未来海洋通信网络架构与关键技术

张海君，苏仁伟，唐 斌，王成才，隆克平，陆 军*

(1.北京科技大学，北京 100083；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

在过去的半个多世纪，包括电缆和光缆等有线通信以及从1G～6G的移动通信等在内的现代通信技术层出不穷、迅速发展，广泛应用在人类社会的各行各业，成为社会信息化变革的重要支撑。然而，现代通信技术的应用主要局限在陆地场景，在海洋上的应用和拓展不足，导致海洋通信的发展与陆地通信相比明显滞后，主要有以下两方面的原因：一方面，21世纪之前人类尚未开始对海洋的大规模开发利用，海洋上的人类活动比较有限，对通信网络的需求远不如陆地场景；另一方面，在海洋上部署基础通信设施时设备选址受限，气象状况多变、海水运动频繁等复杂的环境因素给通信网络的部署和维护带来巨大挑战，海洋的自然条件在很大程度上制约了海洋通信的发展。因此，加速海洋通信网络的发展，需要实际需求作为动力，更需要科学方法和先进技术作为手段。

对于我国这样的海洋大国而言，海洋在政治、经济、国防、能源等各方面具有重要意义，党的十八大首次提出了“海洋强国”战略，旨在增强我国在开发海洋、利用海洋、保护海洋和管控海洋各方面的综合实力。习近平总书记在十九大中再次强调“加快建设海洋强国”，充分体现出海洋在我国现代化进程中愈发重要的现实意义和战略意义。为了响应国家的海洋战略需求，“智慧海洋”工程获得政府、企业和研究机构的高度重视，致力于提高我国的海洋开发利用能力和海洋管理能力。智慧海洋依托于信息化技术的发展，完善的海洋信息采集与传输体系是智慧海洋的基础，健全的海洋通信网络是赋能智慧海洋的关键支撑[1]。

随着国家海洋战略的实施以及“智慧海洋”工程的推进，海洋活动愈发频繁，海洋业务种类愈发多样，海上运输、海洋渔业、气象监测、油气开采及海洋勘探等业务都在向更高效、更安全、更便捷的目标发展，全覆盖、高质量的海洋通信网络需求日益增加，亟需克服复杂环境给海洋通信发展造成的难题，建立完备的海洋通信网络，实现对海域的全覆盖和对海洋业务的全支持，助力人类对海洋的开发和利用。

本文介绍了传统的海洋通信系统，总结了海洋通信网络发展过程中存在的主要问题，对未来海洋通信网络的系统架构进行了展望，分析了海洋环境信道建模、高可靠自适应组网和智能网络资源管控三项关键技术所面临的难题及其可能的解决途径。

1 海洋通信发展现状

1.1 传统海洋通信系统

经过多年的发展，海洋通信已经获得了深厚的技术积累，传统海洋通信系统主要包括岸基移动通信系统、海上无线通信系统和海洋卫星通信系统[2]，各系统在覆盖范围、传输速率及网络时延等方面存在较大差异，适合于不同的海洋业务。

1.1.1 岸基移动通信系统

岸基移动通信系统是陆地蜂窝网等技术在沿岸地区的应用和延伸，通过增加沿岸基站的天线高度和发射功率，或者在近海岛礁上部署基站或中继节点，在保证服务质量的前提下尽量增大无线网络对海域的覆盖范围。在目前已经成功部署的岸基移动通信系统中，大多是通过LTE网络为近海海域的用户提供宽带服务。华为与挪威通信服务商Tampnet联合开发的离岸LTE网络可以为离岸20～50 km的用户提供语音和数据服务，上下行速率可以达到1 Mbit/s和2 Mbit/s[3]。韩国LTE-Maritime系统中的沿岸基站可以为离岸30 km内的用户提供宽带服务，上下行平均速率分别为3 Mbit/s和6 Mbit/s[4]。中国电信早在2016年7月便实现了对南沙群岛7个岛礁的4G信号覆盖，岛上基站需要借助卫星链路实现数据回传；2017年中国电信利用海底光缆在南沙群岛开通了4个光缆4G基站，覆盖了永暑礁、渚碧礁和美济礁等岛礁及附近海域，传输速率远高于此前的卫星基站。

