地震預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模式研究

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現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展極大地提高了人們獲取信息的能力，使實(shí)時(shí)地震觀測(cè)成為可能，這是現(xiàn)代地震觀測(cè)的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的通信技術(shù)中，從有線的光纖通信、移動(dòng)通信到衛(wèi)星通信，在地震觀測(cè)中都有應(yīng)用。這些通信方式各有利弊，選擇適當(dāng)?shù)呐_(tái)網(wǎng)通信模式，既要滿足臺(tái)網(wǎng)長(zhǎng)期無地震時(shí)低運(yùn)行成本的要求，也要保障破壞性地震，尤其是大地震發(fā)生時(shí)，預(yù)警和烈度速報(bào)最基本的通信需求，這是建立地震預(yù)警和烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)必需解決的問題。本文通過對(duì)現(xiàn)代通信主要幾種通信方式的對(duì)比分析，探討適當(dāng)?shù)牡卣痤A(yù)警和烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)通信模式，為建立有效的地震預(yù)警和烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)提供參考。

地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)常用的通信方式

地震觀測(cè)利用通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在我國(guó)，遠(yuǎn)程地震觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸開始于1966年，最初采用電話線路，雖然傳輸能力有限，但卻將地震觀測(cè)帶入了實(shí)時(shí)的時(shí)代。隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，不同的通信模式，如無線短波、微波、衛(wèi)星通信、DDN專線等，在地震觀測(cè)中都發(fā)揮過重要作用(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003)。這些通信模式總體可分為兩大類，即有線通信和無線通信(紀(jì)越峰等，2002)。

1有線通信

有線通信是目前地震觀測(cè)通信的主要手段，在實(shí)時(shí)地震觀測(cè)中，SDH光纖通信已大量得到應(yīng)用。SDH光纖有線通信的優(yōu)點(diǎn)在于其強(qiáng)抗干擾性、高穩(wěn)定性、時(shí)延小、大帶寬、高傳輸速率以及保密性較好等。在“十五”期間建設(shè)的中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中，部分臺(tái)站利用的是PSTN公用電話網(wǎng)撥號(hào)，其雖然可以滿足僅以獲取強(qiáng)震動(dòng)記錄為目的的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的需求，但實(shí)時(shí)性差，從使用的情況看，可靠性和效率也不高。有線通信的弊端為需要布設(shè)專門的通信線路，抗擊自然災(zāi)害能力差，易受雷擊和人為破壞。

2移動(dòng)通信

移動(dòng)通信技術(shù)近年來飛速發(fā)展，在我國(guó)正由2G向3G通信過渡。由于不需要鋪設(shè)通信線路，移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)就在于架設(shè)非常方便，還能避免雷擊導(dǎo)線引入以及線路損毀導(dǎo)致的故障，降低了故障發(fā)生的幾率。在幾種通信方式中，移動(dòng)通信技術(shù)使費(fèi)最低。但在2G時(shí)代，該種通信技術(shù)存在著信號(hào)穩(wěn)定性差、時(shí)延較長(zhǎng)、帶寬窄、容易堵塞等問題。“十五”期間，2G移動(dòng)通信技術(shù)也有所應(yīng)用，在一些測(cè)震固定臺(tái)和流動(dòng)臺(tái)，CDMA1x被用于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)(肖武軍等，2009)，但效果明顯差于光纖通信。在強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中，CDMA1x也有較大范圍的應(yīng)用(崔建文等，2007)，但不進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。3G通信速率、帶寬、時(shí)延等指標(biāo)有非常大提升，測(cè)試表明，3G通信(CDMA2000、WCDMA)能有效地實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。但目前3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面還不大，限制了其在地震觀測(cè)中的應(yīng)用。3G通信雖然在性能上較2G有了很大的改善，但仍然存在著抗干擾能力弱、傳輸質(zhì)量不太穩(wěn)定等問題。

3衛(wèi)星通信

在所有通信手段中，衛(wèi)星通信的抗災(zāi)能力是最強(qiáng)的，因此，作為應(yīng)對(duì)災(zāi)難性地震的通信手段，VSAT衛(wèi)星通信在一些國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)地震臺(tái)中得以應(yīng)用(任鎮(zhèn)，李大輝，2010)，并被用于地震應(yīng)急通信(李永強(qiáng)等，2007)。衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)為不受地理?xiàng)l件的限制，且通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠。衛(wèi)星通信優(yōu)點(diǎn)明顯，但也存在著時(shí)延長(zhǎng)、運(yùn)行成本高等明顯的缺點(diǎn)，對(duì)于VSAT衛(wèi)星通信，采用較大尺寸的天線，需要精確對(duì)星，在遭遇強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，由于天線劇烈晃動(dòng)，很難保證通信的正常。

