海洋论坛▏海洋通信的发展现状与时代挑战(下）
接上
四、新一代海洋通信技术面临的挑战
现阶段我国海洋通信技术与世界海洋通信技术强国，例如，美国、挪威等，存在较大的差距。首先，尽管在海上无线通信领域 都能采用中频、高频和甚高频通信方式，实现点对点、点对多点的常规海上通信，完成语音、DSC、NBDP、船舶识别和监控等业务信息传输。通信距离可以涵盖近距离和中远距离，但是，我国海上无线通信的通信技术更新不足、通信可靠性受海洋环境影响较大，不能满足高速数据业务的需求，在远距离通信时表现得尤为突出，明显存在通信覆盖盲区。
其次，在海洋卫星通信领域，我国海洋卫星通信网络正在逐步完善，虽然可供选择的通信卫星较多，既有国际海事组织的海事卫星系统和各国共享的近地轨道卫星系统，又有我国自主开发的北斗卫星导航系统和“天通一号”卫星移动通信系统，可以实现海上各类通信业务的需求。但是，卫星系统资源还是不能满足高速增长的海洋业务的要求，尤其是卫星通信的高成本成为大多数海上用户难以面对的现实；不断更新的宽带卫星通信系统还让一些用户无所适从。
第三，在海上移动通信领域，尽管基础设施完备的4G公共移动通信网络为我国近海海上用户的高速数据业务提供便利，但是，海洋覆盖永远是岸基移动通信亟待克服的困难，无线城域网、无线局域网的海洋利用，在我国起步较晚且应用不足，导致成效甚微。
最后，我国海洋通信技术与世界先进海洋通信技术的差异还表现在缺乏统一、高效的网络管理机制。为了摆脱各种通信系统独立运行的局面，避免让普通用户去选择通信方式，必须建立集成通信网络，协调各通信系统资源，让不同区域、不同业务、不同要求的用户自由选择通信网路，最终让用户体验到稳定、高效、低廉的海上通信服务。
新一代海洋通信的目标就是寻求一种接入网络，以确保信号无缝覆盖、数据业务高速传输、用户体验满意，适应海洋环境变化，辅以无线通信网络和卫星通信网络，并具有完善的网络管理机制。为实现新一代海洋通信的目标，我们首先提出一个新型的海洋通信网络架构，然后分析海洋环境下的信道模型，最后提出优化高效的海洋网络资源管理机制。
⒈新型海洋通信网络架构
2013年10月，以我国与东南亚国家联盟(以下简称东盟)建立战略伙伴关系十周年为起点，为进一步深化我国与东盟的合作，习总书记提出了“21世纪海上丝绸之路”的战略构想。同时，这一战略合作伙伴并不仅局限于东盟，而是以点带线，以线带面，增进我国与周边国家和地区的交往，串起连通东盟、南亚、西亚、北非、欧洲等各大经济板块的市场链，发展面向南海、太平洋和印度洋的战略合作经济带，以亚、欧、非经济贸易一体化为发展的长期目标。由于海洋从来就是各国经贸文化交流的天然纽带，共建“21 世纪海上丝绸之路”，是在全球政治、贸易格局不断变化的形势下，中国连接世界的新型贸易之路，其核心价值是通道价值和战略安全。“21世纪海上丝绸之路”的开辟和拓展无疑将大大增强中国的战略安全。规划建设“21 世纪海上丝绸之路”的主要内容之一，就是建立和完善基础设施的互联互通，尤其是构筑海上互联互通的通信网络。南海是中国建设海上丝绸之路的中心枢纽，因此，必须保证对我国南海海域及相关海路(例如南华水道)实现无缝、可靠、高效的无线通信网络覆盖。
针对我国南海岛礁众多的地理特点，图4显示了一个新型的海洋通信网络架构。图中船舶1和2组成远海舰船编队，船舶与陆地地面控制中心之间的通信依托陆地移动通信网络，以5G通信技术建立一条新的远海通信链路，通信业务主要通过新一代地面通信技术来完成，辅助传统的海上无线通信网络和卫星通信网络，满足新时期海洋通信的需求。
图4 新型海洋通信网络构架