近年来，5G技术趋向成熟并逐步商用，在智慧海洋的建设中也大显身手[5-6]。烟台移动与山东耕海海洋科技有限公司共同开展了“耕海一号”海洋牧场项目，该项目引入了先进的5G技术，可以利用5G水下摄像系统实时观察水产的生长情况，加快近海养殖到远海养殖的进军；国内首例海洋牧场无线专网通信系统也已经在烟台长岛建设成功，可以实现水下数据采集以及视频数据的百兆传输。福建移动于2019年在惠安海域部署了泉州首批用于覆盖海面的5G基站，并在无人海洋监测船的首次航行中完成了远程水质采样、自动分析、视频及环境数据监测等业务流程，开始以信息化手段进行海洋管理、环境监测等工作。

1.1.2 海上无线通信系统

海上无线通信系统主要包括NAVTEX、PACTOR和AIS等窄带无线通信系统，其信号发射基站同样部署在沿岸地区，与岸基移动通信系统的区别主要在于用频更灵活、覆盖距离更远、数据传输速率更低。具体地，NAVTEX系统工作在中频频段，为离岸370 km以内的海上船只和用户提供气象预警和导航数据等服务[7]；PACTOR属于高频系统，覆盖范围比NAVTEX系统更远，但是只能提供纯文本通信服务，而且传输时延较大[8]；AIS系统利用甚高频信道传输信号，可以为近海区域和远海区域提供不同的信道带宽，能实现9.6 kbit/s的实时数据传输[7]；挪威的Telenor系统同样工作在甚高频频段，其通过在海面石油设施上部署基站扩展了信号的覆盖范围，但数据传输速率没有得到明显改善[2]。在各种海上无线通信系统中，NAVTEX系统和AIS系统在我国被广泛应用，主要是为了兼容“全球海上遇险与安全系统(GMDSS)”，保障船舶海上航行时的安全。

1.1.3 海洋卫星通信系统

海洋卫星通信系统是海洋通信网络的重要组成部分，是目前实现海洋全覆盖的主要可行途径，其中发展最成熟、应用最广泛的是国际海事卫星组织(INMARSAT)所建设的海事卫星系统[3]，目前已经发展至第五代，共包括13颗地球同步轨道卫星。海事卫星系统从第三代系统开始支持分组数据业务；第四代系统可以实现除极地海域外的全球覆盖，峰值速率为492 kbit/s；第五代系统可以提供50 Mbit/s的下行速率和5 Mbit/s的上行速率，基本满足了宽带网络服务的需求。目前后三代系统仍在使用中，应用重心依然在船舶航行、海上救援等海洋业务，但也可以为航空和陆地通信提供服务。

根据监控发现疑点下发疑点信息后，各单位的信息反馈是确定是否存在问题的重要判断依据，也是及时解决问题的前提。因此，要进一步完善动态监控疑点信息核查和反馈制度，监控部门要对监控疑点及时整理、及时下达、限时反馈、督促整改；预算单位应认真核查疑点信息反映的情况，真实、完整的反馈信息，对存在的问题立即整改，对体制、机制方面的问题要分析上报。监控部门对反馈信息仍存在质疑的，应采取现场检查等方式进行核查，确保准确反映存在的问题。

除了海事卫星系统外，各国建设的大多数卫星系统虽然并非为海洋场景和海事活动量身定制，但都将实现全球覆盖作为最基本的目标。因此，只要海面上部署的地球站和用户终端与太空卫星相适配，各类卫星系统均可适用于海洋通信。铱星系统属于全球性卫星移动通信系统[9]，以为全球任何区域的用户提供移动通信服务为目标，目前其可以提供的峰值速率仅为4.7 kbit/s，但正在建设的下一代系统“Iridium-NEXT”将极大地提高数据速率，在L波段和Ka波段分别达到1.5 Mbit/s和8 Mbit/s。全球星系统也属于卫星移动通信系统，并且和铱星系统一样使用了近地轨道，可以提供话音、传真和短报文等业务，峰值速率为38 kbit/s。我国于2012年开始建设“天通一号”卫星移动通信系统，2016年成功发射第一颗卫星，实现了对太平洋和印度洋大部分海域的覆盖，目前主要面向应急通信和海洋物联网等领域，可以提供的峰值速率为384 kbit/s[10]。近年来各航天强国都积极投入到巨型低轨星座系统的建设中，例如美国的Starlink星座[10]、英国的OneWeb星座[11]，以及我国的“鸿雁”和“虹云”星座[11]。这些巨型低轨星座系统将分别部署从数百颗到数万颗不等的卫星以实现全球覆盖，为所有地区的用户提供低成本的宽带服务，将来必定在海洋通信中发挥重要作用。

