海洋论坛▏海洋通信的发展现状与时代挑战（上）

夏明华等溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、引言

20世纪以来，从电缆到光缆、有线到无线、从模拟到数字、从1G到5G，陆地通信进行着日新月异的发展变革。然而，在浩瀚的海洋上，由于海洋环境复杂多变、海上施工十分困难等原因，海洋通信的发展明显滞后于陆地通信。近年来，随着我国海事活动日趋频繁和海洋经济迅猛发展，研发新一代海洋通信技术与系统已经成为了学术界和工业界一个备受瞩目的焦点。尤其是我国政府在 2013年10月提出的“一带一路”发展战略(包括“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”)，得到了沿线国家的积极响应。为了保障“一带一路”发展战略的顺利实施，必须确保“21世纪海上丝绸之路”相关海域能够实现无缝、高效和可靠的通信覆盖。

常规的海洋通信网络主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统。由于这些通信系统的通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制，常规海洋通信网络越来越难以满足我国日益增长的海洋活动需求，成为制约海洋开发与探索向纵深发展的重大瓶颈。因此，必须充分调研我国海洋通信的发展现状，了解世界先进海洋通信技术，探索与我国海洋环境相一致的海上信道模型，开发适合我国国情的海洋通信网络架构，最终构建一个高速率、高可靠、全覆盖、易管理、低成本的新型海洋通信网络。

二、我国海洋通信现状

如图1所示，我国广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线通信、海洋卫星通信和岸基移动通信，它们共同构成一个基本实现海洋全覆盖的通信网络。该系统能够保障近海、远海和远洋的船舶－海岸、船舶－船舶的日常通信；在海洋运输、油气勘探开采、海洋环境监测、海洋渔业、海水养殖和海洋科考等领域，提供了相对可靠、准确、及时和安全的通信基础设施。

图1 我国海洋通信系统组成

海上无线通信包括最早服务于海洋的几种通信方式，如表1所示。1996年，根据国际海事组织(IMO)要求，我国交通运输部统一更新并改造各海岸电台的通信设施，以满足“全球海上遇险与安全系统(GMDSS)”对通信业务的需要，其中，奈伏泰斯系统(NAVTEX)、中频/高频系统(MF/HF)和甚高频系统(VHF)属于GMDSS规范配置的无线通信系统。1999年2月1日，GMDSS系统在世界各航运国家全面启用，为了确保海上航行安全，查找海难事故原因，IMO决定增补配置通用船载自动识别系统(AIS)。在规范海上无线通信系统的正常运行方面，我国分别制定了《奈伏泰斯系统技术要求(GB/T18766-2009)》、《全球海上遇险安全系统 (GMDSS)船用无线电通信设备技术要求(GB15304-94)》和《船载自动识别系统(AIS)技术要求 (GB/T 20068)》。海上无线通信系统应用成本低，使用便捷，满足近岸、近海、远海覆盖要求。但是，该通信系统受气候条件和海洋环境影响较大，通信可靠性不高，而且系统采用窄带通信方式，导致无法提供高速数据业务。

表1 我国常见的海上无线通信系统

System	Communication method	Business	Data rate	Communication distance
NAVTEX	MF(518kHz)	NBDP	50bps	250-400nautical miles
MF/HF	MF/HF(1650-27500 kHz)	Voice，NBDP，DSC	–	Medium/long distance
VHF	VHF(156.0-174.0 MHz)	Voice，DSC	1.2kbps	Visual range
AIS	VHF(156.025-162.025 MHz)	Ship identification，Monitoring	9.6kbps	Visual range

我国使用的海洋通信卫星系统如表2所示。根据GMDSS规范配置的卫星通信系统包括全球卫星搜救系统(COSPAS/SARSAT)的卫星紧急无线电示位标(EPIRB)和海事卫星系统 (INMARSAT)。卫星紧急无线电示位标主要解决紧急报警、船位识别、定位和询位功能。海事卫星系统包括多种功能系统，其功能和业务存在较大差异。北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件1.0版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。随着北斗卫星导航系统空间部分的不断完善，北斗终端设备成为近年来我国海上船舶可选配置，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。海洋卫星通信系统最突出的优点是通信距离较远，可以实现全球海洋覆盖。因为卫星发射、空间和地面设施的运营和维护成本很高，所以，卫星通信的应用成本较为昂贵，且通信带宽受限。

