面向海洋世界的6G通信丨Engineering
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第1期
作者：马远良，张群飞，王宏磊
来源：6G: Ubiquitous Extending to the Vast Underwater World of Oceans[J].Engineering,2022,8(1):12-17.
编者按
随着人类活动的足迹不断向海洋深处延伸，海基通信网络技术创新的重要性日益显现。海水是导电介质，对于海洋通信而言，寻找用于传输信息的载体至关重要，目前来看，声波仍是最好的选择，优于无线电波、低频电磁波和光波。20世纪以来，科技工作者在海基通信网络方面已实现诸多科技突破，在此基础上，随着通信技术领域的不断进步，尤其是6G的研发，将为海基通信网络的创新发展带来新的机遇。
中国工程院马远良院士研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年第1期发表《6G无处不在——向广袤海洋的水下世界延伸》一文，提出了未来水下世界6G研发的空-面-潜一体化海基网络构想。文章在全面回顾实际需求、瓶颈制约、物理发现、科技突破和跨学科整合的基础上，总结和分析了海洋无线通信的现状和潜力。文章讨论了未来的发展构想和关键环节，如信道特性的充分利用、多样化移动平台的发展、通信网络的组织结构等，并对于每个关键方面，都对应用场景进行了深入分析和讨论。结合无线电和声学通信的优点，提出了在海洋和大气之间建立“数据桥梁”的新概念，并提出了可行方法。文章分析表明，通过数据桥梁实现大气-水面-海底网络的统一是可行的。
一、引言
对于无线电波的传输，有一个巨大的鸿沟横亘于大气空间和水下空间之间。空气与海水之间的界面（简称水空界面）是一个隔离无线电波跨界面进入海水的天然屏障。因为海水是导电介质，电波在其中会有很严重的衰减。导致的结果是，在广袤海洋的水下世界，至今还没有互联网、没有移动通信、没有高质量视频，甚至就连远距离的双向无线通信也几乎不存在。这真是莫大的悲哀，因为海洋面积占据着地球表面积的71%，并对经济、生态，以及人类生存环境至关重要。
令人奇怪的是，人类在地球和月球乃至火星之间，已经完成了信号和图像的往返传输，但对于近在咫尺的海洋却做不到。同样，对于深地空间也不行。不得不承认，传输介质的物理约束给我们带来了巨大的困难。
在过去一百多年中，人们付出了巨大的努力，企图找到有利于海水中用于传输信息的载体。目前来看，声波仍是最好的选择，它优于无线电波、低频电磁波和光波（这三种信息载体在某些特定场景下存在优势）。为说明问题，这里给出一个典型的例证——不同载体在海水中传播时介质吸收和散射衰减量：1 kHz特低频电磁波（ULF, 300 Hz~3 kHz）传播100 m的衰减量为110 dB，蓝绿激光传播100 m的衰减量为15.5~50.0 dB；而对于1 kHz的声波传播100 km的衰减量仅为7 dB。也就是说，如果三种载体的传播途径完全存在于海水中的话，声波的传播距离将高出其他两种载体1000倍以上。
因此，当讨论海水中的通信与网络时，我们主要关注的是水声技术，既包括水声物理学涉及的基础理论，也包括水下传感器网络和声呐涉及的工程技术。电磁波、光波以及诸如生物学、放射学、水动力学等其他方法，只能作为水声技术的补充。
二、海洋信息科技创新的需求牵引
经济学家揭示出创新的规律为需求牵引和发展推动。需求牵引涉及人的需要、市场需要所带来的机会，而发展推动涉及科学发现、技术进步带来的机会。来自海洋工业和经济的需求是巨大的（图1），请看以下数据。
图1. 海洋技术创新的需求数据。（a）过去50年国际海洋贸易的发展。该数据来自联合国贸易和发展会议。（b）当前的海洋能源部署和累计装机容量。目前所有海洋能源技术的累计装机容量约为5.4 × 108 W。该数据来自国际可再生能源机构。
