朱 彤
(北京市水利自動(dòng)化研究所,北京 100036)
水情信息系統(tǒng)中通信鏈路的應(yīng)用設(shè)計(jì)
朱 彤
(北京市水利自動(dòng)化研究所,北京 100036)
通信信道是水情信息傳輸?shù)暮诵妮d體,信道質(zhì)量是水情信息系統(tǒng)中暢通率的最直接保障。論述了GPRS、北斗衛(wèi)星PSTN等3種典型公共通信方式的特點(diǎn)、帶寬設(shè)計(jì)和計(jì)算方法,介紹了水情信息系統(tǒng)傳輸中通信鏈路的選用原則。
水情信息;GPRS;北斗衛(wèi)星;PSTN;公共通信;信道設(shè)計(jì)
數(shù)字通信技術(shù)具有抗干擾性強(qiáng),便于檢錯(cuò)、糾錯(cuò),便于以信息接收、存儲(chǔ)、傳輸?shù)淖詣?dòng)化等特點(diǎn)。水情信息系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站,應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù),在信息傳輸方面具有高可靠性、高暢通率。因此,組建以中心站為數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)的星型報(bào)訊通信網(wǎng),信道設(shè)計(jì)都采用全數(shù)字技術(shù),以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)通信的要求。常用的通信鏈路有GPRS、北斗衛(wèi)星和PSTN。
GPRS是一種實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)接入的技術(shù),傳輸速度理論計(jì)算可達(dá)160 kBps以上,由于其通信信道是共享的,每個(gè)客戶(hù)永遠(yuǎn)在線(xiàn),不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只是保持邏輯上的聯(lián)系,信道資源完全讓出,只有在系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸時(shí)才上線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS數(shù)據(jù)通信協(xié)議是按移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸定義的交換數(shù)據(jù)通信協(xié)議,在接入水情數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí),它的實(shí)際典型速度值為:14.4~43.2 kBps(上下行非對(duì)稱(chēng)速率),數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。
1.1 GPRS數(shù)據(jù)通信鏈路
GPRS信道鏈路進(jìn)行水情數(shù)據(jù)傳輸,通常采用以下方式進(jìn)行:水情監(jiān)測(cè)站的自報(bào)通信方式和水情中心站的數(shù)據(jù)召測(cè)工作方式?,F(xiàn)在我們以60個(gè)水情監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)通信情況進(jìn)行分析:
(1)監(jiān)測(cè)站自報(bào)通信方式??紤]到監(jiān)測(cè)站現(xiàn)行的自報(bào)通信數(shù)據(jù)包是固定長(zhǎng)度的,按照每包數(shù)據(jù)25個(gè)字節(jié)進(jìn)行計(jì)算:?jiǎn)蝹€(gè)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)流應(yīng)為:25×10=250 Bit;按照60個(gè)監(jiān)測(cè)站算:250×60=5 kBit;如果我們要求它在1 s內(nèi)完成傳輸,那么中心所占帶寬約為15 kbps;如果要求它在2 s內(nèi)完數(shù)據(jù)成傳輸,那么中心所占帶寬約為:7.5 kBps;
(2)數(shù)據(jù)召測(cè)工作方式。中心站需要下達(dá)的單個(gè)監(jiān)測(cè)站指令以10個(gè)字節(jié)估算;單個(gè)監(jiān)測(cè)站接收的指令的數(shù)據(jù)流為:10×10=100 Bit;如果按照60個(gè)監(jiān)測(cè)站估算:100×60=6 kBit;如果我們要求監(jiān)測(cè)站在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,中心所占用的帶寬為6 kBps;如果要求監(jiān)測(cè)站在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,它的中心所占用的帶寬為:3 kBps。如果按照雙向數(shù)據(jù)傳輸要求,監(jiān)測(cè)站在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸:其中心占用帶寬約為:7.5+3=10.5 kBps。
因此,中心在實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸,并且在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)測(cè)試所占用帶寬10.5 kBps,明顯小于現(xiàn)行GPRS數(shù)據(jù)通道的典型值14~42 kBps的數(shù)據(jù)傳輸使用的帶寬。在考慮監(jiān)測(cè)站實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速率會(huì)更低一些的情況時(shí),上傳數(shù)據(jù)電報(bào)的間隔應(yīng)該大于2 s的,因此,監(jiān)測(cè)站實(shí)際傳輸水情電報(bào)數(shù)據(jù)要求的帶寬應(yīng)該會(huì)更窄,另外,在每個(gè)監(jiān)測(cè)站所屬地區(qū)GPRS實(shí)際傳輸帶寬一般大于25 k,由于監(jiān)測(cè)站的實(shí)際布設(shè)密度有限,一個(gè)基站內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不會(huì)很多,所以水情數(shù)據(jù)的上報(bào)時(shí)間不會(huì)有問(wèn)題。
1.2 GPRS通信鏈路接入方式的選擇
1.2.1 通信鏈路
