《近海宽带通信系统理论与方法》聚焦于“海洋强国”战略下近海宽带通信网络的建设与演进，深入分析了近海区域在海洋能源开发、智慧渔业、海上风电等关键领域中对通信能力提出的全新需求。针对近海环境下信道复杂、电磁条件多变、部署受限等挑战，《近海宽带通信系统理论与方法》系统阐述了融合光纤、卫星与无线通信技术的多元架构，并重点介绍了分布式MIMO（multiple input multiple output）、可重构智能表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）、无人机辅助组网等前沿方案在近海通信中的应用。《近海宽带通信系统理论与方法》共分七章，涵盖信道建模、系统设计、资源调度、组网策略及智能优化方法，理论结合工程实践，内容兼具前瞻性与实用性。作为一本面向通信领域科研人员、系统工程师及高校师生的专业参考书，《近海宽带通信系统理论与方法》旨在为构建高可靠、高带宽、灵活可扩展的近海宽带通信体系提供技术支撑与方法指导。

目录
前言
第1章 近海宽带通信技术概述 1
1.1 近海通信技术发展 2
1.2 光纤通信和卫星通信的应用 3
1.2.1 近海宽带通信中的光纤通信 4
1.2.2 近海宽带通信中的卫星通信 5
1.2.3 近海通信中的卫星与光纤融合 5
1.3 近海无线通信技术 7
1.3.1 频谱资源的利用与多址技术 7
1.3.2 Massive MIMO大规模天线阵列技术 8
1.3.3 5G毫米波通信技术的演进与近海应用 8
1.3.4 6G时代的近海通信技术 10
1.4 近海通信中大规模MIMO与RIS技术 12
1.4.1 大规模MIMO技术在近海通信中的应用 13
1.4.2 RIS技术的应用 14
1.5 本章小结 15
参考文献 16
第2章 近海信道建模理论与方法 18
2.1 信道建模 18
2.1.1 大尺度衰落 19
2.1.2 小尺度衰落 22
2.2 信道建模方法及其基本原理 23
2.2.1 统计性建模方法 23
2.2.2 确定性建模方法 25
2.2.3 半确定性建模方法 27
2.3 海上电磁波传播影响因素 31
2.3.1 稀疏性 32
2.3.2 不稳定性 32
2.3.3 蒸发波导 34
2.4 海上信道建模方法 35
2.4.1 空对海信道模型 35
2.4.2 近海表面信道模型 37
参考文献 40
第3章 基于分布式MIMO的近海通信技术研究 44
3.1 分布式MIMO的系统模型与构架 44
3.2 分布式MIMO一般化模型 45
3.3 性能评估与对比分析 47
3.4 基于移动AP的分布式MIMO 50
3.5 本章小结 53
参考文献 54
第4章 基于RIS稀疏信道调控的近海无线通信 55
4.1 RIS技术在近海无线通信中的应用 55
4.2 信道容量提升机制分析 58
4.2.1 基于可控簇的近海无线信道容量分析 58
4.2.2 实际案例 62
4.3 稀疏信道调控理论 63
4.3.1 理论模型的构建与分析 63
4.3.2 近海岸基通信场景 65
4.3.3 性能优化与策略 66
4.4 稀疏信道调控方法的实验验证 70
4.4.1 实验设计与设置 70
4.4.2 数据分析与结果讨论 73
4.4.3 海上测试平台 74
4.5 本章小结 76
参考文献 76
第5章 无人机辅助的近海覆盖组网技术 78
5.1 无人机在近海通信中的应用 78
5.1.1 无人机辅助的近海通信模式 78
5.1.2 前传链路容量分析 80
5.2 无人机辅助联合组网方案 82
5.2.1 组网架构及资源分配策略 82
5.2.2 无人机辅助的联合组网协作方式 83
5.3 具体应用案例 91
5.4 挑战与应对策略 91
5.4.1 部署挑战 91
5.4.2 应对策略 92
5.5 本章小结 93
参考文献 94
第6章 近海可靠分组传输方法 96
6.1 基于稀疏网络编码的高效海域通信 97
6.2 面向海域通信的稀疏网络编码 101
6.2.1 系统架构和典型信道 101
6.2.2 通过HAP中继链路的组播场景 103
