××10●×工程学8（2022）12意见和评论6G：无处不在地延伸到广阔的海洋水下世界马远良，张群飞，王西北工业大学海洋科学与技术学院1. 介绍在大气空间和海底空间之间，无线电传输有很大的差距。空气和海水之间的界面是阻止无线电波穿越边界的屏障这是因为海水是一种导电介质，无线电波在海水中会受到显著的吸收衰减。因此，在海洋的水下世界中没有互联网、可靠的移动通信、高质量的视频和海洋占地球表面的71%，对我们的经济、生态和生活环境至关重要。人类似乎很奇怪，我们有很好的信号和图像发送和接收月球和火星，但它仍然是不可能做到同样的附近的海洋。我们也不能对地下空间做同样的事情。应该认识到，传输介质的物理限制给我们带来了很大的困难[1]。在过去的100年里，人们为水下数据传输做出了巨大的努力。声波是最好的无线电波，电磁波（EM）和光波相比，虽然后三种波在某些情况下仍然有一些有限的或特殊的优点。为了给一个清晰的概念，让我们展示一些典型的例子：对于1 kHz的超低频（ULF，300Hz-然而，在100 km距离处，粗略地说，在考虑完整海水路径的情况下，声波的传输距离是1000倍因此，在讨论海底通信和网络时，声学技术是最受关注的。水声学的研究通常包括水声物理的基础部分和海底传感器网络和声纳的技术部分电磁波和光波以及其他手段，如生物波和放射性波，作为补充方法。2. 需求拉动海洋技术创新经济学家提取了创新的规则，比如需求拉动和供给推动。需求涉及以下方面的人和市场的需求，而供应则涉及科学发现和技术进步带来的机会。海洋经济的需求是巨大的（图1）[2，3]。请看以下数据[22018年，世界航运运输了1.110吨货物，这意味着人均1.4吨。造船业、海港管理、运输安全/安保和一带一路刺激了电子商务、物联网、区块链和人工智能。海洋石油、天然气和矿物（包括锰结核和可燃水合物）的勘探和开发对海运贸易和工业来说是巨大的。这刺激了监视和生产自动化、机器人技术、海底监测和水空传送。海产品生产，包括海藻养殖和捕捞，规模很大，为人们提供营养例如，世界捕鱼总量约为8 1010公斤，即每人约10公斤海藻是世界上生长最快的植物之一海洋养殖还提供海参和牡蛎，这对热爱海鲜的人来说很重要农业和渔业刺激水质监测，水下鱼群探测，定位和数量估计。可再生绿色能源发电厂和海上风车正在迅速扩大新兴产业。为了避免与人口密集的海岸线地区的干扰，风车通常建在离海岸线几十甚至几百英里的地方。考虑到恶劣的环境，必须采用先进的机械和数字技术。跨大陆海缆系统是目前支持全球信息服务的有线数据传输网络系统。目前，中国有378条光缆，总长1.2 × 10 -6公里，支持99%以上的国际数据传输。最先进的光纤电缆能够在几秒钟内传输200太比特。它们是昂贵的，难以建造和持续维护。需要非常特殊的技术来保持其工作并防止间谍窃听的信息泄漏[7]。海洋研究、人类生活环境和国防的研究与开发（R D）。海洋https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.07.0172095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng●●●●●Y.马角，澳-地Zhang和H. 王工程学8（2022）1213·图1.一、对海洋技术创新的需求（a）过去50年国际海运贸易的发展国际海运贸易数据来自联合国贸易和发展会议[2]。（b）目前的海洋能源部署和累计装机容量。目前所有海洋能技术的累计装机容量约为5.4 ×108W。海洋能数据来自国际可再生能源机构[3]。影响），以及洪水、风暴、台风、飓风、地震和山火等灾害。这些给地球带来了许多紧急问题。海洋污染、海水酸化、海洋生态系统保护（特别是生物多样性和海洋动物保护）以及反海盗和反走私等也是研发的在国防方面，从航空母舰到高速气垫船、潜艇和无人水下航行器（UUV）、舰载无人机、各种传感器和军用C4ISR（即指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察）设施，已形成了规模庞大的海军军事工业。我们的讨论并不试图包括所有以海洋为基础的工业。我们希望展示海洋经济的规模和多样性，这对技术创新有着强烈的对目前的第五代移动通信技术（5G）和即将到来的第六代移动网络（6G）相关技术的强烈需求是真实的，而不是虚构的想象。