3G/4G通信技術在援老撾地震監測臺網項目的設計與應用

撰文 /

援外地震監測臺網衛星通信系統及相關業務應用

一、前言

中國地震局多年來在滿足自身業務發展的同時，積極響應國家號召，圓滿完成多項國家地震援外工作任務，包括援巴基斯坦地震監測臺網、援印尼地震監測臺網、援老撾地震監測臺網等項目。滿足了上述國家在經濟和社會高速發展的背景下，發展防震減災事業，降低生命財產損失的迫切需求，提升了我國在地震科技領域的世界影響力，同時增進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，通過援外項目的不斷開展，拓展了地震行業服務范圍與領域，進一步增強我國地震專業技術的成果轉化與輸出，同時援外臺網的建成與使用，大幅提升了我國周邊地區地震監測能力。

網絡通信系統作為援外地震監測臺網的重要組成部分，擔負著實時數據的傳輸工作，近年來，隨著業務需求的不斷增加以及觀測技術手段的不斷進度，對于網絡通信系統在傳輸速率、運行可靠性、網絡可維護性、建設運行成本、安全性等方面提出了新的要求。

二、通信系統現狀與不足

援外地震監測臺網的設計建設最初在2006年前后開始，考慮到當時援建國家的實際情況，以及當時通信技術手段的局限性，援外地震監測臺網項目在網絡通信系統設計全部使用衛通方式實現境外監測臺的數據傳輸，衛星通信最大的特點是不受當地通訊環境的影響，可實現自組網，即數據通過衛星實現由境外臺站到境內衛星中心站的傳輸，適合通信條件惡劣地區使用。綜合當時援建地區的經濟情況，以及網絡通信條件，衛星通信方式是當時唯一可行的通信方式。

在援外地震監測臺網后續運行維護中，衛星通信系統作為境外地震監測臺使用的弊端逐漸顯現。首先是數據通信質量，受制于衛星通信自身技術特性的制約，衛通系統通信存在較大時延，在800-1000ms之間，不利于大量數據快速傳輸，并且容易受到大雨等惡劣天氣影響；其次，衛通系統建設成本和使用維護成本較高，以目前援外臺網使用的衛通系統作為參考，其系統單臺站采購成本 5萬-7萬元，如考慮援外臺站建設，總成本超過10萬元（包括現場專業安裝以及衛星天線基墩建設），同時衛星中心站建設成本超過100萬元，后期還需要根據衛星節點數量增加投資，同時通信費用價格較高，1M帶寬的衛通信道年租用費超過10萬元，系統建設使用經濟性較差；在運行環境要求方面，目前使用的衛通系統對于供電要求很高，實際運行功率在100-120W，峰值功率可達到150W，對于供電條件有限地區以及采用太陽能供電的臺站，無法滿足連續供電要求，經常出現通信斷續的情況；而且衛通系統日常運行維護需要專業人員進行，一旦出現頻偏、設備損壞等情況，需要專業人員前往境外現場處理，維護成本很高，系統效能較低。上述4方面問題在援外臺網投入運行后陸續顯現，亟需提出合理的技術方案，予以解決。

序號　技術需求　指標與要求備注1　廣域網通信模式支持3G/4G全網通模式，可實現自動注冊入網與自組網功能。支持TD-LTE/TD-SCDMA制式網絡；支持FDD-LTE/WCDMA制式網絡；兼容WCDMA、CDMA2000、CDMA、TD-SCDMA、GSM移動、聯通、電信等運營商通信協議2　局域網接入要求　4-8個10/100M自適應以太網接口3　網絡基本功能　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支持IPSec VPN功能、反向路由注入、NAT穿越等功能5　系統運行環境要求　零下30－75°C 6　系統整體功耗　滿負荷工作下小于10W　可支持220V交流與12V直流供電7建設成本　臺站節點系統設備成本不高于0.6萬元/套；中心節點設備成本不高于20萬（可承載1000個以上3G/4G臺站接入）8通信費　按當前國內3G/4G信道資費，單測震臺一年3G/4G通信費為0.03萬-0.05萬元2016年12月

