徐涴砯，姜勝明

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引言

海洋通信網(wǎng)絡(luò)按照基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的地點(diǎn)、資源和環(huán)境組成可劃分為四部分：海岸、水面、天空和水下[1]。由于海洋環(huán)境的特殊性，海洋中需要部署大量航標(biāo)、燈塔、浮標(biāo)傳感器等，以支持船舶定位、搜救、航運(yùn)、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用，因此海洋通信場景包含大量的機(jī)器類型通 信 場 景（MTC,Machine-type Communication）[2]?；诖?，國際海事組織（IMO,International Maritime Organization）提出海洋物聯(lián)網(wǎng)（MIoT,Maritime Internet of Things）的概念。隨著信息技術(shù)與海洋經(jīng)濟(jì)的共同發(fā)展，海洋物聯(lián)網(wǎng)概念被拓展，泛指依賴機(jī)器類型通信系統(tǒng)的船舶與海事設(shè)備間的交互技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)部署的海事設(shè)備，以提供泛在連接，推動安全、高效、綠色、智能的海洋經(jīng)濟(jì)。為適應(yīng)海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)對智慧海洋通信需求，海洋物聯(lián)網(wǎng)的需求逐步朝高帶寬和低時延發(fā)展。例如，得益于控制科學(xué)與信息技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)、無人船、自主水下航行器等設(shè)備在海洋探測、遙控運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢逐步展現(xiàn)。由于作業(yè)過程可通過遙控實(shí)現(xiàn)，這類無人系統(tǒng)使得海上作業(yè)更為安全高效，同時也節(jié)省了人員海上作業(yè)所帶來的額外開銷與風(fēng)險，對發(fā)展低風(fēng)險、低能耗、輕污染的綠色海洋經(jīng)濟(jì)有著促進(jìn)作用[1]。

實(shí)現(xiàn)未來海洋物聯(lián)網(wǎng)的前提是能提供穩(wěn)定、可靠的寬帶通信系統(tǒng)。目前，第六代移動通信系統(tǒng)（6G）的技術(shù)研發(fā)業(yè)已開啟，全球無縫覆蓋的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)（Space-Air-Ground-Sea Integrated Network）的愿景被提出，與未來海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向不謀而合。未來海洋物聯(lián)網(wǎng)可分為近岸通信、高位海洋通信和遠(yuǎn)洋通信[3]。前者主要依靠陸基無線網(wǎng)絡(luò)來延伸對海洋的覆蓋；后兩者需要長距離的高速無線技術(shù)支持，如衛(wèi)星和無人機(jī)載通信。因此，最大程度地將陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)覆蓋向海洋延伸，并結(jié)合衛(wèi)星系統(tǒng)或空基無線基站完成信號覆蓋補(bǔ)盲，是一種可行的空天地海一體化覆蓋方案[4]。未來海洋物聯(lián)網(wǎng)如圖1 所示：

圖1 未來海洋物聯(lián)網(wǎng)

雖然衛(wèi)星與無人機(jī)載基站輔助下的海洋物聯(lián)網(wǎng)通信在延伸信號覆蓋和速率提升兩方面都頗具潛力，但由于這類通信方案需要前期投入與后期維護(hù)，成本開銷大，廣泛商用前景仍有待商榷。事實(shí)上，根據(jù)人類在海洋的活動范圍，離岸100 公里區(qū)域內(nèi)存在大量的海洋通信需求，這些需求仍有大部分未達(dá)到足夠帶寬和時延要求。目前，針對這些需求的較有效解決方案是海上用戶通過沿岸部署的通信基站，依靠Wi-Fi、WiMAX 和LTE 系統(tǒng)接入陸地核心網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換，這類方案通?？梢灾С蛛x岸數(shù)十公里內(nèi)用戶下行兆比特每秒的傳輸速率[5]。然而，由于海洋地理環(huán)境的限制與顯著的信號衰減，為了獲取一定的傳輸性能，岸基信號覆蓋較陸地覆蓋需要更大的發(fā)射功率。

