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援外地震監(jiān)測臺網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)及相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用

一、前言

中國地震局多年來在滿足自身業(yè)務(wù)發(fā)展的同時，積極響應(yīng)國家號召，圓滿完成多項(xiàng)國家地震援外工作任務(wù)，包括援巴基斯坦地震監(jiān)測臺網(wǎng)、援印尼地震監(jiān)測臺網(wǎng)、援老撾地震監(jiān)測臺網(wǎng)等項(xiàng)目。滿足了上述國家在經(jīng)濟(jì)和社會高速發(fā)展的背景下，發(fā)展防震減災(zāi)事業(yè)，降低生命財產(chǎn)損失的迫切需求，提升了我國在地震科技領(lǐng)域的世界影響力，同時增進(jìn)了了中國同周邊國家睦鄰友好、互利共贏的良好局面。對于地震行業(yè)，通過援外項(xiàng)目的不斷開展，拓展了地震行業(yè)服務(wù)范圍與領(lǐng)域，進(jìn)一步增強(qiáng)我國地震專業(yè)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化與輸出，同時援外臺網(wǎng)的建成與使用，大幅提升了我國周邊地區(qū)地震監(jiān)測能力。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)作為援外地震監(jiān)測臺網(wǎng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸工作，近年來，隨著業(yè)務(wù)需求的不斷增加以及觀測技術(shù)手段的不斷進(jìn)度，對于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在傳輸速率、運(yùn)行可靠性、網(wǎng)絡(luò)可維護(hù)性、建設(shè)運(yùn)行成本、安全性等方面提出了新的要求。

二、通信系統(tǒng)現(xiàn)狀與不足

援外地震監(jiān)測臺網(wǎng)的設(shè)計(jì)建設(shè)最初在2006年前后開始，考慮到當(dāng)時援建國家的實(shí)際情況，以及當(dāng)時通信技術(shù)手段的局限性，援外地震監(jiān)測臺網(wǎng)項(xiàng)目在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部使用衛(wèi)通方式實(shí)現(xiàn)境外監(jiān)測臺的數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星通信最大的特點(diǎn)是不受當(dāng)?shù)赝ㄓ嵀h(huán)境的影響，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，即數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)由境外臺站到境內(nèi)衛(wèi)星中心站的傳輸，適合通信條件惡劣地區(qū)使用。綜合當(dāng)時援建地區(qū)的經(jīng)濟(jì)情況，以及網(wǎng)絡(luò)通信條件，衛(wèi)星通信方式是當(dāng)時唯一可行的通信方式。

在援外地震監(jiān)測臺網(wǎng)后續(xù)運(yùn)行維護(hù)中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為境外地震監(jiān)測臺使用的弊端逐漸顯現(xiàn)。首先是數(shù)據(jù)通信質(zhì)量，受制于衛(wèi)星通信自身技術(shù)特性的制約，衛(wèi)通系統(tǒng)通信存在較大時延，在800-1000ms之間，不利于大量數(shù)據(jù)快速傳輸，并且容易受到大雨等惡劣天氣影響；其次，衛(wèi)通系統(tǒng)建設(shè)成本和使用維護(hù)成本較高，以目前援外臺網(wǎng)使用的衛(wèi)通系統(tǒng)作為參考，其系統(tǒng)單臺站采購成本 5萬-7萬元，如考慮援外臺站建設(shè)，總成本超過10萬元（包括現(xiàn)場專業(yè)安裝以及衛(wèi)星天線基墩建設(shè)），同時衛(wèi)星中心站建設(shè)成本超過100萬元，后期還需要根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加投資，同時通信費(fèi)用價格較高，1M帶寬的衛(wèi)通信道年租用費(fèi)超過10萬元，系統(tǒng)建設(shè)使用經(jīng)濟(jì)性較差；在運(yùn)行環(huán)境要求方面，目前使用的衛(wèi)通系統(tǒng)對于供電要求很高，實(shí)際運(yùn)行功率在100-120W，峰值功率可達(dá)到150W，對于供電條件有限地區(qū)以及采用太陽能供電的臺站，無法滿足連續(xù)供電要求，經(jīng)常出現(xiàn)通信斷續(xù)的情況；而且衛(wèi)通系統(tǒng)日常運(yùn)行維護(hù)需要專業(yè)人員進(jìn)行，一旦出現(xiàn)頻偏、設(shè)備損壞等情況，需要專業(yè)人員前往境外現(xiàn)場處理，維護(hù)成本很高，系統(tǒng)效能較低。上述4方面問題在援外臺網(wǎng)投入運(yùn)行后陸續(xù)顯現(xiàn)，亟需提出合理的技術(shù)方案，予以解決。

