3G/4G通信技术在援老挝地震监测台网项目的设计与应用

撰文 /

援外地震监测台网卫星通信系统及相关业务应用

一、前言

中国地震局多年来在满足自身业务发展的同时，积极响应国家号召，圆满完成多项国家地震援外工作任务，包括援巴基斯坦地震监测台网、援印尼地震监测台网、援老挝地震监测台网等项目。满足了上述国家在经济和社会高速发展的背景下，发展防震减灾事业，降低生命财产损失的迫切需求，提升了我国在地震科技领域的世界影响力，同时增进了了中国同周边国家睦邻友好、互利共赢的良好局面。对于地震行业，通过援外项目的不断开展，拓展了地震行业服务范围与领域，进一步增强我国地震专业技术的成果转化与输出，同时援外台网的建成与使用，大幅提升了我国周边地区地震监测能力。

网络通信系统作为援外地震监测台网的重要组成部分，担负着实时数据的传输工作，近年来，随着业务需求的不断增加以及观测技术手段的不断进度，对于网络通信系统在传输速率、运行可靠性、网络可维护性、建设运行成本、安全性等方面提出了新的要求。

二、通信系统现状与不足

援外地震监测台网的设计建设最初在2006年前后开始，考虑到当时援建国家的实际情况，以及当时通信技术手段的局限性，援外地震监测台网项目在网络通信系统设计全部使用卫通方式实现境外监测台的数据传输，卫星通信最大的特点是不受当地通讯环境的影响，可实现自组网，即数据通过卫星实现由境外台站到境内卫星中心站的传输，适合通信条件恶劣地区使用。综合当时援建地区的经济情况，以及网络通信条件，卫星通信方式是当时唯一可行的通信方式。

在援外地震监测台网后续运行维护中，卫星通信系统作为境外地震监测台使用的弊端逐渐显现。首先是数据通信质量，受制于卫星通信自身技术特性的制约，卫通系统通信存在较大时延，在800-1000ms之间，不利于大量数据快速传输，并且容易受到大雨等恶劣天气影响；其次，卫通系统建设成本和使用维护成本较高，以目前援外台网使用的卫通系统作为参考，其系统单台站采购成本 5万-7万元，如考虑援外台站建设，总成本超过10万元（包括现场专业安装以及卫星天线基墩建设），同时卫星中心站建设成本超过100万元，后期还需要根据卫星节点数量增加投资，同时通信费用价格较高，1M带宽的卫通信道年租用费超过10万元，系统建设使用经济性较差；在运行环境要求方面，目前使用的卫通系统对于供电要求很高，实际运行功率在100-120W，峰值功率可达到150W，对于供电条件有限地区以及采用太阳能供电的台站，无法满足连续供电要求，经常出现通信断续的情况；而且卫通系统日常运行维护需要专业人员进行，一旦出现频偏、设备损坏等情况，需要专业人员前往境外现场处理，维护成本很高，系统效能较低。上述4方面问题在援外台网投入运行后陆续显现，亟需提出合理的技术方案，予以解决。

序号　技术需求　指标与要求备注1　广域网通信模式支持3G/4G全网通模式，可实现自动注册入网与自组网功能。支持TD-LTE/TD-SCDMA制式网络；支持FDD-LTE/WCDMA制式网络；兼容WCDMA、CDMA2000、CDMA、TD-SCDMA、GSM移动、联通、电信等运营商通信协议2　局域网接入要求　4-8个10/100M自适应以太网接口3　网络基本功能　支持IPv4/IPv6、支持RIPv1/v2、OSPF、BGP；支持QoS、H-QoS 4安全支持　支持GRE、IPIP、L2TP、PPTP、手动隧道、GRE自动隧道、ISATAP隧道、6to4自动隧道等隧道技术支持IPSec VPN功能、反向路由注入、NAT穿越等功能5　系统运行环境要求　零下30－75°C 6　系统整体功耗　满负荷工作下小于10W　可支持220V交流与12V直流供电7建设成本　台站节点系统设备成本不高于0.6万元/套；中心节点设备成本不高于20万（可承载1000个以上3G/4G台站接入）8通信费　按当前国内3G/4G信道资费，单测震台一年3G/4G通信费为0.03万-0.05万元2016年12月

