海上无线通信技术：现状与挑战

张洪铭，闫 实，唐 斌，王成才，彭木根*，陆 军

(1.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100871；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

近年来，世界各国间海洋资源的竞争趋于白热化，海洋正成为世界各国合作与竞争的重要舞台。海上无线通信技术的发展在建设海洋强国的过程中发挥着至关重要的作用。随着我国在海洋勘探、海洋环境监测、海洋灾害预警、海洋安全、海洋渔业以及海洋运输等应用领域的快速发展，海上无线通信业务的需求也在日益增加。然而，不同于地面无线通信系统，海上通信节点相对较少且分散，海上节点间通信距离通常较远，空间内分布较稀疏。此外，海洋气象条件恶劣多变，环境呈现高湿度、高盐雾、高温差等特点。在此环境下，海上无线传输介质呈现较为明显的非均匀分布，电磁环境复杂恶劣等因素都为设计高性能可靠海上无线通信系统带来挑战。同时，考虑到成本问题，海上无线通信系统难以构建像地面蜂窝网那样集中式信息管理网络，不同类型通信节点的多样化业务需求难以高效统一管理。因此，海上无线通信面临空间介质复杂多变、通信距离远以及业务需求差异性大等挑战。

现有的海上无线通信系统存在技术手段落后、通信设备纷杂及通信链路不稳定等问题。早期的海上无线通信方式主要以采用模拟信号传输方法的摩尔斯电报为主，通常情况每天或几天才有一份几十字的电报传输[1]。此后，海上无线通信技术发展缓慢，窄带直接印字电报和无线电话技术逐渐应用于海上无线通信系统。20世纪初，海上无线通信系统进行数字化革新，例如全球海上遇险与安全系统(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)的研发使用、自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)及航行数据记录仪等安全导航系统被强制要求安装到航行船舶上等。海上通信系统逐步实现了对应急安全、定位导航以及语音通信等业务的支持。当前，国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)正积极推动旨在加强岸基与船舶间信息交互能力的e-航海计划[2]，通过对用户间信息流和应用程序的数据流进行高效统一的集成管理，实现海上信息高效安全的传输。其中，作为未来对e-航海战略发展提供通信支撑作用的现代化GMDSS系统的研究工作正处于起步阶段[3]。未来如高清实时视频传输、虚拟现实/增强现实以及远程医疗等面向用户体验质量(Quality of Experience,QoE)的业务需求将不断提升。例如，在远洋航行时，虚拟现实/增强现实技术可帮助船上用户与数千千米外的其他用户在虚拟域进行实时互动。此外，远程医疗技术可帮助海上生病的用户得到及时有效的治疗。然而，现有的海上无线传输技术无法支撑上述业务的实现。特别对于我国而言，当前海上通信系统大多依赖国外技术，在关键的无线传输和组网领域只掌握较少的核心技术。在全球海上无线通信新一轮变革的背景和机遇下，为助力我国在无线传输和组网等核心技术领域取得更多突破性创新，本文针对海上无线通信空间介质复杂多变、通信距离远及业务需求差异性大的挑战，对现有海上无线传输关键技术进行回顾和总结，阐述其工作原理，并结合现有地面无线通信领域前沿技术，提出未来海上无线传输和组网技术研究方向。

1 传统海上无线通信技术

本节对现有代表性的海上无线通信系统的关键传输技术进行简单的梳理、比较和性能评估。针对不同业务类别和通信频段分为:① 主要面向定位导航的奈伏泰斯系统、海上数字广播系统以及自动识别系统;② 面向应急救援业务的数字选择性呼叫系统;③ 面向高速数据传输的甚高频数据交换系统。表1列举了上述海上无线通信系统重的关键传输技术及参数。

