利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建地震臺站在線式通信系統(tǒng)

諶 亮,李興泉,謝江濤

(四川省地震監(jiān)測中心，四川 成都 610041)

利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建地震臺站在線式通信系統(tǒng)

諶 亮,李興泉,謝江濤

(四川省地震監(jiān)測中心，四川 成都 610041)

通過統(tǒng)計四川省數(shù)字測震臺網(wǎng)在接入SDH光纖通信臺站時的運行情況，分析現(xiàn)階段地震臺站備用通信系統(tǒng)存在的問題，提出針對光纖通信臺站基于3G/4G無線通信在線式備份鏈路設(shè)想和系統(tǒng)解決方案，以提高臺站數(shù)據(jù)運行率。

3G/4G；地震臺站；網(wǎng)絡(luò)通信

3G/4G，即第三代、第四代移動通信技術(shù)，已經(jīng)被大眾廣泛使用。近年來，全國各地區(qū)3G/4G覆蓋率穩(wěn)步提高，包括大部分自然村在內(nèi)的地區(qū)都已有3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)。其提供的高帶寬、高覆蓋和高穩(wěn)定性無線數(shù)據(jù)通信鏈路，具有布設(shè)方便、組網(wǎng)靈活的優(yōu)勢，在全國地震觀測系統(tǒng)中得到廣泛使用。同時，目前普遍使用的，且通常認(rèn)為穩(wěn)定性與可靠性均十分突出的光纖通信系統(tǒng)，卻因其使用光纖實體線纜傳輸，一旦線纜因故中斷需要較長時間查纜、再熔接，致使故障恢復(fù)周期大大增長。綜上所述，結(jié)合3G/4G無線通信技術(shù)特點，利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建臺站備用通信系統(tǒng)有利于大幅提高臺站數(shù)據(jù)運行率。

1 四川數(shù)字測震臺網(wǎng)概述

四川數(shù)字測震臺網(wǎng)目前共有數(shù)字測震臺站60個，其中31個臺站采用基于光纖的DDN或SDH有線數(shù)據(jù)通信鏈路實現(xiàn)臺站數(shù)據(jù)實時傳輸。DDN全稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)，SDH全稱為同步數(shù)字傳輸體制。近年來由于用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬需求不斷增長，DDN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足客戶的數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求而逐步退出歷史舞臺。SDH網(wǎng)絡(luò)由于兼容性強(qiáng)、復(fù)用方式先進(jìn)且擁有網(wǎng)絡(luò)自愈功能，已經(jīng)成為電信網(wǎng)絡(luò)中最基本和應(yīng)用最廣泛的一種模式。四川數(shù)字測震臺網(wǎng)在項目設(shè)計與建設(shè)之初就充分考慮到了涼山、阿壩與甘孜三個少數(shù)民族自治州短期內(nèi)基礎(chǔ)條件差，維護(hù)路途長的客觀現(xiàn)實。因此，全部臺站均選取了相對可靠的基于光纖接入的有線數(shù)據(jù)通信鏈路，以保證臺站實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^高運行率。但在實際運行中，電信運營商對于“最后一公里”接入線路保護(hù)措施少；其次，近年來少數(shù)民族地區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)行接入段線路升級與改遷，受制于地區(qū)地形與基礎(chǔ)條件，“三州”地區(qū)內(nèi)區(qū)間核心線路(如跨地區(qū)的長途線路)也因山體塌方等自然災(zāi)害出現(xiàn)長時間中斷，造成部分臺站運行率較低，無法滿足地震監(jiān)測工作基本需求。因此，急需為部分臺站配置備用通信系統(tǒng)。四川數(shù)字測震臺網(wǎng)傳輸鏈路參見圖1。四川數(shù)字測震臺網(wǎng)光纖有線通信臺站絕大部分由人工值守的臺站升級而來，典型光纖有線通信鏈路臺站技術(shù)系統(tǒng)參見圖2。

圖1 四川數(shù)字測震臺網(wǎng)有線數(shù)據(jù)鏈路

圖2 典型光纖有線通信鏈路臺站技術(shù)系統(tǒng)

