不同代際移動通訊技術對自動氣象站數據傳輸支撐能力對比分析

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

隨著氣象現代化進程的不斷加快，特別是隨著防災減災、生態環境建設、現代新型農業產業發展、資源開發利用等方面對氣象預測預報服務工作提出的新要求，需要密度更大、運行更穩定、傳輸更及時的區域自動氣象觀測站來彌補黔南州氣象資料在探測空間和時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域自動氣象站的建設管理工作，不斷優化區域自動氣象站的站點布局，穩步提升數據傳輸及時率和可用性。但是，目前黔南州全州布設的區域自動氣象站主要采用的還是基于第二代移動通訊技術的傳輸方式。隨著移動通信技術的不斷推進，第四代移動通訊技術(4G)逐漸取代第三代和第二代移動通訊技術(3G和2G)，成為黔南州主流的移動通訊技術。在此背景下，2G的通訊信道帶寬不斷變窄，對全州區域自動氣象站數據傳輸及時率(以下簡稱自動站傳輸率)的影響也不斷變大。從2016年8月份以來，黔南州區域自動站傳輸率一直相對較低，長期僅略高于96%，偶爾甚至會跌至96%以下。

對于移動通訊技術對自動站傳輸率影響方面的分析，陳玉華等認為信號漂移、信號偏弱和基站停電造成信號不穩定是影響數據傳輸及時率主要的原因[1]；楊潔等認為信號覆蓋面不足、未及時繳納費用和運營商業務調整是影響數據傳輸及時率的主要原因[2]；張遠洪等認為移動2G資源BSC的GP負荷高是導致區域站通訊信號不穩定的主要原因[3]；陳林認為網絡問題不管是本地、上級均要保證正常，以免影響業務質量[4]。有關移動通訊技術升級換代對自動站傳輸率影響的研究和分析較少。

因此，全面分析4G和2G對自動站傳輸率的影響情況，對有針對性的解決自動站傳輸率低的問題，指導全州甚至全省區域自動氣象站設備調試、升級工作具有重要的現實意義。

2 對比分析方法

分別采用同站升級時序分析和同點異站對比分析兩種方法進行分析。

2.1 同站升級時序分析

該方法是針對同一個區域自動氣象站，僅升級通訊模塊和通訊卡，分析其升級前后的傳輸率變化情況。

2.1.1 對象選取

①選取范圍。站點選取范圍需能夠基本覆蓋全州區域，以體現分析結果的普適性。

在本次對比過程，選取了獨山(翁臺、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個兩要素區域自動氣象站為研究對象站點。站點分布面積約占全州的4/5，基本具備普適性。

②選取原則。對比對象站點選取遵循環境一致性原則。

在對比過程中，所選的所有站點的硬件設施和周邊環境應該是一致的。為了確保對比試驗過程中的環境一致性，對于對比對象站點，一方面除了將原來使用的2G通訊模塊和通訊卡更換升級為4G通訊傳輸模塊和通訊卡以外，其他硬件和軟件環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給分析結果帶來干擾，對比試驗過程中所采用的兩種通訊傳輸模塊均為宏電科技生產，其基本性能是一致的；第三方面為了消除通訊運營商的不一致可能給分析結果帶來干擾，對比試驗過程中均采用中國移動通訊集團公司的通訊卡作為試驗用卡。

2.1.2 分析方法 分別統計各個對比自動站在更換升級為4G通訊傳輸模塊前后一個的月傳輸率(平均值，下同)和日傳輸率(平均值，下同)的變化情況，得出各個自動站采用4G通訊技術和2G通訊技術的傳輸率的變化情況。

2.2 同點異站對比分析

該方法是針對同一建設地點，采用兩套同一類型的自動站，分別使用兩種不同的通訊模塊和通訊卡，分析其同一時段的傳輸率變化情況。

2.2.1 對象選取

①選取范圍。對象站點選取主要針對黔南州2016年以來長期傳輸率偏低的兩要素區域自動氣象站。

在本次對比過程中，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個地點進行對比。

②選取原則。對比對象站點遵循設備一致性原則。即在本次對比過程中，所采用的對比測試設備均為無錫無線電研究所生產的兩要素自動氣象站。設備型號、生產日期和前期服役時間均一致，均為2008年全省統一列裝并穩定運行至今的設備；而且兩套設備所采用的通訊模塊均為宏電科技生產，其基本性能是一致的；第三，對比試驗過程中均采用中國移動通訊集團公司的通訊卡作為試驗用卡，兩套設備的通訊基礎環境是一致的。唯一不同的是兩套設備中，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 對在同一安裝地點的兩套采用不同的通訊傳輸模塊和通訊卡的同型自動氣象站設備，分別統計其在同一時間段內的傳輸率變化情況。

