無線寬帶通信系統(tǒng)在中小型水庫預(yù)警通信中的應(yīng)用探討

康炳遷

【摘要】 中小型水庫在預(yù)警通信系統(tǒng)中采用400M的傳輸帶寬，在組網(wǎng)模式上采用SACS獨(dú)立組網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)信息編碼方式上采用walsh矩陣的方式，利用模2加運(yùn)算原理。在基站切換方式上采用軟切或最軟切換，尋找強(qiáng)度信號最優(yōu)的基站。在調(diào)制方式上采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)以及脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，保證預(yù)警通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】 無線寬帶 400M 組網(wǎng)模式 walsh矩陣

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對中小型水庫預(yù)警通信系統(tǒng)的建設(shè)采用無線寬帶傳輸模式。傳統(tǒng)應(yīng)用模式上采用有線的傳輸模式，并且傳輸?shù)男畔捿^低，使得傳輸?shù)男畔⒘鳠o法達(dá)到終端處理器上。而現(xiàn)代采用的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信源發(fā)射設(shè)備與信宿接收設(shè)備完美的對接，從而保證傳輸信息的有效性。

一、無線寬帶系統(tǒng)的組成模式

1、水庫組網(wǎng)系統(tǒng)

中小型水庫在預(yù)警通信系統(tǒng)中采用400M的無線傳輸帶寬，覆蓋范圍能夠達(dá)到幾千米的覆蓋距離，在一定程度上將各種水庫的告警信息匯聚到傳輸系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集與處理。為了保證各個(gè)水庫通信系統(tǒng)之間的獨(dú)立性無線寬帶通信系統(tǒng)在中小型水庫預(yù)警通信中的應(yīng)用探討，采用了SACS模式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證傳輸信道內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語音業(yè)務(wù)之間的有效性，其中在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式的劃分可分為信源、信源編碼器、加密器、信道編碼器、數(shù)字調(diào)制器、信道、數(shù)字解調(diào)器、信道譯碼器、解調(diào)器、信源譯碼器以及信宿十一部分組成，具體操作流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了水庫網(wǎng)管員對專屬水庫的管理。其中信息源將收集水庫感應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)，在傳輸裝置內(nèi)進(jìn)行加密，加密采用的編碼序列有短碼、長碼以及Walsh碼。短碼序列所固有的周期為2^15—1，而長碼序列所固有的周期為2^64—1，在傳輸信道內(nèi)的共有的偏置數(shù)為512，在預(yù)警加密性能扇區(qū)上同一扇區(qū)的PN短碼相同，對相鄰扇區(qū)內(nèi)信道的PN短碼的偏置數(shù)不同。短碼序列中的最小的偏置量為64bit，相當(dāng)于8個(gè)英文字節(jié)的長度。而Walsh碼采用矩陣的方式進(jìn)行有效的加密，矩陣采用數(shù)字電路中與或非的邏輯運(yùn)算順序，相異為1，相同為0，然后得出的矩陣數(shù)即為加密的碼片。編碼器以及調(diào)制器主要用在交換系統(tǒng)中，在交換數(shù)據(jù)信息上能夠?qū)崿F(xiàn)有效的對接。

2、水庫組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

按照水庫無線寬帶通信系統(tǒng)的組成模式，可分為骨干網(wǎng)部分、終端接入部分、互聯(lián)網(wǎng)傳輸部分以及寬帶基站部分。其中骨干網(wǎng)部分為整個(gè)寬網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)的核心重要組成部分，如圖2所示：包括PSTN（電路交換網(wǎng)絡(luò)）、SAC終端用戶服務(wù)器、車載視頻服務(wù)終端以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入終端。PSTN是一種傳統(tǒng)的電路交換系統(tǒng)，在現(xiàn)代無線寬帶系統(tǒng)中早已被淘汰，但為了實(shí)現(xiàn)終端服務(wù)器與網(wǎng)管之間的有效對接，便采用了PSTN的對接模式，利用模式信號傳輸信息，這種信息占有的帶寬較窄，一般4k就能滿足實(shí)際的需要。SAC終端用戶服務(wù)器采用軟切換的方式，使SAC內(nèi)部的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音信令完成彼此之間的交換，主要是因?yàn)镾AC系統(tǒng)中包含有BTS和BSC的部分?jǐn)?shù)據(jù)信息。