3. 海基通信和联网的机会海基网络可以分为几个非常不同的类别：第一是有线网络，包括海底电缆系统、船舶和海港光纤网络;第二是水上无线电通信网络，包括船舶、浮标、无人水面航行器（USV）、空中航行器、海岸线基站和卫星之间的通信;第三是非声学通信和网络，包括激光和EM隐形传输（一个非常重要的例子是极低频（ELF，3-上述前三类与陆基系统类似，相关技术可在其他地方找到[8因此，我们的重点是第四类：海底声学（无线和主要是移动）通信和联网。从上世纪初开始的几十年中，特别是由于第一次世界大战、第二次世界大战和随后的美苏对抗的迫切需要，在这方面付出了巨大的努力突破性进展已经取得，剩下的困难仍然存在[12]。即将到来的创新是由迄今为止取得的科学发现和技术进步以及海洋经济的强大需求拉动推动的3.1. 数据速率与距离和频率密切相关海水对声波的吸收衰减随频率的增加呈指数增加。较低的频率必须用于较长距离的传输。作为较低频率的结果，有用带宽下降，并且数据速率相应地下降。也就是说，对于短距离和较高频率，您可能具有较高的数据速率，而对于长距离和非常低的频率，您可能具有非常低的数据速率Daniel B. Kilfoyle和Arthur B. Baggeroer [13]总结了大约20年前的状态，即性能包络可以近似地表示为距离和数据速率的乘积，小于或等于40 km kbps（kbps：每秒100比特）。当时的频谱效率相对较低，而最近的修改建议高达100-200 km·kbps [14]。3.2. 浅海声传播水声信号的传播速度取决于电导率（盐度）、温度和深度（压力）（CTD）随介质深度变化的分布。 声速沿深度的分布称为声速剖面（SSP）。SSP的非恒定值引入折射并弯曲声音传播路径。此外，CTD强烈地受到位置、季节、天气和电流因素的影响。因此，浅海声信道具有时空变化的特性。水声信号还存在着由于粗糙表面引起的多径衰落、由于海底地形和沉积物引起的复杂反射、时间和频率扩展以及可变的传输损耗。由于浅水和沿海地区在工业和军事领域的重要性日益增加，浅水声学已被深入研究[15]。强调三个方面：第一，建模和传播性能预测;2第二，CTD实时传感，卫星表面数据采集，与历史样本一起进行数据同化; 3第三，浅水-浅水短程通信，目标成像和ad-hoc网络演示。目前，已经取得了一些进展，但有关普遍适用和可靠的解决方案的开放问题需要进一步研究[16]。3.3. 发现用于远距离传播的深海声信道20世纪40年代初，美苏科学家几乎同时Y.马角，澳-地Zhang和H. 王工程学8（2022）1214××··在深海中有一个深度（称为通道轴），声速显示最小值[17]。这一发现为围绕该轴的信道中的长距离传播提供了机会。这是一个所谓的信道内的通信可以达到数千英里，传播损耗比外部区域小得多在中纬度地区，厚度约为1000米该通道非常稳定，因为海洋表面湍流不会影响深水中的SSP。然而，已经显示出有限的应用，可能是由于大深度引入的工程困难（防水条件约为100个大气压）。极低频和大功率声源的缺乏，以及对信道的公众访问的安全考虑也可能是限制。由于远距离传播的潜在优势和工程上取得的进展，该信道有望被开发用于未来的创新用途。3.4. 值得深入研究的另一条深海航道近几十年来受到严重关切。它从近表面混合层深度跨越到其在较深侧的共轭对应物，其具有与前者相同的声速，但通常，深度接近底部[18]。在共轭深度处或共轭深度以下工作的收发接收器可以经历稳定的传输、非常低的海洋噪声水平和更少的传播损耗。更重要的是，它上面的阴影区消失了。在浅-低深度（小于300-500米）的源产生的信号由于负折射而立即向下弯曲。这种现象在浅深度区域中引入严重的传播损耗，并且通常将浅水接收器的操作范围限制在几公里内。也就是说，传感器不应放置在阴影区中。共轭深度近海底观测的优点是显而易见的：它提供了一个在近海面（中纬度地区）半径约30公里的直接传播带。美国和中国的科学家对RAP进行了大量的研究，并取得了令人鼓舞的成果。另一个应该提到的深海声波传播现象是所谓的会聚区，它是由水柱内部反复向下和向上折射形成的。在中纬度地区，辐合带以大约60公里这些带的深度近似或近似于表层震源深度和海底附近的共轭深度。会聚区提供了信号聚焦增益，并进一步降低了传播损耗。RAP通信可以使用这种会聚区效应来进一步扩展连接范围[19]。