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，使實時地震觀測成為可能，這是現(xiàn)代地震觀測的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的通信技術(shù)中，從有線的光纖通信、移動通信到衛(wèi)星通信，在地震觀測中都有應(yīng)用。這些通信方式各有利弊，選擇適當(dāng)?shù)呐_網(wǎng)通信模式，既要滿足臺網(wǎng)長期無地震時低運行成本的要求，也要保障破壞性地震，尤其是大地震發(fā)生時，預(yù)警和烈度速報最基本的通信需求，這是建立地震預(yù)警和烈度速報臺網(wǎng)必需解決的問題。本文通過對現(xiàn)代通信主要幾種通信方式的對比分析，探討適當(dāng)?shù)牡卣痤A(yù)警和烈度速報臺網(wǎng)通信模式，為建立有效的地震預(yù)警和烈度速報臺網(wǎng)提供參考。

地震觀測臺網(wǎng)常用的通信方式

地震觀測利用通訊技術(shù)實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在我國，遠(yuǎn)程地震觀測數(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，但卻將地震觀測帶入了實時的時代。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，在地震觀測中都發(fā)揮過重要作用(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，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通信的主要手段，在實時地震觀測中，SDH光纖通信已大量得到應(yīng)用。SDH光纖有線通信的優(yōu)點在于其強抗干擾性、高穩(wěn)定性、時延小、大帶寬、高傳輸速率以及保密性較好等。在“十五”期間建設(shè)的中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)中，部分臺站利用的是PSTN公用電話網(wǎng)撥號，其雖然可以滿足僅以獲取強震動記錄為目的的強震動觀測的需求，但實時性差，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移動通信

移動通信技術(shù)近年來飛速發(fā)展，在我國正由2G向3G通信過渡。由于不需要鋪設(shè)通信線路，移動通信的主要優(yōu)點就在于架設(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，移動通信技術(shù)使費最低。但在2G時代，該種通信技術(shù)存在著信號穩(wěn)定性差、時延較長、帶寬窄、容易堵塞等問題?！笆濉逼陂g，2G移動通信技術(shù)也有所應(yīng)用，在一些測震固定臺和流動臺，CDMA1x被用于實時傳輸數(shù)據(jù)(肖武軍等，2009)，但效果明顯差于光纖通信。在強震動臺網(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)的實時傳輸。3G通信速率、帶寬、時延等指標(biāo)有非常大提升，測試表明，3G通信(CDMA2000、WCDMA)能有效地實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的實時傳輸。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)能力是最強的，因此，作為應(yīng)對災(zāi)難性地震的通信手段，VSAT衛(wèi)星通信在一些國家級基準(zhǔn)地震臺中得以應(yīng)用(任鎮(zhèn)，李大輝，2010)，并被用于地震應(yīng)急通信(李永強等，2007)。衛(wèi)星通信的優(yōu)勢為不受地理條件的限制，且通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠。衛(wèi)星通信優(yōu)點明顯，但也存在著時延長、運行成本高等明顯的缺點，對于VSAT衛(wèi)星通信，采用較大尺寸的天線，需要精確對星，在遭遇強烈振動時，由于天線劇烈晃動，很難保證通信的正常。

地震預(yù)警和烈度速報對通信的需求

由于要實現(xiàn)的目標(biāo)不同，地震預(yù)警和烈度速報對通信的要求也有較大的差異，在時間尺度上，地震預(yù)警以秒計，烈度速報則可以按分鐘來計時。從可靠性來講，兩種系統(tǒng)都要求在破壞性地震發(fā)生時，臺站通信正常，以保證系統(tǒng)基本功能。對通信的需求應(yīng)從單個臺站和臺網(wǎng)系統(tǒng)兩個方面考慮。單個臺站的性能是臺網(wǎng)整體性能的基礎(chǔ)，臺網(wǎng)作為一個整體具備應(yīng)對局部失效的能力。作為一個需要長期運行的系統(tǒng)，地震預(yù)警和烈度速報采用的通信方式除在通信質(zhì)量上滿足要求外，還應(yīng)易于實現(xiàn)、維護(hù)、且經(jīng)濟適用的。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)和運行費用難以承受，則是不可取的。從易于實現(xiàn)、維護(hù)、經(jīng)濟可承受等因素考慮，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)來實現(xiàn)地震預(yù)警和烈度速報的數(shù)據(jù)通信。

