海上无线通信技术：现状与挑战

　　摘要：海上通信为海上用户与地面、空天和水下用户间的信息传输提供了枢纽，是我国建设海洋强国和数字基建战略的核心组成，也是业界关注的焦点和难点。针对海上无线传输介质复杂多变、传输距离近、业务需求差异大等挑战，首先在对现有海上无线通信技术调研的基础上，阐明了传统海上无线通信技术的不足，介绍了影响海上无线传输性能的关键性因素，提出了海上无线传输的核心关键技术原理与性能，最后讨论了未来海上无线通信技术挑战与发展方向。

　　关键词：海上无线通信;相控阵天线;蒸发波导;毫米波通信;感知传输一体化;低轨卫星互联组网

　　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(GlobalMaritimeDistressandSafetySystem,GMDSS)的研发使用、自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem,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(InternationalMaritimeOrganization,IMO)正积极推动旨在加强岸基与船舶间信息交互能力的航海计划[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(Qualityofxperience,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。特别地对于我国而言，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。传统海上无线通信技术本节对现有具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，面向应急救援业务的数字选择性呼叫系统，以及面向高速数据传输的甚高频数据交换系统。

　　1.1奈伏泰斯系统

　　奈伏泰斯NavigationalTelex,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。如图所示，国际奈伏泰斯系统以518kHz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490kHz或4209.5kHz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486kHz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(FrequencyShiftKeying，FSK)调制方式，以100Baud的调制速率传输载频差值为170Hz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370km。

　　1.2海上数字广播系统

　　海上数字广播(Navigationalata,NAVDAT)系统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。2012年举行的世界无线电通信大会正式将495～505kHz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(Orthogonalrequencyivisionultiplexing,OFDM)载波信号传输，子载波间间隔为41.66Hz，每个子载波采用正交幅度调制(Quadraturemplitudeodulation,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25bit/s，覆盖半径可达648km。

　　1.3自动识别系统

　　自动识别系统(Automaticdentificationystem,AIS)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。

　　AIS系统使用161.975MHz和162.025MHz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12.5kHz或25kHz;而远洋航行时，AIS系统的运行带宽为25kHz。AIS系统通过时分多址(Timedivisionultipleccess,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类AIS设备、面向中小型船只的类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，类AIS设备采用性能较好的固定时隙预分配的自组织TDMA(SelforganizedTDMA,SOTDMA)接入方式(SOTDMA将每个VHF信道的时间分割成26.7ms的时隙，min为一帧每一帧又被分为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，类AIS设备采用以避免碰撞为主的载波监测TDMA(arriersenseTDMA,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10dB,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(Nonreturntoero,NRZI)的最小频移键控(Gaussianinimumhifteying,GMSK)调制方法，传输速率可达9.6kbit/s，覆盖半径约为37。

　　1.4数字选择性呼叫系统

　　数字选择性呼叫(DigitalSelectiveCalling,DSC)系统采用点对点、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、和型三种。型船台使用中频(Mediumrequency,MF)高频(Highrequency,HF)甚高频(Veryighrequency,VHF)频段，适用于远洋航行的大型船舶;型使用MF/VHF频段，适用于中小型船舶;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100bit/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1.2bit/s船台可在首次呼叫未成功时，每隔重复发送呼叫信号。DSC系统在VHF频段上覆盖半径一般约为37.04km,而在MF/HF上的覆盖半径可达370km。

　　1.5甚高频数据交换系统

　　甚高频数据交换(VHFataxchangeystem,VDES)系统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，包括个传统的AIS和ASM信道、个卫星信道、个用于远距离传输的新增AIS信道以及个高速VDE信道。VDES系统采用25kHz、50kHz和100kHz三种带宽分别用于AIS和ASM信道、高速VDE信道和卫星信道。

　　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。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。

　　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。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3GHz的电磁波尤为显著。如图所示，1989年法国进行的一项27.7km的信号传输实验中显示，蒸发波导对10.5GHz和16GHz频率的信号在70%的时间内有超过10dB的增益效果。

　　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648km。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。

　　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MCCDMA/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环境的影响，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，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30GHz～3THz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。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，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。

　　通信论文范例：无线光通信的传输和接入应用

　　4结论

　　本文首先回顾和总结现有海上无线通信系统中的关键传输技术，通过对比研究不同系统业务类别及性能，总结现有海上无线传输技术存在的速率低、系统繁杂及操作难度高等问题，难以满足未来海上无线通信高速、快速以及灵活适配不同业务的需求。最后，针对海上空间介质复杂多变、通信距离远、业务需求差异性大等特有挑战，结合现有无线通信领域先进传输技术，提出海上无线传输技术未来研究方向。

　　参考文献

　　[1]杨永康,毛奇凰.海上无线电通信[M].北京：人民交通出版社,2009.

　　[2]HAGENJE.ImplementingEnavigation[M].Boston：ArtechHouse,2017.

　　[3]BOGENSK.GMDSSodernisationandnavigation:pectrumeeds[C]//ETSIWorkshop“FutureEvolutionofMarineCommunication”SophiaAntipolis：ETSI，2017:23.

　　[4]IEC610972019,GlobalMaritimeDistressandSafetySystem(GMDSS)–Part6:NarrowbandDirectprintingTelegraphEquipmentfortheReceptionofNavigationalandMeteorologicalWarningsandUrgentInformationtoShips(NAVTEX)(Edition2.2;ConsolidatedReprint)[S].2019.

　　作者：张洪铭，闫实，唐斌，王成才，彭木根，陆军