海洋物聯(lián)網(wǎng)中的衛(wèi)星通信

柴 瀛

（青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

0 引 言

2010年，“海洋物聯(lián)網(wǎng)”的概念開始被討論，主要涉及的是RFID技術(shù)在船舶安全、物資管理方面的應(yīng)用。但相比于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究，對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)的研究仍較少。近年來，“海洋物聯(lián)網(wǎng)”概念逐漸被越來越多的人關(guān)注。青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出“透明海洋”大科學(xué)計(jì)劃—以海洋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，面向全球海洋及重點(diǎn)海區(qū)的海洋環(huán)境與目標(biāo)的信息感知。2017年底，美國(guó)DAPAR發(fā)布了“海上物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，計(jì)劃將商業(yè)化傳感器技術(shù)與高性能分析工具相結(jié)合，以比目前技術(shù)手段低得多的成本，利用數(shù)以千計(jì)的異構(gòu)小浮子組成的浮動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行持久、廣域的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海事感知。

然而，與迅速發(fā)展的陸上物聯(lián)網(wǎng)相比，海洋物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的迫切需要。

1 海洋物聯(lián)網(wǎng)通信的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)的一般定義是：利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相聯(lián)，形成信息化和智能化的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。海洋物聯(lián)網(wǎng)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將海洋中的各種設(shè)備互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋設(shè)備數(shù)據(jù)的整合、監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)化管理。海洋物聯(lián)網(wǎng)也可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 海洋物聯(lián)網(wǎng)分層

由此可見，利用通信網(wǎng)絡(luò)將各種要素連接起來，是物聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)之一，而在遼闊的海洋上，這正是最困難的事情。由于陸地與海洋在地理環(huán)境、氣候條件和用戶分布特征等方面存在巨大差異，導(dǎo)致海洋物聯(lián)網(wǎng)通信有其鮮明的特點(diǎn)。在海洋上搭建陸上網(wǎng)絡(luò)設(shè)施是極其困難和昂貴的，而且海洋氣候條件特殊，如高濕度、多降水和極端天氣，都會(huì)降低通信設(shè)備的性能，破壞網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。另外，由于海洋大部分是無人區(qū)，用戶一般是隨船舶或其他運(yùn)載工具而移動(dòng)的，導(dǎo)致海洋物聯(lián)網(wǎng)用戶多數(shù)是臨時(shí)性的，密度相當(dāng)?shù)颓曳植紭O不均勻。這些特點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的投資效益。因此海洋物聯(lián)網(wǎng)需要采用與陸地物聯(lián)網(wǎng)不同的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。

以通信方式來劃分，海洋物聯(lián)網(wǎng)大致分為海上和水下兩部分。海上物聯(lián)網(wǎng)主要是由安裝在船舶、浮標(biāo)、鉆井平臺(tái)上的傳感器所組成的，測(cè)量數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓等，主要采用船載無線電或衛(wèi)星通信方式傳輸數(shù)據(jù)。水下物聯(lián)網(wǎng)由各種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，典型的傳感器有水溫、鹽度、流速、聲吶傳感器以及各類生物和化學(xué)傳感器。由于物理特性的限制，水下物聯(lián)網(wǎng)主要采用水聲或藍(lán)綠光通信方式，但是水聲通信的傳輸速率低、傳輸時(shí)延長(zhǎng)且通信能耗大；藍(lán)綠光通信雖然能夠提供很高的傳輸速率和極短的傳播時(shí)延，但光易被水吸收且無法繞過障礙物，傳輸距離較短。目前單個(gè)水下無線網(wǎng)絡(luò)可有效覆蓋的面積十分有限。因此需要采用更加廣域的通信方式，將分布在不同海洋區(qū)域和深度的水下無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成大范圍的有效覆蓋，如圖2所示。

圖2 海洋物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星通信是解決海洋物聯(lián)網(wǎng)全球組網(wǎng)的最合理手段，絕大多數(shù)的海上或水下局域網(wǎng)都可以通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入海洋物聯(lián)網(wǎng)。

