摘要：海上通信為海上用戶與地面、空天和水下用戶間的信息傳輸提供了樞紐，是我國建設(shè)海洋強(qiáng)國和數(shù)字基建戰(zhàn)略的核心組成，也是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)海上無線傳輸介質(zhì)復(fù)雜多變、傳輸距離近、業(yè)務(wù)需求差異大等挑戰(zhàn)，首先在對(duì)現(xiàn)有海上無線通信技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，闡明了傳統(tǒng)海上無線通信技術(shù)的不足，介紹了影響海上無線傳輸性能的關(guān)鍵性因素，提出了海上無線傳輸?shù)暮诵年P(guān)鍵技術(shù)原理與性能，最后討論了未來海上無線通信技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：海上無線通信;相控陣天線;蒸發(fā)波導(dǎo);毫米波通信;感知傳輸一體化;低軌衛(wèi)星互聯(lián)組網(wǎng)

　　0引言

　　近年來，世界各國間海洋資源的競爭趨于白熱化，海洋正成為世界各國合作與競爭的重要舞臺(tái)。海上無線通信技術(shù)的發(fā)展在建設(shè)海洋強(qiáng)國的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著我國在海洋勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋安全、海洋漁業(yè)以及海洋運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，海上無線通信業(yè)務(wù)的需求也在日益增加。

　　然而，不同于地面無線通信系統(tǒng)，海上通信節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少且分散，海上節(jié)點(diǎn)間通信距離通常較遠(yuǎn)，空間內(nèi)分布較稀疏。此外，海洋氣象條件惡劣多變，環(huán)境呈現(xiàn)高濕度、高鹽霧、高溫差等特點(diǎn)。在此環(huán)境下，海上無線傳輸介質(zhì)呈現(xiàn)較為明顯的非均勻分布，電磁環(huán)境復(fù)雜惡劣等因素都為設(shè)計(jì)高性能可靠海上無線通信系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)。

　　同時(shí)，考慮到成本問題，海上無線通信系統(tǒng)難以構(gòu)建像地面蜂窩網(wǎng)那樣集中式信息管理網(wǎng)絡(luò)，不同類型通信節(jié)點(diǎn)的多樣化業(yè)務(wù)需求難以高效統(tǒng)一管理。因此，海上無線通信面臨空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)以及業(yè)務(wù)需求差異性大等挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的海上無線通信系統(tǒng)存在技術(shù)手段落后、通信設(shè)備紛雜及通信鏈路不穩(wěn)定等問題。早期的海上無線通信方式主要以采用模擬信號(hào)傳輸方法的摩爾斯電報(bào)為主，通常情況每天或幾天才有一份幾十字的電報(bào)傳輸[1]。

　　此后，海上無線通信技術(shù)發(fā)展緩慢，窄帶直接印字電報(bào)和無線電話技術(shù)逐漸應(yīng)用于海上無線通信系統(tǒng)。20世紀(jì)初，海上無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化革新，例如全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GlobalMaritimeDistressandSafetySystem,GMDSS)的研發(fā)使用、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AutomaticIdentificationSystem,AIS)及航行數(shù)據(jù)記錄儀等安全導(dǎo)航系統(tǒng)被強(qiáng)制要求安裝到航行船舶上等。海上通信系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)急安全、定位導(dǎo)航以及語音通信等業(yè)務(wù)的支持。

　　當(dāng)前，國際海事組織(InternationalMaritimeOrganization,IMO)正積極推動(dòng)旨在加強(qiáng)岸基與船舶間信息交互能力的航海計(jì)劃[2]，通過對(duì)用戶間信息流和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流進(jìn)行高效統(tǒng)一的集成管理，實(shí)現(xiàn)海上信息高效安全的傳輸。其中，作為未來對(duì)航海戰(zhàn)略發(fā)展提供通信支撐作用的現(xiàn)代化GMDSS系統(tǒng)的研究工作正處于起步階段[3]。未來如高清實(shí)時(shí)視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等面向用戶體驗(yàn)質(zhì)量(Qualityofxperience,QoE)的業(yè)務(wù)需求將不斷提升。

