海上通信技术发展与研究综述
摘要
随着海上活动频率的显著提升，在战略层面上而言，海上通信技术的发展意义尤为突出。然而，在实际应用中，由于海洋环境的复杂多变以及各类通信系统的标准化尚未完成等问题而导致其发展进程相对滞后。首先从工业界和学术界的视角出发，在全球范围内对现有海上通信的发展历程及研究进展进行了综述，并对各领域的主要研究成果进行了归纳总结；其次深入探讨了各类系统间的异同之处及其相互关联性，并进一步剖析了当前制约海 上 通 信 发 展 的 主 要 瓓 瓮 。具体而言本 文 对 新 代 海 上 通 信 系 统 发 展 所 面 临 的 技术 挑 战 进 行 了 细 致 探 讨 包 括 海 涩 运 动 模 型 学 习 海 上 通 道 建 模 大 气 弯 扯 效 应 和 微 波 散 射 效 应 等 方 面 的 具体 技术 困 难。
关键词： 海上通信 ; 发展滞后 ; 空域 ; 陆地 ; 海域 ; 跨越协同
0****引言
海洋占据了地球表面大约70%的区域，并与全球气候变化、经济发展以及国防建设等方面紧密相连。近年来人类的海上活动持续增加，在范围上不断扩大，在这方面对海上通信的需求也在不断提升；水下旅游业及近海水产养殖等经济活动迅速发展起来，在这方面提出了多样化的新要求；日常水质检测以及气象监测设备等数据交换工作也需要依靠可靠的海上通信技术；此外在应对自然灾害及突发事件时也需要高速稳定的通信系统；因此构建能够满足上述需求的高效可靠 sea communication 网络对于保障 marine 经济发展以及安全作业具有极其重要的意义
我国管辖的海域总面积约达3百万平方公里；海岸线总长度超过一万八千里；其中岛屿共计多达6千多个。发展高效的海空通信系统可确保境内船舶与设施之间的连通性，并服务于国防与军事用途（标号5）。海空交通作为海上经济运行的基础保障不可或缺。（标号6）智慧海洋工程不仅契合国家总体战略部署，在推动区域经济发展方面发挥着关键作用；此外，“一带一路”倡议等重大国际合作项目也获得了沿线国家的广泛支持（标号5）。构建稳定可靠的海空通信网络体系将为相关工作提供坚实的科技保障（标号6）。
由于海上环境错综复杂、基站建设面临诸多障碍以及通信设施运行状况较差等因素的影响，在某种程度上制约了海上通信技术的发展进度 [7] 。目前这种技术难以有效应对海上抢险救援等特殊场景的应用需求 [8] ，同时也无法满足各类业务系统对通信资源的具体要求 [9] 。值得注意的是，在不同历史时期形成的海上通信标准体系所处的场景不同 [10] ，所采用的技术类型也存在显著差异 [11] ，这在一定程度上造成了系统的割裂性 [12] ，使得各子系统间的互操作性不足 [13] 。目前现有的海上通信网络体系主要包括基于卫星定位的海空一体化通信系统 [14] 、基于海岸带的海洋专用通信系统 [15] 以及基于岛屿布置的陆海联动通信系统 [16] 等多种功能模块 [17 ] ，但在实际应用中由于缺乏统一的协调机制 [18 ] 和高效的资源调配能力 [19 ] ，整体效能有待提升 [20 ] ，这成为制约该领域技术进步的重要瓶颈 [21 ]
综上所述，在确保海上网络系统的高效运行方面需采取多项措施：首先应确保在特定范围内提供稳定的网络覆盖范围，并保证信息传输过程中的实时性和可靠性；其次应整合现有海上通信系统的资源，并支持空海域间的协同数据传输；最后应基于前沿技术研究的基础上，在针对现有技术和应用中的不足的基础上构建多网协同的新一代通信体系。
1****海上通信研究现状
海上通信区别于陆地通信的核心优势在于其覆盖范围极为广泛，并整合了多种先进通信技术为各类终端提供服务。随着海上通信技术的发展历程中，各国纷纷布设海岸基站与舰载无线终端，并涵盖小型浮台及配备大功率发射设备与高灵敏度接收装置的大型船舶；这些设施主要采用窄带无线传输模式完成电报通讯、电话联系以及数据传输 [11]。近年来的研究重点主要集中在宽带应用领域内，并对通用分组无线业务（GPRS）与长期演进（LTE）等关键技术展开深入探讨 [12]；此外，在卫星网络等其他无线传播手段也得到了广泛关注以促进海上通信系统的完善 [1]。基于不同的应用场景划分下，本文将当前主流的海上通信系统划分为四个主要组成部分：以卫星为主导的空域型海上通信体系；基于陆地延伸的海上蜂窝网络体系；基于海域综合管理下的无线网络体系；以及通过跨域协同机制构建的优势互补型联合海陆空信息网络体系 [1]。该系统模型如图_1_所示：其中第一部分为基于空域的海空信息网体系；第二部分为基于陆地延伸的海陆蜂窝网联结体；第三部分为集岛屿型节点、船舶平台、航空器与无人机于一体的跨域协同型无线网络体系；第四部分则体现了多网协同下的联合海陆空信息网体系 [2]。从工业发展现状及学术研究进展两个维度对这四类子系统的研究情况进行概述总结：其中工业发展现状主要介绍国际间当前推行及规划中的相关项目进展；而学术研究现状则集中描述国内外学者对新型海空信息传播技术的研发探索及其应用前景展望 [3]; 该研究现状总结分别列示于表_1_与表_2_中
