衛(wèi)星通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

酈息明 ，酈四俊 ，陳 霞 ，劉婧婧

（1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；3. 江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江蘇 南京 210012；4. 南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

近代百年，通信技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展改變了人類的生活和生產(chǎn)方式，無(wú)時(shí)無(wú)刻都在感知著通信技術(shù)的服務(wù)。到 20 世紀(jì)末和21 世紀(jì)初，除了智能手機(jī)、電視等在生活中應(yīng)用，更多的通信新技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)信息數(shù)據(jù)的傳輸上，4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等誕生和發(fā)展，將過(guò)去人類想象似乎的不可能事情變成了現(xiàn)實(shí)，這些通信新技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。氣象和水文信息，作為基礎(chǔ)信息，依靠通信新技術(shù)，較好地完成了數(shù)據(jù)的采集和傳輸，服務(wù)了社會(huì)，本研究著重論述目前通信新技術(shù)在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。水文是研究水的自然變化規(guī)律的一門學(xué)科，水文要素包括水位、雨量、流量、蒸發(fā)等，這些數(shù)據(jù)的采集為防汛防旱、水資源管理和河長(zhǎng)制提供技術(shù)支撐，同時(shí)也為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)研究和國(guó)防建設(shè)服務(wù)。我國(guó)地域遼闊、地形復(fù)雜、丘陵縱橫、河流密布，水文站點(diǎn)分布在各個(gè)流域，水文數(shù)據(jù)的采集隨著信息技術(shù)的發(fā)展，由過(guò)去傳統(tǒng)的人工采集逐步走向信息化，其通信方式主要是依靠 4G 移動(dòng)公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，現(xiàn)在省級(jí)已經(jīng)建立起 4G 水情遙測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)地將水情信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，供決策機(jī)關(guān)指揮使用。一般在平原或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，水情遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)傳輸較好，但是在西藏、新疆、云南、貴州等邊陲山區(qū)，山高路遠(yuǎn)，4G 移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)較弱甚至沒(méi)有，如何解決這些地區(qū)水文站點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息的傳輸是當(dāng)前要解決的問(wèn)題。現(xiàn)代通信新技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可作為4G 移動(dòng)公網(wǎng)無(wú)覆蓋時(shí)的補(bǔ)充通信方式，滿足在偏遠(yuǎn)的地區(qū)、山區(qū)和沙漠完成實(shí)時(shí)傳輸水文數(shù)據(jù)的要求。本研究將分別闡述衛(wèi)星通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文信息數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

1 衛(wèi)星通信及其在水文行業(yè)的應(yīng)用

衛(wèi)星通信是一種成熟的微波通信的成熟技術(shù)，它利用地球上空通信衛(wèi)星作為中繼站，其特性是，不受高山、沙漠、海洋等地形地貌，地理位置，自然災(zāi)害等的影響[2]?，F(xiàn)在我國(guó)主要使用的是同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以用于傳輸水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)有 VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口徑衛(wèi)星終端站）和天通北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。VSAT系統(tǒng)具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸，可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和視頻；天通衛(wèi)星系統(tǒng)用于窄帶數(shù)據(jù)傳輸，主要用于數(shù)據(jù)的傳輸：北斗系統(tǒng)可以傳輸監(jiān)測(cè)短報(bào)文。在日常的水文監(jiān)測(cè)和自然災(zāi)害發(fā)生應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作時(shí)，4G 水情遙測(cè)網(wǎng)信息無(wú)法覆蓋的地區(qū)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量選擇衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1.1 VSAT 衛(wèi)星系統(tǒng)在水文上的應(yīng)用