　　例如，在遠(yuǎn)洋航行時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可幫助船上用戶與數(shù)千千米外的其他用戶在虛擬域進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)。此外，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)可幫助海上生病的用戶得到及時(shí)有效的治療。然而，現(xiàn)有的海上無線傳輸技術(shù)無法支撐上述業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。特別地對(duì)于我國而言，當(dāng)前海上通信系統(tǒng)大多依賴國外技術(shù)，在關(guān)鍵的無線傳輸和組網(wǎng)領(lǐng)域只掌握較少的核心技術(shù)。

　　在全球海上無線通信新一輪變革的背景和機(jī)遇下，為助力我國在無線傳輸和組網(wǎng)等核心技術(shù)領(lǐng)域取得更多突破性創(chuàng)新，本文針對(duì)海上無線通信空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)及業(yè)務(wù)需求差異性大的挑戰(zhàn)，對(duì)現(xiàn)有海上無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行回顧和總結(jié)，闡述其工作原理，并結(jié)合現(xiàn)有地面無線通信領(lǐng)域前沿技術(shù)，提出未來海上無線傳輸和組網(wǎng)技術(shù)研究方向。傳統(tǒng)海上無線通信技術(shù)本節(jié)對(duì)現(xiàn)有具有代表性的海上無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵傳輸技術(shù)進(jìn)行簡單的梳理、比較和性能評(píng)估。針對(duì)不同業(yè)務(wù)類別和通信頻段分為主要面向定位導(dǎo)航的奈伏泰斯系統(tǒng)、海上數(shù)字廣播系統(tǒng)以及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，面向應(yīng)急救援業(yè)務(wù)的數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng)，以及面向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳醺哳l數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

　　1.1奈伏泰斯系統(tǒng)

　　奈伏泰斯NavigationalTelex,NAVTEX)系統(tǒng)[4]通過中頻無線電以窄帶直接印字電報(bào)的方式為沿海區(qū)域航行的船舶提供如導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象預(yù)警以及險(xiǎn)情救援等安全信息的業(yè)務(wù)。奈伏泰斯系統(tǒng)于1999年成為GMDSS的重要組成部分[5]，可分為國際奈伏泰斯和國家奈伏泰斯兩種制式。如圖所示，國際奈伏泰斯系統(tǒng)以518kHz的頻率為全球16個(gè)海域提供英文海上安全信息播報(bào)的服務(wù)，而國家奈伏泰斯系統(tǒng)采用490kHz或4209.5kHz的頻率傳輸以當(dāng)?shù)卣Z言為主的海上安全信息。特別地，我國于1986年正式應(yīng)用486kHz頻段的國家奈伏泰斯系統(tǒng)，為我國東部、南部沿海海域提供中文安全信息服務(wù)。

　　奈伏泰斯系統(tǒng)通常由業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)站、發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)三部分組成。其中，業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)站將收集到的相關(guān)海洋安全信息經(jīng)篩選過濾后發(fā)送至發(fā)射臺(tái)，經(jīng)過編碼和調(diào)制后通過載頻信號(hào)由發(fā)射臺(tái)廣播至目標(biāo)海域。目標(biāo)海域內(nèi)的船舶上通過接收機(jī)可以自動(dòng)接收、解碼和打印奈伏泰斯安全信息。其中，奈伏泰斯系統(tǒng)采用二進(jìn)制頻移鍵控(FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式，以100Baud的調(diào)制速率傳輸載頻差值為170Hz的信號(hào)。在接收端，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測、濾波、解調(diào)和解碼后得到NAVTEX報(bào)文。奈伏泰斯系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾和抗衰減能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，覆蓋半徑約370km。

　　1.2海上數(shù)字廣播系統(tǒng)

　　海上數(shù)字廣播(Navigationalata,NAVDAT)系統(tǒng)是一個(gè)面向海上船舶導(dǎo)航和安全的廣播通信系統(tǒng)，主要由信息管理系統(tǒng)、岸臺(tái)發(fā)射機(jī)和船載接收機(jī)組成。2012年舉行的世界無線電通信大會(huì)正式將495～505kHz定為NAVDAT系統(tǒng)的專用頻段。為提高覆蓋范圍，NAVDAT系統(tǒng)采用海面波導(dǎo)傳輸和天波傳輸兩種傳輸方法。