具体而言，远海通信链路的远端是船舶1和2，链路途中经过岛礁1∼∼3，所有岛礁上建设有永久基础通信设施。首先，岛礁3是距离船舶1和2最近的岛屿，它既可以为附近海域的过往舰船提供通信服务，也可以与临近的岛礁2上的通信设施相连；其次，岛礁2与岛礁 1的距离较远，为了建立可以通信的无线链路，采用人为增加中继节点互联岛礁1与岛礁2。这个中继节点既可以是固定的海上浮台，也可以设置平流层飞艇作为可移动的灵活中继节点；作为备选方案，应急时还可以投放无人船在相应位置作为中继节点。最后，岛礁1距离陆地最近，在陆地基站覆盖范围之内，直接与岸上的地面控制中心相联系。至此，一个通过多跳协作中继的通信链路建设完成。
在图4所示的通信网络架构下，海上所有用户之间的通信，同样可以采用传统的海上无线通信网络和海洋卫星通信网络。但是，与现有海洋通信网络不同的是，该架构提出采用陆地移动通信新技术，通过岛礁或者海上浮台、飞艇、无人船等中继节点建立新的高速宽带链路。该方案尤其适用于岛礁丰富的海域，例如南中国海等。
目前，第五代陆地移动通信技术(5G)正在试运行阶段，有关国家或国际组织都在投入大量资源研发5G网络，与前几代陆地移动通信技术相似，5G将成为未来信息基础设施的重要组成部分。在充分认识海洋信道环境和海洋通信需求的基础上，5G的相关技术同样可以应用于海洋通信，例如，5G关键技术中的大规模天线阵列技术和毫米波技术，就可以用来解决扩大海洋通信的覆盖范围和提高系统容量等难题。具体而言，大规模天线阵列技术是一种在通信系统的发射和接收双方，都配置数十甚至上百副天线的一种无线通信技术。通过精心设计的各种发射、接收处理技术，大规模天线阵列技术可以充分利用空间自由度以获得显著的空间分集、空间复用或者波束成型增益，从而显著提高无线系统的覆盖范围或者系统容量等。尤其是在海洋通信中，可以通过在岛礁或者海上浮台上设置高塔来部署大规模天线阵列，特别有利于该技术的工程实施。另外，由于毫米波技术可以提供丰富的频谱资源，已经广泛应用于卫星通信或者平流层通信当中，它可以显著提高海洋无线通信技术的覆盖范围。加之毫米波频段干扰源少，电磁频谱干净，信道稳定可靠；而且，毫米波传播具有良好的方向性。 大量试验结果表明，尽管毫米波受大气吸收和降雨衰落的影响严重，导致单跳通信距离较短，但是，利用多跳协作传输的毫米波中继通信是可行的。
通过综合利用卫星、岛礁、海上浮台、无人船、平流层飞艇等中继节点，可以多重保证舰船开展海洋活动所需通信链路的高效性与可靠性。只有建立这样一个无缝覆盖的海洋通信网络，越来越频繁的海事活动才会更加安全、可靠和高效。相应地，我国提出的“21世纪海上丝绸之路”战略才能更深入地推进，更好地造福世界人民。
⒉海洋通信信道模型
搭建任何一条通信链路之前，预测并建立信道模型是至关重要的一环。由于海上湿度、气压、风速、波浪等不可预测的因素导致海上信道模型的建立十分困难，海洋信道建模成为设计海洋通信系统最大的挑战。本小节首先概述文献中已经报道过的典型的海洋信道模型； 然后，根据海洋环境与陆地环境的不同，分别介绍大气波导效应和微波散射效应在超视距海洋通信当中的应用。
⑴典型的海洋信道模型
有关文献指出，空对地通信理想几何信道模型假设地面是光滑的并且考虑了地球曲率，因此适用于海洋信道环境。该信道模型如图5所示：假设发送端(陆地基站、飞行器、船舶)和接收端(船舶)之间的信号路径由一条直射波和一条反射波组成。文献仿真分析了接收信号强度与发送功率、波长、通信距离、飞行器/天线高度等因素之间的关系。但是，该文献只对通用的空对地信道模型进行仿真分析，并没有考虑实际海洋特有的环境，如湿度、气压、风速、波浪等，对传输信道造成的影响。
图5 两路径理想几何信道模型