三、基于3G/4G的无线广域网通信系统

当前，随着经济发展与社会进步，尤其是移动互联技术的快速发展与应用，运营商已陆续推出3G/4G等业务，实现高速的移动互联。移动通信系统正在从单一的语音功能向高宽带、同时支持IP语音通信、数据通信、视频流媒体传输等技术方向发展，系统则向着小型化、专业化、模块化、安全化、低功耗、低成本方向发展，无论何时何地，只要当地有信号覆盖，都可迅速便捷地建立稳定安全的高速通信系统。目前我国3G通信模式最高可达21.7Mbps带宽，实际传输速率在1Mbps-2Mbps；4G通信模式最高可达到100Mbps带宽，实际传输速率在10Mbps-40Mbps。如果将基于3G/4G的无线广域网通信技术运用在地震监测台站的网络通信系统，用于实时数据传输，将成为继专线通信方式、卫星通信方式后第3类可广泛用于地震监测台站的广域网通信模式。

1.需求分析

充分结合3G/4G新一代无线广域网通信技术，利用通信运营商在各个区域覆盖的移动通信资源，实现地震监测台站到中心节点的自动注册组网、网络高速互联、数据安全传输、长期稳定运行、降低总体建设成本与使用成本、便于日常维护使用。此外，该系统应与现有地震监测网络系统有较好的兼容性，在实施部署过程中对现有系统不产生影响。主要指标要求如下表：

2.关键技术

目前运营商提供的3G/4G无线广域网接入服务均依托互联网提供支持，对于地震行业的应用无法直接使用，主要原因包括两方面，第一，通过互联网传输地震数据，无法满足安全性要求；第二，互联网的公网IP地址与地震行业网的私有IP地址无法进行便捷通信。综合上述面临的问题，在地震行业内实现3G/4G无线广域网技术应用，需要配套相应的技术手段，实现安全性与网络互连互通的需求。解决网络互连互通的问题可使用VPN组网技术实现，数据安全传输可采用加密技术解决。

（1）VPN组网技术

广域网虚拟组网技术简称VPN技 术（Virtual Private Network），其技术方式包括PPTP、L2TP、MPLS VPN、IPSec等方式。PPTP主要用于点对点传输，不适用于地震行业全局层面多点组网的模式；L2TP为Cisco厂商私有协议，适用范围有一定局限性，不适合全网兼容性与后期扩容升级；MPLS VPN采用2.5层标签交换技术，多用于运营商的大型广域网通信，如使用该技术协议，对已有的地震行业网系统需要有较大调整，会对现有业务应用造成较大影响。通过比对分析后，采用IPsec VPN技术进行虚拟组网，可保证通过3G/4G模式传输在互联网中的数据进行二次封装，实现地震监测台站节点的网络与地震行业网的互联互通，同时支持3G/4G通信系统的自组网功能。

系统总体结构图

（2）加密技术

地震行业对数据信息在广域网传输中的安全性与保密性有相关要求，需要对IPSec隧道封装后的数据进行传输加密。未采用加密技术封装的数据包在网络中为明文传输，在非可控的广域网传输过程中一旦遭到网络监听，存在重要数据信息泄露的风险，所以需要对IPSec隧道内的数据信息进行加密。通过调研分析，加密算法采用我国自主研发的硬件加密技术SM1算法，不再使用传统的国外公开算法，如DES、3DES、AES等。

3.技术实现与典型设计

（1）技术实现

基于3G/4G的广域网通信系统在技术实现上需要考虑中心节点与台站节点两部分内容。

中心节点部分建设2路互联网专线用于汇聚3G/4G台站节点的通信数据。2路专线分别采用国内不通的2家通信运营商的骨干互联网资源，每路互联网专线配备2－4个固定的公网IPv4地址，专门用于与台站节点的网络通信。互联网接入使用高性能防火墙与路由器完成，防火墙实现状态检测，安全过滤，访问控制等功能，路由器则实现互联网路由功能，及两路互联网专线的负载与备份功能。