三、基于3G/4G的無線廣域網通信系統

當前，隨著經濟發展與社會進步，尤其是移動互聯技術的快速發展與應用，運營商已陸續推出3G/4G等業務，實現高速的移動互聯。移動通信系統正在從單一的語音功能向高寬帶、同時支持IP語音通信、數據通信、視頻流媒體傳輸等技術方向發展，系統則向著小型化、專業化、模塊化、安全化、低功耗、低成本方向發展，無論何時何地，只要當地有信號覆蓋，都可迅速便捷地建立穩定安全的高速通信系統。目前我國3G通信模式最高可達21.7Mbps帶寬，實際傳輸速率在1Mbps-2Mbps；4G通信模式最高可達到100Mbps帶寬，實際傳輸速率在10Mbps-40Mbps。如果將基于3G/4G的無線廣域網通信技術運用在地震監測臺站的網絡通信系統，用于實時數據傳輸，將成為繼專線通信方式、衛星通信方式后第3類可廣泛用于地震監測臺站的廣域網通信模式。

1.需求分析

充分結合3G/4G新一代無線廣域網通信技術，利用通信運營商在各個區域覆蓋的移動通信資源，實現地震監測臺站到中心節點的自動注冊組網、網絡高速互聯、數據安全傳輸、長期穩定運行、降低總體建設成本與使用成本、便于日常維護使用。此外，該系統應與現有地震監測網絡系統有較好的兼容性，在實施部署過程中對現有系統不產生影響。主要指標要求如下表：

2.關鍵技術

目前運營商提供的3G/4G無線廣域網接入服務均依托互聯網提供支持，對于地震行業的應用無法直接使用，主要原因包括兩方面，第一，通過互聯網傳輸地震數據，無法滿足安全性要求；第二，互聯網的公網IP地址與地震行業網的私有IP地址無法進行便捷通信。綜合上述面臨的問題，在地震行業內實現3G/4G無線廣域網技術應用，需要配套相應的技術手段，實現安全性與網絡互連互通的需求。解決網絡互連互通的問題可使用VPN組網技術實現，數據安全傳輸可采用加密技術解決。

（1）VPN組網技術

廣域網虛擬組網技術簡稱VPN技 術（Virtual Private Network），其技術方式包括PPTP、L2TP、MPLS VPN、IPSec等方式。PPTP主要用于點對點傳輸，不適用于地震行業全局層面多點組網的模式；L2TP為Cisco廠商私有協議，適用范圍有一定局限性，不適合全網兼容性與后期擴容升級；MPLS VPN采用2.5層標簽交換技術，多用于運營商的大型廣域網通信，如使用該技術協議，對已有的地震行業網系統需要有較大調整，會對現有業務應用造成較大影響。通過比對分析后，采用IPsec VPN技術進行虛擬組網，可保證通過3G/4G模式傳輸在互聯網中的數據進行二次封裝，實現地震監測臺站節點的網絡與地震行業網的互聯互通，同時支持3G/4G通信系統的自組網功能。

系統總體結構圖

（2）加密技術

地震行業對數據信息在廣域網傳輸中的安全性與保密性有相關要求，需要對IPSec隧道封裝后的數據進行傳輸加密。未采用加密技術封裝的數據包在網絡中為明文傳輸，在非可控的廣域網傳輸過程中一旦遭到網絡監聽，存在重要數據信息泄露的風險，所以需要對IPSec隧道內的數據信息進行加密。通過調研分析，加密算法采用我國自主研發的硬件加密技術SM1算法，不再使用傳統的國外公開算法，如DES、3DES、AES等。

3.技術實現與典型設計

（1）技術實現

基于3G/4G的廣域網通信系統在技術實現上需要考慮中心節點與臺站節點兩部分內容。

中心節點部分建設2路互聯網專線用于匯聚3G/4G臺站節點的通信數據。2路專線分別采用國內不通的2家通信運營商的骨干互聯網資源，每路互聯網專線配備2－4個固定的公網IPv4地址，專門用于與臺站節點的網絡通信?；ヂ摼W接入使用高性能防火墻與路由器完成，防火墻實現狀態檢測，安全過濾，訪問控制等功能，路由器則實現互聯網路由功能，及兩路互聯網專線的負載與備份功能。

