未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

張海君，蘇仁偉，唐 斌，王成才，隆克平，陸 軍*

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

在過去的半個(gè)多世紀(jì)，包括電纜和光纜等有線通信以及從1G～6G的移動(dòng)通信等在內(nèi)的現(xiàn)代通信技術(shù)層出不窮、迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在人類社會(huì)的各行各業(yè)，成為社會(huì)信息化變革的重要支撐。然而，現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用主要局限在陸地場景，在海洋上的應(yīng)用和拓展不足，導(dǎo)致海洋通信的發(fā)展與陸地通信相比明顯滯后，主要有以下兩方面的原因：一方面，21世紀(jì)之前人類尚未開始對海洋的大規(guī)模開發(fā)利用，海洋上的人類活動(dòng)比較有限，對通信網(wǎng)絡(luò)的需求遠(yuǎn)不如陸地場景；另一方面，在海洋上部署基礎(chǔ)通信設(shè)施時(shí)設(shè)備選址受限，氣象狀況多變、海水運(yùn)動(dòng)頻繁等復(fù)雜的環(huán)境因素給通信網(wǎng)絡(luò)的部署和維護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)，海洋的自然條件在很大程度上制約了海洋通信的發(fā)展。因此，加速海洋通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要實(shí)際需求作為動(dòng)力，更需要科學(xué)方法和先進(jìn)技術(shù)作為手段。

對于我國這樣的海洋大國而言，海洋在政治、經(jīng)濟(jì)、國防、能源等各方面具有重要意義，黨的十八大首次提出了“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略，旨在增強(qiáng)我國在開發(fā)海洋、利用海洋、保護(hù)海洋和管控海洋各方面的綜合實(shí)力。習(xí)近平總書記在十九大中再次強(qiáng)調(diào)“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”，充分體現(xiàn)出海洋在我國現(xiàn)代化進(jìn)程中愈發(fā)重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。為了響應(yīng)國家的海洋戰(zhàn)略需求，“智慧海洋”工程獲得政府、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度重視，致力于提高我國的海洋開發(fā)利用能力和海洋管理能力。智慧海洋依托于信息化技術(shù)的發(fā)展，完善的海洋信息采集與傳輸體系是智慧海洋的基礎(chǔ)，健全的海洋通信網(wǎng)絡(luò)是賦能智慧海洋的關(guān)鍵支撐[1]。

隨著國家海洋戰(zhàn)略的實(shí)施以及“智慧海洋”工程的推進(jìn)，海洋活動(dòng)愈發(fā)頻繁，海洋業(yè)務(wù)種類愈發(fā)多樣，海上運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、氣象監(jiān)測、油氣開采及海洋勘探等業(yè)務(wù)都在向更高效、更安全、更便捷的目標(biāo)發(fā)展，全覆蓋、高質(zhì)量的海洋通信網(wǎng)絡(luò)需求日益增加，亟需克服復(fù)雜環(huán)境給海洋通信發(fā)展造成的難題，建立完備的海洋通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對海域的全覆蓋和對海洋業(yè)務(wù)的全支持，助力人類對海洋的開發(fā)和利用。

本文介紹了傳統(tǒng)的海洋通信系統(tǒng)，總結(jié)了海洋通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中存在的主要問題，對未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了展望，分析了海洋環(huán)境信道建模、高可靠自適應(yīng)組網(wǎng)和智能網(wǎng)絡(luò)資源管控三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)所面臨的難題及其可能的解決途徑。

1 海洋通信發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)海洋通信系統(tǒng)

經(jīng)過多年的發(fā)展，海洋通信已經(jīng)獲得了深厚的技術(shù)積累，傳統(tǒng)海洋通信系統(tǒng)主要包括岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)、海上無線通信系統(tǒng)和海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]，各系統(tǒng)在覆蓋范圍、傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等方面存在較大差異，適合于不同的海洋業(yè)務(wù)。

1.1.1 岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)

岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)是陸地蜂窩網(wǎng)等技術(shù)在沿岸地區(qū)的應(yīng)用和延伸，通過增加沿岸基站的天線高度和發(fā)射功率，或者在近海島礁上部署基站或中繼節(jié)點(diǎn)，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下盡量增大無線網(wǎng)絡(luò)對海域的覆蓋范圍。在目前已經(jīng)成功部署的岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)中，大多是通過LTE網(wǎng)絡(luò)為近海海域的用戶提供寬帶服務(wù)。華為與挪威通信服務(wù)商Tampnet聯(lián)合開發(fā)的離岸LTE網(wǎng)絡(luò)可以為離岸20～50 km的用戶提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，上下行速率可以達(dá)到1 Mbit/s和2 Mbit/s[3]。韓國LTE-Maritime系統(tǒng)中的沿岸基站可以為離岸30 km內(nèi)的用戶提供寬帶服務(wù)，上下行平均速率分別為3 Mbit/s和6 Mbit/s[4]。中國電信早在2016年7月便實(shí)現(xiàn)了對南沙群島7個(gè)島礁的4G信號(hào)覆蓋，島上基站需要借助衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳；2017年中國電信利用海底光纜在南沙群島開通了4個(gè)光纜4G基站，覆蓋了永暑礁、渚碧礁和美濟(jì)礁等島礁及附近海域，傳輸速率遠(yuǎn)高于此前的衛(wèi)星基站。

近年來，5G技術(shù)趨向成熟并逐步商用，在智慧海洋的建設(shè)中也大顯身手[5-6]。煙臺(tái)移動(dòng)與山東耕海海洋科技有限公司共同開展了“耕海一號(hào)”海洋牧場項(xiàng)目，該項(xiàng)目引入了先進(jìn)的5G技術(shù)，可以利用5G水下攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察水產(chǎn)的生長情況，加快近海養(yǎng)殖到遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的進(jìn)軍；國內(nèi)首例海洋牧場無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)也已經(jīng)在煙臺(tái)長島建設(shè)成功，可以實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)采集以及視頻數(shù)據(jù)的百兆傳輸。福建移動(dòng)于2019年在惠安海域部署了泉州首批用于覆蓋海面的5G基站，并在無人海洋監(jiān)測船的首次航行中完成了遠(yuǎn)程水質(zhì)采樣、自動(dòng)分析、視頻及環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測等業(yè)務(wù)流程，開始以信息化手段進(jìn)行海洋管理、環(huán)境監(jiān)測等工作。

1.1.2 海上無線通信系統(tǒng)

海上無線通信系統(tǒng)主要包括NAVTEX、PACTOR和AIS等窄帶無線通信系統(tǒng)，其信號(hào)發(fā)射基站同樣部署在沿岸地區(qū)，與岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)的區(qū)別主要在于用頻更靈活、覆蓋距離更遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率更低。具體地，NAVTEX系統(tǒng)工作在中頻頻段，為離岸370 km以內(nèi)的海上船只和用戶提供氣象預(yù)警和導(dǎo)航數(shù)據(jù)等服務(wù)[7]；PACTOR屬于高頻系統(tǒng)，覆蓋范圍比NAVTEX系統(tǒng)更遠(yuǎn)，但是只能提供純文本通信服務(wù)，而且傳輸時(shí)延較大[8]；AIS系統(tǒng)利用甚高頻信道傳輸信號(hào)，可以為近海區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域提供不同的信道帶寬，能實(shí)現(xiàn)9.6 kbit/s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[7]；挪威的Telenor系統(tǒng)同樣工作在甚高頻頻段，其通過在海面石油設(shè)施上部署基站擴(kuò)展了信號(hào)的覆蓋范圍，但數(shù)據(jù)傳輸速率沒有得到明顯改善[2]。在各種海上無線通信系統(tǒng)中，NAVTEX系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)在我國被廣泛應(yīng)用，主要是為了兼容“全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)”，保障船舶海上航行時(shí)的安全。

1.1.3 海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)

海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)是海洋通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是目前實(shí)現(xiàn)海洋全覆蓋的主要可行途徑，其中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的是國際海事衛(wèi)星組織(INMARSAT)所建設(shè)的海事衛(wèi)星系統(tǒng)[3]，目前已經(jīng)發(fā)展至第五代，共包括13顆地球同步軌道衛(wèi)星。海事衛(wèi)星系統(tǒng)從第三代系統(tǒng)開始支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第四代系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)除極地海域外的全球覆蓋，峰值速率為492 kbit/s；第五代系統(tǒng)可以提供50 Mbit/s的下行速率和5 Mbit/s的上行速率，基本滿足了寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。目前后三代系統(tǒng)仍在使用中，應(yīng)用重心依然在船舶航行、海上救援等海洋業(yè)務(wù)，但也可以為航空和陸地通信提供服務(wù)。