根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),考慮到性?xún)r(jià)比、安全性、實(shí)用性、易用性及系統(tǒng)建成后的運(yùn)行成本,在GPRS傳輸網(wǎng)上采用TCP傳輸協(xié)議,水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入方式基本采用現(xiàn)行的移動(dòng)用戶(hù)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)APN專(zhuān)用接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方式,我們?yōu)樗楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道,一般采用透明的永久數(shù)據(jù)鏈路或半永久式數(shù)據(jù)通信通道。監(jiān)測(cè)站在上報(bào)水情數(shù)據(jù)時(shí),打包提交給GPRS通信模塊,GPRS通信模塊根據(jù)定義的APN數(shù)據(jù)鏈路是連接方式,加上勤務(wù)碼后轉(zhuǎn)換成適合在無(wú)線(xiàn)通信連路上傳輸?shù)囊苿?dòng)數(shù)據(jù)包模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)通信客戶(hù)端的數(shù)據(jù)通道APN在接收到水情數(shù)據(jù)后,將水情數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)上傳到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。按照這種數(shù)據(jù)傳輸方式,中心也可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信指令傳輸?shù)饺魏我粋€(gè)監(jiān)測(cè)站。
建立基于GPRS無(wú)線(xiàn)通信鏈路的水情APN專(zhuān)用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)具備如下特點(diǎn):
(1)水情數(shù)據(jù)通過(guò)APN專(zhuān)用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸時(shí),其它的終端通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是不能夠進(jìn)行傳輸?shù)?,這樣保證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的安全;
(2)水情數(shù)據(jù)通過(guò)APN專(zhuān)用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸時(shí),由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,從而兼顧了水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;
(3)現(xiàn)行中心站帶寬較寬,通信性能可滿(mǎn)足水情報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸要求;
(4)中心站和監(jiān)測(cè)站均可綁定網(wǎng)內(nèi)的固定IP地址,即使在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)掉線(xiàn),也可在重新自動(dòng)上線(xiàn),不會(huì)丟失中心的IP地址。
可實(shí)現(xiàn)的通信方式為:
(1)水情終端到水情數(shù)據(jù)中心可進(jìn)行多點(diǎn)對(duì)中心的數(shù)據(jù)通信模式;
(2)中心站到水情終端可進(jìn)行中心對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信模式;
(3)水情終端到水情終端之間可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信模式。
1.2.2 監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)接入的方案
GPRS移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商為每個(gè)監(jiān)測(cè)站水情終端的GPRS數(shù)據(jù)通信模塊提供了GPRS數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),同時(shí)針對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)站客戶(hù)端分配了一個(gè)APN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的固定的IP地址,這樣,每一個(gè)監(jiān)測(cè)站可以通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)直接接入移動(dòng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)。
1.2.3 系統(tǒng)中心接入的方案
系統(tǒng)中心站一般使用2M帶寬通信光纖接入移動(dòng)通信公司的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。各中心站從APN路由器直接接入移動(dòng)公司的2 M帶寬數(shù)據(jù)專(zhuān)線(xiàn)到各中心站機(jī)房,在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接入的端口,采用水情數(shù)據(jù)接收前置機(jī)工作模式,直接與交換機(jī)和數(shù)據(jù)通信路由器相連。具備數(shù)據(jù)帶寬2 Mbps,帶寬冗余度大,數(shù)據(jù)流量不受限制,通信實(shí)時(shí)性強(qiáng),尤其對(duì)遠(yuǎn)程讀取水情終端的長(zhǎng)數(shù)據(jù)文件時(shí),適合監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較多的系統(tǒng)使用。
2.1 水情系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信鏈路的需求分析
水情數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在針對(duì)一些偏遠(yuǎn)山區(qū),PSTN和GPRS均不能很好覆蓋的地方,這種情況下,利用衛(wèi)星信道就是一種方便的選擇。利用通信衛(wèi)星建立衛(wèi)星通信信道一般情況下需要建立一個(gè)簡(jiǎn)單的衛(wèi)星通信地面小站。一個(gè)最簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向衛(wèi)星通信地球站(一對(duì)一通信)花費(fèi)也是相當(dāng)大的,從業(yè)務(wù)量很小的水文數(shù)據(jù)采集角度考慮,采用這種辦法過(guò)于浪費(fèi)。在這種情況下,使用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信功能就顯得經(jīng)濟(jì)適用。