地震預(yù)警和烈度速報(bào)對(duì)通信的需求

由于要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)不同，地震預(yù)警和烈度速報(bào)對(duì)通信的要求也有較大的差異，在時(shí)間尺度上，地震預(yù)警以秒計(jì)，烈度速報(bào)則可以按分鐘來計(jì)時(shí)。從可靠性來講，兩種系統(tǒng)都要求在破壞性地震發(fā)生時(shí)，臺(tái)站通信正常，以保證系統(tǒng)基本功能。對(duì)通信的需求應(yīng)從單個(gè)臺(tái)站和臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)兩個(gè)方面考慮。單個(gè)臺(tái)站的性能是臺(tái)網(wǎng)整體性能的基礎(chǔ)，臺(tái)網(wǎng)作為一個(gè)整體具備應(yīng)對(duì)局部失效的能力。作為一個(gè)需要長(zhǎng)期運(yùn)行的系統(tǒng)，地震預(yù)警和烈度速報(bào)采用的通信方式除在通信質(zhì)量上滿足要求外，還應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)、維護(hù)、且經(jīng)濟(jì)適用的。如果選擇的通信方式在通信指標(biāo)上能滿足要求，但建設(shè)難度高、成本大，或者后期難于維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用難以承受，則是不可取的。從易于實(shí)現(xiàn)、維護(hù)、經(jīng)濟(jì)可承受等因素考慮，應(yīng)該基于現(xiàn)有的有專業(yè)部門維護(hù)和保障的公共通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警和烈度速報(bào)的數(shù)據(jù)通信。

1地震預(yù)警對(duì)通信的需求

地震預(yù)警對(duì)通信的基本要求是以盡可能少的時(shí)間將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。采用小時(shí)延高速網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)行之有效的辦法，此外，在傳輸機(jī)制上，也應(yīng)盡可能減少影響通信效率的因素，如信息安全檢查、數(shù)據(jù)誤碼效驗(yàn)等。其通信的性能指標(biāo)考慮如下。在《中國(guó)數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》(中國(guó)地震局，2005)中，誤碼率的測(cè)試時(shí)間為連續(xù)24h，誤碼率優(yōu)于10－7的指標(biāo)反映的是在一段時(shí)間內(nèi)允許誤碼發(fā)生的平均值，反映的是總體符合要求，但可能出現(xiàn)的情況是，誤碼集中出現(xiàn)在很短的時(shí)段內(nèi)，局部狀況嚴(yán)重惡化，如24h的誤碼集中在1s內(nèi)出現(xiàn)，這樣將影響分析結(jié)果。因此，在24h的誤碼率測(cè)試中，除規(guī)定24h內(nèi)誤碼率優(yōu)于10－7外，每個(gè)小時(shí)的誤碼率也要優(yōu)于10－7。這時(shí)在無效驗(yàn)機(jī)制下，可保障傳輸?shù)臄?shù)據(jù)仍然是可靠的。(3)時(shí)延時(shí)延是指一個(gè)數(shù)據(jù)包從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一個(gè)端所需要的時(shí)間。產(chǎn)生時(shí)延的環(huán)節(jié)有很多，主要是由傳輸媒質(zhì)時(shí)延和網(wǎng)元時(shí)延組成的，可以表示為T=Ts+Tp.(1)式中，T為數(shù)據(jù)包由發(fā)出到接收的時(shí)延(耗時(shí));Tp是信號(hào)在介質(zhì)中傳播耗時(shí)產(chǎn)生的傳輸媒質(zhì)時(shí)延，與傳輸距離成正比，在地面上，Tp時(shí)延僅占總時(shí)延很小一部分，但在衛(wèi)星通信中，Tp則是不可忽略的一個(gè)部分;Ts是網(wǎng)元時(shí)延，由發(fā)送端、接收端和中間路由轉(zhuǎn)換等設(shè)備處理數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生。