瓊州海峽多功能航標(biāo)通信數(shù)據(jù)分析

王宣喬 南海航海保障中心?？诤綐?biāo)處

1.背景

2021年2月，?？诤綐?biāo)處在瓊州海峽及附近海域成功投放6座多功能航標(biāo)，該多功能航標(biāo)上搭載的設(shè)備可采集水域附近的水文氣象信息傳回岸基后臺(tái)，并通過E航海等對(duì)外提供服務(wù)。因瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)位于距離岸基較遠(yuǎn)的瓊州海峽中線附近，存在不同程度的數(shù)據(jù)延遲及無法回傳的問題，經(jīng)過初步分析論證，產(chǎn)生該問題的原因是信號(hào)強(qiáng)度不夠、覆蓋范圍不夠遠(yuǎn)或標(biāo)體上通信終端的通信性能不佳。

為進(jìn)一步優(yōu)化多功能航標(biāo)通信，提供穩(wěn)定可靠的水文氣象信息，?？诤綐?biāo)處協(xié)調(diào)運(yùn)營商于2022年5月進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化部署，同年6月，前往信號(hào)最差的多功能航標(biāo)（瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)）附近的海域開展通信終端的測試工作，采集相關(guān)通信數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)來源

本文分析的通信數(shù)據(jù)來自以下兩個(gè)部分。

2.1 三座多功能航標(biāo)采集數(shù)據(jù)

瓊州海峽多功能航標(biāo)是在瓊州海峽現(xiàn)有航標(biāo)基礎(chǔ)上選取關(guān)鍵位置試點(diǎn)建設(shè)多功能航標(biāo)系統(tǒng)，航標(biāo)改造的總數(shù)量為6座，其中燈浮標(biāo)4座、燈樁2座；在航標(biāo)原有功能基礎(chǔ)上，增加能見度觀測、風(fēng)速風(fēng)向觀測、表面流觀測和CCTV視頻監(jiān)控等多功能模塊（見表1），收集轄區(qū)水域通航信息。其中秀英港1號(hào)燈浮標(biāo)、秀英港北堤燈樁及北岸航線軸線導(dǎo)航燈樁的信號(hào)回傳基本持續(xù)穩(wěn)定，瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)延遲及無法回傳的問題。因此，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化部署后，對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析更具有參考意義。

表1 瓊州海峽6座多功能航標(biāo)相關(guān)信息

2.2 通信終端（升級(jí)版本）采集數(shù)據(jù)

當(dāng)前的瓊州海峽多功能航標(biāo)搭載的能見度儀、海流計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀等設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集器串口與數(shù)傳模塊進(jìn)行串口通訊，通信終端將數(shù)據(jù)通過VPDΝ專線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至岸基數(shù)據(jù)中心。為解決瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)數(shù)據(jù)延遲及無法回傳問題，需開展通信終端的通信性能測試，2022年6月28日?？诤綐?biāo)處選取在瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)上單獨(dú)安裝升級(jí)版本的通信終端（見圖1）進(jìn)行測試，該升級(jí)版的通信終端安裝了電信手機(jī)卡、移動(dòng)手機(jī)卡和電信貼片卡，而岸上系統(tǒng)部署在服務(wù)器，總共由接收軟件和數(shù)據(jù)庫組成，接收到的通信終端數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)接收的信號(hào)強(qiáng)度等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為下一步開展瓊州海峽多功能航標(biāo)通信優(yōu)化調(diào)整提供參考依據(jù)。

3.數(shù)據(jù)分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化部署前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2022年5月11日運(yùn)營商對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)的信號(hào)覆蓋小區(qū)進(jìn)行天線方位角及下傾調(diào)整，并在瓊州海峽船舶定線制警2-3號(hào)燈浮標(biāo)附近海域加載了超遠(yuǎn)覆蓋功率及覆蓋距離。5月20日運(yùn)營商按最遠(yuǎn)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1燈浮標(biāo)附近海域加載了超遠(yuǎn)覆蓋功率及覆蓋距離。下面對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)在2022年5月11日-5月31日期間的數(shù)據(jù)延遲情況進(jìn)行分析。

說明：根據(jù)表1得知，瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集時(shí)間最快為1min/次。本次數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間取值為數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)時(shí)間與浮標(biāo)上數(shù)據(jù)采集時(shí)間差，當(dāng)通信信號(hào)強(qiáng)度好且穩(wěn)定時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)保存到岸基數(shù)據(jù)庫的時(shí)間與浮標(biāo)上采集的數(shù)據(jù)時(shí)間應(yīng)該是同步的，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間越大時(shí)，通信信號(hào)越差。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)隨著時(shí)間推移越不連貫，則說明通信終端通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)傳數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳回，側(cè)面反映了通信信號(hào)比較差。

根據(jù)圖2至圖4得知，5月1日至10日，瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲1426分鐘（約23.7小時(shí)），超過600分鐘（10小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲8次,數(shù)據(jù)不連貫；瓊州海峽船舶定線制警2號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲9.7分鐘，超過6分鐘的數(shù)據(jù)延遲10次，數(shù)據(jù)較密且連貫；瓊州海峽船舶定線制警3號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲1073分鐘（約17.8小時(shí)），超過600分鐘（10小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲2次，超過420分鐘（7小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲有6次，數(shù)據(jù)基本連貫。

