卫星通信和物联网技术在水文数据传输中的应用

郦息明 ，郦四俊 ，陈 霞 ，刘婧婧

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；3. 江苏省水土保持生态环境监测总站，江苏 南京 210012；4. 南京中网卫星通信股份有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

近代百年，通信技术发展迅猛，特别是无线通信技术的发展改变了人类的生活和生产方式，无时无刻都在感知着通信技术的服务。到 20 世纪末和21 世纪初，除了智能手机、电视等在生活中应用，更多的通信新技术应用在工业信息数据的传输上，4G移动通信网络、卫星通信、物联网技术等诞生和发展，将过去人类想象似乎的不可能事情变成了现实，这些通信新技术在各行各业得到了广泛的应用[1]。气象和水文信息，作为基础信息，依靠通信新技术，较好地完成了数据的采集和传输，服务了社会，本研究着重论述目前通信新技术在水文数据传输中的应用。水文是研究水的自然变化规律的一门学科，水文要素包括水位、雨量、流量、蒸发等，这些数据的采集为防汛防旱、水资源管理和河长制提供技术支撑，同时也为国民经济发展、科学技术研究和国防建设服务。我国地域辽阔、地形复杂、丘陵纵横、河流密布，水文站点分布在各个流域，水文数据的采集随着信息技术的发展，由过去传统的人工采集逐步走向信息化，其通信方式主要是依靠 4G 移动公网进行数据的传输，现在省级已经建立起 4G 水情遥测网，实时地将水情信息传输到数据库，供决策机关指挥使用。一般在平原或经济发达地区，4G 移动网络已经实现全面覆盖，水情遥测网络信息数据传输较好，但是在西藏、新疆、云南、贵州等边陲山区，山高路远，4G 移动公网信号较弱甚至没有，如何解决这些地区水文站点的数据监测信息的传输是当前要解决的问题。现代通信新技术的发展，利用卫星通信和物联网技术，可作为4G 移动公网无覆盖时的补充通信方式，满足在偏远的地区、山区和沙漠完成实时传输水文数据的要求。本研究将分别阐述卫星通信和物联网技术在水文信息数据传输中的应用。

1 卫星通信及其在水文行业的应用

卫星通信是一种成熟的微波通信的成熟技术，它利用地球上空通信卫星作为中继站，其特性是，不受高山、沙漠、海洋等地形地貌，地理位置，自然灾害等的影响[2]。现在我国主要使用的是同步卫星通信系统，可以用于传输水文监测数据信息的系统有 VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径卫星终端站）和天通北斗卫星通信系统等。VSAT系统具备宽带数据传输，可同时传输数据和视频；天通卫星系统用于窄带数据传输，主要用于数据的传输：北斗系统可以传输监测短报文。在日常的水文监测和自然灾害发生应急监测工作时，4G 水情遥测网信息无法覆盖的地区，可根据监测内容和传输的数据流量选择卫星通信系统。

1.1 VSAT 卫星系统在水文上的应用

VSAT 宽带通信卫星系统，天线口径小，通常为 0.3～1.2 m，典型的视频传输带宽在 2 Mbit/s 左右，可以用来实现数据和视频监控的信息传输。水文站点分布较广，根据流域的特性和水系而布设，水文站有设置在大山深处或国家的边境地区，这些地方人烟稀少，往往 4G 移动网络信号没有覆盖，要想把水文信息及时传输出来，只有依靠通信卫星系统。水文工作中监测的要素主要有水位、雨量、流量等信息，其信息数据流量小，选用窄带通信卫星系统就可以实现，但在工作中还需掌握监测断面的实况信息，特别是自然灾害发生时，需要将水文站点周边的工情工况等监控视频图像及时传输到决策指挥部，为决策机构提供技术支持。因此为了提高水文监测的能力[3]，根据 VSAT 通信卫星系统特性，选用 VSAT 宽带卫星通信系统可以满足需求。

