水文通讯技术

《现代水文信息技术》河海大学水文水资源学院第四章.现代通讯系统第四章：现代遥测通讯系统第一节：无线信道划分第二节：短波第三节：超短波第四节：微波、扩频微波第五节：卫星第六节：移动网络第七节：以太网络第一节：无线信道划分一般频率划分：信道分类 频率范围 短波 3MHz～30MHz 超短波 30MHz～300MHz 微波 300MHz～3000GHz电视频段划分：频段 频率范围 VHF 小于150MHz UHF 小于900MHz 微波频段划分：频段 频率范围

P 225MHz～390MHz L 390MHz～1.55GMHz S 1.55GHz～5.2GMHz C 3.9GHz～6.2GMHz

X 5.2GHz～10.9GMHz K 10.9GHz～36GMHz 扩频(数字)微波频段划分：频段 频率范围 900MHz 902MHz～928MHz 2.4GHz 2.4GHz～2.485GHz 5.7GHz 5.7GHz～5.785GHz常用卫星频段：频段 频率范围 C上行 6GHz C下行 4GHz Ku上行 14GHzKu下行 12GHz水文通讯专用超短波频点：规定使用范围 频点（MHz）1.通信： 138.350，138.425，138.625,138.775，423.550，423.625,423.725，423.800，423.875

2.偏远山区专用：144.325，144.475

3.分滞洪区警报：73.250，73.550，73.625,73.70073.850，73.525，75.500，75.855水文专用超短波频点分配（续）规定使用范围 频点（MHz）4、水文遥测系统单工： 228.425，228.575 228.600，228.800 5、水文遥测系统双工： 主台发射 从台发射 231.050 224.050 231.250 224.250 231.725 224.725 231.800 224.800 第二节：短波一、通信原理二、信道特性三、优化技术四、流星余迹通信一、短波通信原理传播机理电磁波依靠电离层的介质反射的天波传播和沿地球表面的地波传播。传播介质电离层：地球表面高度函数的等离子体。由太阳的紫外线和宇宙高能粒子辐射形成的电子、离子、分子、原子组成，构成不同高度的四个导电层。电离层构造D层：高度60～90Km，白天存在，只吸收电磁波。E层：高度100～120Km，白天存在，可反射电磁波。ES层：高度120Km，偶发层。电磁密度大，反射电磁波极佳。F1层：高度170～220Km，白天存在，可反射电磁波。F2层：高度220～450Km，昼夜都存在，可反射电磁波，电磁密度变化较大。地球表面F2F1ESED电离层结构图通信方式短波通信一般选用F2层作为反射层。理论上，F2反射的通信距离，1跳可达4000Km，多跳则更远。因为短波首先要穿透D层（吸收层），所以D层决定了短波的传输距离、也间接地决定了发射机的功率和天线增益。最高可用频率（MUF）如果短波的发射频率过高，入射角过大，电磁波将穿透F2层，射入太空，没有反射波。最佳工作频率（OWF）保证短波既不不穿透F2层，又要使衰落、多径效应和干扰最小。MUF、OWF的关系公式式中：N-电离层电子密度Φ0-短波斜射入射角fF2的最大值，即短波最高可用频率（MUF）二、短波信道特性1.信道衰落：短波通信时，由于电磁波吸收造成的接收机端信号振幅呈随机变化的现象。2.快衰落：周期在毫秒到秒级的衰落。3.慢衰落：周期在分钟到小时级的衰落。4.信道干扰：来自宇宙背景和人类通信的随机同频干扰。5.电离层漫反射：多径时延：电离层反射造成的信号延时叠加。多普勒频移：电离层变化造成的短波多普勒频率移动效应，多跳时更严重。三、短波通讯优化技术1、跳频技术