表2 我国使用的海洋卫星通信系统

我国陆地公共移动通信系统发展极为迅猛，已建成世界上规模最大的蜂窝通信系统。作为海上无线通信和卫星通信的补充，在近海区域，岸基移动通信系统具有独特的通信优势。我国2G移动网络基础设施完善，信号覆盖良好，能提供理想的语音和低速率的数据业务；3G网络由于基站建设停滞，逐步被新一代网络所取代；4G网络技术先进、系统稳定、应用成熟，成为现阶段主流移动通信网络，能提供宽带、高速数据业务。岸基移动通信的近海覆盖为港口、码头、航道管理、海水养殖、海上救助等提供了可靠的通信保障。

总体而言，我国海洋通信技术尚处在较低层次的应用阶段，只能基本满足海事活动的常规通信需求。依据海事活动的区域和从事的业务种类，尽管用户可以选择不同的通信系统，但是，各种系统的性能优势和劣势均十分明显，如表3所示。最突出的问题是没有一种通信方式，可以实现稳定的全海洋覆盖、传输距离不受限制、确保流畅的宽带接入、较低的设备成本和使用资费。而且，现有各种通信系统之间相互孤立，缺乏统一的协调管理机制，不能保障整个海洋通信系统合理、高效地运行。

表3 海上通信系统性能比较

System	Advantage	Disadvantage
Maritime wireless	MF/HF	Medium/long distance, free of charge	Narrow band access,
communications	VHF	Visual range, free of charge	low stability
Marine satellite communications	Wide area coverage,	High cost of equipment,
	broadband access	high monthly fee
		Near shore coverage,
Shore-based mobile communications	Broadband access	charging by service time
		and amount of data

三、全球海洋通信网络

近年来，在传统海洋通信系统的基础上，一些国家或国际组织推出了许多演进的海上无线通信系统，新的卫星通信系统在不断投入运行。各国科研人员还将各种陆地通信的最新技术延伸至海洋环境，并提出了集成海洋通信网络的概念。新设计的海洋通信系统采用了许多新的理论和技术，力争满足日益增长的海洋业务需求，并推动海洋活动质量的提升。

图2描述了一个典型的全球海洋通信网络。靠近海岸的船舶/浮标与地面专用基站或者蜂窝基站通过海上无线链路相连；远离海岸的船舶/浮标通过卫星链路与海洋通信卫星相连；最后，卫星和基站通过网络操作控制中心形成一个有效的海洋通信网络。另外，船舶之间除了利用网络资源间接通信外，在一定的范围内也可以通过无线链路直接通信。

图2 典型的全球海洋通信网络

⒈海上无线通信系统

海上无线通信系统能提供中远距离通信覆盖，被广泛应用于海上无线通信。世界上典型的海上无线通信有中频(MF)NAVTEX、高频(HF)PACTOR系统、甚高频(VHF)Telenor系统和船舶自动识别系统(AIS)等。

NAVTEX系统是一个中频海事安全信息直印服务系统，为离岸370km距离以内的海上用户直接打印气象预警信息、紧急海事通告、导航数据等。NAVTEX系统采用FSK调制方案，主要利用518kHz频段来广播英文信息，而其他语言的NAVTEX系统工作在490kHz频段。 NAVTEX系统使用了简单直接的窄带直印服务方式，成本较低，得到了较为广泛的应用，但无法提供其他业务信息也不能获取用户的即时信息。

PACTOR系统也采用FSK调制方案的高频系统，它允许用户采用时分双工的方式接收与发送电子邮件形式的数字信息。2010年，国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)提出了3个用于海上通信的高频无线电系统和数据传输协议，3个系统均采用正交频分复用技术以提高频谱效率，其中最重要的系统是PACTOR-3，系统典型的覆盖范围在4000∼∼40000km，实现9.6kbps和14.4kbps数据传输速率。PACTOR系统的最新版本PACTOR-4采用自适应信道均衡、信道编码和信源压缩技术，在PACTOR-3相同的功率与带宽下，实现其两倍的数据传输速率。基于该协议的另外一个重要系统是IPBC(Internet protocol for boat communications)，IPBC系统覆盖近海范围(40∼∼250海里)时使用较低频段(4∼∼8MHz)，超过 200海里的远海区域使用较高频段(8∼∼26MHz)。遗憾的是，以上两大系统数据延时均较大，无法传输实时业务。