3.5. 海水下、海水上和海水海洋世界广阔，人类在海洋中的活动分布稀少。与地面网络不同，没有持续的电力供应，没有对链路组件的人为干预，也不可能在整个海洋上部署密集的基站。这就是为什么移动通信平台是必要的。它们必须具有成本效益、能源效率、尺寸/重量可接受、环境友好、可靠和易于部署。根据这些要求，近几十年来出现了许多具有机载传感器的创新平台[20]。在海面上，除了传统的系泊浮标和海船外，还出现了波浪滑翔机、风浪推进无人艇、自主水面航行器、自动移动浮标等新型平台。波浪滑翔机和风/波浪推进无人驾驶的船只收集海洋能源运行，并可能保持移动数月。连续航程可达1104km。也可以让它在给定的位置周围悬停。这特别适合用作地面上的接入点或中继节点。值得一提的是一种被称为航行中CTD（U-CTD）的船舶拖曳传感器系统。该系统在与拖船合作向前移动并以循环方式释放系绳的同时，向下下降盐度在该水域内，有Argo浮标、载人/UUV（自主水下航行器（AUV）和系留远程机器人水下航行器（RUV））、系泊浮标和机器人以及一些多功能海底观测站[12，24]。后者可提供RAP监视、有效载荷释放（弹出式浮标或武器）、数据交换和电池充电功能。因此，观测站对于海底传感、通信和网络建设尤为重要，尽管它们目前是依赖光缆连接的固定系统。在地面上，有无人驾驶飞机、直升机、飞机和卫星.一些车辆可能会俯冲/跳跃，穿过水面。它们具有更好的无线电传输环境条件，必然是海底声学世界连接全球无线电世界的第一站。无线电信号传播1600km，时延约为5 × 10- 3s，而水声信号传播时延约为1000 s。这一事实清楚地表明，水下路径和空中路径的组合应用必须被认为是海基组网的主要方式。4. 搭建考虑到海底声信道数据速率低、时延大的特点，将声信号转换成无线电信号，通过空中无线信道传输是一种明智的选择然而，如何才能做到这一点答案可能是建立数据桥梁。另一个问题是要建多少座桥答案可能是，这取决于应用程序。具有非常近的节点是不可行的，例如在基站之间的空间间隔小至1对于5G和6G，间隔变得更小。另一方面，海基网络可能是稀疏和异构的。为了覆盖广阔的海洋区域并保持因此，网桥的数量应尽可能减少。4.1. 中远程海底通信在过去的十年中，一些深海声学通信实验显示出了潜力[14，25]。在加利福尼亚海岸附近的深水中进行的一项实验数据速率和范围的乘积达到200，突破了以前40 km kbps的裕度使用二进制相移键控调制和虚拟时间反转信道均衡的另一个实验使用100 Hz带宽（450-550 Hz）在 1000 km对于深声信道通信，使用固定声源和垂直水听器阵列的实验都部署在信道轴（1000 m）周围，达到400 bps和600 km，频谱效率为4 bps Hz-1。对于RAP通信，理论分析已经进行了有希望的结果，而实验Y.马角，澳-地Zhang和H. 王工程学8（2022）1215·核查工作将在以后进行。实验结果表明，深海远程通信是可行的，但数据速率较低。如果利用压缩感知技术同时考虑通信信号和信道冲激响应的稀疏性，则有可能进一步提高速率-范围乘积跳出水柱，水面平台通信也面临中、远距离问题。对于甚高频（VHF，30幸运的是，所谓的折射波导（ED）提供了有利于无线电波向下折射的条件该管道直接位于海面上方，通过空气/海洋热交换产生水蒸气。ED的上部高度约为20理论和实验工作表明，ED中的微波可以达到大约几百公里的OTH范围[26]。4.2. 建立跨境数据桥梁不断探索克服气水屏障的技术途径。已经发现几种有前途的方法可能充当数据桥梁：第一种桥，在水面上的声-无线电遥测浮标，其水下部分配备有接收水听器或水听器阵列，空中部分配备有无线电发射机，以及其间的电子信号处理电路。任何具有这些功能的水面平台都可以作为水下信号通过接口传输到空中的桥梁一种微型浮标被称为弹出式浮标，它可以安装在海底自主站中。在发送信息的情况下，弹出浮标被释放，并通过其浮力运行到第二桥，甚低频（VLF）电磁波，其跨越3它非常适合于封闭的海-特别是当几米或几十米深度的水下电磁信号（包括由声信号转换而来的电磁信号）可以直接穿透海水表面并产生空气传播的侧向波时。侧向波可以沿着表面水平传播到中程目的地或中继站[27]。这种方法的明显优点是不需要在水面上设置浮标或类似的水面平台这种方法特别适用于AUV或其他移动车辆。