5G与6G网络中的海洋通信
产业动态 | 2022/9/20 20:15:50
9月版的China Communications开设了“MARITIME COMMUNICATIONS IN 5G AND BEYOND NETWORKS”,汇集相关的前沿原创研究,以及B5G与6G时代的海上通信网络(MCN)理论、关键技术、创新应用的最新进展和创新成果,所涉及的主题包括传输信号优化、传输协议设计、海上无人机(UAV)通信和天-空-地一体化海事网络。
随着海洋活动的快速发展,物联网(IoT)设备在海上应用中的使用越来越多,这导致对高速和超可靠海上通信的需求不断增长。目前的海上通信网络(MCN)主要依靠卫星和陆上基站(BS),前者一般提供有限的传输速率,而后者缺乏广域覆盖能力。因此,当前MCN的发展远远落后于陆地第五代(5G)网络。
对于5G之后的时代,借助无人机/船舶、人工智能、移动边缘计算等前沿技术,构建新的MCN,以更高的数据速率和更高的可靠性将宽带覆盖延伸至海洋,同时保持成本更低、时延更低。这种新型MCN有望成为天-空-地-海一体化网络,通过自适应选择最高效的基础设施和传输资源,按需服务随机分布的海上物联网设备。然而,这种新型MCN的设计也面临着新的挑战,例如与地面系统相比传播环境不同,通信/计算/缓存资源异构,以及对关键任务应用的严格服务需求。
第一篇文章《减少基于NB-IoT的海上通信中符号重复的循环前缀开销》研究了用于海上应用的窄带物联网(NB-IoT),通过减少随机接入中的循环前缀(CP)开销提高NB-IoT的频谱效率而不引起干扰。具体而言,通过使用重复符号覆盖受干扰符号来去除所有CP并消除多径衰落效应。模拟结果验证了所提出的方案在误码率(BER)方面的有效性。
第二篇文章《海上通信的数据包传输:一种流编码的UDP方法》,考虑了海上通信中长距离有损链路上的数据包传输。作者提出了一种使用用户数据报协议(UDP)的新型传输方法,以及用于拥塞控制的简单而有效的带宽估计器,以及主动的数据包级前向纠错(FEC)代码,以提供低延迟丢失恢复而无需数据重传。仿真表明该方法在多媒体流和交互应用方面很有前景。
第三篇文章《无人机海上安全通信的轨迹设计:一种强化学习方法》研究了一个UAV使能的海上安全通信网络,其中UAV旨在在存在多个窃听者的情况下为合法的移动船舶提供通信服务。作者提出了两种基于Q-learning和深度确定性策略梯度(DDPG)算法的强化学习方案,分别解决离散和连续无人机轨迹设计问题。仿真结果验证了有效性和拟议方案的优越性。
第四篇文章《卫星-无人机-陆地海上混合网络:针对发射功率和无人机位置优化的船舶上的用户的网络选择》,考虑了混合卫星-无人机-陆地海上网络,其中陆地基站(TBS)和卫星分别为空中基站(ABS)和船载基站(VBS)提供无线回程。6G公众号(ID:sixgmobile)了解到其中由ABS和VBS的发射功率联合优化网络选择,并以ABS的位置来提高所有用户的数据速率。作者通过寻找网络选择的候选者并迭代优化每个候选者的发射功率和ABS的位置来解决公式化的问题。仿真结果表明,数据速率可以通过用户的协作覆盖来提高。
第五篇文章《面向MEC赋能的海上物联网的能量采集空-海一体网络》,重点关注能量采集空海一体网络中复杂的计算任务和低时延要求。作者首先使用K-means方法推导出系留浮空器(TA)的最优部署。然后,解决了船舶计算任务卸载的问题,以最大限度地减少执行延迟。最后,提出了改进的基于排队理论的注水算法。仿真结果表明,与本地计算相比,该方法可以减少约50%的延迟。
第六篇文章《大型卫星星座的网络化测控:安全视角》,研究了卫星星座的跟踪、遥测和指挥(TT&C)系统。通过利用多个连接卫星之间的协同作用,作者提出了网络化测控。这需要更少的预先部署的基础设施,甚至可能比传统的TT&C系统性能更好。特别是,作者展示了网络化TT&C独特的安全挑战和机遇。然后,他们调查了当前关于安全路由和信任机制的研究结果,最后他们考虑到网络TT&C的系统特性和安全要求,提出其安全观点。