產(chǎn)生網(wǎng)元時(shí)延的原因很多，包括使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、數(shù)據(jù)包的大小等。由于時(shí)延與數(shù)據(jù)包的大小有關(guān)，為統(tǒng)一時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)，以Ping命令在數(shù)據(jù)發(fā)送端得到數(shù)據(jù)接收端回應(yīng)的時(shí)間的一半為通信的時(shí)延。Ping命令發(fā)送的是32bit的測(cè)試數(shù)據(jù)包。在中國(guó)地震信息網(wǎng)的測(cè)試顯示，一般情況下，省級(jí)區(qū)域內(nèi)，SDH光纖通信的時(shí)延小于10ms，跨省區(qū)范圍內(nèi)，不大于100ms。衛(wèi)星通信域而公共移動(dòng)通信≤1000ms。(4)抗毀需求本文僅討論臺(tái)網(wǎng)通信抗擊地震沖擊的能力。破壞性地震也可能導(dǎo)致地面通信的中斷，要保證地震中地震波數(shù)據(jù)的正常傳輸，有效的解決辦法是配置衛(wèi)星通信。但就實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警系統(tǒng)的功能而言，是否需要配置衛(wèi)星通信系統(tǒng)，值得探討。地震對(duì)通信系統(tǒng)的破壞機(jī)制主要有兩類:一是強(qiáng)烈的振動(dòng)直接導(dǎo)致通信設(shè)備損壞，二是建筑物倒塌、地形、地貌發(fā)生變化導(dǎo)致線路、通信設(shè)施損壞。從震害經(jīng)驗(yàn)看，強(qiáng)烈振動(dòng)直接損壞通信系統(tǒng)的可能性較小，如在日本“3•11”地震中，雖然最大的加速度峰值近3g，但網(wǎng)絡(luò)通信基本沒有受到影響，而汶川地震中通信的大面積中斷，與建筑物的大量倒塌、大面積的山體滑坡、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表破裂密切相關(guān)(溫瑞智等，2011)。由于建筑物、山體和巖石都有一定的抗破壞能力，因此，建筑物的倒塌、山體的滑坡和地表破裂等現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要有一定的強(qiáng)烈地震動(dòng)作用時(shí)間，即在強(qiáng)破壞性S波作用一定的時(shí)間后才產(chǎn)生破壞。這一時(shí)間目前沒有相關(guān)的研究，這里假定為10s，則從地震開始，地震導(dǎo)致通信中斷的時(shí)間應(yīng)不小于12s(假設(shè)臺(tái)站位于震中，震源深度6km)，因此，在最不利的情況下，預(yù)警系統(tǒng)也有12s的獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間。如果利用12s的記錄進(jìn)行預(yù)警，考慮到近8s的數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)間，則預(yù)警盲區(qū)將大于70km，從汶川地震中震害分布來看，在非破裂方向上，震中距(斷層距)大于70km后，人員死亡的數(shù)量已很少(王艷茹等，2009)。因此，就預(yù)警的功能而言，在大地震沖擊下，在最不利條件下，地面通信系統(tǒng)可維持12s的通信時(shí)間已基本可滿足預(yù)警的需要，布設(shè)具有衛(wèi)星通信功能的預(yù)警臺(tái)站，并不能實(shí)質(zhì)性地改善預(yù)警系統(tǒng)的性能，僅就實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能而言，預(yù)警臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)并非必須配備衛(wèi)星通信。綜上所述，如果不考慮其它因素，如非地震引起的滑坡、泥石流等對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)通信的影響，則地震的沖擊不足以使預(yù)警系統(tǒng)喪失預(yù)警的功能?；诘孛嫱ㄐ啪邆淇箵舻卣饹_擊的能力，系統(tǒng)應(yīng)是可靠的。

