5G通信技术在水文自动监测中的应用前景分析

史东华 龙少颖

摘要：

随着移动通信技术的发展，5G移动通信网络将提供高速率、低延时、大容量的可靠连接，为水文监测信息化与智能化提供一个理想的解决方案。简要分析了水文自动监测系统中常用的几种通信技术，重点从传输速率、带宽、时延等方面对比分析了5G与目前在水文领域已广泛使用的4G无线通信技术之间的差异。同时，结合5G在RISMAR-U型雷达测流系统和其他水文多要素监测系统中的应用优势，详细阐述了5G通信技术在水文自动监测领域的显著优势及良好的应用前景。研究成果可为今后水文监测信息化、智能化的建设提供借鉴。

关 键 词：

5G通信技术; 水文自动监测; 信息化; 应用前景

中图法分类号： P332

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.038

0 引 言

随着2019年真正进入5G商用元年，作为当前的前沿科技，5G移动通信技术所引导的科技变革将势在必行，所产生的技术迭代也跃跃欲试[1]。作为与移动通信技术同步发展的水文自动监测系统，其无线通信方式从GSM到GPRS，再到4G，随着移动通信技术的进步也在不断地更新换代。在水文现代化的大背景下，水文自动监测正朝着多要素、全要素的方向发展，以无人值守为主体的自动监测模式将是发展趋势，这些新的自动监测方式对数据传输的时效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，商用成熟的卫星、GPRS和4G无线通信技术在水文自动监测的大容量实时数据传输和可视化等方面均存在速率低和时延长等问题，以光缆为载体的有线数据传输方式存在前期投入大、后期维护费用昂贵的问题，而卫星通信等方式在传输容量方面也存在制约。5G的出现为类似问题的解决以及更多水文自动监测新技术的实现提供了极大便利。从目前发展趋势来看，由于5G的商用化和覆盖面仍显不足，水文自动监测中的无线通信技术仍以卫星、GPRS和4G为主导，但随着5G通信网络的构建及其商用生态的完善，其高速率、低延时、大容量的优势会越来越具有吸引力。

本文结合水文自动监测的具体特点和应用发展需求，对目前水文自动监测中已广泛使用的4G等无线通信技术和5G技术特点进行了对比分析，提出了5G在水文自动监测领域中的应用场景。

1 水文自动监测系统中的通信技术分析

水文自动监测系统中，监测站自动采集的各要素数据通过通信网络发送到数据监控中心[2]。系统通信组网结构如图1所示。常用于水文自动监测的无线传输方式主要有超短波、卫星、GPRS及4G等。由于监测站一般部署在野外，不适合大范围长距离的铺设线缆进行数据传输，且随着无线通信技术的不断进步，有线传输方式在水文自动监测中的应用逐渐减少。超短波传输应用很早，但使用性价比低，信号传输受地形影响大，其应用范围日趋局限。卫星通信可解决偏僻站点的数据传输难题，但其投入和运行成本高，以及自身技术特点的局限性，导致其应用范围受限。

GPRS（2.5G）是在GSM（2G）系统基础上发展起来的分组数据承载和传输业务，具有永远在线、占用系统资源少的优点。3G在国内生命周期较短，很快被速率更高、兼容性更强的4G取代，而且国内的4G网络已广泛覆盖。目前，在水文自动监测领域，无线传输方式以GPRS和4G为主，GPRS与4G技术特点如表1所列。

由表1可知：在速率、带宽、时延上，GPRS与4G存在较大差距，而且随着4G网络的迅速普及以及各大运营商提速降费政策的不断推進，4G和GPRS数据流量的使用成本也并无差异，所以目前很多监测站在升级改造过程中，均使用4G模块取代老旧的GPRS，以此来提升监测站数据传输性能。

2 5G通信技术

2.1 5G技术特点

第五代移动通信技术（5G）是面向日益增长的移动通信需求而发展的新一代移动通信技术。5G具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高了一个量级甚至更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也得到显著的提高。

面对未来多样化场景的差异化需求，5G不会像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案，而是与其他无线移动通信技术密切衔接，为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力，以满足未来10 a移动互联网流量增加1 000倍的发展需求。移动宽带、大规模机器通信和高可靠、低时延通信为其主要应用场景，如图2所示。对5G而言，其性能指标不再单纯地强调峰值速率，而是综合考虑8个技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度[3-4]，如图3所示。