1地震預(yù)警對通信的需求

地震預(yù)警對通信的基本要求是以盡可能少的時間將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。采用小時延高速網(wǎng)絡(luò)是一個行之有效的辦法，此外，在傳輸機制上，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)誤碼效驗等。其通信的性能指標(biāo)考慮如下。在《中國數(shù)字測震臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》(中國地震局，2005)中，誤碼率的測試時間為連續(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的誤碼率測試中，除規(guī)定24h內(nèi)誤碼率優(yōu)于10－7外，每個小時的誤碼率也要優(yōu)于10－7。這時在無效驗機制下，可保障傳輸?shù)臄?shù)據(jù)仍然是可靠的。(3)時延時延是指一個數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一個端所需要的時間。產(chǎn)生時延的環(huán)節(jié)有很多，主要是由傳輸媒質(zhì)時延和網(wǎng)元時延組成的，可以表示為T=Ts+Tp.(1)式中，T為數(shù)據(jù)包由發(fā)出到接收的時延(耗時);Tp是信號在介質(zhì)中傳播耗時產(chǎn)生的傳輸媒質(zhì)時延，與傳輸距離成正比，在地面上，Tp時延僅占總時延很小一部分，但在衛(wèi)星通信中，Tp則是不可忽略的一個部分;Ts是網(wǎng)元時延，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)時產(chǎn)生。產(chǎn)生網(wǎng)元時延的原因很多，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)點數(shù)量、數(shù)據(jù)包的大小等。由于時延與數(shù)據(jù)包的大小有關(guān)，為統(tǒng)一時延標(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)的時間的一半為通信的時延。Ping命令發(fā)送的是32bit的測試數(shù)據(jù)包。在中國地震信息網(wǎng)的測試顯示，一般情況下，省級區(qū)域內(nèi)，SDH光纖通信的時延小于10ms，跨省區(qū)范圍內(nèi)，不大于100ms。衛(wèi)星通信域而公共移動通信≤1000ms。(4)抗毀需求本文僅討論臺網(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。地震對通信系統(tǒng)的破壞機制主要有兩類:一是強烈的振動直接導(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)驗看，強烈振動直接損壞通信系統(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、斷層錯動、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，需要有一定的強烈地震動作用時間，即在強破壞性S波作用一定的時間后才產(chǎn)生破壞。這一時間目前沒有相關(guān)的研究，這里假定為10s，則從地震開始，地震導(dǎo)致通信中斷的時間應(yīng)不小于12s(假設(shè)臺站位于震中，震源深度6km)，因此，在最不利的情況下，預(yù)警系統(tǒng)也有12s的獲取觀測數(shù)據(jù)的時間。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)警臺站，并不能實質(zhì)性地改善預(yù)警系統(tǒng)的性能，僅就實現(xiàn)預(yù)警的功能而言，預(yù)警臺網(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、泥石流等對地震預(yù)警系統(tǒng)臺網(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地震烈度速報對通信的需求