1.2 存在的主要问题

虽然上述3种海洋通信系统都经过了多年的研究和发展，但是由于技术、环境及电磁波特性等原因，各自均存在难以克服的缺陷。岸基移动通信系统采用成熟的陆地蜂窝网通信技术，其速率、时延等网络性能基本上可以满足沿岸海事活动的需求，但网络覆盖范围受限是不可避免的缺陷。海上无线通信系统的基站同样主要部署在沿岸地区，尽管采用特定频率扩大了信号传输距离，但是降低了服务质量，只能够支持窄带业务。作为海洋通信网络的重要补充，卫星通信的最大优点是覆盖范围极广，但从太空到地面的远距离传输导致其时延较大，而且终端设备需要配备高增益天线来弥补传输损耗，从而导致成本较高。除了各类系统本身存在的问题之外，多年来各系统独立发展，缺乏统一标准和联合管理，导致系统间互联互通和协调工作的能力较差，尽管三者共同构成的海洋通信网络基本上可以实现对全球海域的覆盖，但在网络性能方面却难以满足未来海洋业务多样化的需求。

从空天地海的角度而言，岸基移动通信系统与海上无线通信系统都属于地基海洋通信系统，海洋卫星通信系统属于天基海洋通信系统，除此之外，海洋业务对空基和海基通信网络也存在一定需求。例如，进行海上救援时可以利用无人机在事故发生的特定海域上空实现快速组网，提供高速率、高可靠、低时延的宽带网络服务；海上浮标可以用来进行海洋监测和信息感知，如果失事船只的通信系统遭到破坏，附近的海上浮标则可以提供报警和定位功能。BLUECOM+是空基通信系统中的代表性项目，于2016年被研究人员提出，利用绳系气球将通信节点部署在海面上方来实现多跳中继，在葡萄牙海岸的试验表明通过两跳中继可以覆盖离岸超过100 km的海域，传输速率可以超过3 Mbit/s[13]。在海基通信方面，新加坡的TRITON项目利用船舶作为中继节点，将沿岸基站的蜂窝网络延伸至海面，覆盖距离可以达到30 km，峰值速率为6 Mbit/s[10]；我国在南海海域的钻井平台上成功应用了基于TD-LTE技术的综合集群调度系统，在钻井平台及附近船舶上都部署了TD-LTE专网基站，分别为钻井平台工作群组和船舶工作群组提供4G宽带服务。空基和海基通信都很容易受到海洋环境波动和气象条件变化的影响，通信链路和网络拓扑的稳定性差，部署难度较大，目前的空基和海基系统大多形式相对简单，无法有效应对海洋环境，网络服务能力也有待提高。相对于地基和天基通信而言，空基和海基通信发展明显不足，各方面技术尚不成熟。

2 未来海洋通信网络架构

从海洋业务在空间上的分布来看，海洋渔业和油气开采等业务大部分在近海海域开展，海上运输、气象监测及海洋勘探等业务则经常需要涉足远海海域。在网络需求方面，未来的船舶自主航行需要无线通信网络在可靠性和实时性上满足需求；海洋工业中的安全生产视频监控主要依赖于高速率通信网络，而海量设备接入则对网络的容量有更高要求；进行海上紧急救援时，快组网、高速率、低时延、高可靠的无线通信网络是救援活动迅速开展、现场画面实时传输、救援指令准确下达的保障。因此，各项海事活动和海洋业务对无线网络服务能力的需求存在明显差异。天基、空基、地基、海基中的每种通信系统都各有优势和缺陷，任意一种通信系统都无法完全满足全球海域的无缝覆盖和海洋业务的异质化、精细化需求，因此未来海洋通信网络需要各类通信系统的有机融合，从而形成空天地海一体化的海洋通信网络[14-15]。

空天地海一体化网络系统如图1所示，该架构主要由天基网络、空基网络、地基网络和海基网络四部分组成。其中，天基网络可以实现对全球海域的覆盖，提供宽带或窄带服务；空基网络适用于对特定区域提供高速率低时延的网络服务；地基网络沿岸部署基站，可以保证近岸海域的高质量宽带服务；海基网络通过海上浮标作为中继实现岸基网络的延伸，或者由船载基站接收卫星信号，进而为周围小型船只提供网络服务。空天地海一体化网络的各个子网络之间根据海洋环境和业务需求进行必要的连接，确保船舶、海上作业平台及海岸之间的互联互通。所有子网络各司其职而又相同协调，实现对全海域的覆盖和对全业务的支持，各项海事活动和海洋业务根据其到海岸的距离、对网络服务的需求以及自身网络设备的性能等因素灵活选择最高效、最经济的接入网络和通信方式。例如，港口距离海岸较近，直接由沿岸基站提供宽带服务；海上油气资源开采中的远程操控、实时监控等业务对网络性能要求较高，需要沿岸基站或船载基站提供高质量的网络服务；海上救援任务发生在小范围区域，可以通过附近的海上浮标定位事故位置，由无人机实现快速组网，通过宽带卫星或空中基站实现现场画面的实时回传以及救援指令的准确下达；远洋航行时的船舶导航对数据速率要求较低，可以由窄带卫星提供网络服务；无人艇和无人机将在未来海战中作为主战装备登场，实施战场侦察、精准打击和集群作战等任务，天基网络和空基网络将发挥不可替代的作用。

