白频谱数据库驱动的南海海域宽带通信技术研究

Currently, the operating vessels, offshore drilling platforms, marine environment monitoring, and maritime rights defense on the South China Sea, urgently need long distance maritime broadband wireless communications. The utilization of the white space is an effective way to achieve this object. For the complexity of the international situation and radio spectrum environment on the South China Sea, in combination with computational electromagnetics and white space measurement, to explore the space and time distribution of the white space spectrum, and to analyze its availability, are the basis of carrying white space based communication technology; Wave propagation on South China Sea is different with ground surface. In order to learn the propagation characteristics of electromagnetic waves on the South China Sea, establish the electromagnetic wave propagation model of the white space based on three-dimensional parabolic equation method, which can effectively reduce the interfering between white space devices, and ensure the communication safety and efficiency; Based on the above, explore the construction method of the white space database, and combined with computational model of wave propagation to research the approach on improving the usage accuracy of the white space database and real-time availability information of white space channel. This project will build a white space database-driven broadband communications experimental prototype system to explore the feasibility and achieving technology of the white space broadband communication on the South China Sea, and carry out the application research of the broadband communication system based on the constructed white space database.

目前南海海域作业船只、海上钻井平台、海洋环境监测、海上维权等急需海上远距离宽带无线通信。白频谱是实现海上远距离宽带通信所需的优质频谱资源。针对南海海域国际形势和无线电频谱环境的复杂性，使用计算电磁学和白频谱测量相结合的方法，探索南海海域白频谱时空分布特征、分析白频谱资源可用性，是开展白频谱通信技术研究的基础；南海海域电磁波传播与陆地传播有很大不同，基于三维抛物方程法建立南海海域白频谱电磁波传播模型，研究南海海域电磁波传播特性，可以有效降低用户间干扰，提高白频谱利用效率，保障通信距离与带宽；在此基础上，探索白频谱数据库的构建方法，并结合海面电波传播模型，研究提高白频谱数据库使用准确度和白频谱信道可用性的方法，搭建白频谱数据库驱动的宽带通信实验原型系统，探讨南海海域白频谱宽带通信的可行性和实现技术途径，并基于所构建的白频谱数据库开展南海海域宽带通信系统应用研究。

随着“海洋信息化”的快速发展，海上作业、海洋环境监测、海洋资源开发等海洋活动频繁增加。海上无线通信需求和应用快速增长，海上频谱资源的检测和管控刻不容缓。本项目针对海上环境的特殊性，基于嵌入式智能系统和分布式组网分析与实现海上分布式频谱检测网络，探索南海海域白频谱时空分布特征，开展白频谱海上通信技术的研究；研究海上频谱时空分布特性，探索能量、相位、射频I/Q等信号特征的海上频谱检测方法；结合海浪谱和天线姿态，研究基于计算电磁方法建立南海海域电磁波传播预测模型；针对海上环境复杂多变、无法部署固定检测节点的特点，设计适合于海上特殊环境的分布式电磁频谱数据库。此外，本项目团队开展了环海南岛以及北部湾频谱检测活动，获取近海海域白频谱占用与分布的第一手资料，为开展白频谱资源利用技术研究奠定了基础。紧接着开展了基于白频谱的海上无线通信自组织网络的部署和测试，实现基于TVWS的海上无线宽带通信系统。基于嵌入式智能系统、软件无线电模块以及传感器模块实现海上电磁频谱检测节点，结合白频谱自组织网络实现了海上分布式电磁频谱检测系统，对研究实现分布式电磁频谱数据库、实时频谱资源信息查询、动态频谱接入策略的制定提供平台基础。针对复杂多变的海上环境，提出了能量、相位和射频I/Q多维度数据分析的海上无线信号检测与识别方法，基于海上无线信号与噪声特征实现了具有较高弱信号检测能力的频谱感知算法；结合海上环境基于计算电磁学建立海上频谱分布预测模型，为海上通信信道研究、频谱资源检测与管控提供理论基础，同时也为实现频谱安全，构建“频谱防火墙”提供强有力的支持。