智能反射面（IRS,Intelligent reflecting surface）是一種由大量的低值可重構(gòu)無源元件組成的平面陣列，可以通過使入射信號產(chǎn)生相移，改善反射信號的傳播[6]，整個過程無需基帶與射頻處理的參與[7]。由于智能反射面結(jié)構(gòu)輕薄、成本可控且低功耗，若將其搭載在船舶、無人機(jī)等作為中繼通信節(jié)點(diǎn)，以改善岸基基站與近海用戶間的信號傳播性能，可較低成本實(shí)現(xiàn)岸基無線信號的覆蓋區(qū)域[8]。目前，基于智能反射面的通信技術(shù)研究主要集中在陸地?zé)o線通信場景，包括智能反射面的直接信息調(diào)制技術(shù)與基于智能反射面的無線中繼技術(shù)[9]。研究表明，智能反射面通過調(diào)整無線信道環(huán)境，可以主動改善通信設(shè)備間無線傳播環(huán)境，在提高陸地移動通信系統(tǒng)傳輸速率、覆蓋范圍以及能量效率方面存在巨大潛力[6-10]。然而，海洋通信環(huán)境與陸地有很大的不同，將智能反射面應(yīng)用于海洋物聯(lián)網(wǎng)需要結(jié)合海洋信號傳播特性與組網(wǎng)方式作相應(yīng)的技術(shù)研究。

本文以拓展岸基無線通信系統(tǒng)對近岸海洋作業(yè)用戶覆蓋性能為出發(fā)點(diǎn)，簡要綜述基于智能反射面在海洋物聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用前景以及未來技術(shù)研究方向與挑戰(zhàn)。

1 智能反射面輔助的海洋物聯(lián)網(wǎng)

1.1 海上無線通信信道

海上無線通信信道主要包括空對海、近海表面信道兩種[11]，其信號傳播主要受到長通信距離、海浪運(yùn)動、海面蒸發(fā)波導(dǎo)和海面曲度等海洋特殊地理水文環(huán)境的影響。此外，因海面通信節(jié)點(diǎn)分布稀疏造成的海面散射體的稀疏性，以及節(jié)點(diǎn)因海面運(yùn)動所造成的信道時變非平穩(wěn)性，也是影響信號傳輸?shù)闹匾蛩亍?/p>

從信號傳輸路徑來看，海上信號傳輸主要由視距傳輸路徑（LOS,Line of Sight）和海洋表面反射路徑（Surface Reflection Path）組成，當(dāng)海上信號兩端天線海拔較低時，還需要考慮信號散射路徑效應(yīng)（Scattered Weak Paths）。因此，海洋信道模型可以根據(jù)發(fā)射端的高度分為球形地面雙路徑模型（CE2R,Curved-Earth Two-Ray Transmission Model）[12]和三徑模型（Three-Ray model）[13]。其中，雙徑模型描述空對海通信，主要特征為信號發(fā)送機(jī)所在位置海拔較高，信號兩端通信距離長，主要考慮直射徑與反射徑，適用于衛(wèi)星對海、無人機(jī)對海等場景。

相比之下，船只間通信、岸基對海通信等場景通信環(huán)境更為貼近海面，不可忽略海浪運(yùn)動和海洋表面波導(dǎo)效應(yīng)影響。此類近海表面信道模型一般使用三徑模型描述，即除了直射徑與反射徑外，需進(jìn)一步描述散射路徑效應(yīng)的影響。此外，散射路徑的存在還依賴于接收機(jī)天線高度、載波頻率和海面物體數(shù)量（如船舶、礁體、鉆井平臺等）等參數(shù)[13]。通過測量[12]，在5.7 GHz 載波頻率下，散射路徑的存在概率為8.5%，隨著接收機(jī)天線高度增加，散射路徑的存在概率會相應(yīng)減小。海上無線通信信道特性總結(jié)具體如表1 所示：

表1 海上無線通信信道特性總結(jié)

1.2 IRS輔助的海洋物聯(lián)通信技術(shù)

針對近岸海上物聯(lián)通信場景，一種經(jīng)濟(jì)的寬帶通信實(shí)現(xiàn)方案是通過增加中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，拓展岸基覆蓋范圍，提升系統(tǒng)容量。這類中繼網(wǎng)絡(luò)無需預(yù)先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，其結(jié)構(gòu)大多都具有自組織性和自愈能力，能夠快捷部署，適合動態(tài)海洋網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[14]。然而，海面上沒有穩(wěn)定的地方可以用來部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，中繼通信節(jié)點(diǎn)通常部署在海上船舶、浮標(biāo)或者使用無人機(jī)搭載。由于主要依靠電池通信，這些節(jié)點(diǎn)對通信能效要求較高。