根据季节、昼夜的电离层变化，以及信道距离等参数，确定短波使用的频率集，并且根据时间的不同，自动变化频率，满足最佳信道质量的要求。2、分集技术分散传送，合并判决技术。空间分集、时间分集、频率分集、极化分集。3、自适应技术利用多普勒效应，自动变频跟踪电离层的变化调制解调和信道纠错编码利用调制解调和编码技术减少误码率。四、流星余迹通信由于太空中每天有成千上万个流星进入地球大气层，流星在大气层中燃烧分解，形成电离气柱，存在时间为0.1～200秒，可以反射电磁波。利用流星余迹反射机理的短波通信即流星余迹通信。第三节：超短波一、通信原理二、信道特性三、超短波电路设计一、超短波通信原理电磁波在对流层内视距或绕射传播。二、超短波信道特性优点1、信道稳定、质量好，一般不受气候的影响。2、实时性好、功耗低、功率小，适于野外供电条件恶劣情况使用。3、技术成熟、设备可靠、运行维护费用低。缺点1、如果信道不好，需要架设中继站时，系统的可靠性将下降，建设费用增加。2、中继站要架在高山顶上，易受雷电袭击，维护也较困难。三、超短波电路设计1、路径损耗的定义2、路径损耗Lb的理论估算方法3、路径损耗Lb的测试方法4、距离和方位角计算5、误码率计算

通信电路信号流程馈线损耗Lt天线增益Gt天线增益Gr发射机Pt接收机Pr馈线损耗Lr传播媒介路径损耗Lb1.路径损耗的定义Lb和Ls

系统的总功率损耗Ls：系统的路径损耗Lb如果忽略馈线失配损耗，则路径损耗Lb由下式计算：2.路径损耗Lb的理论估算方法式中：Lbf－自由空间损耗A－附加损耗f－为系统工作频率（MHz）d－为电路路径长度（km）。信道的附加损耗AA主要由阻挡绕射形成，可以采用山峰绕射模式，根据惠根斯-费涅尔原理简化计算如下：式中，F1为第一费涅尔半径、Hc为传播余隙、d是总路径长度、d1d2为分别为路径障碍点到发射端和接收端的距离。3.路径损耗Lb的测试方法使用功率计测得发射电台的功率，接收端采用一只场强仪测量接收端的场强。4.距离和方位角计算式中：ΦA、λA为A站经纬度，ΦB、λB为B站经纬度（度）（度）（km）平原地区传输距离估算式中：h1、h2为两站点处的天线加高，单位（m）。（km)式中，为解调器输入信杂比。若要满足无线信道的传输误码率Pe≤10－4，由公式算出信杂比=12.3（dB）5.误码率计算系统误码率与通信机的解调方式和单位带宽解调门限信杂比有关，对于FSK调制方式，其关系参见公式：230MHz超短波通讯机第四节：微波原理电磁波在空间的视距直线传播。优点信道稳定，不受气候、季节和昼夜的衰落影响。信道质量好、带宽大、容量大、速率高。可以获得高方向性，天线小安装灵活性大。缺点要架设多级中继，可靠性下降。建设费用大，维护困难。微波扩频技术窄带技术：始终将信号调制在一个固定频点上，采用严格规定的窄带通信。扩频技术：任意时刻，将信号调制在不同的多个频点上，采用宽带通信。理论基础－香农公式C:通信容量（bit/s）B：信道带宽（Hz）S/N：信噪比（dB）扩频技术原理n个信号源（k=1，2，3，…，n）n个载波：（k=1，2，3，…，n），相互线性无关

Ck

Dm解算因子（伪随机序列码）调制：解调：Dm与的相关性CDMA扩频技术实现调制扩频数字信号解调伪随机码注入数字信号解扩伪随机码注入BBBm用伪随机序列码构造地址，并扩频调制Dm扩频技术实现方式直接序列扩频将数据按位变换为一串数据流。逻辑1和逻辑0分别对应两组互不相干的伪随机序列码，直接去同步调制一组载波，进行扩展频谱发送。跳频扩频将数据按位变换为一串数据流。逻辑1和逻辑0分别对应两组互不相干的伪随机序列码，控制一串按次序跳变的载频频率序列发送。示例-1：直接序列扩频1、编码方式：（11位）

acegIk

(频率Hz)

bdfhg

“1”=

01001000111

“0”=

101101110002、待发送的数据流：01103、发送序列：10110111000010010001110100100011110110111000互不相干的一对伪随机码示例-2：跳频扩频1、编码方式：

A

BCDE

(频率Hz)

t1t2t3t4t5

(时间片)