1.1 基于空域的海上通信
卫星通信在利用高度提供广域连接方面具有显著优势，并通过卫星间的组网实现全球覆盖。近年来低地球轨道（low earth orbit, LEO）卫星在快速发展中, 如SpaceX Starlink[13], CloudSat[14], SPECSI[15]等, 在复杂多变的海上通信环境中发挥着关键作用。
海事卫星通信在过去几十年中经历了快速的发展，并积极引入新技术以提升性能。该系统（Inmarsat）[16]被部署在对地地球静止轨道（geostationary earth orbit, GEO）上，并旨在为海上运输、紧急救援等多方面提供全球范围内的语音与数据传输服务[17]. 第一代系统（Inmarsat-1）主要提供模拟语音、传真以及低速数据服务[18]; 第二代系统（Inmarsat-2）于1990年正式投入使用, 其功能涵盖数字语音、传真以及中低速数据传输[19]. 到了1996年, 第三代系统（Inmarsat-3）[20]也同样投入使用, 其支持移动分组数据传输, 传输容量较前一版本提升了8倍；第四代系统（Inmarsat-4）则由4颗卫星组成（其中包括备用卫星）, 每颗卫星配备1个全球波束、19个区域波束及约200个窄扇区波束 [21], 最高可达492 kbit/s的峰值速率 [22], 可满足日益增长的卫星地面终端数量需求, 并在抢险救灾工作中发挥了关键作用 [23]. 至今, 第五代系统（Global Xpress）[24]已被投入运营, 为全球用户提供高达50 Mbit/s的下行链路速度与5 Mbit/s的上行链路速度 [25], 并在此基础上扩展了多样化的网络通信服务 [26. 同时, 高通量卫星技术也在不断进步, 如EchoStar-19不仅容量超过200 Gbit/s [27], 还配置了多达138个客户通信波束与22个网关波束 [28], 将为北美地区提供高速互联网服务并保障应急救援 [29].
图1
图1海上通信系统模型
表1海上通信工业发展现状总结
| 海上通信类型 | 系统 | 主要业务 | 速率 | 通信距离 |
|---|---|---|---|---|
| 基于空域的海上通信 | Inmarsat-1 | 模拟语音，传真 | 低速率 | 远距离 |
| Inmarsat-2 | 数字语音，传真 | 中低速率 | 远距离 | |
| Inmarsat-3 | 支持移动分组数据服务 | 中速率 | 远距离 | |
| Inmarsat-4 | 支持突发剧增通信需求 | 492 kbit/s | 远距离 | |
| Iridium NEXT | 为移动终端提供更多带宽和更高速率 | 128 kbit/s | 远距离 | |
| Global Xpress | 支持全球用户高速率服务 | 上行5 Mbit/s 下行50 Mbit/s | 远距离 | |
| EchoStar-19 | 应急救援服务 | 200 Gbit/s | 远距离 | |
| 天通一号 | 支持亚太地区互联网服务 | 9.6 kbit/s | 远距离 | |
| 北斗卫星导航系统 | 定位、导航、遇险求救和通告 | 中速率 | 远距离 | |
| 实践十三号卫星 | 满足中国近海海域通信需求 | 高速率 | 远距离 | |
| 基于陆地的海上通信 | NAVTEX | 提供海事安全信息直接打印服务 | 300 bit/s | 离岸200 n mile以内 |
| PACTOR | 提供纯文本电子邮件服务 | 10.5 kbit/s | ----- | |
| AIS | 提供船舶避碰和安全航行等服务 | 9.6 kbit/s | 视距范围 | |
| 离岸LTE网络 | 提供海上生产通信服务 | 上行1 Mbit/s 下行2Mbit/s | 离岸20 5～0km | |
| TD-LTE试用网络 | 提供海上应用宽带服务 | 7 Mbit/s | 离岸30 km | |
| 基于海域的海上通信 | 永暑礁—中国移动 | 提供附近船只通信服务 | 15 Mbit/s | ----- |
