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，是我國建設海洋強國和數(shù)字基建戰(zhàn)略的核心組成，也是業(yè)界關注的焦點和難點。針對海上無線傳輸介質(zhì)復雜多變、傳輸距離近、業(yè)務需求差異大等挑戰(zhàn)，首先在對現(xiàn)有海上無線通信技術調(diào)研的基礎上，闡明了傳統(tǒng)海上無線通信技術的不足，介紹了影響海上無線傳輸性能的關鍵性因素，提出了海上無線傳輸?shù)暮诵年P鍵技術原理與性能，最后討論了未來海上無線通信技術挑戰(zhàn)與發(fā)展方向。

　　關鍵詞：海上無線通信;相控陣天線;蒸發(fā)波導;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。海上無線通信技術的發(fā)展在建設海洋強國的過程中發(fā)揮著至關重要的作用。隨著我國在海洋勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋災害預警、海洋安全、海洋漁業(yè)以及海洋運輸?shù)葢�用領域的快速發(fā)展，海上無線通信業(yè)務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)點相對較少且分散，海上節(jié)點間通信距離通常較遠，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。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)境復雜惡劣等因素都為設計高性能可靠海上無線通信系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)。

　　同時，考慮到成本問題，海上無線通信系統(tǒng)難以構建像地面蜂窩網(wǎng)那樣集中式信息管理網(wǎng)絡，不同類型通信節(jié)點的多樣化業(yè)務需求難以高效統(tǒng)一管理。因此，海上無線通信面臨空間介質(zhì)復雜多變、通信距離遠以及業(yè)務需求差異性大等挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的海上無線通信系統(tǒng)存在技術手段落后、通信設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傳輸方法的摩爾斯電報為主，通常情況每天或幾天才有一份幾十字的電報傳輸[1]。

　　此后，海上無線通信技術發(fā)展緩慢，窄帶直接印字電報和無線電話技術逐漸應用于海上無線通信系統(tǒng)。20世紀初，海上無線通信系統(tǒng)進行數(shù)字化革新，例如全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GlobalMaritimeDistressandSafetySystem,GMDSS)的研發(fā)使用、自動識別系統(tǒng)(AutomaticIdentificationSystem,AIS)及航行數(shù)據(jù)記錄儀等安全導航系統(tǒng)被強制要求安裝到航行船舶上等。海上通信系統(tǒng)逐步實現(xiàn)了對應急安全、定位導航以及語音通信等業(yè)務的支持。

　　當前，國際海事組織(InternationalMaritimeOrganization,IMO)正積極推動旨在加強岸基與船舶間信息交互能力的航海計劃[2]，通過對用戶間信息流和應用程序的數(shù)據(jù)流進行高效統(tǒng)一的集成管理，實現(xiàn)海上信息高效安全的傳輸。其中，作為未來對航海戰(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]。未來如高清實時視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實以及遠程醫(yī)療等面向用戶體驗質(zhì)量(Qualityofxperience,QoE)的業(yè)務需求將不斷提升。

　　例如，在遠洋航行時，虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實技術可幫助船上用戶與數(shù)千千米外的其他用戶在虛擬域進行實時互動。此外，遠程醫(yī)療技術可幫助海上生病的用戶得到及時有效的治療。然而，現(xiàn)有的海上無線傳輸技術無法支撐上述業(yè)務的實現(xiàn)。特別地對于我國而言，當前海上通信系統(tǒng)大多依賴國外技術，在關鍵的無線傳輸和組網(wǎng)領域只掌握較少的核心技術。

　　在全球海上無線通信新一輪變革的背景和機遇下，為助力我國在無線傳輸和組網(wǎng)等核心技術領域取得更多突破性創(chuàng)新，本文針對海上無線通信空間介質(zhì)復雜多變、通信距離遠及業(yè)務需求差異性大的挑戰(zhàn)，對現(xiàn)有海上無線傳輸關鍵技術進行回顧和總結，闡述其工作原理，并結合現(xiàn)有地面無線通信領域前沿技術，提出未來海上無線傳輸和組網(wǎng)技術研究方向。傳統(tǒng)海上無線通信技術本節(jié)對現(xiàn)有具有代表性的海上無線通信系統(tǒng)的關鍵傳輸技術進行簡單的梳理、比較和性能評估。針對不同業(yè)務類別和通信頻段分為主要面向定位導航的奈伏泰斯系統(tǒng)、海上數(shù)字廣播系統(tǒng)以及自動識別系統(tǒng)，面向應急救援業(yè)務的數(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的方式為沿海區(qū)域航行的船舶提供如導航數(shù)據(jù)、氣象預警以及險情救援等安全信息的業(yè)務。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個海域提供英文海上安全信息播報的服務，而國家奈伏泰斯系統(tǒng)采用490kHz或4209.5kHz的頻率傳輸以當?shù)卣Z言為主的海上安全信息。特別地，我國于1986年正式應用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。

