西北工业大学马远良院士团队：6G无处不在，向广袤海洋的水下世界延伸丨Engineering

经济学家揭示出创新的规律为需求牵引和发展推动 。需求牵引涉及人的需要、市场需要所带来的机会，而发展推动涉及科学发现、技术进步带来的机会。来自海洋工业和经济的需求是巨大的（图1），请看以下数据。

• 全球船舶运输方面，2018年的货物运输量为1.1×10 ¹⁰ t，相当于全球平均每人1.4 t。造船工业、港口管理、运输安全与安保、“一带一路”建设工作等刺激着电子商务、物联网、区块链和人工智能的发展。

• 油气和矿物资源（包括锰结核、可燃冰等）的勘探与开采承载着巨大的海洋贸易与工业，刺激着海洋监测与生产的自动化、机器人、水下监视以及水-空数据传输等技术的发展。

• 海洋水产包括海洋牧场、捕鱼业，规模巨大，为人们提供丰富的营养。例如，全球每年的捕鱼量约为8×10 ¹⁰ kg，相当于每人10kg。海带是世界上生长最快的植物，在3个月里可长到3~4 m长。海水养殖还能提供海参、牡蛎等美食。养殖业和捕捞业刺激着水质监测、鱼群探测、定位与渔获量评估等技术的发展。

• 海上可再生绿色能源的开发，如风能发电是迅速发展的新兴工业。为避免对于沿海人口密集区的干扰，风能发电站通常建设在离岸几十甚至几百公里的水域。考虑到恶劣的海上环境，必须采用先进的机械和数字化工程技术才行。

• 跨越各大洲的海底电缆支撑着全球的信息服务，是一个规模宏大的有线数据传输网络系统。当前，全球约有378条海底光缆，总长度为1.2×10 ⁶ km，支撑着99%的跨洋信息传输。目前最先进光缆的传输能力可达到200 Tb⋅s ⁻¹ 。海底光缆的建造和持续维护都很昂贵和困难，需要专门的技术支撑；同时还要保持其正常工作，防止间谍偷听和信息泄露。

• 海洋科学技术以及人类生存环境和防务技术的研究与开发。海洋的气-热交换、大气环流和海水环流影响着天气的变化、气候的改变（温室效应）以及地球灾害的发生。例如，洪灾、台风、飓风、地震、山林火灾等导致地球上许多突发事件的发生。海洋污染、海水酸化、海洋生态保护（特别是生物多样性和海洋生物的保护）以及反走私、反偷渡等问题对科技研发提出了新的挑战。至于防务方面，各种舰船，如航母、高速气垫船、潜艇、自主水下航行器、船载无人机、各种传感器、多种多样的水下武器和军用的C4ISR（command，control，communications，computers，intelligence，surveillance，and reconnaissance）设施，已形成大规模的海洋军工产业。

图1.  海洋技术创新的需求数据。（a）过去50年国际海洋贸易的发展。该数据来自联合国贸易和发展会议。（b）当前的海洋能源部署和累计装机容量。目前所有海洋能源技术的累计装机容量约为5.4×10 ⁸ W。该数据来自国际可再生能源机构。

本文并非要深入讨论海洋工业和经济发展需求的所有方面，而是要表明 海洋经济的多样性和巨大规模，以及由此带来的技术创新的巨大需求 。这对于当前第五代移动通信技术 （5G） 和未来第六代移动通信技术 （6 G ） 的科技创新的需求是强烈和务实的。

海基通信网络可以划分为几个大不相同的类别：第一类是有线网络系统，包括海底电缆网络系统、舰船及港口光纤网络系统；第二类是水面无线电通信网络系统，包括水面上方各种通信平台构成的网络系统，用于连接水面舰船、浮标、无人水面航行器、空中飞行器、沿海基站和通信卫星等；第三类是非声通信系统和网络，包括激光和电磁波远程通信（一个非常重要的例子是极低频和特低频远程指令传输系统）；第四类是水声通信系统和网络。前三类与陆基通信系统是类似的，相关的科技成果可通过其他领域得到。 本文强调的重点是第四类，即水声通信系统和网络，尤其是以无线、移动水声通信系统为主。

20世纪初以来，科技工作者在海基通信网络方面付出了极大的努力，尤其是针对两次世界大战以及美苏对抗带来的紧急需求。在此期间获得了许多科学发现和技术突破，但是根本性的困难仍然有待解决。未来海基通信网络领域创新发展的推动力必将来源于这些长期积累的科学发现与技术进步，连同海洋经济发展需求的牵引，形成强大的创新动力。

考虑到水声信道的低数据率和高时延特性，一旦获得水声信号应尽快将其转变为无线电信号送入到大气电波信道之中，不失为明智之举。但是怎样做到这一点呢？ 西北工业大学马远良院士团队的建议是构筑“数据桥梁”（data bridge） 。那么构筑很多的桥梁可行吗？他们的答案是：为了经济合算，要尽量把通信和数据传输的距离提高到中远距离，也就是几十公里至几百公里，这样桥梁的数量可以大大减少。海基通信网络不可能像在城市地区那样，通信基站的空间间隔只有1~2 km，对于5G和6G网络这个间隔变得更小。海基通信网络必然是稀疏和异质的。

综上所述，一体化的空-面-潜（air-surface-undersea）海基网络的构成途径已经清晰地被呈现出来。首先，在任何地方、任何时间与广阔的深水世界进行通信是可行的，因为有诸多有益的信道可以利用，如深海声道、可靠声路径信道、空/海跨介质信道和海洋移动平台。通过对这些信道的合理利用，可以避免一体化通信时链路的频繁“掉线”。例如，在海面节点和位于声影区的节点之间建立通信链路时，可以通过可靠声路径信道将海面节点的数据传输至海底后再传输到声影区。