2地震烈度速報(bào)對(duì)通信的需求

從烈度速報(bào)的機(jī)制、社會(huì)對(duì)烈度速報(bào)的響應(yīng)和需求來看，震后10min內(nèi)給出速報(bào)結(jié)果是合理和可行的。由于對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)性要求不高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求也就低于地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求，故而可以采取一些會(huì)額外增加傳輸時(shí)間的措施來提高傳輸結(jié)果的可靠性。其通信的性能指標(biāo)考慮如下:(1)速率烈度速報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可采用兩種方式，一種是實(shí)時(shí)傳輸，另一種為事件記錄傳輸。實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，以常規(guī)3通道、24bit、100sps的臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備性能考慮，則其通信速率的基本要求是有≥7.2kbps的穩(wěn)定信道。對(duì)于事件傳輸，按10min給出速報(bào)結(jié)果考慮，要求地震發(fā)生后10min內(nèi)將觀測(cè)記錄傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。同樣以3通道、24bit、100sps的臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備性能考慮，對(duì)于像汶川地震規(guī)模的地震，在強(qiáng)有感范圍內(nèi)，記錄的持續(xù)時(shí)間不超過3min，其記錄的數(shù)據(jù)量1296kbit，在記錄結(jié)束后，將有近7min的時(shí)間可用于數(shù)據(jù)傳輸，則只要有3.1kbps穩(wěn)定的通信速率，即可滿足要求。(2)誤碼率由于地震烈度速報(bào)可采用效驗(yàn)機(jī)制，對(duì)于誤碼率的要求，可低于預(yù)警系統(tǒng)，這里設(shè)定為10－6，實(shí)際應(yīng)用中還可更低。對(duì)于3通道采樣率100sps的24bit數(shù)采，其含義為在每個(gè)小時(shí)傳送的數(shù)據(jù)中，產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)量少于25.2個(gè)，這種傳輸錯(cuò)誤將通過效驗(yàn)機(jī)制糾正。誤碼率的測(cè)試與預(yù)警系統(tǒng)相同。(3)時(shí)延。時(shí)延的大小并不會(huì)影響烈度速報(bào)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)的通信，時(shí)延不作要求。(4)抗毀需求。與預(yù)警系統(tǒng)僅僅只利用前10s地震記錄不同，烈度速報(bào)需要利用整個(gè)觀測(cè)記錄來計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的烈度值。如果地震造成通信中斷，則采用實(shí)時(shí)傳輸?shù)牧叶人賵?bào)臺(tái)僅能將通信中斷前的數(shù)據(jù)回傳，而采用事件傳輸方式的烈度速報(bào)臺(tái)，數(shù)據(jù)全部丟失，數(shù)據(jù)不完整或缺失將影響烈度速報(bào)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。因此，要保證獲取極震區(qū)烈度速報(bào)觀測(cè)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星通信是必須的。由于衛(wèi)星通信設(shè)備的使用費(fèi)昂貴，只能有部分臺(tái)站實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信，這就需要考慮合理的衛(wèi)星通信臺(tái)站布設(shè)，以盡可能少的衛(wèi)星通信臺(tái)站滿足烈度速報(bào)系統(tǒng)基本功能的需求。造成地面通信中斷的主要原因?yàn)榻ㄖ锏牡顾?、山體滑坡以及地面開裂。地震烈度在Ⅷ度以上，可產(chǎn)生上述震害現(xiàn)象。因此，衛(wèi)星通信臺(tái)站應(yīng)布設(shè)在Ⅷ度以上震區(qū)。雖然我們不知道未來地震Ⅷ度以上震區(qū)的分布，但對(duì)于不同的震級(jí)強(qiáng)度，可以估計(jì)Ⅷ度以上震區(qū)的大小，衛(wèi)星通信臺(tái)站的布設(shè)應(yīng)使在發(fā)生可產(chǎn)生地震烈度大于Ⅷ度以上區(qū)域的地震時(shí)，有一個(gè)衛(wèi)星通信臺(tái)站落在Ⅷ度以上區(qū)域內(nèi)。一般而言，當(dāng)震級(jí)達(dá)到6級(jí)時(shí)，就出現(xiàn)Ⅷ度破壞區(qū)域，其Ⅷ度區(qū)的面積不大于100km2(孫繼浩，2011)，如果要使衛(wèi)星通信臺(tái)站落到Ⅷ度區(qū)內(nèi)，則衛(wèi)星通信臺(tái)站的間距應(yīng)小于10km。在我國(guó)，這實(shí)際上已超過烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)可布設(shè)的密度。如果我國(guó)以20km的間距布設(shè)烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)，這相當(dāng)于在云南全省布設(shè)1000個(gè)臺(tái)站，如果其中有1/4的臺(tái)站，即250個(gè)臺(tái)站采用衛(wèi)星通信，臺(tái)站的間距已達(dá)到60km，相當(dāng)于3600km2內(nèi)有一個(gè)衛(wèi)星通信臺(tái)站，但250個(gè)衛(wèi)星通信臺(tái)仍是個(gè)比較龐大的數(shù)量，且這種密度已很難滿足烈度速報(bào)基本功能的需求。因此，平均布設(shè)衛(wèi)星通信臺(tái)站是不可取的，應(yīng)該從地震發(fā)生的特點(diǎn)來尋求問題的解決方案。從以往的震害經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊的一般是7級(jí)以上的地震，而7級(jí)以上地震都有明確的構(gòu)造背景，如果僅在可發(fā)生大地震的斷層帶布設(shè)衛(wèi)星通信臺(tái)站，則衛(wèi)星臺(tái)密度就可加大，能得到更好的烈度速報(bào)效果。以汶川地震為例，其斷層為龍門山斷裂帶，斷層破裂長(zhǎng)度約300km、寬度最大30km。按40km的臺(tái)間距圍繞斷層布設(shè)衛(wèi)星通信臺(tái)站，則只需16個(gè)臺(tái)站即可將汶川地震極震區(qū)的狀況作很好的描述。因此，通過在具有發(fā)生大地震危險(xiǎn)性的斷層帶上布設(shè)衛(wèi)星通信烈度速報(bào)臺(tái)，就可以滿足在烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)烈度速報(bào)基本功能、抗擊大地震沖擊的要求。