随着海洋活动的快速发展,物联网(IoT)设备在海上应用中的使用越来越多,这导致对高速和超可靠海上通信的需求不断增长。目前的海上通信网络(MCN)主要依靠卫星和陆上基站(BS),前者一般提供有限的传输速率,而后者缺乏广域覆盖能力。因此,当前MCN的发展远远落后于陆地第五代(5G)网络。
对于5G之后的时代,借助无人机/船舶、人工智能、移动边缘计算等前沿技术,构建新的MCN,以更高的数据速率和更高的可靠性将宽带覆盖延伸至海洋,同时保持成本更低、时延更低。这种新型MCN有望成为天-空-地-海一体化网络,通过自适应选择最高效的基础设施和传输资源,按需服务随机分布的海上物联网设备。然而,这种新型MCN的设计也面临着新的挑战,例如与地面系统相比传播环境不同,通信/计算/缓存资源异构,以及对关键任务应用的严格服务需求。
第一篇文章《减少基于NB-IoT的海上通信中符号重复的循环前缀开销》研究了用于海上应用的窄带物联网(NB-IoT),通过减少随机接入中的循环前缀(CP)开销提高NB-IoT的频谱效率而不引起干扰。具体而言,通过使用重复符号覆盖受干扰符号来去除所有CP并消除多径衰落效应。模拟结果验证了所提出的方案在误码率(BER)方面的有效性。
第二篇文章《海上通信的数据包传输:一种流编码的UDP方法》,考虑了海上通信中长距离有损链路上的数据包传输。作者提出了一种使用用户数据报协议(UDP)的新型传输方法,以及用于拥塞控制的简单而有效的带宽估计器,以及主动的数据包级前向纠错(FEC)代码,以提供低延迟丢失恢复而无需数据重传。仿真表明该方法在多媒体流和交互应用方面很有前景。
第三篇文章《无人机海上安全通信的轨迹设计:一种强化学习方法》研究了一个UAV使能的海上安全通信网络,其中UAV旨在在存在多个窃听者的情况下为合法的移动船舶提供通信服务。作者提出了两种基于Q-learning和深度确定性策略梯度(DDPG)算法的强化学习方案,分别解决离散和连续无人机轨迹设计问题。仿真结果验证了有效性和拟议方案的优越性。
第四篇文章《卫星-无人机-陆地海上混合网络:针对发射功率和无人机位置优化的船舶上的用户的网络选择》,考虑了混合卫星-无人机-陆地海上网络,其中陆地基站(TBS)和卫星分别为空中基站(ABS)和船载基站(VBS)提供无线回程。6G公众号(ID:sixgmobile)了解到其中由ABS和VBS的发射功率联合优化网络选择,并以ABS的位置来提高所有用户的数据速率。作者通过寻找网络选择的候选者并迭代优化每个候选者的发射功率和ABS的位置来解决公式化的问题。仿真结果表明,数据速率可以通过用户的协作覆盖来提高。
第五篇文章《面向MEC赋能的海上物联网的能量采集空-海一体网络》,重点关注能量采集空海一体网络中复杂的计算任务和低时延要求。作者首先使用K-means方法推导出系留浮空器(TA)的最优部署。然后,解决了船舶计算任务卸载的问题,以最大限度地减少执行延迟。最后,提出了改进的基于排队理论的注水算法。仿真结果表明,与本地计算相比,该方法可以减少约50%的延迟。
第六篇文章《大型卫星星座的网络化测控:安全视角》,研究了卫星星座的跟踪、遥测和指挥(TT&C)系统。通过利用多个连接卫星之间的协同作用,作者提出了网络化测控。这需要更少的预先部署的基础设施,甚至可能比传统的TT&C系统性能更好。特别是,作者展示了网络化TT&C独特的安全挑战和机遇。然后,他们调查了当前关于安全路由和信任机制的研究结果,最后他们考虑到网络TT&C的系统特性和安全要求,提出其安全观点。
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