5G通信技術在水文自動監測中的應用前景分析

史東華 龍少穎

摘要：

隨著移動通信技術的發展，5G移動通信網絡將提供高速率、低延時、大容量的可靠連接，為水文監測信息化與智能化提供一個理想的解決方案。簡要分析了水文自動監測系統中常用的幾種通信技術，重點從傳輸速率、帶寬、時延等方面對比分析了5G與目前在水文領域已廣泛使用的4G無線通信技術之間的差異。同時，結合5G在RISMAR-U型雷達測流系統和其他水文多要素監測系統中的應用優勢，詳細闡述了5G通信技術在水文自動監測領域的顯著優勢及良好的應用前景。研究成果可為今后水文監測信息化、智能化的建設提供借鑒。

關 鍵 詞：

5G通信技術; 水文自動監測; 信息化; 應用前景

中圖法分類號： P332

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.038

0 引 言

隨著2019年真正進入5G商用元年，作為當前的前沿科技，5G移動通信技術所引導的科技變革將勢在必行，所產生的技術迭代也躍躍欲試[1]。作為與移動通信技術同步發展的水文自動監測系統，其無線通信方式從GSM到GPRS，再到4G，隨著移動通信技術的進步也在不斷地更新換代。在水文現代化的大背景下，水文自動監測正朝著多要素、全要素的方向發展，以無人值守為主體的自動監測模式將是發展趨勢，這些新的自動監測方式對數據傳輸的時效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，商用成熟的衛星、GPRS和4G無線通信技術在水文自動監測的大容量實時數據傳輸和可視化等方面均存在速率低和時延長等問題，以光纜為載體的有線數據傳輸方式存在前期投入大、后期維護費用昂貴的問題，而衛星通信等方式在傳輸容量方面也存在制約。5G的出現為類似問題的解決以及更多水文自動監測新技術的實現提供了極大便利。從目前發展趨勢來看，由于5G的商用化和覆蓋面仍顯不足，水文自動監測中的無線通信技術仍以衛星、GPRS和4G為主導，但隨著5G通信網絡的構建及其商用生態的完善，其高速率、低延時、大容量的優勢會越來越具有吸引力。

本文結合水文自動監測的具體特點和應用發展需求，對目前水文自動監測中已廣泛使用的4G等無線通信技術和5G技術特點進行了對比分析，提出了5G在水文自動監測領域中的應用場景。

1 水文自動監測系統中的通信技術分析

水文自動監測系統中，監測站自動采集的各要素數據通過通信網絡發送到數據監控中心[2]。系統通信組網結構如圖1所示。常用于水文自動監測的無線傳輸方式主要有超短波、衛星、GPRS及4G等。由于監測站一般部署在野外，不適合大范圍長距離的鋪設線纜進行數據傳輸，且隨著無線通信技術的不斷進步，有線傳輸方式在水文自動監測中的應用逐漸減少。超短波傳輸應用很早，但使用性價比低，信號傳輸受地形影響大，其應用范圍日趨局限。衛星通信可解決偏僻站點的數據傳輸難題，但其投入和運行成本高，以及自身技術特點的局限性，導致其應用范圍受限。

GPRS（2.5G）是在GSM（2G）系統基礎上發展起來的分組數據承載和傳輸業務，具有永遠在線、占用系統資源少的優點。3G在國內生命周期較短，很快被速率更高、兼容性更強的4G取代，而且國內的4G網絡已廣泛覆蓋。目前，在水文自動監測領域，無線傳輸方式以GPRS和4G為主，GPRS與4G技術特點如表1所列。

由表1可知：在速率、帶寬、時延上，GPRS與4G存在較大差距，而且隨著4G網絡的迅速普及以及各大運營商提速降費政策的不斷推進，4G和GPRS數據流量的使用成本也并無差異，所以目前很多監測站在升級改造過程中，均使用4G模塊取代老舊的GPRS，以此來提升監測站數據傳輸性能。

2 5G通信技術

2.1 5G技術特點

第五代移動通信技術（5G）是面向日益增長的移動通信需求而發展的新一代移動通信技術。5G具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高了一個量級甚至更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也得到顯著的提高。

面對未來多樣化場景的差異化需求，5G不會像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案，而是與其他無線移動通信技術密切銜接，為移動互聯網的快速發展提供無所不在的基礎性業務能力，以滿足未來10 a移動互聯網流量增加1 000倍的發展需求。移動寬帶、大規模機器通信和高可靠、低時延通信為其主要應用場景，如圖2所示。對5G而言，其性能指標不再單純地強調峰值速率，而是綜合考慮8個技術指標：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接數密度、網絡能量效率和流量密度[3-4]，如圖3所示。