表1 现有海上无线通信系统传输技术及参数

1.1 奈伏泰斯系统

奈伏泰斯 (Navigational Telex,NAVTEX) 系统[4]通过中频无线电以窄带直接印字电报的方式为沿海区域航行的船舶提供如导航数据、气象预警以及险情救援等安全信息的业务。奈伏泰斯系统于1999年成为GMDSS的重要组成部分[5]，可分为国际奈伏泰斯和国家奈伏泰斯两种制式。如图1所示，国际奈伏泰斯系统以518 kHz的频率为全球16个海域提供英文海上安全信息播报的服务，而国家奈伏泰斯系统采用490 kHz或4 209.5 kHz的频率传输以当地语言为主的海上安全信息。特别地，我国于1986年正式应用486 kHz频段的国家奈伏泰斯系统，为我国东部、南部沿海海域提供中文安全信息服务。

奈伏泰斯系统通常由业务协调站、发射台和接收机三部分组成。其中，业务协调站将收集到的相关海洋安全信息经筛选过滤后发送至发射台，经过编码和调制后通过载频信号由发射台广播至目标海域。目标海域内的船舶上通过接收机可以自动接收、解码和打印奈伏泰斯安全信息。其中，奈伏泰斯系统采用二进制频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)调制方式，以100 Baud的调制速率传输载频差值为170 Hz的信号。在接收端，对接收信号进行检测、滤波、解调和解码后得到NAVTEX报文。奈伏泰斯系统具有实现简单、抗干扰和抗衰减能力强的优点，覆盖半径约370 km。

1.2 海上数字广播系统

海上数字广播(Navigational Data,NAVDAT)系统[6]是一个面向海上船舶导航和安全的广播通信系统，主要由信息管理系统、岸台发射机和船载接收机组成。如图1所示，2012年举行的世界无线电通信大会正式将495～505 kHz定为NAVDAT系统的专用频段。为提高覆盖范围，NAVDAT系统采用海面波导传输和天波传输两种传输方法。

NAVDAT系统将不同格式的信息源信息通过网络上传到NAVDAT的信息管理系统进行统一处理，处理后的信息通过岸台网络下发到岸台发射机，岸台发射机将所需传输的信息通过正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)载波信号传输，子载波间间隔为41.66 Hz，每个子载波采用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)方法进行调制。船载接收机接收到信号后对OFDM信号进行解调，获得文本、数据、传真及图片等不同类型的信息。NAVDAT系统最高传输速率可达约25 kbit/s，覆盖半径可达648 km。

图1 海上无线通信系统频谱使用划分Fig.1 Spectrum usage of maritime communication systems

1.3 自动识别系统

自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)[7]是一个在VHF频段上运行的海上自动跟踪识别系统，可以周期性地为船舶、岸台和海事主管单位广播船名、识别码、航向、航速及位置等信息，实现对目标海域内船舶的自动跟踪识别和监视。如图1所示，AIS系统使用161.975 MHz和162.025 MHz两个专用频段，分别用于发射和接收以避免干扰。为保证通信质量，船舶在沿岸航行时，AIS系统的运行带宽为12.5 kHz或25 kHz；而远洋航行时，AIS系统的运行带宽为25 kHz。AIS系统通过时分多址(Time-division Multiple Access,TDMA)技术实现信道复用，扩大系统通信容量。

根据不同应用类别，AIS设备可分为面向大型邮轮的A类AIS设备、面向中小型船只的B类AIS设备、装备在搜救飞机上的机载AIS设备以及装备在航标上的AIS设备等。针对不同业务的通信质量需求，不同类型的设备采用不同的TDMA技术。例如，针对大型邮轮的稳定性接入需求，A类AIS设备采用性能较好的固定时隙预分配的自组织TDMA(Self-organized TDMA,SOTDMA)接入方式(SOTDMA将每个VHF信道的时间分割成26.7 ms的时隙，1 min为一帧,每一帧又被分为2 250个时隙，每个AIS用户在每帧内按被分配的时隙进行通信)；相比之下，针对小型船只间接性的接入需求，B类AIS设备采用以避免碰撞为主的载波监测TDMA(Carrier-sense TDMA,CSTDMA)接入方法。在CSTDMA接入方法中，AIS设备通过对每个信道时隙内接收信号强度的大小来判断该时隙是否被占用。例如，当某个时隙内的接收信号强度比载波监听的门限高10 dB,则该时隙已被占用而无法作为候选发射时隙。在调制编码方面，AIS系统采用基于不归零反向码(Non-return to Zero,NRZI)的最小频移键控(Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK)调制方法，传输速率可达9.6 kbit/s，覆盖半径约为37 km。

