SCIENTIASINICAInformationis中国科学:信息科学2017年第47卷第6期:677–695c⃝2017《中国科学》杂志社*,朱又敏1,2,陈二虎1,邢成文3,杨婷婷4,温文坤5*1.中山大学电子与信息工程学院,广州5100062.广东海洋大学电子与信息工程学院,湛江5240883.北京理工大学信息与电子学院,北京1000814.大连海事大学航海学院,大连1160265.中国电子科技集团公司第七研究所,广州510310*通信作者.E-mail:xiamingh@mail.sysu.edu.cn,wenwenkun@outlook.com收稿日期:2017–01–16;接受日期:2017–02–15;网络出版日期:2017–06–09国家自然科学基金(批准号:61671488)和广东省科技发展专项资金(批准号:2016A050503025)资助项目摘要为了保障我国“21世纪海上丝绸之路”发展战略的顺利实施和满足日趋频繁的海事活动的需要,必须实现对相关海域的无缝、高效和可靠的通信覆盖.本文首先概述我国海洋通信网络的发展现状;其次,详细分析并比较全球范围内主流海洋通信网络,包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和岸基移动通信系统;然后,根据我国南海岛礁众多的地理特点,提出了一种新型的海洋通信网络架构,并具体阐述了实施该网络架构所面临的技术挑战,包括海洋信道建模、大气波导效应、微波散射效应,以及统一、高效的网络资源管理机制等.本文将为我国海洋通信政策决策人士、科研和工程人员提供一个全球视野,以准确把握全球技术发展动态,并积极推动我国海洋通信事业的建设与发展.关键词海洋通信,海上无线通信,卫星通信,岸基移动通信,海洋信道建模,大气波导效应,微波散射效应,网络资源管理1引言20世纪以来,从电缆到光缆、有线到无线、从模拟到数字、从1G到5G,陆地通信进行着日新月异的发展变革.然而,在浩瀚的海洋上,由于海洋环境复杂多变、海上施工十分困难等原因,海洋通信的发展明显滞后于陆地通信.近年来,随着我国海事活动日趋频繁和海洋经济迅猛发展,研发新一代海洋通信技术与系统已经成为了学术界和工业界一个备受瞩目的焦点.尤其是我国政府在2013年10月提出的“一带一路”发展战略(包括“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”),得到了沿线引用格式:夏明华,朱又敏,陈二虎,等.海洋通信的发展现状与时代挑战.中国科学:信息科学,2017,47:677{695,doi:10.1360/N112017-00016XiaMH,ZhuYM,ChenEH,etal.Thestateoftheartandchallengesofmarinecommunications(inChinese).SciSinInform,2017,47:677{695,doi:10.1360/N112017-00016夏明华等:海洋通信的发展现状与时代挑战base图1(网络版彩图)我国海洋通信系统组成Figure1(Coloronline)ThearchitectureofmarinecommunicationssysteminChina国家的积极响应.为了保障“一带一路”发展战略的顺利实施,必须确保“21世纪海上丝绸之路”相关海域能够实现无缝、高效和可靠的通信覆盖.常规的海洋通信网络主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统.由于这些通信系统的通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制,常规海洋通信网络越来越难以满足我国日益增长的海洋活动需求,成为制约海洋开发与探索向纵深发展的重大瓶颈.因此,必须充分调研我国海洋通信的发展现状,了解世界先进海洋通信技术,探索与我国海洋环境相一致的海上信道模型,开发适合我国国情的海洋通信网络架构,最终构建一个高速率、高可靠、全覆盖、易管理、低成本的新型海洋通信网络.本文第2节介绍我国海洋通信的发展现状,具体阐述我国海洋通信系统的通信制式、通信业务和技术特点;第3节概述全球范围内主要海洋通信网络的技术特点,探寻海洋通信的发展方向,推动海洋通信技术的进步;第4节则指出海洋通信面临的挑战,提出一种新型的海洋通信网络架构,具体分析了海上信道模型、大气波导效应和微波散射效应,并探索高效的海洋通信网络资源管理机制;最后一节总结全文,并对海洋通信未来的发展方向提出自己的见解.2我国海洋通信现状如图1所示,我国广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线通信、海洋卫星通信和岸基移动通信,它们共同构成一个基本实现海洋全覆盖的通信网络.该系统能够保障近海、远海和远洋的船舶–海岸、船舶–船舶的日常通信;在海洋运输、油气勘探开采、海洋环境监测、海洋渔业、海水养殖和海洋科考等领域,提供了相对可靠、准确、及时和安全的通信基础设施.海上无线通信包括最早服务于海洋的几种通信方式,如表1所示.1996年,根据国际海事组织(internationalmaritimeorganization,IMO)要求,我国交通运输部统一更新并改造各海岸电台的通信设施,以满足“全球海上遇险与安全系统(GMDSS)”对通信业务的需要,其中,奈伏泰斯系统(NAVTEX)、中频/高频系统(MF/HF)和甚高频系统(VHF)属于GMDSS规范配置的无线通信系统.1999年2月1日,GMDSS系统在世界各航运国家全面启用,为了确保海上航行安全,查找海难事故原678中国科学:信息科学第47卷第6期表1我国常见的海上无线通信系统Table1MarineradiocommunicationssystemsinChinaSystemCommunicationmethodBusinessDatarateCommunicationdistanceNAVTEXMF(518kHz)NBDP50bps250400nauticalmilesMF/HFMF/HF(165027500kHz)Voice,NBDP,DSC–Medium/longdistanceVHFVHF(156.0174.0MHz)Voice,DSC1.2kbpsVisualrangeAISVHF(156.025162.025MHz)Shipidentification,Monitoring9.6kbpsVisualrange表2我国使用的海洋卫星通信系统Table2SatellitecommunicationssystemsinChinaSystemCommunicationmethodBusinessDatarateCommunicationdistanceEPIRB1.6GHzorAlarm,identification,400bpsLongdistance406MHz-EPIRBpositioningandlocatingBeiDouuserequipmentPositioning,BeiDousystemdatainterfacenavigation19.2kbpsLongdistanceprotocol(V4.0)andshortmessageStore-and-forwardmessages,distresscalls,Cenhancedgroupcall,–datareportsandpollingVoice,fax,4.8kbps(voice),FKu-Bandsatellitehighspeeddata9.6kbps(fax,data),televisionvehicularandvideo64K(ISDNdataservice)Inmarsat(shipborne)receiver4.8kbps(voice),LongdistanceMini-M(JT/T629-2005)Voice,fax,data2.4kbps(fax),2.4kbps(data)4kbps(voice),Voice,fax,3.1kHz(audiochannelFBbroadbanddata,G3fax),standardvideoandSMSIPandstreamIP,160symbols/SMS因,IMO决定增补配置通用船载自动识别系统(AIS).在规范海上无线通信系统的正常运行方面,我国分别制定了《奈伏泰斯系统技术要求(GB/T18766-2009)》、《全球海上遇险安全系统(GMDSS)船用无线电通信设备技术要求(GB15304-94)》和《船载自动识别系统(AIS)技术要求(GB/T20068)》.海上无线通信系统应用成本低,使用便捷,满足近岸、近海、远海覆盖要求.但是,该通信系统受气候条件和海洋环境影响较大,通信可靠性不高,而且系统采用窄带通信方式,导致无法提供高速数据业务.我国使用的海洋通信卫星系统如表2所示.根据GMDSS规范配置的卫星通信系统包括全球卫星搜救系统(COSPAS/SARSAT)的卫星紧急无线电示位标(EPIRB)和海事卫星系统(INMARSAT).卫星紧急无线电示位标主要解决紧急报警、船位识别、定位和询位功能.海事卫星系统包括多种功能系统,其功能和业务存在较大差异.北斗卫星导航系统(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)是中679夏明华等:海洋通信的发展现状与时代挑战表3海上通信系统性能比较Table3PerformancecomparisonofmarinecommunicationssystemsSystemAdvantageDisadvantageMaritimewirelessMF/HFMedium/longdistance,freeofchargeNarrowbandaccess,communicationsVHFVisualrange,freeofchargelowstabilityMarinesatellitecommunicationsWideareacoverage,Highcostofequipment,broadbandaccesshighmonthlyfeeNearshorecoverage,Shore-basedmobilecommunicationsBroadbandaccesschargingbyservicetimeandamountofdata国自行研制的全球卫星导航系统.2012年12月27日,北斗系统空间信号接口控制文件1.0版正式公布,北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务.随着北斗卫星导航系统空间部分的不断完善,北斗终端设备成为近年来我国海上船舶可选配置,北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发.海洋卫星通信系统最突出的优点是通信距离较远,可以实现全球海洋覆盖.因为卫星发射、空间和地面设施的运营和维护成本很高,所以,卫星通信的应用成本较为昂贵,且通信带宽受限.我国陆地公共移动通信系统发展极为迅猛,已建成世界上规模最大的蜂窝通信系统.作为海上无线通信和卫星通信的补充,在近海区域,岸基移动通信系统具有独特的通信优势.我国2G移动网络基础设施完善,信号覆盖良好,能提供理想的语音和低速率的数据业务;3G网络由于基站建设停滞,逐步被新一代网络所取代;4G网络技术先进、系统稳定、应用成熟,成为现阶段主流移动通信网络,能提供宽带、高速数据业务.岸基移动通信的近海覆盖为港口、码头、航道管理、海水养殖、海上救助等提供了可靠的通信保障.总体而言,我国海洋通信技术尚处在较低层次的应用阶段,只能基本满足海事活动的常规通信需求.依据海事活动的区域和从事的业务种类,尽管用户可以选择不同的通信系统,但是,各种系统的性能优势和劣势均十分明显,如表3所示.最突出的问题是没有一种通信方式,可以实现稳定的全海洋覆盖、传输距离不受限制、确保流畅的宽带接入、较低的设备成本和使用资费.而且,现有各种通信系统之间相互孤立,缺乏统一的协调管理机制,不能保障整个海洋通信系统合理、高效地