近海宽带通信技术综述

摘 要

【关键词】近海通信；宽带通信；空天地海一体化

0 引言

随着我国海洋经济的蓬勃发展以及海事活动日益频繁,对海域宽带覆盖的需求愈发迫切。然而,目前我国海上宽带覆盖水平相对落后,已严重制约了"智慧海洋"和"一带一路"等国家战略的发展进程。因此,构建一种新型海上宽带通信系统有助于解决当前"智慧海洋"建设中的"卡脖子"问题,进而推动我国海洋经济发展并实现海洋强国目标,提供坚实的通讯保障。

当前海上无线通信系统主要依赖于窄带技术和卫星技术的发展[1]。尽管这两种技术仍然是海上信息传输的主要手段，在处理低速率数据方面它们表现尚可；然而，在覆盖范围方面却存在较大局限。由于高昂的成本和较大的传输延迟问题使得其无法满足当前高速度和长距离传输的需求。针对这些局限性经过多年的努力探索多国学者在近海宽带通信技术研究领域取得了显著成果这不仅解决了高速率远距离及低成本传输难题还标志着海洋信息时代的重要进步

1 近海宽带通信研究现状

1.1 岸基通信

岸基通信是一种将通信基站布置在沿海岸边以便近海域通信设备接入的一种通信网络系统其核心技术主要包括全球微波互联接入（WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access）、LTE以及大规模多输入多输出技术（MIMO Multiple-Input and Multiple-Output）。其中WiMAX是一种基于第四代移动通信网络的关键技术和LTE则基于第三代移动通信技术旨在提供高速稳定的无线连接而MIMO技术采用多输入多输出模式通过提高信道利用率显著提升了网络性能

岸基通信是一种将通信基站布置在沿海岸边以便近海域通信设备接入的一种特定类型的通信网络系统其实质包括全球微波互联接入（即WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access）、Long-Term Evolution（LTE）以及大规模多输入多输出技术（即MIMO Multiple-Input and Multiple-Output）。具体而言WiMAX作为一种第四代移动通信网络的关键组成部分主要功能是实现广域内无线信号的有效传递而LTE则基于第三代移动通信标准旨在为用户提供高速稳定的无线连接；另一方面MIMO技术通过采用多输入多输出的工作模式显著提升了信道资源利用率进而优化了整体网络性能

以下是改写后的文本

由于 WiMAX 标准在全球 4G 无线 LAN 竞争中的逐渐淘汰（随着 WiMAX 标准在全球 4G 无线 LAN 竞争中的逐渐淘汰），近海宽带通信的研究重点逐步转向 LTE 技术（世界首个离岸 LTE 网络是由挪威 Tampnetin 和中国华为联合推出全球首个离岸 LTE 网络）。该网络覆盖范围广达 20 至 50 公里（世界首个离岸 LTE 网络覆盖范围广达 20 至 50 公里），实现高达 1 Mbit/s 的上行传输与 2 Mbit/s 的下行传输（爱立信与中国移动携手在青岛打造了一座专为近海宽带通信设计的 TD-LTE 网络）。爱立信与中国移动与中国电信合作，在青岛建设了一座专为近海宽带通信设计的 TD-LTE 网络（采用 2.6 GHz 频段）；该网络的最大数据传输速率达到7 Mbit/s（采用 2.6 GHz 频段）；最终覆盖范围达30公里[3]）。

自2019年起推出的LTE-Marinet项目是首尔的一项海上基带通信网络工程。该系统主要依赖于LTE技术体系，并融合了MIMO技术和波分复用技术来实现高速数据传输的目标。研究发现该系统将附近海域划分为距离小于30公里以及介于30至100公里两个区域范围[4]。对于距离小于30公里的近海区域，在此区域内船舶能够直接与岸上基站建立通信连接从而显著提升了信息传输的可靠性其上下行链路的最大传输速率达到6 Mbps和3 Mbps而在距离超过30公里至1百公里范围内的远海区域则通过引入相应的无线中继设备实现了上下行链路的最大速率分别为 3 Mbps 和 1 Mbps 。研究结果表明LTE-Marinet展现出高度可靠性快速传输速度及较低的服务成本优势这些特点使其有望在未来成为海上通信领域的革命性技术创新方案

为了进一步扩大海域通信网络覆盖范围, 挪威提出了无线沿海区域网络（WiCAN, Wireless Coastal Area Network）这一创新技术方案。该方案主要依靠基于LTE的蜂窝基站来实现近海区域的信号传递,而在远海区域则利用卫星中继通信系统进行数据传输[5]。通过这种组合方式,该技术能够有效缓解传统卫星中继通信在近海地区信号盲区的问题。根据实验数据, WiCAN系统可在100公里范围内实现稳定的业务传输,其最高工作频率可达800 MHz。尽管WiCAN技术能够显著扩展海上通信的有效覆盖范围,但在无法实现直接覆盖的远海区域切换至卫星中继通信将会导致运营成本大幅上升,因此目前该方案尚未得到大规模的实际应用

