摘要：隨著移動通信技術的發展，5G移動通信網絡將提供高速率、低延時、大容量的可靠連接，為水文監測信息化與智能化提供一個理想的解決方案。簡要分析了水文自動監測系統中常用的幾種通信技術，重點從傳輸速率、帶寬、時延等方面對比分析了5G與目前在水文領域已廣泛使用的4G無線通信技術之間的差異。同時，結合5G在RISMAR-U型雷達測流系統和其他水文多要素監測系統中的應用優勢，詳細闡述了5G通信技術在水文自動監測領域的顯著優勢及良好的應用前景。研究成果可為今后水文監測信息化、智能化的建設提供借鑒。

　　關 鍵 詞：5G通信技術; 水文自動監測; 信息化; 應用前景

　　0 引 言

　　隨著2019年真正進入5G商用元年，作為當前的前沿科技，5G移動通信技術所引導的科技變革將勢在必行，所產生的技術迭代也躍躍欲試[1]。作為與移動通信技術同步發展的水文自動監測系統，其無線通信方式從GSM到GPRS，再到4G，隨著移動通信技術的進步也在不斷地更新換代。在水文現代化的大背景下，水文自動監測正朝著多要素、全要素的方向發展，以無人值守為主體的自動監測模式將是發展趨勢，這些新的自動監測方式對數據傳輸的時效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，商用成熟的衛星、GPRS和4G無線通信技術在水文自動監測的大容量實時數據傳輸和可視化等方面均存在速率低和時延長等問題，以光纜為載體的有線數據傳輸方式存在前期投入大、后期維護費用昂貴的問題，而衛星通信等方式在傳輸容量方面也存在制約。5G的出現為類似問題的解決以及更多水文自動監測新技術的實現提供了極大便利。從目前發展趨勢來看，由于5G的商用化和覆蓋面仍顯不足，水文自動監測中的無線通信技術仍以衛星、GPRS和4G為主導，但隨著5G通信網絡的構建及其商用生態的完善，其高速率、低延時、大容量的優勢會越來越具有吸引力。

　　本文結合水文自動監測的具體特點和應用發展需求，對目前水文自動監測中已廣泛使用的4G等無線通信技術和5G技術特點進行了對比分析，提出了5G在水文自動監測領域中的應用場景。

　　1 水文自動監測系統中的通信技術分析

　　水文自動監測系統中，監測站自動采集的各要素數據通過通信網絡發送到數據監控中心[2]。系統通信組網結構如圖1所示。常用于水文自動監測的無線傳輸方式主要有超短波、衛星、GPRS及4G等。由于監測站一般部署在野外，不適合大范圍長距離的鋪設線纜進行數據傳輸，且隨著無線通信技術的不斷進步，有線傳輸方式在水文自動監測中的應用逐漸減少。超短波傳輸應用很早，但使用性價比低，信號傳輸受地形影響大，其應用范圍日趨局限。衛星通信可解決偏僻站點的數據傳輸難題，但其投入和運行成本高，以及自身技術特點的局限性，導致其應用范圍受限。

　　GPRS(2.5G)是在GSM(2G)系統基礎上發展起來的分組數據承載和傳輸業務，具有永遠在線、占用系統資源少的優點。3G在國內生命周期較短，很快被速率更高、兼容性更強的4G取代，而且國內的4G網絡已廣泛覆蓋。目前，在水文自動監測領域，無線傳輸方式以GPRS和4G為主，GPRS與4G技術特點如表1所列。

　　由表1可知：在速率、帶寬、時延上，GPRS與4G存在較大差距，而且隨著4G網絡的迅速普及以及各大運營商提速降費政策的不斷推進，4G和GPRS數據流量的使用成本也并無差異，所以目前很多監測站在升級改造過程中，均使用4G模塊取代老舊的GPRS，以此來提升監測站數據傳輸性能。

　　2 5G通信技術

　　2.1 5G技術特點

　　第五代移動通信技術(5G)是面向日益增長的移動通信需求而發展的新一代移動通信技術。5G具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高了一個量級甚至更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也得到顯著的提高。

　　面對未來多樣化場景的差異化需求，5G不會像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案，而是與其他無線移動通信技術密切銜接，為移動互聯網的快速發展提供無所不在的基礎性業務能力，以滿足未來10 a移動互聯網流量增加1 000倍的發展需求。移動寬帶、大規模機器通信和高可靠、低時延通信為其主要應用場景，如圖2所示。對5G而言，其性能指標不再單純地強調峰值速率，而是綜合考慮8個技術指標：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接數密度、網絡能量效率和流量密度[3-4]，如圖3所示。

　　GPRS(2.5G)、4G技術在水文自動監測領域已經成熟使用。5G的到來將會讓移動通信再次變革，AR、VR、AI等前沿科技產品應用指日可待。目前，5G處于通信網絡完善以及終端產品的研發之中，5G商用試點在不斷推進，國內有北上廣等20個城市可以享受5G網絡覆蓋，30個省市可以撥通5G電話。隨著2019年正式進入5G商用元年，各大運營商和通信商正緊鑼密鼓地開展網絡建設，5G的大規模商用指日可待。

　　2.2 5G與4G的比較

　　如今，4G通信被廣泛應用于各行各業，給人們的生產生活帶來了很多便利。而5G作為最新一代蜂窩移動通信技術，具有高速率、低延時、大容量以及頻譜效率高、連接密度大等優點[5]。5G與4G具體性能比較如表2所列。

　　由表2可知：相比4G，5G在速率、時延、連接容量、移動性等方面具有很大優勢，可為水文自動監測提供快捷高效的通信手段。

　　3 5G在水文自動監測中的應用前景分析

　　3.1 水文自動監測的發展需求

　　隨著水文信息化發展，水文自動監測不再局限于水位、雨量等簡單參數的監測，正朝著多要素、全要素方向邁進。長江口近海單個水文站就包含雨量、水位、風速風向、鹽度和泥沙、能見度、水質、流速流量等多要素自動監測，如圖4所示。監測要素的不斷增加對數據通信網絡帶寬、時延和穩定性提出了更高的要求，4G傳輸已不能滿足要求，需要專網進行數據傳輸。

　　推薦閱讀：寫地鐵通信問題論文有什么參考文獻