不同代際移動(dòng)通訊技術(shù)對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸支撐能力對(duì)比分析

周治黔，熊 平

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 550080)

1 引言

隨著氣象現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，特別是隨著防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、現(xiàn)代新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、資源開發(fā)利用等方面對(duì)氣象預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)工作提出的新要求，需要密度更大、運(yùn)行更穩(wěn)定、傳輸更及時(shí)的區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站來彌補(bǔ)黔南州氣象資料在探測空間和時(shí)間分辨率方面的不足。2008年以來，黔南州氣象部門不斷完善區(qū)域自動(dòng)氣象站的建設(shè)管理工作，不斷優(yōu)化區(qū)域自動(dòng)氣象站的站點(diǎn)布局，穩(wěn)步提升數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率和可用性。但是，目前黔南州全州布設(shè)的區(qū)域自動(dòng)氣象站主要采用的還是基于第二代移動(dòng)通訊技術(shù)的傳輸方式。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷推進(jìn)，第四代移動(dòng)通訊技術(shù)(4G)逐漸取代第三代和第二代移動(dòng)通訊技術(shù)(3G和2G)，成為黔南州主流的移動(dòng)通訊技術(shù)。在此背景下，2G的通訊信道帶寬不斷變窄，對(duì)全州區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率(以下簡稱自動(dòng)站傳輸率)的影響也不斷變大。從2016年8月份以來，黔南州區(qū)域自動(dòng)站傳輸率一直相對(duì)較低，長期僅略高于96%，偶爾甚至?xí)?6%以下。

對(duì)于移動(dòng)通訊技術(shù)對(duì)自動(dòng)站傳輸率影響方面的分析，陳玉華等認(rèn)為信號(hào)漂移、信號(hào)偏弱和基站停電造成信號(hào)不穩(wěn)定是影響數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率主要的原因[1]；楊潔等認(rèn)為信號(hào)覆蓋面不足、未及時(shí)繳納費(fèi)用和運(yùn)營商業(yè)務(wù)調(diào)整是影響數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率的主要原因[2]；張遠(yuǎn)洪等認(rèn)為移動(dòng)2G資源BSC的GP負(fù)荷高是導(dǎo)致區(qū)域站通訊信號(hào)不穩(wěn)定的主要原因[3]；陳林認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)問題不管是本地、上級(jí)均要保證正常，以免影響業(yè)務(wù)質(zhì)量[4]。有關(guān)移動(dòng)通訊技術(shù)升級(jí)換代對(duì)自動(dòng)站傳輸率影響的研究和分析較少。

因此，全面分析4G和2G對(duì)自動(dòng)站傳輸率的影響情況，對(duì)有針對(duì)性的解決自動(dòng)站傳輸率低的問題，指導(dǎo)全州甚至全省區(qū)域自動(dòng)氣象站設(shè)備調(diào)試、升級(jí)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 對(duì)比分析方法

分別采用同站升級(jí)時(shí)序分析和同點(diǎn)異站對(duì)比分析兩種方法進(jìn)行分析。

2.1 同站升級(jí)時(shí)序分析

該方法是針對(duì)同一個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站，僅升級(jí)通訊模塊和通訊卡，分析其升級(jí)前后的傳輸率變化情況。

2.1.1 對(duì)象選取

①選取范圍。站點(diǎn)選取范圍需能夠基本覆蓋全州區(qū)域，以體現(xiàn)分析結(jié)果的普適性。

在本次對(duì)比過程，選取了獨(dú)山(翁臺(tái)、堯梭、打羊、甲定、水巖)、貴定(抱管、盤江、白馬大寨)、三都(打漁、巫不)、羅甸(溝亭、逢亭)、惠水(好花紅、寧旺)、長順(馬路、交麻、睦化)、都勻(斗篷山)和平塘縣(克度、白龍、大塘、苗二河)的22個(gè)兩要素區(qū)域自動(dòng)氣象站為研究對(duì)象站點(diǎn)。站點(diǎn)分布面積約占全州的4/5，基本具備普適性。