1.4 数字选择性呼叫系统

数字选择性呼叫(Digital Selective Calling,DSC)系统[8]采用点对点、点对多点的通信方式，为海上船舶提供遇险呼叫的业务。DSC系统由岸台和船台两部分组成，其中依据不同船型大小，船台又可分为A、B和C型三种。如图1所示，A型船台使用中频(Medium Frequency,MF)/高频(High Frequency,HF)/甚高频(Very High Frequency,VHF)频段，适用于远洋航行的大型船舶；B型使用MF/VHF频段，适用于中小型船舶；C型使用VHF频段，适用于小型船舶。根据不同的场景，DSC系统可在单台呼叫、群呼以及直拨电话等不同的呼叫功能中选择合适的呼叫方式进行通信，以保证附近岸台或船舶可以及时接收到遇险船舶的求救信号。

通常，呼叫船台在MF、HF或VHF的某一频段设置遇险呼叫频段，使用FSK的调制方法传输电文或呼叫序列。在MF/HF上，DSC的通信速率为100 bit/s。为保证呼叫成功率，船台在MF/HF频段采用每隔一段时间(一般大于5 min)向附近连续发送多个呼叫序列的方法进行呼救，直到接收到附近岸台或船舶回传的遇险收妥呼叫序列为止。而在VHF频段上，DSC系统的通信速率为1.2 kbit/s,船台可在首次呼叫未成功时，每隔5 s重复发送呼叫信号。DSC系统在VHF频段上覆盖半径一般约为37.04 km,而在MF/HF上的覆盖半径可达370.4 km。

1.5 甚高频数据交换系统

甚高频数据交换(VHF Data Exchange System,VDES)系统[9]是一个旨在增强不同VHF频段子系统运行兼容性和互补性的通信系统，通常由岸台、船站设备、VDE卫星地面段、VDE卫星空间段以及海上信息服务中心组成。VDES系统为不同的业务类别分配了18个海上专用VHF通信信道，包括4个传统的AIS和ASM信道、4个卫星信道、2个用于远距离传输的新增AIS信道以及8个高速VDE信道。VDES系统采用25 kHz、50 kHz和100 kHz三种带宽分别用于AIS和ASM信道、高速VDE信道和卫星信道。

VDES系统为不同的信道配置不同的编码调制方法，其中在两个传统的AIS安全信道，VDES延用AIS系统中的GMSK调制方法，通信速率为9.6 kbit/s。在其他新增通信信道，VDES通过采用自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)方法为不同信道的用户提供通信服务。例如，针对距离较远的用户接收信号信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)较低的问题，VDES系统可采用高性能的1/2码率Turbo码配上π/4DQPSK的编码调制方法进行信号传输。相比之下，当通信距离较近时，VDES可采用3/4码率Turbo码配上16QAM的编码调制方法实现高速率的信号传输。另一方面，针对不同信道的业务需求，VDES采用随机时分多址接入(Random Access TDMA,RATDMA)、增量时分多址接入(Incremental TDMA,ITDMA)、SOTDMA以及固定时分多址接入(Fixed Access TDMA,FATDMA)四种时分多址接入方法实现用户的灵活接入，覆盖半径可达92.6 km。

2 海上无线通信技术挑战

2.1 海上超远距离传输

现有海上无线通信系统主要使用中频、高频以及甚高频频段为用户提供如定位导航、应急安全及语音等业务。如图2所示，中频和高频频段多用于为海上用户提供定位导航和应急安全等数据量较少的业务。此类业务需要较远的信号传输距离来提高服务覆盖率，如DSC系统中较大的通信覆盖范围可提高附近船舶接收遇险船只呼叫信号的概率，提高遇险船舶得到及时援助的机会。

图2 现有海上无线通信系统业务需求和支撑技术概览Fig.2 Overview of service requirements and key techniques employed by current maritime communication systems

