通信技术竞争，关键技术有哪些？

华为又又又又被USA制裁了，这次是华为基本盘：通信技术领域。那我们来说说通信技术有哪些关键技术吧。

随着通信业的发展，陆地通信经过从电缆到光缆、有线到无线、从模拟到数字、从 1G 到 5G整个发展已经趋于成熟，而相对海上通信网络的发展相对滞后，近年来，随着海上资源的开发、海事活动的日趋频发，我国对于海洋经济的发展已经到了一个发展的新阶段，同时针对海洋通信技术的开发已经逐渐成为学术界瞩目的焦点。

近年来，岸基通信、海事舰船通信、无人船编队通信、海上平台、海上风电等一系列海洋通信系统的技术发展，海上远距离、高带宽、音视频传输、远程控制、遥测等需求逐渐攀升，以常规的海洋通信网络已然无法满足。常规的海上无线通信系统、海上卫星通信系统以及基于陆地蜂窝网络实现的岸基移动通信，他们各自都存在一个共同问题，就是相互之间通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制，对于海上通信带来了不少阻碍；

伴随着融合通信的出现，制约海上通信发展的联合通信难题，成为当前海洋通信一个划时代的突破，通过海上融合通信，实现了海上组网从分散走向集中的通信信息转变，开拓出一条属于我国海洋通信网络发展的新架构，打破了以往各通信之间相互隔阂壁垒，高速率、广覆盖、易管理、低成本的新型海洋通信网络，不再是一个空想。

在未来融合通信的大力发展下，由海上卫星通信与海上无线通信网络及岸基移动通信等多种通信技术，共同构成一个从近海到远海的通信发展新链路，打破了以往海上通信过程中带来的众多信息分散的通信壁垒。