②選取原則。對(duì)比對(duì)象站點(diǎn)選取遵循環(huán)境一致性原則。

在對(duì)比過程中，所選的所有站點(diǎn)的硬件設(shè)施和周邊環(huán)境應(yīng)該是一致的。為了確保對(duì)比試驗(yàn)過程中的環(huán)境一致性，對(duì)于對(duì)比對(duì)象站點(diǎn)，一方面除了將原來使用的2G通訊模塊和通訊卡更換升級(jí)為4G通訊傳輸模塊和通訊卡以外，其他硬件和軟件環(huán)境均沒有做任何改變；另一方面為了消除通訊模塊自身性能的不一致性可能會(huì)給分析結(jié)果帶來干擾，對(duì)比試驗(yàn)過程中所采用的兩種通訊傳輸模塊均為宏電科技生產(chǎn)，其基本性能是一致的；第三方面為了消除通訊運(yùn)營商的不一致可能給分析結(jié)果帶來干擾，對(duì)比試驗(yàn)過程中均采用中國移動(dòng)通訊集團(tuán)公司的通訊卡作為試驗(yàn)用卡。

2.1.2 分析方法 分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)對(duì)比自動(dòng)站在更換升級(jí)為4G通訊傳輸模塊前后一個(gè)的月傳輸率(平均值，下同)和日傳輸率(平均值，下同)的變化情況，得出各個(gè)自動(dòng)站采用4G通訊技術(shù)和2G通訊技術(shù)的傳輸率的變化情況。

2.2 同點(diǎn)異站對(duì)比分析

該方法是針對(duì)同一建設(shè)地點(diǎn)，采用兩套同一類型的自動(dòng)站，分別使用兩種不同的通訊模塊和通訊卡，分析其同一時(shí)段的傳輸率變化情況。

2.2.1 對(duì)象選取

①選取范圍。對(duì)象站點(diǎn)選取主要針對(duì)黔南州2016年以來長期傳輸率偏低的兩要素區(qū)域自動(dòng)氣象站。

在本次對(duì)比過程中，選取了惠水好花紅、都勻甘塘、貴定抱管、羅甸溝亭和平塘石龍過江5個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

②選取原則。對(duì)比對(duì)象站點(diǎn)遵循設(shè)備一致性原則。即在本次對(duì)比過程中，所采用的對(duì)比測試設(shè)備均為無錫無線電研究所生產(chǎn)的兩要素自動(dòng)氣象站。設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)日期和前期服役時(shí)間均一致，均為2008年全省統(tǒng)一列裝并穩(wěn)定運(yùn)行至今的設(shè)備；而且兩套設(shè)備所采用的通訊模塊均為宏電科技生產(chǎn)，其基本性能是一致的；第三，對(duì)比試驗(yàn)過程中均采用中國移動(dòng)通訊集團(tuán)公司的通訊卡作為試驗(yàn)用卡，兩套設(shè)備的通訊基礎(chǔ)環(huán)境是一致的。唯一不同的是兩套設(shè)備中，一套采用2G通訊傳輸模塊和通訊卡，另一套采用4G通訊傳輸模塊和通訊卡。

2.2.2 分析方法 對(duì)在同一安裝地點(diǎn)的兩套采用不同的通訊傳輸模塊和通訊卡的同型自動(dòng)氣象站設(shè)備，分別統(tǒng)計(jì)其在同一時(shí)間段內(nèi)的傳輸率變化情況。

3 對(duì)比分析過程及結(jié)果

3.1 同站升級(jí)時(shí)序分析

2016年12月3日—2017年3月3日，逐步對(duì)上述22個(gè)自動(dòng)氣象站的通訊模塊和通訊卡從2G升級(jí)為4G，開展同站升級(jí)時(shí)序分析外場試驗(yàn)。

3.1.1 月傳輸率對(duì)比分析結(jié)果 根據(jù)22個(gè)自動(dòng)站升級(jí)為4G通訊傳輸模塊和通訊卡的時(shí)間，分別計(jì)算升級(jí)前一個(gè)月和升級(jí)后一個(gè)月傳輸率。發(fā)現(xiàn)：站點(diǎn)未升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡之前，各站月傳輸率在22.83%～98.32%之間，升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡之后，各站月傳輸率在60.84%～100.00%之間，月傳輸率的增長值在1.68%～77.04%之間，所有站點(diǎn)月傳輸率增長值平均為22.18%，升級(jí)后月傳輸率提升明顯(詳見下表1)。

表1 同站升級(jí)前后月傳輸率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The same station before and after the month of transmission rate update statistics

3.1.2 日傳輸率對(duì)比分析結(jié)果 通過日傳輸率的對(duì)比分析，對(duì)兩種通訊傳輸模塊和通訊卡的傳輸穩(wěn)定性情況進(jìn)行初步判定。