台站节点部分则由一体化的3G/4G网络设备，3G/4G通信网卡组成。一体化3G/4G网络设备具备路由、交换功能，同时根据需要可增加无线局域网模块，可使用多种组网需求，配置的3G/4G模块可支持各类无线广域网技术（7模全网通），可根据使用区域3G/4G信号资源情况灵活选择不同运营商。设备通过3G/4G通信网卡实现拨号入网，通过与中心节点的IPSec VPN互连实现基于虚拟专网的数据传输，并通过加密算法对数据进行传输加密。台站端接入设备采用自组网技术设计，在进行初始配置后，开机后可与国家中心之间实现自动组网，无需人工干预，对于现场的安装部署非常便捷。同时，在网络出现故障后，可进行远程管理调试，也可根据设备指示灯判断问题，如设备损坏，可快递备机至台站节点，维护人员进行基本设备替换、线缆插拔等简单工作，开机后即可自动组网，便于日常维护使用。

（2）典型设计

考虑到国内地震监测台站、境外地震监测台站、移动观测、现场应急等多种应用场景，对于3G/4G的应用模式进行了3类典型设计。

设计1：独立3G/4G通信模式

该模式使用一套独立的3G/4G网络设备，通过3G/4G网络实现互联网接入，并通过VPN与数据加密，实现与中心节点的网络互连与数据传输。

设计2:地面通信模式与3G/4G通信模式融合

该模式主要用于对已有地面通信模式的台站节点，通过3G/4G网络实现网络备份与自动切换。其实现原理为，将3G/4G网络设备接入已有的地面网络通信设备，通过动态路由协议的路径选择功能，实现地面网络与3G/4G网络的备份。在日常模式下，数据由地面网络传输，3G/4G网络系统处于监听备份状态，当地面网络出现故障后，网络系统会自动切换至3G/4G网络通信，确保台站数据的实时传输。在地面网络恢复正常后，系统会自动切回至地面网络通信，3G/4G网络恢复监听备份状态。

设计3:卫星通信模式与3G/4G通信模式融合

该模式和地面网络、3G/4G网络融合组网模式原理类似，同时可以根据实际情况选择优先使用的传输方式，即卫通为主、3G/4G备份或3G/4G为主、卫通备份。

老挝通信运营商

四、援外监测台网的应用情况

2015年11月，应老挝气象水文厅的邀请，中国地震局安排专家团队前往老挝开展琅勃拉邦台搬迁和腊肖境外台老挝台站维护工作。其中一项重要任务是在境外开展基于3G/4G网络通信方式的测试与部署工作。

目前，3G/4G网络在老挝的普及率较高，覆盖范围较广，琅勃拉邦与腊肖两个监测台站均有信号覆盖。目前老挝有三大通信运营商，包括老挝电信（ETL）；老挝移动通信（M-Phone）和老挝联通（UniTel）。

此次测试了老挝移动通信（M-Phone）和老挝联通（UniTel）2家运营商的3G/4G网络系统，在完成VPN与数据加密组网后，与国内位于北京的中国地震台网中心进行网络通信，平均网络时延均在290-330ms之间，网络丢包率低于0.3%，网络质量良好，完全可以满足境外监测台网的业务需要。并在琅勃拉邦进行试运行工作，运行1年多来，为境外GNSS基准站业务提供了优质的网络通信服务。

3G/4G通信系统与卫通系统比测表

老挝当地3G/4G无线通信费用

五、结束语

基于3G/4G的无线广域网通信技术是近年来移动互联应用快速发展的产物，对于地震行业其核心价值在于充分利用通信运营商在全国建设的无线网络资源，解决自身业务问题，其灵活的组网方式，使用维护的便捷性，以及低廉的价格，可为地震行业在台站组网、移动观测、现场应急、援外项目等多个业务领域提供支持服务，在地震行业具有巨大的应用前景与推广意义。