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

在過去的半個多世紀，包括電纜和光纜等有線通信以及從1G～6G的移動通信等在內(nèi)的現(xiàn)代通信技術(shù)層出不窮、迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在人類社會的各行各業(yè)，成為社會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，海洋上的人類活動比較有限，對通信網(wǎng)絡(luò)的需求遠不如陸地場景；另一方面，在海洋上部署基礎(chǔ)通信設(shè)施時設(shè)備選址受限，氣象狀況多變、海水運動頻繁等復(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，需要實際需求作為動力，更需要科學(xué)方法和先進技術(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、國防、能源等各方面具有重要意義，黨的十八大首次提出了“海洋強國”戰(zhàn)略，旨在增強我國在開發(fā)海洋、利用海洋、保護海洋和管控海洋各方面的綜合實力。習(xí)近平總書記在十九大中再次強調(diào)“加快建設(shè)海洋強國”，充分體現(xiàn)出海洋在我國現(xiàn)代化進程中愈發(fā)重要的現(xiàn)實意義和戰(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)略的實施以及“智慧海洋”工程的推進，海洋活動愈發(fā)頻繁，海洋業(yè)務(wù)種類愈發(fā)多樣，海上運輸、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 岸基移動通信系統(tǒng)

岸基移動通信系統(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，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月便實現(xiàn)了對南沙群島7個島礁的4G信號覆蓋，島上基站需要借助衛(wèi)星鏈路實現(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個光纜4G基站，覆蓋了永暑礁、渚碧礁和美濟礁等島礁及附近海域，傳輸速率遠高于此前的衛(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]。煙臺移動與山東耕海海洋科技有限公司共同開展了“耕海一號”海洋牧場項目，該項目引入了先進的5G技術(shù)，可以利用5G水下攝像系統(tǒng)實時觀察水產(chǎn)的生長情況，加快近海養(yǎng)殖到遠海養(yǎng)殖的進軍；國內(nèi)首例海洋牧場無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)也已經(jīng)在煙臺長島建設(shè)成功，可以實現(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程水質(zhì)采樣、自動分析、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)，其信號發(fā)射基站同樣部署在沿岸地區(qū)，與岸基移動通信系統(tǒng)的區(qū)別主要在于用頻更靈活、覆蓋距離更遠、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，但是只能提供純文本通信服務(wù)，而且傳輸時延較大[8]；AIS系統(tǒng)利用甚高頻信道傳輸信號，可以為近海區(qū)域和遠海區(qū)域提供不同的信道帶寬，能實現(xiàn)9.6 kbit/s的實時數(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)施上部署基站擴展了信號的覆蓋范圍，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“全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)”，保障船舶海上航行時的安全。

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)疑點下發(fā)疑點信息后，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)，也是及時解決問題的前提。因此，要進一步完善動態(tài)監(jiān)控疑點信息核查和反饋制度，監(jiān)控部門要對監(jiān)控疑點及時整理、及時下達、限時反饋、督促整改；預(yù)算單位應(yīng)認真核查疑點信息反映的情況，真實、完整的反饋信息，對存在的問題立即整改，對體制、機制方面的問題要分析上報。監(jiān)控部門對反饋信息仍存在質(zhì)疑的，應(yīng)采取現(xiàn)場檢查等方式進行核查，確保準確反映存在的問題。