全球船舶运输方面，2018年的货物运输量为1.1 × 1010 t，相当于全球平均每人1.4 t。造船工业、港口管理、运输安全与安保、“一带一路”建设工作等刺激着电子商务、物联网、区块链和人工智能的发展。
油气和矿物资源（包括锰结核、可燃冰等）的勘探与开采承载着巨大的海洋贸易与工业，刺激着海洋监测与生产的自动化、机器人、水下监视以及水-空数据传输等技术的发展。
海洋水产包括海洋牧场、捕鱼业，规模巨大，为人们提供丰富的营养。例如，全球每年的捕鱼量约为8 × 1010 kg，相当于每人10 kg。海带是世界上生长最快的植物，在3个月里可长到3~4 m长。海水养殖还能提供海参、牡蛎等美食。养殖业和捕捞业刺激着水质监测、鱼群探测、定位与渔获量评估等技术的发展。
海上可再生绿色能源的开发，如风能发电是迅速发展的新兴工业。为避免对于沿海人口密集区的干扰，风能发电站通常建设在离岸几十甚至几百公里的水域。考虑到恶劣的海上环境，必须采用先进的机械和数字化工程技术才行。
跨越各大洲的海底电缆支撑着全球的信息服务，是一个规模宏大的有线数据传输网络系统。当前，全球约有378条海底光缆，总长度为1.2 × 106 km，支撑着99%的跨洋信息传输。目前最先进光缆的传输能力可达到200 Tb⋅s-1。海底光缆的建造和持续维护都很昂贵和困难，需要专门的技术支撑；同时还要保持其正常工作，防止间谍偷听和信息泄露。
海洋科学技术以及人类生存环境和防务技术的研究与开发。海洋的气-热交换、大气环流和海水环流影响着天气的变化、气候的改变（温室效应）以及地球灾害的发生。例如，洪灾、台风、飓风、地震、山林火灾等导致地球上许多突发事件的发生。海洋污染、海水酸化、海洋生态保护（特别是生物多样性和海洋生物的保护）以及反走私、反偷渡等问题对科技研发提出了新的挑战。至于防务方面，各种舰船，如航母、高速气垫船、潜艇、自主水下航行器、船载无人机、各种传感器、多种多样的水下武器和军用的C4ISR（command, control, communications, computers, intelligence, surveillance, and reconnaissance）设施，已形成大规模的海洋军工产业。
本文并非要深入讨论海洋工业和经济发展需求的所有方面，而是要表明海洋经济的多样性和巨大规模，以及由此带来的技术创新的巨大需求。这对于当前第五代（5G）移动通信技术和未来第六代（6G）移动通信技术的科技创新的需求是强烈和务实的。
三、海基通信网络的创新发展机遇
海基通信网络可以划分为几个大不相同的类别：第一类是有线网络系统，包括海底电缆网络系统、舰船及港口光纤网络系统；第二类是水面无线电通信网络系统，包括水面上方各种通信平台构成的网络系统，用于连接水面舰船、浮标、无人水面航行器、空中飞行器、沿海基站和通信卫星等；第三类是非声通信系统和网络，包括激光和电磁波远程通信（一个非常重要的例子是极低频和特低频远程指令传输系统）；第四类是水声通信系统和网络。前三类与陆基通信系统是类似的，相关的科技成果可通过其他领域得到。本文强调的重点是第四类，即水声通信系统和网络，尤其是以无线、移动水声通信系统为主。
20世纪初以来，科技工作者在海基通信网络方面付出了极大的努力，尤其是针对两次世界大战以及美苏对抗带来的紧急需求。在此期间获得了许多科学发现和技术突破，但是根本性的困难仍然有待解决。未来海基通信网络领域创新发展的推动力必将来源于这些长期积累的科学发现与技术进步，连同海洋经济发展需求的牵引，形成强大的创新动力。
（一）数据率与距离和频率紧密关联
