朱 彤

（北京市水利自動化研究所，北京 100036）

水情信息系統(tǒng)中通信鏈路的應(yīng)用設(shè)計

朱 彤

（北京市水利自動化研究所，北京 100036）

通信信道是水情信息傳輸?shù)暮诵妮d體，信道質(zhì)量是水情信息系統(tǒng)中暢通率的最直接保障。論述了GPRS、北斗衛(wèi)星PSTN等3種典型公共通信方式的特點、帶寬設(shè)計和計算方法，介紹了水情信息系統(tǒng)傳輸中通信鏈路的選用原則。

水情信息；GPRS；北斗衛(wèi)星；PSTN；公共通信；信道設(shè)計

數(shù)字通信技術(shù)具有抗干擾性強，便于檢錯、糾錯，便于以信息接收、存儲、傳輸?shù)淖詣踊忍攸c。水情信息系統(tǒng)的監(jiān)測站，應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)，在信息傳輸方面具有高可靠性、高暢通率。因此，組建以中心站為數(shù)據(jù)匯集點的星型報訊通信網(wǎng)，信道設(shè)計都采用全數(shù)字技術(shù)，以滿足系統(tǒng)對通信的要求。常用的通信鏈路有GPRS、北斗衛(wèi)星和PSTN。

1 GPRS信道設(shè)計計算[1]

GPRS是一種實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)即時接入的技術(shù)，傳輸速度理論計算可達160 kBps以上，由于其通信信道是共享的，每個客戶永遠在線，不傳輸數(shù)據(jù)時只是保持邏輯上的聯(lián)系，信道資源完全讓出，只有在系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)包進行傳輸時才上線進行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS數(shù)據(jù)通信協(xié)議是按移動數(shù)據(jù)傳輸定義的交換數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在接入水情數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)時，它的實際典型速度值為：14.4～43.2 kBps（上下行非對稱速率），數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

1.1 GPRS數(shù)據(jù)通信鏈路

GPRS信道鏈路進行水情數(shù)據(jù)傳輸，通常采用以下方式進行：水情監(jiān)測站的自報通信方式和水情中心站的數(shù)據(jù)召測工作方式。現(xiàn)在我們以60個水情監(jiān)測站的數(shù)據(jù)通信情況進行分析：

（1）監(jiān)測站自報通信方式?？紤]到監(jiān)測站現(xiàn)行的自報通信數(shù)據(jù)包是固定長度的，按照每包數(shù)據(jù)25個字節(jié)進行計算：單個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)流應(yīng)為：25×10=250 Bit；按照60個監(jiān)測站算：250×60=5 kBit；如果我們要求它在1 s內(nèi)完成傳輸，那么中心所占帶寬約為15 kbps；如果要求它在2 s內(nèi)完數(shù)據(jù)成傳輸，那么中心所占帶寬約為：7.5 kBps；

（2）數(shù)據(jù)召測工作方式。中心站需要下達的單個監(jiān)測站指令以10個字節(jié)估算；單個監(jiān)測站接收的指令的數(shù)據(jù)流為：10×10=100 Bit；如果按照60個監(jiān)測站估算：100×60=6 kBit；如果我們要求監(jiān)測站在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，中心所占用的帶寬為6 kBps；如果要求監(jiān)測站在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，它的中心所占用的帶寬為：3 kBps。如果按照雙向數(shù)據(jù)傳輸要求，監(jiān)測站在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸：其中心占用帶寬約為：7.5+3=10.5 kBps。

因此，中心在實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)測試所占用帶寬10.5 kBps，明顯小于現(xiàn)行GPRS數(shù)據(jù)通道的典型值14～42 kBps的數(shù)據(jù)傳輸使用的帶寬。在考慮監(jiān)測站實際數(shù)據(jù)傳輸時速率會更低一些的情況時，上傳數(shù)據(jù)電報的間隔應(yīng)該大于2 s的，因此，監(jiān)測站實際傳輸水情電報數(shù)據(jù)要求的帶寬應(yīng)該會更窄，另外，在每個監(jiān)測站所屬地區(qū)GPRS實際傳輸帶寬一般大于25 k，由于監(jiān)測站的實際布設(shè)密度有限，一個基站內(nèi)監(jiān)測站點不會很多，所以水情數(shù)據(jù)的上報時間不會有問題。