根據(jù)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)下發(fā)疑點(diǎn)信息后，各單位的信息反饋是確定是否存在問題的重要判斷依據(jù)，也是及時(shí)解決問題的前提。因此，要進(jìn)一步完善動(dòng)態(tài)監(jiān)控疑點(diǎn)信息核查和反饋制度，監(jiān)控部門要對監(jiān)控疑點(diǎn)及時(shí)整理、及時(shí)下達(dá)、限時(shí)反饋、督促整改；預(yù)算單位應(yīng)認(rèn)真核查疑點(diǎn)信息反映的情況，真實(shí)、完整的反饋信息，對存在的問題立即整改，對體制、機(jī)制方面的問題要分析上報(bào)。監(jiān)控部門對反饋信息仍存在質(zhì)疑的，應(yīng)采取現(xiàn)場檢查等方式進(jìn)行核查，確保準(zhǔn)確反映存在的問題。

除了海事衛(wèi)星系統(tǒng)外，各國建設(shè)的大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)雖然并非為海洋場景和海事活動(dòng)量身定制，但都將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋作為最基本的目標(biāo)。因此，只要海面上部署的地球站和用戶終端與太空衛(wèi)星相適配，各類衛(wèi)星系統(tǒng)均可適用于海洋通信。銥星系統(tǒng)屬于全球性衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[9]，以為全球任何區(qū)域的用戶提供移動(dòng)通信服務(wù)為目標(biāo)，目前其可以提供的峰值速率僅為4.7 kbit/s，但正在建設(shè)的下一代系統(tǒng)“Iridium-NEXT”將極大地提高數(shù)據(jù)速率，在L波段和Ka波段分別達(dá)到1.5 Mbit/s和8 Mbit/s。全球星系統(tǒng)也屬于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且和銥星系統(tǒng)一樣使用了近地軌道，可以提供話音、傳真和短報(bào)文等業(yè)務(wù)，峰值速率為38 kbit/s。我國于2012年開始建設(shè)“天通一號(hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，2016年成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了對太平洋和印度洋大部分海域的覆蓋，目前主要面向應(yīng)急通信和海洋物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，可以提供的峰值速率為384 kbit/s[10]。近年來各航天強(qiáng)國都積極投入到巨型低軌星座系統(tǒng)的建設(shè)中，例如美國的Starlink星座[10]、英國的OneWeb星座[11]，以及我國的“鴻雁”和“虹云”星座[11]。這些巨型低軌星座系統(tǒng)將分別部署從數(shù)百顆到數(shù)萬顆不等的衛(wèi)星以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，為所有地區(qū)的用戶提供低成本的寬帶服務(wù)，將來必定在海洋通信中發(fā)揮重要作用。

1.2 存在的主要問題

雖然上述3種海洋通信系統(tǒng)都經(jīng)過了多年的研究和發(fā)展，但是由于技術(shù)、環(huán)境及電磁波特性等原因，各自均存在難以克服的缺陷。岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)采用成熟的陸地蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)，其速率、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能基本上可以滿足沿岸海事活動(dòng)的需求，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍受限是不可避免的缺陷。海上無線通信系統(tǒng)的基站同樣主要部署在沿岸地區(qū)，盡管采用特定頻率擴(kuò)大了信號(hào)傳輸距離，但是降低了服務(wù)質(zhì)量，只能夠支持窄帶業(yè)務(wù)。作為海洋通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，衛(wèi)星通信的最大優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍極廣，但從太空到地面的遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致其時(shí)延較大，而且終端設(shè)備需要配備高增益天線來彌補(bǔ)傳輸損耗，從而導(dǎo)致成本較高。除了各類系統(tǒng)本身存在的問題之外，多年來各系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)合管理，導(dǎo)致系統(tǒng)間互聯(lián)互通和協(xié)調(diào)工作的能力較差，盡管三者共同構(gòu)成的海洋通信網(wǎng)絡(luò)基本上可以實(shí)現(xiàn)對全球海域的覆蓋，但在網(wǎng)絡(luò)性能方面卻難以滿足未來海洋業(yè)務(wù)多樣化的需求。