臺站節點部分則由一體化的3G/4G網絡設備，3G/4G通信網卡組成。一體化3G/4G網絡設備具備路由、交換功能，同時根據需要可增加無線局域網模塊，可使用多種組網需求，配置的3G/4G模塊可支持各類無線廣域網技術（7模全網通），可根據使用區域3G/4G信號資源情況靈活選擇不同運營商。設備通過3G/4G通信網卡實現撥號入網，通過與中心節點的IPSec VPN互連實現基于虛擬專網的數據傳輸，并通過加密算法對數據進行傳輸加密。臺站端接入設備采用自組網技術設計，在進行初始配置后，開機后可與國家中心之間實現自動組網，無需人工干預，對于現場的安裝部署非常便捷。同時，在網絡出現故障后，可進行遠程管理調試，也可根據設備指示燈判斷問題，如設備損壞，可快遞備機至臺站節點，維護人員進行基本設備替換、線纜插拔等簡單工作，開機后即可自動組網，便于日常維護使用。

（2）典型設計

考慮到國內地震監測臺站、境外地震監測臺站、移動觀測、現場應急等多種應用場景，對于3G/4G的應用模式進行了3類典型設計。

設計1：獨立3G/4G通信模式

該模式使用一套獨立的3G/4G網絡設備，通過3G/4G網絡實現互聯網接入，并通過VPN與數據加密，實現與中心節點的網絡互連與數據傳輸。

設計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點，通過3G/4G網絡實現網絡備份與自動切換。其實現原理為，將3G/4G網絡設備接入已有的地面網絡通信設備，通過動態路由協議的路徑選擇功能，實現地面網絡與3G/4G網絡的備份。在日常模式下，數據由地面網絡傳輸，3G/4G網絡系統處于監聽備份狀態，當地面網絡出現故障后，網絡系統會自動切換至3G/4G網絡通信，確保臺站數據的實時傳輸。在地面網絡恢復正常后，系統會自動切回至地面網絡通信，3G/4G網絡恢復監聽備份狀態。

設計3:衛星通信模式與3G/4G通信模式融合

該模式和地面網絡、3G/4G網絡融合組網模式原理類似，同時可以根據實際情況選擇優先使用的傳輸方式，即衛通為主、3G/4G備份或3G/4G為主、衛通備份。

老撾通信運營商

四、援外監測臺網的應用情況

2015年11月，應老撾氣象水文廳的邀請，中國地震局安排專家團隊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工作。其中一項重要任務是在境外開展基于3G/4G網絡通信方式的測試與部署工作。

目前，3G/4G網絡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測臺站均有信號覆蓋。目前老撾有三大通信運營商，包括老撾電信（ETL）；老撾移動通信（M-Phone）和老撾聯通（UniTel）。

此次測試了老撾移動通信（M-Phone）和老撾聯通（UniTel）2家運營商的3G/4G網絡系統，在完成VPN與數據加密組網后，與國內位于北京的中國地震臺網中心進行網絡通信，平均網絡時延均在290-330ms之間，網絡丟包率低于0.3%，網絡質量良好，完全可以滿足境外監測臺網的業務需要。并在瑯勃拉邦進行試運行工作，運行1年多來，為境外GNSS基準站業務提供了優質的網絡通信服務。

3G/4G通信系統與衛通系統比測表

老撾當地3G/4G無線通信費用

五、結束語

基于3G/4G的無線廣域網通信技術是近年來移動互聯應用快速發展的產物，對于地震行業其核心價值在于充分利用通信運營商在全國建設的無線網絡資源，解決自身業務問題，其靈活的組網方式，使用維護的便捷性，以及低廉的價格，可為地震行業在臺站組網、移動觀測、現場應急、援外項目等多個業務領域提供支持服務，在地震行業具有巨大的應用前景與推廣意義。