通常，海上无线信号可借助蒸发波导以及天波传输实现超远距离通信。如图3所示，海面上的逆温和逆湿等因素导致大气折射指数与高度间存在负梯度关系，当负梯度数值满足一定条件时，电磁波传输轨迹的曲率将会大于地球曲率，使得电磁波陷获在一定厚度的大气薄层内，形成蒸发波导传输[10]。蒸发波导现象对于频率高于3 GHz的电磁波尤为显著。如图4所示，1989年法国进行的一项27.7 km的信号传输实验中显示，蒸发波导对10.5 GHz和16 GHz频率的信号在70%的时间内有超过10 dB的增益效果。

图3 海上超远距离无线传输Fig.3 Long-range transmissions for maritime communications

图4 蒸发波导传输对不同测试频点接收信号增益 大于10 dB的出现概率Fig.4 Probability distributionsof the signal strength≥10 dB for evaporation duct transmissions

相比之下如图3所示，天波传输是由电磁波在电离层反射或折射而形成的一种超远距离传输方法。由于高频电磁波对电离层有较强的穿透性，天波传输主要对MF、HF以及部分VHF频段的信号有效。例如，基于MF和HF频段的NAVDAT系统采用天波传输方法，传输距离可达648 km。如上所述，现有海上超远距离通信系统主要采用抗干扰和抗衰减性能较好且易实现的FSK调制技术，以广播为主的方式传输信息。然而，现有中频和高频频段的无线传输技术存在传输速率低和传输时延高的问题。此外，多种不同的设备存在制式不兼容和操作方式差异大等问题。

2.2 海上高速数据传输

如图2所示，现有海上语音和视频等业务通常使用VHF频段，采用频谱效率较高的编码调制技术，稳定传输距离较近。例如，VDES系统在两个传统的AIS信道采用包络起伏和带外辐射较小的GMSK调制技术，达到增强系统抗衰落和能效的效果。此外，现有海上VHF通信系统主要采用基于TDMA的多址接入技术。以VDES系统中的SOTDMA为例，单位分钟被平均划分成2 250个时隙，系统自动为需要发送信息的船舶分配可用时隙，并且与其他时隙配置信息一起广播给网络内船舶，实现系统自主有序的运行状态。然而，在近海岸随着用户接入量的增加，信道内可用时隙数量会减少甚至无可用时隙资源，进而导致时隙预约冲突率提高，降低系统性能。

现有海上语音和视频等业务主要受限于船舶的移动性以及海洋复杂多变的环境影响。一方面，船舶的移动性为基于信道估计的高性能无线通信方法设计带来挑战。并且，快速移动的船舶还会导致海上通信链路不稳定，甚至通信链路频繁中断。另一方面，海洋复杂多变的环境使得海上无线通信信道呈现较强的时变性。例如，不同于陆地上，即使在天气很好的情况下，海面的波动以及随时间而变的海面湿度等因素都会对海上无线通信系统的性能产生较大影响。特别在传输距离较远的情况下，上述问题导致接收信号强度难以一直保证高于正常接收机灵敏度，导致在接收端信号解码失败，影响通信质量。值得注意的是，VDES系统采用Turbo码提高了系统的纠错能力，使得接收信号强度在较低的情况下仍能保证信息准确的接收，极大地提高了系统的性能。然而，现有海上通信系统受带宽限制，存在通信速率较低的问题。例如，VDES系统最高通信速率可达307.2 kbit/s，虽然已达到较好语音质量所需要求的64 kbit/s，但是尚不能满足传输标清视频所需的3 Mbit/s最低速率要求。

2.3 海上无线组网

在海上无线组网方面，现有如VDES系统已初步形成了天-地-海一体化的组网架构，可为不同业务需求的海上用户提供相应的网络接入服务。例如，VDES系统可以为远海航行的海上用户提供高通量卫星接入互联网服务以满足其高速数据传输业务的需求。此外，值得注意的是，美国DARPA于2020年发布的弹性组网分布式马赛克通信项目通过在空间上部署小尺寸、轻质量、低功耗和低成本通信单元组成分布式组网系统，提高网络的健壮性以及抗干扰能力。然而不同于陆地上的通信网络，海上船舶空间有限，难以部署大型通信网络基础设施。此外，船舶的高移动性、海洋复杂多变的环境以及潜在的高强度电磁干扰等问题都会影响通信链路质量，造成通信链路频繁中断甚至网络瘫痪。

