水情信息系統中通信鏈路的應用設計

朱 彤

（北京市水利自動化研究所，北京 100036）

水情信息系統中通信鏈路的應用設計

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的核心載體，信道質量是水情信息系統中暢通率的最直接保障。論述了GPRS、北斗衛星PSTN等3種典型公共通信方式的特點、帶寬設計和計算方法，介紹了水情信息系統傳輸中通信鏈路的選用原則。

水情信息；GPRS；北斗衛星；PSTN；公共通信；信道設計

數字通信技術具有抗干擾性強，便于檢錯、糾錯，便于以信息接收、存儲、傳輸的自動化等特點。水情信息系統的監測站，應用數字通信技術，在信息傳輸方面具有高可靠性、高暢通率。因此，組建以中心站為數據匯集點的星型報訊通信網，信道設計都采用全數字技術，以滿足系統對通信的要求。常用的通信鏈路有GPRS、北斗衛星和PSTN。

1 GPRS信道設計計算[1]

GPRS是一種實現移動互聯網即時接入的技術，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，不傳輸數據時只是保持邏輯上的聯系，信道資源完全讓出，只有在系統水情數據包進行傳輸時才上線進行數據傳輸。GPRS數據通信協議是按移動數據傳輸定義的交換數據通信協議，在接入水情數據通信網絡時，它的實際典型速度值為：14.4～43.2 kBps（上下行非對稱速率），數據傳輸是雙向的。

1.1 GPRS數據通信鏈路

GPRS信道鏈路進行水情數據傳輸，通常采用以下方式進行：水情監測站的自報通信方式和水情中心站的數據召測工作方式。現在我們以60個水情監測站的數據通信情況進行分析：

（1）監測站自報通信方式。考慮到監測站現行的自報通信數據包是固定長度的，按照每包數據25個字節進行計算：單個監測站的數據流應為：25×10=250 Bit；按照60個監測站算：250×60=5 kBit；如果我們要求它在1 s內完成傳輸，那么中心所占帶寬約為15 kbps；如果要求它在2 s內完數據成傳輸，那么中心所占帶寬約為：7.5 kBps；

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

因此，中心在實現雙向數據傳輸，并且在2 s內完成數據測試所占用帶寬10.5 kBps，明顯小于現行GPRS數據通道的典型值14～42 kBps的數據傳輸使用的帶寬。在考慮監測站實際數據傳輸時速率會更低一些的情況時，上傳數據電報的間隔應該大于2 s的，因此，監測站實際傳輸水情電報數據要求的帶寬應該會更窄，另外，在每個監測站所屬地區GPRS實際傳輸帶寬一般大于25 k，由于監測站的實際布設密度有限，一個基站內監測站點不會很多，所以水情數據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

根據水文數據傳輸的特點，考慮到性價比、安全性、實用性、易用性及系統建成后的運行成本，在GPRS傳輸網上采用TCP傳輸協議，水情數據采集系統的數據接入方式基本采用現行的移動用戶無線數據APN專用接入數據網絡方式，我們為水情監測系統設計提供的數據傳輸通道，一般采用透明的永久數據鏈路或半永久式數據通信通道。監測站在上報水情數據時，打包提交給GPRS通信模塊，GPRS通信模塊根據定義的APN數據鏈路是連接方式，加上勤務碼后轉換成適合在無線通信連路上傳輸的移動數據包模式進行數據傳輸。移動通信客戶端的數據通道APN在接收到水情數據后，將水情數據包實時上傳到系統的數據中心。按照這種數據傳輸方式，中心也可以將實時數據通信指令傳輸到任何一個監測站。

建立基于GPRS無線通信鏈路的水情APN專用數據通信網具備如下特點：

（1）水情數據通過APN專用數據通信網進行實時傳輸時，其它的終端通信節點的數據是不能夠進行傳輸的，這樣保證了數據傳輸過程的安全；

（2）水情數據通過APN專用數據通信網進行實時傳輸時，由于采用了標準的數據通信協議，從而兼顧了水情數據傳輸的實時性；

（3）現行中心站帶寬較寬，通信性能可滿足水情報文數據傳輸要求；

（4）中心站和監測站均可綁定網內的固定IP地址，即使在數據傳輸時掉線，也可在重新自動上線，不會丟失中心的IP地址。

可實現的通信方式為：

（1）水情終端到水情數據中心可進行多點對中心的數據通信模式；

（2）中心站到水情終端可進行中心對多點的數據通信模式；

（3）水情終端到水情終端之間可進行點對點的數據通信模式。

1.2.2 監測站數據接入的方案

GPRS移動通信運營商為每個監測站水情終端的GPRS數據通信模塊提供了GPRS數據通信業務，同時針對每一個監測站客戶端分配了一個APN數據網絡的固定的IP地址，這樣，每一個監測站可以通過GPRS數據通信網直接接入移動的數據網。

