有线通信是目前地震观测通信的主要手段,在实时地震观测中,SDH光纤通信已大量得到应用。SDH光纤有线通信的优点在于其强抗干扰性、高稳定性、时延小、大带宽、高传输速率以及保密性较好等。在“十五”期间建设的中国数字强震动台网中,部分台站利用的是PSTN公用电话网拨号,其虽然可以满足仅以获取强震动记录为目的的强震动观测的需求,但实时性差,从使用的情况看,可靠性和效率也不高。

有线通信的弊端为需要布设专门的通信线路,抗击自然灾害能力差,易受雷击和人为破坏。

移动通信技术近年来飞速发展,在我国正由2G向3G通信过渡。由于不需要铺设通信线路,移动通信的主要优点就在于架设非常方便,还能避免雷击导线引入以及线路损毁导致的故障,降低了故障发生的几率。在几种通信方式中,移动通信技术使费最低。但在2G时代,该种通信技术存在着信号稳定性差、时延较长、带宽窄、容易堵塞等问题。“十五”期间,2G移动通信技术也有所应用,在一些测震固定台和流动台,CDMA1x被用于实时传输数据(肖武军等,2009),但效果明显差于光纤通信。在强震动台网中,CDMA1x也有较大范围的应用(崔建文等,2007),但不进行数据的实时传输。

3G通信速率、带宽、时延等指标有非常大提升,测试表明,3G通信(CDMA2000、WCDMA)能有效地实现地震数据的实时传输。但目前3G网络的覆盖面还不大,限制了其在地震观测中的应用。3G通信虽然在性能上较2G有了很大的改善,但仍然存在着抗干扰能力弱、传输质量不太稳定等问题。

在所有通信手段中,卫星通信的抗灾能力是最强的,因此,作为应对灾难性地震的通信手段,VSAT卫星通信在一些国家级基准地震台中得以应用(任镇,李大辉,2010),并被用于地震应急通信(李永强等,2007)。卫星通信的优势为不受地理条件的限制,且通信质量稳定可靠。

卫星通信优点明显,但也存在着时延长、运行成本高等明显的缺点,对于VSAT卫星通信,采用较大尺寸的天线,需要精确对星,在遭遇强烈振动时,由于天线剧烈晃动,很难保证通信的正常。

地震预警对通信的基本要求是以尽可能少的时间将数据传送到数据中心。采用小时延高速网络是一个行之有效的办法,此外,在传输机制上,也应尽可能减少影响通信效率的因素,如信息安全检查、数据误码效验等。其通信的性能指标考虑如下。

(1)速率

以目前测震台站常规3通道、24 bit、100 sps观测设备考虑,其每秒中产生的数据量为7.2 kbit,则稳定的通信速率只要不小于7.2 kbps即可,单位为bit/s(bps)。这是保证数据正常传输的最低要求。改变数据采集设备的通道数、采样率和AD转换位数,会改变传输速率所需要的最小值。

(2)误码率

误码率(BER:bit error ratio)是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标(纪越峰等,2002),定义为一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比,即

误码率(BER)=(出现差错的比特数)/(传输的总比特数).

IEEE802.3规定零误码率是10^-10,我国长途光缆通信系统的误码性能要求优于10^-9,《中国数字测震台网技术规程》规定(中国地震局,2005),对于通信专线,误码率小于10^-7,对于VSAT卫星通信、公共无线通信和地震信息网络,误码率优于10^-6(中国地震局,2005)。对于预警台站,为减少影响通信效率的因素,应采用无效验数据传输机制。这一机制的采用意味着对传送的数据没有纠错机制,只能认为接收到的数据是准确的,这就要求零误码率,但实际中是做不到的,但只要这种误码率不影响结果即可。考虑到预警台站大多较偏远,线路质量较差,干扰因素较多,其误码率可考虑与中国地震局(2005)对通信专线的要求相同,即优于10^-7。对于3通道采样率100 sps的24 bit数采,其含义为在每个小时传送的数据中,产生错误的数据量少于2.52个,这种错误所反映出来的异常可以通过数据处理纠正,是可以接受的。

在《中国数字测震台网技术规程》(中国地震局,2005)中,误码率的测试时间为连续24 h,误码率优于10^-7的指标反映的是在一段时间内允许误码发生的平均值,反映的是总体符合要求,但可能出现的情况是,误码集中出现在很短的时段内,局部状况严重恶化,如24 h的误码集中在1 s内出现,这样将影响分析结果。因此,在24 h的误码率测试中,除规定24 h内误码率优于10^-7外,每个小时的误码率也要优于10^-7。这时在无效验机制下,可保障传输的数据仍然是可靠的。

