智能反射面輔助的海洋物聯網技術綜述*

徐涴砯，姜勝明

（上海海事大學，上海 201306）

0 引言

海洋通信網絡按照基礎設施建設的地點、資源和環境組成可劃分為四部分：海岸、水面、天空和水下[1]。由于海洋環境的特殊性，海洋中需要部署大量航標、燈塔、浮標傳感器等，以支持船舶定位、搜救、航運、環境監測等應用，因此海洋通信場景包含大量的機器類型通 信 場 景（MTC,Machine-type Communication）[2]。基于此，國際海事組織（IMO,International Maritime Organization）提出海洋物聯網（MIoT,Maritime Internet of Things）的概念。隨著信息技術與海洋經濟的共同發展，海洋物聯網概念被拓展，泛指依賴機器類型通信系統的船舶與海事設備間的交互技術，旨在實現全球范圍內部署的海事設備，以提供泛在連接，推動安全、高效、綠色、智能的海洋經濟。為適應海洋產業的發展，應對智慧海洋通信需求，海洋物聯網的需求逐步朝高帶寬和低時延發展。例如，得益于控制科學與信息技術的發展，無人機、無人船、自主水下航行器等設備在海洋探測、遙控運輸等領域的應用優勢逐步展現。由于作業過程可通過遙控實現，這類無人系統使得海上作業更為安全高效，同時也節省了人員海上作業所帶來的額外開銷與風險，對發展低風險、低能耗、輕污染的綠色海洋經濟有著促進作用[1]。

實現未來海洋物聯網的前提是能提供穩定、可靠的寬帶通信系統。目前，第六代移動通信系統（6G）的技術研發業已開啟，全球無縫覆蓋的空天地海一體化網絡（Space-Air-Ground-Sea Integrated Network）的愿景被提出，與未來海洋物聯網的發展方向不謀而合。未來海洋物聯網可分為近岸通信、高位海洋通信和遠洋通信[3]。前者主要依靠陸基無線網絡來延伸對海洋的覆蓋；后兩者需要長距離的高速無線技術支持，如衛星和無人機載通信。因此，最大程度地將陸地無線網絡覆蓋向海洋延伸，并結合衛星系統或空基無線基站完成信號覆蓋補盲，是一種可行的空天地海一體化覆蓋方案[4]。未來海洋物聯網如圖1 所示：

圖1 未來海洋物聯網

雖然衛星與無人機載基站輔助下的海洋物聯網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，成本開銷大，廣泛商用前景仍有待商榷。事實上，根據人類在海洋的活動范圍，離岸100 公里區域內存在大量的海洋通信需求，這些需求仍有大部分未達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 系統接入陸地核心網完成數據交換，這類方案通常可以支持離岸數十公里內用戶下行兆比特每秒的傳輸速率[5]。然而，由于海洋地理環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射功率。

智能反射面（IRS,Intelligent reflecting surface）是一種由大量的低值可重構無源元件組成的平面陣列，可以通過使入射信號產生相移，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]。由于智能反射面結構輕薄、成本可控且低功耗，若將其搭載在船舶、無人機等作為中繼通信節點，以改善岸基基站與近海用戶間的信號傳播性能，可較低成本實現岸基無線信號的覆蓋區域[8]。目前，基于智能反射面的通信技術研究主要集中在陸地無線通信場景，包括智能反射面的直接信息調制技術與基于智能反射面的無線中繼技術[9]。研究表明，智能反射面通過調整無線信道環境，可以主動改善通信設備間無線傳播環境，在提高陸地移動通信系統傳輸速率、覆蓋范圍以及能量效率方面存在巨大潛力[6-10]。然而，海洋通信環境與陸地有很大的不同，將智能反射面應用于海洋物聯網需要結合海洋信號傳播特性與組網方式作相應的技術研究。

本文以拓展岸基無線通信系統對近岸海洋作業用戶覆蓋性能為出發點，簡要綜述基于智能反射面在海洋物聯網的研究現狀、應用前景以及未來技術研究方向與挑戰。

1 智能反射面輔助的海洋物聯網

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、海浪運動、海面蒸發波導和海面曲度等海洋特殊地理水文環境的影響。此外，因海面通信節點分布稀疏造成的海面散射體的稀疏性，以及節點因海面運動所造成的信道時變非平穩性，也是影響信號傳輸的重要因素。

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（Scattered Weak Paths）。因此，海洋信道模型可以根據發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，主要特征為信號發送機所在位置海拔較高，信號兩端通信距離長，主要考慮直射徑與反射徑，適用于衛星對海、無人機對海等場景。

相比之下，船只間通信、岸基對海通信等場景通信環境更為貼近海面，不可忽略海浪運動和海洋表面波導效應影響。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，需進一步描述散射路徑效應的影響。此外，散射路徑的存在還依賴于接收機天線高度、載波頻率和海面物體數量（如船舶、礁體、鉆井平臺等）等參數[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%，隨著接收機天線高度增加，散射路徑的存在概率會相應減小。海上無線通信信道特性總結具體如表1 所示：

