1.2 海上无线通信研究现状
海上作业现代化需要更多的信息服务能力，如渔政管理、海情测报、多媒体通信等。而面向海洋渔业的通信技术也需要向经济化、多媒体、高速率、多功能方向发展，传统功能产品已不能满足海上通信发展的迫切需要。目前，针对海上无线通信的研究主要有两个方面，分别是海上信道的研究和海上无线传输的研究。
1.2.1 海上信道研究概况
在海上无线信道的建模方面，国外学者们进行了一定的探索性研究。Hagenauer等人[14]在1987年就通过对Inmarsat海事卫星通信信道、相关调制和编码技术的研究，提出船舶和地面的通信设备可以采用甚小天线设备，并对采用甚小天线的模型进行了描述，包括多径衰落、多普勒频移和噪声等。文献[15，16]研究了基于希腊爱琴海实测的海上多径参数，主要分析了平均时延和均方根时延扩展，得出了海上宽带移动无线信道的特性。文献[17]研究了基于5.8GHz的无线电波在西班牙加的斯湾海上信道传播的时延色散特性。具体为一个浮标和一个船舶之间的多径无线链路的研究，分析了功率延迟分布、平均时延和均方根时延扩展等参数，得出即使在发射和接收端的位置没有显著变化时，多径时延参数和相关带宽也有很大的不同。文献[18]给出了2GHz频率下的海洋信道特性的实测结果，实测数据主要包括功率时延分布和平均时延和均方根时延扩展。当收发距离为短距离（≈15km）时，平均时延和均方根时延扩展的概率密度函数可以用一个三项高斯模型来表征。当收发距离为长距离（≈45km）时，海上信道被视为一个非频率选择性信道。文献[19]利用时域有限差分法评估海面环境对海洋通信的影响，通过改进Pierson Moskowitz（PM）光谱模型来生成一个随机的海面多径散射。
另一方面，多径反射分量和海面船只的抖动也是海上信道建模的研究切入点。文献[20]提出了一种在传统分析方法上改进的用来评估多径效应的方法，对预测结果的评估是通过实测的雷达波数据来实现的，多径模型中包含了镜面反射多径和漫反射多径。文献[21]建立了一个基于船舶晃动的通信链路模型，提出当发射端晃动时，会影响无线链路质量；研究了基于船只上下晃动时对接收功率损耗的影响。
国内学者对海上信道也有一定的研究，并取得了相关的研究成果。如文献[22]研究了海上微波传播下信道的传输特性，主要是从海上绕射、折射、反射、吸收以及水蒸气、雨雾衰落等几个方面来分析海上电波衰落特性。文献[23]分析了基于抛物方程法的粗糙海面电波传播特性。文献[24]针对海上无线信道出现长多径、第二多径群等情况，提出了一种海上小尺度衰落特性的测试和分析方法，文献[25]仿真研究了海上通信多径衰落，分析了海浪对海上通信的影响，把由海浪引起的多径转换成多径衰落数学参数，将海浪模型引入计算中，最后仿真了不同参数下的海上多径衰落，文献[26]根据船上设备接收信号的多径分量是否离散，针对第一菲涅耳区内的有效散射电磁波构建了海上离散和弥散多径衰落信道模型。文献[27]从粗糙度方面入手，得出米波段下的海面散射中，漫反射存在较少，主要体现为镜面反射。文献[28]研究了基于L波段海上浮标通信信道传输特性，模拟了动态海浪曲线，结合射线追踪方法，建立了适用于不同海情的信道冲击响应模型。文献[29，30]在船只晃动和天线增益两种特殊情况下，改进了海上电波传播损耗模型，分析了收发距离和传播频率不同时船体晃动对传输路径增益的影响程度；建立了一个基于漫反射、不同海情下的海上多径信道模型，得出了相关的海上多径时延参数。
可以看出，在海上信道的研究中，对海上无线电波大尺度传输路径损耗的研究不多，特别是针对我国南海海域的大尺度路径衰落的研究还未展开。而对海上多径信道的建模大多是基于实测统计方法来进行的，该方法通过在特定的传播环境中进行信道的测量，从大量的测量数据获取信道的特征表达，从而得出信道的一些特定参数，该方法具有地域局限性。还有通过电磁场预测的方法来进行信道建模，该类方法需要指定环境的诸多细节以便对信号的传播做出准确的预测。目前，针对船队间多次反射情况下的多径信道模型还未开展研究。
1.2.2 海上无线通信技术研究概况
目前全球海上遇险与安全系统（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）所提供的海上船舶无线通信方式主要包括短波（HF）通信、甚高频（VHF）无线电话和海事卫星通信等[31～34]，这些通信方式各有优缺点。短波通信的工作频段为4～22MHz，通过大气电离层反射短波来实现传输通话，距离远、费用比海上卫星电话低。然而，由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，特别是海上的环境更为特殊，海上短波通信的稳定性较差、噪声较大，并且无数据传输功能。
甚高频（156MHz左右）通信是海上移动通信中的重要系统，主要用于船岸和船舶间近距离话音通信，仅支持低速率数据传输功能。甚高频通信设备现已成为海上船舶普及率最高的通信设备，几乎所有的商船、渔船、公务船等都配备了该设备。随着海运事业的发展，海上数据业务需求不断增大，单一的通信已不能满足需求。
