第1章 海上无线通信技术概述

1.1 引言

地球的海洋面积约为3.6亿km2，约占地球表面积的71%，我国的海洋面积近300万km2。随着社会经济的发展，我国海洋经济也得到了迅速发展，如海上渔业捕捞、石油勘测和开发等。近年来，我国正逐渐完善在南海的人工岛礁基础设施。在军事、民用、渔业等多个领域，海洋通信都有着至关重要的作用，它能为海上渔民、船员和岛礁上的相关人员提供诸多服务。因此，如何构建安全有效的海上通信网络成为迫切问题。

建设海洋强国是中华民族伟大复兴的重要组成部分。2013年9月和10月，国家主席习近平先后出访中亚和东南亚各国，在此期间提出共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”（简称“一带一路”）的重大倡议。2015年3月，由国家发展改革委、外交部、商务部联合发布《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》，其中提到“努力实现区域基础设施更加完善，安全高效的陆海空通道网络基本形成”和“促进沿线国家加强在新一代信息技术等领域的深入合作”。海南省在“海上丝绸之路”经济带中发挥着连接东南沿海到东南亚的商贸枢纽的作用。针对海南省地处南海的优势，国务院办公厅早在2009年12月就发布了《国务院关于推进海南国际旅游岛建设发展的若干意见》，其中提出“着力建设有线、无线和卫星传输相结合的覆盖海南所辖海域的通信网络，提升南海领域的应急管理水平和信息服务能力”。随着“海上丝绸之路”和海南信息岛建设的推动，未来南海海域的海上信息业务将会迎来飞速的发展。

海洋的合理开发利用必须建立在便利的通信保障和丰富的海洋信息服务的基础上。由于海洋的特殊地理环境，它不能像陆地一样敷设通信基础设施（如蜂窝基站）。同时，海洋的特殊水文气候环境（海浪、海洋潮汐、海风和海雾等）也使海上通信与陆地通信有所不同。传统的海上通信多采用卫星通信技术，但卫星通信费用和设施维护费用较高，大多数小型渔船缺乏足够的资金来配备卫星通信设备，这成为它们进行渔业捕捞的瓶颈。渔船面积相对于海洋的面积来说微不足道，除了海洋上的岛屿，渔船能够在海上停泊的站点也非常少，因此海上船舶间的通信已成为海洋技术研究的一个重要方向。在目前我国海洋经济迅速发展的形势下，针对海洋渔业、海洋资源开发、海权维护的信息服务等需求，研究海洋环境下的无线传输技术具有重大的理论和现实意义。

本书致力于海上环境下的船舶间无线传输研究。在信息传输技术研究方面，传统的添加循环前缀的OFDM（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CP-OFDM）传输技术相比单载波传输技术，具有频谱利用率更高、抗符号间干扰能力强、数据传输速率高等优点，已被各类通信标准所采用。随着业务需求的提高和研究的深入，OFDM存在的一些不足之处也逐渐凸显。例如，基于循环前缀的OFDM是以降低系统频谱利用率为代价来消除多径干扰的，添加循环前缀CP（Cyclic Prefix）可以有效抵抗符号间干扰，但会牺牲一部分有效频带。OFDM在频域内表现出的sinc函数旁瓣较高，频谱旁瓣衰减很慢，具有较大的带外辐射。而且OFDM系统子载波必须满足严格正交，否则会带来严重的载波间干扰，系统对频率偏移较为敏感。OFDM的这些缺陷主要由其固有特性造成，虽然可以采用一些方法来降低这些缺陷的影响，但无法从根本上解决相关问题，因此很难满足未来通信的要求。在这个背景下，作为对多载波传输技术研究的深入，基于滤波器组的多载波偏移正交幅度调制（Filter Bank Multi-carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation，FBMC/OQAM）技术通过采用具有良好时频聚焦特性的滤波器组对信号进行频谱整形，可实现良好的带外抑制，而且它不需要添加循环前缀，相比OFDM而言提高了频谱利用率，各载波不需要保持严格正交，适用于零散化的碎片频谱利用[1～4]。FBMC/OQAM已经成为下一代移动通信无线传输波形技术的参考方案之一[5～13]。

因此，本书提出基于FBMC/OQAM的海上无线传输方案。本书将分析海上电波传播特性，研究海上多径信道建模方法，进而研究海上FBMC/OQAM系统的峰值平均功率比（PAPR）抑制和信道估计两个关键技术问题。本研究的目的是为海上船舶间无线传输提供一个可行的方案。