图1 空天地海一体化网络架构Fig.1 Space-air-ground-sea integrated network architecture

3 未来海洋通信网络关键技术

在空天地海一体化的宏观架构下，未来海洋通信网络从设计、部署到实际应用的过程中仍面临一系列难题，由于海洋环境与陆地环境的显著差异，陆地通信中的许多技术无法在海洋通信中直接使用。因此，未来海洋通信网络还需要在一些关键技术上实现突破，具体包括海洋环境信道建模、高可靠自适应组网及智能资源管控等方面。

3.1 海洋环境信道建模

与陆地通信的信道环境相比，潮汐、海浪、湿度、气压及海水蒸发等因素的综合作用使海洋通信的信道环境更加复杂，对海洋通信的信道建模除了考虑天线高度、传输距离及信号频率等参数外[16-17]，还必须考虑独特的海洋环境对电磁波的影响，对海洋环境下的信道条件进行全面分析与准确建模是设计和部署海洋通信网络的前提。

海洋信道模型[18-19]可以用于无线网络部署前对信道容量、传输增益等性能的评估，但在实际通信过程中海洋环境的变化仍然会导致其缺乏灵活性、准确性和全面性。部署全方位、全要素的海洋环境态势感知系统来收集湿度、气压等海洋信息，利用机器学习和大数据技术充分挖掘海洋环境信息与时空维度之间、海洋环境信息与实测信号增益之间的相关性，为海洋环境变化的预测和信道估计提供经验和依据。基于海洋环境变化相对较慢的性质，在实际通信中只需设置合适的时间间隔来感知海洋信息，通过对环境信息的感知及预测，系统可以利用已有的知识和经验对信道模型进行实时修正，使海洋信道估计更加准确，为通信系统天线高度、波束方向及载波频率等参数的及时调整提供指导，从而提高海洋通信网络的性能。

3.2 高可靠自适应组网

在面向海洋场景的空基通信系统中，无人机和飞艇等空中基站或节点长时间处于高速移动状态，并且海洋上恶劣的气象条件也可能导致通信设备故障或者传输链路断裂，以上因素都会造成网络拓扑的频繁变化，进而引起局部网络甚至整个网络的通信问题。当海基通信系统中的基站和节点部署在船舶或无人艇上时，其会在组网方面面临与空基通信系统相似的问题。因此，未来海洋通信网络需要具备基于高可靠通信链路的自适应组网机制。

通信链路的高可靠性依赖于能够提供高检错能力和高纠错能力的信道编码方式，需要对已有的差错控制方式进行创新，或者将多种差错控制方式有机融合、取长补短。此外，在算法设计上减轻用户之间的相互干扰也是提高链路传输可靠性的关键。例如，利用强化学习和博弈论等方法选择干扰最小的传输信道和优化的发射功率[20-21]，可以提高各用户接收信号的信噪比，分别在频率域和功率域增强链路的可靠性。

自适应组网技术使无人机、飞艇和船舶可以在实际应用场景中选择合适的组网模式，根据覆盖区域的大小、设备数量的多少以及对网络性能的需求等要素在无中心、单中心及多中心等模式中进行选择，各种组网模式如图2所示(以海面上空的无人机组网为例)。

图2 各组网模式示意图Fig.2 Three networking modes

在覆盖范围较小、无人机数量较少的情况下，如果海洋业务对无线网络的稳定性要求较高，无人机可以选择无中心模式进行组网，任意无人机的故障或通信链路的断裂都不会影响其他无人机与基站之间的数据传输。无中心组网还要求基站的数量和空间分布符合一定条件，使任意无人机可以与最近的船载基站或空中基站保持高可靠、低时延的通信；如果基站数量较少，则单中心组网的效果会更好，将与基站之间通信质量最好的无人机设置为中心节点，使其作为其他无人机与基站之间的中继提供服务。当无人机组网所需覆盖的范围较大、无人机数量较多时，无中心和单中心组网都会导致极大的链路开销，因此多中心组网更适合此类场景。实现自适应组网的核心在于开发一种良好的路由协议[22-23]，使其支持对环境变化的动态感知、高度自适应路由的建立，以及对网络拓扑的自主维护和断裂重组。

