摘要：隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)將提供高速率、低延時、大容量的可靠連接，為水文監(jiān)測信息化與智能化提供一個理想的解決方案。簡要分析了水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中常用的幾種通信技術(shù)，重點從傳輸速率、帶寬、時延等方面對比分析了5G與目前在水文領(lǐng)域已廣泛使用的4G無線通信技術(shù)之間的差異。同時，結(jié)合5G在RISMAR-U型雷達測流系統(tǒng)和其他水文多要素監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢，詳細(xì)闡述了5G通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢及良好的應(yīng)用前景。研究成果可為今后水文監(jiān)測信息化、智能化的建設(shè)提供借鑒。

　　關(guān) 鍵 詞：5G通信技術(shù); 水文自動監(jiān)測; 信息化; 應(yīng)用前景

　　0 引 言

　　隨著2019年真正進入5G商用元年，作為當(dāng)前的前沿科技，5G移動通信技術(shù)所引導(dǎo)的科技變革將勢在必行，所產(chǎn)生的技術(shù)迭代也躍躍欲試[1]。作為與移動通信技術(shù)同步發(fā)展的水文自動監(jiān)測系統(tǒng)，其無線通信方式從GSM到GPRS，再到4G，隨著移動通信技術(shù)的進步也在不斷地更新?lián)Q代。在水文現(xiàn)代化的大背景下，水文自動監(jiān)測正朝著多要素、全要素的方向發(fā)展，以無人值守為主體的自動監(jiān)測模式將是發(fā)展趨勢，這些新的自動監(jiān)測方式對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，商用成熟的衛(wèi)星、GPRS和4G無線通信技術(shù)在水文自動監(jiān)測的大容量實時數(shù)據(jù)傳輸和可視化等方面均存在速率低和時延長等問題，以光纜為載體的有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在前期投入大、后期維護費用昂貴的問題，而衛(wèi)星通信等方式在傳輸容量方面也存在制約。5G的出現(xiàn)為類似問題的解決以及更多水文自動監(jiān)測新技術(shù)的實現(xiàn)提供了極大便利。從目前發(fā)展趨勢來看，由于5G的商用化和覆蓋面仍顯不足，水文自動監(jiān)測中的無線通信技術(shù)仍以衛(wèi)星、GPRS和4G為主導(dǎo)，但隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其商用生態(tài)的完善，其高速率、低延時、大容量的優(yōu)勢會越來越具有吸引力。

　　本文結(jié)合水文自動監(jiān)測的具體特點和應(yīng)用發(fā)展需求，對目前水文自動監(jiān)測中已廣泛使用的4G等無線通信技術(shù)和5G技術(shù)特點進行了對比分析，提出了5G在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用場景。

　　1 水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中的通信技術(shù)分析

　　水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測站自動采集的各要素數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[2]。系統(tǒng)通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。常用于水文自動監(jiān)測的無線傳輸方式主要有超短波、衛(wèi)星、GPRS及4G等。由于監(jiān)測站一般部署在野外，不適合大范圍長距離的鋪設(shè)線纜進行數(shù)據(jù)傳輸，且隨著無線通信技術(shù)的不斷進步，有線傳輸方式在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用逐漸減少。超短波傳輸應(yīng)用很早，但使用性價比低，信號傳輸受地形影響大，其應(yīng)用范圍日趨局限。衛(wèi)星通信可解決偏僻站點的數(shù)據(jù)傳輸難題，但其投入和運行成本高，以及自身技術(shù)特點的局限性，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受限。

　　GPRS(2.5G)是在GSM(2G)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務(wù)，具有永遠在線、占用系統(tǒng)資源少的優(yōu)點。3G在國內(nèi)生命周期較短，很快被速率更高、兼容性更強的4G取代，而且國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)已廣泛覆蓋。目前，在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域，無線傳輸方式以GPRS和4G為主，GPRS與4G技術(shù)特點如表1所列。

　　由表1可知：在速率、帶寬、時延上，GPRS與4G存在較大差距，而且隨著4G網(wǎng)絡(luò)的迅速普及以及各大運營商提速降費政策的不斷推進，4G和GPRS數(shù)據(jù)流量的使用成本也并無差異，所以目前很多監(jiān)測站在升級改造過程中，均使用4G模塊取代老舊的GPRS，以此來提升監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　2 5G通信技術(shù)

　　2.1 5G技術(shù)特點

　　第五代移動通信技術(shù)(5G)是面向日益增長的移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信技術(shù)。5G具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高了一個量級甚至更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也得到顯著的提高。

　　面對未來多樣化場景的差異化需求，5G不會像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對所有場景的解決方案，而是與其他無線移動通信技術(shù)密切銜接，為移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供無所不在的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)能力，以滿足未來10 a移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1 000倍的發(fā)展需求。移動寬帶、大規(guī)模機器通信和高可靠、低時延通信為其主要應(yīng)用場景，如圖2所示。對5G而言，其性能指標(biāo)不再單純地強調(diào)峰值速率，而是綜合考慮8個技術(shù)指標(biāo)：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度[3-4]，如圖3所示。

　　GPRS(2.5G)、4G技術(shù)在水文自動監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)成熟使用。5G的到來將會讓移動通信再次變革，AR、VR、AI等前沿科技產(chǎn)品應(yīng)用指日可待。目前，5G處于通信網(wǎng)絡(luò)完善以及終端產(chǎn)品的研發(fā)之中，5G商用試點在不斷推進，國內(nèi)有北上廣等20個城市可以享受5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，30個省市可以撥通5G電話。隨著2019年正式進入5G商用元年，各大運營商和通信商正緊鑼密鼓地開展網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G的大規(guī)模商用指日可待。

　　2.2 5G與4G的比較

　　如今，4G通信被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，給人們的生產(chǎn)生活帶來了很多便利。而5G作為最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具有高速率、低延時、大容量以及頻譜效率高、連接密度大等優(yōu)點[5]。5G與4G具體性能比較如表2所列。

　　由表2可知：相比4G，5G在速率、時延、連接容量、移動性等方面具有很大優(yōu)勢，可為水文自動監(jiān)測提供快捷高效的通信手段。

　　3 5G在水文自動監(jiān)測中的應(yīng)用前景分析

　　3.1 水文自動監(jiān)測的發(fā)展需求

　　隨著水文信息化發(fā)展，水文自動監(jiān)測不再局限于水位、雨量等簡單參數(shù)的監(jiān)測，正朝著多要素、全要素方向邁進。長江口近海單個水文站就包含雨量、水位、風(fēng)速風(fēng)向、鹽度和泥沙、能見度、水質(zhì)、流速流量等多要素自動監(jiān)測，如圖4所示。監(jiān)測要素的不斷增加對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延和穩(wěn)定性提出了更高的要求，4G傳輸已不能滿足要求，需要專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

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