波形技術(shù)

前述NAVDAT和VDES系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)OFDM利用正交性，將高速頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時(shí)域上，引入循環(huán)前綴后以低速信號(hào)傳輸，有效解決了海上多徑信道下所面臨的碼間干擾問(wèn)題。然而，針對(duì)未來(lái)海上不同業(yè)務(wù)對(duì)空口技術(shù)多樣化的需求，傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)存在無(wú)法靈活適配的問(wèn)題。新型濾波OFDM(Filtered OFDM,F-OFDM)技術(shù)[13]可依據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求設(shè)置不同的子載波間隔，靈活配置通信資源。與傳統(tǒng)OFDM技術(shù)相比，F(xiàn)-OFDM技術(shù)將整個(gè)頻帶分為多個(gè)子載波間隔不同的子帶，每個(gè)子帶配置特定的循環(huán)前綴和濾波器，以此用戶可以依據(jù)不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)需求靈活配置子幀結(jié)構(gòu)。然而，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)無(wú)法保障不同帶寬子載波間的正交性，需引入保護(hù)導(dǎo)頻信號(hào)降低帶外泄露，導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)及復(fù)雜度的增加?？紤]到海上復(fù)雜多變的信道環(huán)境以及船舶的移動(dòng)性，如何快速感知船舶用戶的位置信息以及其他影響通信鏈路性能的信息，并將所感知到的信息用于優(yōu)化F-OFDM系統(tǒng)子幀配置方法，以達(dá)到降低預(yù)處理時(shí)延的目標(biāo)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

另一方面，考慮到海上船舶高移動(dòng)場(chǎng)景下存在的時(shí)延和多普勒問(wèn)題，特別是針對(duì)此問(wèn)題更為顯著的未來(lái)海上毫米波和太赫茲系統(tǒng)，正交時(shí)頻空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)[14]技術(shù)可作為未來(lái)海上無(wú)線傳輸一個(gè)較好的參考技術(shù)。OTFS技術(shù)通過(guò)在時(shí)延-多普勒域上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)用達(dá)到抑制因用戶高速運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的多普勒頻移問(wèn)題。此外，更重要的是OTFS波形還可以用于海上感知探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)其在時(shí)延-多普勒域上的特性，海上感知探測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)接收到的OTFS波形估算目標(biāo)距離與運(yùn)動(dòng)速度等信息。因此，OTFS技術(shù)可視為未來(lái)海上通信-感知一體化新波形技術(shù)。然而，除了現(xiàn)有OTFS系統(tǒng)所存在的信號(hào)檢測(cè)解碼復(fù)雜度高，以及時(shí)延-多普勒域的信道建模預(yù)測(cè)等問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)適配未來(lái)海上毫米波和太赫茲系統(tǒng)的OTFS波形方法，實(shí)現(xiàn)高性能海上通信-感知一體化系統(tǒng)仍然是一個(gè)值得進(jìn)一步探索的研究方向。

3.4 基于通信-感知一體化的未來(lái)海上多址接入技術(shù)

與陸地蜂窩網(wǎng)相比，現(xiàn)有以TDMA為主的海上多址接入技術(shù)尚可滿足現(xiàn)有較少的海上無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求。然而，隨著海上物聯(lián)網(wǎng)等新興海上技術(shù)的快速應(yīng)用，現(xiàn)有的海上多址接入技術(shù)難以滿足未來(lái)海上大量無(wú)線通信業(yè)務(wù)的需求。隨著船舶高速移動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入用戶的不斷變化，現(xiàn)有技術(shù)存在的資源浪費(fèi)、信令開(kāi)銷(xiāo)大以及端到端時(shí)延過(guò)高等問(wèn)題越發(fā)凸顯。

針對(duì)上述問(wèn)題，可采用基于分級(jí)制的混合多址接入技術(shù)。例如，將服務(wù)海域內(nèi)有固定業(yè)務(wù)需求的用戶設(shè)為高級(jí)別，依據(jù)其需求業(yè)務(wù)類(lèi)別，為其分配固定的通信資源，使其在此資源塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的接入。相比之下，可將偶爾有接入需求的用戶設(shè)為低級(jí)別，在給定的資源塊內(nèi)為其分配如免許可隨機(jī)接入(Grant-free Random Access)這樣無(wú)需固定通信資源但仍可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定接入的方法。特別地，在海上免許可隨機(jī)接入方法中，每一個(gè)船舶可直接傳輸數(shù)據(jù)包給岸臺(tái)或其他船舶，而不需要等待對(duì)方的許可接入信令，在接收端通過(guò)對(duì)船舶特有導(dǎo)頻碼的解碼實(shí)現(xiàn)不同船舶用戶的檢測(cè)和識(shí)別任務(wù)。此方法中，通信鏈路不需要進(jìn)行復(fù)雜的信令交互以及資源調(diào)度分配過(guò)程，這樣可以簡(jiǎn)化傳輸流程、降低時(shí)延、節(jié)省信令開(kāi)銷(xiāo)以及節(jié)點(diǎn)功耗和成本。然而，考慮到海上這個(gè)特有場(chǎng)景下存在的用戶需求動(dòng)態(tài)變化情況，例如，海上浮標(biāo)或傳感器等設(shè)備因臺(tái)風(fēng)或海洋生物吞噬等導(dǎo)致丟失損壞的問(wèn)題，可以利用如深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等與實(shí)時(shí)環(huán)境場(chǎng)景信息做交互的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，設(shè)計(jì)基于海上接入用戶需求實(shí)時(shí)感知的未來(lái)海上柔性接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)依據(jù)服務(wù)海域內(nèi)感知的用戶信息為其靈活設(shè)置接入級(jí)別以及配置通信資源，達(dá)到通信資源最優(yōu)化分配的海上柔性接入目標(biāo)。然而，針對(duì)上述所提未來(lái)海上感知-通信一體化多址接入方法，如何設(shè)計(jì)高效感知技術(shù)以達(dá)到快速準(zhǔn)確的感知用戶接入需求仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.5 未來(lái)海上機(jī)動(dòng)便捷組網(wǎng)