声波在海水中的衰减与频率的增大呈指数关系，因此远距离使用时必须采用低频率。这样导致的结果是，可用带宽随频率的降低而降低，数据率也相应降低。也就是说，近距离水声通信时选择较高频率，可以得到较高的数据率；而远距离通信时选择较低的频率，数据率相应降低。麻省理工学院（MIT）的Daniel B. Kilfoyle和Arthur B. Baggeroer在21世纪初曾归纳出一个规律，即水声通信系统的性能包络（performance envelope）可以近似表示为：距离与数据率的乘积约等于40 km⋅kbps (kbps: kilobit per second)。需要指出的是，当时的频谱效率较低。近年来伴随着频谱效率的提高而作出修正，可达到距离与数据率乘积等于100~200 km⋅kbps。
（二）浅海声传播信道的复杂性
声信号在海水中的传播速度依赖于介质中不同深度上电导率（盐度）、温度和深度（简称CTD）分布的改变。声速沿深度的分布称作声速剖面（sound speed profile, SSP），它的非定值性导致声折射，并使传播路径弯曲。CTD受到地理位置、季节、气象和水文条件的严重影响。这些因素伴随着水深、海面风浪和海流而改变，导致浅海声传播呈现出时-空四维变化的特点。声传播过程中，粗糙海面引起多途衰落，复杂海底地形和底质的物理成分影响信号的反射和信道的频域特性，使得信号出现频域和时域扩展以及传播损失的显著变化。由于浅海和近岸水域在工业和军事领域的重要性日益提高，浅海水声学的研究极受重视。主要考虑三个方面：首先是声场建模与预报；其次是CTD的实时感知、海面数据的卫星遥感以及与历史记录的数据同化；最后是浅海近距离水声通信、目标成像以及自组织水声网络的构建。当前，浅海水声学研究已经取得了一些进展，但是为寻求普遍可用的、可靠的解决方案，还有许多问题有待进一步研究。
（三）远距离传播的深海声道的发现
20世纪初，美国和苏联的科学家几乎同时发现，在深海中有一个深度（称之为声道轴），其声速有最小值。在这个深度附近形成深海声道（deep sea acoustic channel），声波沿着该声道可传播到很远的地方。在深海声道中，由于传播衰减远小于其他区域，故通信距离可达数千公里。在中纬度地区，声道轴的位置大约在1000 m深度上，并随纬度的升高逐渐变浅。由于海洋表层的扰动不影响深处的声速分布，深海声道现象是非常稳定的。然而，深海声道的应用迄今仍然有限，究其原因可能是大深度带来的工程技术上的困难（水密要求大于100个大气压）、甚低频大功率发射换能器的缺乏，以及作为一种公共通信信道面临的安全问题等。鉴于远距离应用的潜在优势，以及近年来相关领域的技术进步，深海声道在未来的开发利用是大有希望的。
（四）可靠声路径值得大力研究
近几十年来，另一种深海信道受到密切关注，即可靠声路径（RAP）。这个路径从靠近海面的某个声源深度开始，延伸到位于声道轴另一侧的共轭深度（该位置处声速与声源处相等）附近为止，该深度通常接近海底。工作在（或低于）共轭深度的接收-发射装置可获得非常稳定的信号传输、很低的环境噪声以及较小的传输损失。更为重要的是，在其上方不形成声影区（shadow zone）——当声源深度较浅（小于300~500 m）时，其发射的声波由于负折射而向下弯曲，因而在较浅的深度上传播距离反而很近，就会形成声影区，使直达声的探测距离局限于几公里以内。显然，水声传感器应避免放置在声影区。将传感器置于靠近海底的共轭深度（声源位于海面时的共轭深度叫做临界深度）附近的优越性十分明显，它利用可靠声路径使直达声观测区域扩大，当声源位置距海面不远时可靠声路径的有效半径可达到30 km左右（中纬度地区）。中国和美国的科学家做了许多关于可靠声路径的研究工作，得到了许多令人鼓舞的结果。
这里还要提到另一种深海水声传播现象，即声会聚区（convergence zone）。它是由于声波在水体中往复地上下弯曲折射而形成的。如果不触及海底，所能达到的最大深度在共轭深度附近。如此往复循环，形成一系列的会聚区。会聚区是有会聚增益的，由于多途汇聚的聚焦作用而产生，对信号的增强作用可达5~10 dB，第一会聚区的宽度为3~5 km。会聚区之间的跨度为50~60 km（中纬度地区），随着会聚区序号上升，汇聚效应逐渐减弱，会聚宽度则呈扩展之势。其实在接近海底的共轭深度附近也会形成会聚区，也有会聚增益。可靠声路径水声通信正好可以利用会聚增益，进一步扩大连接范围。