適用于地震預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)的通信模式

1地震預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模式

有線通信具有抗干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在有線通信中，光纖通信已替代傳統(tǒng)的金屬線纜，應(yīng)用于通信主干網(wǎng)、各種支線通信甚至局域網(wǎng)中。經(jīng)過多年的發(fā)展，在通信技術(shù)方面，SDH技術(shù)已成為主流，以往在測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中有較廣泛應(yīng)用的DDN專線技術(shù)已被通信公司逐步淘汰。同步數(shù)字體系(SynchronousDigitalHierarchy，簡(jiǎn)稱為SDH)，是一種基于時(shí)分復(fù)用的同步數(shù)字透明傳輸技術(shù)。SDH對(duì)網(wǎng)絡(luò)單元接口有嚴(yán)格的規(guī)范要求，具有全球統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口。SDH網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的生存率，由于嚴(yán)格同步，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，誤碼率低。從“十五”開始，中國(guó)地震局建立了基于SDH的全國(guó)地震信息網(wǎng)絡(luò)，許多地震觀測(cè)臺(tái)站實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸。由運(yùn)營(yíng)商提供的無線通信目前有兩類，其一是還在快速發(fā)展的移動(dòng)通信，其二是衛(wèi)星通信。(1)移動(dòng)通信投入商用的移動(dòng)通信已發(fā)展到第三代3G通信，在我國(guó)，目前3G通信還處于普及之中，2G通信仍然在大量使用。在第二代移動(dòng)通信發(fā)展的GPRS、CDMA1x數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，CDMA1x具有比GPRS更大的帶寬，最高峰值速率可達(dá)307.2kbps。從理論上講2G通信完全可以滿足地震觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸(7.2kbps)，但由于語音和數(shù)據(jù)共享信道，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量增加，每個(gè)用戶可以使用的帶寬也將降低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。但由于無線移動(dòng)通信組網(wǎng)方便，在正常情況下，如沒有通信量的突然增加，利用CDMA1x基本可以滿足地震觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸(7.2kbps)，因此，在我國(guó)地震觀測(cè)中CDMA1x也有應(yīng)用，尤其是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急地震流動(dòng)觀測(cè)。

3G通信是工作在2GHz頻段的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)(紀(jì)越峰等，2002)。相比于2G移動(dòng)通信，其數(shù)據(jù)傳輸速率有了大幅提升，最高傳輸速率達(dá)14Mbps。原則上，在3G信號(hào)正常的情況下，3G通信已能很好地支持地震觀測(cè)實(shí)時(shí)傳輸。但3G通信也是多用戶共享帶寬，也存在2G通信隨用戶數(shù)量增加傳輸速率降低的問題，一旦通信量突然大量增加，會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，則通信的質(zhì)量將嚴(yán)重下降。我國(guó)運(yùn)行的3G標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，即中國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)的TD-SCDMA、中國(guó)聯(lián)通運(yùn)營(yíng)的WCDMA和中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)的CDMA2000。相比之下，中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)的CDMA2000覆蓋面最廣，信號(hào)質(zhì)量最好，實(shí)際測(cè)試顯示其具有良好的實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)傳輸能力。(2)衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在2個(gè)或多個(gè)地面站之間進(jìn)行通信。目前可用于公共網(wǎng)絡(luò)通信的衛(wèi)星主要有VSAT和BGAN衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、使用成本與通信距離無關(guān)的特點(diǎn)。由于衛(wèi)星通信的電磁波主要在大氣層以外的宇宙空間傳播，而宇宙空間被認(rèn)為是無影響的均勻介質(zhì)，因此，通信信號(hào)穩(wěn)定、通信質(zhì)量可靠。但衛(wèi)星通信也存在時(shí)延長(zhǎng)、投資大、使用費(fèi)用高等不足。①VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的，我國(guó)主要是采用亞洲2號(hào)通信衛(wèi)星?！熬盼濉逼陂g，根據(jù)國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)需求，中國(guó)地震局建立了通信范圍覆蓋全國(guó)的專用VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003)。地震衛(wèi)星通信網(wǎng)主站設(shè)在北京，設(shè)計(jì)能力為800～1000個(gè)遠(yuǎn)端VSAT小站，它主要承擔(dān)了國(guó)家和首都圈地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字地震數(shù)據(jù)的傳輸、地殼運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)臺(tái)站(GPS臺(tái)站)數(shù)據(jù)的傳輸、地震應(yīng)急通信等。目前已有多個(gè)VSAT衛(wèi)星小站遍布全國(guó)各地，其地理位置北至黑龍江黑河，南至西沙群島，東至烏蘇里江，西至新疆塔什庫(kù)爾干。VSAT衛(wèi)星需要精確對(duì)星，天線體積較為龐大，直徑一般在1.2m。在強(qiáng)烈地震沖擊下，很難正常工作。②BGAN衛(wèi)星通信BGAN是國(guó)際海事衛(wèi)星組織所主導(dǎo)的寬頻全球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(BroadbandGlobalAreaNetworkSys-tem)的第四代衛(wèi)星通信系統(tǒng)。它是基于IP技術(shù)的移動(dòng)衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，提供可靠的、高速的數(shù)據(jù)解決方案(最高速率可達(dá)144kbps)。BGAN衛(wèi)星通信具有天線尺寸小、容易對(duì)星，采用全向天線，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)中通，因此，具有良好的抗震性能。雖然通信設(shè)備投入不高，但使用費(fèi)用高昂，僅能短時(shí)間應(yīng)急使用。