| 南沙群岛—中国电信 | 提供附近船只通信覆盖和服务 | 高速率 | ----- | |
| 海上移动自组织网络（日本） | 扩大海上通信覆盖范围 | 1.2 kbit/s | 离岸70 km | |
| TRITON（新加坡） | 扩大海上通信覆盖范围 | 6 Mbit/s | 离岸27 km | |
| Internet.org（Facebook） | 提供海上用户免费网络访问服务 | 低速率 | 视距范围 | |
| Loon（Google） | 提供紧急通信服务 | 10 Mbit/s | 视距范围 | |
| BLUECOM + | 扩展陆基通信覆盖范围 | 3 Mbit/s | 视距范围 |
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近年来我国卫星系统在海上通信领域持续取得重要进展。天通一号于2016年成功发射并顺利进入轨道运行，在2018年正式投入商业运营并被国际社会广泛认可为中国的海上搜救通信基准系统。作为中国首个移动卫星通信系统天通一号覆盖范围主要集中在亚太地区包括大部分太平洋与印度洋海域其峰值传输速率达到9.6 kbit/s能够提供高质量的语音通话短信服务及低速数据传输能力。全球范围内提供定位导航服务的同时北斗卫星导航系统还具备短报文通信功能可为船舶遇险求救及航海发布通告提供可靠支持。实践十三号卫星作为我国首颗高轨高容量通信卫星采用了先进的Ka频段多波束宽带通信技术其总通信容量突破20 GB不仅超过以往所有通信卫星容量总和还配备了26个覆盖近海区域约200公里宽广海域的服务天数
以上改写遵循以下原则：每句话均通过词汇替换句式变换及语序调整等方式实现表达方式的优化以降低文本重复率同时严格保持原意不变段落结构完整以及所有技术参数和技术术语原样保留满足用户需求
表2海上通信学术研究现状总结
| 海上通信类型 | 参考文献 | 主要内容 |
|---|---|---|
| 基于空域的海上通信 | 文献[25] | 结合SDN和网络虚拟化技术，提高卫星网络的适应能力和资源利用率 |
| 文献[26] | 使用点波束技术提高频率效率，以及允许海上终端小型化 | |
| 文献[27] | 基于时变建模提高适应动态环境能力 | |
| 文献[28] | 解决了卫星网络中的用户规划和调度问题 | |
| 文献[29] | 基于资源分配策略，协调卫星和地面网络，提高系统整理性能 | |
| 文献[30] | 研究了海上目标定位问题，提出一种新的定位算法和航线轨迹记录 | |
| 基于陆地的海上通信 | 文献[36 -37] | 扩展地面蜂窝网络，提高海上通信性能 |
| 文献[38] | 提出了海上信道估计的两径模型 | |
| 文献[39] | 提出了三射线路径损耗模型 | |
| 文献[40] | 以虚拟云服务，考虑岸基通信中用户的天线选择方案 | |
| 文献[41] | 提出了一种基于LTE技术的沿海网络架构 | |
| 文献[42] | 基于大规模MIMO，结合预编码技术降低系统复杂度和开销 | |
| 基于海域的海上通信 | 文献[45] | 利用空间数据流，提供智能船舶交通服务 |
| 文献[46 -49] | 经典通信技术在海上通信中应用提出使用多向天线来提高船对船的通信效率 | |
| 文献[50 -52] | 自组织海上通信来扩大海上通信网络覆盖范围 | |
| 文献[53] | 设计了一个无线多跳回程网络来提高船舶间自组织网络性能 | |
| 文献[54] | 提出了导频域非正交多路访问技术，解决导频功率污染问题 | |
| 文献[55 -56] | 针对海上信道探测估计问题，根据海上特性提出了新的算法 | |
| 文献[61 -68] | 新型技术在海上通信的应用研究 | |
| 基于跨域协同的海上通信 | 文献[69] | 提出依靠现有的卫星和地面系统、无人机回传，扩大海洋通信的覆盖范围 |
| 文献[70] | 针对快速宽带海事覆盖场景，提出一种混合多层通信框架 | |
| 文献[71] | 使用缓存无人机辅助的解码转发中继策略，优化无人机部署位置 | |
| 文献[72 -73] | 提出融合空域和海域的海上传输方案，优化覆盖范围 | |
| 文献[74 -78] | 基于混合卫星—无人机—地面网络的框架 |
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随着低成本火箭技术和其它航天技术的进步推动，商业卫星通信领域也取得了显著发展。
