面向近海广域覆盖的无线传输理论与关键技术研究

With the rapid growth of marine economy, it has encountered ever-growing in the demand of broadband wireless communications in sea areas. However, due to the nature of rural and sparse areas, the propagation environment is totally different with that in terrestrial cellular networks, and sea communication raises even higher requirements on the deployment expenses, transmission delay, and energy efficiency. These render the direct application of conventional urban/suburban-based network architecture and transmission schemes to the sea areas problematic or infeasible. Facing these new demands and challenges, this project will conduct research on the transmission theory and key technologies for wireless coverage in the short-sea areas. We focus on a multi-hop network architecture comprised of three key nodes, respectively the terrestrial base station, aerial/shipboard relays, and nautical user groups. To satisfy the requirements on deployment expenses and long-range 3D coverage, we first study the applying of low-cost massive MIMO at the BS. Meanwhile, edge caching and relay-aided D2D techniques are implemented at the relay node for the requirement on low content acquiring/processing delay. As the third research aspect, the user-centric trusted cooperative transmission is used by the nautical user group to realize the energy efficient uplink transmission. After conducting deep study of the transmission theories and methods in the above-mentioned aspects, we further investigate the integration of the resulted transmission schemes at each node, aiming at establishing solid theoretical basis and providing practical solution for the short-sea wide-area wireless coverage.

随着海洋经济的发展，海域宽带无线通信需求日益增长。由于地处偏远，海域通信具有与陆基蜂窝移动通信网络完全不同的传播环境，在经济性、时延性、能效性等方面也提出了更高要求，使传统面向城域或城郊的无线通信网络架构和传输技术不能直接得以应用。针对以上新的需求和挑战，本项目开展面向近海广域覆盖的无线传输理论与关键技术研究。在由岸基基站、海空移动中继站、海上用户群构成的多跳网络结构下，分别从三个网络节点出发，研究其在海域通信中面临的主要技术难点及相应解决方案：针对岸基基站部署经济性和长距三维覆盖的需求，研究低成本大规模MIMO三维波束成形在近海广域覆盖中的应用；针对移动中继降低内容获取和信号处理时延的需求，研究边缘缓存及中继辅助D2D传输理论方法；针对海域用户高能效上行传输需求，对以用户为中心的可信协作展开研究。在此基础上，进一步整合三部分研究成果，形成海陆空一体化的近海广域覆盖无线传输理论及可行方案。

面向日益增长的海域宽带无线通信需求，本项目以高效、低时延、安全通信为目标，从岸基基站、移动中继、协作用户几个关键节点的角度，就通信理论与方法展开了系列研究。首先，作为本项目研究的基础，对海域无线信道测量与建模进行了全面的总结综述；针对海域视距传播与超视距大气波导传播两类典型场景进行了信道建模与分析；并进行了近海无线信道实测，验证了该场景下两径传播模型的准确性以及海域信道深衰落区域的存在性。在岸基基站方面，以大规模MIMO与NOMA技术为重点，结合海域无线传播距离长、信道条件复杂、瞬时CSI获取困难、用户空间分布稀疏但角度域分布密集等特点，分别研究了基于深度学习的CSI反馈与重建、基于位置或统计CSI的波束成形、角度域MIMO-NOMA传输设计、以及基于船舶用户航线信息的长时资源分配。在移动中继方面，以传输层网络编码技术为重点，以降低海域多跳、高损信道下的通信时延为目标展开了系列研究。此外，对UAV或RIS等新技术增强中继的方案进行了系列研究探索，具体包括复杂信道条件下的RIS传输性能分析、利用统计CSI的RIS反射相位设计、以及基于UAV的空天地联合组网下的资源分配与移动基站/中继路径规划等。在协作用户方面，以物理层安全传输技术为重点，以协作安全性为主要目标，对通信中的安全性-有效性权衡关系进行了分析，并设计了增强安全性的人工噪声与中继选择方案；此外，在可能存在的认知频谱接入场景下，对海域复杂多径信道条件下的调制模式识别问题进行了研究。在研究中，项目组成员积极参与了南通先进通信技术研究院广域无线通信系统研发，其相控阵增强基站目前已可实现近海区域百公里通信接入。上述研究结果也可为实际系统的持续改进提供广泛的理论参考。