表1 海上無線通信信道特性總結

1.2 IRS輔助的海洋物聯通信技術

針對近岸海上物聯通信場景，一種經濟的寬帶通信實現方案是通過增加中繼傳輸節點，拓展岸基覆蓋范圍，提升系統容量。這類中繼網絡無需預先進行網絡部署，其結構大多都具有自組織性和自愈能力，能夠快捷部署，適合動態海洋網絡環境[14]。然而，海面上沒有穩定的地方可以用來部署網絡設施，中繼通信節點通常部署在海上船舶、浮標或者使用無人機搭載。由于主要依靠電池通信，這些節點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境，從而提高無線通信網絡性能[15]。IRS 輔助的無線系統類似于協作中繼系統，但在物理實現方面，IRS 無需射頻鏈路和有源天線的參與，更易實現且能耗小、電磁污染少，適合應用于對能效和成本要求較高的海上無線中繼網絡。此外，相比大型陣列天線、中繼站等通信節點，IRS 更為輕便且部署簡單，可以靈活地安放在無人船舶、無人機上。IRS 是一種用于改善無線信號傳輸環境的智能控制技術，具有改善海上無線通信環境的潛力，在未來6G 通信網絡中將發揮特別重要的作用[16-17]。下面介紹三種IRS 輔助的海洋物聯通信場景：

場景1：IRS 輔助的海上通信增強場景

IRS 可以用來增強海上傳輸信號。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上架設IRS，通過智能表面的電磁單元調節基站發射信號相移，使其可以與其它路徑傳播的信號在接收機疊加后增強離岸用戶的接收信號質量[18]。

大規模天線陣列技術（Massive MIMO）可用于滿足一些高帶寬海洋應用場景的需求[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用[19]。將IRS 與傳統MIMO 技術結合，除了擴展高頻信號的傳輸距離，還能夠克服收發天線數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，降低了硬件復雜度，與傳統MIMO 技術結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如圖2 所示：

圖2 IRS輔助的船基無線通信系統

場景2：IRS 輔助的海上D2D 通信場景

D2D（Device to Device）通信技術支持兩個對等的通信節點在一定距離范圍內直接實現通信而無需接入核心網。在陸地移動通信系統中，D2D 技術常被用于蜂窩系統下的數據卸載。海洋物聯網也存在大量D2D 通信場景，如海洋傳感器網絡、無人船/ 機間通信等。雖然海上通信節點主要通過視距傳輸，有利于D2D 通信，但由于節點分布稀疏且節點間信道狀態變化快，不利于節點間信道狀態信息的估計與鏈路建立[12]；若通信節點所在區域信號覆蓋不穩定，將增加D2D 通信鏈路的建立和維護的難度。

在基于D2D 通信的海洋物聯網中部署智能反射面，通過調節入射信號相位等傳輸參數來改善節點間信號傳播，有助于改善設備間的通信環境，增強數據傳輸能力。此外，智能反射面不同無源反射點支持獨立調節入射信號，可以支持反射區域內大規模低速D2D 通信場景[20]，適用于由大量航標、浮標傳感器等組成的低速海洋傳感器網絡的數據通信需求。

場景3：IRS-MIMO-NOMA 近岸傳輸場景

在近岸Massive MIMO 傳輸系統中，空分多址接入技術（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。作為一種正交多址接入技術，SDMA 能提供的用戶接入數量由傳輸資源模塊的數量決定。非正交多址接入技術（NOMA,Nonorthogonal Multiple Access）可在單個傳輸模塊中，通過多用戶疊加傳輸技術提升頻譜復用率，被認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[21]。

理論上，將NOMA 代替SDMA 為MIMO 系統用戶提供服務，能增加單波束上的服務用戶數量，繼而提升系統頻譜效率。然而，NOMA 技術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向量（Channel State Vector）需同向[22]。在傳統無線傳輸系統中，用戶信道狀態向量由傳播環境決定，這很大程度上限制了NOMA 技術的性能。將IRS 與NOMA 結合，可通過改變信道傳播環境以矯正同傳輸資源塊中的各NOMA 用戶的信道狀態向量方向，繼而進一步提升下行MIMO-NOMA 系統頻譜利用率[23]。因此，在場景1 的基礎上應用NOMA 技術，理論上能夠提升近岸用戶接入數量，從而提升頻譜效率。

2 尚需研究的問題

（1）IRS 信道建模與系統性能評估

IRS 不能簡單地抽象成某一個通信節點。現有的智能反射面信道模型主要采用3GPP 和ITU 的傳統無線信道模型，并不適用于描述IRS 信道。此外，IRS 的相位響應也被簡化為對角陣，缺少實測數據的支撐。因此，未來需要對IRS 與發射/ 接收端節點間的信道特征分析、建模與驗證測試。特別地，IRS 的信道特征受到發射/ 接收端節點和部署位置的影響，必要時需要使用空間建模來準確地評估系統性能[24]。海洋通信系統節點動態性強，這對IRS 的信道建模與系統分析的準確性提出了挑戰。

（2）信道估計與反饋機制

獲取實時、準確的信道狀態信息，是IRS 改善信號傳播特性、獲得理想性能的前提。然而，IRS 不具備自主進行信道估計的能力，同時反射單元的無源特性及其龐大的數目都是IRS 獲取準確信道估計的主要障礙。對于典型的IRS 輔助的下行無線傳輸場景，信道估計由基站完成，然后基站將估計的數據發送給IRS 處的控制器，由控制器依據所得信息調整反射單元相移[25]。在海洋通信場景中，信道估計數據的傳輸無需大帶寬，可以使用海事無線電等窄帶、廣覆蓋的通信系統完成。但如需獲得實時、準確的信道狀態信息，勢必需要短時間內頻繁更新數據，當移動用戶較多時，信道估計負擔就會很沉重。因此，對于節點移動性高的海洋通信網絡，在滿足一定準確度下的高效信道估計是發展IRS 協助的海洋無線通信系統的另一個挑戰。

（3）IRS 在海上無線系統中的部署

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

3 結束語

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