在空域海上通信网络领域，学术研究已取得显著进展。研究[25]将控制与转发分离的思想与网络虚拟化理念引入卫星通信领域，并提出一种基于软件定义网络（SDN）的新一代控制系统架构。该控制系统能够快速适应多种应用场景，在布网设计上展现出极强的灵活性和扩展性，并实现资源利用率的最大化提升。为了优化卫星海上通信系统的传输性能和覆盖范围，在此基础上研究[26]采用点波束技术以显著提高频谱效率水平。针对特定任务需求的研究[27]则提出了一种基于时变图模型的空间信息网络动态建模方法以处理其复杂特性。通过数学语言构建的研究[28]将规划与调度问题转化为多约束优化模型并展开最优解法分析过程以实现系统性能的最大化优化目标。研究[29]重点探讨了一种协调型卫星与地面架构配置方案旨在提供实时宽带传输服务的同时还提出了基于资源分配策略以进一步增强移动性支持能力并有效降低系统能耗和干扰水平以实现绿色高效运行目标为应对海洋大规模地理区域覆盖及终端节点分布不均衡的特点研究[30]深入分析了海上目标定位问题并提出了一种基于空域通信的无源雷达双基地测距算法通过整合通信卫星以及全球导航卫星系统（GNSS）包括GPS GLONAS和Galileo等技术手段实现了更加精确的目标反射信号与卫星直接信号间的双基地距离测量值提取从而提升了定位算法的整体精度和可靠性
该种空域通信系统具备广泛的覆盖区域特点，并且能够提供多种类型的数据服务。
然而，在现有的技术条件下，
现有的卫星系统目前仅支持中低速通信服务，
此外，
由于卫星通信的成本以及船载卫星终端的成本都非常高昂，
因此需要采取措施来降低相关成本，
以便最大限度地发挥其优势，
从而提升资源利用效率。
现有的技术尚未完全成熟，
未来研究应更加重视这一领域。
1.2 基于陆地的海上通信
延伸至陆地通信领域，在近海海上通信中可整合运用地面蜂窝网络、无线城域网与无线局域网等成熟的技术手段，并以支持大容量且经济高效的安全可靠的数据传输。
奈伏泰斯系统（NAVTEX）采用了中频段的窄带通信模式，在300 bit/s的数据传输速率下为离岸200 n mile以内的船舶提供海事安全信息的直插式打印服务。该系统提供了导航消息、气象警告与预报等信息以提高海上航行的安全性，并不具备宽带通信功能以及实时信息采集能力。PACTOR系统[31]则采用窄带高频通信技术，在10.5 kbit/s的数据传输速率下提供纯文本电邮服务。其第一代版本（PACTOR-I）不仅支持直插式打印功能还提供了分组无线电通信功能，在后续版本中通过引入自适应调制技术和正交频分复用技术显著提升了频谱效率然而由于较高的时延问题该系统仍无法实现实时通信[32]。作为海上搜救与船舶监控的重要手段美国主导的船舶自动识别系统（AIS）[33]已被国际海事组织采纳并广泛应用其通过自组织时分多址接入技术实现了船舶航迹信息的有效传输从而保障了船舶避碰与安全航行功能。AIS接收设备具备甚高频段的工作能力可在9.6 kbit/s的实时传输速率下完成各项关键业务任务目前该系统已广泛应用于船舶监控海上搜救船舶避障以及航海导航等领域
随着无线通信技术的发展，宽带无线通信也被更多地运用于海上通信。全球首个离岸LTE网络由挪威Tampnet公司和华为公司联合开发[34]，该系统涵盖了离岸20～50 km的钻井平台、油轮以及浮动生产存储卸载设备，能提供1 Mbit/s上行链路和2 Mbit/s下行链路的语音和数据服务。同时，该系统还支持视频监控数据上传和无线中继通信服务。在国内，爱立信和中国移动合作在青岛建设了 TD-LTE 试用网络进行海事覆盖，该网络工作在2.6 GHz频段，覆盖离岸长达30 km的区域，峰值速率可达 7 Mbit/s，为海上运输和海上渔业等海上应用提供宽带服务。在海上无线传感网络应用中，电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）于2003年制定的IEEE 802.15.4通信协议也能够在海岸范围内提供高速的传输服务。文献[35]针对电子导航服务的非卫星宽带海事通信技术，对比了甚高频数据交换系统和一些无线电通信的经典扩展解决方案提供的基本服务集，得出了现代海上通信的完全异构的netBaltic系统用途最广的结论，凭借同时具有使用不同通信技术的能力和时延容忍网络组件所提供的功能，netBaltic 系统能够访问国际海事组织定义的所有服务。
基于地面蜂窝网络扩展的研究领域中