随着5G技术日渐成熟，在学术界掀起一股探讨新型技术可行性研究热潮的浪潮中

然而，在岸基宽带通信方面虽然传输速率有显著提升（相比传统窄带通信），但其主要缺陷在于覆盖范围有限。为此解决这一关键问题的方法在于提高其覆盖范围。此外，在海上无线信道中通常会受到诸如海浪杂波等复杂 sea conditions的影响而导致信道质量恶化（参考文献[7]）。值得注意的是，在岸基通信系统由于基站数量限制，在海上难以实现连续的 end-to-end 路径连接。为了弥补这一不足，在海岛或岩礁上部署中继站点是一个有效方案。此外，在下文中介绍的海基、空基、天基通信技术也是改善这一问题的重要手段之一。

1.2 海基通信

该系统通过结合多台浮标装置构建起多维数据采集网格，在实时监测海域环境数据方面具有显著优势。
相较于传统气象站阵站设备在单一观测点位上的观测能力而言，
该系统在空间分布上更加灵活，
可实现对复杂地形环境下的精准监测。
近年来，
该系统已在多个关键海域成功部署，
并取得显著成效。

位于新加坡开展的TRITON项目实施过程中，在近海区域主要采用WiMAX技术作为通信手段，并由岸基网络直接提供服务保障 underwater communication。相比之下，在远海区域依赖船舶间的信息共享与协作来实现通信过程。该系统基于IEEE 802.16d标准设计了一种无线网状网络架构，在5.8 GHz频段上实现了对覆盖范围达到约27公里区域内持续稳定的连接支持，并能够提供高达6 Mbps的数据传输速率（参考文献：3-8）。

如图1所示 ，该系统的关键技术架构基于WiMAX标准 。水下漂浮装置和船舶被设计为多点式通信节点 ，众多设备在海洋中构建起多跳连接模式 ，从而实现了近海覆盖区的广泛通信 。当浮力装置和船舶的部署密度较低时，在无法形成连续的多跳WiMAX链路时 ，则这些设备会自动过渡至卫星通信系统 。” TRITON 采用了一种动态自适应的智能切换机制 ，这一改进显著提升了海洋环境下的通信服务质量 。”

该MARIComm系统由挪威Marintek提议采用WiMAX与LTE结合的无线异构多跳中继网络架构[9]。该技术利用多跳中继和网状网络拓展无线通信范围[9]。由 Mariantation台、 MariComml网和 MariComms服务器构成[10]。其中 Mariantation台为海上船舶多跳中继通信站； MariComml网特指海上宽带通信网络； MarComms服务器负责整合管理连接至骨干网的通信站功能。

MARIComm项目通过LTE技术实现了船舶与基站间的通信连接，并具备14.2公里的覆盖半径；同时，在船舶间的通信中采用了WiMAX技术，并可达到5.8 GHz的工作频率及8.6公里的覆盖范围。该系统主要依赖船舶作为中继节点扩大覆盖区域，并且由于其依赖于陆上基站与船舶基站之间的直接通信链路来决定目标船舶群的服务质量，在大规模推广时仍存在一定的可靠性问题和功能性限制

印度的India Project项目开发了一种异构无线网络架构，在实验中使用了802.11b Wi-Fi连接技术。研究显示，在扩展岸上与船舶之间的通信范围的同时（并结合LTE核心网络[9]），该系统通过中继器实现了高达66.3公里的有效覆盖范围，并达到了最高数据传输速率3 Mbps[4]。该方案凭借其高效率、低成本及广泛的覆盖能力，在提供经济实用解决方案方面展现出显著优势。然而，在受限环境下的性能测试仍需进一步验证以确保可靠性。

海基通信网络通过利用海上船舶和浮标等设备发挥其作为通信中继设备的作用来扩大覆盖范围。相较于卫星通信技术而言，海基网络明显降低了建设成本。然而由于海洋环境的复杂多变情况经常发生导致部分设备无法正常传输数据从而影响网络节点的稳定运行。针对上述问题团队经过研究开发出了一种新的空基通信技术。