1.2.3 系統中心接入的方案

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

2 北斗衛星通信信道設計

2.1 水情系統對衛星數據通信鏈路的需求分析

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

2.2 水情系統對衛星通信鏈路的要求

水情系統對衛星鏈路的要求是：中心站能夠實現雙向點對多點的段數據報文通信；監測站能夠實現點對點的水文數據上報。水情系統對衛星信道的實時性要求可以相對較低，對于河道監測站在洪峰到來時，每十幾秒或更長些測報一次數據完全滿足測報要求，測站每次發送的數據量也比較小，這些特點正好與北斗導航系統的通信特點一致。因此，選用北斗導航系統作為通信鏈路較為合理。

2.3 北斗衛星數據通信信道

北斗衛星導航系統具有通信功能，但相比其他衛星通信系統來說，由于北斗衛星通信系統本身是為導航定位設計的，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

北斗衛星定位導航系統是軍用衛星導航系統，為了保證其不遭受人為干擾，采用了通信擴頻工作方式，每一個用戶機對應一張IC卡，每一個IC卡對應一個擴頻碼，系統保證所有用戶的擴頻碼正交，以此來區分系統中每一個用戶。

2.3.2 通信過程

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

2.3.3 信道通信擁塞分析

北斗衛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，即同時發送數據，那么，這些數據信息在衛星主站將出現模糊數據現象，衛星主站就不能夠解析出數據內容，本次的數據通信就會失敗，需要重新傳送數據信息。但是從整個系統用戶容量看，這種可能性還是比較小。對于水情系統的應用來說，可通過相關的技術手段，使系統內不同身份的用戶機按照一定的順序進行數據發送，這樣就可以保證系統內的各用戶機在數據傳輸時不發生數據沖突。

2.3.4 衛星通信延時分析

北斗衛星使用的是同軌衛星作為數據通信傳輸平臺，在數據通信時產生的延時問題與別的衛星數據通信方式相近，每一個用戶機將數據通過衛星將數據傳送到地面站，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。

現行的衛星站數據信息傳輸系統中，標準的規定延時：

一類用戶（水情數據采集系統可申請的用戶類型）4.34 s；

二類用戶（水情數據采集系統可申請的用戶類型）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。由于受到發射頻度和發信長度的限制，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的、實時性要求不太高的短報文。根據水情測報通信的特點，北斗衛星通信可以滿足水情測報的實時性通信要求。

3 PSTN通信信道設計計算

3.1 PSTN帶寬估算

采用PSTN點到點撥號組網一旦線路接通，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，其數據傳輸是雙向的。

（1）監測站上傳水情通信數據包。單個的監測站上報的水情通信數據包以25字節計算，其數據流為：25×10=250 Bit；按20個監測站計算：250×20=5 kBit；如果假設在1 s內完成數據傳輸，其占用帶寬約為5 kBps；如果假設在2 s內完成數據傳輸，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個字節計算下發指令：監測站接收的數據流為：10×10=100 Bit；按20個監測站計算：100×20=2 kBit；如果假設在1 s內完成數據傳輸，其占用帶寬約為2 kBps；如果假設在2 s內完成數據傳輸，其占用帶寬約為1 kBps；

（3）如果按照雙向數據傳輸，假設在2 s內完成數據傳輸：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：

系統中10個監測站各上報一次撥號總時間：10×10=100 s；中心站要向每個監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據傳輸所需要的總時間：T=200+200+2=402 s。

3.2 分析結論

采用PSTN信道傳輸電路帶寬余量比較充裕，電路的設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完成全部數據傳輸的站點數不能超過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

根據以上分析，在水文自動測報系統中設計公網信道主要考慮如下特點：

（1）用GPRS組網，信道穩定可靠，系統容量較大，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，系統設備體積小、重量輕、功耗低、安裝方便，一次性建設投資少，維護管理簡單，運行費用低。但個別偏遠區域有盲區，通信質量較差；受行政區域影響，在位于行政邊界區域常常會出現信號飄移現象，造成信號不穩定。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光纖從移動網關路由器接入方式；

（2）北斗衛星通信具有通信可靠，通信質量高、數據傳輸誤碼率低、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。宜在偏僻地區或作為備用信道方式在監測站上使用；

（3）PSTN信道通信質量好、設備簡單、價格便宜、技術成熟，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/北斗衛星通信的信道組成互為備份的雙信道設計，以提高信道傳輸的保證率。

（責任編輯：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，學士，主要從事水利自動化信息系統通信設計。