5G通信技术在水文自动监测中的应用前景分析

　　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

　　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。

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文章名称： 5G通信技术在水文自动监测中的应用前景分析

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