序號　技術(shù)需求　指標(biāo)與要求備注1　廣域網(wǎng)通信模式支持3G/4G全網(wǎng)通模式，可實(shí)現(xiàn)自動注冊入網(wǎng)與自組網(wǎng)功能。支持TD-LTE/TD-SCDMA制式網(wǎng)絡(luò)；支持FDD-LTE/WCDMA制式網(wǎng)絡(luò)；兼容WCDMA、CDMA2000、CDMA、TD-SCDMA、GSM移動、聯(lián)通、電信等運(yùn)營商通信協(xié)議2　局域網(wǎng)接入要求　4-8個10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口3　網(wǎng)絡(luò)基本功能　支持IPv4/IPv6、支持RIPv1/v2、OSPF、BGP；支持QoS、H-QoS 4安全支持　支持GRE、IPIP、L2TP、PPTP、手動隧道、GRE自動隧道、ISATAP隧道、6to4自動隧道等隧道技術(shù)支持IPSec VPN功能、反向路由注入、NAT穿越等功能5　系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求　零下30－75°C 6　系統(tǒng)整體功耗　滿負(fù)荷工作下小于10W　可支持220V交流與12V直流供電7建設(shè)成本　臺站節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)備成本不高于0.6萬元/套；中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備成本不高于20萬（可承載1000個以上3G/4G臺站接入）8通信費(fèi)　按當(dāng)前國內(nèi)3G/4G信道資費(fèi)，單測震臺一年3G/4G通信費(fèi)為0.03萬-0.05萬元2016年12月

三、基于3G/4G的無線廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會進(jìn)步，尤其是移動互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，運(yùn)營商已陸續(xù)推出3G/4G等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速的移動互聯(lián)。移動通信系統(tǒng)正在從單一的語音功能向高寬帶、同時支持IP語音通信、數(shù)據(jù)通信、視頻流媒體傳輸?shù)燃夹g(shù)方向發(fā)展，系統(tǒng)則向著小型化、專業(yè)化、模塊化、安全化、低功耗、低成本方向發(fā)展，無論何時何地，只要當(dāng)?shù)赜行盘柛采w，都可迅速便捷地建立穩(wěn)定安全的高速通信系統(tǒng)。目前我國3G通信模式最高可達(dá)21.7Mbps帶寬，實(shí)際傳輸速率在1Mbps-2Mbps；4G通信模式最高可達(dá)到100Mbps帶寬，實(shí)際傳輸速率在10Mbps-40Mbps。如果將基于3G/4G的無線廣域網(wǎng)通信技術(shù)運(yùn)用在地震監(jiān)測臺站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，用于實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，將成為繼專線通信方式、衛(wèi)星通信方式后第3類可廣泛用于地震監(jiān)測臺站的廣域網(wǎng)通信模式。

1.需求分析

充分結(jié)合3G/4G新一代無線廣域網(wǎng)通信技術(shù)，利用通信運(yùn)營商在各個區(qū)域覆蓋的移動通信資源，實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測臺站到中心節(jié)點(diǎn)的自動注冊組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)高速互聯(lián)、數(shù)據(jù)安全傳輸、長期穩(wěn)定運(yùn)行、降低總體建設(shè)成本與使用成本、便于日常維護(hù)使用。此外，該系統(tǒng)應(yīng)與現(xiàn)有地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有較好的兼容性，在實(shí)施部署過程中對現(xiàn)有系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。主要指標(biāo)要求如下表：

2.關(guān)鍵技術(shù)