海事卫星通信系统适合远洋公海船舶，但其终端设备购置费用、维护更新费用和通信资费较高。虽然随着技术的革新，卫星通信系统的价格会进一步下降，但是可以预见，在相当长一段时间内，数量占多数的中小型船舶还不可能广泛使用海事卫星设备。另外，在近海通信可依靠蜂窝移动通信系统。蜂窝移动通信设备价格较低、通信资费便宜，不足之处在于蜂窝基站信号覆盖距离有限，易受海上环境影响，而且远海中不便建设通信基站。
可以看出，目前的海上通信技术手段所支持的业务种类少、数据传输率较低，所能提供的信息服务也局限在海上遇险报警、搜救协调和海上安全信息播发等。面向海洋行业的通信技术需要向高速率、多业务的方向发展，如渔政管理、渔情测报所需的图像和视频通信等。传统的通信方式已不能适应海洋经济高速发展的需求。
海上通信技术的一个发展动态是利用移动自组织网（MANET）、Mesh网等进行船舶之间的通信。MANET是不依赖于预设的基础设施而临时组建的无线多跳网络。英国研究人员Pullin等[35]提出了一种用于特定应用的MANET模型，讨论了通过160MHz甚高频段构造船舶海上移动自组织网（VHF-MANET）的可能性。Kim等人[36]提出海上环境的Ad-hoc网络（Nautical Ad hoc Network，NANET），它的网络构架类似车载自组织网，NANET扩展了现有的地面无线宽带网络到海上船舶中。国内学者吴华峰[37]提出下一代海事数据通信网络的构想，提出采用短波移动自组织网（HF-MANET）实现船舶间长距离（几十海里以上）通信。文献[38]对海上多跳无线自组织网路由协议仿真进行了研究，提出了一种集合路径路由方法，利用虚拟节点来增强通信的可靠性和稳定性。
另外，无线Mesh网可视为移动自组织网的一个特例，它是多跳网络，由自组织网络（Ad-hoc）发展而来，目前主要用于构建陆地上低移动性、高速率的无线骨干网，方便用户接入Internet[39，40]。Kumar和Seah[41]考虑在海上部署长距离通信的无线Mesh网。该网络使用了一个由六个固定波束成型天线组成的系统，通过高效地利用定向天线进行传输和接收，实现空间复用，能够实现一个高容量的海上通信网络。TRITON[42]是一种低成本、高速率的海事船对船/岸网状网络，该网络可以在狭窄水道或者航道靠近海岸线替代卫星通信网络。TRITON项目对海上无线电波传播、船舶运动模式、传播摇摆和其对无线传输和网络连接都进行了初步分析。Zhou等人[43]构建了一个基于WiMAX Mesh网络的高速船对船/岸通信网络，并对该网络的干扰范围进行了分析，研究了三跳邻域内的控制消息和数据包的调度传输。国内的朱佳[44]也提出了一种基于WiMAX的海上通信系统。通过提出一种多信道带宽分配机制，并设计一种新的网络体系结构，实现船舶间和船岸间的长距离、多跳通信。
近几年，在物联网发展的大环境下，国内外学者相继提出了船联网的概念。船联网是通过网络把船舶联系起来，是一种着眼于实现航运管理精细化、行业服务全面化、出行体验人性化的目标，融合了物联网技术的智能航运信息服务的网络。基于内河航运的船联网研究起源于2006年欧洲开展的内河航运综合信息服务（River Information System，RIS）。目前，国内外船联网的研究工作着重强调各种信息和通信技术（Information Communications Technology，ICT）在航运海事信息服务领域的应用及智能船舶。在我国“十三五”计划实施的100个重大工程和项目中就包括了加快构建船联网。海南大学信息科学技术学院的海洋通信团队研究了基于移动自组织网的船舶之间的通信。该团队从2007年开始开展了基于陆地环境向基于海洋环境通信范畴的延伸研究，对海洋环境下无线网络所涉及的理论和技术问题进行了探索[45～52]，提出了结合三种异构无线通信网（移动自组织网、蜂窝通信网、卫星通信网）来构成海上融合移动通信系统的技术方案，该系统的网络示意图如图1-1所示。
图1-1 海上融合移动通信系统网络示意图
① 作为一种单独的通信，与Ad Hoc网络和蜂窝网络方式不同，船只单独与其他网络的通信也是本书研究的船舶间的海上无线通信。
该团队提出，将无线Mesh网扩展到海域环境用于支持船与船之间的无线通信。其中在每只渔船上布设无线接入点（Access Point，AP），整个渔船船队组成多跳的海上无线Mesh网，Mesh AP之间可采用专用的无线传输技术。为支持船与岸之间的通信，在少数船上布设船载蜂窝网关和船载卫星网关作为移动自组织网与蜂窝通信网和卫星通信网的接口。
可以看出，现有的这些研究给出了实现船舶间通信的探索性方法。但VHF-MANET和现有的VHF无线电通信会产生干扰，仅支持语音通信和低速数据通信。而HF-MANET适用于船舶远距离通信，不适用于海上船队的中远距离的通信，且易受海上环境影响，通信稳定性差。由于WiMAX受其工作频段的影响，无线电波随距离增加衰减较快，其传播距离受到限制。为构建海上移动自组织网，首先需要考虑船舶间的无线传输方式，为保证海上船舶间较长距离的传输，同时满足未来高速率、多业务量的海上传输需求，需要在揭示海上电波特性的基础上进一步研究海上无线传输技术。