智能反射面辅助的海洋物联网技术综述*

徐涴砯，姜胜明

（上海海事大学，上海 201306）

0 引言

海洋通信网络按照基础设施建设的地点、资源和环境组成可划分为四部分：海岸、水面、天空和水下[1]。由于海洋环境的特殊性，海洋中需要部署大量航标、灯塔、浮标传感器等，以支持船舶定位、搜救、航运、环境监测等应用，因此海洋通信场景包含大量的机器类型通 信 场 景（MTC,Machine-type Communication）[2]。基于此，国际海事组织（IMO,International Maritime Organization）提出海洋物联网（MIoT,Maritime Internet of Things）的概念。随着信息技术与海洋经济的共同发展，海洋物联网概念被拓展，泛指依赖机器类型通信系统的船舶与海事设备间的交互技术，旨在实现全球范围内部署的海事设备，以提供泛在连接，推动安全、高效、绿色、智能的海洋经济。为适应海洋产业的发展，应对智慧海洋通信需求，海洋物联网的需求逐步朝高带宽和低时延发展。例如，得益于控制科学与信息技术的发展，无人机、无人船、自主水下航行器等设备在海洋探测、遥控运输等领域的应用优势逐步展现。由于作业过程可通过遥控实现，这类无人系统使得海上作业更为安全高效，同时也节省了人员海上作业所带来的额外开销与风险，对发展低风险、低能耗、轻污染的绿色海洋经济有着促进作用[1]。

实现未来海洋物联网的前提是能提供稳定、可靠的宽带通信系统。目前，第六代移动通信系统（6G）的技术研发业已开启，全球无缝覆盖的空天地海一体化网络（Space-Air-Ground-Sea Integrated Network）的愿景被提出，与未来海洋物联网的发展方向不谋而合。未来海洋物联网可分为近岸通信、高位海洋通信和远洋通信[3]。前者主要依靠陆基无线网络来延伸对海洋的覆盖；后两者需要长距离的高速无线技术支持，如卫星和无人机载通信。因此，最大程度地将陆地无线网络覆盖向海洋延伸，并结合卫星系统或空基无线基站完成信号覆盖补盲，是一种可行的空天地海一体化覆盖方案[4]。未来海洋物联网如图1 所示：

图1 未来海洋物联网

虽然卫星与无人机载基站辅助下的海洋物联网通信在延伸信号覆盖和速率提升两方面都颇具潜力，但由于这类通信方案需要前期投入与后期维护，成本开销大，广泛商用前景仍有待商榷。事实上，根据人类在海洋的活动范围，离岸100 公里区域内存在大量的海洋通信需求，这些需求仍有大部分未达到足够带宽和时延要求。目前，针对这些需求的较有效解决方案是海上用户通过沿岸部署的通信基站，依靠Wi-Fi、WiMAX 和LTE 系统接入陆地核心网完成数据交换，这类方案通常可以支持离岸数十公里内用户下行兆比特每秒的传输速率[5]。然而，由于海洋地理环境的限制与显著的信号衰减，为了获取一定的传输性能，岸基信号覆盖较陆地覆盖需要更大的发射功率。

智能反射面（IRS,Intelligent reflecting surface）是一种由大量的低值可重构无源元件组成的平面阵列，可以通过使入射信号产生相移，改善反射信号的传播[6]，整个过程无需基带与射频处理的参与[7]。由于智能反射面结构轻薄、成本可控且低功耗，若将其搭载在船舶、无人机等作为中继通信节点，以改善岸基基站与近海用户间的信号传播性能，可较低成本实现岸基无线信号的覆盖区域[8]。目前，基于智能反射面的通信技术研究主要集中在陆地无线通信场景，包括智能反射面的直接信息调制技术与基于智能反射面的无线中继技术[9]。研究表明，智能反射面通过调整无线信道环境，可以主动改善通信设备间无线传播环境，在提高陆地移动通信系统传输速率、覆盖范围以及能量效率方面存在巨大潜力[6-10]。然而，海洋通信环境与陆地有很大的不同，将智能反射面应用于海洋物联网需要结合海洋信号传播特性与组网方式作相应的技术研究。