針對(duì)海上節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化以及通信鏈路受強(qiáng)干擾易中斷的挑戰(zhàn)，可建立如圖7所示的海上分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在近海海域采用技術(shù)成熟、網(wǎng)絡(luò)容量高以及穩(wěn)定性強(qiáng)的岸基通信網(wǎng)絡(luò)為分布相對(duì)密集的海上用戶提供高速穩(wěn)定的通信服務(wù)。相比之下，遠(yuǎn)海海域可采用高通量低軌衛(wèi)星通信與遠(yuǎn)距離分布式組網(wǎng)互補(bǔ)的混合型組網(wǎng)方式。通常情況下，針對(duì)有穩(wěn)定接入互聯(lián)網(wǎng)需求的海上用戶，高速移動(dòng)的低軌衛(wèi)星難以為其提供全天候穩(wěn)定服務(wù)。此外，高速移動(dòng)的海上船舶存在通信鏈路不穩(wěn)定而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)經(jīng)常中斷的問(wèn)題。為解決上述挑戰(zhàn)，可借助如圖7所示的遠(yuǎn)距離分布式組網(wǎng)方式對(duì)遠(yuǎn)海區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供智能化路由管理、數(shù)據(jù)鏈路快速恢復(fù)以及網(wǎng)絡(luò)資源管理等服務(wù)。具體而言，遠(yuǎn)海海域節(jié)點(diǎn)可首先通過(guò)環(huán)境感知和態(tài)勢(shì)感知技術(shù)，利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的路由選擇算法動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整附近最優(yōu)路由節(jié)點(diǎn)，為通信服務(wù)中斷的海上用戶提供快速及時(shí)的重連服務(wù)；其次，如圖7所示，遠(yuǎn)海海域節(jié)點(diǎn)可通過(guò)配置通信-感知-計(jì)算一體化的霧無(wú)線基站[15]，利用環(huán)境及多維度態(tài)勢(shì)感知所得到的信息，計(jì)算出附近海域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求分布，動(dòng)態(tài)地調(diào)整資源分配方案，提升遠(yuǎn)海通信網(wǎng)絡(luò)性能；最后，面向如應(yīng)急救援和海洋牧場(chǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，可采用衛(wèi)星和海上遠(yuǎn)距離多跳傳輸?shù)确椒▽?shí)現(xiàn)海上信息跨海域的互聯(lián)互通，為應(yīng)急響應(yīng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供快速有效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

圖7 未來(lái)海上無(wú)線組網(wǎng)架構(gòu)Fig.7 Network architecture for future maritime communication networks

3.6 未來(lái)海上感知-傳輸-計(jì)算一體化技術(shù)

在海上無(wú)線傳輸方面，傳統(tǒng)傳感器中如數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、內(nèi)存等器件可以與通信設(shè)備中的相應(yīng)器件合為一體化的模塊，以此降低能耗及信號(hào)處理時(shí)延。如圖8所示，海上平臺(tái)、船舶以及浮標(biāo)等通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配備此類(lèi)感知-傳輸一體化的模塊，可通過(guò)對(duì)自身和周?chē)盘?hào)的接收，分析信號(hào)的時(shí)延、路損以及信噪比等數(shù)據(jù)，感知船舶所處的位置和周?chē)h(huán)境參數(shù)等信息。此外，通過(guò)將通信-感知一體化模塊與具有計(jì)算能力的微處理器相連，結(jié)合自身的業(yè)務(wù)需求利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可計(jì)算出以當(dāng)前用戶體驗(yàn)最優(yōu)化為目標(biāo)的資源配置方案，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地為其配置最優(yōu)的通信系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和通信協(xié)議參數(shù)，實(shí)現(xiàn)性能和頻譜利用率的提升。此過(guò)程中，海上通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)感知信息的計(jì)算，獲得當(dāng)前通信的最優(yōu)方案(感知-計(jì)算增強(qiáng)傳輸)；并且通過(guò)對(duì)大量通信信號(hào)的特征提取而得到少量的感知信息，又可以減輕計(jì)算的負(fù)擔(dān)(感知-傳輸增強(qiáng)計(jì)算)；同時(shí)，通過(guò)計(jì)算所得的當(dāng)前最優(yōu)通信方案可進(jìn)一步提升接收信號(hào)的質(zhì)量，提升信息感知的精度(傳輸-計(jì)算增強(qiáng)感知)。然而，如何設(shè)計(jì)低功耗的感知-傳輸-計(jì)算一體化模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上重要環(huán)境和態(tài)勢(shì)信息的精確感知，以及設(shè)計(jì)與感知信息交互的機(jī)器學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的優(yōu)化感知-傳輸-計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)海上網(wǎng)絡(luò)自主管控和海上通信系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化升級(jí)仍然是一個(gè)值得探索的研究方向。