6.2.3 基于D2D通信的陆地到船的组播场景 104
6.2.4 仿真结果 106
6.3 基于低复杂度流式纠删编码的高效海域通信 109
6.3.1 低复杂度流式纠删编码 109
6.3.2 系统模型 112
6.4 低复杂度编码：分析与设计 115
6.4.1 观察到的解码窗口宽度 116
6.4.2 解码延迟 120
6.4.3 计算成本 121
6.4.4 编码设计与算法 122
6.5 突发数据包丢失 124
6.6 数值和仿真结果 126
6.6.1 无记忆丢包 126
6.6.2 突发数据包丢失评估 132
6.7 本章小结 134
参考文献 134
第7章 近海智能通信技术 137
7.1 近海智能信道建模与预测 137
7.2 近海一体化网络智能优化 143
参考文献 146
彩图

第1章 近海宽带通信技术概述
　　随着无线通信技术的持续演进，近海通信经历了从早期的单一链路模式向现代化、高效、多层次网络架构的演变[1，2]。早期的近海通信主要依赖于基于地球同步轨道（geostationary Earth orbit，GEO）卫星的远程通信系统，采用C波段或Ku波段进行数据传输。然而，此类通信方式在带宽利用率、时延以及链路可靠性方面存在固有限制，难以满足现代高吞吐量、低时延的通信需求。
　　20世纪末，随着数字信号处理（digital signal processing，DSP）技术的快速发展，以及无线通信硬件的升级，海上通信逐步引入频分多址（frequency division multiple access，FDMA）、时分多址（time division multiple access，TDMA）等多路复用技术，并开始利用低轨道卫星（low Earth orbit，LEO）和微波中继链路，以提高通信带宽和覆盖范围。进入21世纪，移动通信技术取得跨越式发展，尤其是5G及其演进技术（如6G）的提出，为海上通信系统带来了全新的发展机遇。5G技术不仅在数据速率、时延方面实现了显著提升，还通过网络切片（network slicing）、超可靠低时延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）等关键技术，为海上多场景应用（如远程操控、智能航运、无人平台通信）提供了有力支撑。然而，由于海上信道具有高度时变性、强多径效应以及大规模水面反射等复杂特性，传统陆地移动通信技术难以直接适用于海上环境。因此，近年来的研究开始关注如何将大规模多输入多输出（massive multiple input multiple output，Massive MIMO）[3]、波束赋形（beam forming）[4]、RIS[5]、动态网络切片等先进技术引入海上通信系统，以提升系统容量、抗干扰能力和链路可靠性，从而构建高效、智能的海上无线通信网络。
　　此外，随着智能化技术的快速发展，近海宽带通信系统正逐步融合物联网（internet of things，IoT）、人工智能（artificial intelligence，AI）和大数据分析等前沿技术，从而推动了海上通信网络向自动化、智能化、高效管理方向演进。这些技术的深度结合不仅优化了频谱与网络资源的动态分配，还显著增强了系统在复杂海洋环境下的鲁棒性和容错能力。深度学习（deep learning，DL）与机器学习（machine learning，ML）算法在信道建模、干扰抑制和网络优化等关键环节的应用，已有效提升了海上通信系统在动态环境中的适应性。例如，利用深度神经网络（deep neural network，DNN）对海洋信道特性进行实时预测，可以提高信道估计的精度，从而优化波束赋形策略；强化学习（reinforcement learning，RL）方法则可用于智能资源调度，实现自适应功率分配和频谱管理。此外，大数据驱动的网络分析技术能够基于历史通信数据和环境信息，构建智能决策系统，以提高海上通信网络的可靠性和服务质量。