网络接入方式方面，近海海域接入业务种类呈现多样化特征，现有的固定接入方式存在网络资源利用率低和接入时延过高的问题。另一方面，远海海域海上通信节点位置相对分散，大尺度空间-时间维度下通信节点及其业务需求呈现明显的稀疏性。例如，某一远海海域内，当有远洋航行的邮轮经过时，邮轮内的用户对通信网络接入服务的需求剧增；而当邮轮驶离此海域时，未来很长一段时间此海域可能无通信业务的需求。因此，如何为远海海域提供弹性高效的海上通信网络服务是一个挑战。此外，相比于陆地上较为安全可靠的供电系统，海上网络节点面临着小型设备供电不足、大型设备或平台供电稳定性差的问题，影响海上网络节点对信息的处理能力，导致海上难以构建长久稳定的通信网络。

3 未来海上无线传输技术研究方向

与地面无线传输技术相比，现有的海上无线传输技术较为落后，无法满足日益增长的海上无线通信业务需求。回顾地面蜂窝网从1G～5G性能的提升，无线传输技术起到了至关重要的作用。以多址接入技术为例，从1G模拟信号制式下基于频率调制的FDMA技术，2G数字信号制式下的TDMA和CDMA技术，3G的WCDMA/CDMA2000,到4G的MC-CDMA/OFDMA，再到5G的OFDMA，可支持的通信业务实现了从语音到多媒体，再到万物互联的飞跃。然而，考虑到海洋空间复杂多变的环境影响，现有的地面无线通信技术不能直接用于海上无线通信系统。例如考虑到海上经常出现的暴雨、大风以及海面水汽蒸发等现象，当前基于毫米波的高速传输技术在应用到海上无线通信时，需考虑随着频率的提高，因雨衰增大导致的传输距离受限的影响。此外，考虑到成本问题，海上难以建立像地面那样由光纤互连的固定基站，提供快速高效的网络接入服务。因此，针对海上空间介质复杂多变、通信距离远及业务需求差异性大等特有挑战，可通过下文所述技术进一步提升海上无线通信系统性能。

3.1 海上毫米波和太赫兹传输技术

针对带宽受限导致的海上传输速率低的问题，尚未充分开发利用的30 GHz～3 THz的毫米波和太赫兹频段拥有连续可用的大带宽，可以满足未来海上高速通信的应用需求。如图5所示，毫米波和太赫兹频段受大气吸收的影响(如电磁波与氧分子或水分子的共振吸收)，较高的衰减系数使得毫米波和太赫兹在远距离传输时产生较大的路径损耗。尽管如此，如图5所示，仍然存在一些衰减系数较低的宽频带大气窗口可用于信号传输。然而考虑到海上恶劣天气的影响，如何补偿毫米波和太赫兹频段较高的大气衰减，是实现海上高性能毫米波和太赫兹系统的关键挑战。

图5 毫米波和太赫兹大气吸收特性Fig.5 Absorption characteristics of mmWave and Terahertz waves

为了解决上述挑战，可设计高增益天线补偿海上毫米波和太赫兹频段较高的大气衰减。不同于陆地，海上毫米波和太赫兹高增益天线的设计还需要考虑到海浪颠簸以及船舶的移动性等问题。先进的相控阵天线技术采用高度集成和电动转向机制，可以提供快速转向、尺寸小及多波束灵活可控等优点[11]。一方面，船舶在颠簸海浪中快速航行场景下，可通过相控阵天线的灵活转向实现与岸台或其他船舶的精准对准通信；另一方面，可以利用对相控阵天线波束数量、功耗及角度等参数控制，对不同距离以及不同业务需求的链路实现高速自适应的无线通信。此外，灵活可控的优点还使得相控阵天线有着很好的抗干扰能力，适用远海船舶间的通信。考虑到成本、性能以及复杂度等因素，未来海上毫米波和太赫兹相控阵天线设计需采用数模混合方式，以射频链路和天线阵子部分连接的方法获得较好的天线增益。此外，采用高精度封装的毫米波和太赫兹相控阵天线还需考虑海洋高湿度和高盐度等恶劣环境的影响。