Telenor系统工作在甚高频段，为挪威及其国际水域上的船舶提供数字无线电业务。系统基站分布在距离海岸线70海里的挪威沿海地区，甚至建设在大多数的北海挪威石油设施之上。在2008年和2009年，ITU-R相继发布了两项新协议“ITU-R M.1842”和“ITU-R M.1842-1”，着重描述了甚高频海洋移动业务 18个增补信道的数据和电子邮件交换系统及其设备特征。其中，ITU-R M.1842-1是ITU-R M.1842的扩展版本，尤其是在2或4连续甚高频信道上，ITU-R M.1842-1增加了两个多载波系统，因此，ITU-R M.1842-1描述了4个推荐系统。具体而言，在ITU-R M.1842-1协议中，第一个系统包含1个25kHz信道，根据海洋环境的不同，采用π/4差分正交相移键控 (π/4 -DQPSK)或者π/8差分8相移键控 (π/8 -D8PSK)调制方式，支持28.8kbps或43.2kbps数据速率，多址访问采用载波侦听时分多址(CSTDMA)方式。第二个系统采用高斯最小频移键控(GMSK)调制方式，支持时分多址 (TDMA)方式的21.1kbps数据速率。其他两个系统集合不同数量海洋甚高频信道，采用 16进制正交幅度调制(16-QAM)，接入方式还是 CSTDMA，分别支持153.6kbps或307.2kbps数据速率。

另一个值得关注的海洋通信系统是AIS。该系统由美国主导并得到国际海事组织的推荐，其最新版本是2010年发布的ITU-R M1371-4。系统采用GMSK调制方式，信道带宽为25kHz，通过自组织时分多址接入 (SOTDMA) 并传输船舶航迹信息, 实现船舶避碰和安全航行. SOTDMA信息可重复传送，为用户提供实时监控画面。AIS转发设备能够工作在甚高频信道161.975MHz和162.025MHz上，而且两个独立的TDMA接收机能够同时接收两个独立信道的信息。AIS远海区域信道带宽为25kHz，近海区域信道带宽为12.5kHz或25kHz，能实现9.6kbps实时数据传输速率。目前，AIS被广泛应用于船舶监控、海上搜救、船舶避障、航海导航等实时工作场景。

近年来，NAVTEX系统和船舶自动识别系统已广泛应用于我国海洋通信领域。海上无线通信网络适合海上通信环境，既有覆盖中远距离的中高频系统，也有覆盖近距离的甚高频系统，完全兼容GMDSS。在克服海洋环境对传输信道的影响方面，常采用跳频技术来改善数字高频系统传输的可靠性。但是，海上无线通信系统的数据传输速率相对较低，而且随着通信距离的增大，数据速率越来越低；其次，它的通信距离受限，无法实现全球海域的通信覆盖。

⒉海洋卫星通信系统

由于无线电波传播特性不稳定、海上信道环境复杂多变、传输距离受限等因素，海上无线电通信网络无法为任意海域的用户提供满意的通信服务。相反，卫星通信能实现对全球 “无缝隙”覆盖，卫星通信在海洋通信中拥有不可替代的地位。在世界范围内，典型的海洋卫星通信系统包括海事卫星系统(INMARSAT)、铱星系统(Iridium)、北斗卫星导航系统 (BeiDou)和我国近期发射的“天通一号”卫星移动通信系统等。

海事卫星系统是国际海事组织(IMO)建设的、兼容全球海上遇险与安全系统(GMDSS)的唯一海洋卫星通信系统，其系统稳定性高达 99.99％。作为全球移动卫星通信网络的领跑者，在过去30多年里，国际海事组织不断引进新的技术并服务社会，推出多种海事卫星系统，包括Inmarsat-A，-B，-C，-D/-D+，-E，-M，Mini-M等，它们提供的通信服务速率最低为9.6kbps，最高速率达到128kbps。2007年，国际海事组织发射Inmarsat-4卫星群，提出了 BGAN(broadband global area network)概念，提供共享信道、包交换服务和IP流服务，峰值速率分别为432kbps和256kbps。BGAN最大的特点是可全球覆盖(除极地海域外)。2014年底，国际海事组织建成新一代广覆盖无线宽带卫星网络系统，该系统被称为海事GX系统 (inmarsat global Xpress)，由三颗Inmarsat-5卫星群组成，实现完全的全球覆盖并大幅提高通信速率。GX系统优势主要表现在，工作在频率资源丰富的Ka频段，用户终端天线尺寸为60cm时，可提供50Mbps下行数据速率和5Mbps的上行数据速率；而用户终端天线尺寸20cm时，可提供10Mbps下行数据速率。

近地轨道卫星系统是在轨运行的另一类卫星系统，同样适用于海洋卫星通信领域。铱星系统使用66颗互联的近地轨道卫星实现了全球覆盖，它的数据速率为4.7kbps，因为卫星轨道高度较低，所以一个数据包传输来回时间仅需1.8s。最近，铱星系统正在考虑搭建新一代的卫星网络“Iridium NEXT”以期望将数据速率提升至L波段的1.5Mbps或Ka波段的8Mbps。全球星系统(Globalstar)是另一个使用近地轨道卫星的系统，它的全双工数据速率是9.6kbps，峰值速率达到38kbps。此外，还有欧洲数字视频广播卫星网络(DVB-RCS)同样支持海上通信业务。