根據(jù)22個(gè)自動(dòng)站升級(jí)為4G通訊傳輸模塊和通訊卡的時(shí)間，分別計(jì)算升級(jí)前1個(gè)月和升級(jí)后1個(gè)月的逐日傳輸率。發(fā)現(xiàn)：

從日傳輸率極大值來看，站點(diǎn)未升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡之前，所有站的逐日傳輸率極大值平均為98.52%，其中貴定猴場堡站、三都打漁站、平塘白龍站和大塘站在更換之前一個(gè)月沒有一天的傳輸率能夠達(dá)到100.00%。而升級(jí)之后，所有站的逐日傳輸率極大值平均為99.81%，提升了1.29個(gè)百分點(diǎn)；除貴定猴場堡站的日傳輸率極大值仍無法達(dá)到100.00%外，其余各站均達(dá)到了100.00%。在提升幅度方面，貴定猴場堡站、三都打漁站、平塘白龍站和大塘站的日傳輸率極大值均大幅度提升，分別從更換前的84.72%、93.06%、90.28%、99.31%提升到升級(jí)后的95.83%、100.00%、100.00%、100.00%，提升明顯(詳見下表3)。

從日傳輸率極小值來看，站點(diǎn)未升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡之前，所有站的逐日傳輸率極小值平均為37.18%，其中惠水寧旺站、都勻斗篷山站、三都打漁站和平塘白龍站甚至?xí)霈F(xiàn)零傳輸?shù)默F(xiàn)象；而升級(jí)之后，所有站的逐日傳輸率平均為83.18%，提升了46個(gè)百分點(diǎn)，最低日傳輸率可達(dá)到29.17%，沒有出現(xiàn)零傳輸?shù)默F(xiàn)象，提升明顯。尤其是惠水寧旺站、都勻斗篷山站、三都打漁站和平塘白龍站分別從升級(jí)前的零傳輸提升到升級(jí)后的80.56%、100.00%、57.64%、97.22%，提升幅度非常大(詳見下表3)。

從日傳輸率的極差來看，站點(diǎn)未升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡之前，所有站的逐日傳輸率極差波動(dòng)范圍在9.03%～100.00%之間，極差平均值為61.33%，極差波動(dòng)的幅度較大；而升級(jí)之后，所有站的逐日傳輸率極差在0.00%～66.66%之間，極差平均值為16.63%，除獨(dú)山和三都的6個(gè)站極差超過40.00%外，其余各站極差波動(dòng)大幅度收窄。說明升級(jí)后的設(shè)備傳輸穩(wěn)定性有明顯的提升(詳見下表2)。

表2 同站升級(jí)前后月傳輸率極值統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The same month before and after the monthly transmission rate upgrade extreme value statistics

3.1.3 不達(dá)標(biāo)站點(diǎn)情況分析 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，貴定猴場堡站升級(jí)前后傳輸率均低于96%，升級(jí)前為44.22%，升級(jí)后僅為60.84%，仍然無法達(dá)到省局考核要求的96%。后期于2017年2月底對(duì)該站的蓄電池更換為新電池后，2017年3月1日—28日的傳輸率達(dá)到97.41%，達(dá)到96%的考核要求。說明即使在相同的較差的供電環(huán)境下，該站升級(jí)為4G通訊模塊和通訊卡后，傳輸率盡管仍未達(dá)標(biāo)，但是確有提升，4G通訊傳輸方式仍然是優(yōu)于2G通訊傳輸模式。

3.2 同點(diǎn)異站對(duì)比分析

2017年1月20日5套同點(diǎn)異站對(duì)比設(shè)備全部安裝完成。分別在惠水好花紅、都勻甘塘、貴定抱管、羅甸溝亭和平塘石龍過江各布設(shè)兩套相同型號(hào)的兩要素自動(dòng)站，其中一套采用4G模塊和通訊卡，另一套采用2G模塊和通訊卡，開展同點(diǎn)異站同期對(duì)比外場試驗(yàn)。同一地點(diǎn)的兩套設(shè)備安裝距離均在5 m范圍以內(nèi)，其通訊環(huán)境、所面臨的天氣狀況可以認(rèn)為是一致的。

同點(diǎn)異站對(duì)比分析時(shí)段為2017年1月21日—3月28日。

3.2.1 單站對(duì)比分析結(jié)果 分別計(jì)算上述5個(gè)對(duì)比點(diǎn)10套設(shè)備的同期平均傳輸率。發(fā)現(xiàn)：整個(gè)對(duì)比時(shí)段內(nèi)，除1月21—31日期間，平塘石龍過江站采用4G模塊和通訊卡的傳輸率低于采用2G模塊和通訊卡的傳輸率0.13%外，其余時(shí)段各對(duì)比點(diǎn)的4G模塊和通訊卡的傳輸率均高于采用2G模塊和通訊卡的傳輸率(詳見下表3)。

