水情信息系统中通信链路的应用设计

朱 彤

（北京市水利自动化研究所，北京 100036）

水情信息系统中通信链路的应用设计

朱 彤

（北京市水利自动化研究所，北京 100036）

通信信道是水情信息传输的核心载体，信道质量是水情信息系统中畅通率的最直接保障。论述了GPRS、北斗卫星PSTN等3种典型公共通信方式的特点、带宽设计和计算方法，介绍了水情信息系统传输中通信链路的选用原则。

水情信息；GPRS；北斗卫星；PSTN；公共通信；信道设计

数字通信技术具有抗干扰性强，便于检错、纠错，便于以信息接收、存储、传输的自动化等特点。水情信息系统的监测站，应用数字通信技术，在信息传输方面具有高可靠性、高畅通率。因此，组建以中心站为数据汇集点的星型报讯通信网，信道设计都采用全数字技术，以满足系统对通信的要求。常用的通信链路有GPRS、北斗卫星和PSTN。

1 GPRS信道设计计算[1]

GPRS是一种实现移动互联网即时接入的技术，传输速度理论计算可达160 kBps以上，由于其通信信道是共享的，每个客户永远在线，不传输数据时只是保持逻辑上的联系，信道资源完全让出，只有在系统水情数据包进行传输时才上线进行数据传输。GPRS数据通信协议是按移动数据传输定义的交换数据通信协议，在接入水情数据通信网络时，它的实际典型速度值为：14.4～43.2 kBps（上下行非对称速率），数据传输是双向的。

1.1 GPRS数据通信链路

GPRS信道链路进行水情数据传输，通常采用以下方式进行：水情监测站的自报通信方式和水情中心站的数据召测工作方式。现在我们以60个水情监测站的数据通信情况进行分析：

（1）监测站自报通信方式。考虑到监测站现行的自报通信数据包是固定长度的，按照每包数据25个字节进行计算：单个监测站的数据流应为：25×10=250 Bit；按照60个监测站算：250×60=5 kBit；如果我们要求它在1 s内完成传输，那么中心所占带宽约为15 kbps；如果要求它在2 s内完数据成传输，那么中心所占带宽约为：7.5 kBps；

（2）数据召测工作方式。中心站需要下达的单个监测站指令以10个字节估算；单个监测站接收的指令的数据流为：10×10=100 Bit；如果按照60个监测站估算：100×60=6 kBit；如果我们要求监测站在1 s内完成数据传输，中心所占用的带宽为6 kBps；如果要求监测站在2 s内完成数据传输，它的中心所占用的带宽为：3 kBps。如果按照双向数据传输要求，监测站在2 s内完成数据传输：其中心占用带宽约为：7.5+3=10.5 kBps。

因此，中心在实现双向数据传输，并且在2 s内完成数据测试所占用带宽10.5 kBps，明显小于现行GPRS数据通道的典型值14～42 kBps的数据传输使用的带宽。在考虑监测站实际数据传输时速率会更低一些的情况时，上传数据电报的间隔应该大于2 s的，因此，监测站实际传输水情电报数据要求的带宽应该会更窄，另外，在每个监测站所属地区GPRS实际传输带宽一般大于25 k，由于监测站的实际布设密度有限，一个基站内监测站点不会很多，所以水情数据的上报时间不会有问题。

1.2 GPRS通信链路接入方式的选择

1.2.1 通信链路

根据水文数据传输的特点，考虑到性价比、安全性、实用性、易用性及系统建成后的运行成本，在GPRS传输网上采用TCP传输协议，水情数据采集系统的数据接入方式基本采用现行的移动用户无线数据APN专用接入数据网络方式，我们为水情监测系统设计提供的数据传输通道，一般采用透明的永久数据链路或半永久式数据通信通道。监测站在上报水情数据时，打包提交给GPRS通信模块，GPRS通信模块根据定义的APN数据链路是连接方式，加上勤务码后转换成适合在无线通信连路上传输的移动数据包模式进行数据传输。移动通信客户端的数据通道APN在接收到水情数据后，将水情数据包实时上传到系统的数据中心。按照这种数据传输方式，中心也可以将实时数据通信指令传输到任何一个监测站。