軟切換與硬切換相比而言，不僅數(shù)據(jù)丟失的可能性大幅度降低，并且數(shù)據(jù)的可靠性也有了穩(wěn)定的保證，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息與終端接收信臺內(nèi)的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，便采取預(yù)警措施，提醒網(wǎng)管員對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測，硬切換方式話音信息的丟失性大，當(dāng)接收端服務(wù)器沒有接收到臨近基站的發(fā)射信號，便切斷其通信線路，造成話音信息無法進(jìn)行有效的傳遞，使其接收端無法對臨站的網(wǎng)管員進(jìn)行有效的對接。采用軟切換便摒棄了這一弊端模式的存在，在使用軟切換過程中，會(huì)隨著基站的信號強(qiáng)度逐漸進(jìn)行切換，當(dāng)終端服務(wù)器在移動(dòng)過程中，會(huì)搜尋不同基站的發(fā)射的功率信號，當(dāng)服務(wù)器靠近某一基站，導(dǎo)頻功率和總功率的比值很大時(shí)，便會(huì)自動(dòng)切換到信號強(qiáng)度大的基站內(nèi)，實(shí)現(xiàn)話音信息的有效對接。視頻服務(wù)平臺是將水庫監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)拍攝的視頻進(jìn)行錄制、存儲以及傳輸至終端服務(wù)器內(nèi)，在錄制過程中保證擁有足夠大的傳輸帶寬，在無線寬帶通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔捘苓_(dá)到400M，使錄制的視頻信息能夠有效的存儲。

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)接入部分是根據(jù)OSI的參考模型進(jìn)行劃分，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層以及應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)端口的連接是基于TCP/IP協(xié)議和AAA認(rèn)證提供分組對接，TCP屬于OSI參考模型中的傳輸層的應(yīng)用協(xié)議，而IP協(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。AAA認(rèn)證包括登錄信息的鑒別、授權(quán)以及計(jì)費(fèi)三種狀態(tài)。

二、無線寬帶通信的核心技術(shù)

1、數(shù)字調(diào)制技術(shù)

無線通信技術(shù)在數(shù)字調(diào)制上采用的是0.3GMSK，其中運(yùn)用了高通濾波器的傳輸效率與信道帶寬之間的關(guān)系，主要是通過上下載頻之間的差值來壓縮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，然后通過數(shù)字0和1將這種數(shù)字信號以正弦波的形式表達(dá)出來，使得能夠更加充分的適應(yīng)傳輸?shù)膸?，?shù)字在編碼調(diào)制方式上采用的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，包括0和1碼型的變換，表示傳送信號的高低電平的變化，其中0表示低電平，1表示高電平，一般傳送的數(shù)據(jù)串都要進(jìn)行二進(jìn)制碼字的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換原理上還運(yùn)用了跳頻的控制方式，對數(shù)字轉(zhuǎn)化后的信號，進(jìn)行離散型處理，主要是把數(shù)字信號調(diào)節(jié)到統(tǒng)一的頻率上，并且還要進(jìn)行時(shí)序調(diào)整，當(dāng)數(shù)字信道處于空閑模式下，無線通信系統(tǒng)便要自動(dòng)糾正當(dāng)時(shí)處于的時(shí)區(qū)，對于BCH信號中夾雜著一些SCH無規(guī)則的離散信號時(shí)，便要通過數(shù)字調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制，對于離散型的信號還要進(jìn)行濾波調(diào)整，使之傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)基站。

在現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)中，所用的調(diào)制技術(shù)都是采用連續(xù)的正弦波作為唯一的載波信號，正弦波包含了時(shí)間和頻率的正交變化關(guān)系，在信號傳送時(shí)間上采用的是離散的脈沖波形，間隔頻率隨著時(shí)間的變化而變化，這種方式的調(diào)制稱為脈沖調(diào)制，所謂的脈沖編碼調(diào)制，其原理為模擬信號的波形通過在傳輸信道相應(yīng)波形的編碼后，轉(zhuǎn)變成時(shí)間和取值上離散的信號波形，其中在信號波形整合過程中包括對信號波形的抽樣、量化以及編碼。

