测报系统数据传输方式：超短波、卫星、移动通信

测报系统进行数据传输的方式可采用超短波、卫星、移动通信、有线通信和短波通信等多种方式。不同的通信方式各有其自身的技术标准,其特点和适用性亦不尽相同。在进行通信方式设计时,要结合不同通信方式在本地区应用的实际情况,确定设计方案。

(一) 超短波通信

1.通信速率

超短波通信频段为30～300MHz,数据传输速率300～9600bit/s。

2.通信特点

超短波传播机理是视距传播与有限绕射传播。它在传播时主要受对流层大气的影响,同时也受地势、地物的影响。

视距传播损耗小,接收信号稳定,但传播距离短,需要中继站。

绕射传播分为两种:一种是沿球形地面的绕射传播,电波沿球形地面抵达阴影区,传播损耗随频率及路径的增加而增加;另一种是山峰绕射传播,通信线路之间常有山峰阻隔,传播损耗与山峰的高低、阻隔的大小、山峰距发射点和接收点的距离、工作频率的高低等有密切的关系。

超短波信号传播较稳定,通信质量较高,受外界干扰较小,但受地形、距离限制,一般设中继站,级数不宜超过3级。

3.适用范围

适合于站距短、中继站建设条件好、自报式工作体制的测报系统,对于组网条件较好的流域是适用的通信方式,超短波通信是目前国内已建的测报系统中采用较多的通信方式。

4.优缺点

采用超短波组建测报系统在国内建设的较多,20世纪80年代中期,我国开始建设测报系统就采用超短波通信方式,经过近20多年的不断发展和完善,该技术已相当成熟,配套的终端设备已相当完善,而且在全国设备开发研制的厂家较多,用户多,普及程度高。采用超短波组网所需的建设经费相对较低,系统建成后运行费用也低。但是,超短波通信传播受地形地貌的影响较大,属地波传播方式,一般每隔几十公里就要设立中继站。考虑到有利于电波传播,同时避免建设较高的铁塔,以节省经费,中继站一般选在海拔较高的地方,这就使中继站易遭受雷击。因此,在地形条件复杂的山区或丘陵地带,远离居民点、交通不便、站距较远、管理条件较差,需要的中继级数较多的大流域建设测报系统,不宜采用单一的超短波通信方式。

超短波通信的特点是信号传播较稳定、通信质量较高,但受地形和距离的限制需设立中继站。该方式较适应于遥测站距离较近、中继站建设及维护条件较好地区的测报系统。由于它具有技术较成熟、设备较简单等优点,所以迄今为止,它在测报系统中的应用较多,是目前测报系统中的一种主要通信方式。

(二) 卫星通信

用于水文测报的卫星主要有海事卫星、北斗卫星和通信卫星等。

1.海事卫星

(1)通信速率。Inmarsat,即国际移动卫星通信系统 (原国际海事卫星系统),它提供全球范围移动卫星通信业务。其中C站业务Inmarsat—C是一个存储转发式双向卫星通信系统,采用数字化技术,可向用户提供卫星全球覆盖区内移动或固定数据通信,其传输速率为300bit/s,工作在L频段。

(2)通信特点。Inmarsat—C 主要提供两种通信方式,即电文方式和数据报告方式,当发送的数据较长时,可采用电文传输方式;当要求发送的数据较短时,如雨量、水位、气温等参数,可采用数据报告传输方式。数据报告方式支持一点对多点的传输,自动定时发送。

(3)适用范围。适用于我国绝大部分地区,尤其是对于超短波组网比较困难的山丘区。

(4)优缺点。Inmarsat—C 站设备体积小,重量轻,安装调试及维护方便,功耗较低,抗恶劣环境能力与抗雨衰能力较强。在长江、黄河和珠江等流域已有应用,运行效果良好。

随着用户的增加,系统早8点通信存在拥塞和滞时问题。采用Inmarsat—C组网的测报系统,要支付入网费和按数据发送量计费的运行费用。

2.北斗卫星

(1)通信速率。北斗卫星工作在L/S/C 频段,上行频率1.6GHz,下行频率2.4GHz。出站信道速率31.25kbit/s,入站信道速率15.625kbit/s。

(2)通信特点。我国自主研制的“北斗导航卫星”能够全天候、全天时地为中国及周边国家提供卫星定位、导航和通信服务。具有多重通信确认机制,测站终端在发送信息时,可以从网管中心或用户端接收中心卫星站获得发送或接收状态的确认回执,在通信失败的情况下及时重发数据,从而保证了关键业务数据的完整、可靠传输;系统采用了CDMA调制方式,支持多用户同时并发业务,可同时入站的用户数量非常大,基本不构成系统容量的限制因素。

(3)适用范围。北斗卫星覆盖5°～55°N,70°～145°E 的中国全境及亚洲大部分地区,尤其适用于对于超短波组网比较困难的山丘区。

(4)优缺点。北斗卫星具有通信速度快、支持多用户并发处理、高可靠性、低功耗、设备结构简单、易维护等特点,系统工作在L/S/C 频段,受雨衰引起的损耗和产生的噪声影响相当小;与其他卫星通信方式比较通信费用较低。目前,国内已经建成的最北部的尼尔基测报系统和最南部的海南大隆测报系统采用北斗卫星组网,通信效果质量都较好。

与超短波通信方式相比,采用北斗卫星组网需增加卫星通信费用。

3.通信卫星(VSAT 系统)