3.2 海上编码调制技术

现有VDES系统所采用的Turbo码迭代译码采用串行的内部结构，存在译码时延过高的问题，不适用于海上如应急救援等应用场景。因此如图6所示，面向多样化的海上业务需求，可采用基于速率自适应的LDPC码和较短码块的极化(Polar)码[12]作为未来海上无线通信系统的信道编码技术。面向数据传输为主的业务，可采用基于速率自适应的LDPC码。基于速率自适应的LDPC码通过采用速率自适应的打孔方法，克服传统LDPC码码率单一的缺点，实现为不同类型的业务需求灵活配置适当的码率。此外，面向以控制信令传输为主的业务，可采用Polar码。Polar码是基于信道极化的信道编码技术，可以通过采用码长较短的编码方法，提供高性能短包通信。

在调制技术方面，一方面，考虑到海上无线信道大尺度衰落的影响，可采用信号包络起伏较小的如GMSK等调制方法。然而，此类调制方法存在误码率较高的问题，需要设计复杂度较低的新型快速滤波器和解调方法。另一方面，如图6所示，为了进一步提高频谱效率，可采用64QAM、256QAM以及1024QAM等高阶数字调制方法。然而，海上无线通信信道复杂多变，传输信号易受海上杂波和无线电干扰等影响，当采用频谱效率较高的高阶数字调制技术时，易出现接收信号误码率高的问题。然而，海上自适应编码调制技术依然面临如快速高效滤波技术、编码调制联合信号最优化迭代译码方法设计以及具体硬件实现等挑战。

图6 面向不同业务需求的未来海上自适应编码调制技术Fig.6 Adaptive coding and modulation for different service requirements in maritime communications

3.3 基于通信-感知一体化的未来海上新波形技术

前述NAVDAT和VDES系统所采用的传统OFDM利用正交性，将高速频率域数据转换到时域上，引入循环前缀后以低速信号传输，有效解决了海上多径信道下所面临的码间干扰问题。然而，针对未来海上不同业务对空口技术多样化的需求，传统的OFDM技术存在无法灵活适配的问题。新型滤波OFDM(Filtered OFDM,F-OFDM)技术[13]可依据不同的业务需求设置不同的子载波间隔，灵活配置通信资源。与传统OFDM技术相比，F-OFDM技术将整个频带分为多个子载波间隔不同的子带，每个子带配置特定的循环前缀和滤波器，以此用户可以依据不同类型的业务需求灵活配置子帧结构。然而，F-OFDM系统无法保障不同带宽子载波间的正交性，需引入保护导频信号降低带外泄露，导致系统开销及复杂度的增加。考虑到海上复杂多变的信道环境以及船舶的移动性，如何快速感知船舶用户的位置信息以及其他影响通信链路性能的信息，并将所感知到的信息用于优化F-OFDM系统子帧配置方法，以达到降低预处理时延的目标仍然是一个具有挑战性的问题。

另一方面，考虑到海上船舶高移动场景下存在的时延和多普勒问题，特别是针对此问题更为显著的未来海上毫米波和太赫兹系统，正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)[14]技术可作为未来海上无线传输一个较好的参考技术。OTFS技术通过在时延-多普勒域上实现信号的复用达到抑制因用户高速运动所导致的多普勒频移问题。此外，更重要的是OTFS波形还可以用于海上感知探测系统，通过开发其在时延-多普勒域上的特性，海上感知探测系统可根据接收到的OTFS波形估算目标距离与运动速度等信息。因此，OTFS技术可视为未来海上通信-感知一体化新波形技术。然而，除了现有OTFS系统所存在的信号检测解码复杂度高，以及时延-多普勒域的信道建模预测等问题，如何设计适配未来海上毫米波和太赫兹系统的OTFS波形方法，实现高性能海上通信-感知一体化系统仍然是一个值得进一步探索的研究方向。