（五）海面、水下和空中的运动观测平台爆炸式涌现
人类在广袤海洋上的活动是稀疏的。与陆地通信网络不同的是，海洋通信网络没有连续不断的供电，无法对链路随时进行人工干预，也不可能像在陆地上一样将通信基站密集地布满整个海洋。这就是为什么需要构建移动通信平台。这就好比在国境线上，由于条件不允许建立密集分布的固定岗哨，就用资源耗费较少的流动岗哨替代，不失为切合实际的好办法。所以我们认为，在广袤的大海上，应以大量的低成本移动平台为主，辅以少量的固定平台，构建海洋通信网络的基础设施。所述移动平台，应具有廉价、节省能源、尺寸重量适度、可靠性高、环境友好以及便于布放的特点。在过去十多年中，满足上述要求的大批创新性移动平台连同相应的传感器已经大量涌现。
在海面上，除了传统的锚系浮标和各种航船外，新近出现了波浪滑翔器、风能或波浪能推进的无人船、自主水面航行器、自移动浮标等新型无人平台。其中波浪滑翔器和风能/波浪能推进无人船收集海洋能用于航行，可在海上续航数月，甚至连续航行上万公里；也可使之悬浮于某个固定位置附近。这就特别适合用作海面的接入点或者中继通信节点。还有一种舰船拖曳的传感系统值得注意，那就是行进式CTD（U-CTD），它伴随着带拖曳导线的船只向前航行，将盐度-温度-深度传感器探头放入水中，并同步地释放导线使探头保持在入水位置下方不变。待测得预设深度的温度、盐度、深度数据后，随船收拢到船尾附近，再进入下一个循环测量周期。
在水体中，有Argo浮标、有人或无人的水下航行器（自主水下航行器和线控水下航行器）、漂流浮标、锚系浮标、水下机器人以及某种多功能的海底自主观测站。海底自主观测站可执行可靠声路径监测、载荷释放（上抛信标或释放武器）、数据交换以及电池充电等功能。所以自主观测站对于水下感知、通信和数据链的构建十分重要，具有类似陆地移动通信基站的功能。
在海面的上方，有无人机、直升机、飞机和卫星。甚至某些飞行器可以潜入水中，也可以跳出海面。它们具有十分优越的适合无线电信号传输的环境条件，所以必然可与海面移动节点相结合，成为水声世界连接到全球无线电世界的第一站。有一个非常重要的因素需要指出，无线电信号传播1600 km只有约5 × 10-3 s的时延，而水声信号的相应时延高达1000 s之多。这个事实清楚地表明，水下路径与空中路径的联合运用，在海洋无线移动网络的构建中应被给予优先考虑的地位。
四、构筑“数据桥梁”，突破空海界面的传输屏障
考虑到水声信道的低数据率和高时延特性，一旦获得水声信号应尽快将其转变为无线电信号送入到大气电波信道之中，不失为明智之举。但是怎样做到这一点呢？我们的建议是构筑“数据桥梁”（data bridge）。那么构筑很多的桥梁可行吗？我们的答案是：为了经济合算，要尽量把通信和数据传输的距离提高到中远距离，也就是几十公里至几百公里，这样桥梁的数量可以大大减少。海基通信网络不可能像在城市地区那样，通信基站的空间间隔只有1~2 km，对于5G和6G网络这个间隔变得更小。海基通信网络必然是稀疏和异质的。
（一）中/远距离水声通信的研究进展
在过去十余年中，有一些深海水声通信实验，揭示出中/远程通信的发展潜力。美国加利福尼亚州外海的一次实验，使用1 kHz中心频率和两只接收水听器，在200 km距离上达到了1000 bps（bits per second）的数据率。数据率与距离的乘积高达200 km⋅kbps，超过了上述40 km⋅kbps的限制。另一个实验采用二进制相移键控（binary phase shift keying modulation, BPSK）调制和虚拟时间反转信道均衡技术，基于100 Hz频带宽度（450~550 Hz），在1000 km距离上得到了100 bps的数据率。