從空天地海的角度而言，岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)與海上無線通信系統(tǒng)都屬于地基海洋通信系統(tǒng)，海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)屬于天基海洋通信系統(tǒng)，除此之外，海洋業(yè)務(wù)對空基和海基通信網(wǎng)絡(luò)也存在一定需求。例如，進(jìn)行海上救援時(shí)可以利用無人機(jī)在事故發(fā)生的特定海域上空實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，提供高速率、高可靠、低時(shí)延的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；海上浮標(biāo)可以用來進(jìn)行海洋監(jiān)測和信息感知，如果失事船只的通信系統(tǒng)遭到破壞，附近的海上浮標(biāo)則可以提供報(bào)警和定位功能。BLUECOM+是空基通信系統(tǒng)中的代表性項(xiàng)目，于2016年被研究人員提出，利用繩系氣球?qū)⑼ㄐ殴?jié)點(diǎn)部署在海面上方來實(shí)現(xiàn)多跳中繼，在葡萄牙海岸的試驗(yàn)表明通過兩跳中繼可以覆蓋離岸超過100 km的海域，傳輸速率可以超過3 Mbit/s[13]。在海基通信方面，新加坡的TRITON項(xiàng)目利用船舶作為中繼節(jié)點(diǎn)，將沿岸基站的蜂窩網(wǎng)絡(luò)延伸至海面，覆蓋距離可以達(dá)到30 km，峰值速率為6 Mbit/s[10]；我國在南海海域的鉆井平臺(tái)上成功應(yīng)用了基于TD-LTE技術(shù)的綜合集群調(diào)度系統(tǒng)，在鉆井平臺(tái)及附近船舶上都部署了TD-LTE專網(wǎng)基站，分別為鉆井平臺(tái)工作群組和船舶工作群組提供4G寬帶服務(wù)。空基和海基通信都很容易受到海洋環(huán)境波動(dòng)和氣象條件變化的影響，通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定性差，部署難度較大，目前的空基和海基系統(tǒng)大多形式相對簡單，無法有效應(yīng)對海洋環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力也有待提高。相對于地基和天基通信而言，空基和海基通信發(fā)展明顯不足，各方面技術(shù)尚不成熟。

2 未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從海洋業(yè)務(wù)在空間上的分布來看，海洋漁業(yè)和油氣開采等業(yè)務(wù)大部分在近海海域開展，海上運(yùn)輸、氣象監(jiān)測及海洋勘探等業(yè)務(wù)則經(jīng)常需要涉足遠(yuǎn)海海域。在網(wǎng)絡(luò)需求方面，未來的船舶自主航行需要無線通信網(wǎng)絡(luò)在可靠性和實(shí)時(shí)性上滿足需求；海洋工業(yè)中的安全生產(chǎn)視頻監(jiān)控主要依賴于高速率通信網(wǎng)絡(luò)，而海量設(shè)備接入則對網(wǎng)絡(luò)的容量有更高要求；進(jìn)行海上緊急救援時(shí)，快組網(wǎng)、高速率、低時(shí)延、高可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)是救援活動(dòng)迅速開展、現(xiàn)場畫面實(shí)時(shí)傳輸、救援指令準(zhǔn)確下達(dá)的保障。因此，各項(xiàng)海事活動(dòng)和海洋業(yè)務(wù)對無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的需求存在明顯差異。天基、空基、地基、海基中的每種通信系統(tǒng)都各有優(yōu)勢和缺陷，任意一種通信系統(tǒng)都無法完全滿足全球海域的無縫覆蓋和海洋業(yè)務(wù)的異質(zhì)化、精細(xì)化需求，因此未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)需要各類通信系統(tǒng)的有機(jī)融合，從而形成空天地海一體化的海洋通信網(wǎng)絡(luò)[14-15]。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示，該架構(gòu)主要由天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)、地基網(wǎng)絡(luò)和海基網(wǎng)絡(luò)四部分組成。其中，天基網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對全球海域的覆蓋，提供寬帶或窄帶服務(wù)；空基網(wǎng)絡(luò)適用于對特定區(qū)域提供高速率低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；地基網(wǎng)絡(luò)沿岸部署基站，可以保證近岸海域的高質(zhì)量寬帶服務(wù)；海基網(wǎng)絡(luò)通過海上浮標(biāo)作為中繼實(shí)現(xiàn)岸基網(wǎng)絡(luò)的延伸，或者由船載基站接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)而為周圍小型船只提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)之間根據(jù)海洋環(huán)境和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行必要的連接，確保船舶、海上作業(yè)平臺(tái)及海岸之間的互聯(lián)互通。所有子網(wǎng)絡(luò)各司其職而又相同協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對全海域的覆蓋和對全業(yè)務(wù)的支持，各項(xiàng)海事活動(dòng)和海洋業(yè)務(wù)根據(jù)其到海岸的距離、對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求以及自身網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能等因素靈活選擇最高效、最經(jīng)濟(jì)的接入網(wǎng)絡(luò)和通信方式。例如，港口距離海岸較近，直接由沿岸基站提供寬帶服務(wù)；海上油氣資源開采中的遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)監(jiān)控等業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能要求較高，需要沿岸基站或船載基站提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；海上救援任務(wù)發(fā)生在小范圍區(qū)域，可以通過附近的海上浮標(biāo)定位事故位置，由無人機(jī)實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，通過寬帶衛(wèi)星或空中基站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場畫面的實(shí)時(shí)回傳以及救援指令的準(zhǔn)確下達(dá)；遠(yuǎn)洋航行時(shí)的船舶導(dǎo)航對數(shù)據(jù)速率要求較低，可以由窄帶衛(wèi)星提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；無人艇和無人機(jī)將在未來海戰(zhàn)中作為主戰(zhàn)裝備登場，實(shí)施戰(zhàn)場偵察、精準(zhǔn)打擊和集群作戰(zhàn)等任務(wù)，天基網(wǎng)絡(luò)和空基網(wǎng)絡(luò)將發(fā)揮不可替代的作用。