海面上空的无人机节点在选择传输路径时除了考虑路径长度和路径拥塞度等因素外，还应该充分衡量路径的稳定性[24-25]、最小化链路建立后发生断裂的概率，或者使无人机节点在链路断裂前可以及时切换到其他链路，避免传输中断。因此，有效的路径稳定性评价方法可以从源头上应对恶劣环境下链路易断裂的常见问题，而非在链路断裂后再采取应对措施。关于路径稳定性评价方法的具体实现，通过在节点之间有间隔地发送特定形式的监测信号，并根据其接收强度衡量路径稳定性是一种简单的思路。此外，可以增强无人机对环境的感知能力和对节点移动轨迹的预测能力，根据周围环境和节点移动方向、速度等因素灵活调整监测信号的发送频率，提高路径稳定性评价的有效性。

3.3 网络资源智能管控

海洋通信网络在基础设施的选址、部署及维护等环节都会受到海洋自然条件的限制，随着海洋业务愈发多样，如何通过有限的、共同的基础通信设施为不同业务按需提供网络服务是海洋通信必须解决的难题,这要求在未来海洋通信网络中能够实现网络资源的灵活调度和按需配置。

作为未来无线网络的关键技术之一，网络切片技术可以根据海洋场景下的不同业务需求进行网络资源的按需编排和网络功能的灵活裁剪[26,27]。具体地，在切片前首先需要获取海洋业务的流量、时延等特征，完成业务特征到服务级别的映射，进而按照服务级别选择合适的切片。网络切片的简单思路是预先制定业务类型与切片的对应关系，但此方法对网络资源的分配依然不够灵活和精细，尽管确保了所分配的切片可以满足特定业务的需求，却无法最大化整个系统的效能。因此，需要弱化业务特征、服务级别和切片类型之间的固定关系，针对海洋业务特征直接创建相应的切片，实现网络切片的定制化，在切片的创建过程中利用深度学习、强化学习等人工智能技术对网络资源分配方式进行优化，实现用户服务质量与系统整体效能之间的平衡。

网络切片技术涉及接入网、承载网和核心网，包括对整个端到端网络中无线域、存储域和计算域资源的调度，将边缘计算、动态频谱共享及超大规模天线等技术融入网络切片的实现过程中，可以优化对计算、频谱、空间等特定资源的分配，从而进一步增强系统的资源管控能力。融合了边缘计算等技术的未来海洋通信网络资源管控体系如图3所示，具体地，在海上救援和战场侦察等任务中，无人机往往需要进行长时间作业，并且保证图像视频等数据的实时传输；受限于自身体积和能量，单个无人机节点的数据处理能力非常有限，此时利用边缘计算技术[28-29]将其计算任务卸载到周围的空闲无人机或专门的分布式数据处理单元，可以通过对计算资源的高效利用满足无人机数据传输低功耗和低时延的需求。在智能化的海上油气开采等海洋业务中，无线网络需要利用有限的带宽支持海量设备的接入，频谱所有者独占使用权的传统频谱分配方式难以满足要求；在此场景中利用频谱感知、接入控制和共享管理等技术实现动态频谱共享[30-31]，对频谱占有权和使用权进行分离，可以灵活调配用户的可用频谱，提高频谱资源利用率。在海上浮标或者岛礁上，能够用来部署基础设施的空间非常有限，当提供网络服务的基站数量较少时，在基站上部署大规模或超大规模的天线阵列可以充分利用空间自由度[32-33]，通过显著的波束增益增大系统容量和覆盖范围。

图3 未来海洋通信网络资源管控体系Fig.3 Future marine communication network resource management and control system

4 结论

未来海洋业务的发展趋势是拓展至更广的海域和开展更多样的工作，对海洋通信网络的覆盖范围和服务质量提出了更高的要求，未来海洋通信网络需要在覆盖全球海域的基础上，为各种海洋业务提供定制化的高质量网络服务。本文介绍了目前海洋通信网络的发展状况，并对其缺陷和不足进行了总结。针对传统海洋通信网络中存在的主要问题，展望了未来海洋通信网络的系统架构，并分析了各项关键技术面临的难点及其可能的解决途径，支持未来海洋通信网络建设。