GPRS（2.5G）、4G技術在水文自動監測領域已經成熟使用。5G的到來將會讓移動通信再次變革，AR、VR、AI等前沿科技產品應用指日可待。目前，5G處于通信網絡完善以及終端產品的研發之中，5G商用試點在不斷推進，國內有北上廣等20個城市可以享受5G網絡覆蓋，30個省市可以撥通5G電話。隨著2019年正式進入5G商用元年，各大運營商和通信商正緊鑼密鼓地開展網絡建設，5G的大規模商用指日可待。

2.2 5G與4G的比較

如今，4G通信被廣泛應用于各行各業，給人們的生產生活帶來了很多便利。而5G作為最新一代蜂窩移動通信技術，具有高速率、低延時、大容量以及頻譜效率高、連接密度大等優點[5]。5G與4G具體性能比較如表2所列。

由表2可知：相比4G，5G在速率、時延、連接容量、移動性等方面具有很大優勢，可為水文自動監測提供快捷高效的通信手段。

3 5G在水文自動監測中的應用前景分析

3.1 水文自動監測的發展需求

隨著水文信息化發展，水文自動監測不再局限于水位、雨量等簡單參數的監測，正朝著多要素、全要素方向邁進。長江口近海單個水文站就包含雨量、水位、風速風向、鹽度和泥沙、能見度、水質、流速流量等多要素自動監測，如圖4所示。監測要素的不斷增加對數據通信網絡帶寬、時延和穩定性提出了更高的要求，4G傳輸已不能滿足要求，需要專網進行數據傳輸。

流量在線監測一直是水文自動監測的重難點，也是水文現代化的發展趨勢。武漢大學研發的RISMAR-U型超高頻雷達流速流量在線監測系統，工作原理是雷達接收機連續不斷地接收來自水面的散射電磁波，經放大、濾波、數字化、解調和抽取等一系列處理后，將數字信號以大約14 Mbps的速度發送給現場工控機，工控機進行多通道處理，實現回波的距離、方位、速度處理，形成徑向流場數據，再通過4G傳輸到中心站，其結構如圖5所示。該系統應用上還存在如下不足：① 設備整體功耗約90 W，需要交流電供電;② 為保證交流電中斷后設備繼續工作，需要配備太陽能供電系統;③ 數據傳輸量大且要求及時處理，對通信網帶寬、時延和穩定性要求高;④ 現場環境要求高，安裝難度較大，后期運維成本高。

3.2 5G通信在RISMAR-U型超高頻雷達測流系統中的應用優勢

RISMAR-U型超高頻雷達流速流量在線監測系統難點是處理每秒14 Mb的數字信號。現有方式下，由于4G網絡雖然其理論上行速度能達到50 Mbps，但在實際使用過程中受技術特點及使用環境限制，上行速度大部分時間低于10 Mbps，因此，不能通過4G直接將數字信號傳輸到中心站處理，需要在現場增設工控機處理。

如果采用5G通信，上行速率理論上可以達到10 Gbps，時延只有1 ms，其高速率、低延時和高穩定性能極大滿足該測流系統大量實時數據遠程傳輸和實時計算的需求，即工控機后移到中心站，現場采集的數據采用后端處理模式，如圖6所示。采用5G通信可以從根本上改變設備結構模式，現場只需要處理電磁波信號，大量的分析計算工作通過5G傳輸到后臺處理。其優勢如下：① 可以有效降低整套設備功耗約40%，從而降低對供電的要求;② 不用架設交流電，現場可直接采用太陽能浮充蓄電池供電方式;③ 通過簡化現場設備，降低了安裝維護難度和成本，增強了設備的野外適用能力。RISMAR-U雷達測流系統采用5G與4G傳輸方式的對比如表3所列。

3.3 5G在水文自動監測的應用前景

水文現代化需要以先進技術手段和儀器設備推廣應用為重點，以增強水文自動監測和信息服務能力為目標，加快推進水文現代化建設技術裝備配置和應用。而在這些新技術裝備的使用過程中，不同的裝備對數據通信網絡的需求各不相同[6-7]，有些要求高可靠，有些要求高帶寬，而有些則要求低時延。同時，水文監測站建設正朝著無人值守和自動測報方向發展，高清質量的視頻監控必不可少，對無線通道的傳輸速率和容量提出了更高要求。總體而言，水文自動監測需要一個可靠性高、兼容性強、速率高、容量大的無線傳輸網絡。

根據水文自動監測多要素甚至全要素監測的發展方向要求，降水量、水位、流量、水質、水溫、水面蒸發量、土壤墑情等越來越多的水文要素實現了自動監測，各種技術手段和儀器設備不斷地被引入應用。如前文中提到的武漢大學RISMAR-U型超高頻雷達流速流量在線監測系統、河海大學圖像法測水位、視頻方式校測水位等，在這些技術手段的應用中，大數據量、低延時是它們的共性。而對于5G而言，實時處理大數據恰恰是它的優勢所在，因為5G的低時延，結合其邊緣云計算的能力，可以確保儀器設備實時完成測量-計算-校正-再測量這個過程，這種特性很適合用于瞬時測量數據量大且需要不斷校正但儀器本身又不具備大數據量計算能力的水文儀器設備。