目前運(yùn)營商提供的3G/4G無線廣域網(wǎng)接入服務(wù)均依托互聯(lián)網(wǎng)提供支持，對于地震行業(yè)的應(yīng)用無法直接使用，主要原因包括兩方面，第一，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，無法滿足安全性要求；第二，互聯(lián)網(wǎng)的公網(wǎng)IP地址與地震行業(yè)網(wǎng)的私有IP地址無法進(jìn)行便捷通信。綜合上述面臨的問題，在地震行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)3G/4G無線廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，需要配套相應(yīng)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)安全性與網(wǎng)絡(luò)互連互通的需求。解決網(wǎng)絡(luò)互連互通的問題可使用VPN組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)安全傳輸可采用加密技術(shù)解決。

（1）VPN組網(wǎng)技術(shù)

廣域網(wǎng)虛擬組網(wǎng)技術(shù)簡稱VPN技 術(shù)（Virtual Private Network），其技術(shù)方式包括PPTP、L2TP、MPLS VPN、IPSec等方式。PPTP主要用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，不適用于地震行業(yè)全局層面多點(diǎn)組網(wǎng)的模式；L2TP為Cisco廠商私有協(xié)議，適用范圍有一定局限性，不適合全網(wǎng)兼容性與后期擴(kuò)容升級；MPLS VPN采用2.5層標(biāo)簽交換技術(shù)，多用于運(yùn)營商的大型廣域網(wǎng)通信，如使用該技術(shù)協(xié)議，對已有的地震行業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)需要有較大調(diào)整，會對現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用造成較大影響。通過比對分析后，采用IPsec VPN技術(shù)進(jìn)行虛擬組網(wǎng)，可保證通過3G/4G模式傳輸在互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次封裝，實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測臺站節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)與地震行業(yè)網(wǎng)的互聯(lián)互通，同時支持3G/4G通信系統(tǒng)的自組網(wǎng)功能。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（2）加密技術(shù)

地震行業(yè)對數(shù)據(jù)信息在廣域網(wǎng)傳輸中的安全性與保密性有相關(guān)要求，需要對IPSec隧道封裝后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸加密。未采用加密技術(shù)封裝的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中為明文傳輸，在非可控的廣域網(wǎng)傳輸過程中一旦遭到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽，存在重要數(shù)據(jù)信息泄露的風(fēng)險，所以需要對IPSec隧道內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密。通過調(diào)研分析，加密算法采用我國自主研發(fā)的硬件加密技術(shù)SM1算法，不再使用傳統(tǒng)的國外公開算法，如DES、3DES、AES等。

3.技術(shù)實(shí)現(xiàn)與典型設(shè)計(jì)

（1）技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于3G/4G的廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上需要考慮中心節(jié)點(diǎn)與臺站節(jié)點(diǎn)兩部分內(nèi)容。

中心節(jié)點(diǎn)部分建設(shè)2路互聯(lián)網(wǎng)專線用于匯聚3G/4G臺站節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)。2路專線分別采用國內(nèi)不通的2家通信運(yùn)營商的骨干互聯(lián)網(wǎng)資源，每路互聯(lián)網(wǎng)專線配備2－4個固定的公網(wǎng)IPv4地址，專門用于與臺站節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信?；ヂ?lián)網(wǎng)接入使用高性能防火墻與路由器完成，防火墻實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測，安全過濾，訪問控制等功能，路由器則實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)路由功能，及兩路互聯(lián)網(wǎng)專線的負(fù)載與備份功能。

臺站節(jié)點(diǎn)部分則由一體化的3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，3G/4G通信網(wǎng)卡組成。一體化3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備路由、交換功能，同時根據(jù)需要可增加無線局域網(wǎng)模塊，可使用多種組網(wǎng)需求，配置的3G/4G模塊可支持各類無線廣域網(wǎng)技術(shù)（7模全網(wǎng)通），可根據(jù)使用區(qū)域3G/4G信號資源情況靈活選擇不同運(yùn)營商。設(shè)備通過3G/4G通信網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)撥號入網(wǎng)，通過與中心節(jié)點(diǎn)的IPSec VPN互連實(shí)現(xiàn)基于虛擬專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸加密。臺站端接入設(shè)備采用自組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行初始配置后，開機(jī)后可與國家中心之間實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)，無需人工干預(yù)，對于現(xiàn)場的安裝部署非常便捷。同時，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，可進(jìn)行遠(yuǎn)程管理調(diào)試，也可根據(jù)設(shè)備指示燈判斷問題，如設(shè)備損壞，可快遞備機(jī)至臺站節(jié)點(diǎn)，維護(hù)人員進(jìn)行基本設(shè)備替換、線纜插拔等簡單工作，開機(jī)后即可自動組網(wǎng)，便于日常維護(hù)使用。

