3G技術(shù)在山東省氣象系統(tǒng)的應(yīng)用

葛翔

山東省氣象信息中心 山東 250031

0 引言

為了滿足現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對(duì)于氣象數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)性的要求以及現(xiàn)代氣象移動(dòng)辦公的需求，山東省氣象局于 2010年底依托2009年第十一屆全運(yùn)會(huì)時(shí)聯(lián)通公司建立的VPDN 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，建立了山東省氣象系統(tǒng)的3G系統(tǒng)。關(guān)于3G技術(shù)在氣象系統(tǒng)的應(yīng)用有很多人做過相關(guān)研究，例如徐益強(qiáng)在3G技術(shù)的原理上進(jìn)行了研究，蘇軼等對(duì)于3G技術(shù)在移動(dòng)氣象臺(tái)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。本文主要闡述了3G技術(shù)在山東氣象系統(tǒng)的兩大主要應(yīng)用：一是3G系統(tǒng)作為傳輸備份線路時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)備份，當(dāng)主線路故障時(shí)無需人工操作即可自動(dòng)切換至3G線路傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性；二是滿足現(xiàn)代氣象移動(dòng)辦公對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸、語音、圖像、視頻等應(yīng)用的要求。

1 3G系統(tǒng)在山東氣象的運(yùn)用

山東省氣象局使用的3G系統(tǒng)采用聯(lián)通公司的VPDN平臺(tái)，并通過專線的方式與山東省氣象局內(nèi)網(wǎng)連接。具體建設(shè)內(nèi)容包括無線路由網(wǎng)關(guān)、3G卡和無線數(shù)據(jù)終端，以及省級(jí)的VPDN鏈路和路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備。該3G系統(tǒng)采用WCDMA 3G通信技術(shù)，是中國(guó)聯(lián)通公司2009年5月推出的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其理論帶寬可以達(dá)到 7.2M。山東省氣象局是中國(guó)聯(lián)通公司該業(yè)務(wù)的首個(gè)用戶，通過3G技術(shù)，在VPDN平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份傳輸以及各種移動(dòng)辦公應(yīng)用在全國(guó)氣象部門內(nèi)尚屬首例。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聯(lián)通公司的VPDN平臺(tái)采用專線的方式與山東省氣象局(以下簡(jiǎn)稱“省局”)內(nèi)網(wǎng)連接，包括無線接入設(shè)備、AAA認(rèn)證系統(tǒng)、路由設(shè)備等，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1。

圖1 VPDN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

LAC表示L2TP訪問集中器(L2TP Access Concentrator)用于為用戶提供無線終端的接入服務(wù)；LNS表示L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(L2TP Network Server)，一般可以為各種路由器，可對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證；在一個(gè)LAC和LNS之間建立VPDN隧道連接，由LNS通過專線，連接省局路由器，接入省局內(nèi)網(wǎng)；采用AAA認(rèn)證技術(shù)，通過VPDN平臺(tái)對(duì)3G卡卡號(hào)、用戶名、密碼等信息的認(rèn)證，以確保訪問用戶的可靠。

1.2 用戶端設(shè)備連接方式

(1) 觀測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)終端使用3G設(shè)備時(shí)需要部署3G無線路由器、3G卡和無線數(shù)據(jù)終端，使臺(tái)站所有設(shè)備均可接入內(nèi)網(wǎng)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)。3G無線路由器安裝時(shí)需根據(jù)臺(tái)站實(shí)際設(shè)備情況進(jìn)行設(shè)置，但均要對(duì)連接3G無線路由器的本地交換機(jī)或者路由器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，使3G設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)備份。這樣便可實(shí)現(xiàn)當(dāng)寬帶網(wǎng)出現(xiàn)中斷時(shí)自動(dòng)切換到VPDN，保證觀測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

(2) 普通移動(dòng)辦公終端用戶僅使用 3G卡和無線數(shù)據(jù)終端通過聯(lián)通基站接入網(wǎng)絡(luò)后即可訪問省局內(nèi)網(wǎng)。