2 衛(wèi)星通信在海洋物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題

海洋物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的數(shù)據(jù)傳輸需求，包括海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)（溫度、鹽度、風(fēng)場(chǎng)、海浪、海流、潮汐）、生產(chǎn)活動(dòng)監(jiān)測(cè)（溢油、廢水排放、大氣污染物）、海事活動(dòng)監(jiān)測(cè)（漁業(yè)捕撈、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸）等。通信系統(tǒng)是海洋物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其中衛(wèi)星通信是深遠(yuǎn)海觀探測(cè)設(shè)備的“標(biāo)配”。

從目前使用的情況來看，典型的海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）、銥星系統(tǒng)（Iridium）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，另外還包括VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)、Argos衛(wèi)星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)（Globalstar）、天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)等，相關(guān)參數(shù)對(duì)比見表1所列。

表1 常用通信衛(wèi)星的參數(shù)對(duì)比

海洋物聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用衛(wèi)星通信作為數(shù)據(jù)傳輸手段，但由于目前衛(wèi)星通信技術(shù)水平的限制，在具體應(yīng)用中仍存在以下問題，在某種程度上制約了海洋物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

（1）通信資費(fèi)高。在海洋觀探測(cè)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用中衛(wèi)星通信費(fèi)占很大的比例，尤其對(duì)于一些無人觀測(cè)設(shè)備，衛(wèi)星通信費(fèi)用幾乎占其運(yùn)行費(fèi)用的80%以上，甚至更多。衛(wèi)星的研發(fā)、制造、發(fā)射、運(yùn)行和維護(hù)的成本高，導(dǎo)致衛(wèi)星通信的費(fèi)用昂貴；我國(guó)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本以本國(guó)國(guó)土或鄰近海域?yàn)橹?，遠(yuǎn)海設(shè)備只能依賴國(guó)外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，費(fèi)用方面往往受制于人。這些因素限制了觀探測(cè)設(shè)備的大量使用，無法形成海洋物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；?yīng)。

（2）覆蓋范圍有限。目前普遍使用的海事衛(wèi)星、VSAT衛(wèi)星等大多采用地球靜止同步軌道。同步軌道能夠以較少的衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)大面積的信號(hào)覆蓋，但也存在著軌道資源緊張、時(shí)間延遲大等缺點(diǎn)，更重要的是無法覆蓋南北極地區(qū)，而南北極地區(qū)作為全球氣候系統(tǒng)最敏感的組成部分，是海洋物聯(lián)網(wǎng)需要重點(diǎn)觀測(cè)的地區(qū)。

（3）終端適應(yīng)能力弱。為了支撐長(zhǎng)時(shí)間且大范圍的海洋觀測(cè)活動(dòng)，海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多數(shù)采用無人值守方式，使用電池供電，導(dǎo)致在通信終端安裝空間和能源供給方面十分有限。

Ku/Ka等波段衛(wèi)星雖然能夠提供較大的通信帶寬和速率，但衛(wèi)星終端一般使用反射面天線，受天線口徑約束，其體積一般較大；伺服系統(tǒng)會(huì)帶來較大的功率，這使得Ku/Ka衛(wèi)星終端多用于船載，限制了其在海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的應(yīng)用。目前海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備較多采用L波段通信，比如銥星、北斗等，L波段抗雨衰能力強(qiáng)，受天氣變化影響小，對(duì)終端天線的方向性要求也低，適于移動(dòng)通信環(huán)境；但缺點(diǎn)是帶寬較小，只能傳輸語(yǔ)音、文字等低速信息，無法滿足圖像和視頻等寬帶內(nèi)容的傳輸需求。

（4）安全問題突出。目前海上廣泛使用的海事衛(wèi)星、銥星等通信系統(tǒng)均是由其他國(guó)家建設(shè)運(yùn)營(yíng)，用戶數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到國(guó)外衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一般在各國(guó)建設(shè)的衛(wèi)星通信地面站落地，使得用戶信息存在一定的安全隱患。近年來，伴隨著北斗、天通一號(hào)、中星16號(hào)以及部分低軌通信衛(wèi)星的投入使用，安全問題有所改善。但從總體使用情況來看，我國(guó)仍然缺少覆蓋全球的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星通信手段。