1.3 空基通信

空基通信基于高空气球、无人机等平台构建了独特的通信网络体系。得益于海洋平面上障碍较少的优势，在空中实现了长距离的信息中继与交换功能，并扩大了其覆盖范围。

BlueCom+是一项部署于偏远海域以提供互联网接入的系统项目，在这一方案中BlueCom+能够显著扩展通信覆盖范围并确保信息传输的可靠性。该系统通过在高海拔海上设施（如灯塔、油气平台、风电场等）以及现有设施（如浮标、机会之船、人造结构等）上部署Helikte气球网络实现通信功能，并采用Helikte气球作为多跳网络中的转发节点或基站以实现海面长距离传输[11]；BlueCom+还具备水面平台与水下自主航行器之间进行声学通信的能力（如图3所示）。

通过在高空部署通信无线路由器，BlueCom+实现了海上远距离信号传输。然而，在这一过程中必须将无线路由器固定在约120米的高度以上才能避免菲涅尔区的干扰（参考文献[12]）。这将导致信号传输质量有所下降。此外，在实际应用中发现该方案面临较高的安装成本以及系统的稳定性较差的问题。

研究团队于当年评估了无人机上5G sea-to-sea通信性能[13]。其中，在岸基设备的高度设定为60米的同时（即同时），无人机载设备的高度被设定为了100米。实测获得最高可达15兆比特每秒带宽下的最大通信距离达到27.2公里。通过具备高机动性和灵活部署等优势特性，在保障作业效率的同时（即同时），无人机显著提升了海上巡航与预防检查任务的有效性。受限于电池续航能力和载重限制等因素的影响（即因素），其持续性的无线覆盖能力仍显不足。

在空_base_communication_network中，在线低空平台能够迅速且灵活地部署起来以应对海上复杂的communication环境；高空平台能够发挥长distance communication中的桥梁作用，并加强地面与空中network之间的连接。通过将空base communication与其他现有的base及oceanic base communication network进行整合应用，则能较好地解决现有base及oceanic base capacity较低的问题。

1.4 天基通信

伴随宽带通信需求的攀升，在500至2 000公里低地球轨道（LEO, Low Earth Orbit）上布局卫星通信系统因其较低传输延迟、微小的传播损耗以及更低的成本投入而获得了学界与产业界的广泛关注。

新兴的LEO卫星网络由OneWeb、Telesat以及SpaceX推出的星链项目[14]组成。其中"OneWeb"项目致力于通过720颗LEO卫星实现全球互联网服务覆盖，并采用Ka/ bands进行通信操作；该系统的建成将为全球10亿用户提供延迟约30毫秒的服务质量保障。此外,"Telesat"则拥有超过117颗LEO卫星组网运行，在Ka频段提供稳定的通信连接；其下行链路使用1.8 GHz频谱资源,上行链路则采用2.1 GHz频带范围支持数据传输需求。SpaceX提出的星链项目计划分两阶段实施,最终目标是形成覆盖全球的LEO星座,预计包含12 000颗 operational卫星.首先,该系统将在Ku和Ka频段部署4 425颗LEO卫星,确保较低延迟水平（25-35 ms）的服务质量；待第一阶段完成后再启动第二阶段发射任务,届时将再补充7 518颗LEO组件以进一步提升整体星座性能水平.整个星链系统始终采用Ku波段作为主控通信手段,并利用Ka频段作为中继节点实现全球互联功能[15-17].

虽然低轨卫星通信系统具有较低传播延迟、部署效率高以及运营成本较低等显著优势，在全球宽带通信质量方面仍需进一步提升。然而，在LEO（近地轨道）通信系统中面临诸多干扰问题以及稳定性方面的挑战，则需要通过更为深入的研究来进行有效应对。表1介绍了本文所研究的近海宽带通信系统的相关内容。

借助表1的数据支持，在岸基通信领域中，WiMAX和TD-LTE技术凭借其高传输速率和强适应性，在近海范围内得到了广泛的应用。然而这两者的应用场景受限于有限的覆盖范围。

LTE-Marithmetic和WiCAN系统部分解决了这一问题。前者通过在远海区域部署LTE-Marithmetic routers来扩大覆盖范围。然而对于需要进行远程作业的船舶来说，这一方案仍存在一定的局限性。

后者则采取了在覆盖能力较弱的海域切换至卫星通信系统的策略来解决海上通信的问题。尽管这种方式有效提升了整体覆盖能力，在实际应用中会带来较高的设备成本。

岸基通信的大规模MIMO技术显著提升了数据传输速率，在很多方面都优于其他岸基通信技术。不过这种技术仍然无法满足大规模广域网环境下的数据传输需求。

海基通信领域的TRITON技术有效弥补了现有WiMAX技术存在的缺陷，在提升海上通信质量方面展现出显著优势。然而，在无法依赖卫星通信的远海区域中，则需要船舶之间通过信息存储和交互进行通信协作。这种模式无法实现实时宽带覆盖效果。
MariComm技术基于先进的无线通信标准（如WiMAX、LTE），将船舶作为海上基站节点进行部署，并通过多跳中继通信手段扩大无线覆盖范围。但该方案在依赖海域船只密集分布这一前提下运行，在实际应用中存在一定脆弱性。
相比之下，在复杂的海洋环境下仍需进一步验证LR Wi-Fi系统的性能表现。尽管该系统能够整合多个远程Wi-Fi网络资源从而扩大覆盖范围（传输速率略逊于前两种方案），但其在复杂海洋环境中的实际适用性仍需进一步研究。