我国海底光缆建设概况长期以来，全球海光缆市场主要被美国欧洲日本等国家垄断，随着我国经济实力不断增强，与“一带一路”沿线等全球国家合作不断加深，我国厂商在国际市场中的地位不断提升，海缆业务逐渐枝繁叶茂，我国海光缆市场发展空间日益扩大。数据显示，我国内陆国际海缆系统登陆有11条，其中国际海缆系统有8条，香港点对点有1条，台湾直连有2条。与国际市场相比，我国海缆系统数量仍然不多，据统计，美国海缆系统达89个，英国、新加坡则分别为56个、30个。显然，我国海底光缆系统与大国地位不相匹配。所有连接我国的海洋通信系统项目，包括SMW3、APG、NCP等项目，建设方及产品都由欧美日巨头垄断，当前，迫切需要建设由我国规划主导、我国厂商建设，符合我国经济发展和文化辐射需求的国际海缆系统。海底光缆建设六大难题一般而言，海底光缆系统主要由陆地、海底两部分组成，陆地部分主要有波分设备、开放系统接入设备、供电设备、陆地光缆等，海底部分主要有中继器、分支器、海底光缆等。目前，全世界有95%洲际通信基本都是由海底光缆系统承担，可以说海底光缆支撑着全球信息交互。事实上，因海洋通信的特殊性，海底光缆系统也面临六大技术难题。一是超长距光传输，要求海缆具有极低损耗和更严格的光纤衰减一致性，保持中继系统的标准段长及光谱的平坦;二是超长距电传输，要求海缆满足连续25年20kV工作电压;三是超高耐水压，海缆系统应用水深需求不低于8千米;四是阻水阻氢，光纤对氢十分敏感，海缆系统的光电传输，要求海缆具有很好的阻水性能;五是大长度制造，海缆系统距离长，常规可达几千公里，极端可达上万公里;六是25年防腐，海缆需在海水环境下，保证其性能满足25年的使用寿命。除了这些技术挑战，不断增长的流量需求也需要更高效的技术来匹配。宋继恩表示，新的带宽及流量增长促进16FP等多芯海缆的开发与应用，推动产业进入空分复用(SDM)技术时代。据介绍，SDM技术被认为是未来保持海底光缆系统容量保持指数级增长的重要技术手段，其主要技术路经主要有物理增加光纤纤对数，采用特种光纤(多芯光纤、少模光纤、少模多芯光纤)，探索轨道角动量(OAM)等。不过，宋继恩指出，这些技术还处于产业化前期，还有一段路要走。海底观测网建设加速，关键技术待创新海底观测网也是亨通海洋板块重要业务之一。宋继恩表示，海底观测网是一张典型的海底物联网，用以观测海底事态状况，主要是利用海底传感器、海底接驳盒感知、收集海底世界信息，通过有线方式传回陆地的岸基处理站进行信号处理以及最终应用等。因此，海底观测网被誉为人类第三种地球观测平台。事实上，人类对海底世界还知之甚少。随着中国海洋强国战略和全球对海洋探索的加速推进，作为第三种地球观测台的海底观测网，将是海洋经济开发、海洋环境保护、海洋权益维护、海洋灾害预警、海洋科技创新等各项工作所不可缺少的基础技术和信息获取手段。1 海底高稳定高压广域直流输电供电稳定对于海底观测网可靠运行至关重要。海底观测网采用的电力电子化高压直流供电系统可控性强、响应快速，具有强非线性和小信号意义下的恒功率负载特性，在源、荷或线路扰动下易产生电磁失稳和高频震荡，具有非常独特的暂稳态特性。由于海缆存在较大的电阻和感抗，其为特殊的直流弱电网，负荷对供电系统的影响大，海缆电压降落和波动远大于陆地电网。海底供电系统是时刻受到扰动的非线性动力系统，其稳定性是指在正常运行情况下维持平衡状态且受到扰动后可恢复到合适平衡状态的特性。其静态稳定的实质是系统能够在小扰动下保持某个运行稳态；其暂态稳定是指系统在某个运行稳态下受到大扰动后，经过暂态过程能恢复到原稳态或过渡到新稳态。系统若线路电压或电流不断振荡，导致无法运行，则不稳定。由众多变换器组成的海底电力电子化供电系统的动态特性极为复杂，即使所有变换器能在其允许范围内独立稳定运行，互连之后也可能导致系统失稳或性能异变。海底电力结线、电压等级和功率分布、海缆分布参数及高压变换器性能参数等，均可能影响电磁时间尺度上的电压稳定性。为提高海底观测网供电系统运行稳定性，Howe等提出合理设计海底变换器的输入滤波器，Harris等则提出在海底变换器的输入侧并联调节器。