(3)时延

时延是指一个数据包从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。产生时延的环节有很多,主要是由传输媒质时延和网元时延组成的,可以表示为

T=T_s+T_p.(1)

式中,T为数据包由发出到接收的时延(耗时); T_p是信号在介质中传播耗时产生的传输媒质时延,与传输距离成正比,在地面上,T_p时延仅占总时延很小一部分,但在卫星通信中,T_p则是不可忽略的一个部分; T_s是网元时延,由发送端、接收端和中间路由转换等设备处理数据时产生。产生网元时延的原因很多,包括使用的网络设备、网络协议、转发节点数量、数据包的大小等。由于时延与数据包的大小有关,为统一时延标准,以Ping命令在数据发送端得到数据接收端回应的时间的一半为通信的时延。Ping命令发送的是32 bit的测试数据包。在中国地震信息网的测试显示,一般情况下,省级区域内,SDH光纤通信的时延小于10 ms,跨省区范围内,不大于100 ms。卫星通信域而公共移动通信≤1000 ms。

(4)抗毁需求

本文仅讨论台网通信抗击地震冲击的能力。破坏性地震也可能导致地面通信的中断,要保证地震中地震波数据的正常传输,有效的解决办法是配置卫星通信。但就实现地震预警系统的功能而言,是否需要配置卫星通信系统,值得探讨。

地震对通信系统的破坏机制主要有两类:一是强烈的振动直接导致通信设备损坏,二是建筑物倒塌、地形、地貌发生变化导致线路、通信设施损坏。从震害经验看,强烈振动直接损坏通信系统的可能性较小,如在日本“3·11”地震中,虽然最大的加速度峰值近3g,但网络通信基本没有受到影响,而汶川地震中通信的大面积中断,与建筑物的大量倒塌、大面积的山体滑坡、断层错动、地表破裂密切相关(温瑞智等,2011)。由于建筑物、山体和岩石都有一定的抗破坏能力,因此,建筑物的倒塌、山体的滑坡和地表破裂等现象的产生,需要有一定的强烈地震动作用时间,即在强破坏性S波作用一定的时间后才产生破坏。这一时间目前没有相关的研究,这里假定为10 s,则从地震开始,地震导致通信中断的时间应不小于12 s(假设台站位于震中,震源深度6 km),因此,在最不利的情况下,预警系统也有12 s的获取观测数据的时间。如果利用12 s的记录进行预警,考虑到近8 s的数据传输和处理时间,则预警盲区将大于70 km,从汶川地震中震害分布来看,在非破裂方向上,震中距(断层距)大于70 km后,人员死亡的数量已很少(王艳茹等,2009)。因此,就预警的功能而言,在大地震冲击下,在最不利条件下,地面通信系统可维持12 s的通信时间已基本可满足预警的需要,布设具有卫星通信功能的预警台站,并不能实质性地改善预警系统的性能,仅就实现预警的功能而言,预警台网系统并非必须配备卫星通信。

综上所述,如果不考虑其它因素,如非地震引起的滑坡、泥石流等对地震预警系统台网通信的影响,则地震的冲击不足以使预警系统丧失预警的功能。基于地面通信具备抗击地震冲击的能力,系统应是可靠的。

从烈度速报的机制、社会对烈度速报的响应和需求来看,震后10 min内给出速报结果是合理和可行的。由于对数据的及时性要求不高,对网络通信的要求也就低于地震预警系统对网络通信的要求,故而可以采取一些会额外增加传输时间的措施来提高传输结果的可靠性。其通信的性能指标考虑如下:

(1)速率

烈度速报系统数据通信可采用两种方式,一种是实时传输,另一种为事件记录传输。实时传输时,以常规3通道、24 bit、100 sps的台站观测设备性能考虑,则其通信速率的基本要求是有≥7.2 kbps的稳定信道。对于事件传输,按10 min给出速报结果考虑,要求地震发生后10 min内将观测记录传输到数据处理中心。同样以3通道、24 bit、100 sps的台站观测设备性能考虑,对于像汶川地震规模的地震,在强有感范围内,记录的持续时间不超过3 min,其记录的数据量1 296 kbit,在记录结束后,将有近7 min的时间可用于数据传输,则只要有3.1 kbps稳定的通信速率,即可满足要求。

(2)误码率

由于地震烈度速报可采用效验机制,对于误码率的要求,可低于预警系统,这里设定为10^-6,实际应用中还可更低。对于3通道采样率100 sps的24 bit数采,其含义为在每个小时传送的数据中,产生错误的数据量少于25.2个,这种传输错误将通过效验机制纠正。误码率的测试与预警系统相同。