　　综上所述，海上通信技术正朝着高效、智能、协同的方向发展，涉及从基础信道建模到复杂网络架构优化的多个层面。然而，由于海洋环境的*特性和挑战性，实现广域、高速、稳定的通信仍面临诸多技术难题。为了深入探讨这些问题，接下来的章节将介绍近海信道建模方法、多天线通信技术、智能化资源优化策略及未来发展趋势，为构建新一代海上宽带通信系统提供理论支撑和技术方案。
　　1.1 近海通信技术发展
　　早期的近海通信技术主要依赖于无线电波的传播，尤其是高频（high frequency，HF）和甚高频（very high frequency，VHF）信号，这些信号因其较强的远程传播能力，在海洋环境中得到了广泛应用。自20世纪初，海上通信便借助无线电设备实现了远距离的语音和数据传输。*初的海上通信系统以船舶间的点对点无线电通信为主，其核心技术是利用特定频段进行信号传输。然而，这些系统的带宽有限、数据速率低、抗干扰能力弱，难以满足日益增长的通信需求，尤其是难以解决在远洋航行和复杂海况条件下的通信可靠性问题。
　　1958年12月18日，随着世界上**颗通信卫星“斯科尔号”（Score）的成功发射，人类通信技术进入卫星时代。20世纪50～70年代，卫星通信开始逐步应用于海上通信领域。尤其是GEO卫星的广泛部署，使得海上通信系统逐渐向卫星通信转型。相较于地面无线电通信，卫星通信能够实现远距离覆盖，并提供更稳定的链路，使得远洋船舶能够保持持续通信。然而，卫星通信系统也存在固有局限，例如，较高的传输时延（GEO卫星的往返传播时延为250～280ms）、较低的频谱利用率以及对恶劣气象条件（如降雨衰减）的敏感性。特别是在高实时性应用（如海上搜救、远程操控）中，较高的时延成为主要瓶颈。
　　进入20世纪90年代，随着数字信号处理和微波通信技术的快速发展，近海通信系统逐步采用更为高效的复用技术，包括频分复用（frequency division multiplexing，FDM）[6]和时分复用（time division multiplexing，TDM）[7]。这些技术的引入提高了频谱利用率，并在一定程度上缓解了卫星通信频谱资源有限的问题。同时，LEO卫星的兴起提供了具有更低时延和更高效率的通信方案。然而，这一时期的系统仍存在着传输速率低、信号稳定性弱和信号衰减大的问题，尤其是在复杂海况下，如海浪、风暴等自然因素常常导致信号质量急剧下降。
　　为了进一步提高通信的可靠性和性能，20世纪末期和21世纪初期，随着多天线技术和Massive MIMO 技术得到突破，近海通信的传输速率和覆盖能力得到显著提升。MIMO技术通过在多个天线之间传输数据，增加了传输的空间维度，提高了频谱效率，并有效增强了系统的抗干扰能力。这一时期的研究不仅集中在如何提高通信链路的性能，还开始探索如何通过优化来提高整体网络的性能和资源利用率。
　　尽管这些早期技术为近海通信奠定了基础，但它们仍然受到物理环境、带宽限制以及信号衰减的制约。因此，后续的研究逐步将重点转向更加复杂的无线信道建模、多用户通信、多层网络架构等方面，尤其是如何克服海上通信中的衰落效应和如何提高系统的鲁棒性。
　　1.2 光纤通信和卫星通信的应用
　　1965年4月6日，全球*颗实用静止轨道通信卫星—国际通信卫星1号（Intelsat I，又称“Early Bird”）成功发射，标志着卫星通信正式进入商用化阶段。1977年，全球*条光纤通信系统投入商用，并凭借其高带宽、低衰减和稳定传输的优势，被广泛应用于海底光缆和沿海通信网络，大幅提升了近海通信的覆盖范围和数据传输能力。
　　20世纪80年代以来，光纤通信凭借其超大带宽、低损耗和高稳定性的特性，在沿海及海岛地区得到了广泛应用，成为近海通信的主要基础设施之一。海底光缆的铺设不仅显著提升了港口、海上平台及岛屿间的通信质量和容量，还为远程监控、数据回传和高速互联网接入提供了可靠支撑。此外，岸基光纤网络的建设也进一步增强了近海通信系统的整体性能，支持海洋经济的发展与智慧海洋应用的拓展。