圖1 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Space-air-ground-sea integrated network architecture

3 未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

在空天地海一體化的宏觀架構(gòu)下，未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計(jì)、部署到實(shí)際應(yīng)用的過程中仍面臨一系列難題，由于海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的顯著差異，陸地通信中的許多技術(shù)無法在海洋通信中直接使用。因此，未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)還需要在一些關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，具體包括海洋環(huán)境信道建模、高可靠自適應(yīng)組網(wǎng)及智能資源管控等方面。

3.1 海洋環(huán)境信道建模

與陸地通信的信道環(huán)境相比，潮汐、海浪、濕度、氣壓及海水蒸發(fā)等因素的綜合作用使海洋通信的信道環(huán)境更加復(fù)雜，對海洋通信的信道建模除了考慮天線高度、傳輸距離及信號(hào)頻率等參數(shù)外[16-17]，還必須考慮獨(dú)特的海洋環(huán)境對電磁波的影響，對海洋環(huán)境下的信道條件進(jìn)行全面分析與準(zhǔn)確建模是設(shè)計(jì)和部署海洋通信網(wǎng)絡(luò)的前提。

海洋信道模型[18-19]可以用于無線網(wǎng)絡(luò)部署前對信道容量、傳輸增益等性能的評(píng)估，但在實(shí)際通信過程中海洋環(huán)境的變化仍然會(huì)導(dǎo)致其缺乏靈活性、準(zhǔn)確性和全面性。部署全方位、全要素的海洋環(huán)境態(tài)勢感知系統(tǒng)來收集濕度、氣壓等海洋信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)充分挖掘海洋環(huán)境信息與時(shí)空維度之間、海洋環(huán)境信息與實(shí)測信號(hào)增益之間的相關(guān)性，為海洋環(huán)境變化的預(yù)測和信道估計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。基于海洋環(huán)境變化相對較慢的性質(zhì)，在實(shí)際通信中只需設(shè)置合適的時(shí)間間隔來感知海洋信息，通過對環(huán)境信息的感知及預(yù)測，系統(tǒng)可以利用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對信道模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使海洋信道估計(jì)更加準(zhǔn)確，為通信系統(tǒng)天線高度、波束方向及載波頻率等參數(shù)的及時(shí)調(diào)整提供指導(dǎo)，從而提高海洋通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

3.2 高可靠自適應(yīng)組網(wǎng)