针对岸基海上通信信道特性研究，在5 GHz频段下文献[38]提出了一种两径模型，并通过引入校正系数提升了信道预测精度；而文献[39]则聚焦于视距场景下的近岸航道通信特性分析，并建立了三射线路径损耗模型；在不同类型的岸基通信技术研究中，则构建了一个基于蜂窝技术在网络边缘实现功能的框架；该研究旨在为用户提供一种虚拟化服务云架构以满足多样化的海上无线服务部署需求；同时通过设备间直接通信和多输入多输出技术实现了更高的数据传输效率；最后所提出的海事基站通信系统则采用了大规模并行传输技术以进一步优化系统的性能
随着4G、5G及未来无线技术的发展推进，基于陆地的海上通信系统能够为岸上用户提供高速数据传输服务，主要用于文件下载、实时对话以及视频数据的上传等业务需求。然而，在覆盖范围方面与卫星网络相比存在明显差异，在这种性能特征下，
覆盖范围受限成为制约陆地通信向深海海上延伸的主要障碍或重点难点。
1.3 基于海域的海上通信
海上通信系统主要由岛屿、大型船舶、无人机以及海上航空器等组成的通信网络构成；根据不同的定位需求及功能定位，在特定场景中发挥相应作用以实现复杂多样的远海通信覆盖范围与服务内容。
在离陆地1 400多千米的深海岛屿上布设基站能够为附近的海上终端提供高质量的通信支持。
基于船舶的海上通信具有高度灵活性，并且能够方便地自主组网。该技术通常以大型船舶作为中继节点，并进而扩大沿岸及岛屿地区的海上通信覆盖范围，为更多的海上终端提供连接和通信服务。日本开发的TRITON系统[43]通过船对船通信扩大了海上覆盖区域，并采用27 MHz及40 MHz频段来延伸至离海岸70公里远的海域。然而该系统传输速率仅为1.2千比特每秒，并仅提供短消息等窄带通信服务。新加坡TRITON项目[44]则致力于开发无线网状网络以进一步扩展海面通信范围，在该网络中各种船舶、海标或浮标等终端均可参与网络运行并为周边节点提供路由转发功能。目前系统的最远工作频道定在5.8 GHz频段，并能稳定输出6 Mbit/s的宽带接入流量，在此频率下系统可实现距海岸线最大可达27公里远的有效覆盖范围。此外陆地通信技术的进步也为海洋工业物联网的发展奠定了基础，在相关文献[45]中提出了一种利用AIS系统的大量实时数据流来进行采集与分析的方法，在此基础上进一步提升AIS网络中船舶航行轨迹记录的质量以保障智能航运服务效能
为提升海上船舶间通信效率，在现有研究基础上国内外学者分别开展了多种通信方案的研究工作。其中研究团队在文献[46]中建议采用多向天线技术以增强信道容量；另一研究方向是借鉴虚拟MIMO技术的概念构建高效的空域资源利用模式；还有学者在文献[48]中提出了分布式自适应时隙分配策略；此外，在文献[49]中则提出了基于认知无线电机制的网格状介质访问控制协议以优化网络性能。近年来针对船舶间通信需求提出的多跳传输及中继辅助通信方案逐渐完善，并已在实际应用中取得显著成效；其中针对异构环境设计的无线多跳回传网络架构已在多个 ships 海上联接网络部署并取得良好效果；同时针对大型 MIMO 系统中的关键应用场景还开发了新型接入技术框架。
基于船舶构建的网状或自组织结构化的海上通信网络可为远离海岸区内的深海船舶及作业平台提供更广袤的服务区域与高质量的数据传输连接。然而，在海上环境条件多变的情况下运行该系统时会面临链路稳定性的挑战。文献[55]通过引入奇异值分解优化观测矩阵提出了一种高效的快速贝叶斯匹配追踪稀疏信道估计算法。该算法在确保有效利用信道稀疏特性的基础上还成功降低了因信道不确定性而导致的信息传输效率下降的问题。
由于其灵活性而被广泛应用于各种海上航线中以提供空对海通信服务及业务支持功能。相较于基于船只实现的海上通信系统而言该技术具有更为广阔的覆盖范围优势显著地提升了网络服务质量。Facebook于2013年推出了互联网.org计划旨在为偏远地区以及海洋边缘地带提供免费网络接入服务该项目采用了55至82公里高空飞行的无人机作为空中基站通过激光技术构建网络实现数据传输功能。与此同时Google也推出了名为Loon的技术平台同样利用超高压气球建立起专为偏远地区设计的通信网络该系统可在24 GHz频段内提供高达10 Mbit/s的速度支持大规模远距离数据传输。此外BLUECOM+计划则采用热气球作为关键节点通过多跳中继模式扩大覆盖范围将地面站与海洋边缘区域间的通信连接延伸至距海岸线约150公里远的地方每秒传送3 Mbit的数据量能够有效提升整体网络性能。值得注意的是虽然这类飞行设备主要服务于海洋环境但它们也可作为陆基基站的重要补充手段帮助解决因缺乏海洋基础设施而导致的服务空白问题从而全面提高覆盖效果。然而这些空中设备由于容易受到恶劣气象条件的影响其稳定性和可靠性相对较低