“1”=

AECBD

“0”=

BCADE2、待发送的数据流：01103、发送序列：BCADE，AECBD，AECBD，BCADECDMA（码分多址）扩频技术特点保密性：伪随机序列长度和排列不相同，编码组合的可能性巨大。隐蔽性：可在-8dB信噪比情况下工作。抗干扰：采用了伪随机码相关检测技术来分离信号。容量大：伪随机码的互不相关性，支持多信号源并发工作。带宽大：通信速率高。直接序列扩频与跳频扩频的比较直接序列优点：1、码速快。2、技术实现简单，成本低。跳频优点：1、抗干扰能力强。2、码元的能量大，易于远传。原理:

利用卫星作为中继站的微波传输技术作用：通讯，定位特点：传输距离远、覆盖面广，组网灵活，不受地形条件影响，信道质量好，通信容量大，可靠性高。第五节：卫星卫星的分类2.轨道高度：GEO（同步），35768kmMEO（中轨），5000～15000kmLEO（低轨），500～5000km1.轨道形状：赤轨卫星极轨卫星斜轨卫星3.地球同步：同步卫星非同步卫星卫星的结构天线

遥测、指令和信标天线通信天线全球波束点波束区域波束通信

透明转发器处理转发器电源跟踪遥测指令控制温度等姿态“北斗”定位、通讯卫星中国全天候、全天时区域导航系统，具有通讯信道，2002年投入试运行。构成：GEO工作卫星、备用卫星，地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。功能：1.地面中心:系统的监控和管理、数据存储、交换、传输和处理，并提供高度坐标，解算用户位置。2.用户终端:接收地面中心站经卫星转发的测距信号，并向两颗卫星发射应答信号。“北斗”定位几何原理“北斗”定位流程“北斗”通讯原理扩频：CDMA的直接序列扩频方式。频率：C频段：卫星与卫星地面控制中心之间。L频段：终端与北斗卫星之间上行。S频段：北斗卫星与终端之间下行。“北斗”卫星民用服务系统基本业务：

(1)定位信息(2)短信息通信(3)授时和GPS差分信息(4)群、组呼功能(5)遇险报警“北斗”卫星地面站“北斗”卫星遥测信道的特点通信畅通率高，可在1秒内完成端对端之间的报文传输短消息报文120个汉字或等长度的BCD码支持每秒200个用户并发处理终端加电启动及失锁再捕获时间不到3秒，1秒级内快速定位卫星终端设计紧凑、简单，无需对星，定位和通讯功能合而为一。卫星终端设备最大功耗不到80W，功耗小。采用L/S/C波段，抗雨衰能力强CDMA扩频技术，抗干扰性、保密性强“亚洲二号”通信卫星定点于东经105度的GEO通信卫星。转发器：9个Ku波段、24个C波段，调制：CDMA水文业务：Ku波段，以色列G-liant卫星终端国际海事卫星主要业务：用于航海船舶的告警呼救通信收发器：L波段的1.5GHz/1.6GHz，传输速率600bps调制：TDMA终端设备体积小、功耗低，信道无干扰，可靠性高。比较项目北斗海事卫星亚洲2号卫星类型及产权GEO通信、定位卫星，中国所有。GEO通信卫星，87个国家参加的国际海事卫星组织所有。GEO通信卫星，中国香港亚洲卫星公司所有。政策性中国自主。美国GPS授时。中国自主。功能定位、精密授时、实时导航GPS差分信息、短消息通讯。数据报告，数据转发。数据传输、信息服务。工作频段S/L频段微波，受雨衰影响小。C/L频段微波，受雨衰影响小。Ku频段微波，受雨衰影响大。北斗、海事卫星、亚洲2号对比比较项目北斗海事卫星亚洲2号抗干扰采用CDMA码分多址，抗干扰能力强。采用TDMA时分多址，存在数据包的碰撞。采用CDMA码分多址，抗干扰能力强。覆盖范围亚洲地区全球全球大陆并发处理出站：200次/秒入站：300次/秒出站：1次呼叫/秒，入站：1次呼叫/秒，1帧8.64秒，分为28个时隙采用CDMA分组轮询方式。报文处理120个汉字或等长（1680bit）BCD码数据报告32字节数据包长可根据用户信息长度优化选择。北斗、海事卫星、亚洲2号对比比较项目北斗海事卫星亚洲2号传输速率出站：31.25Kbps入站：5.625Kbps600bps64K-2Mbps9.6-153.6Kbps点队点传输时延安用户等级划分为：1、2、5秒大于30秒由通讯方式决定终端功耗发射：80W，待机：0.36W发射80W发射120W，待机30mW北斗、海事卫星、亚洲2号对比第六节：移动网络技术分代接入技术典型网络和业务名称1GFDMAAMPS，TACS2GTDMAFDMAGSM、GSM-SMS2.5GTDMACDMAGPRS、EDGE、CDMA1x3GTDMA，CDMATD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000各代移动数据业务的技术资料技术分代运营商网络名称平均速率2.5G中国移动GPRS20～40kbps中国移动EDGE80～160kbps中国联通CDMA1x70～110Kbps