本文以拓展岸基无线通信系统对近岸海洋作业用户覆盖性能为出发点，简要综述基于智能反射面在海洋物联网的研究现状、应用前景以及未来技术研究方向与挑战。

1 智能反射面辅助的海洋物联网

1.1 海上无线通信信道

海上无线通信信道主要包括空对海、近海表面信道两种[11]，其信号传播主要受到长通信距离、海浪运动、海面蒸发波导和海面曲度等海洋特殊地理水文环境的影响。此外，因海面通信节点分布稀疏造成的海面散射体的稀疏性，以及节点因海面运动所造成的信道时变非平稳性，也是影响信号传输的重要因素。

从信号传输路径来看，海上信号传输主要由视距传输路径（LOS,Line of Sight）和海洋表面反射路径（Surface Reflection Path）组成，当海上信号两端天线海拔较低时，还需要考虑信号散射路径效应（Scattered Weak Paths）。因此，海洋信道模型可以根据发射端的高度分为球形地面双路径模型（CE2R,Curved-Earth Two-Ray Transmission Model）[12]和三径模型（Three-Ray model）[13]。其中，双径模型描述空对海通信，主要特征为信号发送机所在位置海拔较高，信号两端通信距离长，主要考虑直射径与反射径，适用于卫星对海、无人机对海等场景。

相比之下，船只间通信、岸基对海通信等场景通信环境更为贴近海面，不可忽略海浪运动和海洋表面波导效应影响。此类近海表面信道模型一般使用三径模型描述，即除了直射径与反射径外，需进一步描述散射路径效应的影响。此外，散射路径的存在还依赖于接收机天线高度、载波频率和海面物体数量（如船舶、礁体、钻井平台等）等参数[13]。通过测量[12]，在5.7 GHz 载波频率下，散射路径的存在概率为8.5%，随着接收机天线高度增加，散射路径的存在概率会相应减小。海上无线通信信道特性总结具体如表1 所示：

表1 海上无线通信信道特性总结

1.2 IRS辅助的海洋物联通信技术

针对近岸海上物联通信场景，一种经济的宽带通信实现方案是通过增加中继传输节点，拓展岸基覆盖范围，提升系统容量。这类中继网络无需预先进行网络部署，其结构大多都具有自组织性和自愈能力，能够快捷部署，适合动态海洋网络环境[14]。然而，海面上没有稳定的地方可以用来部署网络设施，中继通信节点通常部署在海上船舶、浮标或者使用无人机搭载。由于主要依靠电池通信，这些节点对通信能效要求较高。

IRS 是通过集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置无线传播环境，从而提高无线通信网络性能[15]。IRS 辅助的无线系统类似于协作中继系统，但在物理实现方面，IRS 无需射频链路和有源天线的参与，更易实现且能耗小、电磁污染少，适合应用于对能效和成本要求较高的海上无线中继网络。此外，相比大型阵列天线、中继站等通信节点，IRS 更为轻便且部署简单，可以灵活地安放在无人船舶、无人机上。IRS 是一种用于改善无线信号传输环境的智能控制技术，具有改善海上无线通信环境的潜力，在未来6G 通信网络中将发挥特别重要的作用[16-17]。下面介绍三种IRS 辅助的海洋物联通信场景：

场景1：IRS 辅助的海上通信增强场景

IRS 可以用来增强海上传输信号。针对岸基基站信号覆盖范围有限场景，可以通过在近岸船舶或无人机上架设IRS，通过智能表面的电磁单元调节基站发射信号相移，使其可以与其它路径传播的信号在接收机叠加后增强离岸用户的接收信号质量[18]。

大规模天线阵列技术（Massive MIMO）可用于满足一些高带宽海洋应用场景的需求[19]。但是，由于Massive MIMO 工作在高频，支持高传输速率的同时无法同时满足近海广覆盖的要求，因此目前仅能支持特定高速率场景应用[19]。将IRS 与传统MIMO 技术结合，除了扩展高频信号的传输距离，还能够克服收发天线数量增加带来的成本和功耗增大问题。由于IRS 只反射或折射入射信号，不需要具备射频链路，降低了硬件复杂度，与传统MIMO 技术结合可以形成一种有潜力的Massive MIMO 2.0[16]。IRS 辅助的船基无线通信系统如图2 所示：

图2 IRS辅助的船基无线通信系统

场景2：IRS 辅助的海上D2D 通信场景

D2D（Device to Device）通信技术支持两个对等的通信节点在一定距离范围内直接实现通信而无需接入核心网。在陆地移动通信系统中，D2D 技术常被用于蜂窝系统下的数据卸载。海洋物联网也存在大量D2D 通信场景，如海洋传感器网络、无人船/ 机间通信等。虽然海上通信节点主要通过视距传输，有利于D2D 通信，但由于节点分布稀疏且节点间信道状态变化快，不利于节点间信道状态信息的估计与链路建立[12]；若通信节点所在区域信号覆盖不稳定，将增加D2D 通信链路的建立和维护的难度。