3.4 基于通信-感知一体化的未来海上多址接入技术

与陆地蜂窝网相比，现有以TDMA为主的海上多址接入技术尚可满足现有较少的海上无线通信业务需求。然而，随着海上物联网等新兴海上技术的快速应用，现有的海上多址接入技术难以满足未来海上大量无线通信业务的需求。随着船舶高速移动导致的网络内接入用户的不断变化，现有技术存在的资源浪费、信令开销大以及端到端时延过高等问题越发凸显。

针对上述问题，可采用基于分级制的混合多址接入技术。例如，将服务海域内有固定业务需求的用户设为高级别，依据其需求业务类别，为其分配固定的通信资源，使其在此资源块内实现快速稳定的接入。相比之下，可将偶尔有接入需求的用户设为低级别，在给定的资源块内为其分配如免许可随机接入(Grant-free Random Access)这样无需固定通信资源但仍可实现快速稳定接入的方法。特别地，在海上免许可随机接入方法中，每一个船舶可直接传输数据包给岸台或其他船舶，而不需要等待对方的许可接入信令，在接收端通过对船舶特有导频码的解码实现不同船舶用户的检测和识别任务。此方法中，通信链路不需要进行复杂的信令交互以及资源调度分配过程，这样可以简化传输流程、降低时延、节省信令开销以及节点功耗和成本。然而，考虑到海上这个特有场景下存在的用户需求动态变化情况，例如，海上浮标或传感器等设备因台风或海洋生物吞噬等导致丢失损坏的问题，可以利用如深度强化学习等与实时环境场景信息做交互的机器学习方法，设计基于海上接入用户需求实时感知的未来海上柔性接入技术，实现依据服务海域内感知的用户信息为其灵活设置接入级别以及配置通信资源，达到通信资源最优化分配的海上柔性接入目标。然而，针对上述所提未来海上感知-通信一体化多址接入方法，如何设计高效感知技术以达到快速准确的感知用户接入需求仍是一个挑战。

3.5 未来海上机动便捷组网

针对海上节点高速移动、网络拓扑动态变化以及通信链路受强干扰易中断的挑战，可建立如图7所示的海上分层网络架构，在近海海域采用技术成熟、网络容量高以及稳定性强的岸基通信网络为分布相对密集的海上用户提供高速稳定的通信服务。相比之下，远海海域可采用高通量低轨卫星通信与远距离分布式组网互补的混合型组网方式。通常情况下，针对有稳定接入互联网需求的海上用户，高速移动的低轨卫星难以为其提供全天候稳定服务。此外，高速移动的海上船舶存在通信链路不稳定而导致网络服务经常中断的问题。为解决上述挑战，可借助如图7所示的远距离分布式组网方式对远海区域的网络节点提供智能化路由管理、数据链路快速恢复以及网络资源管理等服务。具体而言，远海海域节点可首先通过环境感知和态势感知技术，利用基于机器学习的路由选择算法动态自适应地调整附近最优路由节点，为通信服务中断的海上用户提供快速及时的重连服务；其次，如图7所示，远海海域节点可通过配置通信-感知-计算一体化的雾无线基站[15]，利用环境及多维度态势感知所得到的信息，计算出附近海域内的业务需求分布，动态地调整资源分配方案，提升远海通信网络性能；最后，面向如应急救援和海洋牧场等应用场景，可采用卫星和海上远距离多跳传输等方法实现海上信息跨海域的互联互通，为应急响应和远程监控等业务提供快速有效的网络服务。

图7 未来海上无线组网架构Fig.7 Network architecture for future maritime communication networks