(1)通信速率。VSAT 系统工作波段为Ku 波段,上行频率14GHz,下行频率12GHz。数据传输速率9.6～128kbit/s。

(2)通信特点。传输速率高、容量大、通信性能良好。

(3)适用范围。适用于中国大部分地区,尤其是对于超短波组网比较困难的山丘区。(www.xing528.com)

(4)优缺点。测报系统使用的VSAT 系统是水利部租用的亚洲二号卫星Ku波段1/2转发器,利用它组建测报系统具有传输速率高、传输数据量大的优点,还具有语音通信功能。

VSAT 系统建设费用高、设备功耗大,一般需要交流电供电。使用频段是Ku波段,存在雨衰现象。

(三) 移动通信

1.GSM 通信

(1)通信速率。GSM 通信系统工作频段900MHz、1800MHz、1900MHz。信道调制速率为271kbit/s,每个时隙最大用户传输速率为12kbit/s。

(2)通信特点。公用移动通信网。

(3)适用范围。适用于移动通信网覆盖地区。

(4)优缺点。GSM 是在蜂窝系统的基础上发展而成,目前已经是一项很成熟稳定的数字通信技术,已应用于很多水利监测系统。不必建立单独的通信网络,设备简单、功耗及价格较低、通信质量稳定、允许信息容量较大,便于实现信息共享。

站点布设受移动通信网覆盖的限制,独立性较差,有时存在数据拥堵和滞时较长现象。

2.GPRS通信

(1)通信速率。上行传输速率为40kbit/s,下行传输速率为100kbit/s。

(2)通信特点。公用移动通信网。

(3)适用范围。移动通信网覆盖地区。

(4)优缺点。GPRS是通用分组无线业务 (General Packet Radio Service)的英文简称,是在现有GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据,从而提供了一种高效率、低成本的无线分组数据业务,理论上只要是GSM 网络覆盖区域都可以提供GPRS服务。GSM 需要10～30s,而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求;对于费用而言,GSM 是按连接时间计费的,而GPRS只需要按数据流量计费;GPRS对于网络资源的利用率高于GSM。

近几年来,移动通信 (GSM)的发展较快,其中尤以SMS (Short Messaging Service)短信息服务的应用更为广泛,不但可节省维护费,通信费用也十分低廉。其缺点是:由于是第二代移动通信技术,带宽较窄,易出现信息堵塞,实时性存在不足,但仍可以满足水文信息的传输需要。

3.CDMA 通信

CDMA 移动通信是应用扩频技术的通信系统,具有较高的频谱利用率,在相同带宽可以比GSM 容纳更多用户,而且可以使用较小的发射功率,降低对环境的电磁污染,频段在800～900MHz,数据传输速率可达9.6kbit/s。

(四) 有线通信

(1)通信速率。数据传输速率可达10Mbit/s。

(2)通信特点。利用现有公用电话网。

(3)适用范围。适用于公用电话网发达且网络稳定性较高的地区。

(4)优缺点。优点是不需购置昂贵的通信设备,信道投资费用少,不需申请专门的频道,不需维护信道,节省维护费等。但是,有线信道的缺点也很明显,在野外使用时容易遭受雷击;数据建立连接时间长,受话路影响,数据实时性差;拨号方式存在呼损率;同时很多遥测站地处偏远地区,公用电话网络不是很发达,且公用网络易在恶劣天气时破坏,很多地区不具备利用公用电话网络进行水情数据传输的条件。

(五) 短波通信

(1)通信速率。短波通信频段为2～30MHz,数据传输速率根据需要可选用25bit/s、50bit/s、100bit/s,但不宜超过200bit/s。为了提高外部干扰存在情况下的传输可靠性,数据传输速率不要太高,这样采用窄带滤波之后可以提高信噪比。

(2)通信特点。短波通信的特点主要有两种:一种是地波传播,另一种是电离层反射传播。

地波传播是电波沿着地面传播,传播损耗随着距离的增加而迅速增加。所以,它的传播距离较近,但接收信号比较稳定。

电离层反射传播是通过电波经过电离层的反射来达到传播目的。因为电离层的高度影响反射波的传播,而电离层的高度随昼夜、季节和气候的不同而有变化,所以接收信号是不稳定的。不同的时间有不同的最佳使用频率。

短波通信线路在传播过程中,由于多径波的干涉、极化面的旋转、电离层的变化等原因,使远处接收点的信号场强发生不规则的变化,即出现接收信号电平的随机起伏现象。这种衰落一般在电离层有较大变化时出现,如日出或日落时刻。

(3)适用范围。短波通信受地形限制少,抗破坏能力强,投资省,但信号不稳定,适合于地形复杂、有人值守测站距离远、测站数目少、应答式(经论证也可采用自报式)工作体制的测报方案,或作为备用方案。

短波通信主要是以电离层的反射进行通信,对于地形复杂、测站距离较远的测报系统,可直接跨越,不需设中继站。但短波通信信道是一种“变参”信道,电路质量和稳定性都较差,需要采取一定的技术措施才能使用,这影响了水情数据的传输速度,在遥测站数目较多时,系统的响应速度难以满足要求。它较适宜于地形复杂、遥测站距离远、遥测站数量较少的测报系统。国内现阶段采用短波通信组网的测报系统已经很少。

(4)优缺点。短波通信的优点是:通信距离较远,受高山等地形影响很小;不需要设中继站;对电台天线要求较低。短波通信的缺点是:信号衰落不稳定,干扰大;电台功率大,价格高;对电源要求高,一般需要交流电;实时性较差。在一些偏远山区,建高山中继站交通困难,投资较大,且易受雷击,很难维护。