3G中国移动TD-SCDMA384kbps中国联通WCDMA800Kbps中国电信CDMA2000650kbpsGSM话务系统结构(BTS)基站收发信机(BSC)基站控制器(MSC)移动交换中心(VLR)访问位置寄存器(HLR)归属位置寄存器(EIR)设备识别寄存器(AUC)鉴权中心(SMS-SC)短消息业务中心(GMSC)移动交换中心网关(CBC)计费中心(PSTN)公众电话交换网(ISDN)综合业务数字网(PSPDN)分组交换公用数据网(PLMN)公众陆地移动网电路交换分组交换GPRS数据系统结构（BTS）基站收发信机（BSC）基站控制器（MSC）移动交换中心（PCU）分组控制单元（SGSN）GPRS服务支持接点（GGSN）GPRS网关支持接点（PDN）公用数据网

GPRS遥测系统结构第七节：以太网络定义：以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范。拓扑结构：

总线型：星型：以太网络拓扑结构比较总线型：采用同轴缆作为传输介质，连接简单，不需要专用的网络设备。所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。星型：采用集线器、交换机为核心节点设备，通过双绞线、光纤将局域网中的各台主机连接到核心节点上。管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备、更多的网线、对核心设的可靠性要求高，但网线和连接器比总线型的要便宜。星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模。数据帧与工作体制令牌式：广播式：

令牌环：广播：以太网的OSI七层虚拟框架以太网虚拟通讯流程以太网设备识别：IP地址与MAC地址逻辑：IPv4地址（32位）物理：MAC地址（48位）岗位：班长个人：李白物理地址和个人具有唯一性；岗位和逻辑地址相对固定，个人和物理地址可更替。以太网的广播式工作原理设备连接：以太网上的所有设备都连在以太总线上，它们共享同一个通信通道。传输速度：实际上是光速的80%左右工作方式：以太网采用的是广播方式的通信，即所有的设备都接收每一个信息包。工作流程：（1）帧听，直到信道空闲为止。（2）空闲就传输数据，传输的时候继续帧听。（3）如发现冲突则执行退避算法，继续侦听。（4）若未发现冲突则发送成功，计算机会返回到帧听信道状态。每台计算机一次只允许发送一个包，计算机在试图再一次发送数据之前，必须等待9.6微秒（10Mbps为例）。冲突与冲突域

冲突：在以太网中，当两个数据帧同时被发到物理传输介质上，并完全或部分重叠时，就发生了数据冲突。当冲突发生时，物理网段上的数据都不再有效。

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。

冲突是影响以太网性能的重要因素，由于冲突的存在使得传统的以太网在负载超过40％时，效率将明显下降。因此，当以太网的规模增大时，就必须采取措施来控制冲突的扩散。通常的办法是使用网桥和交换机将网络分段，将一个大的冲突域划分为若干小冲突域。冲突域划分广播、广播域与广播风暴

广播：以目的地址都为“1”的广播帧构成的数据流，广播帧告之网络中所有的计算机接收并处理此帧。广播域：网络中能接收任何一台设备发出的广播帧的所有设备的集合。广播风暴广播导致在广播域内大量复制和传播数据帧，造成网络性能下降，甚至网络瘫痪。广播风暴成因

共享式大网络、网卡损坏、网络环路、网络病毒等。集线器－共享式以太网

工作原理：集线器（HUB）将一个端口接收的信号重复分发给其他端口来扩展物理介质，所有连接到集线器的设备共享同一介质，集线器和它所连接的设备组成了一个单一的冲突域和广播域。技术特点：