在通信的質(zhì)量、性能上，全光纖SDH技術(shù)應(yīng)該說是所有通信技術(shù)中最優(yōu)異的，完全可以滿足預(yù)警臺(tái)站的數(shù)據(jù)通信要求，是最可取的通信模式。從性能上講，DDN技術(shù)也能很好地滿足地震預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅S著SDH技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，通信運(yùn)營(yíng)商對(duì)DDN的支持將逐漸減弱，其投入的設(shè)備面臨使用期內(nèi)淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。但SDH最小帶寬2Mbps，相對(duì)于7.2kbps的預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸需求而言，浪費(fèi)較大。相比于有線通信，無線通信除不用鋪設(shè)通信線纜，建設(shè)簡(jiǎn)便且使用費(fèi)低廉外，在速率、穩(wěn)定性、質(zhì)量等方面都較有線通信差。由于衛(wèi)星通信費(fèi)用高昂，在必須采用無線通信時(shí)，宜選擇3G通信中的CDMA2000或者WCDMA系統(tǒng)，臺(tái)站移動(dòng)信號(hào)應(yīng)不小于－50dBm。在有線通信和移動(dòng)通信都不可達(dá)到的地方，使用VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。一般通信時(shí)采用的都是帶寬共享機(jī)制，有線通信的大帶寬保證了不易出現(xiàn)通信堵塞現(xiàn)象，對(duì)于移動(dòng)通信而言，其帶寬容量按正常狀況下設(shè)計(jì)，但遇突發(fā)事件時(shí)，用戶短時(shí)間集中上網(wǎng)，大幅突破正常容量，造成每個(gè)用戶可使用帶寬嚴(yán)重下降，通信不暢。而地震就屬這種突發(fā)事件，為保障地震時(shí)預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)通信的帶寬需求，在信道上應(yīng)開辟預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)通信專門帶寬通道，為預(yù)警臺(tái)站留有足以保證地震實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)膸?。這種機(jī)制的安排對(duì)于移動(dòng)通信尤為重要。就實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)功能而言，采用衛(wèi)星通信并不能增強(qiáng)預(yù)警系統(tǒng)抗擊地震沖擊的能力，但可以增加獲取的地震信息量。為了獲取更多的地震信息，需要適當(dāng)配置一些衛(wèi)星通信臺(tái)站，但在極震區(qū)，在激烈震動(dòng)下，常規(guī)的VSAT通信設(shè)備不能準(zhǔn)確對(duì)星，因此，應(yīng)采用對(duì)星更簡(jiǎn)便的BGAN衛(wèi)星通信技術(shù)。但BGAN衛(wèi)星使用費(fèi)非常高昂，45元/分鐘，應(yīng)考慮將BGAN通信作為地面通信的一種備份使用，在地面通信正常時(shí)，通信由地面系統(tǒng)完成，當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ胖袛鄷r(shí)，立刻轉(zhuǎn)為衛(wèi)星通信。

2烈度速報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模式

烈度速報(bào)臺(tái)站對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求比預(yù)警系統(tǒng)要低，因此，適用于預(yù)警系統(tǒng)的通信方式都適用于烈度速報(bào)系統(tǒng)。從降低運(yùn)行成本考慮，在有3G網(wǎng)絡(luò)(CDMA2000、WCDMA)覆蓋的地方，應(yīng)考慮采用3G網(wǎng)絡(luò)?？梢赃M(jìn)行事件傳輸?shù)耐ㄐ欧绞接泻芏啵灰獫M足能在地震發(fā)生后10min內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行募纯?，但采用在線通信方式更有利于后期臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)。利用SDH網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)臺(tái)站事件的數(shù)據(jù)傳輸在技術(shù)上不存在問題，但在SDH網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用時(shí)，臺(tái)站數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)傳輸將更直觀有效。在我國(guó)，CDMA1x已大量應(yīng)用于強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站事件數(shù)據(jù)傳輸，且運(yùn)行狀況良好。但隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及，對(duì)CDMA1x的支持將會(huì)被逐漸放棄。因此，在有3G網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，采用3G網(wǎng)絡(luò)不僅會(huì)得到越來越強(qiáng)的技術(shù)支持，而且其通信速率也高許多，利于盡快回傳事件記錄。