1.2 GPRS通信鏈路接入方式的選擇

1.2.1 通信鏈路

根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，考慮到性價比、安全性、實用性、易用性及系統(tǒng)建成后的運行成本，在GPRS傳輸網(wǎng)上采用TCP傳輸協(xié)議，水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入方式基本采用現(xiàn)行的移動用戶無線數(shù)據(jù)APN專用接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方式，我們?yōu)樗楸O(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供的數(shù)據(jù)傳輸通道，一般采用透明的永久數(shù)據(jù)鏈路或半永久式數(shù)據(jù)通信通道。監(jiān)測站在上報水情數(shù)據(jù)時，打包提交給GPRS通信模塊，GPRS通信模塊根據(jù)定義的APN數(shù)據(jù)鏈路是連接方式，加上勤務(wù)碼后轉(zhuǎn)換成適合在無線通信連路上傳輸?shù)囊苿訑?shù)據(jù)包模式進行數(shù)據(jù)傳輸。移動通信客戶端的數(shù)據(jù)通道APN在接收到水情數(shù)據(jù)后，將水情數(shù)據(jù)包實時上傳到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。按照這種數(shù)據(jù)傳輸方式，中心也可以將實時數(shù)據(jù)通信指令傳輸?shù)饺魏我粋€監(jiān)測站。

建立基于GPRS無線通信鏈路的水情APN專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)具備如下特點：

（1）水情數(shù)據(jù)通過APN專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進行實時傳輸時，其它的終端通信節(jié)點的數(shù)據(jù)是不能夠進行傳輸?shù)?，這樣保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的安全；

（2）水情數(shù)據(jù)通過APN專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進行實時傳輸時，由于采用了標準的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，從而兼顧了水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；

（3）現(xiàn)行中心站帶寬較寬，通信性能可滿足水情報文數(shù)據(jù)傳輸要求；

（4）中心站和監(jiān)測站均可綁定網(wǎng)內(nèi)的固定IP地址，即使在數(shù)據(jù)傳輸時掉線，也可在重新自動上線，不會丟失中心的IP地址。

可實現(xiàn)的通信方式為：

（1）水情終端到水情數(shù)據(jù)中心可進行多點對中心的數(shù)據(jù)通信模式；

（2）中心站到水情終端可進行中心對多點的數(shù)據(jù)通信模式；

（3）水情終端到水情終端之間可進行點對點的數(shù)據(jù)通信模式。

1.2.2 監(jiān)測站數(shù)據(jù)接入的方案

GPRS移動通信運營商為每個監(jiān)測站水情終端的GPRS數(shù)據(jù)通信模塊提供了GPRS數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，同時針對每一個監(jiān)測站客戶端分配了一個APN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的固定的IP地址，這樣，每一個監(jiān)測站可以通過GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)直接接入移動的數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.2.3 系統(tǒng)中心接入的方案

系統(tǒng)中心站一般使用2M帶寬通信光纖接入移動通信公司的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。各中心站從APN路由器直接接入移動公司的2 M帶寬數(shù)據(jù)專線到各中心站機房，在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入的端口，采用水情數(shù)據(jù)接收前置機工作模式，直接與交換機和數(shù)據(jù)通信路由器相連。具備數(shù)據(jù)帶寬2 Mbps，帶寬冗余度大，數(shù)據(jù)流量不受限制，通信實時性強，尤其對遠程讀取水情終端的長數(shù)據(jù)文件時，適合監(jiān)測站點較多的系統(tǒng)使用。

2 北斗衛(wèi)星通信信道設(shè)計

2.1 水情系統(tǒng)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信鏈路的需求分析

水情數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在針對一些偏遠山區(qū)，PSTN和GPRS均不能很好覆蓋的地方，這種情況下，利用衛(wèi)星信道就是一種方便的選擇。利用通信衛(wèi)星建立衛(wèi)星通信信道一般情況下需要建立一個簡單的衛(wèi)星通信地面小站。一個最簡單的點對點雙向衛(wèi)星通信地球站（一對一通信）花費也是相當(dāng)大的，從業(yè)務(wù)量很小的水文數(shù)據(jù)采集角度考慮，采用這種辦法過于浪費。在這種情況下，使用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信功能就顯得經(jīng)濟適用。