有关文献考虑海上环境的折射、散射和反射路径影响，假设海平面为不规则地形，将陆地移动通信的 Longley-Rice模型 (也称作irregular terrain model(ITM)模型)的参数进行修改后应用于海洋通信。Longley-Rice模型基于电磁波理论，利用路径的几何不规则性和对流层的衍射来预测传输路径损耗，输入参数包括工作频率、收发距离、天线高度、极化特性、表面折射率、介电常数、气候特征等参数，它的工作频率范围为20 MHz∼∼40GHz，收发距离范围为1∼∼2000 km。为了将Longley-Rice模型应用于海洋环境，该文献在设置了与海洋环境相匹配的参数之后，分别仿真得到海上通信传输损耗与通信距离的关系，以及传输损耗与通信频率及天线高度的关系。结果表明，随着通信频率的提高，损耗越来越严重。因此，在实际应用中，为了兼顾抗干扰能力等其他性能指标，应选择合适的通信频率。另外，随着天线高度的增加，传输损耗减小，但天线足够高的时候，传输损耗保持不变。其作者还指出，其他陆地信道模型，例如Okumura模型、Hata模型、Lee模型等也可以类似地进行修改以达到适用于海洋通信的目的。尽管该文献做了适应海洋环境的参数设定，但是Longley-Rice模型只考虑了直射路径，而未能考虑海平面的反射路径。
另有文献在上述文献的基础上增加了图5所示的理想几何信道模型的反射路径，同时还考虑到了海上气侯(例如雾、雨衰等)带来的影响, 提出了改进型ITM模型。该文献的仿真结果表明改进型ITM模型与实测数据吻合度较高，即提高了海洋信道传输损耗预测的准确性，而且通信距离更远，更适合对海洋通信进行信道建模。
再有文献基于挪威海的实际信道测量数据，考虑了船舶运动引起的Doppler效应，这是其最大的研究特色。该文献的测量场景中，船舶(接收天线)移动速度约为15m/s，Doppler分辨率为4Hz，最大巡航距离为15.5km，作者将实测数据与多个陆地信道模型进行对比分析，最后发现与ITU-R P.1546-2模型吻合较好。
还有文献展示了5GHz频率下的海洋视距通信的实验结果，实验的接收天线放置在移动速率可忽略的船舶上，且海洋气候环境良好。该文献作者将实验结果与图5所示的理想几何信道模型进行对比之后，发现了明显的偏差，且偏差随着通信距离的增大而增大，因此推断可能除了直射路径和反射路径之外还存在第三条路径。其作者认为由于海水的蒸发，海平面上方存在一层折射率不均匀的水汽层，所以第三条路径便是折射路径，基于此，作者进一步提出了图6所示的三路径传输模型。随后，其作者考虑了收发天线的高度和水汽层的高度并作近似处理，得到了与实验数据相符合的海洋信道模型。尽管该文献没有考虑Doppler效应和海洋气候等复杂环境，但提出的三路径模型可能对研究人员今后对海洋信道建模具有重大意义。
图6 三路径海洋信道模型
以上信道模型适用于海岸到船舶、船舶之间以及无人机等飞行器到船舶间的通信，并不包括卫星与船舶间的通信。当前少有文献专门讨论卫星到船舶间的信道模型，但是，与卫星到地面终端的链路相似，由于卫星链路的整体距离远大于海面上空影响通信质量的部分，因而对卫星链路的分析主要集中于大气层。因此，卫星到地面终端的信道模型也基本适用于卫星到船舶的信道建模。
⑵大气波导效应在海洋通信中的应用
由于海洋环境湿度、气压、风速、波浪等气候因素会随海面高度变化而变化，海面上空的大气折射率也会发生相应改变，当折射率的改变满足一定的条件时便形成了大气波导。有关文献定义了修正折射率：M＝(n−1)×106＋157×h，其中，n是大气折射指数，h是离海平面的高度(km)。如图7所示，电磁波根据修正折射率变化率(∂M/∂h)的不同，有不同的传播路线，例如，在∂M/∂h≤0的区域，电磁呈波跳跃式前进，这就是所谓的大气波导层，电磁波在该层的传输方式如图7所示。
图7 海洋电磁波4类传播方式
进一步，该文献根据形成机理和折射率－高度关系图将大气波导分为4类：蒸发波导、含基础层的表面波导、表面波导和悬空波导。其中蒸发波导是由海水的大量蒸发，在海平面上方0∼∼20m左右的范围内形成的波导层，是最常见、最常利用的一类大气波导，图8中的大气波导即蒸发波导。
图8 电磁波的大气波导传输
从图8可以看到，信号被“束缚”在大气波导层中，因此相比于自由空间的信号，大气波导层中的信号传输路径损耗更小、传输距离更远，能实现超视距(B-LOS)传播。然而，目前的研究工作主要集中在大气波导在雷达领域的应用，而大气波导在海洋通信领域的应用较少。