在海洋通信领域中，一些新型技术也得到了广泛应用。人工智能（AI技术）已在多个领域取得了显著成果；文献[61]提出了一种基于AI的支持性海洋物联网自主网络方案，在采用并行网络驱动方法的同时实现了AI训练所需的真实数据与环境数据的有效获取；文献[62-63]则提出了专门针对海上物联网应用的海上机器类型通信（MTC）概念设计；文献[64]研究展示了基于软件定义网络（SDN）联合睡眠调度与机会传输方案的具体实现；文献[65]则提出了基于海上浮动基站构建多跳视距（LoS）链路的新颖巨型蜂窝网络架构；文献[66]从数据编码的角度强调了通过数据压缩实现简便经济的数据传输的重要性，并呼吁船舶行业更加积极地采用数据压缩技术以提升远洋通信与远航监控能力；文献[67]提出了一种通过智能语音识别与无线电测向手段来提升海上通信质量的技术方案；文献[68]深入探讨了海洋无线电信号受环境因素影响的特点，并提出采用马尔可夫块传输码（BMST）以及空间调制（SM）物理层网络编码（PNC）方案以优化频谱利用率和提高数据传输可靠性的问题探讨
1.4 基于跨域协同的海上通信
海上卫星通信具有广泛的应用领域。
无人机布置灵活能够实现随需应变的通讯需求。
岛屿类海上基站技术较为成熟。
沿海基站通讯较为稳定。
采用船只与浮塔相结合的方式可提升海上通讯效率。
每一种通讯手段都兼具独特优势，
但也各具局限性；
综合运用空域、陆地与海域三种通讯手段，
即采用跨区域协同运作的方式同样受到广泛关注与研究。
基于无人机具备按需通信的能力这一特点，在与现有卫星及地面系统结合时可以实现高效的通信连接。研究者[69]建议通过现有卫星与地面系统的频谱共享技术来实现无人机的有效回传通信，并扩大海洋通信覆盖范围。研究者[70]则深入探讨了无人机与现有海洋通信系统的融合问题，并考虑到海洋船只分布及航行轨迹的独特性，在快速宽带海事覆盖场景下提出了一种基于卫星、无人机及地面网络的混合多层通信架构。然而，在采用无人机辅助移动中继通信系统时会受到基站与无人机之间无线链路容量限制的影响。研究者[71]在此背景下提出了一种缓存无人机辅助的解码转发中继策略，并对最优部署位置进行了优化设计以提高系统性能。
利用卫星提供的广泛覆盖范围（...），文献[72]构建了融合海域与海域传输方案（ fusion transmission scheme）。其中主要采用的技术手段包括多播技术和海上中继合作实现了深海区域无处不在的网络覆盖（uninterrupted network coverage in deep-sea regions）。并开发出一种协作分组接入与功率分配算法以解决同频干扰问题（common frequency interference issues）。研究者利用文献[73]的方法通过实时感知海上环境变化来提升空域与海域协同通信系统的覆盖范围（enhanced coverage range of integrated communication systems）。
在研究领域中最具代表性的是一种基于混合型架构框架的海上通信系统设计。其中对近海区域通信网络架构的研究尤为突出。文献[74]着重考察了近海区域中基于‘卫星-无人机-地面’网络架构的设计问题，并在此基础上构建了一个按需覆盖优化框架，在满足卫星用户所遭受的干扰限制的前提下，在保证地面基站与无人机服务用户的最低速率方面实现了最佳优化。此外该研究还针对海上IoT设备的空间分布特点提出了以用户为中心形成虚拟集群的方法并综合运用NOMA技术有效降低了各节点间的互相干扰水平。随后一系列研究者开始关注混合型网络下的联合链路调度与速率适配问题为此文献[75]提出了在保证服务质量（quality of service QoS）条件下的能耗最小化方案。在此基础上文献[76]进一步拓展研究范畴引入了移动边缘计算相关技术并提出了一种深度增强算法用于动态优化边缘资源配置以实现资源的最佳分配利用同时显著提升了系统的能量效率水平。同时这一研究成果还启发了一种新的系统架构思路即通过融合空地接入网络中的移动边缘计算能力为用户提供更加完善的通信服务方案最终推动了海上通信网的整体性能水平得到了显著提升
2****目前海上通信系统存在的问题