IRS 是通過集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線傳播環(huán)境，從而提高無線通信網(wǎng)絡(luò)性能[15]。IRS 輔助的無線系統(tǒng)類似于協(xié)作中繼系統(tǒng)，但在物理實(shí)現(xiàn)方面，IRS 無需射頻鏈路和有源天線的參與，更易實(shí)現(xiàn)且能耗小、電磁污染少，適合應(yīng)用于對能效和成本要求較高的海上無線中繼網(wǎng)絡(luò)。此外，相比大型陣列天線、中繼站等通信節(jié)點(diǎn)，IRS 更為輕便且部署簡單，可以靈活地安放在無人船舶、無人機(jī)上。IRS 是一種用于改善無線信號傳輸環(huán)境的智能控制技術(shù)，具有改善海上無線通信環(huán)境的潛力，在未來6G 通信網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮特別重要的作用[16-17]。下面介紹三種IRS 輔助的海洋物聯(lián)通信場景：

場景1：IRS 輔助的海上通信增強(qiáng)場景

IRS 可以用來增強(qiáng)海上傳輸信號。針對岸基基站信號覆蓋范圍有限場景，可以通過在近岸船舶或無人機(jī)上架設(shè)IRS，通過智能表面的電磁單元調(diào)節(jié)基站發(fā)射信號相移，使其可以與其它路徑傳播的信號在接收機(jī)疊加后增強(qiáng)離岸用戶的接收信號質(zhì)量[18]。

大規(guī)模天線陣列技術(shù)（Massive MIMO）可用于滿足一些高帶寬海洋應(yīng)用場景的需求[19]。但是，由于Massive MIMO 工作在高頻，支持高傳輸速率的同時無法同時滿足近海廣覆蓋的要求，因此目前僅能支持特定高速率場景應(yīng)用[19]。將IRS 與傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)結(jié)合，除了擴(kuò)展高頻信號的傳輸距離，還能夠克服收發(fā)天線數(shù)量增加帶來的成本和功耗增大問題。由于IRS 只反射或折射入射信號，不需要具備射頻鏈路，降低了硬件復(fù)雜度，與傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)結(jié)合可以形成一種有潛力的Massive MIMO 2.0[16]。IRS 輔助的船基無線通信系統(tǒng)如圖2 所示：

圖2 IRS輔助的船基無線通信系統(tǒng)

場景2：IRS 輔助的海上D2D 通信場景

D2D（Device to Device）通信技術(shù)支持兩個對等的通信節(jié)點(diǎn)在一定距離范圍內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)通信而無需接入核心網(wǎng)。在陸地移動通信系統(tǒng)中，D2D 技術(shù)常被用于蜂窩系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)卸載。海洋物聯(lián)網(wǎng)也存在大量D2D 通信場景，如海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)、無人船/ 機(jī)間通信等。雖然海上通信節(jié)點(diǎn)主要通過視距傳輸，有利于D2D 通信，但由于節(jié)點(diǎn)分布稀疏且節(jié)點(diǎn)間信道狀態(tài)變化快，不利于節(jié)點(diǎn)間信道狀態(tài)信息的估計(jì)與鏈路建立[12]；若通信節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域信號覆蓋不穩(wěn)定，將增加D2D 通信鏈路的建立和維護(hù)的難度。

在基于D2D 通信的海洋物聯(lián)網(wǎng)中部署智能反射面，通過調(diào)節(jié)入射信號相位等傳輸參數(shù)來改善節(jié)點(diǎn)間信號傳播，有助于改善設(shè)備間的通信環(huán)境，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸能力。此外，智能反射面不同無源反射點(diǎn)支持獨(dú)立調(diào)節(jié)入射信號，可以支持反射區(qū)域內(nèi)大規(guī)模低速D2D 通信場景[20]，適用于由大量航標(biāo)、浮標(biāo)傳感器等組成的低速海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信需求。

場景3：IRS-MIMO-NOMA 近岸傳輸場景

在近岸Massive MIMO 傳輸系統(tǒng)中，空分多址接入技術(shù)（SDMA,Spatial Division Multiple Access）通常被用于為各方空間波束上的用戶提供接入服務(wù)。作為一種正交多址接入技術(shù)，SDMA 能提供的用戶接入數(shù)量由傳輸資源模塊的數(shù)量決定。非正交多址接入技術(shù)（NOMA,Nonorthogonal Multiple Access）可在單個傳輸模塊中，通過多用戶疊加傳輸技術(shù)提升頻譜復(fù)用率，被認(rèn)為是一種能夠借助資源分配改善傳輸效率與公平性的多址接入技術(shù)[21]。

