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近海宽带通信技术综述.docx
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近海宽带通信技术综述.docx
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【摘 要】为保障“21 世纪海上丝绸之路”发展战略的实施以及满足频繁的海事
活动需求,构建新型海洋通信网络十分必要,宽带通信技术以其高速率、远距离、
低成本的优点,将在未来海上通信系统的应用中发挥关键作用。从岸基、海基、
空基、天基四个方面阐述了近海宽带通信的研究现状,分析比较了不同项目技术
的优缺点,介绍了当前新兴近海宽带通信技术,并对研究前景进行了展望。
【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迅猛发展以及海事活动的日趋频繁,对海域宽带覆
盖的需求越发迫切。但我国海上宽带覆盖相对落后,已严重制约到“智
慧海洋”和“一带一路”等国家战略发展。因此构建一种新型海上宽带
通信系统可以为解决我国海上宽带覆盖这一“卡脖子”问题,推动我国
海洋经济发展乃至实现海洋强国提供有力通讯保障。
现有海上无线通信系统主要应用窄带通信与卫星通信技术
[1]
,虽然窄带
通信以及卫星通信仍然是海上通信的主流,但窄带通信只能满足低速率
业务,而卫星通信虽能实现全球覆盖,但其成本高、时延大,因此它们
都不能满足目前海洋通信的需求。为了弥补这些缺陷,多国学者不懈努
力,在近海宽带通信技术的研究上有所建树,给高速率、远距离和低成
本的海上通信需求带来了希望。
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部署在沿海岸边,以便近海域通信设备接入
的通信网络,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)。
WiMAX 是一种宽带无线接入技术,它基本满足了不断增长的海上宽带数
据业务需求。2007 年,新加坡的 WiesPort 项目首次采用了 WiMAX 技术,
其频率为 5.8 GHz
[1]
。此项目通过海港无线 WiMAX 接入提供 5 Mbps 的传
输速率,覆盖了新加坡海港 15 km 的范围
[2]
。相较于其他陆地通信技术,
WiMAX 具有传输距离更远、宽带接入速率更快等适用于海洋通信环境的
特点,因此成为了海上宽带通信的主流技术。
由于 WiMAX 标准在陆地宽带通信 4G 标准的竞争中被 LTE 所淘汰,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 和中国华为共同研发,该网络覆盖范围达到 20~50 km,提供
上行链路 1 Mbps、下行链路 2 Mbps 的传输速率。爱立信和中国移动在中
国青岛建设了用于近海宽带通信的 TD-LTE 网络,其频率达到 2.6 GHz,
最高数据速率达到 7 Mbps,最终覆盖范围达到 30 km
[3]
。
LTE-Maritime 是韩国在 2019 年进行的一项海基通信网络项目,它基于
LTE 技术,采用 MIMO 和载波聚合等先进技术来达到高速率传输的目的。
LTE-Maritime 将近海域划分为 30 km 内和 30~100 km 两种范围
[4]
。在 30
km 范围内海域,LTE-Maritime 使船舶直接与岸上基站通信,增强了信息
传输的可靠性,其上行和下行链路速率达到 6 Mbps 和 3 Mbps;在 30~
100 km 海域,借助 LTE-Maritime 路由器,可提供上行和下行链路速率分
别为 3 Mbps 和 1 Mbps。LTE-maritime 的可靠性高、传输速率快、服务
成本低,有望成为海上通信的里程碑技术。
为进一步拓宽海域通信覆盖,挪威提出了无线沿海区域网络(WiCAN,
Wireless Coastal Area Network)技术。WiCAN 在近海区域采用 LTE 基
站实现覆盖,在远海区域采用卫星通信实现覆盖
[5]
,此方案可缓解卫星
通信的近海覆盖压力。WiCAN 能在 100 km 的范围内满足正常通信,实验
中其通信频率可达 800 MHz。虽然 WiCAN 可拓宽海上通信覆盖范围,但由
于其在无法覆盖的远海区域会切换到卫星通信,成本很高, 因此 目前
WiCAN 未被大规模应用。
随着 5G 技术日渐成熟,有学者提出了将大规模 MIMO 技术应用于近海宽
带通信的观点。在帆船世界杯比赛期间,日本进行了海上 5G 传输试验,
使用 28 GHz 频段大规模 MIMO 进行岸基 5G 通信,最终提供了上下链路均
为 1 Gbps 的宽带通信,实现了实时 4K 直播观看服务
[6]
,但其覆盖范围
只有百米左右,不能满足近海广域覆盖的需求。
尽管岸基宽带通信的数据传输速率相对传统窄带通信有较大提升,但其
最大的不足是广域覆盖能力还有限,因此岸基通信技术的关键难点是如
何提高其覆盖范围。此外,海上无线信道时常会由于诸如海浪杂波之类
的复杂环境而恶化,且因在岸侧部署的基站数量有限,因此在海上可能
无法建立连续的端到端路径
[7]
。在海岛或岩礁上建立中继站点,是对岸
基通信技术的有力补充。除此之外,下文所介绍的海基、空基、天基通
信技术也是改善这一问题的有效手段。
1.2 海基通信
海基通信是以海上浮标、船舶等作为海基网络的网状节点,来扩大覆盖
范围的一种通信网络。与岸基通信对无覆盖区域采用的卫星通信技术相
比,海基通信技术的成本更低。目前主流的海基通信网络主要有新加坡
的 TRITON 项目、挪威的 MariComm 项目以及印度的 India Project 项目。
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