5G通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用前景分析

史東華 龍少穎

摘要：

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)將提供高速率、低延時(shí)、大容量的可靠連接，為水文監(jiān)測信息化與智能化提供一個(gè)理想的解決方案。簡要分析了水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中常用的幾種通信技術(shù)，重點(diǎn)從傳輸速率、帶寬、時(shí)延等方面對比分析了5G與目前在水文領(lǐng)域已廣泛使用的4G無線通信技術(shù)之間的差異。同時(shí)，結(jié)合5G在RISMAR-U型雷達(dá)測流系統(tǒng)和其他水文多要素監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢，詳細(xì)闡述了5G通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢及良好的應(yīng)用前景。研究成果可為今后水文監(jiān)測信息化、智能化的建設(shè)提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：

5G通信技術(shù); 水文自動監(jiān)測; 信息化; 應(yīng)用前景

中圖法分類號： P332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.038

0 引 言

隨著2019年真正進(jìn)入5G商用元年，作為當(dāng)前的前沿科技，5G移動通信技術(shù)所引導(dǎo)的科技變革將勢在必行，所產(chǎn)生的技術(shù)迭代也躍躍欲試[1]。作為與移動通信技術(shù)同步發(fā)展的水文自動監(jiān)測系統(tǒng)，其無線通信方式從GSM到GPRS，再到4G，隨著移動通信技術(shù)的進(jìn)步也在不斷地更新?lián)Q代。在水文現(xiàn)代化的大背景下，水文自動監(jiān)測正朝著多要素、全要素的方向發(fā)展，以無人值守為主體的自動監(jiān)測模式將是發(fā)展趨勢，這些新的自動監(jiān)測方式對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，商用成熟的衛(wèi)星、GPRS和4G無線通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測的大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和可視化等方面均存在速率低和時(shí)延長等問題，以光纜為載體的有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用昂貴的問題，而衛(wèi)星通信等方式在傳輸容量方面也存在制約。5G的出現(xiàn)為類似問題的解決以及更多水文自動監(jiān)測新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了極大便利。從目前發(fā)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(jiān)測中的無線通信技術(shù)仍以衛(wèi)星、GPRS和4G為主導(dǎo)，但隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其商用生態(tài)的完善，其高速率、低延時(shí)、大容量的優(yōu)勢會越來越具有吸引力。

本文結(jié)合水文自動監(jiān)測的具體特點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展需求，對目前水文自動監(jiān)測中已廣泛使用的4G等無線通信技術(shù)和5G技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，提出了5G在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用場景。

1 水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中的通信技術(shù)分析

水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測站自動采集的各要素?cái)?shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[2]。系統(tǒng)通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。常用于水文自動監(jiān)測的無線傳輸方式主要有超短波、衛(wèi)星、GPRS及4G等。由于監(jiān)測站一般部署在野外，不適合大范圍長距離的鋪設(shè)線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且隨著無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，有線傳輸方式在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用逐漸減少。超短波傳輸應(yīng)用很早，但使用性價(jià)比低，信號傳輸受地形影響大，其應(yīng)用范圍日趨局限。衛(wèi)星通信可解決偏僻站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸難題，但其投入和運(yùn)行成本高，以及自身技術(shù)特點(diǎn)的局限性，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受限。

GPRS（2.5G）是在GSM（2G）系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務(wù)，具有永遠(yuǎn)在線、占用系統(tǒng)資源少的優(yōu)點(diǎn)。3G在國內(nèi)生命周期較短，很快被速率更高、兼容性更強(qiáng)的4G取代，而且國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)已廣泛覆蓋。目前，在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域，無線傳輸方式以GPRS和4G為主，GPRS與4G技術(shù)特點(diǎn)如表1所列。

由表1可知：在速率、帶寬、時(shí)延上，GPRS與4G存在較大差距，而且隨著4G網(wǎng)絡(luò)的迅速普及以及各大運(yùn)營商提速降費(fèi)政策的不斷推進(jìn)，4G和GPRS數(shù)據(jù)流量的使用成本也并無差異，所以目前很多監(jiān)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(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸性能。

2 5G通信技術(shù)

2.1 5G技術(shù)特點(diǎn)

第五代移動通信技術(shù)（5G）是面向日益增長的移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信技術(shù)。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(gè)量級甚至更高，其無線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)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(shù)為基礎(chǔ)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(shù)密切銜接，為移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供無所不在的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)能力，以滿足未來10 a移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1 000倍的發(fā)展需求。移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信和高可靠、低時(shí)延通信為其主要應(yīng)用場景，如圖2所示。對5G而言，其性能指標(biāo)不再單純地強(qiáng)調(diào)峰值速率，而是綜合考慮8個(gè)技術(shù)指標(biāo)：峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動性、時(shí)延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度[3-4]，如圖3所示。