VSAT 通信卫星系统如何在水文数据信息传输中应用，构建 VSAT 宽带卫星通信链路传输水文数据信息的具体方案描述是水文站点传感器将水文要素信号传给数据采集器 RTU，RTU 的功能是将水文信息要素信号转换成标准数据包， 通过 IP 接口送至VSAT 卫星设备终端调制解调器，信号经过调制、功放后，经过卫星天线发向天空的通信卫星，水文信息数据信号经卫星中继后传输到卫星地面站主站，解调电信号成为水文数据信息，将水文数据存入专用的水文数据库中，提供给相关部门用户的使用，这就是一个完整的 VSAT 通信卫星系统在水文数据信息传输中的应用，其通信组网方案如图1 所示。

1.2 天通卫星系统在水文上的应用

卫星通信的另一大家族是天通卫星，工作频率在 S 波段，主要用于小流量的窄带卫星通信系统，是“中国的海事卫星”，广泛用于海洋航行、救助等。天通卫星的主要特点是终端设备体积小，设备成本低，通信资费也低。天通卫星的通信原理基本与 VSAT通信卫星相同，它们的区别主要天通卫星是窄带卫星通信系统，主要是针对数据流量较小的数据传输，如传输水文要素的数据特别适合，通常数据传输速率为 9.6～384.0 kbit/s，互联网接入速率为 64.0～384.0 kbit/s。而 VSAT 通信卫星是宽带系统，既可以传水文数据又可以传视频图像。将天通卫星设备模块集成在已建设的水情遥测网的 RTU 模块中，一个卫星通信的链路就建立起来了。水文数据信息经过卫星通信信道，落地卫星地球主站，接入公网后通过水文内部专线传到水文数据库存储，提供给用户使用，这套系统设备维护成本低，也为使用单位节约了经费。天通卫星系统在水文数据传输时通信组网方案如图2 所示。

2 物联网及其在水文行业应用

简单的说物物相连的通信方式称为物联网（IoT，Internet of Things）。其实从通信概念的建立那一天起，在工业生产中就是将事物的内容通过信息传输到另一个事物中去，所不同的是通信方式的差异。21 世纪初，在信息技术革命中，提出了物联网的概念，这是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段。在节约频率资源和投资经费上将是划时代的，这项技术的提出和诞生，还将有较多的前沿技术需要攻关，许多的标准需要制定，目前物联网有多种技术方案，主要是NB-IoT 和 LoRa 物联网技术[4]。根据水文站点的广泛分布特点，物联网技术可以较好地为水文要素信息的传输服务。

图1 VSAT 卫星通信系统在水文数据传输中通信组网方案

图2 天通卫星系统在水文数据传输中通信组网方案

2.1 NB-IoT 物联网在水文上的应用

3GPP（第三代合作伙伴计划）标准组织于2015 年 9 月提出 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）窄带蜂窝通信 LPWAN 技术。4G 移动通信网络是建立若干个基站的蜂窝通信。NB-IoT 物联网技术是在移动基站信道上搭载信息传输的一项技术，需要和现有的移动运营商共同建立物联网体系，这也大大节约了设备的投资。NB-IoT 物联网主要技术性能如下：1）通信信号强，在现在的移动公网覆盖范围内信号强度的基础上增益提高了 20 dB 以上，同时其信号覆盖范围的面积也扩大了近 100 倍。2）设备低功耗，NB-IoT物联网设备终端如果按照每天发送 1 次 200 Byte 数据报文计，其 AA 电池待机的时间约为 10 a；基站蜂窝通信时单扇区用户数量增加许多，据计算单个扇区可以最多达到 5 万个连接，比原来的高出约50 倍。3）终端设备成本较低，其芯片价格的目标定在 10 元人民币左右。水文站点一般是依水而建的，大部分建设在农村或偏远的地区，4G 移动网的信号由于基站的有限设置而信号覆盖不好，时有时无，如增加基站，由于使用单位少，投资大而浪费，这给水情遥测网的信息准确传输带来了困难，经常造成数据的丢失，使水文数据信息不能及时发送，影响决策机关的指挥，特别是自然灾害发生时，准确的水情信息将决定国家和人民的生命和财产的安全，事关重大。因此基于 NB-IoT 物联网技术性能，在 4G 移动网络覆盖不到的地区，NB-IoT物联网可以为水文数据传输提供良好的通信服务，使水情遥测网运行稳定。采用 NB-IoT 物联网通信技术，只需将原来水情遥测网的前置数据采集器RTU 和 DTU 模块设备更换成 NB-IoT 物联网模块设备，NB-IoT 物联网水文数据采集传输的通信系统即构建完成。这既解决了移动公网信号弱的问题，又节约了投资[5]。NB-IoT 物联网在水文上应用方案如图3 所示。