建立基于GPRS无线通信链路的水情APN专用数据通信网具备如下特点：

（1）水情数据通过APN专用数据通信网进行实时传输时，其它的终端通信节点的数据是不能够进行传输的，这样保证了数据传输过程的安全；

（2）水情数据通过APN专用数据通信网进行实时传输时，由于采用了标准的数据通信协议，从而兼顾了水情数据传输的实时性；

（3）现行中心站带宽较宽，通信性能可满足水情报文数据传输要求；

（4）中心站和监测站均可绑定网内的固定IP地址，即使在数据传输时掉线，也可在重新自动上线，不会丢失中心的IP地址。

可实现的通信方式为：

（1）水情终端到水情数据中心可进行多点对中心的数据通信模式；

（2）中心站到水情终端可进行中心对多点的数据通信模式；

（3）水情终端到水情终端之间可进行点对点的数据通信模式。

1.2.2 监测站数据接入的方案

GPRS移动通信运营商为每个监测站水情终端的GPRS数据通信模块提供了GPRS数据通信业务，同时针对每一个监测站客户端分配了一个APN数据网络的固定的IP地址，这样，每一个监测站可以通过GPRS数据通信网直接接入移动的数据网。

1.2.3 系统中心接入的方案

系统中心站一般使用2M带宽通信光纤接入移动通信公司的数据通信网。各中心站从APN路由器直接接入移动公司的2 M带宽数据专线到各中心站机房，在数据通信网接入的端口，采用水情数据接收前置机工作模式，直接与交换机和数据通信路由器相连。具备数据带宽2 Mbps，带宽冗余度大，数据流量不受限制，通信实时性强，尤其对远程读取水情终端的长数据文件时，适合监测站点较多的系统使用。

2 北斗卫星通信信道设计

2.1 水情系统对卫星数据通信链路的需求分析

水情数据传输应用卫星通信系统主要是在针对一些偏远山区，PSTN和GPRS均不能很好覆盖的地方，这种情况下，利用卫星信道就是一种方便的选择。利用通信卫星建立卫星通信信道一般情况下需要建立一个简单的卫星通信地面小站。一个最简单的点对点双向卫星通信地球站（一对一通信）花费也是相当大的，从业务量很小的水文数据采集角度考虑，采用这种办法过于浪费。在这种情况下，使用北斗导航定位系统的通信功能就显得经济适用。

2.2 水情系统对卫星通信链路的要求

水情系统对卫星链路的要求是：中心站能够实现双向点对多点的段数据报文通信；监测站能够实现点对点的水文数据上报。水情系统对卫星信道的实时性要求可以相对较低，对于河道监测站在洪峰到来时，每十几秒或更长些测报一次数据完全满足测报要求，测站每次发送的数据量也比较小，这些特点正好与北斗导航系统的通信特点一致。因此，选用北斗导航系统作为通信链路较为合理。

2.3 北斗卫星数据通信信道

北斗卫星导航系统具有通信功能，但相比其他卫星通信系统来说，由于北斗卫星通信系统本身是为导航定位设计的，通信是一个附带的功能，所以相对于其他专用的通信信道来说，它不是一个连续信道，仅能够传送有限长度的准实时性短报文。

2.3.1 通信体制

北斗卫星定位导航系统是军用卫星导航系统，为了保证其不遭受人为干扰，采用了通信扩频工作方式，每一个用户机对应一张IC卡，每一个IC卡对应一个扩频码，系统保证所有用户的扩频码正交，以此来区分系统中每一个用户。

2.3.2 通信过程

水情用户机在需要数据发送时，需要在下一帧的起始位置，以突发的数据通信形式向卫星主站发送定位信息。但由于采用了不同的扩频码地址，发送的卫星站数据信号是不会互相干扰的。现行的北斗卫星系统能够同时处理约250个终端用户的数据信息。对于超出处理能力的那部分，系统将记录下收到的信号延后处理，在用户机这一方，相应等待结果的时间将会加长。

2.3.3 信道通信拥塞分析

北斗卫星的通信体制是否会造成入站信号碰撞丢失，这种情况在理论上是可能发生的。如果两个有身份码的北斗机在小于等于2个扩频码的时间里通信，即同时发送数据，那么，这些数据信息在卫星主站将出现模糊数据现象，卫星主站就不能够解析出数据内容，本次的数据通信就会失败，需要重新传送数据信息。但是从整个系统用户容量看，这种可能性还是比较小。对于水情系统的应用来说，可通过相关的技术手段，使系统内不同身份的用户机按照一定的顺序进行数据发送，这样就可以保证系统内的各用户机在数据传输时不发生数据冲突。

2.3.4 卫星通信延时分析

北斗卫星使用的是同轨卫星作为数据通信传输平台，在数据通信时产生的延时问题与别的卫星数据通信方式相近，每一个用户机将数据通过卫星将数据传送到地面站，所用时长一般在260～350 ms间，我们选取280 ms作为分析的参考值。