2 臺站通信系統(tǒng)現(xiàn)狀與特點分析

2.1 有線常見故障

目前四川數(shù)字測震臺網(wǎng)選取的基于光纖接入的SDH(Synchronous Digital Hierarchy)通信鏈路技術(shù)成熟，整體可靠性高，同時其通信網(wǎng)絡(luò)維護(hù)服務(wù)由電信運營商提供，正常情況下能夠得到及時地響應(yīng)并完成修復(fù)。但是目前對于甘、阿、涼“三州”光纖建設(shè)初期“最后一公里”的接入線路無法使用標(biāo)準(zhǔn)桿路布設(shè)，保護(hù)措施差，特別容易受到破壞。更為特殊的是“三州”地區(qū)部分區(qū)間核心線路(如跨地區(qū)的長途線路)因山體塌方等自然災(zāi)害會出現(xiàn)中斷且短時難以恢復(fù)，造成故障臺站運行率在當(dāng)月快速下降。例如：2012年7月底，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)巴塘國家數(shù)字地震臺專線因電信局端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞，無法及時購置備機(jī)或維修，造成巴塘臺數(shù)據(jù)中斷近兩個半月；2013年6月22日，四川省甘孜州雅江臺有線線路因接入光纖損壞，線路中斷8天。綜上所述，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)有線臺站雖然采用較為可靠的光纖有線鏈路，但是因當(dāng)?shù)貤l件限制，一旦出現(xiàn)鏈路故障往往難以快速恢復(fù)，容易造成臺站數(shù)據(jù)長時間中斷。

2.2 非在線式備份使用體驗差

早在2003年CDMA 1X與GPRS移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)推出以來，其提供的高帶寬、廣覆蓋和高穩(wěn)定性無線數(shù)據(jù)通信鏈路，就因布設(shè)方便、組網(wǎng)靈活的優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域贏得了贊譽(yù)與期待。同時，各大主流設(shè)備廠商均迅速推出了針對行業(yè)用戶的非在線式無線備份通信系統(tǒng)解決方案。此外，在“十五”地震網(wǎng)絡(luò)項目建設(shè)期間，一些發(fā)達(dá)省份也在部分重點臺站進(jìn)行了實驗性質(zhì)的部署。然而，這10余年來無線蜂窩移動通信技術(shù)飛速進(jìn)步，無線數(shù)據(jù)鏈路帶寬成倍擴(kuò)展，無線備份通信系統(tǒng)卻并沒有獲得相應(yīng)的發(fā)展，依然處于實驗性部署與重點部署階段，究其原因主要是廣泛采用非在線式無線備份鏈路造成的。因其通常在主鏈路中斷后方才啟用備用鏈路(參見圖3)，而無線鏈路不可避免地存在撥號時間耗費與撥號失敗的情況，與此同時后端數(shù)據(jù)堆積，又影響剛剛建立的無線通信鏈路穩(wěn)定性，多個因素疊加往往會導(dǎo)致備份信道撥號失敗、反復(fù)撥號或鏈路擁塞無響應(yīng)的狀態(tài)，大大縮減了非在線式無線備份通信系統(tǒng)的使用體驗和現(xiàn)實意義。

圖3 非在線式備用通信鏈路啟用流程

2.3 無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)帶寬不斷擴(kuò)展

在早前的第二代無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)通過復(fù)用技術(shù)共用無線頻帶，共享基站發(fā)射功率、擴(kuò)頻碼等寶貴資源。對于中低速數(shù)據(jù)及語音業(yè)務(wù)而言，這是使整個蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)同時具備語音與分組數(shù)據(jù)傳輸能力的最佳選擇。但是，面對用戶不斷擴(kuò)張的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬需求，這種快速功率控制已經(jīng)無法保證系統(tǒng)較高的頻譜利用率，尤其是當(dāng)高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)采用碼分方式，在共享頻率和基站功率資源時，系統(tǒng)資源效率會降低，影響業(yè)務(wù)運營。當(dāng)今我國投用的第三代與第四代無線數(shù)據(jù)通信制式，其基本設(shè)計思想是將高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與低速語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在資源分配系統(tǒng)上分離開來，利用單獨載波提供高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而由第二代通信系統(tǒng)提供傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)和中低速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以獲得更高的頻譜利用效率，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)計更靈活，覆蓋范圍更廣泛。目前第三代無線數(shù)據(jù)通信制式至少支持2 Mbit/s下行或1.8 Mbit/s上行數(shù)據(jù)傳輸速率，第四代通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)帶寬則至少擴(kuò)展到20 Mbit/s，完全能夠滿足臺站有線鏈路備份數(shù)據(jù)的帶寬需求。