　　NAVDAT系統(tǒng)將不同格式的信息源信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳到NAVDAT的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理，處理后的信息通過岸臺(tái)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到岸臺(tái)發(fā)射機(jī)，岸臺(tái)發(fā)射機(jī)將所需傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^正交頻分復(fù)用(Orthogonalrequencyivisionultiplexing,OFDM)載波信號(hào)傳輸，子載波間間隔為41.66Hz，每個(gè)子載波采用正交幅度調(diào)制(Quadraturemplitudeodulation,QAM)方法進(jìn)行調(diào)制。船載接收機(jī)接收到信號(hào)后對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得文本、數(shù)據(jù)、傳真及圖片等不同類型的信息。NAVDAT系統(tǒng)最高傳輸速率可達(dá)約25bit/s，覆蓋半徑可達(dá)648km。

　　1.3自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

　　自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automaticdentificationystem,AIS)是一個(gè)在VHF頻段上運(yùn)行的海上自動(dòng)跟蹤識(shí)別系統(tǒng)，可以周期性地為船舶、岸臺(tái)和海事主管單位廣播船名、識(shí)別碼、航向、航速及位置等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)海域內(nèi)船舶的自動(dòng)跟蹤識(shí)別和監(jiān)視。

　　AIS系統(tǒng)使用161.975MHz和162.025MHz兩個(gè)專用頻段，分別用于發(fā)射和接收以避免干擾。為保證通信質(zhì)量，船舶在沿岸航行時(shí)，AIS系統(tǒng)的運(yùn)行帶寬為12.5kHz或25kHz;而遠(yuǎn)洋航行時(shí)，AIS系統(tǒng)的運(yùn)行帶寬為25kHz。AIS系統(tǒng)通過時(shí)分多址(Timedivisionultipleccess,TDMA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，擴(kuò)大系統(tǒng)通信容量。根據(jù)不同應(yīng)用類別，AIS設(shè)備可分為面向大型郵輪的類AIS設(shè)備、面向中小型船只的類AIS設(shè)備、裝備在搜救飛機(jī)上的機(jī)載AIS設(shè)備以及裝備在航標(biāo)上的AIS設(shè)備等。針對(duì)不同業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量需求，不同類型的設(shè)備采用不同的TDMA技術(shù)。

　　例如，針對(duì)大型郵輪的穩(wěn)定性接入需求，類AIS設(shè)備采用性能較好的固定時(shí)隙預(yù)分配的自組織TDMA(SelforganizedTDMA,SOTDMA)接入方式(SOTDMA將每個(gè)VHF信道的時(shí)間分割成26.7ms的時(shí)隙，min為一幀每一幀又被分為250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)AIS用戶在每幀內(nèi)按被分配的時(shí)隙進(jìn)行通信);相比之下，針對(duì)小型船只間接性的接入需求，類AIS設(shè)備采用以避免碰撞為主的載波監(jiān)測TDMA(arriersenseTDMA,CSTDMA)接入方法。

　　在CSTDMA接入方法中，AIS設(shè)備通過對(duì)每個(gè)信道時(shí)隙內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的大小來判斷該時(shí)隙是否被占用。例如，當(dāng)某個(gè)時(shí)隙內(nèi)的接收信號(hào)強(qiáng)度比載波監(jiān)聽的門限高10dB,則該時(shí)隙已被占用而無法作為候選發(fā)射時(shí)隙。在調(diào)制編碼方面，AIS系統(tǒng)采用基于不歸零反向碼(Nonreturntoero,NRZI)的最小頻移鍵控(Gaussianinimumhifteying,GMSK)調(diào)制方法，傳輸速率可達(dá)9.6kbit/s，覆蓋半徑約為37。

　　1.4數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng)

　　數(shù)字選擇性呼叫(DigitalSelectiveCalling,DSC)系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，為海上船舶提供遇險(xiǎn)呼叫的業(yè)務(wù)。DSC系統(tǒng)由岸臺(tái)和船臺(tái)兩部分組成，其中依據(jù)不同船型大小，船臺(tái)又可分為、和型三種。型船臺(tái)使用中頻(Mediumrequency,MF)高頻(Highrequency,HF)甚高頻(Veryighrequency,VHF)頻段，適用于遠(yuǎn)洋航行的大型船舶;型使用MF/VHF頻段，適用于中小型船舶;型使用VHF頻段，適用于小型船舶。根據(jù)不同的場景，DSC系統(tǒng)可在單臺(tái)呼叫、群呼以及直撥電話等不同的呼叫功能中選擇合適的呼叫方式進(jìn)行通信，以保證附近岸臺(tái)或船舶可以及時(shí)接收到遇險(xiǎn)船舶的求救信號(hào)。