GPRS（2.5G）、4G技術(shù)在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)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(chǎn)品應(yīng)用指日可待。目前，5G處于通信網(wǎng)絡(luò)完善以及終端產(chǎn)品的研發(fā)之中，5G商用試點(diǎn)在不斷推進(jìn)，國內(nèi)有北上廣等20個(gè)城市可以享受5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，30個(gè)省市可以撥通5G電話。隨著2019年正式進(jìn)入5G商用元年，各大運(yùn)營商和通信商正緊鑼密鼓地開展網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G的大規(guī)模商用指日可待。

2.2 5G與4G的比較

如今，4G通信被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，給人們的生產(chǎn)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(shù)，具有高速率、低延時(shí)、大容量以及頻譜效率高、連接密度大等優(yōu)點(diǎn)[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(shí)延、連接容量、移動性等方面具有很大優(yōu)勢，可為水文自動監(jiān)測提供快捷高效的通信手段。

3 5G在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用前景分析

3.1 水文自動監(jiān)測的發(fā)展需求

隨著水文信息化發(fā)展，水文自動監(jiān)測不再局限于水位、雨量等簡單參數(shù)的監(jiān)測，正朝著多要素、全要素方向邁進(jìn)。長江口近海單個(gè)水文站就包含雨量、水位、風(fēng)速風(fēng)向、鹽度和泥沙、能見度、水質(zhì)、流速流量等多要素自動監(jiān)測，如圖4所示。監(jiān)測要素的不斷增加對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延和穩(wěn)定性提出了更高的要求，4G傳輸已不能滿足要求，需要專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

流量在線監(jiān)測一直是水文自動監(jiān)測的重難點(diǎn)，也是水文現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。武漢大學(xué)研發(fā)的RISMAR-U型超高頻雷達(dá)流速流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，工作原理是雷達(dá)接收機(jī)連續(xù)不斷地接收來自水面的散射電磁波，經(jīng)放大、濾波、數(shù)字化、解調(diào)和抽取等一系列處理后，將數(shù)字信號以大約14 Mbps的速度發(fā)送給現(xiàn)場工控機(jī)，工控機(jī)進(jìn)行多通道處理，實(shí)現(xiàn)回波的距離、方位、速度處理，形成徑向流場數(shù)據(jù)，再通過4G傳輸?shù)街行恼?，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)應(yīng)用上還存在如下不足：① 設(shè)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(shè)備繼續(xù)工作，需要配備太陽能供電系統(tǒng);③ 數(shù)據(jù)傳輸量大且要求及時(shí)處理，對通信網(wǎng)帶寬、時(shí)延和穩(wěn)定性要求高;④ 現(xiàn)場環(huán)境要求高，安裝難度較大，后期運(yùn)維成本高。

3.2 5G通信在RISMAR-U型超高頻雷達(dá)測流系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

RISMAR-U型超高頻雷達(dá)流速流量在線監(jiān)測系統(tǒng)難點(diǎn)是處理每秒14 Mb的數(shù)字信號?，F(xiàn)有方式下，由于4G網(wǎng)絡(luò)雖然其理論上行速度能達(dá)到50 Mbps，但在實(shí)際使用過程中受技術(shù)特點(diǎn)及使用環(huán)境限制，上行速度大部分時(shí)間低于10 Mbps，因此，不能通過4G直接將數(shù)字信號傳輸?shù)街行恼咎幚?，需要在現(xiàn)場增設(shè)工控機(jī)處理。

如果采用5G通信，上行速率理論上可以達(dá)到10 Gbps，時(shí)延只有1 ms，其高速率、低延時(shí)和高穩(wěn)定性能極大滿足該測流系統(tǒng)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)計(jì)算的需求，即工控機(jī)后移到中心站，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)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(shè)備結(jié)構(gòu)模式，現(xiàn)場只需要處理電磁波信號，大量的分析計(jì)算工作通過5G傳輸?shù)胶笈_處理。其優(yōu)勢如下：① 可以有效降低整套設(shè)備功耗約40%，從而降低對供電的要求;② 不用架設(shè)交流電，現(xiàn)場可直接采用太陽能浮充蓄電池供電方式;③ 通過簡化現(xiàn)場設(shè)備，降低了安裝維護(hù)難度和成本，增強(qiáng)了設(shè)備的野外適用能力。RISMAR-U雷達(dá)測流系統(tǒng)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(jiān)測的應(yīng)用前景