綜上分析可知：在運(yùn)營商未進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署時(shí)，瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)信號(hào)最差，不僅無法實(shí)時(shí)傳輸，補(bǔ)傳數(shù)據(jù)也無法全部傳回；瓊州海峽船舶定線制警2號(hào)燈浮標(biāo)信號(hào)相對(duì)較好，補(bǔ)傳數(shù)據(jù)基本能如數(shù)傳回，但仍然出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲現(xiàn)象；瓊州海峽船舶定線制警3號(hào)燈浮標(biāo)信號(hào)相對(duì)較差，補(bǔ)傳數(shù)據(jù)基本能傳回，但數(shù)據(jù)延遲現(xiàn)象仍然較為嚴(yán)重。

根據(jù)圖5至圖7得知，5月11日-20日瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲1513分鐘（約25.2小時(shí)），超過600分鐘（10小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲4次,數(shù)據(jù)不連貫但相對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化未調(diào)整前稍微緊密；瓊州海峽船舶定線制警2號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲22分鐘，超過10分鐘的數(shù)據(jù)延遲9次，數(shù)據(jù)較密且連貫，相較網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化未調(diào)整前變化不大；瓊州海峽船舶定線制警3號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲424分鐘（約7小時(shí)），超過240分鐘（4小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲9次，數(shù)據(jù)基本連貫，相較網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化未調(diào)整前緊密一些。

綜上分析可知：經(jīng)運(yùn)營商對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)附近海域的天線方位角及下傾調(diào)整，并在瓊州海峽船舶定線制警2-3號(hào)燈浮標(biāo)附近海域加載了超遠(yuǎn)覆蓋功率及覆蓋距離后，瓊州海峽船舶定線制警1-2號(hào)燈浮標(biāo)通信信號(hào)變化不大，瓊州海峽船舶定線制警3號(hào)燈浮標(biāo)的通信信號(hào)稍微改善，但并不明顯。瓊州海峽船舶定線制警1、3號(hào)燈浮標(biāo)數(shù)據(jù)延遲嚴(yán)重且部分補(bǔ)傳數(shù)據(jù)無法傳回。

根據(jù)圖8至圖10得知，5月21日-5月31日瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲1324分鐘（約22小時(shí)），超過600分鐘（10小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲5次,數(shù)據(jù)不連貫；瓊州海峽船舶定線制警2號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲520分鐘，根據(jù)5月份的數(shù)據(jù)顯示，此類延遲可初步判斷為偶發(fā)事件，超過10分鐘的數(shù)據(jù)延遲1次，數(shù)據(jù)較密且連貫；瓊州海峽船舶定線制警3號(hào)燈浮標(biāo)最大數(shù)據(jù)延遲424分鐘（約7小時(shí)），超過240分鐘（4小時(shí)）的數(shù)據(jù)延遲9次，數(shù)據(jù)基本連貫。

綜上分析可知：隨著運(yùn)營商按最遠(yuǎn)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)加載了超遠(yuǎn)覆蓋功率及覆蓋距離后，對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署已完成，瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)數(shù)據(jù)回傳效果有所提升，數(shù)據(jù)延遲相對(duì)降低，數(shù)據(jù)通信情況均有所改善，但不顯著，其中瓊州海峽船舶定線制警1、3號(hào)燈浮標(biāo)通信信號(hào)仍比較差。

3.2 通信終端（升級(jí)版）數(shù)據(jù)分析

2022年6月28日，?？诤綐?biāo)處在瓊州海峽船舶定線制警1號(hào)燈浮標(biāo)獨(dú)立安裝升級(jí)版本通信終端，通過統(tǒng)計(jì)該通信終端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析多功能航標(biāo)海域附近的信號(hào)強(qiáng)度及通信情況。本次分析統(tǒng)計(jì)了6月29日-7月6日8天的數(shù)據(jù)，中間經(jīng)歷了信號(hào)誤停，雙臺(tái)風(fēng)天氣等特殊情況，時(shí)間雖然短，但比較有代表性，具體情況如下：

3.2.1 數(shù)據(jù)數(shù)量和成功率

通信終端安裝有電信手機(jī)卡、移動(dòng)手機(jī)卡和電信貼片卡，每個(gè)終端設(shè)置每10秒鐘給服務(wù)器發(fā)送1條數(shù)據(jù)，每分鐘6條，每小時(shí)360條，每天8640條，完全滿足1min/次數(shù)據(jù)采集頻率要求，為了每個(gè)時(shí)間段的信號(hào)強(qiáng)度測試準(zhǔn)確，該終端不具備補(bǔ)傳功能。

通過表2、圖11和圖12分析得知：

表2 2022年6月29日-2022年7月6日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

①電信手機(jī)卡、電信貼片卡、移動(dòng)手機(jī)卡平均通信成功率分別為93.55%、90.37%、88.61%，如果加上數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能，預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)99%數(shù)據(jù)正確回傳。