图3 NB-IoT 物联网在水文上应用方案

2.2 LoRa 物联网在水文上的应用

在业界，基于扩频技术的低功耗窄带远距离通信技术被称作 LoRa（Long Range，远距离传输）物联网技术， NB-IoT 物联网的特点是要与移动运营商合作，在搭载移动公网信道传输信息，而 LoRa技术是自建一个小型局域网，做到小区域内物物相连，并与移动公网组成一个通信链路，达到信息数据的传输目的。由于 LoRa 物联网技术是采用调制的方式，是一种扩频技术，采用该技术具有良好的抗干扰能力，利用公共开放频段十分适用方便。水文站点大部分建设在农村或偏远地区，4G 移动公网信号较弱，为了将多个水库水情或水文站监测数据传输，可以采用 LoRa 物联网技术，在某个区域组成一个局域网，在采集数据信息互相交换的基础上，汇聚点到 4G 移动公网，实现水文数据的信息传输。LoRa 物联网技术设备制造成本低，投资少，其工作原理是建立 LoRa 局域网，将 LoRa 设备模块和其 AP 相连，接入 4G 路由器，再传入公网基站，通过 LoRa 云将信息传输到水文数据库存储，供决策机关使用[6]。LoRa 物联网技术在水文上的应用方案如图4 所示。

图4 LoRa 物联网技术在水文数据传输中的应用方案

3 结语

水文测报工作经历了原始的人工测、算、报、整的过程，随着我国水文信息化发展，从 20 世纪90 年代开始，逐步建设了水情遥测网，进入 21 世纪水文工作信息化发展迅速，水文数据的采集和传输基本实现了自动化，测报实现在线，可以及时实时地提供水文数据，同时也对现代通信技术提出了更多的需求。如何应用现代通信新技术，解决点多、面广的水文监测数据通信传输，确保高质量的信号发送，有力保障水文监测工作的发展。本研究主要从水文数据采集后如何传输，本着节约投资和运行成本的原则，探讨和介绍了几种通信新技术的组网应用方案，总结如下： 1）传统的水情遥测网，主要依靠的是 4G 移动公网传输水文监测数据。这在我国的发达和平原地区已经成熟运行。2）在没有 4G 移动网信号的地区，采用卫星通信技术，包括自然灾害发生时的应急监测，在小流量的传输水文数据时用窄带天通卫星通信系统；在既要传输水文数据，还要传输工情工况的视频图像大流量时，选用 VSAT 宽带通信卫星系统。3）在 4G 移动网信号弱或覆盖不到的地方，采用物联网技术，在基站信号增益增强，通信距离增加较大时，水情遥测网选用 NB-IoT 物联网技术；在水文站点多、且较为分散的，需要建立局域网传输水文数据时选用 LoRa 物联网技术。总之，随着人类的认知，通信技术将不断地发展，同样随着水文工作的发展，信息化的要求也会越来越高，将两者有机的结合起来，才能更好地做好水文工作，防灾减灾，服务社会和造福人类。