2、脈沖編碼調(diào)制技術(shù)

抽樣信號頻率的取定范圍為fm，而現(xiàn)在抽取的頻率范圍為2fm，其取值為8000Hz，所以當(dāng)抽取的信號頻率f≥2fm時(shí)，才能在終端系統(tǒng)上恢復(fù)原來的信號，當(dāng)抽取的頻率f<2fm，則傳輸?shù)男盘枙?huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象，一般監(jiān)控系統(tǒng)中語音傳輸?shù)念l率為300～3400Hz，而要抽取的信號頻率為8000Hz，中間周期間隔為125us，每秒抽取樣本的信號的次數(shù)為8000次，所以數(shù)據(jù)包壓縮上第一步就是對數(shù)據(jù)流量的抽樣。

量化階段是把抽樣所得的信號進(jìn)行分段，然后把每段依次按順序排列，最后在坐標(biāo)軸上以數(shù)據(jù)線形式的樣式表示出來，編碼是通過對量化后的數(shù)字信號進(jìn)行相應(yīng)的編碼，在計(jì)算機(jī)終端設(shè)備上一般的編碼方式為二進(jìn)制編碼，量化后的信號仍然是模擬信號，取得的信號為中間信號的樣值，如果在信號數(shù)據(jù)矩陣中，把信號等分為6份，分別為△-3、△-2、△-1、△1、△2、△3則量化后的信號的幅值為△-3與△3相加的平均值。

編碼即用一組相應(yīng)變化的二進(jìn)制碼組來表示量化后的電平值，在移動(dòng)通信技術(shù)中通常采用的是8位的PCM脈沖編碼的調(diào)制，主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼組能夠重復(fù)再生，即使信號在傳輸信道中失真，通過終端設(shè)備中的拜訪位置寄存器可以恢復(fù)原來的代碼，并且這種編碼方式抗干擾能力強(qiáng)，對于Q個(gè)變化的電平之間的轉(zhuǎn)換模式，可以用k個(gè)二進(jìn)制變化的碼組代替，使之完成電平跳變的轉(zhuǎn)換。

3、SDH雙向傳輸數(shù)據(jù)加密復(fù)用技術(shù)

在無線寬帶通信系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)鏈路采用的是SDH雙向復(fù)用傳輸技術(shù)，加大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性。在數(shù)據(jù)網(wǎng)路傳輸中，通常由A點(diǎn)傳輸至D終端，為了加大傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在通道傳輸上加大了保護(hù)環(huán)路。假設(shè)在C點(diǎn)位置處出現(xiàn)傳輸線路的堵塞，則會(huì)使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流無法達(dá)到的終端D處，所以在B處進(jìn)行網(wǎng)路自愈，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部幀結(jié)構(gòu)的調(diào)整。傳輸通道改為A，在B處進(jìn)行轉(zhuǎn)至，再由B轉(zhuǎn)至A，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部雙向環(huán)路的控制結(jié)構(gòu)，再有A轉(zhuǎn)至D最后到C，再由C進(jìn)行外轉(zhuǎn)至D。這種網(wǎng)絡(luò)自愈功能將復(fù)接技術(shù)、復(fù)用技術(shù)以及交換技術(shù)融為一體，能夠在多方面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全的控制，在傳輸比特幀結(jié)構(gòu)上，采用STM—N的形式，以4的倍數(shù)為傳輸單元，幀結(jié)構(gòu)的外在形式，以通道段開銷的模式進(jìn)行劃分，每個(gè)比特幀結(jié)構(gòu)為9×270×N的結(jié)構(gòu)，每秒傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)速率為155.52Mbit/s，對于4節(jié)復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)傳輸?shù)谋忍厮俾蕿?22Mbit/s。在局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保護(hù)上，采用SDH單向通道保護(hù)環(huán)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)至上穩(wěn)定可靠的傳輸，在加密和解密功能上，采用編譯碼的形式。