其次，通过水声技术和空中无线电传输技术的有效结合，可以大大改善水下数据传输时的高延时和低数据率的现状。这意味着，只要水下数据通过跨界面“数据桥梁”传输至空中，就能获得如同6G的传输速率。同时，水声通信本身也可以通过更好地利用信道特性和新概念技术来提高频谱效率，如轨道角动量调制。然而，考虑到空中和水下通信在数据率上的巨大差异，未来仍需在数据压缩、数据文件分割和合并、时间压缩和拉伸、利用自主水下航行器转运大批量数据块等方向展开深入的研究。希望在这些方向上的技术突破可以帮助低速率的水下通信融合到高速率的空中5G/6G通信中去。

最后，与固定式线缆连接的海底网络相比，所提出的一体化空-面-潜海基网络是无线、分布式和由机动平台构成的，因此可以进一步实现“无所不联”。正如移动无线通信相比固定有线电话带给人们全新的生活便利所示，我们相信一个无线和可移动的海基网络肯定会提供巨大的新机遇。然而，这并不是说所有的水下固定式网络都应该被取代，它们在近海或沿海浅水区仍存在独特的优势。 西北工业大学马远良院士团队认为，未来的应用中水下固定式网络或许将成为无线网络的补充手段 。

目前，在水下世界中开发一个类似于陆地和空天环境中那样的一体化网络还很难立刻实现。更为现实的做法是，鼓励为达此目的开展多种不同技术途径的创新研究。西北工业大学马远良院士团队希望，有大批的研究团队和研究项目涌现出来，针对海洋一体化网络的不同应用需求、不同信号传播条件、不同联网规模进行研究。多样性、异质性、可扩展规模的海洋网络研究都应该受到鼓励。在这个启动阶段，研究与开发的环境、投资与管理的政策是特别重要的。在经历一段多样化发展时期之后，丰富的成果积累将足以支撑建设海洋一体化网络的终极目标。我们有理由相信，有朝一日水下色彩斑斓的鱼群活动视频将可实时呈现在普通家庭的电视屏幕上；海底的采矿设备可以在陆基工厂中通过物联网进行遥控；自主水下航行器可以在数百公里外与母船通信联络；极端天气预报的数据可以在第一时间到达科学家手中；水下世界的信息无论从全球何处接入都具有尽可能小的时间延迟。

然而，在一体化网络到来之前最好从眼前的小规模试验田做起：开发一个局域的水声无线移动网络，并使它跨越水空界面连接到空中无线电网络系统。最好在深水区去做该试验田，并达到中/远距离通信；其基本元素应该是：海底自主观测站或者数据汇聚器（水声自主监测站），深海可靠声路径传播信道，水下及水面航行的自主水下航行器和无人水面艇（或者无线电-水声浮标），共同形成一个跨界面的最小网络系统。图2呈现了局域一体化海洋无线移动网络的构想。未来，倘若5G/6G技术满足水下通信的要求，也可以加入到一体化网络中去。这样的局域网络可以得到宝贵的“第一眼印象”，对后续发展大规模一体化网络有很大好处。但迄今为止，还没有见到过如此示范性的局域海洋一体化通信网络。曾经报道过的是电缆连接的水声监测系统（SOS‐US），以及后来的光缆多节点水声监测系统。它们是一些固定设施，非常昂贵，灵活性不足且维修困难，其运行须依赖陆基设施。然而，为了在全球海洋任何地方实现水下和水上的良好连接，更应强调的是：无线、移动、可扩展以及低成本。目前需要突破的技术还很多，也很迫切，所以不要犹豫，研究人员应从种好试验田开始行动。

4G/5G技术已取得巨大进展，6G也已成为人们关注的热门话题，然而在广袤海洋的水下世界里，有关无线移动通信和网络技术还远远落后。究其原因是一个公开的科学技术问题，涉及海水介质中电磁波的传输受限和水声技术的发展前景。基于对这个问题的分析，本文给出了未来水下世界里6G研发的解决方案和愿景。本文在全面回顾实际需求、瓶颈制约、物理发现、科技突破和跨学科整合的基础上，总结和分析了海洋无线通信的现状和潜力。指出并讨论了未来的发展构想和关键环节，如信道特性的充分利用、多样化移动平台的发展、通信网络的组织结构等。对于每个关键方面，都对应用场景进行了深入的分析和讨论。为了结合无线电和声学通信的优点，提出了在海洋和大气之间建立“数据桥梁”的新概念，并提出了可行的方法。分析表明，通过这些桥梁建立空-面-潜一体化海基网络是可行的。虽然愿景是光明的，但由于海洋系统的稀疏性和异质性，人们必须从各种应用场景下的局域演示试验系统开始逐步发展和演进。总之，海洋世界的6G通信可能与陆地甚至空中的6G非常不同。6G的普遍性在海洋中仍然是有希望的，但是是以一种非常特殊的形式。

实际上，大规模的水下通信网络有一些特点，与深地和深空环境下的通信网络有共同性。比如，都受到物理层面的客观约束、通信时延大、跨越多种介质、异质网络结构以及特殊的网络协议等。深地和深空环境下的通信网络也同样存在迫切的需求牵引和创新发展推动。因此，在对深地、深空、深海的探索过程中都涉及共同的通信问题，它们之间应该协同发展、取长补短。若如是，6G的研究领域和应用范围将由此得到进一步拓展。

以上内容来自： Yuanliang Ma, Qunfei Zhang, Honglei Wang. 6G: Ubiquitous Extending to the Vast Underwater World of Oceans [J]. Engineering, 2022, 8(1): 12-17.

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