　　与此同时，卫星通信在远离海岸的深海、远洋航运及偏远海岛区域发挥了不可替代的作用。相比于光纤通信，卫星通信不受地形和物理链路的限制，能够提供广域覆盖，并在全球范围内实现全天候通信。随着LEO星座的部署，卫星通信在时延、数据速率和服务连续性方面得到了显著提升，使其在海上应急通信、船舶远程管理和渔业生产调度等场景中展现出更高的应用价值。光纤通信与卫星通信的互补发展，共同构建了现代近海宽带通信的技术体系，为未来海上通信的智能化、广域覆盖和高可靠性奠定了坚实基础。尽管光纤通信和卫星通信大幅提高了近海通信的覆盖范围和可靠性，但两者均面临一定的技术和经济挑战。光纤通信的主要瓶颈在于海底光缆的建设和维护成本极高，且易受海洋环境因素（如海啸、渔业活动等）影响，维护难度大。而卫星通信受到气象条件、频谱资源分配、信号延迟等问题的制约，特别是在高实时性应用场景下，GEO卫星的长传输时延仍是一个难以忽略的因素。
　　随着通信技术的持续演进，未来的近海通信系统将朝着多种通信方式融合的方向发展，以充分发挥光纤通信的高带宽优势和卫星通信的广域覆盖能力。新一代近海通信系统将依赖海上光缆、低轨道卫星通信、高通量卫星（high throughput satellite，HTS）以及地面无线通信网络的协同配合，以满足日益增长的数据需求，并提升近海通信的整体性能。
　　与此同时，卫星通信也开始在远离海岸的区域发挥作用，特别是在深海区域和偏远海岛的通信中，卫星通信技术提供了稳定的全球覆盖能力。卫星通信的引入使得近海通信的范围进一步拓展，极大地提升了海上航运和渔业等领域的信息传输能力。卫星通信的一个显著将点是其能够突破地形和海洋环境的限制，在全球范围内提供全时段的通信服务。
　　1.2.1 近海宽带通信中的光纤通信
　　随着全球海洋经济的迅速发展，近海宽带通信需求显著增加，涵盖范围从沿海港口扩展至海上平台、岛屿以及远洋航运。光纤通信凭借其高带宽、低衰减和抗电磁干扰等优势，已成为近海通信领域的关键技术。
　　光纤通信[8]主要采用光信号作为信息载体，通过光纤介质实现高速传输。典型的海底光缆系统由光纤芯、加强层、屏蔽层和外护层组成，能够承受海洋环境的极端条件。现代光纤通信系统广泛应用了密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）技术，使单根光纤能够承载数百个波长信号，极大地提高了通信容量。
　　在近海油气平台、海上风电场及港口等场景，光纤通信已成为主流通信方式。相比于传统的微波或卫星通信，光纤通信能够提供更高的数据吞吐量，支持高清视频监控、物联网数据采集、远程控制等业务。例如，墨西哥湾的多家海上钻井平台已部署光纤网络，实现远程生产监控和数据回传，有效提高了作业效率和安全性。
　　对于远离大陆的岛屿，光纤通信也是提升通信能力的重要手段。例如，澳大利亚-所罗门群岛海底光缆的开通，极大地改善了南太平洋岛屿的通信条件，使互联网接入速率大幅提升。此外，海底光纤网络还广泛应用于海洋环境监测，如部署在西太平洋的DONET（dense oceanfloor network system for earthquakes and tsunamis）光纤系统，可实时监测海底地震活动，提高海啸预警能力。随着光纤传输技术的不断进步，如新型光放大器、超长距离光纤传输和量子通信的引入，近海通信的性能将进一步提升。未来，光纤通信与卫星通信、5G/6G等新兴技术的融合，将推动海上通信网络的智能化与高效化发展。
　　尽管光纤通信在近海宽带通信中具有诸多优势，但仍面临诸多挑战。*先，海底光缆的铺设和维护成本较高，需应对海洋环境的恶劣条件，如海流冲刷、地震影响及海洋生物侵蚀等。其次，光纤通信的部署受制于物理链路，难以快速调整覆盖范围，无法满足部分移动通信需求。未来，结合低轨卫星通信技术（如Starlink）与光纤通信的融合组网方案，有望进一步提升近海宽带通信的灵活性和可靠性。
　　1.2.2 近海宽带通信中的卫星通信
　　卫星通信技术[9-11]自20世纪中叶以来，便在近海通信中发挥着不可替代的作用。通过GEO卫星、中轨卫星（medium Earth orbit，MEO）和LEO卫星的不同组合，卫星通信技术能够为广阔的海域提供覆盖，解决了传统无线通信和光纤通信在海上和海岛等区域难以覆盖的问题。
　　卫星通信在近海区域的应用主要体现在两个方面。*先，卫星通信为海上航行的船舶提供了稳定的通信服务。在传统的无线电通信无法覆盖的海洋区域，卫星