还有文献的作者及其团队在澳大利亚大陆和78km远外的一个暗礁之间搭建了一条试验微波链路，这条链路工作频率为10.6GHz，提供了10MB/s的数据速率，首次利用大气波导实现了高容量、远距离的超视距海洋通信。该文献进一步利用仿真工具AREPS分析了大气波导通信的最优频率和最优天线高度并得出结论：工作频率10.5GHz、天线高度4m最适合于利用蒸发波导实现超视距海洋通信。
为了解决现有海洋通信网络的诸多问题，大气波导效应是海洋通信研究中一个有效的突破点。当前基于大气波导效应的有关海洋通信的研究仍处于起步阶段，需要借助其在雷达应用中已取得的成果来帮助利用大气波导效应，以推动海洋通信的进一步发展。
⑶微波散射在海洋通信中的应用
微波散射是另外一种可以实现超视距通信的技术手段。它是利用对流层中的不均匀大气成分，对微波信号产生前向散射而实现超视距传播的无线通信方式。大气层中的对流层(地球表面至8∼∼12km高空)存在大量不断变化的湍流团，在电波的照射下湍流团向四周散射电波，当电波波长与湍流团尺寸相当时，主要辐射方向在前方，其中一部分能量转向地面。微波散射工作原理如图9所示：发射机以一定的仰角发射微波信号到对流层中，随后大量信号成分被散射体向前散射(也有少量的折射、反射成分)至接收机，完成一跳超视距传播。微波散射单跳跨距约几十至几百公里，传输速率可达34Mbps以上，传输时延几毫秒；信道不受雷电、极光、磁暴和太阳黑子等恶劣自然环境的影响。
图9 微波散射原理图
另有文献指出，微波散射通信具有抗核爆能力强、通信容量大、信息保密性好、通信距离较远、机动灵活等突出优点；但是，微波散射信道传输损耗很大，而且信号衰落现象较为严重。为了补偿信道传输损耗必须加大发射功率，或者采用大规模天线阵列和高灵敏度接收机，甚至还需要采用分集接收技术。这使得微波散射通信成本较高，主要用于军事，民用较少。该文献则从通信机制、传输损耗、衰落特性、各特征的统计特性等角度对微波散射作了较为全面、系统的研究与总结。其中提出的全球适用性对流层散射传输损耗统计预测方法形成了国际无线电咨询委员会(CCIR)617-1建议。
目前，微波散射主要用于陆地上的远距离通信，但相关文献指出，海洋上空对流层的散射体更为丰富，进而使得前向散射信号更集中；对流层高度更高，使得极限通信距离更大。理论上，海洋微波散射通信距离更远、容量更大，海洋通信利用微波散射的性能大大优于陆地通信。而且，相较于其他海洋通信方式，散射通信的信道环境优于MF/HF无线通信，传输距离大于VHF无线通信，运营成本低于卫星通信，散射通信设备部署机动灵活，既可以是固定站(岛礁或浮台)部署还可以是移动站(船载)部署。因此，微波散射更加适合于远距离海洋通信，尤其适用于建立陆地与岛礁之间、岛礁与岛礁之间以及岛礁与浮台之间数百公里的通信联系。
⒊海洋通信网络资源管理机制
网络资源管理是海洋通信的另一个不可忽视的挑战。实现统一、高效的海洋通信网络不仅仅在于如何开发通信系统，也在于如何管理它们，即如何组建一个高效的海洋通信网络。 有关文献提出了应用于海港、海滨、海洋3个场景的NANET网络(nautical ad-hoc network)。在海港区域，NANET通过建立蜂窝基站利用现有的陆地通信网络进行覆盖。在海滨，如果船舶位于蜂窝基站的覆盖范围之内，则与基站直接通信；当某一船舶在陆地通信网络覆盖之外，则位于基站范围内的船舶或浮标(如果有)将作为中继节点实现协作通信。在离岸较远的海洋区域，前述与蜂窝基站间的直接链路以及中继链路都失效的情况下，海上无线电网络及时运作起来以提供通信链路。
TRITON工程在引入WiMAX到海洋通信的同时，还提出一种高带宽的集成网络结构，如图10所示。在TRITON网络中，WiMAX无线技术是其核心，被用在相邻船舶、灯塔、浮标之间形成多跳海洋通信网络，其中任意一个节点都可根据所在的地理位置和海洋环境切换工作频率。而当节点分布密度较小不能通过WiMAX形成多跳网络的时候，相应节点则切换至卫星网络。通过这样一种节点自主切换方案，TRITON网络能够在很大程度上提高海洋通信的服务质量。