VSAT 寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，天線口徑小，通常為 0.3～1.2 m，典型的視頻傳輸帶寬在 2 Mbit/s 左右，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控的信息傳輸。水文站點(diǎn)分布較廣，根據(jù)流域的特性和水系而布設(shè)，水文站有設(shè)置在大山深處或國(guó)家的邊境地區(qū)，這些地方人煙稀少，往往 4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)沒(méi)有覆蓋，要想把水文信息及時(shí)傳輸出來(lái)，只有依靠通信衛(wèi)星系統(tǒng)。水文工作中監(jiān)測(cè)的要素主要有水位、雨量、流量等信息，其信息數(shù)據(jù)流量小，選用窄帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)，但在工作中還需掌握監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)況信息，特別是自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，需要將水文站點(diǎn)周邊的工情工況等監(jiān)控視頻圖像及時(shí)傳輸?shù)經(jīng)Q策指揮部，為決策機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持。因此為了提高水文監(jiān)測(cè)的能力[3]，根據(jù) VSAT 通信衛(wèi)星系統(tǒng)特性，選用 VSAT 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以滿足需求。

VSAT 通信衛(wèi)星系統(tǒng)如何在水文數(shù)據(jù)信息傳輸中應(yīng)用，構(gòu)建 VSAT 寬帶衛(wèi)星通信鏈路傳輸水文數(shù)據(jù)信息的具體方案描述是水文站點(diǎn)傳感器將水文要素信號(hào)傳給數(shù)據(jù)采集器 RTU，RTU 的功能是將水文信息要素信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包， 通過(guò) IP 接口送至VSAT 衛(wèi)星設(shè)備終端調(diào)制解調(diào)器，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、功放后，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星天線發(fā)向天空的通信衛(wèi)星，水文信息數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星中繼后傳輸?shù)叫l(wèi)星地面站主站，解調(diào)電信號(hào)成為水文數(shù)據(jù)信息，將水文數(shù)據(jù)存入專用的水文數(shù)據(jù)庫(kù)中，提供給相關(guān)部門用戶的使用，這就是一個(gè)完整的 VSAT 通信衛(wèi)星系統(tǒng)在水文數(shù)據(jù)信息傳輸中的應(yīng)用，其通信組網(wǎng)方案如圖1 所示。

1.2 天通衛(wèi)星系統(tǒng)在水文上的應(yīng)用

衛(wèi)星通信的另一大家族是天通衛(wèi)星，工作頻率在 S 波段，主要用于小流量的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是“中國(guó)的海事衛(wèi)星”，廣泛用于海洋航行、救助等。天通衛(wèi)星的主要特點(diǎn)是終端設(shè)備體積小，設(shè)備成本低，通信資費(fèi)也低。天通衛(wèi)星的通信原理基本與 VSAT通信衛(wèi)星相同，它們的區(qū)別主要天通衛(wèi)星是窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要是針對(duì)數(shù)據(jù)流量較小的數(shù)據(jù)傳輸，如傳輸水文要素的數(shù)據(jù)特別適合，通常數(shù)據(jù)傳輸速率為 9.6～384.0 kbit/s，互聯(lián)網(wǎng)接入速率為 64.0～384.0 kbit/s。而 VSAT 通信衛(wèi)星是寬帶系統(tǒng)，既可以傳水文數(shù)據(jù)又可以傳視頻圖像。將天通衛(wèi)星設(shè)備模塊集成在已建設(shè)的水情遙測(cè)網(wǎng)的 RTU 模塊中，一個(gè)衛(wèi)星通信的鏈路就建立起來(lái)了。水文數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)衛(wèi)星通信信道，落地衛(wèi)星地球主站，接入公網(wǎng)后通過(guò)水文內(nèi)部專線傳到水文數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，提供給用戶使用，這套系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)成本低，也為使用單位節(jié)約了經(jīng)費(fèi)。天通衛(wèi)星系統(tǒng)在水文數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通信組網(wǎng)方案如圖2 所示。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其在水文行業(yè)應(yīng)用