②本次測試的信號(hào)強(qiáng)度范圍在1-31之間，31信號(hào)最好，其中信號(hào)強(qiáng)度<11，不容易附著網(wǎng)絡(luò)；1<信號(hào)強(qiáng)度<18在此區(qū)間網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致誤碼較多；信號(hào)強(qiáng)度>18，能穩(wěn)定通信。電信手機(jī)卡、電信貼片卡、移動(dòng)手機(jī)卡平均信號(hào)強(qiáng)度分別為24.41、22.46、20.63，故該通信終端基本上能穩(wěn)定通信。

③電信手機(jī)卡、電信貼片卡、移動(dòng)手機(jī)卡日數(shù)據(jù)方差為96.14、146.81、659.29，平均信號(hào)強(qiáng)度方差為0.39、0.37、0.62?？梢娤鄬?duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，該通信終端的電信通信信號(hào)最強(qiáng)。

3.2.2 數(shù)據(jù)延遲

數(shù)據(jù)延遲指的是本條數(shù)據(jù)與上一條數(shù)據(jù)時(shí)間差，因?yàn)楸敬螠y試數(shù)據(jù)10秒發(fā)送1次，所以理想的數(shù)據(jù)延遲時(shí)間是10秒。如果數(shù)據(jù)延遲時(shí)間大于10秒，表示出現(xiàn)信號(hào)中斷，數(shù)據(jù)延遲時(shí)間越長代表信號(hào)中斷時(shí)間越長。信號(hào)不好時(shí)，數(shù)據(jù)無法發(fā)送，通信測試終端會(huì)臨時(shí)緩存，等到信號(hào)好了集中發(fā)送，所以也存在數(shù)據(jù)延遲時(shí)間小于10秒的情況。

表3統(tǒng)計(jì)了測試期間數(shù)據(jù)延遲最嚴(yán)重的100條數(shù)據(jù)的平均值：

由表3可知電信手機(jī)卡、電信貼片卡、移動(dòng)手機(jī)卡前100個(gè)最長延遲時(shí)間平均值為106.38秒、145.15秒、493.79秒，該通信終端的電信通信數(shù)據(jù)延遲較移動(dòng)通信小，通信信號(hào)較為穩(wěn)定。

表3 數(shù)據(jù)延遲時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4.結(jié)論

通過對(duì)本次瓊州海峽多功能航標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化部署前后數(shù)據(jù)對(duì)比及通信終端數(shù)據(jù)分析，總結(jié)有以下結(jié)論：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化部署后，瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)的通信終端的通信信號(hào)改善并不明顯；

（2）通信終端升級(jí)后，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示該通信終端的通信信號(hào)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)通信成功率、信號(hào)穩(wěn)定性等方面均有顯著提升。

5.建議

（1）需再次進(jìn)行更為全面的模擬測試。本次測試無補(bǔ)傳數(shù)據(jù)功能，其數(shù)據(jù)通信成功是否達(dá)到預(yù)期有待進(jìn)一步驗(yàn)證，且數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)而不是目前瓊州海峽多功能航標(biāo)使用的VPΝD專線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，與實(shí)際情況有些不符，測試時(shí)間也相對(duì)較短。故需要再次進(jìn)行測試，增加補(bǔ)傳數(shù)據(jù)功能，并通過VPDΝ進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，延長測試時(shí)間以獲取更多數(shù)據(jù)資料，待確定信號(hào)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等可保證數(shù)據(jù)延遲較少且均能回傳數(shù)據(jù)后，方可對(duì)瓊州海峽船舶定線制警1-3號(hào)燈浮標(biāo)的通信終端進(jìn)行升級(jí)。

（2）根據(jù)本次數(shù)據(jù)測試分析顯示，瓊州海峽多功能航標(biāo)的通信中數(shù)據(jù)延遲和部分?jǐn)?shù)據(jù)無法回傳等問題可通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署及升級(jí)通信終端進(jìn)行改善。伴隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，未來航標(biāo)用戶對(duì)多功能航標(biāo)的需求呈現(xiàn)多樣化，對(duì)航標(biāo)的要求越來越高，航標(biāo)功能齊全、信息化程度高、節(jié)能環(huán)保等已是今后航標(biāo)發(fā)展趨勢，保證通信信號(hào)穩(wěn)定且強(qiáng)度高可為多功能航標(biāo)信息化、成點(diǎn)成片建設(shè)提供扎實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的升級(jí)更新，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的崛起，給瓊州海峽多功能航標(biāo)通信優(yōu)化提供新的思路。根據(jù)相關(guān)資料顯示，700MΗZ頻段5G網(wǎng)絡(luò)有覆蓋效果好、繞射能力強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)，海南島也基本實(shí)現(xiàn)環(huán)島水域的700MΗZ頻段5G信號(hào)覆蓋，覆蓋近海近40km水域。因此，建議下一步可開展基于700MΗZ頻段5G網(wǎng)絡(luò)的瓊州海峽多功能航標(biāo)系統(tǒng)通信優(yōu)化相關(guān)研究，為不斷升級(jí)瓊州海峽多功能航標(biāo)通信優(yōu)化提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)多功能航標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展。