图10 集成TRITON 网络结构
相关文献指出，当船舶间通信时，如果利用VANET网络，而非蜂窝网络和卫星网络，可以大大提高通信效率。为了系统地描述整个海洋通信框架，该文献提出了由VANET网络、蜂窝网、卫星网络组成的IMCS通信系统。在该系统中，相近的所有船舶首先接入VANET网络，然后连接蜂窝网络，而只有在蜂窝网络失效的情况下才与卫星通信。同时，作者提出IMSS服务系统，以综合利用VANET网络、蜂窝网络和卫星网络给海上用户提供定位、导航、遇险求救、语音、气象预报等多样化服务。
国内外海上宽带通信系统资源优化分配研究尚处起步阶段，相关参考文献较少。Lin等研究了基于WiMAX技术的船－船通信，进行了常用路由算法与DTN路由算法的性能对比；有关文献提出了基于船舶相遇概率理论模型的传输性能分析；另有文献基于现有AIS系统获得船舶移动数据，预测船－船相遇模型。然而上述工作的船－船通信都是在各自通信范围内。 Yang和Shen等将delay-tolerant networking(DTN)延迟容忍网络技术、WiMAX技术、绿色通信技术应用到海上宽带网络实践中，采用存储－携带－转发的方式支持间歇性连通、延迟大、误码率高的海上通信环境，并围绕海上宽带数据传输中资源优化分配及调度问题展开了一定的研究工作。除了上述文献讨论了海洋通信网络的管理方法之外，还有其他文献，分别提出了各自的管理方法，实际应用时应根据不同的需求采用合适的集成网络。尽管目前已经存在多种多样各具特色的集成网络，但是开发更加高效的集成海洋通信网络依然是今后的研究重点之一。
在21世纪，信息时代下包括海洋通信在内的任何一种技术不再是孤立的，而是全球信息一体化中的一环。为了充分利用分散的各种软件、硬件和服务，美国国防部提出“全球信息栅格(GIG)”的概念以服务于军事。GIG是“全球互连的端到端的信息能力及相关过程和人员的集合，能够根据战斗人员、决策人员和支援人员的要求来收集、处理、存储、分发和管理信息”，允许用户在任何地点、任何时间获取任何数据。目前GIG理论和实践还处于发展初期阶段，但是必须清醒地认识到GIG在未来不可估量的作用。同时注意到，信息技术和信息资源都具有较强的军民通用性，开发海洋通信技术完全可以在GIG大背景下，协调各领域技术与资源，提高整体的海洋活动质量。
五、总结与展望
海上无线通信、卫星通信和岸基移动通信共同构成最基本的海洋通信网络，实现语音、数据和多媒体信息传输，提供电子海图显示、全球海上遇险与安全信息发布、定位导航、船舶自动识别和交通信息广播等海上安全服务业务。海上无线电通信网络的成本较低，但覆盖范围有限；海洋卫星通信网络能够提供全球覆盖，但价格昂贵且通信速率低；蜂窝网拓展到海洋应用能提供高速率、低价格的通信服务，但覆盖范围又非常小。如何从信道分析和网络管理的角度或者创新使用其他技术手段解决这一矛盾，建设覆盖范围广、通信速率高、价格低廉的海洋通信网络是该领域工作者所要面临的重大课题。
为了快速开发和部署新一代海洋通信系统，充分利用5G陆地移动通信中的较为成熟的研究成果，例如，大规模天线技术、毫米波技术等，并结合海洋通信的环境特征，将是一条行之有效的技术途径。本文有助于设计一个无缝覆盖、高效可靠、宽带高速、成本合理的新型海洋通信网络，这是完善“21世纪海上丝绸之路”基础设施并实现我国深蓝战略的必经之路。
（完）
■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，本文为下篇，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。
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