　　通常，呼叫船臺(tái)在MF、HF或VHF的某一頻段設(shè)置遇險(xiǎn)呼叫頻段，使用FSK的調(diào)制方法傳輸電文或呼叫序列。在MF/HF上，DSC的通信速率為100bit/s。為保證呼叫成功率，船臺(tái)在MF/HF頻段采用每隔一段時(shí)間(一般大于min)向附近連續(xù)發(fā)送多個(gè)呼叫序列的方法進(jìn)行呼救，直到接收到附近岸臺(tái)或船舶回傳的遇險(xiǎn)收妥呼叫序列為止。而在VHF頻段上，DSC系統(tǒng)的通信速率為1.2bit/s船臺(tái)可在首次呼叫未成功時(shí)，每隔重復(fù)發(fā)送呼叫信號(hào)。DSC系統(tǒng)在VHF頻段上覆蓋半徑一般約為37.04km,而在MF/HF上的覆蓋半徑可達(dá)370km。

　　1.5甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)

　　甚高頻數(shù)據(jù)交換(VHFataxchangeystem,VDES)系統(tǒng)是一個(gè)旨在增強(qiáng)不同VHF頻段子系統(tǒng)運(yùn)行兼容性和互補(bǔ)性的通信系統(tǒng)，通常由岸臺(tái)、船站設(shè)備、VDE衛(wèi)星地面段、VDE衛(wèi)星空間段以及海上信息服務(wù)中心組成。VDES系統(tǒng)為不同的業(yè)務(wù)類別分配了18個(gè)海上專用VHF通信信道，包括個(gè)傳統(tǒng)的AIS和ASM信道、個(gè)衛(wèi)星信道、個(gè)用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男略鯝IS信道以及個(gè)高速VDE信道。VDES系統(tǒng)采用25kHz、50kHz和100kHz三種帶寬分別用于AIS和ASM信道、高速VDE信道和衛(wèi)星信道。

　　2海上無線通信技術(shù)挑戰(zhàn)

　　2.1海上超遠(yuǎn)距離傳輸

　　現(xiàn)有海上無線通信系統(tǒng)主要使用中頻、高頻以及甚高頻頻段為用戶提供如定位導(dǎo)航、應(yīng)急安全及語音等業(yè)務(wù)。中頻和高頻頻段多用于為海上用戶提供定位導(dǎo)航和應(yīng)急安全等數(shù)據(jù)量較少的業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)需要較遠(yuǎn)的信號(hào)傳輸距離來提高服務(wù)覆蓋率，如DSC系統(tǒng)中較大的通信覆蓋范圍可提高附近船舶接收遇險(xiǎn)船只呼叫信號(hào)的概率，提高遇險(xiǎn)船舶得到及時(shí)援助的機(jī)會(huì)。

　　通常，海上無線信號(hào)可借助蒸發(fā)波導(dǎo)以及天波傳輸實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信。海面上的逆溫和逆濕等因素導(dǎo)致大氣折射指數(shù)與高度間存在負(fù)梯度關(guān)系，當(dāng)負(fù)梯度數(shù)值滿足一定條件時(shí)，電磁波傳輸軌跡的曲率將會(huì)大于地球曲率，使得電磁波陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，形成蒸發(fā)波導(dǎo)傳輸[10]。蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象對(duì)于頻率高于3GHz的電磁波尤為顯著。如圖所示，1989年法國進(jìn)行的一項(xiàng)27.7km的信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)中顯示，蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)10.5GHz和16GHz頻率的信號(hào)在70%的時(shí)間內(nèi)有超過10dB的增益效果。