3 解決方案及特點分析

我國作為發(fā)展中國家，目前西部地區(qū)不同程度地存在通信與交通條件相對較差的現(xiàn)實，而這些地區(qū)恰恰又是我國強(qiáng)震多發(fā)區(qū)域。在分布于這些地區(qū)的有線通信鏈路臺站，配置高效可靠的備份鏈路可以大大提高臺站實時數(shù)據(jù)運行率，從而提升臺網(wǎng)監(jiān)測能力。為此，提出建設(shè)基于3G/4G無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的臺站在線式備用通信系統(tǒng)，用于針對性地解決早期備份鏈路存在的問題，以便提高備份鏈路可用性。該系統(tǒng)主要配置方案如下：臺站新增配置在線式3G/4G無線備用路由器，該路由器為3G/4G無線通信鏈路在線提供實時保障，隨時準(zhǔn)備切換為臺站主要通信鏈路；臺站主路由器在主鏈路路由使用動態(tài)路由的基礎(chǔ)上，引入備份靜態(tài)路由，利用主/備路由之間的優(yōu)先級設(shè)置，使臺站在有線鏈路中斷和動態(tài)路由掉線的瞬間得以自動完成路由表切換，實現(xiàn)主/備通信鏈路的無縫切換(實時在線式備用通信系統(tǒng)臺站技術(shù)系統(tǒng)參見圖4)。

圖4 實時在線式備用通信系統(tǒng)臺站技術(shù)系統(tǒng)示意圖

以上基于3G/4G無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時在線式臺站備用通信系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢：通過新增3G/4G無線路由器實現(xiàn)備份線路實時在線，平時通過臺網(wǎng)中心SNMP(Simple Network Management Protocol)網(wǎng)絡(luò)管理軟件可以實時監(jiān)控臺站主/備路由器和鏈路運行狀態(tài)，及時維護(hù)，避免非在線式解決方案“平時看不見，需時用不上”的尷尬情況，增加備用通信系統(tǒng)可用性，從而提高臺站運行率；備份鏈路實時在線，可以方便地在主路由器或網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上通過路由表配置實現(xiàn)主/備通信系統(tǒng)的無縫切換，甚至可以通過整體規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)流量的劃分與疏導(dǎo)，將臺站部分監(jiān)控數(shù)據(jù)或優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)由備份鏈路傳輸，實現(xiàn)臺站通信鏈路的負(fù)載均衡，提高鏈路利用率，降低臺站主干鏈路負(fù)載。

該解決方案成本分析如下：臺站端需新增3G/4G路由器1臺，目前此類路由器設(shè)備在公安、銀行、快遞以及地震領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用，設(shè)備穩(wěn)定可靠，出貨量大，特別是隨著核心部件無線網(wǎng)絡(luò)模塊的價格走低，路由器采購價格與維修價格均只有主路由器價格五分之一；無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通信費用方面，隨著第四代移動通信技術(shù)的全面普及，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為廣大老百姓生活中不可或缺的通信業(yè)務(wù)，通信資費便宜，更可以結(jié)合不同臺站使用方式與業(yè)務(wù)規(guī)模，靈活選擇最具性價比的資費套餐，其資費是光纖有線通信的十分之一。

綜上所述，通過對現(xiàn)有臺站配置基于3G/4G無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時在線式臺站備用通信系統(tǒng)，可以在臺站運維成本增加不多的情況下有效改善臺站通信條件，大大提高臺站數(shù)據(jù)實時運行率，從而提升臺網(wǎng)監(jiān)測能力。

4 結(jié)束語

為了滿足社會對地震信息產(chǎn)品的需求，還需要進(jìn)一步加密地震監(jiān)測臺站，豐富地震監(jiān)測手段，加強(qiáng)地震監(jiān)測能力，“國家烈度速報與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)項目”正是在此背景下逐步推進(jìn)的。按照項目規(guī)劃設(shè)計，未來有更多的臺站將會布設(shè)在通信、交通等基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村。怎樣保證這些地區(qū)的臺站通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，仍需要不斷探索，而基于3G/4G無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時在線式臺站備用通信系統(tǒng)必將是值得考慮和選擇的解決方案之一。

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[3] 王余偉.CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸在地震監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].地震地磁觀測與研究，2007，28(2):115-118.

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Establishment of Online Backup Communication System for Seismic Station by 3G/4G Network

CHEN Liang, LI Xingquan, XIE Jiangtao

(Earthquake Monitoring Center of Sichuan Province, Sichuan Chengdu 610041, China )

Through the statistics of Sichuan seismic network in the operation of SDH optical fiber communication station case, we analyge the present seismic station backup communication system problems, and propose solutions for optical fiber communication stations of 3G/4G wireless communication system and online backup scheme in order to increase in station data transmission rate.

3G/4G; CDMA VPDN; seismic observation station; communication quality

2016-11-14

諶亮(1982-)，男，四川省眉山市人，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，從事數(shù)字測震臺網(wǎng)的建設(shè)與運行維護(hù)工作.

P315.69

B

1001-8115(2017)02-0027-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.02.007