(3)时延。时延的大小并不会影响烈度速报系统功能的实现。因此,对于烈度速报台网的通信,时延不作要求。

(4)抗毁需求。与预警系统仅仅只利用前10 s地震记录不同,烈度速报需要利用整个观测记录来计算观测点的烈度值。如果地震造成通信中断,则采用实时传输的烈度速报台仅能将通信中断前的数据回传,而采用事件传输方式的烈度速报台,数据全部丢失,数据不完整或缺失将影响烈度速报系统功能的实现。因此,要保证获取极震区烈度速报观测数据,卫星通信是必须的。

由于卫星通信设备的使用费昂贵,只能有部分台站实现卫星通信,这就需要考虑合理的卫星通信台站布设,以尽可能少的卫星通信台站满足烈度速报系统基本功能的需求。

造成地面通信中断的主要原因为建筑物的倒塌、山体滑坡以及地面开裂。地震烈度在Ⅷ度以上,可产生上述震害现象。因此,卫星通信台站应布设在Ⅷ度以上震区。虽然我们不知道未来地震Ⅷ度以上震区的分布,但对于不同的震级强度,可以估计Ⅷ度以上震区的大小,卫星通信台站的布设应使在发生可产生地震烈度大于Ⅷ度以上区域的地震时,有一个卫星通信台站落在Ⅷ度以上区域内。

一般而言,当震级达到6级时,就出现Ⅷ度破坏区域,其Ⅷ度区的面积不大于100 km²(孙继浩,2011),如果要使卫星通信台站落到Ⅷ度区内,则卫星通信台站的间距应小于10 km。在我国,这实际上已超过烈度速报台网可布设的密度。如果我国以20 km的间距布设烈度速报台网,这相当于在云南全省布设1 000个台站,如果其中有1/4的台站,即250个台站采用卫星通信,台站的间距已达到60 km,相当于3 600 km²内有一个卫星通信台站,但250个卫星通信台仍是个比较庞大的数量,且这种密度已很难满足烈度速报基本功能的需求。因此,平均布设卫星通信台站是不可取的,应该从地震发生的特点来寻求问题的解决方案。

从以往的震害经验来看,对通信系统产生冲击的一般是7级以上的地震,而7级以上地震都有明确的构造背景,如果仅在可发生大地震的断层带布设卫星通信台站,则卫星台密度就可加大,能得到更好的烈度速报效果。以汶川地震为例,其断层为龙门山断裂带,断层破裂长度约300 km、宽度最大30 km。按40 km的台间距围绕断层布设卫星通信台站,则只需16个台站即可将汶川地震极震区的状况作很好的描述。因此,通过在具有发生大地震危险性的断层带上布设卫星通信烈度速报台,就可以满足在烈度速报台网实现烈度速报基本功能、抗击大地震冲击的要求。

3.

虽然地震预警台站要求尽可能密集布设,但由于台站建设环境要求严、成本高,在台网的密度上会比烈度速报台网要小。将烈度速报台应用于地震预警中,可增加预警系统获取地震信息的能力。烈度速报台与预警台最大的区别在于,烈度速报台对数据传输实时性的要求比预警系统低。当然,可以参照预警系统的要求提高烈度速报台网数据通信的性能,但由此而带来的是烈度速报台网维护成本的增加。应探讨在不改变烈度速报台运行模式的情况下,应用烈度台的观测数据。

如前所述,实现烈度速报功能的数据传输可采取实时或者事件传输的模式。对于实时传输方式,可直接应用于预警数据的处理中。因此,需要探讨的是非实时传输数据时烈度台站数据在预警中的应用。

预警的数据处理是要从地震波中提取可用于反映地震源特征的一系列参数,实时传输数据时,是将这种处理设置在数据中心。如果在台站配置数据处理终端,对地震波进行预警参数的提取,然后发回数据中心,则只要台站与数据中心的通信联络不中断,在数据中心端获取的预警参数与由中心处理得到的参数将不存在差异。在采用移动通信CMDA1x或者3G作为事件数据传输方式时,台站与数据中心的通信始终是在线的。因此,烈度速报台站采用移动通信传输事件数据模式时,可利用通信信道一直在线的特点,在台站配置数据处理终端,通过传送预警参数的方式,实现烈度速报台站数据在预警中的应用。

通信技术发展非常迅速,在进行相关规划时,虽然要采用成熟的技术,但也要有一定的预见性,避免采用即将过时的技术,造成投入的设备在使用期限内就被淘汰。目前,有两个新的通信技术值得关注,其一是IPv6,另外一个就是第四代移动通信系统。