1.集线器同时只能传输一个数据帧，集线器所有端口共享同一带宽。

2.集线器是有源设备，对接收的信号有放大作用。集线器也被称为“多端口中继器”。

3.由于共享冲突域，随着节点的增加，大量的冲突将导致网络性能急剧下降。

4.由于共享广播域，遇到广播风暴将导致网络性能急剧下降。交换机－交换式以太网交换机工作原理交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。广播帧向所有的端口转发。

交换式优于共享式减少冲突：交换机将冲突隔绝在每一个端口（每个端口都是一个冲突域），避免了冲突的扩散。提升带宽：接入交换机的每个节点都可以使用全部的带宽，而不是各个节点共享带宽。减少误码：交换机分直通式和存储转发式，存储转发式可以纠检数据包传输中的错码。交换机的主要功能和特性主要功能1.学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。2.转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。3.消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。技术特性：1.隔离冲突域：每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。2.不隔离广播帧：所连接的设备在同一个广播域（三层交换机配置的VLAN网络环境除外）。网桥网桥作用：可将网段连接在一起，分割网段，减少冲突。工作原理：同交换机没有本质的区别。在某些物理介质（网线、光纤等）情况下，可以认为网桥就是交换机。技术特点：

网桥可连接不同介质的网段（WiFi等）。路由器路由器的作用：它决定IP包通过的最佳路径,将数据包从一个网络前向转发到另一个网络。路由器的功能：

1.隔绝广播包，划分广播域。

2.通过路由选择算法决定最优路径。

3.转发基于三层目的地址的数据包。

VLAN虚拟局域网

虽然位于OSI模型的第三层的路由器提供了广播域分段，但位于OSI模型的第二层的交换机也提供了一种称为VLAN的广播域分段方法。VLAN为工作站提供独立的广播域，这些工作站是依据其功能、项目组或应用而不顾其用户的物理位置而逻辑分段的。VLAN的特点

VLAN的优点：安全性：一个VLAN里的广播帧不会扩散到其他VLAN中。

网络分段：将物理网段按需要划分成几个逻辑网段，每一个逻辑网段像一个独立物理网段。

灵活性。可将交换端口和连接的用户按照VLAN逻辑分成团体。VLAN能跨越多个交换机。VLAN间通讯

位于二层的交换机划分的VLAN无法进行VLAN间通信，只有位于三层路由器或高级的三层交换机可以转发不同VLAN间的数据包，称之为VLAN间路由。IEEE－国际电气与电子工程师协会IEEE802委员会现有以下13个分委员会，分管：

802.1－概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量

802.2－逻辑链路控制

802.3－CSMA/CD

802.4－令牌总线网

802.5－令牌环形网

802.6－城域网MAN

802.7－宽带技术

802.8－光纤技术

802.9－综合话音数据局域网

802.10－可互操作的局域网的安全

802.11－无线局域网

802.12－高速局域网

802.14－Cable-TV电缆电视Ethernet

OSI7层模型物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层网络层MAC地址互联层IP地址传输层应用层InterNetTCP/IP4层模型万维网InterNetMAC地址的组成MAC地址是以太网卡上带的地址，也即物理地址，MAC地址在世界是惟一的。MAC地址的长度为48位（6个字节），表示为冒号隔开的16进制数：

08:00:20:0A:8C:6DIEEE分配给网络硬件制造商的编号。制造商网络产品的系列号IPv4地址的组成点分十进制最大值二进制举例：网络地址主机地址

11111111

11111111

11111111

111111114个字节，32位，4亿多个地址

172.16.

122.

202

255

255255

255

255

10101100

000100000111101011001100

10101100IPv4地址的特别规定主机地址全为0（192.168.0.0），解释为“本主机”

主机地址全为1（192.168.0.255），解释为192.168.0这个网络上的所有主机。

整个IP地址全为0（）是RIP协议用来赋给默认路由的地址。

整个IP地址全为1（）表示在当前网络上广播给全部主机，也称“全1广播”。IPv4地址的分类A类地址:范围1～126B类地址:范围128～191C类地址:范围192～2230NNN