此外，避免了表面碰撞和声学干扰。在某些情况下，其它频带也是可用的。例如，VHF和ELF信号可以找到特殊的应用。VHF EM信号适合于从水到空气穿透海面的短距离高数据速率信息传输ELF EM信号适合于从大型陆基天线到海面区域的数千英里的命令传输，在那里它向下穿透到水中[28]。后者的一个明显优点是ELF波主要通过空气中的路径以接近光速传播只有传播路径的最后一部分，从表面到接收器的几百米，涉及海水中的低速传播。电磁波在导电海水介质中的传播速度在较低频率处减小例如，对于10 Hz的频率，速度下降到约5000 m s-1。即便如此，ELF命令传输的时间延迟大约是十分之一秒，包括水下路径到一个海底接收器和几千公里的空中连接。在实际应用中，相对于水声传输中的几千秒时延而言，这种时延是非常重要的。第三座桥是在整个水柱中机动的移动平台，可以从任何声波探测器收集数据，并运行到水面，将数据传输到空中的接收器当然，由于运行过程的原因，存在一定的时间延迟然而，可以使用分批方案。大量的数据可以在很短的距离内快速收集，并在天线离开表面后的短时间内传输到空中事实上，如果激光束的指向问题得到适当解决，则可以考虑在该方案的数据收集阶段使用激光进行光学数据传输显然，AUV、UUV、遥控潜水器，甚至载人潜水器都有资格执行这些功能。第四桥，一种新发现的方法，对水下声音产生的表面条纹进行微波探测[29]。最近，由麻省理工学院（MIT）的一个团队在实验室进行的这样一个实验显示了有希望的结果。条纹中夹杂着强烈的波浪湍流，检测起来非常困难。在麻省理工学院的工作之前，使用激光探测器进行水面上的条纹探测已被提出，并于2009年在水下坦克实验中取得成功[30]。虽然这些都是单方面的，但可以搜索到通过机载激光或微波束照射水面来产生水声信号的这个想法是在高强度照明下加热水柱，并将其爆炸性地膨胀成气泡，以产生脉冲和垂直方向的声波束。然而，波形控制仍然是一个悬而未决的问题.另一种单层边界穿越方法是空气声束撞击到表面上并直接穿透海气据报道，几十年前，一艘潜艇探测到数百公里外的飞机噪音。然而，除非水下极低频声波的深度小于它的波长，否则一般情况下，反向传播是不可行的在这种特定条件下，水下声波可以完全穿透边界，就好像边界是透明的一样。5. 展望：发展空-地-海联合从上面的讨论中，一个愿景正在形成。建立一个联合的空中-地面-海底网络的方法变得相当清楚。首先，在任何时间任何地点与广阔的深水世界进行通信的普遍性是可行的，因为存在可以利用的若干有益信道，诸如深海声学信道、RAP信道、空中/海上跨界信道和水下移动载体信道。特别是，链路可用性的频繁故障可以通过正确使用这些重要信道来避免。例如，通过从水面到海底，然后到"阴影区“的RAP路径，在水面节点和位于”阴影区“的节点之间建立联系是可行的，而目前的方法无法通过。第二，由于水声和空载无线电传输的结合使用，水下大时延和低数据速率问题可以大大缓解。这意味着水下数据通过数据桥传输到空中后，即可获得完整的6G速率。同时，声学通信本身也可以通过更好地利用信道特性和新概念（如轨道角动量调制）来提高频谱效率[31]。然而，由于机载和水下通信的数据速率相差很大，因此在数据压缩、数据文件分割与重合并、时间同步、数据传输等方面还需要进行大量的研究工作。●●●●Y.马角，澳-地Zhang和H. 王工程学8（2022）1216压缩和拉伸，AUV运输大量存储的数据块。希望水下通信的低速能融合到5G/6 G的极高速中在空气中，以这种方式。第三，与固定电缆连接的海底网络相比，可以实现进一步的普遍性，因为拟议的统一无线移动电话通信相对于固定电话系统的非常深刻的印象使我们相信，无线和可移动的海基网络肯定会提供同样巨大的新出现的可能性。这并不是说所有的水下固定网络都应该被取代。它们在近海或沿海浅水区仍有一些独特的优点。因此，我们认为，水下固定网络在未来几年可能成为无线网络的补充。目前，开发一个类似于陆、空、天无线电通信的水下世界的最终联合网络尚不立即可行。更现实的做法是鼓励采取各种不同的方法来实现这一目标。希望出现大量的团队和项目，根据不同的应用需求、不同的传播条件、不同的连接规模来研究联合网络的不同方面。多样性、异构性、可伸缩的大小和不同的架构是受欢迎的。研发环境、投资和管理政策在这一阶段尤为重要。经过一段时间的分散发展，可能会积累丰富的成果，足以支撑最终的目标。