1.3 用戶無線終端與省局內(nèi)網(wǎng)連接方式

各用戶使用無線終端設(shè)備通過撥號(hào)方式與省局內(nèi)網(wǎng)連接。連接時(shí)需經(jīng)過兩次安全認(rèn)證，獲取特定的IP地址，方可通過VPDN專線進(jìn)入省局內(nèi)網(wǎng)。

1.4 省局接入方式

省局采用IP專線方式接入。按照兩方協(xié)議，分配有專用IP地址用于無線終端的撥號(hào)接入。山東省氣象信息中心按照地址規(guī)劃，在核心交換機(jī)、接入交換機(jī)及NE20路由器上添加指向路由后可實(shí)現(xiàn)專用地址訪問省局內(nèi)網(wǎng)。

2 3G系統(tǒng)的安全性、與其他無線傳輸方式對(duì)比

由于山東省氣象通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)于安全性的要求，在建設(shè)無線傳輸系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮的一點(diǎn)就是系統(tǒng)的安全性。

2.1 3G系統(tǒng)采取的安全措施

通過聯(lián)通公司建立VPDN平臺(tái)時(shí)所采取的多項(xiàng)技術(shù)方面措施，包括僅允許專用賬戶訪問網(wǎng)絡(luò)、建立專用線路連接內(nèi)網(wǎng)、設(shè)備連接要經(jīng)過多次安全認(rèn)證、每個(gè)3G網(wǎng)卡分配固定的 IP地址以及與外網(wǎng)進(jìn)行物理隔離等措施以及省氣象局針對(duì)3G設(shè)備的使用所采取的多項(xiàng)管理措施，包括建立完善的使用管理制度、省氣象信息中心對(duì)通過防火墻對(duì)3G訪問進(jìn)行控制，設(shè)置允許訪問的上網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)的IP地址，并通過各種策略控制可訪問的資源等多個(gè)措施可以使我省氣象系統(tǒng)的3G系統(tǒng)有著很高的安全性。

2.2 3G系統(tǒng)與其他無線傳輸方式對(duì)比

我省氣象系統(tǒng)采用的無線通信傳輸方式主要有兩種，一是VPN通信，二是GPRS、CDMA通信。

2.2.1 與VPN的安全性對(duì)比

VPN通信傳輸方式是在互聯(lián)網(wǎng)上虛擬出一條專用的傳輸通道，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相對(duì)安全地在公網(wǎng)上傳輸?shù)哪康?。此種方式的安全性相對(duì)較低，網(wǎng)關(guān)設(shè)備和終端設(shè)備均暴露在公網(wǎng)上，一旦因安全性設(shè)置漏洞被攻擊，可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成較大影響，嚴(yán)重的將造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。而3G是通過與外網(wǎng)物理隔離的專線進(jìn)行通信，全部通信過程都在一個(gè)獨(dú)立的通道內(nèi)，安全性遠(yuǎn)高于VPN方式。

2.2.2 與GPRS、CDMA的安全性對(duì)比

我省氣象系統(tǒng)的區(qū)域站等數(shù)據(jù)采集采用的GPRS/CDMA通信方式，其前端通過無線信號(hào)接入通信運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)接入隧道，隧道間邏輯隔離，但在后端(電信運(yùn)營(yíng)商到氣象部門)GPRS/CDMA是在公網(wǎng)上通過防火墻接入業(yè)務(wù)網(wǎng)，而3G是通過專線接入業(yè)務(wù)網(wǎng)，與公網(wǎng)完全物理隔離。

綜上所述，基于VPDN平臺(tái)的3G通信方式采用了與公網(wǎng)邏輯隔離與物理隔離相結(jié)合的方式，其通信安全性理論上高于VPN、GPRS等通信方式，因此我們選擇采用聯(lián)通公司的VPDN平臺(tái)，來建設(shè)我們的無線辦公系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸備份線路性能和氣象移動(dòng)辦公應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。