关于深海声道的水声通信，采用位于声道轴（1000 m深度）附近的固定声源发射和水听器垂直线列阵接收，在600 km距离上，得到400 bps的数据率，其频谱效率达到4 bps⋅Hz-1。还有一个海盆尺度的实验，采用双相键控的M序列信号、75 Hz中心频率、20元垂直线列阵与时间反转信道均衡技术，在大约3250 km的距离上，得到了37.5 bps的数据率。关于可靠声路径水声通信，理论分析的结果令人鼓舞，但实验有待开展。从以上几个实验可以看出，深海远距离通信是可行的，不过数据率仍然比较低。考虑到通信信号和信道响应都具有稀疏性，或许运用压缩感知方法有可能进一步提高数据率与距离的乘积。
水面平台的无线电通信，其实也面临中等距离和远距离传输的问题。对于甚高频（VHF, 30~300 MHz）、超高频（UHF, 300 MHz~3 GHz）和微波波段，视距通信受到地球曲率的限制，通信距离取决于天线高度，通常在40 km以内。所以需要找到超视距的方法。幸运的是，海面上方的空气薄层形成蒸发波导（evaporation duct, ED）——因为水-气热交换导致海水蒸发，形成电波传播向下弯曲的折射条件，进而产生波导效应。蒸发波导的上界高度为20~30 m，由气象条件决定。大量的理论与实验研究表明，微波在蒸发波导中的超视距传播距离可达数百公里。
（二）构筑跨界面“数据桥梁”
人们一直在寻找克服水-空传输屏障的技术途径。作者认为以下几种途径应该是具有创新发展潜力的优选对象，并将其称为跨越水空界面的“四道桥梁”。
第一道桥梁，漂浮在海面上的水声-无线电浮标。在其水下部分悬挂着接收水听器或水听器阵，在其空中部分有无线电发射机，两者之间是信号处理电路。任何具有这种功能的水面平台都可作为桥梁，将水声信号转变为无线电信号后送出水面，进入大气空间。还有一种微型的弹出式浮标，可以被布放在海底自主观测站上。当需要发送信息时，弹出式浮标被释放并通过其浮力运送到水面，向空中传输无线电信号。
第二道桥梁，甚低频电磁波（VLF, 3~30 kHz）。甚低频电磁波非常适合于跨越水空界面的信号传输。特别是当辐射源处于水面以下几米或几十米时，所发射的电磁波信号（包括从水声信号转换而来的电磁波信号）可直接穿透水空界面在空气中产生水平传播的侧面波，沿界面传播到中等距离的目的地或中继节点。这种技术途径的明显优点是：不需要海面浮体或类似平台，所以特别适合于自主水下航行器或其他水下移动平台使用；同时可以避免水声通信的干扰和海面平台的碰撞。在近岸地区，还有可能利用海水-海底-陆地传播路径，将信号直接送往陆地。其他频段的电磁波，如甚高频和极低频电磁波都有其特殊的用武之地。甚高频电磁波适合作为短距离高数据率的载波信号，穿透水空界面传播到空中。极低频电磁波适用于从规模庞大的陆基天线，将指令控制信息传播到数千公里外的海面上方，并从那里穿透海水后到达接收机。极低频的显著优点是，电磁波的传播路径绝大部分在空气中，其传播速度接近光速，只有传播路径的最后部分，即从海面向下到接收机的几百米，涉及在海水中的低速传播。电磁波在导电海水中的传播速度随频率的降低而减小。当频率降低到10 Hz时，传播速度仅为5000 m⋅s-1。即便如此，从陆地到数千公里外的水下指令传输也只需十分之一秒的时间。与具有几千秒时间延迟的水声传输相比，这样的时间延迟在实际应用中是非常重要的。
第三道桥梁，即海洋移动平台。它可以在全水深中游弋，收集任何水声探测装置上获得的数据，在航行到水面后将数据传送给无线电接收机。诚然会有航行带来的时延，但是可以借助批处理方法，以近距离高速率方式收集数据，一旦天线露出水面就在短时间内把大量数据发送到电波信道中。实际上，激光通信技术也有类似应用，不过获取数据时的对准问题要得到适当的解决。显然，自主水下航行器、无人水下航行器、遥控无人潜水器甚至有人潜水器都可以具备这种功能。