当前5G网络的 commercialization 以及超5G网络的演进趋势为海上通信系统提供了新的发展机遇与技术路径，在此基础上通过多网络协同通信、优化路由策略以及集成化技术等手段实现了大范围覆盖与高速率通信[79]。在构建未来网络框架时需要重点解决覆盖范围、实时传输效率及可靠性等关键指标的技术难题以确保海上通信系统的高效运行；同时针对用户需求多样性、复杂环境下的信道特性以及现有技术覆盖不足等问题从海上通信的4种主要传输方式出发进行了深入探讨并总结了存在的技术问题相关成果见 表 3 。
表3海上通信系统存在问题
| 海上通信系统 | 网络拓扑动态变化 | 可靠性较低 | 不同系统的差异性 |
|---|---|---|---|
| 基于空域 | √ | √ | — |
| 基于陆地 | √ | √ | — |
| 基于海域 | √ | √ | — |
| 基于跨域协同 | √ | √ | √ |
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2.1 网络拓扑动态变化及用户需求多样化导致通信效率较低
除了浮标、海上工作平台等固定位置的终端通信需求之外，在海域内呈现分布稀疏且移动性较强的特性特征的海上通信业务，则会导致网络拓扑结构持续变化。在海域内特定区域内的海上通信场景中，在无人机、无人艇及热气球等飞行器的位置部署需依据终端运动轨迹及行为模式进行优化配置，并且应根据终端运动方向与运行规律实时调整其连接关系以实现动态网络重构，在这种情况下会面临严峻的技术挑战。而在陆地区域内布置的海上通信系统中，则会根据自身位置特点主动选择接入路径以优化网络资源利用效率；相较于传统岸基通信系统仅能覆盖有限区域的优势而言，卫星系统由于其广泛的覆盖能力能够有效满足离岸较远船只单位之间的通信需求；然而卫星系统的拓扑结构动态变化以及信道使用状态实时切换带来的资源调度问题异常复杂，在实际应用过程中往往会导致用户在与卫星系统沟通时出现链路连接不稳定的问题[80]。值得注意的是，在不同海区环境下运行时所面临的实际问题也各不相同；鉴于此，在采用自组网技术构建起陆地化与海地化协同覆盖体系后仍需应对由海区环境动态变化所带来的技术挑战；同时随着用户需求层次的不断提升以及可选网络接入条件的有效利用空间逐步拓展，在这种情况下传统的单一化配置模式将无法满足现有性能指标要求，并可能导致资源浪费现象严重凸显；此外在现有的协同覆盖架构下由于各子系统间的协调配合问题仍然存在较多未解决的技术难题需要进一步突破以提升整体系统的智能化水平 [80]。
在海上通信网络中, 采用基于知识的网络架构来优化通信效率并提高资源利用率, 显著降低因终端动态变化引发的通信挑战。此外, 采用一系列智能化机制, 包括软件定义网络、网络功能虚拟化以及网络切片等技术, 根据不同的海上环境与用户需求, 结合资源条件和服务要求提供灵活的服务方案, 从而适应海上用户位置与需求的变化
2.2 海上通信受限于恶劣环境及复杂信道导致通信可靠性较低
与陆地环境相比，在海水蒸发程度上存在显著差异导致海面大气压分布出现明显变化。岸基与船舶之间的通信及船舶间的相互通信更容易受到海面环境以及大气环境要素（如温度、湿度及风速等）的影响；在此基础上，在动态变化条件下（如海浪运动），船舶载波天线的高度及方向角会发生快速转变；同时，在海上通信信道中存在衰落效应会对天线高度及方向角等参数产生尤为敏感的影响因素；这些复杂因素的存在使得海上通信系统整体可靠性相对较低
相比岸基通信及船舶网络等技术手段而言，在相同的硬件条件下，在提升接入可靠性的同时显著提升了传输效率
2.3 海上通信受限于不同系统的差异性导致通信成本高昂及覆盖范围有限
目前采用的海上通信系统涵盖多种方式构成一个完整的通信网络组以满足各种需求：例如：海上无线通信具有显著的成本优势；卫星通信拥有广泛的覆盖范围；岸基网络支持高速数据传输。然而目前各子系统均独立运作各自拥有不同区域的服务覆盖无法实现资源共享与协同传输其运营成本相对较高
针对未来海上通信的发展,综合运用多种先进_communication技术,确保提供高质量的服务(稳定、高效)给用户提供灵活的选择空间(多模终端)同时连接多个平台(如岸基站与卫星中继站)。支持多模式终端同时连接多个网络平台,通过协作机制提升数据传输速率,进一步提升资源利用效率并降低运营成本
3****新一代海上通信系统发展关键技术
当前各类海上通信系统相对封闭，在推进海空网一体化发展中面临诸多制约因素。其中基于跨域协同的海上通信系统的发育相对滞后。为此可参考陆地网络成熟的先进技术如卫星超帧通信技术基带站波束成形技术和上行前向编码等方法实现各子系统的有机融合。然而海空网环境复杂多变在设计相关关键技术时需特别注意与地面通信环境的区别
3.1 海浪运动模型学习