理論上，將NOMA 代替SDMA 為MIMO 系統(tǒng)用戶提供服務(wù)，能增加單波束上的服務(wù)用戶數(shù)量，繼而提升系統(tǒng)頻譜效率。然而，NOMA 技術(shù)下頻譜效率的增加有一個重要的前提，即NOMA 接入的各用戶的信道狀態(tài)向量（Channel State Vector）需同向[22]。在傳統(tǒng)無線傳輸系統(tǒng)中，用戶信道狀態(tài)向量由傳播環(huán)境決定，這很大程度上限制了NOMA 技術(shù)的性能。將IRS 與NOMA 結(jié)合，可通過改變信道傳播環(huán)境以矯正同傳輸資源塊中的各NOMA 用戶的信道狀態(tài)向量方向，繼而進(jìn)一步提升下行MIMO-NOMA 系統(tǒng)頻譜利用率[23]。因此，在場景1 的基礎(chǔ)上應(yīng)用NOMA 技術(shù)，理論上能夠提升近岸用戶接入數(shù)量，從而提升頻譜效率。

2 尚需研究的問題

（1）IRS 信道建模與系統(tǒng)性能評估

IRS 不能簡單地抽象成某一個通信節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)有的智能反射面信道模型主要采用3GPP 和ITU 的傳統(tǒng)無線信道模型，并不適用于描述IRS 信道。此外，IRS 的相位響應(yīng)也被簡化為對角陣，缺少實(shí)測數(shù)據(jù)的支撐。因此，未來需要對IRS 與發(fā)射/ 接收端節(jié)點(diǎn)間的信道特征分析、建模與驗(yàn)證測試。特別地，IRS 的信道特征受到發(fā)射/ 接收端節(jié)點(diǎn)和部署位置的影響，必要時需要使用空間建模來準(zhǔn)確地評估系統(tǒng)性能[24]。海洋通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)動態(tài)性強(qiáng)，這對IRS 的信道建模與系統(tǒng)分析的準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn)。

（2）信道估計(jì)與反饋機(jī)制

獲取實(shí)時、準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，是IRS 改善信號傳播特性、獲得理想性能的前提。然而，IRS 不具備自主進(jìn)行信道估計(jì)的能力，同時反射單元的無源特性及其龐大的數(shù)目都是IRS 獲取準(zhǔn)確信道估計(jì)的主要障礙。對于典型的IRS 輔助的下行無線傳輸場景，信道估計(jì)由基站完成，然后基站將估計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)送給IRS 處的控制器，由控制器依據(jù)所得信息調(diào)整反射單元相移[25]。在海洋通信場景中，信道估計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸無需大帶寬，可以使用海事無線電等窄帶、廣覆蓋的通信系統(tǒng)完成。但如需獲得實(shí)時、準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，勢必需要短時間內(nèi)頻繁更新數(shù)據(jù)，當(dāng)移動用戶較多時，信道估計(jì)負(fù)擔(dān)就會很沉重。因此，對于節(jié)點(diǎn)移動性高的海洋通信網(wǎng)絡(luò)，在滿足一定準(zhǔn)確度下的高效信道估計(jì)是發(fā)展IRS 協(xié)助的海洋無線通信系統(tǒng)的另一個挑戰(zhàn)。

（3）IRS 在海上無線系統(tǒng)中的部署

IRS 的信道傳播環(huán)境的重配置能力與其同發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的相對位置密切相關(guān)，其部署方案的獲取需參考IRS與接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的3D 相對位置模型[6]。此外，由于海洋地理環(huán)境的限制，可供IRS 固定部署的位置有限，若要廣泛應(yīng)用，需考慮IRS 作為海上移動輔助通信節(jié)點(diǎn)時，其部署位置變化對系統(tǒng)性能和資源調(diào)度等方面造成的影響。

3 結(jié)束語

隨著6G 移動通信技術(shù)研究在全球范圍內(nèi)的廣泛開展和空天地海一體化覆蓋技術(shù)的研究成果涌現(xiàn)，IRS 技術(shù)有望在未來海洋寬帶通信中發(fā)揮作用。本文針對海洋物聯(lián)網(wǎng)通信場景，探討了智能反射面技術(shù)在改善海上無線信號傳播及增強(qiáng)其覆蓋方面的應(yīng)用潛力，并簡要討論了IRS輔助下的海上通信應(yīng)用可能及挑戰(zhàn)。