2.2 水情系統(tǒng)對衛(wèi)星通信鏈路的要求

水情系統(tǒng)對衛(wèi)星鏈路的要求是：中心站能夠?qū)崿F(xiàn)雙向點對多點的段數(shù)據(jù)報文通信；監(jiān)測站能夠?qū)崿F(xiàn)點對點的水文數(shù)據(jù)上報。水情系統(tǒng)對衛(wèi)星信道的實時性要求可以相對較低，對于河道監(jiān)測站在洪峰到來時，每十幾秒或更長些測報一次數(shù)據(jù)完全滿足測報要求，測站每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量也比較小，這些特點正好與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的通信特點一致。因此，選用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為通信鏈路較為合理。

2.3 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信信道

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有通信功能，但相比其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，由于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)本身是為導(dǎo)航定位設(shè)計的，通信是一個附帶的功能，所以相對于其他專用的通信信道來說，它不是一個連續(xù)信道，僅能夠傳送有限長度的準實時性短報文。

2.3.1 通信體制

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為了保證其不遭受人為干擾，采用了通信擴頻工作方式，每一個用戶機對應(yīng)一張IC卡，每一個IC卡對應(yīng)一個擴頻碼，系統(tǒng)保證所有用戶的擴頻碼正交，以此來區(qū)分系統(tǒng)中每一個用戶。

2.3.2 通信過程

水情用戶機在需要數(shù)據(jù)發(fā)送時，需要在下一幀的起始位置，以突發(fā)的數(shù)據(jù)通信形式向衛(wèi)星主站發(fā)送定位信息。但由于采用了不同的擴頻碼地址，發(fā)送的衛(wèi)星站數(shù)據(jù)信號是不會互相干擾的?，F(xiàn)行的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)能夠同時處理約250個終端用戶的數(shù)據(jù)信息。對于超出處理能力的那部分，系統(tǒng)將記錄下收到的信號延后處理，在用戶機這一方，相應(yīng)等待結(jié)果的時間將會加長。

2.3.3 信道通信擁塞分析

北斗衛(wèi)星的通信體制是否會造成入站信號碰撞丟失，這種情況在理論上是可能發(fā)生的。如果兩個有身份碼的北斗機在小于等于2個擴頻碼的時間里通信，即同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么，這些數(shù)據(jù)信息在衛(wèi)星主站將出現(xiàn)模糊數(shù)據(jù)現(xiàn)象，衛(wèi)星主站就不能夠解析出數(shù)據(jù)內(nèi)容，本次的數(shù)據(jù)通信就會失敗，需要重新傳送數(shù)據(jù)信息。但是從整個系統(tǒng)用戶容量看，這種可能性還是比較小。對于水情系統(tǒng)的應(yīng)用來說，可通過相關(guān)的技術(shù)手段，使系統(tǒng)內(nèi)不同身份的用戶機按照一定的順序進行數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣就可以保證系統(tǒng)內(nèi)的各用戶機在數(shù)據(jù)傳輸時不發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。

2.3.4 衛(wèi)星通信延時分析

北斗衛(wèi)星使用的是同軌衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)通信傳輸平臺，在數(shù)據(jù)通信時產(chǎn)生的延時問題與別的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信方式相近，每一個用戶機將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送到地面站，所用時長一般在260～350 ms間，我們選取280 ms作為分析的參考值。

現(xiàn)行的衛(wèi)星站數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)中，標準的規(guī)定延時：

一類用戶（水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可申請的用戶類型）4.34 s；

二類用戶（水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可申請的用戶類型）1.34 s；

三類用戶0.37 s。

通過分析計算，系統(tǒng)實際可用信息速率為下行16 k，上行8 k，擴頻后碼速率遠遠高于信息速率。由于受到發(fā)射頻度和發(fā)信長度的限制，用戶最高可獲得的信息速率為1.92 k，相對于其他通信信道來說，使用北斗定位系統(tǒng)的通信作為信道時，傳輸速率比較低。所以這種信道適合傳輸非連續(xù)的、實時性要求不太高的短報文。根據(jù)水情測報通信的特點，北斗衛(wèi)星通信可以滿足水情測報的實時性通信要求。