水文現(xiàn)代化需要以先進(jìn)技術(shù)手段和儀器設(shè)備推廣應(yīng)用為重點(diǎn)，以增強(qiáng)水文自動監(jiān)測和信息服務(wù)能力為目標(biāo)，加快推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備配置和應(yīng)用。而在這些新技術(shù)裝備的使用過程中，不同的裝備對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)延。同時(shí)，水文監(jiān)測站建設(shè)正朝著無人值守和自動測報(bào)方向發(fā)展，高清質(zhì)量的視頻監(jiān)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(jiān)測需要一個(gè)可靠性高、兼容性強(qiáng)、速率高、容量大的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)水文自動監(jiān)測多要素甚至全要素監(jiān)測的發(fā)展方向要求，降水量、水位、流量、水質(zhì)、水溫、水面蒸發(fā)量、土壤墑情等越來越多的水文要素實(shí)現(xiàn)了自動監(jiān)測，各種技術(shù)手段和儀器設(shè)備不斷地被引入應(yīng)用。如前文中提到的武漢大學(xué)RISMAR-U型超高頻雷達(dá)流速流量在線監(jiān)測系統(tǒng)、河海大學(xué)圖像法測水位、視頻方式校測水位等，在這些技術(shù)手段的應(yīng)用中，大數(shù)據(jù)量、低延時(shí)是它們的共性。而對于5G而言，實(shí)時(shí)處理大數(shù)據(jù)恰恰是它的優(yōu)勢所在，因?yàn)?G的低時(shí)延，結(jié)合其邊緣云計(jì)算的能力，可以確保儀器設(shè)備實(shí)時(shí)完成測量-計(jì)算-校正-再測量這個(gè)過程，這種特性很適合用于瞬時(shí)測量數(shù)據(jù)量大且需要不斷校正但儀器本身又不具備大數(shù)據(jù)量計(jì)算能力的水文儀器設(shè)備。

此外，儀器設(shè)備、識別算法等結(jié)合超高清圖像和視頻，能很好地完成水位、水面蒸發(fā)等水文要素自動監(jiān)測。對于高清圖像和視頻而言，目前大部分采用的是傳統(tǒng)有線接入方式，而5G的高速率和高穩(wěn)定性能有效解決水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中部分地區(qū)鋪線施工成本高、周期長、后期維護(hù)困難等痛點(diǎn)，規(guī)避了常規(guī)光纜連接易受周邊環(huán)境影響的缺陷。同時(shí)，通過在邊緣云中部署AI功能，結(jié)合專用的傳感器及遙測終端設(shè)備所采集到的水質(zhì)、水位、水流等數(shù)據(jù)流信息，實(shí)現(xiàn)河道漂浮物快速識別、水位監(jiān)測等多種應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對江河湖泊的全面智能監(jiān)控，大大提升監(jiān)管效率，節(jié)約人力成本。

不僅如此，5G+在水文行業(yè)中還有其他應(yīng)用[8-10]：① 站內(nèi)VR/AR巡檢維護(hù)，引入5G+VR/AR技術(shù)用于水文站內(nèi)的日常巡檢維護(hù)，使得運(yùn)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(tǒng)，按規(guī)范流程進(jìn)行日常巡檢，猶如身臨其境;② 站外無人機(jī)巡視應(yīng)急，利用5G+無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行水文站點(diǎn)、河流河道查勘。5G大帶寬、低延時(shí)特性保障數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)回傳的優(yōu)勢以及無人機(jī)視野開闊無死角的優(yōu)勢，能將之前無法涉及的區(qū)域均巡查覆蓋，同時(shí)利用水下無人機(jī)有效接觸水體的優(yōu)勢，將水質(zhì)、水情、水下視頻等信息實(shí)時(shí)采集反饋。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信技術(shù)要求，對比分析了4G和5G技術(shù)特點(diǎn)，展現(xiàn)出5G在數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延、連接容量、移動性等方面的優(yōu)勢。同時(shí)，通過對水文自動監(jiān)測的發(fā)展需求和5G在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢和前景分析，表明了5G符合水文自動監(jiān)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(gè)速率高、可靠性好、容量大、兼容性強(qiáng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求，使得監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集處理簡單、儀器設(shè)備集成度高，從而使流量、泥沙等實(shí)現(xiàn)在線一體化監(jiān)測。

雖然上述分析都顯示出5G通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域甚至水文行業(yè)的良好應(yīng)用前景，但其在帶來高速率、低延時(shí)等便利之時(shí)，也增加了功耗和通信成本等問題。因此，當(dāng)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(jiān)測系統(tǒng)更好的結(jié)合是后期需要研究探討的方向。

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（編輯：謝玲嫻）

引用本文：

史東華，龍少穎.5G通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)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