與地震預(yù)警僅能利用地震初始幾秒的記錄不同，要可靠地確定地震烈度，需要盡可能完整的地震動(dòng)記錄。在大震導(dǎo)致地面通信系統(tǒng)破壞時(shí)，利用衛(wèi)星通信將地震觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心非常必要。在地面通信中斷的情況下，采用VSAT衛(wèi)星或者BGAN衛(wèi)星通信技術(shù)來實(shí)時(shí)傳送地震動(dòng)數(shù)據(jù)，或者傳送事件數(shù)據(jù)，在技術(shù)上不存在問題，但無論前期投入還是后期維護(hù)，成本都會(huì)很高，應(yīng)該尋求其它的衛(wèi)星通信方式。烈度速報(bào)系統(tǒng)通過對(duì)地震動(dòng)記錄的處理，獲取了一系列用于進(jìn)行烈度速報(bào)的參數(shù)。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸或者事件數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一般是將這種處理的功能設(shè)置在數(shù)據(jù)中心。如果將數(shù)據(jù)處理的功能設(shè)置在臺(tái)站，將處理得到的參數(shù)傳送到數(shù)據(jù)中心，則臺(tái)站數(shù)據(jù)傳送的量將得以極大的縮減，這時(shí)，就可以利用我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信功能實(shí)現(xiàn)烈度速報(bào)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)(CNSS)，該系統(tǒng)不僅具有定位、授時(shí)功能，還具有獨(dú)特的通信功能，用戶可以一次傳送200個(gè)漢字的短報(bào)文信息，能夠滿足傳輸?shù)卣鹆叶葏?shù)的要求(姚作新，2012)。對(duì)于需要配置衛(wèi)星通信的烈度臺(tái)站，同時(shí)配備地面通信和北斗衛(wèi)星雙系統(tǒng)，正常情況下，臺(tái)站的數(shù)據(jù)通信通過地面通信系統(tǒng)完成，北斗衛(wèi)星通信僅在地面通信系統(tǒng)遭受破壞時(shí)啟動(dòng)。

討論

1烈度速報(bào)臺(tái)數(shù)據(jù)在預(yù)警中的應(yīng)用

雖然地震預(yù)警臺(tái)站要求盡可能密集布設(shè)，但由于臺(tái)站建設(shè)環(huán)境要求嚴(yán)、成本高，在臺(tái)網(wǎng)的密度上會(huì)比烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)要小。將烈度速報(bào)臺(tái)應(yīng)用于地震預(yù)警中，可增加預(yù)警系統(tǒng)獲取地震信息的能力。烈度速報(bào)臺(tái)與預(yù)警臺(tái)最大的區(qū)別在于，烈度速報(bào)臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求比預(yù)警系統(tǒng)低。當(dāng)然，可以參照預(yù)警系統(tǒng)的要求提高烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的性能，但由此而帶來的是烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)維護(hù)成本的增加。應(yīng)探討在不改變烈度速報(bào)臺(tái)運(yùn)行模式的情況下，應(yīng)用烈度臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。如前所述，實(shí)現(xiàn)烈度速報(bào)功能的數(shù)據(jù)傳輸可采取實(shí)時(shí)或者事件傳輸?shù)哪Ｊ?。?duì)于實(shí)時(shí)傳輸方式，可直接應(yīng)用于預(yù)警數(shù)據(jù)的處理中。因此，需要探討的是非實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)烈度臺(tái)站數(shù)據(jù)在預(yù)警中的應(yīng)用。預(yù)警的數(shù)據(jù)處理是要從地震波中提取可用于反映地震源特征的一系列參數(shù)，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，是將這種處理設(shè)置在數(shù)據(jù)中心。如果在臺(tái)站配置數(shù)據(jù)處理終端，對(duì)地震波進(jìn)行預(yù)警參數(shù)的提取，然后發(fā)回?cái)?shù)據(jù)中心，則只要臺(tái)站與數(shù)據(jù)中心的通信聯(lián)絡(luò)不中斷，在數(shù)據(jù)中心端獲取的預(yù)警參數(shù)與由中心處理得到的參數(shù)將不存在差異。在采用移動(dòng)通信CMDA1x或者3G作為事件數(shù)據(jù)傳輸方式時(shí)，臺(tái)站與數(shù)據(jù)中心的通信始終是在線的。因此，烈度速報(bào)臺(tái)站采用移動(dòng)通信傳輸事件數(shù)據(jù)模式時(shí)，可利用通信信道一直在線的特點(diǎn)，在臺(tái)站配置數(shù)據(jù)處理終端，通過傳送預(yù)警參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)烈度速報(bào)臺(tái)站數(shù)據(jù)在預(yù)警中的應(yīng)用。