　　天波傳輸是由電磁波在電離層反射或折射而形成的一種超遠(yuǎn)距離傳輸方法。由于高頻電磁波對(duì)電離層有較強(qiáng)的穿透性，天波傳輸主要對(duì)MF、HF以及部分VHF頻段的信號(hào)有效。例如，基于MF和HF頻段的NAVDAT系統(tǒng)采用天波傳輸方法，傳輸距離可達(dá)648km。如上所述，現(xiàn)有海上超遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)主要采用抗干擾和抗衰減性能較好且易實(shí)現(xiàn)的FSK調(diào)制技術(shù)，以廣播為主的方式傳輸信息。然而，現(xiàn)有中頻和高頻頻段的無線傳輸技術(shù)存在傳輸速率低和傳輸時(shí)延高的問題。此外，多種不同的設(shè)備存在制式不兼容和操作方式差異大等問題。

　　3未來海上無線傳輸技術(shù)研究方向

　　與地面無線傳輸技術(shù)相比，現(xiàn)有的海上無線傳輸技術(shù)較為落后，無法滿足日益增長的海上無線通信業(yè)務(wù)需求。回顧地面蜂窩網(wǎng)從1G～5G性能的提升，無線傳輸技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。以多址接入技術(shù)為例，從1G模擬信號(hào)制式下基于頻率調(diào)制的FDMA技術(shù)，2G數(shù)字信號(hào)制式下的TDMA和CDMA技術(shù)，3G的WCDMA/CDMA2000,到4G的MCCDMA/OFDMA，再到5G的OFDMA，可支持的通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了從語音到多媒體，再到萬物互聯(lián)的飛躍。

　　然而，考慮到海洋空間復(fù)雜多變環(huán)境的影響，現(xiàn)有的地面無線通信技術(shù)不能直接用于海上無線通信系統(tǒng)。例如考慮到海上經(jīng)常出現(xiàn)的暴雨、大風(fēng)以及海面水汽蒸發(fā)等現(xiàn)象，當(dāng)前基于毫米波的高速傳輸技術(shù)在應(yīng)用到海上無線通信時(shí)需考慮隨著頻率的提高，雨衰增大導(dǎo)致的傳輸距離受限的影響。

　　此外，考慮到成本問題，海上難以建立像地面那樣由光纖互連的固定基站，提供快速高效的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。因此，針對(duì)海上空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)及業(yè)務(wù)需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，可通過下文所述技術(shù)進(jìn)一步提升海上無線通信系統(tǒng)性能。

　　3.1海上毫米波和太赫茲傳輸技術(shù)

　　針對(duì)帶寬受限導(dǎo)致的海上傳輸速率低的問題，尚未充分開發(fā)利用的30GHz～3THz的毫米波和太赫茲頻段擁有連續(xù)可用的大帶寬，可以滿足未來海上高速通信的應(yīng)用需求。毫米波和太赫茲頻段受大氣吸收的影響(如電磁波與氧分子或水分子的共振吸收)，較高的衰減系數(shù)使得毫米波和太赫茲在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)產(chǎn)生較大的路徑損耗。盡管如此，仍然存在一些衰減系數(shù)較低的寬頻帶大氣窗口可用于信號(hào)傳輸。然而考慮到海上惡劣天氣的影響，如何補(bǔ)償毫米波和太赫茲頻段較高的大氣衰減是實(shí)現(xiàn)海上高性能毫米波和太赫茲系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　通信論文范例：無線光通信的傳輸和接入應(yīng)用

　　4結(jié)論

　　本文首先回顧和總結(jié)現(xiàn)有海上無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)，通過對(duì)比研究不同系統(tǒng)業(yè)務(wù)類別及性能，總結(jié)現(xiàn)有海上無線傳輸技術(shù)存在的速率低、系統(tǒng)繁雜及操作難度高等問題，難以滿足未來海上無線通信高速、快速以及靈活適配不同業(yè)務(wù)的需求。最后，針對(duì)海上空間介質(zhì)復(fù)雜多變、通信距離遠(yuǎn)、業(yè)務(wù)需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，結(jié)合現(xiàn)有無線通信領(lǐng)域先進(jìn)傳輸技術(shù)，提出海上無線傳輸技術(shù)未來研究方向。

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　　作者：張洪銘，閆實(shí)，唐斌，王成才，彭木根，陸軍