GPRS（2.5G）、4G技术在水文自动监测领域已经成熟使用。5G的到来将会让移动通信再次变革，AR、VR、AI等前沿科技产品应用指日可待。目前，5G处于通信网络完善以及终端产品的研发之中，5G商用试点在不断推进，国内有北上广等20个城市可以享受5G网络覆盖，30个省市可以拨通5G电话。随着2019年正式进入5G商用元年，各大运营商和通信商正紧锣密鼓地开展网络建设，5G的大规模商用指日可待。

2.2 5G与4G的比较

如今，4G通信被广泛应用于各行各业，给人们的生产生活带来了很多便利。而5G作为最新一代蜂窝移动通信技术，具有高速率、低延时、大容量以及频谱效率高、连接密度大等优点[5]。5G与4G具体性能比较如表2所列。

由表2可知：相比4G，5G在速率、时延、连接容量、移动性等方面具有很大优势，可为水文自动监测提供快捷高效的通信手段。

3 5G在水文自动监测中的应用前景分析

3.1 水文自动监测的发展需求

随着水文信息化发展，水文自动监测不再局限于水位、雨量等简单参数的监测，正朝着多要素、全要素方向迈进。长江口近海单个水文站就包含雨量、水位、风速风向、盐度和泥沙、能见度、水质、流速流量等多要素自动监测，如图4所示。监测要素的不断增加对数据通信网络带宽、时延和稳定性提出了更高的要求，4G传输已不能满足要求，需要专网进行数据传输。

流量在线监测一直是水文自动监测的重难点，也是水文现代化的发展趋势。武汉大学研发的RISMAR-U型超高频雷达流速流量在线监测系统，工作原理是雷达接收机连续不断地接收来自水面的散射电磁波，经放大、滤波、数字化、解调和抽取等一系列处理后，将数字信号以大约14 Mbps的速度发送给现场工控机，工控机进行多通道处理，实现回波的距离、方位、速度处理，形成径向流场数据，再通过4G传输到中心站，其结构如图5所示。该系统应用上还存在如下不足：① 设备整体功耗约90 W，需要交流电供电;② 为保证交流电中断后设备继续工作，需要配备太阳能供电系统;③ 数据传输量大且要求及时处理，对通信网带宽、时延和稳定性要求高;④ 现场环境要求高，安装难度较大，后期运维成本高。

3.2 5G通信在RISMAR-U型超高频雷达测流系统中的应用优势

RISMAR-U型超高频雷达流速流量在线监测系统难点是处理每秒14 Mb的数字信号。现有方式下，由于4G网络虽然其理论上行速度能达到50 Mbps，但在实际使用过程中受技术特点及使用环境限制，上行速度大部分时间低于10 Mbps，因此，不能通过4G直接将数字信号传输到中心站处理，需要在现场增设工控机处理。

如果采用5G通信，上行速率理論上可以达到10 Gbps，时延只有1 ms，其高速率、低延时和高稳定性能极大满足该测流系统大量实时数据远程传输和实时计算的需求，即工控机后移到中心站，现场采集的数据采用后端处理模式，如图6所示。采用5G通信可以从根本上改变设备结构模式，现场只需要处理电磁波信号，大量的分析计算工作通过5G传输到后台处理。其优势如下：① 可以有效降低整套设备功耗约40%，从而降低对供电的要求;② 不用架设交流电，现场可直接采用太阳能浮充蓄电池供电方式;③ 通过简化现场设备，降低了安装维护难度和成本，增强了设备的野外适用能力。RISMAR-U雷达测流系统采用5G与4G传输方式的对比如表3所列。

3.3 5G在水文自动监测的应用前景

水文现代化需要以先进技术手段和仪器设备推广应用为重点，以增强水文自动监测和信息服务能力为目标，加快推进水文现代化建设技术装备配置和应用。而在这些新技术装备的使用过程中，不同的装备对数据通信网络的需求各不相同[6-7]，有些要求高可靠，有些要求高带宽，而有些则要求低时延。同时，水文监测站建设正朝着无人值守和自动测报方向发展，高清质量的视频监控必不可少，对无线通道的传输速率和容量提出了更高要求。总体而言，水文自动监测需要一个可靠性高、兼容性强、速率高、容量大的无线传输网络。