3.6 未来海上感知-传输-计算一体化技术

在海上无线传输方面，传统传感器中如数模/模数转换器、数字信号处理器、内存等器件可以与通信设备中的相应器件合为一体化的模块，以此降低能耗及信号处理时延。如图8所示，海上平台、船舶以及浮标等通信网络节点配备此类感知-传输一体化的模块，可通过对自身和周围信号的接收，分析信号的时延、路损以及信噪比等数据，感知船舶所处的位置和周围环境参数等信息。此外，通过将通信-感知一体化模块与具有计算能力的微处理器相连，结合自身的业务需求利用机器学习算法可计算出以当前用户体验最优化为目标的资源配置方案，动态自适应地为其配置最优的通信系统运行参数和通信协议参数，实现性能和频谱利用率的提升。此过程中，海上通信节点通过对感知信息的计算，获得当前通信的最优方案(感知-计算增强传输)；并且通过对大量通信信号的特征提取而得到少量的感知信息，又可以减轻计算的负担(感知-传输增强计算)；同时，通过计算所得的当前最优通信方案可进一步提升接收信号的质量，提升信息感知的精度(传输-计算增强感知)。然而，如何设计低功耗的感知-传输-计算一体化模块，以实现对海上重要环境和态势信息的精确感知，以及设计与感知信息交互的机器学习算法动态自适应的优化感知-传输-计算中的关键参数，实现海上网络自主管控和海上通信系统的持续优化升级仍然是一个值得探索的研究方向。

图8 海上感知-传输-计算一体化技术Fig.8 Illustration of the concept for maritime sensing-communications-computingtechnology

在海上无线组网方面，如图8所示，船舶、海上平台以及浮标等节点可配置感知-传输-计算一体化的灵巧型雾无线基站，实现海上智能化分布式组网。其中，通过对其周围环境和多维度态势数据的感知结果，获得附近海域其他用户的业务需求、虚拟资源池以及位置航向等信息，利用相关机器学习算法得到资源调度、路由选择以及接入切换等影响海上通信网络性能的最优解[16-18]。例如，船上灵巧型雾无线基站可通过对周围环境中各时间-频段-空间资源块内信号强度的感知，利用虚拟化技术得到虚拟资源池中各资源块的占用情况，通过机器学习算法获得当前及未来一定时间内可用的资源块，并将其分配给船上有不同业务需求的用户，有效提升网络性能。此过程中，雾无线基站用机器学习算法对输入的感知信息计算获得的资源分配方案有效地提升了海上网络性能(感知-计算增强传输)；同时，资源块内通信信号的感知所获得的该资源块是否被占用这种仅由1 bit即可表示的低维度结果代替原有的高维度无线信号作为资源分配算法的输入，极大地减轻了雾无线基站的计算负担(感知-传输增强计算)；最后，计算所得的最优资源分配方案可极大地降低网络内各节点的干扰，提高后续各资源块内信号感知的精度(传输-计算增强感知)。

综上所述，未来海上感传算一体化将在未来海上先进传输技术的基础上通过发掘感知维度、传输维度和计算维度上的融合性技术，进一步提升海上无线通信系统的性能，实现海上智联的通信网络。

4 结束语

本文首先回顾了现有海上无线通信系统中的关键传输技术，通过对比不同系统业务类别及性能分析，总结了现有海上无线传输技术存在的系统繁杂及操作难度高、传输速率低、通信链路易中断以及网络制式单一等问题，阐明了现有海上无线通信技术难以满足未来高速、快速以及灵活适配不同业务的需求。

针对海上空间介质复杂多变、通信距离远及业务需求差异性大等特有挑战，结合现有通信领域先进技术，讨论了未来海上毫米波和太赫兹传输以及海上业务自适应编码调制方法的难点、痛点问题，提出了基于通信-感知一体化的未来海上新波形和新型多址接入技术。在上述未来海上关键传输技术的支撑下，进一步提出了近海中心化控制与远海分布式控制相结合的弹性组网方法。最后，为了突破海上传输及组网瓶颈问题，提出了未来海上感知-传输-计算一体化技术，通过构建感知维度、传输维度和计算维度上的融合性技术，实现未来海上智联的无线通信网络。海上无线通信技术的发展可以有效推动我国海洋经济的发展，对于维护国家海洋权益有着重要的意义。