第四道桥梁是一种新发现的方法，对水下声音产生的海表面条纹进行微波探测。当水声信号入射到海面时，会产生一定的纹理，混合于海面波浪的扰动之中。最近MIT的一个团队报道了实验室测试的结果，用微波方法获得令人鼓舞的结果。2009年，也有学者在MIT该项工作之前在水箱实验中获得了成功。这种方法是单方向的，仅用于接收。不过，有研究者利用声波调制的激光束或者微波束照射海水，在水下产生声波信号。其原理就是使水面下方的水体受到高强度激光或者微波的照射，受热并爆炸性膨胀，汽化后产生声脉冲，进而产生具有垂直方向的声波波束。然而，此种方式下信号波形的控制仍是有待解决的问题。还有一种单向的跨界面传输方法，就是用声波近似垂直地直接照射海面，它可以沿着照射点周围的“透声窗口”进入水中。如果声波频率较低，则有可能传播到水下很远的地方。多年前报道过一艘潜艇在深海区检测到数百公里之外的飞机辐射噪声信号。不幸的是，反过来在空气中直接检测水下声信号却不可行，除非声源的深度远小于波长。有人做了理论证明，在此条件下水下声波可以直接穿透界面进入空中，就像声源上方的薄水层（与波长相比）不存在一样。
五、展望：构建连接空-面-潜的一体化海基网络
综上所述，一体化的空-面-潜（air-surface-undersea）海基网络的构成途径清晰呈现在我们面前。
首先，在任何地方、任何时间与广阔的深水世界进行通信是可行的，因为有诸多有益的信道可以利用，如深海声道、可靠声路径信道、空/海跨介质信道和海洋移动平台。通过对这些信道的合理利用，可以避免一体化通信时链路的频繁“掉线”。例如，在海面节点和位于声影区的节点之间建立通信链路时，可以通过可靠声路径信道将海面节点的数据传输至海底后再传输到声影区。
其次，通过水声技术和空中无线电传输技术的有效结合，可以大大改善水下数据传输时的高延时和低数据率的现状。这意味着，只要水下数据通过跨界面“数据桥梁”传输至空中，就能获得如同6G的传输速率。同时，水声通信本身也可以通过更好地利用信道特性和新概念技术来提高频谱效率，如轨道角动量调制。然而，考虑到空中和水下通信在数据率上的巨大差异，未来仍需在数据压缩、数据文件分割和合并、时间压缩和拉伸、利用自主水下航行器转运大批量数据块等方向展开深入的研究。希望在这些方向上的技术突破可以帮助低速率的水下通信融合到高速率的空中5G/6G通信中去。
最后，与固定式线缆连接的海底网络相比，所提出的一体化空-面-潜海基网络是无线、分布式和由机动平台构成的，因此可以进一步实现“无所不联”。正如移动无线通信相比固定有线电话带给人们全新的生活便利所示，我们相信一个无线和可移动的海基网络肯定会提供巨大的新机遇。然而，这并不是说所有的水下固定式网络都应该被取代，它们在近海或沿海浅水区仍存在独特的优势。我们认为，未来的应用中水下固定式网络或许将成为无线网络的补充手段。
目前，在水下世界中开发一个类似于陆地和空天环境中那样的一体化网络还很难立刻实现。更为现实的做法是，鼓励为达此目的开展多种不同技术途径的创新研究。我们希望，有大批的研究团队和研究项目涌现出来，针对海洋一体化网络的不同应用需求、不同信号传播条件、不同联网规模进行研究。多样性、异质性、可扩展规模的海洋网络研究都应该受到鼓励。在这个启动阶段，研究与开发的环境、投资与管理的政策是特别重要的。在经历一段多样化发展时期之后，丰富的成果积累将足以支撑建设海洋一体化网络的终极目标。我们有理由相信，有朝一日水下色彩斑斓的鱼群活动视频将可实时呈现在普通家庭的电视屏幕上；海底的采矿设备可以在陆基工厂中通过物联网进行遥控；自主水下航行器可以在数百公里外与母船通信联络；极端天气预报的数据可以在第一时间到达科学家手中；水下世界的信息无论从全球何处接入都具有尽可能小的时间延迟。