　　奈伏泰斯系統(tǒng)通常由業(yè)務協(xié)調(diào)站、發(fā)射臺和接收機三部分組成。其中，業(yè)務協(xié)調(diào)站將收集到的相關海洋安全信息經(jīng)篩選過濾后發(fā)送至發(fā)射臺，經(jīng)過編碼和調(diào)制后通過載頻信號由發(fā)射臺廣播至目標海域。目標海域內(nèi)的船舶上通過接收機可以自動接收、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。在接收端，對接收信號進行檢測、濾波、解調(diào)和解碼后得到NAVTEX報文。奈伏泰斯系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單、抗干擾和抗衰減能力強的優(yōu)點，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)是一個面向海上船舶導航和安全的廣播通信系統(tǒng)，主要由信息管理系統(tǒng)、岸臺發(fā)射機和船載接收機組成。2012年舉行的世界無線電通信大會正式將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)絡上傳到NAVDAT的信息管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理，處理后的信息通過岸臺網(wǎng)絡下發(fā)到岸臺發(fā)射機，岸臺發(fā)射機將所需傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^正交頻分復用(Orthogonalrequencyivisionultiplexing,OFDM)載波信號傳輸，子載波間間隔為41.66Hz，每個子載波采用正交幅度調(diào)制(Quadraturemplitudeodulation,QAM)方法進行調(diào)制。船載接收機接收到信號后對OFDM信號進行解調(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)最高傳輸速率可達約25bit/s，覆蓋半徑可達648km。

　　1.3自動識別系統(tǒng)

　　自動識別系統(tǒng)(Automaticdentificationystem,AIS)是一個在VHF頻段上運行的海上自動跟蹤識別系統(tǒng)，可以周期性地為船舶、岸臺和海事主管單位廣播船名、識別碼、航向、航速及位置等信息，實現(xiàn)對目標海域內(nèi)船舶的自動跟蹤識別和監(jiān)視。

　　AIS系統(tǒng)使用161.975MHz和162.025MHz兩個專用頻段，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，AIS系統(tǒng)的運行帶寬為12.5kHz或25kHz;而遠洋航行時，AIS系統(tǒng)的運行帶寬為25kHz。AIS系統(tǒng)通過時分多址(Timedivisionultipleccess,TDMA)技術實現(xiàn)信道復用，擴大系統(tǒng)通信容量。根據(jù)不同應用類別，AIS設備可分為面向大型郵輪的類AIS設備、面向中小型船只的類AIS設備、裝備在搜救飛機上的機載AIS設備以及裝備在航標上的AIS設備等。針對不同業(yè)務的通信質(zhì)量需求，不同類型的設備采用不同的TDMA技術。

　　例如，針對大型郵輪的穩(wěn)定性接入需求，類AIS設備采用性能較好的固定時隙預分配的自組織TDMA(SelforganizedTDMA,SOTDMA)接入方式(SOTDMA將每個VHF信道的時間分割成26.7ms的時隙，min為一幀每一幀又被分為250個時隙，每個AIS用戶在每幀內(nèi)按被分配的時隙進行通信);相比之下，針對小型船只間接性的接入需求，類AIS設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設備通過對每個信道時隙內(nèi)接收信號強度的大小來判斷該時隙是否被占用。例如，當某個時隙內(nèi)的接收信號強度比載波監(jiān)聽的門限高10dB,則該時隙已被占用而無法作為候選發(fā)射時隙。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)采用點對點、點對多點的通信方式，為海上船舶提供遇險呼叫的業(yè)務。DSC系統(tǒng)由岸臺和船臺兩部分組成，其中依據(jù)不同船型大小，船臺又可分為、和型三種。型船臺使用中頻(Mediumrequency,MF)高頻(Highrequency,HF)甚高頻(Veryighrequency,VHF)頻段，適用于遠洋航行的大型船舶;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行通信，以保證附近岸臺或船舶可以及時接收到遇險船舶的求救信號。