（2）典型設(shè)計(jì)

考慮到國內(nèi)地震監(jiān)測臺站、境外地震監(jiān)測臺站、移動觀測、現(xiàn)場應(yīng)急等多種應(yīng)用場景，對于3G/4G的應(yīng)用模式進(jìn)行了3類典型設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)1：獨(dú)立3G/4G通信模式

該模式使用一套獨(dú)立的3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，并通過VPN與數(shù)據(jù)加密，實(shí)現(xiàn)與中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)互連與數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)計(jì)2:地面通信模式與3G/4G通信模式融合

該模式主要用于對已有地面通信模式的臺站節(jié)點(diǎn)，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)備份與自動切換。其實(shí)現(xiàn)原理為，將3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入已有的地面網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，通過動態(tài)路由協(xié)議的路徑選擇功能，實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)與3G/4G網(wǎng)絡(luò)的備份。在日常模式下，數(shù)據(jù)由地面網(wǎng)絡(luò)傳輸，3G/4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于監(jiān)聽備份狀態(tài)，當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會自動切換至3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信，確保臺站數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。在地面網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，系統(tǒng)會自動切回至地面網(wǎng)絡(luò)通信，3G/4G網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)監(jiān)聽備份狀態(tài)。

設(shè)計(jì)3:衛(wèi)星通信模式與3G/4G通信模式融合

該模式和地面網(wǎng)絡(luò)、3G/4G網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)模式原理類似，同時可以根據(jù)實(shí)際情況選擇優(yōu)先使用的傳輸方式，即衛(wèi)通為主、3G/4G備份或3G/4G為主、衛(wèi)通備份。

老撾通信運(yùn)營商

四、援外監(jiān)測臺網(wǎng)的應(yīng)用情況

2015年11月，應(yīng)老撾氣象水文廳的邀請，中國地震局安排專家團(tuán)隊(duì)前往老撾開展瑯勃拉邦臺搬遷和臘肖境外臺老撾臺站維護(hù)工作。其中一項(xiàng)重要任務(wù)是在境外開展基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信方式的測試與部署工作。

目前，3G/4G網(wǎng)絡(luò)在老撾的普及率較高，覆蓋范圍較廣，瑯勃拉邦與臘肖兩個監(jiān)測臺站均有信號覆蓋。目前老撾有三大通信運(yùn)營商，包括老撾電信（ETL）；老撾移動通信（M-Phone）和老撾聯(lián)通（UniTel）。

此次測試了老撾移動通信（M-Phone）和老撾聯(lián)通（UniTel）2家運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在完成VPN與數(shù)據(jù)加密組網(wǎng)后，與國內(nèi)位于北京的中國地震臺網(wǎng)中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，平均網(wǎng)絡(luò)時延均在290-330ms之間，網(wǎng)絡(luò)丟包率低于0.3%，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良好，完全可以滿足境外監(jiān)測臺網(wǎng)的業(yè)務(wù)需要。并在瑯勃拉邦進(jìn)行試運(yùn)行工作，運(yùn)行1年多來，為境外GNSS基準(zhǔn)站業(yè)務(wù)提供了優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

3G/4G通信系統(tǒng)與衛(wèi)通系統(tǒng)比測表

老撾當(dāng)?shù)?G/4G無線通信費(fèi)用

五、結(jié)束語

基于3G/4G的無線廣域網(wǎng)通信技術(shù)是近年來移動互聯(lián)應(yīng)用快速發(fā)展的產(chǎn)物，對于地震行業(yè)其核心價值在于充分利用通信運(yùn)營商在全國建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)資源，解決自身業(yè)務(wù)問題，其靈活的組網(wǎng)方式，使用維護(hù)的便捷性，以及低廉的價格，可為地震行業(yè)在臺站組網(wǎng)、移動觀測、現(xiàn)場應(yīng)急、援外項(xiàng)目等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供支持服務(wù)，在地震行業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景與推廣意義。