空基通信系统中的BlueCom+采用了无线中继技术，在高空段位上进行了优化设计。该系统能够实现从岸上到海上的远程信息传递，并且相比岸基与海基通信技术而言，其覆盖范围得到了显著提升。此外，在低空段位上进行灵活部署的无人机系统，在短距离通信领域表现出较高的数据传输效率。

天基通信的低轨卫星通信系统（OneWeb、Telesat和Starlink）均通过密集部署的方式实现了对全球范围内的无缝覆盖。这些系统具备低延迟、全覆盖以及高速率等显著优势，并为陆基（岸基）、海基与空基技术提供了重要的补充作用。然而，在构建稳定可靠的全球宽带通信系统的过程中，我们仍需进一步深入研究以改善外部环境干扰问题。

综合以上分析

2 近海宽带通信展望

我们对近海宽带通信领域的现有技术水平进行了深入探讨。通过分析发现，在现有技术水平中仍有一些明显不足：这些现有技术无法达到高速率、长距离传输以及低成本应用的需求。基于此观察，在未来的研究中可能会更加关注一些新兴技术和创新方向：这些新型技术和改进方案有望进一步提升海上通信的整体效率和性能。

2.1 D2D通信技术在近海宽带通信中的应用

该技术主要通过一对等的设备之间直接进行通信的方式，在不经过基站点或核心网的情况下实现本地化直连。其主要目标是帮助缓解基站点在覆盖范围内的负载压力，并通过提升资源利用率来优化整体网络性能。

一个简单的D2D通信设备由一对相互指向的定向天线构成。这两台设备之间的距离必须在其视线范围内才能正常工作。为了扩大覆盖范围，在安装时应尽量将两台设备放置在较高的位置上[21]。该系统的主要优势在于相比卫星通信系统而言具有更低的成本，并且传输延迟较短；同时能够有效缓解基站的压力。

D2D技术展现出巨大的潜力，在不同海域之间的船舶之间能够促进信息数据的交互交流，并且能有效提升网络传输质量；同时该技术还可以作为辅助节点来间接扩大通信网络的服务半径。

2.2 深度学习在近海宽带通信中的应用

近年来, 研究者们逐渐将深度学习技术与传统领域相结合以寻求更优解决方案. 尽管深度学习理论处于起步阶段, 但在实际应用中却展现出巨大的潜力. 当前, 深度学习技术已广泛应用于以下几个领域: 船舶目标跟踪、船舶图形分类、海上监视以及船舶图像采集等技术. 通过深度学习技术实现智能化的海事通信系统有助于提升数据传输效率, 并为海上通信系统的可靠性提供新的解决方案[23].

此外，在国际学术界已有研究者提出了将深度强化学习技术应用于空天地一体化网络系统方案的研究工作[24]。相比于传统的最优化搜索算法而言，在应用该技术后不仅大幅降低了设备接入网络所花费的时间成本，并且彻底解决了空天地海一体化网络系统面临的关键技术难题，在近海宽带通信领域实现了对该类融合网络体系的一种创新性解决方案。

2.3 智能表面在近海宽带通信中的应用

最近出现了可重构智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）的最新概念。RIS由大量低成本组件构成的一个平面阵列构成。这些组件通过适当调整相位差实现有意地重新配置信号传播过程。它无需进行额外的基带/射频处理或重传操作。在海洋通信领域中布置于无人机、船舶及岛屿等位置能有效降低成本与能耗。从而能够在较低成本下大幅提高覆盖范围[25]。

陆地蜂窝网络已通过大量实验结果表明，在性能上相较于传统中继而言表现出更为优异的特点；然而相比陆域环境而言，海洋环境具有显著差异性，在研究RIS在近海通信系统中的应用前景时仍需深入探索。

3 结束语

鉴于传统海洋通信技术在近海广域宽带通信的发展需求上存在明显不足,因此发展海洋宽带通信成为一项重要任务。本文从岸基型、海基型、空基型和天基型四个维度展开,对相关技术进行了系统阐述并进行了归纳总结,对未来新型技术和可行的研究思路进行了展望,并提出了若干具有参考价值的方向,为其向空天地海一体化网络方向迈进提供了理论支撑。