　　通常，呼叫船臺在MF、HF或VHF的某一頻段設置遇險呼叫頻段，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，船臺在MF/HF頻段采用每隔一段時間(一般大于min)向附近連續(xù)發(fā)送多個呼叫序列的方法進行呼救，直到接收到附近岸臺或船舶回傳的遇險收妥呼叫序列為止。而在VHF頻段上，DSC系統(tǒng)的通信速率為1.2bit/s船臺可在首次呼叫未成功時，每隔重復發(fā)送呼叫信號。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)是一個旨在增強不同VHF頻段子系統(tǒng)運行兼容性和互補性的通信系統(tǒng)，通常由岸臺、船站設備、VDE衛(wèi)星地面段、VDE衛(wèi)星空間段以及海上信息服務中心組成。VDES系統(tǒng)為不同的業(yè)務類別分配了18個海上專用VHF通信信道，包括個傳統(tǒng)的AIS和ASM信道、個衛(wèi)星信道、個用于遠距離傳輸?shù)男略鯝IS信道以及個高速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海上無線通信技術挑戰(zhàn)

　　2.1海上超遠距離傳輸

　　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航、應急安全及語音等業(yè)務。中頻和高頻頻段多用于為海上用戶提供定位導航和應急安全等數(shù)據(jù)量較少的業(yè)務。此類業(yè)務需要較遠的信號傳輸距離來提高服務覆蓋率，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船只呼叫信號的概率，提高遇險船舶得到及時援助的機會。

　　通常，海上無線信號可借助蒸發(fā)波導以及天波傳輸實現(xiàn)超遠距離通信。海面上的逆溫和逆濕等因素導致大氣折射指數(shù)與高度間存在負梯度關系，當負梯度數(shù)值滿足一定條件時，電磁波傳輸軌跡的曲率將會大于地球曲率，使得電磁波陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，形成蒸發(fā)波導傳輸[10]。蒸發(fā)波導現(xiàn)象對于頻率高于3GHz的電磁波尤為顯著。如圖所示，1989年法國進行的一項27.7km的信號傳輸實驗中顯示，蒸發(fā)波導對10.5GHz和16GHz頻率的信號在70%的時間內(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距離傳輸方法。由于高頻電磁波對電離層有較強的穿透性，天波傳輸主要對MF、HF以及部分VHF頻段的信號有效。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648km。如上所述，現(xiàn)有海上超遠距離通信系統(tǒng)主要采用抗干擾和抗衰減性能較好且易實現(xiàn)的FSK調(diào)制技術，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存在傳輸速率低和傳輸時延高的問題。此外，多種不同的設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研究方向

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

　　然而，考慮到海洋空間復雜多變環(huán)境的影響，現(xiàn)有的地面無線通信技術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、大風以及海面水汽蒸發(fā)等現(xiàn)象，當前基于毫米波的高速傳輸技術在應用到海上無線通信時需考慮隨著頻率的提高，雨衰增大導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)絡接入服務。因此，針對海上空間介質(zhì)復雜多變、通信距離遠及業(yè)務需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，可通過下文所述技術進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

　　針對帶寬受限導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距離傳輸時產(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傳輸。然而考慮到海上惡劣天氣的影響，如何補償毫米波和太赫茲頻段較高的大氣衰減是實現(xiàn)海上高性能毫米波和太赫茲系統(tǒng)的關鍵挑戰(zhàn)。

　　通信論文范例：無線光通信的傳輸和接入應用

　　4結論

　　本文首先回顧和總結現(xiàn)有海上無線通信系統(tǒng)中的關鍵傳輸技術，通過對比研究不同系統(tǒng)業(yè)務類別及性能，總結現(xiàn)有海上無線傳輸技術存在的速率低、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)務的需求。最后，針對海上空間介質(zhì)復雜多變、通信距離遠、業(yè)務需求差異性大等特有挑戰(zhàn)，結合現(xiàn)有無線通信領域先進傳輸技術，提出海上無線傳輸技術未來研究方向。

　　參考文獻

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　　作者：張洪銘，閆實，唐斌，王成才，彭木根，陸軍