3 PSTN通信信道設(shè)計計算

3.1 PSTN帶寬估算

采用PSTN點到點撥號組網(wǎng)一旦線路接通，理論計算速度可達56 kBps以上，它的實際速度典型值為：28～56 kBps，其數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

（1）監(jiān)測站上傳水情通信數(shù)據(jù)包。單個的監(jiān)測站上報的水情通信數(shù)據(jù)包以25字節(jié)計算，其數(shù)據(jù)流為：25×10=250 Bit；按20個監(jiān)測站計算：250×20=5 kBit；如果假設(shè)在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，其占用帶寬約為5 kBps；如果假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，其占用帶寬約為2.5 kBps；

（2）中心站召測工作方式。中心站召測工作模式下，以10個字節(jié)計算下發(fā)指令：監(jiān)測站接收的數(shù)據(jù)流為：10×10=100 Bit；按20個監(jiān)測站計算：100×20=2 kBit；如果假設(shè)在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，其占用帶寬約為2 kBps；如果假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，其占用帶寬約為1 kBps；

（3）如果按照雙向數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸：中心站帶寬約為2.5+1=3.5 kBps；

（4）PSTN的每次撥號所延遲時間計算。每次撥號需要時間以10 s計算：

系統(tǒng)中10個監(jiān)測站各上報一次撥號總時間：10×10=100 s；中心站要向每個監(jiān)測站下達一次指令的撥號時間：20×10=200 s。

如果1條PSTN通信線路按20個站全部使用雙向數(shù)據(jù)傳輸所需要的總時間：T=200+200+2=402 s。

3.2 分析結(jié)論

采用PSTN信道傳輸電路帶寬余量比較充裕，電路的設(shè)計中主要考慮建立電路連接的撥號時間問題，按照以上分析可以看出，選擇3倍以上時間冗余量滿足20 min完成全部數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼军c數(shù)不能超過30個站點，若站點較多就要在中心站建立PSTN電路的MODEM池采用多條電路進行接收。

4 公共信道的選用

根據(jù)以上分析，在水文自動測報系統(tǒng)中設(shè)計公網(wǎng)信道主要考慮如下特點：

（1）用GPRS組網(wǎng)，信道穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)容量較大，無需中繼則可用于無限遠距離傳輸，可方便地實施遠程控制，系統(tǒng)設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、安裝方便，一次性建設(shè)投資少，維護管理簡單，運行費用低。但個別偏遠區(qū)域有盲區(qū)，通信質(zhì)量較差；受行政區(qū)域影響，在位于行政邊界區(qū)域常常會出現(xiàn)信號飄移現(xiàn)象，造成信號不穩(wěn)定。在考慮和避免其不利因素影響后可作為主信道使用，如果中心站包含20個站點以內(nèi)可采用GPRS無線路由方式接入；超過20個站點以上最好使用2兆帶寬DDN光纖從移動網(wǎng)關(guān)路由器接入方式；

（2）北斗衛(wèi)星通信具有通信可靠，通信質(zhì)量高、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低、容量大、功率小、通信不受地形地域限制、投資不隨通信距離增加而增加的優(yōu)勢，但一次性投資和運行費用都較高，不宜全面推廣使用。宜在偏僻地區(qū)或作為備用信道方式在監(jiān)測站上使用；

（3）PSTN信道通信質(zhì)量好、設(shè)備簡單、價格便宜、技術(shù)成熟，但運行費用高、抵御大洪水的能力較低，通常只用于備用信道使用，可將其與GPRS/北斗衛(wèi)星通信的信道組成互為備份的雙信道設(shè)計，以提高信道傳輸?shù)谋ＷC率。

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Communication link design of water regime information system

ZHU Tong
(Beijing Water Automation Institute,Beijing 100036,China)

Communication channel is the core carrier of water regime information transmission.Qualified channel is the most direct guarantee of smooth transmission.The characteristics,band width design and calculation methods of three typical public communication modes were discussed,including GRPS,Beidou satellite and PSTN.An introduction was made on the principles of selecting communication link for water regime information stransmission.

Water regime information;GPRS;Beidou satellite;PSTN;public communication;channel design

TN92；P335

B

1003-1510（2016）06-0019-04

2016-07-26

朱 彤（1967-），女，北京人，北京市水利自動化研究所工程師，學(xué)士，主要從事水利自動化信息系統(tǒng)通信設(shè)計。