簡(jiǎn)單的說(shuō)物物相連的通信方式稱為物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）。其實(shí)從通信概念的建立那一天起，在工業(yè)生產(chǎn)中就是將事物的內(nèi)容通過(guò)信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)事物中去，所不同的是通信方式的差異。21 世紀(jì)初，在信息技術(shù)革命中，提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，這是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時(shí)代的重要發(fā)展階段。在節(jié)約頻率資源和投資經(jīng)費(fèi)上將是劃時(shí)代的，這項(xiàng)技術(shù)的提出和誕生，還將有較多的前沿技術(shù)需要攻關(guān)，許多的標(biāo)準(zhǔn)需要制定，目前物聯(lián)網(wǎng)有多種技術(shù)方案，主要是NB-IoT 和 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]。根據(jù)水文站點(diǎn)的廣泛分布特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以較好地為水文要素信息的傳輸服務(wù)。

圖1 VSAT 衛(wèi)星通信系統(tǒng)在水文數(shù)據(jù)傳輸中通信組網(wǎng)方案

圖2 天通衛(wèi)星系統(tǒng)在水文數(shù)據(jù)傳輸中通信組網(wǎng)方案

2.1 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)在水文上的應(yīng)用

3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）標(biāo)準(zhǔn)組織于2015 年 9 月提出 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）窄帶蜂窩通信 LPWAN 技術(shù)。4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是建立若干個(gè)基站的蜂窩通信。NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在移動(dòng)基站信道上搭載信息傳輸?shù)囊豁?xiàng)技術(shù)，需要和現(xiàn)有的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商共同建立物聯(lián)網(wǎng)體系，這也大大節(jié)約了設(shè)備的投資。NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)性能如下：1）通信信號(hào)強(qiáng)，在現(xiàn)在的移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上增益提高了 20 dB 以上，同時(shí)其信號(hào)覆蓋范圍的面積也擴(kuò)大了近 100 倍。2）設(shè)備低功耗，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端如果按照每天發(fā)送 1 次 200 Byte 數(shù)據(jù)報(bào)文計(jì)，其 AA 電池待機(jī)的時(shí)間約為 10 a；基站蜂窩通信時(shí)單扇區(qū)用戶數(shù)量增加許多，據(jù)計(jì)算單個(gè)扇區(qū)可以最多達(dá)到 5 萬(wàn)個(gè)連接，比原來(lái)的高出約50 倍。3）終端設(shè)備成本較低，其芯片價(jià)格的目標(biāo)定在 10 元人民幣左右。水文站點(diǎn)一般是依水而建的，大部分建設(shè)在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)的地區(qū)，4G 移動(dòng)網(wǎng)的信號(hào)由于基站的有限設(shè)置而信號(hào)覆蓋不好，時(shí)有時(shí)無(wú)，如增加基站，由于使用單位少，投資大而浪費(fèi)，這給水情遙測(cè)網(wǎng)的信息準(zhǔn)確傳輸帶來(lái)了困難，經(jīng)常造成數(shù)據(jù)的丟失，使水文數(shù)據(jù)信息不能及時(shí)發(fā)送，影響決策機(jī)關(guān)的指揮，特別是自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)確的水情信息將決定國(guó)家和人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全，事關(guān)重大。因此基于 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)性能，在 4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地區(qū)，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)可以為水文數(shù)據(jù)傳輸提供良好的通信服務(wù)，使水情遙測(cè)網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。采用 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，只需將原來(lái)水情遙測(cè)網(wǎng)的前置數(shù)據(jù)采集器RTU 和 DTU 模塊設(shè)備更換成 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)備，NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)水文數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)即構(gòu)建完成。這既解決了移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)弱的問(wèn)題，又節(jié)約了投資[5]。NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)在水文上應(yīng)用方案如圖3 所示。