然而，我们不可过于浪漫，在一体化网络到来之前最好从眼前的小规模试验田做起：开发一个局域的水声无线移动网络，并使它跨越水空界面连接到空中无线电网络系统。最好在深水区去做该试验田，并达到中/远距离通信；其基本元素应该是：海底自主观测站或者数据汇聚器（水声自主监测站），深海可靠声路径传播信道，水下及水面航行的自主水下航行器和无人水面艇（或者无线电-水声浮标），共同形成一个跨界面的最小网络系统。图2呈现了局域一体化海洋无线移动网络的构想。未来，倘若5G/6G技术满足水下通信的要求，也可以加入到一体化网络中去。这样的局域网络可以得到宝贵的“第一眼印象”，对后续发展大规模一体化网络有很大好处。但迄今为止，还没有见到过如此示范性的局域海洋一体化通信网络。曾经报道过的是电缆连接的水声监测系统（SOSUS），以及后来的光缆多节点水声监测系统。它们是一些固定设施，非常昂贵，灵活性不足且维修困难，其运行须依赖陆基设施。然而，为了在全球海洋任何地方实现水下和水上的良好连接，更应强调的是：无线、移动、可扩展以及低成本。目前需要突破的技术还很多，也很迫切，所以不要犹豫，让我们从种好试验田开始行动。
图2. 空-面-潜一体化海基网络的构想。
六、结语
4G/5G技术已取得巨大进展，6G也已成为人们关注的热门话题，然而在广袤海洋的水下世界里，有关无线移动通信和网络技术还远远落后。究其原因是一个公开的科学技术问题，涉及海水介质中电磁波的传输受限和水声技术的发展前景。基于对这个问题的分析，本文给出了未来水下世界里6G研发的解决方案和愿景。本文在全面回顾实际需求、瓶颈制约、物理发现、科技突破和跨学科整合的基础上，总结和分析了海洋无线通信的现状和潜力。指出并讨论了未来的发展构想和关键环节，如信道特性的充分利用、多样化移动平台的发展、通信网络的组织结构等。对于每个关键方面，都对应用场景进行了深入的分析和讨论。为了结合无线电和声学通信的优点，提出了在海洋和大气之间建立“数据桥梁”的新概念，并提出了可行的方法。分析表明，通过这些桥梁建立空-面-潜一体化海基网络是可行的。虽然愿景是光明的，但由于海洋系统的稀疏性和异质性，人们必须从各种应用场景下的局域演示试验系统开始逐步发展和演进。总之，海洋世界的6G通信可能与陆地甚至空中的6G非常不同。6G的普遍性在海洋中仍然是有希望的，但是是以一种非常特殊的形式。
实际上，大规模的水下通信网络有一些特点，与深地和深空环境下的通信网络有共同性。比如，都受到物理层面的客观约束、通信时延大、跨越多种介质、异质网络结构以及特殊的网络协议等。深地和深空环境下的通信网络也同样存在迫切的需求牵引和创新发展推动。因此，在对深地、深空、深海的探索过程中都涉及共同的通信问题，它们之间应该协同发展、取长补短。若如是，6G的研究领域和应用范围将由此得到进一步拓展。
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
改编原文：
Yuanliang Ma, Qunfei Zhang, Honglei Wang.6G: Ubiquitous Extending to the Vast Underwater World of Oceans[J].Engineering,2022,8(1):12-17.
作者介绍
马远良，水声工程与信息处理技术专家，中国工程院院士。
长期从事水声工程和信息处理技术研究，主持航空声纳装备研制，是该领域的开拓者和学术带头人。创立任意结构形状传感器阵列优化设计的“凹槽噪声场法”，成功运用于声呐装备研制。给出了拖曳线列阵接收噪声角度展宽的理论解释，提出“匹配场噪声抑制”的新概念。拓展了传感器阵列波束优化设计理论，得出了高阶超指向性的解析解和稳健实现方法。创立了宽带恒定束宽、连续可变精密数字时延和任意数字相移的工程实现方法。创立了多种水下自导自适应技术，显著改善系统性能。对海面蒸发波导和深海声学的研究取得重要进展。
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注：论文反映的是研究成果进展，不代表《中国工程科学》杂志社的观点。