2.2 水情系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星通信鏈路的要求
水情系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星鏈路的要求是:中心站能夠?qū)崿F(xiàn)雙向點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的段數(shù)據(jù)報(bào)文通信;監(jiān)測(cè)站能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的水文數(shù)據(jù)上報(bào)。水情系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星信道的實(shí)時(shí)性要求可以相對(duì)較低,對(duì)于河道監(jiān)測(cè)站在洪峰到來(lái)時(shí),每十幾秒或更長(zhǎng)些測(cè)報(bào)一次數(shù)據(jù)完全滿(mǎn)足測(cè)報(bào)要求,測(cè)站每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量也比較小,這些特點(diǎn)正好與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的通信特點(diǎn)一致。因此,選用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為通信鏈路較為合理。
2.3 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信信道
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有通信功能,但相比其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)本身是為導(dǎo)航定位設(shè)計(jì)的,通信是一個(gè)附帶的功能,所以相對(duì)于其他專(zhuān)用的通信信道來(lái)說(shuō),它不是一個(gè)連續(xù)信道,僅能夠傳送有限長(zhǎng)度的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性短報(bào)文。
2.3.1 通信體制
北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),為了保證其不遭受人為干擾,采用了通信擴(kuò)頻工作方式,每一個(gè)用戶(hù)機(jī)對(duì)應(yīng)一張IC卡,每一個(gè)IC卡對(duì)應(yīng)一個(gè)擴(kuò)頻碼,系統(tǒng)保證所有用戶(hù)的擴(kuò)頻碼正交,以此來(lái)區(qū)分系統(tǒng)中每一個(gè)用戶(hù)。
2.3.2 通信過(guò)程
水情用戶(hù)機(jī)在需要數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),需要在下一幀的起始位置,以突發(fā)的數(shù)據(jù)通信形式向衛(wèi)星主站發(fā)送定位信息。但由于采用了不同的擴(kuò)頻碼地址,發(fā)送的衛(wèi)星站數(shù)據(jù)信號(hào)是不會(huì)互相干擾的?,F(xiàn)行的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)能夠同時(shí)處理約250個(gè)終端用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息。對(duì)于超出處理能力的那部分,系統(tǒng)將記錄下收到的信號(hào)延后處理,在用戶(hù)機(jī)這一方,相應(yīng)等待結(jié)果的時(shí)間將會(huì)加長(zhǎng)。
2.3.3 信道通信擁塞分析
北斗衛(wèi)星的通信體制是否會(huì)造成入站信號(hào)碰撞丟失,這種情況在理論上是可能發(fā)生的。如果兩個(gè)有身份碼的北斗機(jī)在小于等于2個(gè)擴(kuò)頻碼的時(shí)間里通信,即同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),那么,這些數(shù)據(jù)信息在衛(wèi)星主站將出現(xiàn)模糊數(shù)據(jù)現(xiàn)象,衛(wèi)星主站就不能夠解析出數(shù)據(jù)內(nèi)容,本次的數(shù)據(jù)通信就會(huì)失敗,需要重新傳送數(shù)據(jù)信息。但是從整個(gè)系統(tǒng)用戶(hù)容量看,這種可能性還是比較小。對(duì)于水情系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō),可通過(guò)相關(guān)的技術(shù)手段,使系統(tǒng)內(nèi)不同身份的用戶(hù)機(jī)按照一定的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,這樣就可以保證系統(tǒng)內(nèi)的各用戶(hù)機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。
2.3.4 衛(wèi)星通信延時(shí)分析
北斗衛(wèi)星使用的是同軌衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)通信傳輸平臺(tái),在數(shù)據(jù)通信時(shí)產(chǎn)生的延時(shí)問(wèn)題與別的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信方式相近,每一個(gè)用戶(hù)機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送到地面站,所用時(shí)長(zhǎng)一般在260~350 ms間,我們選取280 ms作為分析的參考值。
現(xiàn)行的衛(wèi)星站數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)中,標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定延時(shí):
一類(lèi)用戶(hù)(水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可申請(qǐng)的用戶(hù)類(lèi)型)4.34 s;