在面向海洋場景的空基通信系統(tǒng)中，無人機(jī)和飛艇等空中基站或節(jié)點(diǎn)長時(shí)間處于高速移動(dòng)狀態(tài)，并且海洋上惡劣的氣象條件也可能導(dǎo)致通信設(shè)備故障或者傳輸鏈路斷裂，以上因素都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化，進(jìn)而引起局部網(wǎng)絡(luò)甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信問題。當(dāng)海基通信系統(tǒng)中的基站和節(jié)點(diǎn)部署在船舶或無人艇上時(shí)，其會(huì)在組網(wǎng)方面面臨與空基通信系統(tǒng)相似的問題。因此，未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)需要具備基于高可靠通信鏈路的自適應(yīng)組網(wǎng)機(jī)制。

通信鏈路的高可靠性依賴于能夠提供高檢錯(cuò)能力和高糾錯(cuò)能力的信道編碼方式，需要對已有的差錯(cuò)控制方式進(jìn)行創(chuàng)新，或者將多種差錯(cuò)控制方式有機(jī)融合、取長補(bǔ)短。此外，在算法設(shè)計(jì)上減輕用戶之間的相互干擾也是提高鏈路傳輸可靠性的關(guān)鍵。例如，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)和博弈論等方法選擇干擾最小的傳輸信道和優(yōu)化的發(fā)射功率[20-21]，可以提高各用戶接收信號(hào)的信噪比，分別在頻率域和功率域增強(qiáng)鏈路的可靠性。

自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)使無人機(jī)、飛艇和船舶可以在實(shí)際應(yīng)用場景中選擇合適的組網(wǎng)模式，根據(jù)覆蓋區(qū)域的大小、設(shè)備數(shù)量的多少以及對網(wǎng)絡(luò)性能的需求等要素在無中心、單中心及多中心等模式中進(jìn)行選擇，各種組網(wǎng)模式如圖2所示(以海面上空的無人機(jī)組網(wǎng)為例)。

圖2 各組網(wǎng)模式示意圖Fig.2 Three networking modes

在覆蓋范圍較小、無人機(jī)數(shù)量較少的情況下，如果海洋業(yè)務(wù)對無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求較高，無人機(jī)可以選擇無中心模式進(jìn)行組網(wǎng)，任意無人機(jī)的故障或通信鏈路的斷裂都不會(huì)影響其他無人機(jī)與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸。無中心組網(wǎng)還要求基站的數(shù)量和空間分布符合一定條件，使任意無人機(jī)可以與最近的船載基站或空中基站保持高可靠、低時(shí)延的通信；如果基站數(shù)量較少，則單中心組網(wǎng)的效果會(huì)更好，將與基站之間通信質(zhì)量最好的無人機(jī)設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)，使其作為其他無人機(jī)與基站之間的中繼提供服務(wù)。當(dāng)無人機(jī)組網(wǎng)所需覆蓋的范圍較大、無人機(jī)數(shù)量較多時(shí)，無中心和單中心組網(wǎng)都會(huì)導(dǎo)致極大的鏈路開銷，因此多中心組網(wǎng)更適合此類場景。實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)組網(wǎng)的核心在于開發(fā)一種良好的路由協(xié)議[22-23]，使其支持對環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)感知、高度自適應(yīng)路由的建立，以及對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖灾骶S護(hù)和斷裂重組。

海面上空的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在選擇傳輸路徑時(shí)除了考慮路徑長度和路徑擁塞度等因素外，還應(yīng)該充分衡量路徑的穩(wěn)定性[24-25]、最小化鏈路建立后發(fā)生斷裂的概率，或者使無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在鏈路斷裂前可以及時(shí)切換到其他鏈路，避免傳輸中斷。因此，有效的路徑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法可以從源頭上應(yīng)對惡劣環(huán)境下鏈路易斷裂的常見問題，而非在鏈路斷裂后再采取應(yīng)對措施。關(guān)于路徑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的具體實(shí)現(xiàn)，通過在節(jié)點(diǎn)之間有間隔地發(fā)送特定形式的監(jiān)測信號(hào)，并根據(jù)其接收強(qiáng)度衡量路徑穩(wěn)定性是一種簡單的思路。此外，可以增強(qiáng)無人機(jī)對環(huán)境的感知能力和對節(jié)點(diǎn)移動(dòng)軌跡的預(yù)測能力，根據(jù)周圍環(huán)境和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向、速度等因素靈活調(diào)整監(jiān)測信號(hào)的發(fā)送頻率，提高路徑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的有效性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)資源智能管控