3 3G應(yīng)用情況

3.1 移動(dòng)辦公的應(yīng)用

由于3G系統(tǒng)的帶寬高、速率快，可作為多種業(yè)務(wù)的移動(dòng)辦公應(yīng)用平臺(tái)。

3.1.1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用

在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用中，可直接使用MICAPS或WEB瀏覽器調(diào)取內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫中的資料信息進(jìn)行加工與分析，就像使用本地終端一樣方便。

(1) 單機(jī)應(yīng)用

將3G網(wǎng)卡與筆記本電腦連接，利用網(wǎng)卡自帶的撥號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)與內(nèi)網(wǎng)的安全連接，該模式適用于單機(jī)應(yīng)用，主要用于移動(dòng)辦公，例如外出的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)或氣象保障等。例：2012年 6月份煙臺(tái)海陽亞沙會(huì)時(shí)，在比賽現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)就使用 3G數(shù)據(jù)卡對(duì)實(shí)時(shí)氣象資料和各類服務(wù)材料進(jìn)行應(yīng)用和傳輸，進(jìn)行及時(shí)的服務(wù)。當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的工作人員主要靠3G設(shè)備與指揮中心海陽氣象局進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。同時(shí)在海陽局，多部3G上網(wǎng)卡作為主線路的備份使用，一旦主線路出現(xiàn)問題，3G設(shè)備可立刻使用。

(2) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

將3G網(wǎng)卡與撥號(hào)路由器連接，通過地址轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，該模式適用于多臺(tái)電腦或小型局域網(wǎng)應(yīng)用，主要應(yīng)用于車載網(wǎng)絡(luò)。該模式可方便的與車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相融合，無需對(duì)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動(dòng)，既可實(shí)現(xiàn)原有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)的相互切換，互為備份。例：2011年5月，省局移動(dòng)氣象臺(tái)改造驗(yàn)收時(shí)測(cè)試使用3G數(shù)據(jù)卡直連國(guó)家局以及省局大平面，通話通訊質(zhì)量非常好，且現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用所需資料的調(diào)取使用非常方便。

3.1.2 視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用

將3G網(wǎng)卡通過撥號(hào)路由器與視頻系統(tǒng)連接，通過雙向地址轉(zhuǎn)換進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)將視頻終端的IP地址與網(wǎng)卡的IP 地址一一對(duì)應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)視頻系統(tǒng)的雙向呼叫，該模式主要用于移動(dòng)氣象臺(tái)的車載視頻系統(tǒng)視頻會(huì)商。例：在海陽亞沙會(huì)期間，現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)氣象臺(tái)也是使用3G數(shù)據(jù)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和視頻通話。

以上各種移動(dòng)辦公應(yīng)用方式已經(jīng)過了 2009年第十一屆全運(yùn)會(huì)、2012年海陽亞沙會(huì)以及其他各種重大氣象現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的多次實(shí)踐，結(jié)果顯示該3G系統(tǒng)能夠滿足數(shù)據(jù)、語音以及視頻的傳輸要求，無論是作為備份線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸還是用于移動(dòng)辦公，均發(fā)揮了重要作用，圓滿完成了各種重大現(xiàn)場(chǎng)氣象信息保障工作。

3.2 臺(tái)站 3G系統(tǒng)的流量、暢通率及抄報(bào)情況對(duì)比

作為數(shù)據(jù)傳輸備份，3G系統(tǒng)在氣象觀測(cè)臺(tái)站日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸中的使用情況也是我們非常關(guān)注的。比如3G系統(tǒng)是否比原備份線路更好，是否可以滿足觀測(cè)業(yè)務(wù)需求等。對(duì)此我們做了幾個(gè)測(cè)試與對(duì)比。

3.2.1 臺(tái)站3G系統(tǒng)的暢通率、流量

山東省氣象信息中心檢測(cè)了所有臺(tái)站3G系統(tǒng)在2011年1月-5月的運(yùn)行流量情況。同時(shí)以ping包方式測(cè)試全部觀測(cè)臺(tái)站的相應(yīng)ip地址是否暢通，統(tǒng)計(jì)3G系統(tǒng)的暢通率。