圖3 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)在水文上應(yīng)用方案

2.2 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)在水文上的應(yīng)用

在業(yè)界，基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗窄帶遠(yuǎn)距離通信技術(shù)被稱作 LoRa（Long Range，遠(yuǎn)距離傳輸）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是要與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商合作，在搭載移動(dòng)公網(wǎng)信道傳輸信息，而 LoRa技術(shù)是自建一個(gè)小型局域網(wǎng)，做到小區(qū)域內(nèi)物物相連，并與移動(dòng)公網(wǎng)組成一個(gè)通信鏈路，達(dá)到信息數(shù)據(jù)的傳輸目的。由于 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是采用調(diào)制的方式，是一種擴(kuò)頻技術(shù)，采用該技術(shù)具有良好的抗干擾能力，利用公共開放頻段十分適用方便。水文站點(diǎn)大部分建設(shè)在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，4G 移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)較弱，為了將多個(gè)水庫(kù)水情或水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，可以采用 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在某個(gè)區(qū)域組成一個(gè)局域網(wǎng)，在采集數(shù)據(jù)信息互相交換的基礎(chǔ)上，匯聚點(diǎn)到 4G 移動(dòng)公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的信息傳輸。LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備制造成本低，投資少，其工作原理是建立 LoRa 局域網(wǎng)，將 LoRa 設(shè)備模塊和其 AP 相連，接入 4G 路由器，再傳入公網(wǎng)基站，通過(guò) LoRa 云將信息傳輸?shù)剿臄?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，供決策機(jī)關(guān)使用[6]。LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文上的應(yīng)用方案如圖4 所示。

圖4 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用方案

3 結(jié)語(yǔ)

水文測(cè)報(bào)工作經(jīng)歷了原始的人工測(cè)、算、報(bào)、整的過(guò)程，隨著我國(guó)水文信息化發(fā)展，從 20 世紀(jì)90 年代開始，逐步建設(shè)了水情遙測(cè)網(wǎng)，進(jìn)入 21 世紀(jì)水文工作信息化發(fā)展迅速，水文數(shù)據(jù)的采集和傳輸基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，測(cè)報(bào)實(shí)現(xiàn)在線，可以及時(shí)實(shí)時(shí)地提供水文數(shù)據(jù)，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)提出了更多的需求。如何應(yīng)用現(xiàn)代通信新技術(shù)，解決點(diǎn)多、面廣的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信傳輸，確保高質(zhì)量的信號(hào)發(fā)送，有力保障水文監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展。本研究主要從水文數(shù)據(jù)采集后如何傳輸，本著節(jié)約投資和運(yùn)行成本的原則，探討和介紹了幾種通信新技術(shù)的組網(wǎng)應(yīng)用方案，總結(jié)如下： 1）傳統(tǒng)的水情遙測(cè)網(wǎng)，主要依靠的是 4G 移動(dòng)公網(wǎng)傳輸水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這在我國(guó)的發(fā)達(dá)和平原地區(qū)已經(jīng)成熟運(yùn)行。2）在沒(méi)有 4G 移動(dòng)網(wǎng)信號(hào)的地區(qū)，采用衛(wèi)星通信技術(shù)，包括自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，在小流量的傳輸水文數(shù)據(jù)時(shí)用窄帶天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)；在既要傳輸水文數(shù)據(jù)，還要傳輸工情工況的視頻圖像大流量時(shí)，選用 VSAT 寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)。3）在 4G 移動(dòng)網(wǎng)信號(hào)弱或覆蓋不到的地方，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在基站信號(hào)增益增強(qiáng)，通信距離增加較大時(shí)，水情遙測(cè)網(wǎng)選用 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；在水文站點(diǎn)多、且較為分散的，需要建立局域網(wǎng)傳輸水文數(shù)據(jù)時(shí)選用 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。總之，隨著人類的認(rèn)知，通信技術(shù)將不斷地發(fā)展，同樣隨著水文工作的發(fā)展，信息化的要求也會(huì)越來(lái)越高，將兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，才能更好地做好水文工作，防災(zāi)減災(zāi)，服務(wù)社會(huì)和造福人類。