我们有理由相信，总有一天，在任何一个家庭的电视屏幕上，都可以看到色彩斑斓的鱼类活动的海底视频;海底采矿机械可以通过海底物联网在陆地工厂进行控制; AUV可以与其通信数百英里外的母舰;极端天气预测数据可以尽快到达科学家;来自水下世界的信息可以在可接受的时间延迟内在世界各地访问[32]。然而，为了现实起见，最好先开发一个局部水下无线移动声学网络，并将其连接到边界对面的无线电系统，作为概念试验台[33]。最好是在深水中，有中到长距离的联系主要要素是海底基站或接收器、深海RAP传播信道、移动AUV和在水柱和水面运行的USV，以形成跨越边界的 水下局域无线移动网络的概念如图所示。 二、如果无线电5G/6 G技术可行并满足海底需求，则应采用该试验台可以为以后的大规模开发提供初步的看法迄今为止还没有任何示范性制度报道的是有线声音监视系统（SOSUS），以及最近的有线多节点水下网络或“观测站”它们是固定安装的，非常昂贵，灵活性差，维护困难，并且依赖于陆地设施。然而，我们的重点应该是无线，移动，可扩展和具有成本效益的，以实现全球海洋任何地方的海水和空气的良好因此，让我们现在就开始毫不犹豫地进行试验。6. 总结发言除了4G/5G的巨大进展和最近关于6 G的热门话题外，在广阔的海洋水下世界中的无线移动通信和联网还远远落后。原因是一个公开的科学和技术问题，涉及无线电传输的能力和在海水介质中的声学传输的承诺通过对这一问题的分析，提出了解决问题的方法，图二.联合空中-地面-海底网络的设想Y.马角，澳-地Zhang和H. 王工程学8（2022）1217提出了基于6G研发的无线局域网的发展前景 本文从现实需求、瓶颈制约、物理发现、科学技术突破、跨学科融合等方面对海洋无线通信的现状和发展潜力进行了综述和分析。指出了未来移动通信网络的发展思路和关键问题，如充分利用信道特性、发展多样化的移动平台和通信网络的组织结构等。针对每个关键环节，对应用场景进行了深入的分析和探讨为了实现无线电通信与水声通信的融合，提出了在海洋与大气之间建立数据桥梁的新概念，并给出了可行的途径。结果表明，通过这些桥梁，统一的空中-地面-海底网络是可行的。 前景是光明的，但由于海洋系统的稀疏性和非均匀性，必须从各种应用情况的试验台演示开始。总之，海洋世界的6G可能与空中和太空的6G非常不同6G的普及在海洋中仍然充满希望，但形式非常特殊。这将是非常宝贵的，迫切需要发展。大规模水下通信和网络与地下和深空有着共同的特点它们受到物理、大延迟时间、跨媒体、异构结构和特殊协议的限制。它们都有强大的需求拉动和供应（技术）推动创新。因此，对地、海、空、天基础科学中的共性通信问题应进行协调研究。这可能会将我们目前的观点进一步扩展到更广泛的6G研究领域。致谢这项工作得到了中国国家自然科学基金（51809213）的部分资助。引用[1] 布雷霍夫斯基赫层状介质中的波。第2版，纽约市：学术出版社，1980年。[2] 2019年海运回顾[互联网]。日内瓦：联合国贸易和发展会议; [引自2021年8月24日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ： https://unctad.org/webflyer/review-maritime-transport-2019[3] IRENA创新展望：海洋能源技术。次报告.阿布扎比：国际可再生能源机构; 2020年12月。[4] 2019年能源转型展望：到2050年的石油和天然气预测。Høvik：Det NorskeVeritas; [cited 2021 Aug 24].可从https://eto.dnv.com/ 2019/oil-gas/forecast获取。[5] 深海采矿：基础知识[因特网]。费城：皮尤慈善信托基金; 2017年2月3日[引用2021 年 8 月 24 日 ] 。 可 查 阅 ： https://www.pewtrusts.org/en/research-and-analysis/fact-sheets/2017/02/deep-sea-mining-the-basics。[6] 潜水艇论坛。潜艇电信行业报告。次报告. 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