經(jīng)過多次測(cè)試，全部 123個(gè)臺(tái)站的 IP地址暢通率為60-70%，具體情況為：2011年 3月暢通率為 61.8%；2011年4月暢通率為66.7%；2011年5月暢通率為69.9%；2012年2月暢通率為61.0%； 2012年5月暢通率為65.0%。

分析原因：(1)少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)未有3G基站信號(hào)覆蓋；(2)部分臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在設(shè)置時(shí)禁止ping包，但從每年各地市各臺(tái)站的汛期前自檢結(jié)果顯示，全省所有臺(tái)站的3G設(shè)備基本全部在線；(3)在日常運(yùn)行值班中發(fā)現(xiàn)尚有少部分臺(tái)站3G設(shè)備使用方式不正確。

對(duì)流量的檢測(cè)情況以及臺(tái)站反映的情況顯示3G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行狀況較好，網(wǎng)絡(luò)連接和速度都比較穩(wěn)定。部分臺(tái)站流量測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1 部分臺(tái)站流量測(cè)試結(jié)果

續(xù)表

具體分析流量使用情況：大部分臺(tái)站2011年的1月份流量較大，為剛下發(fā)3G上網(wǎng)設(shè)備各地市臺(tái)站進(jìn)行調(diào)試所致，2-5月份運(yùn)行穩(wěn)定后基本達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)。查看網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行值班記錄，全省所有臺(tái)站傳輸及時(shí)率保持在較高的水平，極少出現(xiàn)因?yàn)橹骶€路故障而無法及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的情況。分析未ping通的臺(tái)站流量情況，發(fā)現(xiàn)這些臺(tái)站1-5月每月均有流量，說明該站點(diǎn)3G網(wǎng)絡(luò)是暢通的，當(dāng)主線路無故障時(shí)無流量。對(duì)數(shù)據(jù)流量大的站點(diǎn)進(jìn)行分析，這些站點(diǎn)的流量都比較集中在某天某幾個(gè)時(shí)次，數(shù)據(jù)量都比較穩(wěn)定，而且數(shù)據(jù)傳輸均較快，有效地保證了大批量的數(shù)據(jù)及時(shí)高效連續(xù)傳輸。

3.2.2 抄報(bào)情況對(duì)比

2012年初，在系統(tǒng)正式運(yùn)行一年后，對(duì)2011年2月-2012年1月臺(tái)站抄報(bào)情況與上一年同期(2010年2月-2011年1月)的臺(tái)站抄報(bào)情況進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榕_(tái)站網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致的抄報(bào)數(shù)由2010年2月-2011年1月的26站次減少至2011年2月-2012年1月的12站次。3G系統(tǒng)進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行后，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的抄報(bào)情況已大為減少，說明目前我局的3G線路較原先的備份線路有更好的穩(wěn)定性，保障了我省觀測(cè)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

上述多方面的結(jié)果顯示，3G系統(tǒng)很好的替代了我省臺(tái)站舊的氣象傳輸備份系統(tǒng)，滿足氣象數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)性的要求，同時(shí)因?yàn)閯?dòng)態(tài)備份的實(shí)現(xiàn)，大大減輕了我省基層臺(tái)站氣象觀測(cè)員的工作負(fù)擔(dān)，提升了工作效率。本3G系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了建設(shè)目標(biāo)。

4 結(jié)語

山東省的3G系統(tǒng)建成后，取代了臺(tái)站舊的備份線路并達(dá)到了預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)。3G系統(tǒng)穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸速度較原電話撥號(hào)系統(tǒng)有了很大的進(jìn)步，而且3G系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)備份技術(shù)，保證氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。同時(shí)，3G在帶寬及安全性上具有先天優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)建成后極大地提升了氣象移動(dòng)辦公的效率和便利性，也確保了省局內(nèi)網(wǎng)的安全性。

[1]徐益強(qiáng).基于3G的無線VPDN業(yè)務(wù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警.2010.

[2]蘇軼,劉樹峰,孟令旺,馬駿.3G 通信技術(shù)在移動(dòng)氣象視頻會(huì)商中的研究與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境科學(xué).2012.