2先進(jìn)通信技術(shù)的應(yīng)用

通信技術(shù)發(fā)展非常迅速，在進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃時(shí)，雖然要采用成熟的技術(shù)，但也要有一定的預(yù)見性，避免采用即將過時(shí)的技術(shù)，造成投入的設(shè)備在使用期限內(nèi)就被淘汰。目前，有兩個(gè)新的通信技術(shù)值得關(guān)注，其一是IPv6，另外一個(gè)就是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)。4.2.1IPv6技術(shù)目前網(wǎng)絡(luò)通信使用的是IPv4技術(shù)，它的最大問題是網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，且分配嚴(yán)重不均，在總共40億個(gè)地址中，北美占了30億個(gè)，而亞洲只有4億個(gè)，到2012年，中國(guó)的IP地址資源將會(huì)枯竭。IPv6技術(shù)的提出主要就是為解決IPv4地址資源不足的問題。IPv6地址量理論上達(dá)到2128個(gè)，幾近無限。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，IPv6是個(gè)完整的解決方案。但I(xiàn)Pv6從提出到現(xiàn)在已近20年，一直未能進(jìn)入實(shí)用，原因主要在于，IPv6不能兼容IPv4，要將IPv4過渡到IPv6，前期巨大的投入將被放棄，這是運(yùn)營(yíng)商和廣大網(wǎng)絡(luò)使用者所不能承受的;此外，一些其它技術(shù)的應(yīng)用也較大程度地減緩了IP資源消耗的速度，如NAT。另外，也有一些新技術(shù)，如suIP(超級(jí)IP)(孫文勝等，2008)、IPv9(胡順等，2008)，能基于前期投入的基礎(chǔ)上發(fā)展，因此，IPv6最終是否能得到普及，并不明朗。但I(xiàn)Pv6已被確立為我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備中通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)IPv6的支持，將有利于今后網(wǎng)絡(luò)的過渡，保護(hù)投資。4.2.2第四代移動(dòng)通信技術(shù)移動(dòng)3G技術(shù)在我國(guó)還處于推廣階段，但移動(dòng)4G技術(shù)已基本成熟，中國(guó)移動(dòng)正開展大規(guī)模商用試驗(yàn)，4G的應(yīng)用也應(yīng)有所考慮，因此，在選用3G技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮今后的升級(jí)。

3政策法律保障

預(yù)警和烈度臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過公共通信信道傳輸。實(shí)際上，不僅僅網(wǎng)絡(luò)的故障、通信設(shè)施的損害會(huì)造成通信的中斷，當(dāng)通信量突然大幅度增加時(shí)，信道的擁堵也會(huì)造成通信的中斷。地震事件的發(fā)生往往會(huì)導(dǎo)致通信量的暴增，堵塞信道，造成在最需要地震觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)不能正常傳輸。為保證地震觀測(cè)數(shù)據(jù)在通信量突然暴增的情況下仍正常傳輸，需要在政策、法律的層面上賦予預(yù)警和烈度數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸?shù)臋?quán)利，在通信系統(tǒng)中為地震觀測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置特殊機(jī)制，預(yù)留特殊的固定帶寬，解決通信堵塞導(dǎo)致的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中斷的問題。5結(jié)論快速可靠的數(shù)據(jù)通信是預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通過分析預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)對(duì)通信性能的需求，本文結(jié)合目前可以利用的公共通信手段，討論了能保證預(yù)警和烈度速報(bào)需求的通信模式，得到以下一些結(jié)論:(1)采用光纖SDH技術(shù)的通信方式，是預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)選擇。不僅可獲得優(yōu)異的通信效果，并且由于SDH技術(shù)是未來發(fā)展的主要方向，保證了設(shè)備的投入有較長(zhǎng)期的使用保障。(2)從實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能考慮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用并不能增強(qiáng)預(yù)警系統(tǒng)的抗沖擊能力。因此，不需要為增強(qiáng)預(yù)警系統(tǒng)抗沖擊能力而配置衛(wèi)星通信預(yù)警臺(tái)站。(3)烈度速報(bào)系統(tǒng)的通信可采用光纖SDH技術(shù)，但從降低運(yùn)行費(fèi)用考慮，宜采用3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，并采用事件傳輸模式。(4)使用衛(wèi)星通信方式可增強(qiáng)烈度速報(bào)系統(tǒng)抗擊大震沖擊的能力，因此，應(yīng)布設(shè)衛(wèi)星通信烈度速報(bào)臺(tái)站，這些臺(tái)站應(yīng)配置衛(wèi)星通信和地面通信雙系統(tǒng)，衛(wèi)星通信僅在地面通信中斷時(shí)啟用。從降低建設(shè)投入和運(yùn)行費(fèi)用考慮，衛(wèi)星通信臺(tái)宜采用北斗衛(wèi)星短消息通信方式。通過將數(shù)據(jù)處理從中心端前移到臺(tái)站端，提取必要的烈度速報(bào)參數(shù)，通過短消息發(fā)送到中心。(5)通過將數(shù)據(jù)處理功能前移到臺(tái)站端，基于在線的移動(dòng)通信模式，對(duì)于非實(shí)時(shí)傳輸?shù)卣饎?dòng)數(shù)據(jù)的烈度速報(bào)臺(tái)站，可實(shí)現(xiàn)其觀測(cè)信息的預(yù)警應(yīng)用，增強(qiáng)預(yù)警系統(tǒng)的能力。(6)IPv6技術(shù)雖然推廣應(yīng)用緩慢，但仍有必要在通信設(shè)備中加入對(duì)IPv6的支持，以保護(hù)建設(shè)的投入。(7)應(yīng)從政策和法律方面確定預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的優(yōu)先權(quán)，在信道上保留足以確保地震動(dòng)數(shù)據(jù)高質(zhì)量穩(wěn)定傳輸?shù)膸?，避免在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，通信擁堵導(dǎo)致預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信不暢甚至中斷。（本文作者：崔建文、林國(guó)良、劉瓊仙、楊黎薇、徐碩 單位：云南省地震局）