我国的北斗卫星导航系统也可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并且还具有短报文通信能力。在2014年11月，国际海事组织海上安全委员会正式将中国北斗系统纳入全球无线电导航系统。截止2016年2月，北斗系统由16颗卫星构成，已覆盖亚太地区，计划2020年左右全部35颗卫星在轨运行，实现全球覆盖。北斗系统作为一个成熟的导航系统，不但能为海上船舶提供定位导航服务，而且其短报文通信功能可以提供遇险求救、航海通告等服务。

2016年8月6日，中国“天通一号”卫星移动通信系统的01星成功发射，该系统将与地面移动通信系统共同构成移动通信网络，为中国及周边地区，以及太平洋、印度洋大部分海域的用户提供全天候、全天时、稳定可靠移动通信服务，支持话音、短信息和数据业务。 “天通一号”卫星的技术指标与性能达到国际第三代卫星移动通信水平。

相对于海上无线通信系统，海洋卫星通信系统最大的优点就是覆盖范围广，最大的缺点就是成本极高，而且，海事卫星网络还有其他诸如信息安全等问题。

⒊岸基移动通信系统

由于陆地通信网络具有安全、稳定、容量大、速度快、价格低廉、技术成熟等特点，将蜂窝网、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)等成熟的网络技术应用于岸基近海海洋通信也是一个很好的组网选择。

TRITON工程就试图利用全球微波互联接入(WiMAX)即WMAN构成高速、低成本的海洋通信网络。该网络可以利用WiMAX较宽的带宽给船舶提供视频服务，并且能实时传输导航数据。

WiMAX网络可以自组织运行并支持多跳中继，实现较远的传输距离，同时采用基于媒体接入控制的TDMA模式，能更有效地利用信道带宽。因此，相较于其他陆地通信网络，WiMAX具有传输距离更远、宽带接入速率更快等与海洋通信环境相适应的特点，更加适合于拓展到海洋应用。另外，除了海岸之外，工程人员如果选择特定的海岛或者岩礁上放置蜂窝基站，那么，蜂窝网的覆盖范围得到进一步扩展，成为WiMAX海洋通信网络的一种有力补充。

类似于蜂窝网的利用，2.4G频段的无线局域网(WLAN)也可用于近海海洋环境，运用多跳中继构建类似于WiMAX网络的通信网络。为了使WLAN更适合海洋环境，必须采用高增益定向天线等提高传输距离的技术。在海洋无线传感网络应用中，电气和电子工程师协会 (IEEE)于2003年制定的IEEE802.15.4这一类范围更短的通信协议也能发挥它的作用。但是，由于海洋中传感器的间隔相对地面更远，需要更多的信号增强技术来支撑无线传感网络的有效工作。

在岸基海洋通信应用中，包括WiMAX、WLAN等在内的陆地通信网络，最大的不足就是覆盖的沿岸海域范围太小，因此，将陆地通信网络拓展到近海海洋的关键难点是如何提高其覆盖范围。

⒋集成海洋通信系统

由于每一种海洋通信系统都有其独特的优势，例如，海上无线通信系统通信成本低廉，卫星通信系统具有广域的覆盖范围，陆地通信网络可以实现数据高速传输，因此，在任何海域，通过综合利用各种通信系统，保障用户实现性能稳定、高效、可靠，且价格低廉的通信服务，永远是海洋通信追求的目标。为了综合以上3种网络的各自优点，有关文献提出了一种集成海洋通信系统，系统模型如图3所示。该系统联合部署了3种通信网络，使得海上船舶可以根据实际需求自由选择不同的通信网络，实现了3种网络资源的综合利用，一方面使得海洋通信卫星的数量降低，从而减少通信成本；另一方面，用户可以根据自己的位置和实际需求，实时选择合适自己的通信链路，实现相对高速、稳定、低价的海上通信。

（未完，待续）

图3 集成海洋通信系统

■本文来自《中国科学▪信息工程》（2017年第6期），作者/夏明华朱又敏陈二虎邢成文杨婷婷温文坤，分别来自中山大学电子与信息工程学院、广东海洋大学电子与信息工程学院、北京理工大学信息与电子学院、大连海事大学航海学院和中国电子科技集团公司第七研究所。考虑到文章较长，分上下两篇编发，本文为上篇，版权归作者与出版社共同拥有，参考文献略，用于学习与交流。