三、無線寬帶通信系統(tǒng)在中小型水庫預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性的提高

通過采用無線寬帶通信系統(tǒng)在水庫監(jiān)控性能上有了明顯的改善，通過對水庫內(nèi)水流量的信息采集以及蓄水量的統(tǒng)計(jì)使得網(wǎng)管員對水庫內(nèi)的水位變化情況做好詳細(xì)的防汛工作。通信系統(tǒng)內(nèi)的感應(yīng)裝置能夠精確的監(jiān)測水位幅度變化情況，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中由于無法及時(shí)感應(yīng)到水庫內(nèi)水位變化情況，推遲了最佳診斷期限，使得后期造成較大的洪澇災(zāi)害。并且傳輸信息的延時(shí)性也明顯改善，使收集到的數(shù)據(jù)信息能夠在短時(shí)間內(nèi)傳輸至終端設(shè)備處理器上，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的更加的穩(wěn)定和安全，基于對脈沖編碼調(diào)制技術(shù)中，對傳輸數(shù)據(jù)信息的抽樣、量化及編碼過程，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的穩(wěn)定性有了可靠的保障。

2、SDH單向環(huán)路的應(yīng)用

SDH單向環(huán)路是為了保障水庫防汛應(yīng)急通信系統(tǒng)中，上級對下級指令下達(dá)信息的安全保證。傳統(tǒng)通信線路中由于采用有線的傳輸模式，由于單向傳輸模式容易遭受線路故障的困擾，數(shù)據(jù)信息無法準(zhǔn)確的達(dá)到接收端，下級無法根據(jù)上級的指令做出正確的安排。SDH能夠?qū)@種環(huán)境的適應(yīng)度非常有效，假設(shè)傳輸?shù)男畔⒃诰€路中阻斷，便會(huì)采取網(wǎng)絡(luò)自愈功能，實(shí)現(xiàn)外部與內(nèi)部完美的對接，傳輸?shù)男畔⒈忍亓鞑粫?huì)在傳輸線路中出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，最終由內(nèi)部轉(zhuǎn)至外部，到達(dá)終端服務(wù)器，下級會(huì)接收到上級水庫預(yù)警通信系統(tǒng)中的操作指令，合理安排執(zhí)勤任務(wù)。

3、應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)施

應(yīng)急通信系統(tǒng)是在阻斷一切與外界通信系統(tǒng)的前提下，實(shí)施的一種通信系統(tǒng)，主要是為了防止突發(fā)性情況的發(fā)生。加密性能好，傳輸穩(wěn)定性能高，適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)，并且周期維護(hù)方便。水庫信息加密方式上采用短碼、長碼以及Walsh碼，在水庫傳輸設(shè)備內(nèi)添加了編碼器，當(dāng)水庫的感應(yīng)裝置采集到的信息流，流經(jīng)至傳輸設(shè)備內(nèi)，便會(huì)根據(jù)信息碼元的排列方式進(jìn)行加密，編碼方式的可靠穩(wěn)定性能強(qiáng)。其次便是防汛之間應(yīng)急措施的對接，在通信健全模式上，加裝了大量的固定電話機(jī)，公網(wǎng)手機(jī)以及衛(wèi)星手機(jī)，在保障通信線路暢通的前提下，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的對接。進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，監(jiān)測水庫信息發(fā)上變化時(shí)，及時(shí)通知省級水利部門，然后通過群發(fā)短信的方式通知縣級各單位，及時(shí)采取應(yīng)急措施，在組網(wǎng)模式上周期維護(hù)費(fèi)用低，建立內(nèi)部的集團(tuán)網(wǎng)，采用SCDMA的組網(wǎng)模式，通信雙方能夠同時(shí)傳輸語音信息。

四、結(jié)語

通過對無線寬帶通信系統(tǒng)在中小型水庫預(yù)警通信的應(yīng)用研究，使得在水庫后期應(yīng)急措施上有完善的對接模式，為防汛工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 崔鴻雁，崔文龍，劉寶玲. 寬帶無線通信技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2008

[2] 溫斌，林波，等. McWill寬帶無線接入技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2009

[3] 王興亮. 現(xiàn)代通信技術(shù)與系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

[4] 李文峰，等. 現(xiàn)代應(yīng)急通信技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007

[5] 鄭祖輝，等. 數(shù)學(xué)機(jī)群移動(dòng)通信技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008