2 海底高效率高压高频电能变换电能变换器将数千伏以上的高压直流电降压变换为海底观测平台所需的数百伏中压直流电，是海底主基站的关键装置，须在极端恶劣的海底环境下长期高可靠运行，是世界上实际应用中最高电压的海底电力电子装置。为耐高水压和强腐蚀性，高压变换器通常封装在体积受限的钛合金耐压腔体中。为提高电能变换效率、降低热损，高压变换器采用基于电力电子功率器件的高频开关直流变换技术，实现紧凑体积和高功率密度。10多年来，国内外研究了海底高压变换器的两种可行方案，即多模块组合和多功率管串联，来实现10 kV到375 V的直流变换。目前，加拿大西北太平洋时间序列观测网（NEPTUNE）、美国蒙特雷湾加速研究系统（MARS）、日本海底地震海啸密集观测网（DONET）等采用多模块组合变换器，而美国海洋观测计划（OOI）则采用功率管串联变换器。其中，日本DONET采用的变换器为1.1 A小电流恒流输入，功率约500 W。美国宇航局喷气推进实验室提出将50个低压双管正激模块通过输入输出串并联组合，采用同占空比控制策略，实现10 kV/10 kW高压直流变换。该变换器对模块和器件参数的一致性有较高要求。为提高可靠性，“N+M”冗余的多模块组合变换器须实现各模块电压和功率动态均衡，并通过故障检测与隔离电路实现主被动容错控制，使得在任意不超过M个模块失效时仍能正常运行。相比多模块组合变换器，功率管串联变换器的结构更简单。美国OOI采用的功率管串联变换器将20个低压功率管串联后作为高压模块使用，输出功率高达20 kW，同济大学研究并验证了功率管串联变换器的可行性。3 海底远程智能监控与运行健康管理海底观测网运行工况复杂多变，对于突发故障难以及时维修。为保障海底观测网运行稳定可靠，须从存在误差和噪声干扰的供电状态数据中，分析系统真实运行状态，预测系统运行趋势和风险，进行负载管理、故障诊断和隔离。而海底节点呈离散稀疏分布，状态监测点远少于陆地电网，可观测性低、数据余度小，给海底远程监控与运行健康管理带来挑战。海底观测网主要有正常运行、故障处理和启动/重启3种模式。海底供电系统所有状态必须维持在稳定阈值内，而重载快速变化是失稳的主要风险，因此提高电压稳定性的主要控制策略是切负荷、隔离故障和调节PFE输出参数。海底分支器内的多组断路器均有闭合、断开和接地3种状态，可控制各支路两两连通或隔离，以及各支路连接至接地极。基于海底分支器或集成分支器功能的海底主基站，可实现海缆分段继电保护，大大提高海底观测网的运行可靠性。相比海底组网装备，长距离海缆的故障诊断难度更大。海缆电学故障主要包括低阻接地故障、高阻接地故障、闪络故障和开路故障，光学故障主要是光纤断路或光损异常。海缆故障定位主要分为阻抗分析法和行波法。小型无中继系统可采用行波法定位故障，长距离有中继系统须采用阻抗法分析故障。美国的华盛顿大学以及中国的海军工程大学、同济大学、浙江大学和中国科学院沈阳自动化研究所等单位研究了海底观测网的电能监控软硬件，提出海缆故障定位算法，有望实现稀疏感知下的运行健康监测，进一步提高海底观测网的运行可靠性。4 海底广域实时信息传输与精确时间同步海底光纤通信系统可分为有中继系统和无中继系统。在海底广域观测网中，中继器负责放大远距离传输的光信号，分支器可实现光分插复用，多个海底主基站可共享同一光纤对的容量。小型海底观测网采用无中继系统，分支器可为每个海底主基站分配独立光纤。需要注意的是，综合性海底广域观测网不论采用恒压馈电还是恒流馈电，均需改进传统恒流模式供电的中继器和分支器，使两者能满足宽电压范围、大电流下运行的需求。海底观测网通常采用简单网络时间协议（SNTP）、网络时间协议（NTP）和精确时间同步协议（PTP），使得分布式节点之间具有统一的时钟基准。其中，NTP的时间同步精度为毫秒级，而PTP的时间同步精度为微秒级。基准和备用主时钟模块安装在岸基站时间服务器上，通过全球卫星定位系统实现与协调世界时（UTC）保持一致。从时钟模块安装在海底主基站内，通过海底通信系统与岸基站主时钟同步时钟，并可通过秒脉冲和日期时间信号（1PPS+TOD）为仪器设备授时。