在基于D2D 通信的海洋物联网中部署智能反射面，通过调节入射信号相位等传输参数来改善节点间信号传播，有助于改善设备间的通信环境，增强数据传输能力。此外，智能反射面不同无源反射点支持独立调节入射信号，可以支持反射区域内大规模低速D2D 通信场景[20]，适用于由大量航标、浮标传感器等组成的低速海洋传感器网络的数据通信需求。

场景3：IRS-MIMO-NOMA 近岸传输场景

在近岸Massive MIMO 传输系统中，空分多址接入技术（SDMA,Spatial Division Multiple Access）通常被用于为各方空间波束上的用户提供接入服务。作为一种正交多址接入技术，SDMA 能提供的用户接入数量由传输资源模块的数量决定。非正交多址接入技术（NOMA,Nonorthogonal Multiple Access）可在单个传输模块中，通过多用户叠加传输技术提升频谱复用率，被认为是一种能够借助资源分配改善传输效率与公平性的多址接入技术[21]。

理论上，将NOMA 代替SDMA 为MIMO 系统用户提供服务，能增加单波束上的服务用户数量，继而提升系统频谱效率。然而，NOMA 技术下频谱效率的增加有一个重要的前提，即NOMA 接入的各用户的信道状态向量（Channel State Vector）需同向[22]。在传统无线传输系统中，用户信道状态向量由传播环境决定，这很大程度上限制了NOMA 技术的性能。将IRS 与NOMA 结合，可通过改变信道传播环境以矫正同传输资源块中的各NOMA 用户的信道状态向量方向，继而进一步提升下行MIMO-NOMA 系统频谱利用率[23]。因此，在场景1 的基础上应用NOMA 技术，理论上能够提升近岸用户接入数量，从而提升频谱效率。

2 尚需研究的问题

（1）IRS 信道建模与系统性能评估

IRS 不能简单地抽象成某一个通信节点。现有的智能反射面信道模型主要采用3GPP 和ITU 的传统无线信道模型，并不适用于描述IRS 信道。此外，IRS 的相位响应也被简化为对角阵，缺少实测数据的支撑。因此，未来需要对IRS 与发射/ 接收端节点间的信道特征分析、建模与验证测试。特别地，IRS 的信道特征受到发射/ 接收端节点和部署位置的影响，必要时需要使用空间建模来准确地评估系统性能[24]。海洋通信系统节点动态性强，这对IRS 的信道建模与系统分析的准确性提出了挑战。

（2）信道估计与反馈机制

获取实时、准确的信道状态信息，是IRS 改善信号传播特性、获得理想性能的前提。然而，IRS 不具备自主进行信道估计的能力，同时反射单元的无源特性及其庞大的数目都是IRS 获取准确信道估计的主要障碍。对于典型的IRS 辅助的下行无线传输场景，信道估计由基站完成，然后基站将估计的数据发送给IRS 处的控制器，由控制器依据所得信息调整反射单元相移[25]。在海洋通信场景中，信道估计数据的传输无需大带宽，可以使用海事无线电等窄带、广覆盖的通信系统完成。但如需获得实时、准确的信道状态信息，势必需要短时间内频繁更新数据，当移动用户较多时，信道估计负担就会很沉重。因此，对于节点移动性高的海洋通信网络，在满足一定准确度下的高效信道估计是发展IRS 协助的海洋无线通信系统的另一个挑战。

（3）IRS 在海上无线系统中的部署

IRS 的信道传播环境的重配置能力与其同发射机、接收机的相对位置密切相关，其部署方案的获取需参考IRS与接收机和发射机的3D 相对位置模型[6]。此外，由于海洋地理环境的限制，可供IRS 固定部署的位置有限，若要广泛应用，需考虑IRS 作为海上移动辅助通信节点时，其部署位置变化对系统性能和资源调度等方面造成的影响。

3 结束语

随着6G 移动通信技术研究在全球范围内的广泛开展和空天地海一体化覆盖技术的研究成果涌现，IRS 技术有望在未来海洋宽带通信中发挥作用。本文针对海洋物联网通信场景，探讨了智能反射面技术在改善海上无线信号传播及增强其覆盖方面的应用潜力，并简要讨论了IRS辅助下的海上通信应用可能及挑战。