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量身定制，但都將實現(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)星移動通信系統(tǒng)[9]，以為全球任何區(qū)域的用戶提供移動通信服務(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波段分別達到1.5 Mbit/s和8 Mbit/s。全球星系統(tǒng)也屬于衛(wèi)星移動通信系統(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”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，2016年成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星，實現(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、時延等網(wǎng)絡(luò)性能基本上可以滿足沿岸海事活動的需求，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大了信號傳輸距離，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)的重要補充，衛(wèi)星通信的最大優(yōu)點是覆蓋范圍極廣，但從太空到地面的遠距離傳輸導(dǎo)致其時延較大，而且終端設(shè)備需要配備高增益天線來彌補傳輸損耗，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)獨立發(fā)展，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準和聯(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?；ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)也存在一定需求。例如，進行海上救援時可以利用無人機在事故發(fā)生的特定海域上空實現(xiàn)快速組網(wǎng)，提供高速率、高可靠、低時延的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；海上浮標(biāo)可以用來進行海洋監(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)則可以提供報警和定位功能。BLUECOM+是空基通信系統(tǒng)中的代表性項目，于2016年被研究人員提出，利用繩系氣球?qū)⑼ㄐ殴?jié)點部署在海面上方來實現(xiàn)多跳中繼，在葡萄牙海岸的試驗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項目利用船舶作為中繼節(jié)點，將沿岸基站的蜂窩網(wǎng)絡(luò)延伸至海面，覆蓋距離可以達到30 km，峰值速率為6 Mbit/s[10]；我國在南海海域的鉆井平臺上成功應(yīng)用了基于TD-LTE技術(shù)的綜合集群調(diào)度系統(tǒng)，在鉆井平臺及附近船舶上都部署了TD-LTE專網(wǎng)基站，分別為鉆井平臺工作群組和船舶工作群組提供4G寬帶服務(wù)?？栈秃；ㄐ哦己苋菀资艿胶Ｑ蟓h(huán)境波動和氣象條件變化的影響，通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)拓撲的穩(wěn)定性差，部署難度較大，目前的空基和?；到y(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?；ㄐ虐l(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)在可靠性和實時性上滿足需求；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；進行海上緊急救援時，快組網(wǎng)、高速率、低時延、高可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)是救援活動迅速開展、現(xiàn)場畫面實時傳輸、救援指令準確下達的保障。因此，各項海事活動和海洋業(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、?；械拿糠N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?；W(wǎng)絡(luò)四部分組成。其中，天基網(wǎng)絡(luò)可以實現(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，進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)的各個子網(wǎng)絡(luò)之間根據(jù)海洋環(huán)境和業(yè)務(wù)需求進行必要的連接，確保船舶、海上作業(yè)平臺及海岸之間的互聯(lián)互通。所有子網(wǎng)絡(luò)各司其職而又相同協(xié)調(diào)，實現(xiàn)對全海域的覆蓋和對全業(yè)務(wù)的支持，各項海事活動和海洋業(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程操控、實時監(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，由無人機實現(xiàn)快速組網(wǎng)，通過寬帶衛(wèi)星或空中基站實現(xiàn)現(xiàn)場畫面的實時回傳以及救援指令的準確下達；遠洋航行時的船舶導(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)；無人艇和無人機將在未來海戰(zhàn)中作為主戰(zhàn)裝備登場，實施戰(zhàn)場偵察、精準打擊和集群作戰(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、部署到實際應(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、傳輸距離及信號頻率等參數(shù)外[16-17]，還必須考慮獨特的海洋環(huán)境對電磁波的影響，對海洋環(huán)境下的信道條件進行全面分析與準確建模是設(shè)計和部署海洋通信網(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估，但在實際通信過程中海洋環(huán)境的變化仍然會導(dǎo)致其缺乏靈活性、準確性和全面性。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)境信息與時空維度之間、海洋環(huán)境信息與實測信號增益之間的相關(guān)性，為海洋環(huán)境變化的預(yù)測和信道估計提供經(jīng)驗和依據(jù)?；诤Ｑ蟓h(huán)境變化相對較慢的性質(zhì)，在實際通信中只需設(shè)置合適的時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和經(jīng)驗對信道模型進行實時修正，使海洋信道估計更加準確，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，無人機和飛艇等空中基站或節(jié)點長時間處于高速移動狀態(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，以上因素都會造成網(wǎng)絡(luò)拓撲的頻繁變化，進而引起局部網(wǎng)絡(luò)甚至整個網(wǎng)絡(luò)的通信問題。當(dāng)?；ㄐ畔到y(tǒng)中的基站和節(jié)點部署在船舶或無人艇上時，其會在組網(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)機制。