3 海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)衛(wèi)星通信的需求與技術(shù)研究方向

從目前衛(wèi)星通信存在的問題出發(fā)，結(jié)合海洋物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展方向，筆者認(rèn)為新的衛(wèi)星通信手段必須具備以下特點(diǎn)才能滿足海洋物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的技術(shù)需求。

（1）高速率：保證上行有效通信速率在6 Mb/s以上，滿足圖像、視頻等數(shù)據(jù)的基本傳輸要求。

（2）低成本：衛(wèi)星通信窄帶終端價(jià)格控制在1 000元以內(nèi)，寬帶終端價(jià)格控制在2萬(wàn)元以內(nèi)。

（3）廣覆蓋：衛(wèi)星通信信號(hào)全球覆蓋，熱點(diǎn)地區(qū)可提供更多的波束覆蓋。

（4）全天候：支持Ka/L雙波段組合通信，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全天候通信服務(wù)能力。

（5）安全可控：加快建設(shè)自主可控的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，擺脫對(duì)國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)的過度依賴。

針對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)對(duì)衛(wèi)星通信的需求，結(jié)合衛(wèi)星通信領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展，列舉以下三種新技術(shù)。筆者認(rèn)為這些技術(shù)將在未來5～10年內(nèi)對(duì)海洋衛(wèi)星通信產(chǎn)生重要影響，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。

（1）低軌衛(wèi)星技術(shù)

低軌衛(wèi)星具有信號(hào)傳輸時(shí)延小的特點(diǎn)，傳輸時(shí)延與地面通信手段較為接近；一顆或幾顆衛(wèi)星的損毀不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，抗風(fēng)險(xiǎn)、抗打擊能力強(qiáng)；具有衛(wèi)星體積小、重量輕、研制周期短、制造和發(fā)射成本低等優(yōu)點(diǎn)。加之近年來越來越多的企業(yè)涌入中小型運(yùn)載火箭行業(yè)，使得火箭發(fā)射供給快速提升，成本大幅下降。這使得低軌衛(wèi)星星座的大規(guī)模部署成為可能。國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃見表2所列。

表2 國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃

（2）高通量衛(wèi)星技術(shù)

高通量衛(wèi)星大幅提升了容量并降低了單位帶寬成本，開啟衛(wèi)星通信新紀(jì)元。高通量衛(wèi)星單顆星容量可達(dá)每秒幾十到上百吉比特位，可以經(jīng)濟(jì)且便利地滿足各種新應(yīng)用的傳輸需求。例如，作為中國(guó)首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星，中星16號(hào)通信衛(wèi)星采用Ka頻段，通信總?cè)萘窟_(dá)20 GB以上，可以為海洋物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)提供通信保障。

（3）相控陣天線技術(shù)

與反射面天線相比，相控陣天線可以有效避免天線頻繁的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，在保證傳輸速率的前提下，大幅減小天線的體積和功耗。目前相控陣天線規(guī)模化的市場(chǎng)應(yīng)用主要受限于昂貴的價(jià)格，通過對(duì)一網(wǎng)（OneWeb）和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司在研的終端產(chǎn)品進(jìn)行成本分析后發(fā)現(xiàn)，相控陣天線目前最低成本在750美元左右，高于規(guī)劃成本。因此，低成本化將是未來相控陣天線技術(shù)的主攻方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

衛(wèi)星通信作為海洋物聯(lián)網(wǎng)不可缺少的基礎(chǔ)性通信手段，在目前的海洋觀探測(cè)活動(dòng)中被廣泛使用，但現(xiàn)有的衛(wèi)星通信技術(shù)仍存在不足，無法滿足大規(guī)模應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，制約了海洋物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)海上活動(dòng)日益頻繁，海洋物聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星通信新的增長(zhǎng)點(diǎn)，帶來廣闊市場(chǎng)的同時(shí)也給傳統(tǒng)衛(wèi)星通信帶來了新的挑戰(zhàn)，因此需要海洋、航天等各領(lǐng)域通力合作，針對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)通信的特點(diǎn)，共同推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展。