根据水文自动监测多要素甚至全要素监测的发展方向要求，降水量、水位、流量、水质、水温、水面蒸发量、土壤墒情等越来越多的水文要素实现了自动监测，各种技术手段和仪器设备不断地被引入应用。如前文中提到的武汉大学RISMAR-U型超高频雷达流速流量在线监测系统、河海大学图像法测水位、视频方式校测水位等，在这些技术手段的应用中，大数据量、低延时是它们的共性。而对于5G而言，实时处理大数据恰恰是它的优势所在，因为5G的低时延，结合其边缘云计算的能力，可以确保仪器设备实时完成测量-计算-校正-再测量这个过程，这种特性很适合用于瞬时测量数据量大且需要不断校正但仪器本身又不具备大数据量计算能力的水文仪器设备。

此外，仪器设备、识别算法等结合超高清图像和视频，能很好地完成水位、水面蒸发等水文要素自动监测。对于高清图像和视频而言，目前大部分采用的是传统有线接入方式，而5G的高速率和高稳定性能有效解决水文自动监测系统中部分地区铺线施工成本高、周期长、后期维护困难等痛点，规避了常规光缆连接易受周边环境影响的缺陷。同时，通过在边缘云中部署AI功能，结合专用的传感器及遥测终端设备所采集到的水质、水位、水流等数据流信息，实现河道漂浮物快速识别、水位监测等多种应用，从而实现对江河湖泊的全面智能监控，大大提升监管效率，节约人力成本。

不仅如此，5G+在水文行业中还有其他应用[8-10]：① 站内VR/AR巡检维护，引入5G+VR/AR技术用于水文站内的日常巡检维护，使得运管人员不必亲身前往，只需站在巡检台上便可跟随VR/AR系统，按规范流程进行日常巡检，犹如身临其境;② 站外无人机巡视应急，利用5G+无人机技术进行水文站点、河流河道查勘。5G大带宽、低延时特性保障数据信息实时回传的优势以及无人机视野开阔无死角的优势，能将之前无法涉及的区域均巡查覆盖，同时利用水下无人机有效接触水体的优势，将水质、水情、水下视频等信息实时采集反馈。

4 结 语

本文根据水文自动监测系统中的数据通信技术要求，对比分析了4G和5G技术特点，展现出5G在数据传输速率、时延、连接容量、移动性等方面的优势。同时，通过对水文自动监测的发展需求和5G在水文自动监测中的应用优势和前景分析，表明了5G符合水文自动监测在流量、泥沙等多要素以及高清视频图像等方面需要一个速率高、可靠性好、容量大、兼容性强的无线传输网络的要求，使得监测站点的数据采集处理简单、仪器设备集成度高，从而使流量、泥沙等实现在线一体化监测。

虽然上述分析都显示出5G通信技术在水文自动监测领域甚至水文行业的良好应用前景，但其在带来高速率、低延时等便利之时，也增加了功耗和通信成本等问题。因此，当5G全面商用后，如何降低功耗和使用成本来将其与水文自动监测系统更好的结合是后期需要研究探讨的方向。

参考文献：

[1] 曾剑秋.5G移动通信技术发展与应用趋势[J].电信工程技术与标准化，2017，30（2）：1-4.

[2] 王慧斌，徐立中，谭国平，等.水文自动测报物联网系统及通信组网与服务[J].水利信息化，2018（3）：1-6.

[3] 张平，陶运铮，张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报，2016，37（7）：15-29.

[4] 錢承远.5G移动通信关键技术的分析及其未来发展前景[J].通讯世界，2017（14）：125-126.

[5] 肖育苗，吕亚莉.5G与4G网络的对比分析综述[J].中国新通信，2017，19（11）：83-84.

[6] 艾萍，于家瑞，马梦梦.智慧水文监测体系中的关键技术简述[J].水利信息化，2018（1）：36-40，45.

[7] IN L，KYOOCHUN L.The Internet of Things（IoT）：applications，investments，and challenges for enterprises[J].Business Horizons，2015，58（4）：431-440.

[8] 张芸硕，宋文龙.无人机技术在辽宁省防汛工作中的应用探析[J].中国防汛抗旱，2017，27（3）：93-95.

[9] 陈国星.5G+水利探索与创新[J].信息技术与信息化，2019（7）：206-207.

[10] 随鑫.新华三5G MEC智能视频云赋能水利行业数字化转型[J].通信世界，2019（11）：38-39.

（编辑：谢玲娴）

引用本文：

史东华，龙少颖.5G通信技术在水文自动监测中的应用前景分析

[J].人民长江，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