從烈度速報的機制、社會對烈度速報的響應(yīng)和需求來看，震后10min內(nèi)給出速報結(jié)果是合理和可行的。由于對數(shù)據(jù)的及時性要求不高，對網(wǎng)絡(luò)通信的要求也就低于地震預(yù)警系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信的要求，故而可以采取一些會額外增加傳輸時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)速率烈度速報系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可采用兩種方式，一種是實時傳輸，另一種為事件記錄傳輸。實時傳輸時，以常規(guī)3通道、24bit、100sps的臺站觀測設(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。對于事件傳輸，按10min給出速報結(jié)果考慮，要求地震發(fā)生后10min內(nèi)將觀測記錄傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。同樣以3通道、24bit、100sps的臺站觀測設(shè)備性能考慮，對于像汶川地震規(guī)模的地震，在強有感范圍內(nèi)，記錄的持續(xù)時間不超過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可采用效驗機制，對于誤碼率的要求，可低于預(yù)警系統(tǒng)，這里設(shè)定為10－6，實際應(yīng)用中還可更低。對于3通道采樣率100sps的24bit數(shù)采，其含義為在每個小時傳送的數(shù)據(jù)中，產(chǎn)生錯誤的數(shù)據(jù)量少于25.2個，這種傳輸錯誤將通過效驗機制糾正。誤碼率的測試與預(yù)警系統(tǒng)相同。(3)時延。時延的大小并不會影響烈度速報系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。因此，對于烈度速報臺網(wǎng)的通信，時延不作要求。(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，烈度速報需要利用整個觀測記錄來計算觀測點的烈度值。如果地震造成通信中斷，則采用實時傳輸?shù)牧叶人賵笈_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臺，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系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。因此，要保證獲取極震區(qū)烈度速報觀測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星通信是必須的。由于衛(wèi)星通信設(shè)備的使用費昂貴，只能有部分臺站實現(xiàn)衛(wèi)星通信，這就需要考慮合理的衛(wèi)星通信臺站布設(shè)，以盡可能少的衛(wèi)星通信臺站滿足烈度速報系統(tǒng)基本功能的需求。造成地面通信中斷的主要原因為建筑物的倒塌、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，但對于不同的震級強度，可以估計Ⅷ度以上震區(qū)的大小，衛(wèi)星通信臺站的布設(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，有一個衛(wèi)星通信臺站落在Ⅷ度以上區(qū)域內(nèi)。一般而言，當(dāng)震級達(dá)到6級時，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)星通信臺站落到Ⅷ度區(qū)內(nèi)，則衛(wèi)星通信臺站的間距應(yīng)小于10km。在我國，這實際上已超過烈度速報臺網(wǎng)可布設(shè)的密度。如果我國以20km的間距布設(shè)烈度速報臺網(wǎng)，這相當(dāng)于在云南全省布設(shè)1000個臺站，如果其中有1/4的臺站，即250個臺站采用衛(wèi)星通信，臺站的間距已達(dá)到60km，相當(dāng)于3600km2內(nèi)有一個衛(wèi)星通信臺站，但250個衛(wèi)星通信臺仍是個比較龐大的數(shù)量，且這種密度已很難滿足烈度速報基本功能的需求。因此，平均布設(shè)衛(wèi)星通信臺站是不可取的，應(yīng)該從地震發(fā)生的特點來尋求問題的解決方案。從以往的震害經(jīng)驗來看，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊的一般是7級以上的地震，而7級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)星通信臺站，則衛(wèi)星臺密度就可加大，能得到更好的烈度速報效果。以汶川地震為例，其斷層為龍門山斷裂帶，斷層破裂長度約300km、寬度最大30km。按40km的臺間距圍繞斷層布設(shè)衛(wèi)星通信臺站，則只需16個臺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)生大地震危險性的斷層帶上布設(shè)衛(wèi)星通信烈度速報臺，就可以滿足在烈度速報臺網(wǎng)實現(xiàn)烈度速報基本功能、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、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點。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，以往在測震臺網(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，簡稱為SDH)，是一種基于時分復(fù)用的同步數(shù)字透明傳輸技術(shù)。SDH對網(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)點接口。SDH網(wǎng)絡(luò)具有較強的生存率，由于嚴(yán)格同步，保證了整個網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，誤碼率低。從“十五”開始，中國地震局建立了基于SDH的全國地震信息網(wǎng)絡(luò)，許多地震觀測臺站實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸。由運營商提供的無線通信目前有兩類，其一是還在快速發(fā)展的移動通信，其二是衛(wèi)星通信。(1)移動通信投入商用的移動通信已發(fā)展到第三代3G通信，在我國，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實時數(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實時數(shù)據(jù)的傳輸(7.2kbps)，因此，在我國地震觀測中CDMA1x也有應(yīng)用，尤其是現(xiàn)場應(yīng)急地震流動觀測。