表3 同點(diǎn)異站同時(shí)段傳輸率統(tǒng)計(jì)表(單位：%)Tab.3 The Same point and different stations in the same period transmission rate statistics(unit:%)

3.2.2 分類均值對(duì)比結(jié)果 對(duì)采用4G模塊和通訊卡的5個(gè)站和采用2G模塊和通訊卡的5個(gè)站分成兩類，進(jìn)行傳輸率均值分析。在整個(gè)對(duì)比時(shí)段采用4G方式的傳輸率平均值為99.95%，比采用2G方式的傳輸率平均值95.28%高出4.67個(gè)百分點(diǎn)。而且前者達(dá)到了96.00%的傳輸率考核指標(biāo)，而后者則沒有達(dá)標(biāo)。

分時(shí)段進(jìn)行分析，各個(gè)對(duì)比時(shí)段內(nèi)采用4G方式的傳輸率均值都高于采用2G方式的傳輸率。其中：1月21—31日偏高4.43%，2月1—28日偏高6.30%，3月1—28日偏高3.29%。

4 結(jié)論

①通過同站升級(jí)時(shí)序分析結(jié)果表明：4G通訊模塊和通訊卡的應(yīng)用能夠較大幅度的提升自動(dòng)站傳輸率；而且采用4G通訊模塊和通訊卡時(shí)的傳輸率極值的波動(dòng)范圍比采用2G通訊模塊和通訊卡時(shí)更窄，傳輸更加穩(wěn)定。

②通過同點(diǎn)異站對(duì)比分析結(jié)果表明：在相同的設(shè)備、相同的通訊環(huán)境、相同的天氣狀況下，采用4G通訊模塊和通訊卡時(shí)的傳輸率絕大部分時(shí)間是優(yōu)于采用2G通訊模塊和通訊卡的，且不管是在冬季，還是在初春，4G模式對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹文芰w現(xiàn)出一致的穩(wěn)定性。

5 討論

①在對(duì)比分析過程中，出現(xiàn)了個(gè)別站點(diǎn)不管是采用4G模式傳輸，還是采用2G模式傳輸，其傳輸率均無法達(dá)到96.00%的考核指標(biāo)，此時(shí)就需要考慮可能不一定是傳輸系統(tǒng)的問題，應(yīng)該及時(shí)查找自動(dòng)氣象站設(shè)備的其他原因，比如供電系統(tǒng)的蓄電池、太陽能板、供電線路是否運(yùn)行正常等等，才有利于盡快排障，恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。

②經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)個(gè)別站點(diǎn)(如：獨(dú)山甲定、水巖、董嶺和三都打漁站)即使采用了4G模式進(jìn)行傳輸，其傳輸率也僅能達(dá)到97%左右，且極值波動(dòng)范圍較大，普遍超過40%。此時(shí)，就需要進(jìn)一步分析該地點(diǎn)通訊信號(hào)是否穩(wěn)定的問題。在本次外場試驗(yàn)過程中，限于沒有可靠的測試儀器，尚未對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行深入研究。

③通過上述對(duì)比分析結(jié)果表明，自動(dòng)站采用4G模式傳輸方式無論是在傳輸及時(shí)率方面，還是在傳輸穩(wěn)定性方面，基本都優(yōu)越于2G模式傳輸方式。在當(dāng)前信息化飛躍發(fā)展的階段，應(yīng)及早對(duì)自動(dòng)氣象站的傳輸方式進(jìn)行全面的升級(jí)更新。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳玉華,楊潔,李新慶,等.影響區(qū)域自動(dòng)觀測站數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的成因分析[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2014,27(6):46-49.

[2] 楊潔,鐘海云,羅琳,等.寧夏區(qū)域氣象觀測站數(shù)據(jù)傳輸中的問題和解決方案[J].寧夏工程技術(shù),2011,10(3):258-261.

[3] 張遠(yuǎn)洪,羅曉松,趙大清,等.淺析移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站GPRS通信的影響[J].貴州氣象,2017,41(1)：74-77.

[4] 陳林.自動(dòng)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸常見問題的分析[J].貴州氣象,2013,37(21):101-102.