此外，儀器設備、識別算法等結合超高清圖像和視頻，能很好地完成水位、水面蒸發等水文要素自動監測。對于高清圖像和視頻而言，目前大部分采用的是傳統有線接入方式，而5G的高速率和高穩定性能有效解決水文自動監測系統中部分地區鋪線施工成本高、周期長、后期維護困難等痛點，規避了常規光纜連接易受周邊環境影響的缺陷。同時，通過在邊緣云中部署AI功能，結合專用的傳感器及遙測終端設備所采集到的水質、水位、水流等數據流信息，實現河道漂浮物快速識別、水位監測等多種應用，從而實現對江河湖泊的全面智能監控，大大提升監管效率，節約人力成本。

不僅如此，5G+在水文行業中還有其他應用[8-10]：① 站內VR/AR巡檢維護，引入5G+VR/AR技術用于水文站內的日常巡檢維護，使得運管人員不必親身前往，只需站在巡檢臺上便可跟隨VR/AR系統，按規范流程進行日常巡檢，猶如身臨其境;② 站外無人機巡視應急，利用5G+無人機技術進行水文站點、河流河道查勘。5G大帶寬、低延時特性保障數據信息實時回傳的優勢以及無人機視野開闊無死角的優勢，能將之前無法涉及的區域均巡查覆蓋，同時利用水下無人機有效接觸水體的優勢，將水質、水情、水下視頻等信息實時采集反饋。

4 結 語

本文根據水文自動監測系統中的數據通信技術要求，對比分析了4G和5G技術特點，展現出5G在數據傳輸速率、時延、連接容量、移動性等方面的優勢。同時，通過對水文自動監測的發展需求和5G在水文自動監測中的應用優勢和前景分析，表明了5G符合水文自動監測在流量、泥沙等多要素以及高清視頻圖像等方面需要一個速率高、可靠性好、容量大、兼容性強的無線傳輸網絡的要求，使得監測站點的數據采集處理簡單、儀器設備集成度高，從而使流量、泥沙等實現在線一體化監測。

雖然上述分析都顯示出5G通信技術在水文自動監測領域甚至水文行業的良好應用前景，但其在帶來高速率、低延時等便利之時，也增加了功耗和通信成本等問題。因此，當5G全面商用后，如何降低功耗和使用成本來將其與水文自動監測系統更好的結合是后期需要研究探討的方向。

參考文獻：

[1] 曾劍秋.5G移動通信技術發展與應用趨勢[J].電信工程技術與標準化，2017，30（2）：1-4.

[2] 王慧斌，徐立中，譚國平，等.水文自動測報物聯網系統及通信組網與服務[J].水利信息化，2018（3）：1-6.

[3] 張平，陶運錚，張治.5G若干關鍵技術評述[J].通信學報，2016，37（7）：15-29.

[4] 錢承遠.5G移動通信關鍵技術的分析及其未來發展前景[J].通訊世界，2017（14）：125-126.

[5] 肖育苗，呂亞莉.5G與4G網絡的對比分析綜述[J].中國新通信，2017，19（11）：83-84.

[6] 艾萍，于家瑞，馬夢夢.智慧水文監測體系中的關鍵技術簡述[J].水利信息化，2018（1）：36-40，45.

[7] IN L，KYOOCHUN L.The Internet of Things（IoT）：applications，investments，and challenges for enterprises[J].Business Horizons，2015，58（4）：431-440.

[8] 張蕓碩，宋文龍.無人機技術在遼寧省防汛工作中的應用探析[J].中國防汛抗旱，2017，27（3）：93-95.

[9] 陳國星.5G+水利探索與創新[J].信息技術與信息化，2019（7）：206-207.

[10] 隨鑫.新華三5G MEC智能視頻云賦能水利行業數字化轉型[J].通信世界，2019（11）：38-39.

（編輯：謝玲嫻）

引用本文：

史東華，龍少穎.5G通信技術在水文自動監測中的應用前景分析

[J].人民長江，2021，52（7）：226-230.

Application prospect of 5G communication technology in hydrological automatic monitoring

SHI Donghua，LONG Shaoying

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the development of mobile communication technology，the 5G mobile communication network can provide reliably high-speed，low-latency，and large-capacity connections，providing ideas for hydrological monitoring of informatization and intelligence.This article briefly analyzes several common communication technologies in the hydrological automatic monitoring system，and especially focusing on the difference between 5G and 4G wireless communication technologies which is widely used in the hydrology field from the transmission rate，bandwidth，and delay.Meanwhile，combined with the application advantages of 5G in the RISMAR-U radar flow measurement system and other hydrological multi-element monitoring systems，the significant advantages and good application prospects of 5G communication technologies in the field of hydrological automatic monitoring are elaborated，which can provide references for the construction of information and intelligence in hydrological monitoring.

Key words：

5G communication technology;hydrological automatic monitoring;informatization;application prospects