3G通信是工作在2GHz頻段的寬帶移動通信系統(tǒng)(紀(jì)越峰等，2002)。相比于2G移動通信，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信號正常的情況下，3G通信已能很好地支持地震觀測實時傳輸。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，會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，則通信的質(zhì)量將嚴(yán)重下降。我國運行的3G標(biāo)準(zhǔn)有3個，即中國移動運營的TD-SCDMA、中國聯(lián)通運營的WCDMA和中國電信運營的CDMA2000。相比之下，中國電信運營的CDMA2000覆蓋面最廣，信號質(zhì)量最好，實際測試顯示其具有良好的實時地震數(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個或多個地面站之間進(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。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，通信信號穩(wěn)定、通信質(zhì)量可靠。但衛(wèi)星通信也存在時延長、投資大、使用費用高等不足。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，我國主要是采用亞洲2號通信衛(wèi)星。“九五”期間，根據(jù)國家數(shù)字地震臺網(wǎng)建設(shè)需求，中國地震局建立了通信范圍覆蓋全國的專用VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003)。地震衛(wèi)星通信網(wǎng)主站設(shè)在北京，設(shè)計能力為800～1000個遠(yuǎn)端VSAT小站，它主要承擔(dān)了國家和首都圈地震臺網(wǎng)數(shù)字地震數(shù)據(jù)的傳輸、地殼運動基準(zhǔn)臺站(GPS臺站)數(shù)據(jù)的傳輸、地震應(yīng)急通信等。目前已有多個VSAT衛(wèi)星小站遍布全國各地，其地理位置北至黑龍江黑河，南至西沙群島，東至烏蘇里江，西至新疆塔什庫爾干。VSAT衛(wèi)星需要精確對星，天線體積較為龐大，直徑一般在1.2m。在強烈地震沖擊下，很難正常工作。②BGAN衛(wèi)星通信BGAN是國際海事衛(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、容易對星，采用全向天線，可實現(xiàn)動中通，因此，具有良好的抗震性能。雖然通信設(shè)備投入不高，但使用費用高昂，僅能短時間應(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，通信運營商對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。但SDH最小帶寬2Mbps，相對于7.2kbps的預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸需求而言，浪費較大。相比于有線通信，無線通信除不用鋪設(shè)通信線纜，建設(shè)簡便且使用費低廉外，在速率、穩(wěn)定性、質(zhì)量等方面都較有線通信差。由于衛(wèi)星通信費用高昂，在必須采用無線通信時，宜選擇3G通信中的CDMA2000或者WCDMA系統(tǒng)，臺站移動信號應(yīng)不小于－50dBm。在有線通信和移動通信都不可達(dá)到的地方，使用VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。一般通信時采用的都是帶寬共享機制，有線通信的大帶寬保證了不易出現(xiàn)通信堵塞現(xiàn)象，對于移動通信而言，其帶寬容量按正常狀況下設(shè)計，但遇突發(fā)事件時，用戶短時間集中上網(wǎng)，大幅突破正常容量，造成每個用戶可使用帶寬嚴(yán)重下降，通信不暢。而地震就屬這種突發(fā)事件，為保障地震時預(yù)警臺站數(shù)據(jù)通信的帶寬需求，在信道上應(yīng)開辟預(yù)警臺站數(shù)據(jù)通信專門帶寬通道，為預(yù)警臺站留有足以保證地震實時數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)膸挕＿@種機制的安排對于移動通信尤為重要。就實現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)功能而言，采用衛(wèi)星通信并不能增強預(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)星通信臺站，但在極震區(qū)，在激烈震動下，常規(guī)的VSAT通信設(shè)備不能準(zhǔn)確對星，因此，應(yīng)采用對星更簡便的BGAN衛(wèi)星通信技術(shù)。但BGAN衛(wèi)星使用費非常高昂，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，通信由地面系統(tǒng)完成，當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ胖袛鄷r，立刻轉(zhuǎn)為衛(wèi)星通信。

2烈度速報系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模式

烈度速報臺站對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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系統(tǒng)。從降低運行成本考慮，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網(wǎng)運行維護(hù)。利用SDH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)臺站事件的數(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，臺站數(shù)據(jù)采用實時傳輸將更直觀有效。在我國，CDMA1x已大量應(yīng)用于強震動臺站事件數(shù)據(jù)傳輸，且運行狀況良好。但隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及，對CDMA1x的支持將會被逐漸放棄。因此，在有3G網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，采用3G網(wǎng)絡(luò)不僅會得到越來越強的技術(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記錄。在大震導(dǎo)致地面通信系統(tǒng)破壞時，利用衛(wèi)星通信將地震觀測數(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)來實時傳送地震動數(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)，成本都會很高，應(yīng)該尋求其它的衛(wèi)星通信方式。烈度速報系統(tǒng)通過對地震動記錄的處理，獲取了一系列用于進(jìn)行烈度速報的參數(shù)。采用實時數(shù)據(jù)傳輸或者事件數(shù)據(jù)傳輸時，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)置在臺站，將處理得到的參數(shù)傳送到數(shù)據(jù)中心，則臺站數(shù)據(jù)傳送的量將得以極大的縮減，這時，就可以利用我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信功能實現(xiàn)烈度速報數(shù)據(jù)的衛(wèi)星通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(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、授時功能，還具有獨特的通信功能，用戶可以一次傳送200個漢字的短報文信息，能夠滿足傳輸?shù)卣鹆叶葏?shù)的要求(姚作新，2012)。對于需要配置衛(wèi)星通信的烈度臺站，同時配備地面通信和北斗衛(wèi)星雙系統(tǒng)，正常情況下，臺站的數(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)遭受破壞時啟動。