二類(lèi)用戶(hù)(水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可申請(qǐng)的用戶(hù)類(lèi)型)1.34 s;
三類(lèi)用戶(hù)0.37 s。
通過(guò)分析計(jì)算,系統(tǒng)實(shí)際可用信息速率為下行16 k,上行8 k,擴(kuò)頻后碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信息速率。由于受到發(fā)射頻度和發(fā)信長(zhǎng)度的限制,用戶(hù)最高可獲得的信息速率為1.92 k,相對(duì)于其他通信信道來(lái)說(shuō),使用北斗定位系統(tǒng)的通信作為信道時(shí),傳輸速率比較低。所以這種信道適合傳輸非連續(xù)的、實(shí)時(shí)性要求不太高的短報(bào)文。根據(jù)水情測(cè)報(bào)通信的特點(diǎn),北斗衛(wèi)星通信可以滿(mǎn)足水情測(cè)報(bào)的實(shí)時(shí)性通信要求。
3.1 PSTN帶寬估算
采用PSTN點(diǎn)到點(diǎn)撥號(hào)組網(wǎng)一旦線(xiàn)路接通,理論計(jì)算速度可達(dá)56 kBps以上,它的實(shí)際速度典型值為:28~56 kBps,其數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。
(1)監(jiān)測(cè)站上傳水情通信數(shù)據(jù)包。單個(gè)的監(jiān)測(cè)站上報(bào)的水情通信數(shù)據(jù)包以25字節(jié)計(jì)算,其數(shù)據(jù)流為:25×10=250 Bit;按20個(gè)監(jiān)測(cè)站計(jì)算:250×20=5 kBit;如果假設(shè)在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,其占用帶寬約為5 kBps;如果假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,其占用帶寬約為2.5 kBps;
(2)中心站召測(cè)工作方式。中心站召測(cè)工作模式下,以10個(gè)字節(jié)計(jì)算下發(fā)指令:監(jiān)測(cè)站接收的數(shù)據(jù)流為:10×10=100 Bit;按20個(gè)監(jiān)測(cè)站計(jì)算:100×20=2 kBit;如果假設(shè)在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,其占用帶寬約為2 kBps;如果假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,其占用帶寬約為1 kBps;
(3)如果按照雙向數(shù)據(jù)傳輸,假設(shè)在2 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸:中心站帶寬約為2.5+1=3.5 kBps;
(4)PSTN的每次撥號(hào)所延遲時(shí)間計(jì)算。每次撥號(hào)需要時(shí)間以10 s計(jì)算:
系統(tǒng)中10個(gè)監(jiān)測(cè)站各上報(bào)一次撥號(hào)總時(shí)間:10×10=100 s;中心站要向每個(gè)監(jiān)測(cè)站下達(dá)一次指令的撥號(hào)時(shí)間:20×10=200 s。
如果1條PSTN通信線(xiàn)路按20個(gè)站全部使用雙向數(shù)據(jù)傳輸所需要的總時(shí)間:T=200+200+2=402 s。
3.2 分析結(jié)論
采用PSTN信道傳輸電路帶寬余量比較充裕,電路的設(shè)計(jì)中主要考慮建立電路連接的撥號(hào)時(shí)間問(wèn)題,按照以上分析可以看出,選擇3倍以上時(shí)間冗余量滿(mǎn)足20 min完成全部數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼军c(diǎn)數(shù)不能超過(guò)30個(gè)站點(diǎn),若站點(diǎn)較多就要在中心站建立PSTN電路的MODEM池采用多條電路進(jìn)行接收。
根據(jù)以上分析,在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)公網(wǎng)信道主要考慮如下特點(diǎn):
(1)用GPRS組網(wǎng),信道穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)容量較大,無(wú)需中繼則可用于無(wú)限遠(yuǎn)距離傳輸,可方便地實(shí)施遠(yuǎn)程控制,系統(tǒng)設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、安裝方便,一次性建設(shè)投資少,維護(hù)管理簡(jiǎn)單,運(yùn)行費(fèi)用低。但個(gè)別偏遠(yuǎn)區(qū)域有盲區(qū),通信質(zhì)量較差;受行政區(qū)域影響,在位于行政邊界區(qū)域常常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)飄移現(xiàn)象,造成信號(hào)不穩(wěn)定。在考慮和避免其不利因素影響后可作為主信道使用,如果中心站包含20個(gè)站點(diǎn)以?xún)?nèi)可采用GPRS無(wú)線(xiàn)路由方式接入;超過(guò)20個(gè)站點(diǎn)以上最好使用2兆帶寬DDN光纖從移動(dòng)網(wǎng)關(guān)路由器接入方式;
(2)北斗衛(wèi)星通信具有通信可靠,通信質(zhì)量高、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低、容量大、功率小、通信不受地形地域限制、投資不隨通信距離增加而增加的優(yōu)勢(shì),但一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用都較高,不宜全面推廣使用。宜在偏僻地區(qū)或作為備用信道方式在監(jiān)測(cè)站上使用;
(3)PSTN信道通信質(zhì)量好、設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、技術(shù)成熟,但運(yùn)行費(fèi)用高、抵御大洪水的能力較低,通常只用于備用信道使用,可將其與GPRS/北斗衛(wèi)星通信的信道組成互為備份的雙信道設(shè)計(jì),以提高信道傳輸?shù)谋WC率。
(責(zé)任編輯:劉征湛)
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,北京市水利自動(dòng)化研究所工程師,學(xué)士,主要從事水利自動(dòng)化信息系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)。