5 海底设施长期服役安全在线监测海底观测网安全运行的外部风险和环境影响较大，运行安全在线监测技术是其长期可靠服役的重要保障，是从“事后维修”到“视情维护”的基础。中国近海海域商船活动繁忙，渔业捕捞作业频繁，且有的海域水动力性强、地质稳定性弱，存在沉积物的冲刷和淤积。同时，中国陆架海域多为活动性沙波，而陆架残留砂平原区在强台风作用期间，海底表层会遭受扰动。由于海底环境极端恶劣、系统维修难，为确保海底观测网安全运行，需实时监测和动态评估其外部风险因素，预测其可能遭受的外力破坏风险。基于船舶静动态信息，可感知海底观测网路由通道的海面船舶实时态势，分析船舶拖网、抛锚、搁浅等动态行为特征，建立船舶危险行为模型、风险判定策略、预警指标阈值，评估危害海底观测网运行安全的外部风险因素。Marzuki等基于监督学习算法，分析渔船轨迹特征，识别非法捕鱼行为。张振鹏等采用有限元计算分析了锚害对海缆机械结构变形和绝缘层性能的影响。Rivet等利用海缆光纤，基于分布式声学传感（DAS）技术，识别船舶及其轨迹。通过海底装备运行位姿和周界环境动态监测，结合海面船舶实时态势感知，可预测海底设施可能遭受的外力破坏和故障风险。6 海底机器人非接触式输能通信接驳海底观测和深空探测相似，都是远离人类生存环境，因此适合利用智能机器人去执行任务。水下机器人为自容式供电，电池能量密度是制约其续航能力的关键因素。通过连接至观测网的海底接驳坞，常驻式机器人可原位充电、上传数据和下载指令，将其机动性与海底观测网持续供电和高速通信的优势结合，在原位蹲守观测的基础上主动出击探测，可进一步扩展海洋观测的空间尺度，提高自适应观测能力。此外，常驻式机器人可对海底高风险设施持续开展预防式周期巡检和轻量维护，对可能存在的异常提供预警，降低海底设施停运风险。由于海底环境特殊，接触式输能通信采用的湿插拔连接器操作难度大、插拔次数有限，海底接驳坞通常采用更为可靠的非接触式电磁感应耦合及谐振技术（CPT），将能量和信息穿透海水介质传输给水下机器人。海底CPT技术的优点是无短路风险，且对接过程可由水下机器人自主完成，其缺点是能量传输效率远低于湿插拔连接器，存在额外的发热损耗。目前国内外的研究主要针对单个鱼雷型AUV的“漏斗型”接驳坞，其与水下机器人之间的结构耦合稳定要求较高，存在输能范围有限、抗干扰能力弱等问题。国内外海底接驳坞总体上处于实验室阶段，尚未在工程上开展长期应用。7 海底高可靠组网装备机电集成海底组网装备需要在高水压、强腐蚀、强导电的极端环境下长期服役，且近海海域存在高外力风险、强水动力、重度生物附着污损等风险。除开展多学科优化、可靠性测试、环境适应性试验、规范化海上试验外，还亟需研究海水长期耦合下的海底复杂装备性能退化与失效机理，实现海底极端环境超长期服役设施的全生命周期管理。同时，基于模块化、型谱化和流程化的原则，建立海底复杂装备研发、生产制造、测试试验和质量管理体系。为提高可靠性和容错能力，海底主基站和海底设备适配器具备远程电能监控和通信网络管理功能，具备输入输出浪涌保护、过压与欠压保护、过流与短路保护、雷击与磁暴保护、过温与漏水保护以及安全预警等功能。根据实际布放海域情况，海底主基站具有整体式和分体式两种结构类型。海底主基站和海底设备适配器在浅海应用时，框架结构应设计为具有防拖网、抗锚害和防沉降能力。针对海底环境特点，应采用耐海水腐蚀的金属材料和重防腐蚀防污损涂装，来设计耐压密封结构和机电集成散热结构，以提高海底组网装备的运行寿命。在我国提出大力发展海洋经济，提高海洋防灾减灾、海洋污染防治和海洋生态环境的政策要求下，海洋观测市场将释放一定的海缆系统建设需求。大范围、全天候、长距离、综合立体化的海洋观测网，激发了一定规模化的海缆需求，以及岸基站、主接驳盒、次接驳盒、仪器平台等相关装备的产品需求。随着我国加快推进海洋强国，以及“海上丝绸之路”建设，可以预见的是，从近海、浅海到国际之间的跨洋通信等不同场景下的海洋观测网络，将有大量的海缆和相关配套设施的需求出现。未来，海洋观测网市场将具有较大的发展潜力。

END