圖8 海上感知-傳輸-計(jì)算一體化技術(shù)Fig.8 Illustration of the concept for maritime sensing-communications-computingtechnology

在海上無(wú)線組網(wǎng)方面，如圖8所示，船舶、海上平臺(tái)以及浮標(biāo)等節(jié)點(diǎn)可配置感知-傳輸-計(jì)算一體化的靈巧型霧無(wú)線基站，實(shí)現(xiàn)海上智能化分布式組網(wǎng)。其中，通過(guò)對(duì)其周?chē)h(huán)境和多維度態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的感知結(jié)果，獲得附近海域其他用戶的業(yè)務(wù)需求、虛擬資源池以及位置航向等信息，利用相關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到資源調(diào)度、路由選擇以及接入切換等影響海上通信網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)解[16-18]。例如，船上靈巧型霧無(wú)線基站可通過(guò)對(duì)周?chē)h(huán)境中各時(shí)間-頻段-空間資源塊內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的感知，利用虛擬化技術(shù)得到虛擬資源池中各資源塊的占用情況，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲得當(dāng)前及未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)可用的資源塊，并將其分配給船上有不同業(yè)務(wù)需求的用戶，有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。此過(guò)程中，霧無(wú)線基站用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)輸入的感知信息計(jì)算獲得的資源分配方案有效地提升了海上網(wǎng)絡(luò)性能(感知-計(jì)算增強(qiáng)傳輸)；同時(shí)，資源塊內(nèi)通信信號(hào)的感知所獲得的該資源塊是否被占用這種僅由1 bit即可表示的低維度結(jié)果代替原有的高維度無(wú)線信號(hào)作為資源分配算法的輸入，極大地減輕了霧無(wú)線基站的計(jì)算負(fù)擔(dān)(感知-傳輸增強(qiáng)計(jì)算)；最后，計(jì)算所得的最優(yōu)資源分配方案可極大地降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的干擾，提高后續(xù)各資源塊內(nèi)信號(hào)感知的精度(傳輸-計(jì)算增強(qiáng)感知)。

綜上所述，未來(lái)海上感傳算一體化將在未來(lái)海上先進(jìn)傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)發(fā)掘感知維度、傳輸維度和計(jì)算維度上的融合性技術(shù)，進(jìn)一步提升海上無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)海上智聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先回顧了現(xiàn)有海上無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)，通過(guò)對(duì)比不同系統(tǒng)業(yè)務(wù)類(lèi)別及性能分析，總結(jié)了現(xiàn)有海上無(wú)線傳輸技術(shù)存在的系統(tǒng)繁雜及操作難度高、傳輸速率低、通信鏈路易中斷以及網(wǎng)絡(luò)制式單一等問(wèn)題，闡明了現(xiàn)有海上無(wú)線通信技術(shù)難以滿足未來(lái)高速、快速以及靈活適配不同業(yè)務(wù)的需求。

針對(duì)海上空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)及業(yè)務(wù)需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，結(jié)合現(xiàn)有通信領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)，討論了未來(lái)海上毫米波和太赫茲傳輸以及海上業(yè)務(wù)自適應(yīng)編碼調(diào)制方法的難點(diǎn)、痛點(diǎn)問(wèn)題，提出了基于通信-感知一體化的未來(lái)海上新波形和新型多址接入技術(shù)。在上述未來(lái)海上關(guān)鍵傳輸技術(shù)的支撐下，進(jìn)一步提出了近海中心化控制與遠(yuǎn)海分布式控制相結(jié)合的彈性組網(wǎng)方法。最后，為了突破海上傳輸及組網(wǎng)瓶頸問(wèn)題，提出了未來(lái)海上感知-傳輸-計(jì)算一體化技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建感知維度、傳輸維度和計(jì)算維度上的融合性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)海上智聯(lián)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。海上無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展可以有效推動(dòng)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益有著重要的意義。