討論

1烈度速報臺數(shù)據(jù)在預(yù)警中的應(yīng)用

雖然地震預(yù)警臺站要求盡可能密集布設(shè)，但由于臺站建設(shè)環(huán)境要求嚴(yán)、成本高，在臺網(wǎng)的密度上會比烈度速報臺網(wǎng)要小。將烈度速報臺應(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。烈度速報臺與預(yù)警臺最大的區(qū)別在于，烈度速報臺對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求比預(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臺網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的性能，但由此而帶來的是烈度速報臺網(wǎng)維護(hù)成本的增加。應(yīng)探討在不改變烈度速報臺運行模式的情況下，應(yīng)用烈度臺的觀測數(shù)據(jù)。如前所述，實現(xiàn)烈度速報功能的數(shù)據(jù)傳輸可采取實時或者事件傳輸?shù)哪Ｊ?。對于實時傳輸方式，可直接應(yīng)用于預(yù)警數(shù)據(jù)的處理中。因此，需要探討的是非實時傳輸數(shù)據(jù)時烈度臺站數(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)，實時傳輸數(shù)據(jù)時，是將這種處理設(shè)置在數(shù)據(jù)中心。如果在臺站配置數(shù)據(jù)處理終端，對地震波進(jìn)行預(yù)警參數(shù)的提取，然后發(fā)回數(shù)據(jù)中心，則只要臺站與數(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。在采用移動通信CMDA1x或者3G作為事件數(shù)據(jù)傳輸方式時，臺站與數(shù)據(jù)中心的通信始終是在線的。因此，烈度速報臺站采用移動通信傳輸事件數(shù)據(jù)模式時，可利用通信信道一直在線的特點，在臺站配置數(shù)據(jù)處理終端，通過傳送預(yù)警參數(shù)的方式，實現(xiàn)烈度速報臺站數(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，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，有兩個新的通信技術(shù)值得關(guān)注，其一是IPv6，另外一個就是第四代移動通信系統(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40億個地址中，北美占了30億個，而亞洲只有4億個，到2012年，中國的IP地址資源將會枯竭。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，幾近無限。因此，從長遠(yuǎn)來看，IPv6是個完整的解決方案。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，這是運營商和廣大網(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已被確立為我國下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備中通過軟件的方法實現(xiàn)對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第四代移動通信技術(shù)移動3G技術(shù)在我國還處于推廣階段，但移動4G技術(shù)已基本成熟，中國移動正開展大規(guī)模商用試驗，4G的應(yīng)用也應(yīng)有所考慮，因此，在選用3G技術(shù)時，應(yīng)考慮今后的升級。

3政策法律保障

預(yù)警和烈度臺站觀測數(shù)據(jù)通過公共通信信道傳輸。實際上，不僅僅網(wǎng)絡(luò)的故障、通信設(shè)施的損害會造成通信的中斷，當(dāng)通信量突然大幅度增加時，信道的擁堵也會造成通信的中斷。地震事件的發(fā)生往往會導(dǎo)致通信量的暴增，堵塞信道，造成在最需要地震觀測數(shù)據(jù)時不能正常傳輸。為保證地震觀測數(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)中為地震觀測數(shù)據(jù)設(shè)置特殊機制，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)和烈度速報系統(tǒng)對通信性能的需求，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)備的投入有較長期的使用保障。(2)從實現(xiàn)預(yù)警的功能考慮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用并不能增強預(yù)警系統(tǒng)的抗沖擊能力。因此，不需要為增強預(yù)警系統(tǒng)抗沖擊能力而配置衛(wèi)星通信預(yù)警臺站。(3)烈度速報系統(tǒng)的通信可采用光纖SDH技術(shù)，但從降低運行費用考慮，宜采用3G移動通信系統(tǒng)，并采用事件傳輸模式。(4)使用衛(wèi)星通信方式可增強烈度速報系統(tǒng)抗擊大震沖擊的能力，因此，應(yīng)布設(shè)衛(wèi)星通信烈度速報臺站，這些臺站應(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啟用。從降低建設(shè)投入和運行費用考慮，衛(wèi)星通信臺宜采用北斗衛(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站端，提取必要的烈度速報參數(shù)，通過短消息發(fā)送到中心。(5)通過將數(shù)據(jù)處理功能前移到臺站端，基于在線的移動通信模式，對于非實時傳輸?shù)卣饎訑?shù)據(jù)的烈度速報臺站，可實現(xiàn)其觀測信息的預(yù)警應(yīng)用，增強預(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，通信擁堵導(dǎo)致預(yù)警系統(tǒng)和烈度速報系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信不暢甚至中斷。（本文作者：崔建文、林國良、劉瓊仙、楊黎薇、徐碩 單位：云南省地震局）