海洋通信網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)設(shè)施的選址、部署及維護(hù)等環(huán)節(jié)都會(huì)受到海洋自然條件的限制，隨著海洋業(yè)務(wù)愈發(fā)多樣，如何通過有限的、共同的基礎(chǔ)通信設(shè)施為不同業(yè)務(wù)按需提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是海洋通信必須解決的難題,這要求在未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度和按需配置。

作為未來無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)海洋場景下的不同業(yè)務(wù)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的按需編排和網(wǎng)絡(luò)功能的靈活裁剪[26,27]。具體地，在切片前首先需要獲取海洋業(yè)務(wù)的流量、時(shí)延等特征，完成業(yè)務(wù)特征到服務(wù)級(jí)別的映射，進(jìn)而按照服務(wù)級(jí)別選擇合適的切片。網(wǎng)絡(luò)切片的簡單思路是預(yù)先制定業(yè)務(wù)類型與切片的對應(yīng)關(guān)系，但此方法對網(wǎng)絡(luò)資源的分配依然不夠靈活和精細(xì)，盡管確保了所分配的切片可以滿足特定業(yè)務(wù)的需求，卻無法最大化整個(gè)系統(tǒng)的效能。因此，需要弱化業(yè)務(wù)特征、服務(wù)級(jí)別和切片類型之間的固定關(guān)系，針對海洋業(yè)務(wù)特征直接創(chuàng)建相應(yīng)的切片，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的定制化，在切片的創(chuàng)建過程中利用深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)資源分配方式進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)質(zhì)量與系統(tǒng)整體效能之間的平衡。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)涉及接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)，包括對整個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)中無線域、存儲(chǔ)域和計(jì)算域資源的調(diào)度，將邊緣計(jì)算、動(dòng)態(tài)頻譜共享及超大規(guī)模天線等技術(shù)融入網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)過程中，可以優(yōu)化對計(jì)算、頻譜、空間等特定資源的分配，從而進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的資源管控能力。融合了邊緣計(jì)算等技術(shù)的未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源管控體系如圖3所示，具體地，在海上救援和戰(zhàn)場偵察等任務(wù)中，無人機(jī)往往需要進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)，并且保證圖像視頻等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；受限于自身體積和能量，單個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力非常有限，此時(shí)利用邊緣計(jì)算技術(shù)[28-29]將其計(jì)算任務(wù)卸載到周圍的空閑無人機(jī)或?qū)ｉT的分布式數(shù)據(jù)處理單元，可以通過對計(jì)算資源的高效利用滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸暮偷蜁r(shí)延的需求。在智能化的海上油氣開采等海洋業(yè)務(wù)中，無線網(wǎng)絡(luò)需要利用有限的帶寬支持海量設(shè)備的接入，頻譜所有者獨(dú)占使用權(quán)的傳統(tǒng)頻譜分配方式難以滿足要求；在此場景中利用頻譜感知、接入控制和共享管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享[30-31]，對頻譜占有權(quán)和使用權(quán)進(jìn)行分離，可以靈活調(diào)配用戶的可用頻譜，提高頻譜資源利用率。在海上浮標(biāo)或者島礁上，能夠用來部署基礎(chǔ)設(shè)施的空間非常有限，當(dāng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基站數(shù)量較少時(shí)，在基站上部署大規(guī)模或超大規(guī)模的天線陣列可以充分利用空間自由度[32-33]，通過顯著的波束增益增大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

圖3 未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源管控體系Fig.3 Future marine communication network resource management and control system

4 結(jié)論

未來海洋業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢是拓展至更廣的海域和開展更多樣的工作，對海洋通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求，未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)需要在覆蓋全球海域的基礎(chǔ)上，為各種海洋業(yè)務(wù)提供定制化的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。本文介紹了目前海洋通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r，并對其缺陷和不足進(jìn)行了總結(jié)。針對傳統(tǒng)海洋通信網(wǎng)絡(luò)中存在的主要問題，展望了未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)面臨的難點(diǎn)及其可能的解決途徑，支持未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。