通信鏈路的高可靠性依賴于能夠提供高檢錯能力和高糾錯能力的信道編碼方式，需要對已有的差錯控制方式進行創(chuàng)新，或者將多種差錯控制方式有機融合、取長補短。此外，在算法設(shè)計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的信噪比，分別在頻率域和功率域增強鏈路的可靠性。

自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)使無人機、飛艇和船舶可以在實際應(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行選擇，各種組網(wǎng)模式如圖2所示(以海面上空的無人機組網(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，無人機可以選擇無中心模式進行組網(wǎng)，任意無人機的故障或通信鏈路的斷裂都不會影響其他無人機與基站之間的數(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，使任意無人機可以與最近的船載基站或空中基站保持高可靠、低時延的通信；如果基站數(shù)量較少，則單中心組網(wǎng)的效果會更好，將與基站之間通信質(zhì)量最好的無人機設(shè)置為中心節(jié)點，使其作為其他無人機與基站之間的中繼提供服務(wù)。當(dāng)無人機組網(wǎng)所需覆蓋的范圍較大、無人機數(shù)量較多時，無中心和單中心組網(wǎng)都會導(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)境變化的動態(tài)感知、高度自適應(yīng)路由的建立，以及對網(wǎng)絡(luò)拓撲的自主維護和斷裂重組。

海面上空的無人機節(jié)點在選擇傳輸路徑時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，或者使無人機節(jié)點在鏈路斷裂前可以及時切換到其他鏈路，避免傳輸中斷。因此，有效的路徑穩(wěn)定性評價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)定性評價方法的具體實現(xiàn)，通過在節(jié)點之間有間隔地發(fā)送特定形式的監(jiān)測信號，并根據(jù)其接收強度衡量路徑穩(wěn)定性是一種簡單的思路。此外，可以增強無人機對環(huán)境的感知能力和對節(jié)點移動軌跡的預(yù)測能力，根據(jù)周圍環(huán)境和節(jié)點移動方向、速度等因素靈活調(diào)整監(jiān)測信號的發(fā)送頻率，提高路徑穩(wěn)定性評價的有效性。

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、部署及維護等環(huán)節(jié)都會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、時延等特征，完成業(yè)務(wù)特征到服務(wù)級別的映射，進而按照服務(wù)級別選擇合適的切片。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，盡管確保了所分配的切片可以滿足特定業(yè)務(wù)的需求，卻無法最大化整個系統(tǒng)的效能。因此，需要弱化業(yè)務(wù)特征、服務(wù)級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)資源分配方式進行優(yōu)化，實現(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)，包括對整個端到端網(wǎng)絡(luò)中無線域、存儲域和計算域資源的調(diào)度，將邊緣計算、動態(tài)頻譜共享及超大規(guī)模天線等技術(shù)融入網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)過程中，可以優(yōu)化對計算、頻譜、空間等特定資源的分配，從而進一步增強系統(tǒng)的資源管控能力。融合了邊緣計算等技術(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，無人機往往需要進行長時間作業(yè)，并且保證圖像視頻等數(shù)據(jù)的實時傳輸；受限于自身體積和能量，單個無人機節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力非常有限，此時利用邊緣計算技術(shù)[28-29]將其計算任務(wù)卸載到周圍的空閑無人機或?qū)ｉT的分布式數(shù)據(jù)處理單元，可以通過對計算資源的高效利用滿足無人機數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸暮偷蜁r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)實現(xiàn)動態(tài)頻譜共享[30-31]，對頻譜占有權(quán)和使用權(quán)進行分離，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，在基站上部署大規(guī)?；虺笠?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)，并分析了各項關(guān)鍵技術(shù)面臨的難點及其可能的解決途徑，支持未來海洋通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。