现行的卫星站数据信息传输系统中，标准的规定延时：

一类用户（水情数据采集系统可申请的用户类型）4.34 s；

二类用户（水情数据采集系统可申请的用户类型）1.34 s；

三类用户0.37 s。

通过分析计算，系统实际可用信息速率为下行16 k，上行8 k，扩频后码速率远远高于信息速率。由于受到发射频度和发信长度的限制，用户最高可获得的信息速率为1.92 k，相对于其他通信信道来说，使用北斗定位系统的通信作为信道时，传输速率比较低。所以这种信道适合传输非连续的、实时性要求不太高的短报文。根据水情测报通信的特点，北斗卫星通信可以满足水情测报的实时性通信要求。

3 PSTN通信信道设计计算

3.1 PSTN带宽估算

采用PSTN点到点拨号组网一旦线路接通，理论计算速度可达56 kBps以上，它的实际速度典型值为：28～56 kBps，其数据传输是双向的。

（1）监测站上传水情通信数据包。单个的监测站上报的水情通信数据包以25字节计算，其数据流为：25×10=250 Bit；按20个监测站计算：250×20=5 kBit；如果假设在1 s内完成数据传输，其占用带宽约为5 kBps；如果假设在2 s内完成数据传输，其占用带宽约为2.5 kBps；

（2）中心站召测工作方式。中心站召测工作模式下，以10个字节计算下发指令：监测站接收的数据流为：10×10=100 Bit；按20个监测站计算：100×20=2 kBit；如果假设在1 s内完成数据传输，其占用带宽约为2 kBps；如果假设在2 s内完成数据传输，其占用带宽约为1 kBps；

（3）如果按照双向数据传输，假设在2 s内完成数据传输：中心站带宽约为2.5+1=3.5 kBps；

（4）PSTN的每次拨号所延迟时间计算。每次拨号需要时间以10 s计算：

系统中10个监测站各上报一次拨号总时间：10×10=100 s；中心站要向每个监测站下达一次指令的拨号时间：20×10=200 s。

如果1条PSTN通信线路按20个站全部使用双向数据传输所需要的总时间：T=200+200+2=402 s。

3.2 分析结论

采用PSTN信道传输电路带宽余量比较充裕，电路的设计中主要考虑建立电路连接的拨号时间问题，按照以上分析可以看出，选择3倍以上时间冗余量满足20 min完成全部数据传输的站点数不能超过30个站点，若站点较多就要在中心站建立PSTN电路的MODEM池采用多条电路进行接收。

4 公共信道的选用

根据以上分析，在水文自动测报系统中设计公网信道主要考虑如下特点：

（1）用GPRS组网，信道稳定可靠，系统容量较大，无需中继则可用于无限远距离传输，可方便地实施远程控制，系统设备体积小、重量轻、功耗低、安装方便，一次性建设投资少，维护管理简单，运行费用低。但个别偏远区域有盲区，通信质量较差；受行政区域影响，在位于行政边界区域常常会出现信号飘移现象，造成信号不稳定。在考虑和避免其不利因素影响后可作为主信道使用，如果中心站包含20个站点以内可采用GPRS无线路由方式接入；超过20个站点以上最好使用2兆带宽DDN光纤从移动网关路由器接入方式；

（2）北斗卫星通信具有通信可靠，通信质量高、数据传输误码率低、容量大、功率小、通信不受地形地域限制、投资不随通信距离增加而增加的优势，但一次性投资和运行费用都较高，不宜全面推广使用。宜在偏僻地区或作为备用信道方式在监测站上使用；

（3）PSTN信道通信质量好、设备简单、价格便宜、技术成熟，但运行费用高、抵御大洪水的能力较低，通常只用于备用信道使用，可将其与GPRS/北斗卫星通信的信道组成互为备份的双信道设计，以提高信道传输的保证率。

（责任编辑：刘征湛）

Communication link design of water regime information system

ZHU Tong
(Beijing Water Automation Institute,Beijing 100036,China)

Communication channel is the core carrier of water regime information transmission.Qualified channel is the most direct guarantee of smooth transmission.The characteristics,band width design and calculation methods of three typical public communication modes were discussed,including GRPS,Beidou satellite and PSTN.An introduction was made on the principles of selecting communication link for water regime information stransmission.

Water regime information;GPRS;Beidou satellite;PSTN;public communication;channel design

TN92；P335

B

1003-1510（2016）06-0019-04

2016-07-26

朱 彤（1967-），女，北京人，北京市水利自动化研究所工程师，学士，主要从事水利自动化信息系统通信设计。