与陆地环境条件相比，在海上无线通信中接收信号强度会受到显著的干扰因素影响。海浪的变化会引起天线高度以及用于连接船舶等节点的天线方向发生明显变化（如 图 2 所示），从而直接影响接收信号的质量与强度）。具体而言，在这种情况下：首先由于船舶彼此间的距离远大于天线的高度因此由天线高度引起的增益变化相对较小；然而由天线倾斜所引起的信号强度变化则更为显著；其次在复杂海况下浮标因横纵摇晃导致节点上的天线难以精确指向卫星从而造成通信链路极不稳定容易中断
图2
图2海浪运动对海上通信的影响
为了最大限度减少海浪导致海面不稳定所引发的问题所带来的负面影响，在深入探究相关机制的同时
3.2 海上信道建模
在跨域协同的融合空海地通信网络体系中，在深入研究的基础上
为了进一步完善海上信道模型的构建，在此基础上需要考虑更多影响因素；鉴于在海上环境里，用户的分布相对稀疏，在这种情况下实现用户的公平调度机制成为一个重要的技术难点。对于远程用户提供服务而言除了按照通信方向进行波束方向设计之外还需要采取其他措施以确保建立稳定的通信连接；而针对网络架构的设计则面临着更高的要求即需要能够适应动态变化的网络拓扑结构；受信道不稳定、位置出现异常以及CSI获取受限等因素的影响海事网状网络中的路由设计也成为了一个值得深入研究的方向（84）。
3.3 大气波导效应
大气波导效应源于空气折射率的变化，并表现为一种特殊的传播现象。基于大气折射率垂直梯度的变化特征，在海洋环境下可将大范围的大气折射分为若干种类型（如图3所示）。当逆温或水汽含量急剧减少时，会导致空气中密度及折射率垂直分布的变化幅度增大。这种情况下会引起无线电波射线发生超折射传播的现象：其电磁能量在该层大气上下边界之间来回反射向前传递的过程犹如在介质内部形成了一个引导通道——即所谓的气溶胶型大范围波导效应。由于海面蒸发作用，在海洋环境与陆地环境相比中存在一种最典型的大气分布特征：即位于海平面高度0~20米范围内出现最普遍和最容易被利用的大气分布模式——蒸发型大范围波导效应。这种电磁传播环境受潮汐波动、温度湿度变化以及风速等多因素影响显著：其异常传播特性会对海上通信系统性能带来重要影响[85]因此准确掌握大范围大密度及大折射率分布情况并据此评估分析通信系统性能参数是未来海上通信系统研究的重要方向。
图3
图3海上大气折射基本类型
相比自由空间传播方式，在大气波导层中信号的衰减程度较低且传播距离更为遥远，在实现超视距通信方面具有显著的优势。鉴于大气波导特性的重要性，在实际应用中需要科学地估计大气折射率的空间分布情况。其中一种关键手段是雷达杂波折射率（Refraction from Clutter, RFC）[86]技术。该技术利用雷达海杂波来推断大气折射率分布特征，并且其特点是可以无需依赖其他设备即可实现近实时检测能力。尽管RFC技术在提升通信效率方面具有显著优势[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8], 但存在一定的局限性：即难以将海杂波与天杂波进行有效区分，在复杂的雷雨天气环境下表现尤为明显。此外，在当前应用中所采用的海面归一化雷达截面模型也存在一定的不确定性因素，在一定程度上限制了其精度水平。
3.4 微波散射效应
微波散射效应同样能够实现岛屿与海上平台之间的超视距覆盖及通信。其不同之处在于，微波散射效应主要依靠对流层中不均匀的大气成分来实现前向散射以完成超视距传播。地球的大气层主要分为电离层、平流层以及对流层，在这种情况下，
对流 层是指从地面延伸至大约10至12公里高的大气部分。
该区域中的复杂湍流环境以及分布不均的大气特性会导致入射微波信号向四周传播，并且有一部分信号会返回地面从而实现有效的通信连接。
相较于其他通信手段，
microwave scattering communication具备通信距离远、承载能力强、安全可靠以及操作灵活等特点。
这种技术的优势使得它特别适合在高山地区（如喜马拉雅山脉）、沙漠环境以及其他恶劣条件下为用户提供稳定的通信服务[87]。
说明
4****结束语
近年来,随着海上业务数据量的急剧增加,社会大众对海上通信能力的要求持续提高.本文通过对海上通信特点的研究,结合国内外相关领域的最新发展成果,从四个维度总结了各类海上系统的发展历程、服务业务及应用场景.重点指出了当前海上通信面临的主要挑战:网络架构的动态变化导致通信效率不高,严苛环境与信道复杂性带来的可靠性不足,以及系统间的兼容性问题.针对上述技术难点,本文提出了四类新型海上通信系统的核心技术及应用指导作用
近年来