3 對比分析過程及結果

3.1 同站升級時序分析

2016年12月3日—2017年3月3日，逐步對上述22個自動氣象站的通訊模塊和通訊卡從2G升級為4G，開展同站升級時序分析外場試驗。

3.1.1 月傳輸率對比分析結果 根據22個自動站升級為4G通訊傳輸模塊和通訊卡的時間，分別計算升級前一個月和升級后一個月傳輸率。發現：站點未升級為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，所有站點月傳輸率增長值平均為22.18%，升級后月傳輸率提升明顯(詳見下表1)。

表1 同站升級前后月傳輸率統計表Tab.1 The same station before and after the month of transmission rate update statistics

3.1.2 日傳輸率對比分析結果 通過日傳輸率的對比分析，對兩種通訊傳輸模塊和通訊卡的傳輸穩定性情況進行初步判定。

根據22個自動站升級為4G通訊傳輸模塊和通訊卡的時間，分別計算升級前1個月和升級后1個月的逐日傳輸率。發現：

從日傳輸率極大值來看，站點未升級為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月沒有一天的傳輸率能夠達到100.00%。而升級之后，所有站的逐日傳輸率極大值平均為99.81%，提升了1.29個百分點；除貴定猴場堡站的日傳輸率極大值仍無法達到100.00%外，其余各站均達到了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，站點未升級為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會出現零傳輸的現象；而升級之后，所有站的逐日傳輸率平均為83.18%，提升了46個百分點，最低日傳輸率可達到29.17%，沒有出現零傳輸的現象，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前的零傳輸提升到升級后的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，站點未升級為4G通訊模塊和通訊卡之前，所有站的逐日傳輸率極差波動范圍在9.03%～100.00%之間，極差平均值為61.33%，極差波動的幅度較大；而升級之后，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%，除獨山和三都的6個站極差超過40.00%外，其余各站極差波動大幅度收窄。說明升級后的設備傳輸穩定性有明顯的提升(詳見下表2)。

表2 同站升級前后月傳輸率極值統計表Tab.2 The same month before and after the monthly transmission rate upgrade extreme value statistics

3.1.3 不達標站點情況分析 對比發現，貴定猴場堡站升級前后傳輸率均低于96%，升級前為44.22%，升級后僅為60.84%，仍然無法達到省局考核要求的96%。后期于2017年2月底對該站的蓄電池更換為新電池后，2017年3月1日—28日的傳輸率達到97.41%，達到96%的考核要求。說明即使在相同的較差的供電環境下，該站升級為4G通訊模塊和通訊卡后，傳輸率盡管仍未達標，但是確有提升，4G通訊傳輸方式仍然是優于2G通訊傳輸模式。

3.2 同點異站對比分析

2017年1月20日5套同點異站對比設備全部安裝完成。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兩套相同型號的兩要素自動站，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，開展同點異站同期對比外場試驗。同一地點的兩套設備安裝距離均在5 m范圍以內，其通訊環境、所面臨的天氣狀況可以認為是一致的。

同點異站對比分析時段為2017年1月21日—3月28日。

3.2.1 單站對比分析結果 分別計算上述5個對比點10套設備的同期平均傳輸率。發現：整個對比時段內，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，其余時段各對比點的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 同點異站同時段傳輸率統計表(單位：%)Tab.3 The Same point and different stations in the same period transmission rate statistics(unit:%)

3.2.2 分類均值對比結果 對采用4G模塊和通訊卡的5個站和采用2G模塊和通訊卡的5個站分成兩類，進行傳輸率均值分析。在整個對比時段采用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個百分點。而且前者達到了96.00%的傳輸率考核指標，而后者則沒有達標。

分時段進行分析，各個對比時段內采用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 結論

①通過同站升級時序分析結果表明：4G通訊模塊和通訊卡的應用能夠較大幅度的提升自動站傳輸率；而且采用4G通訊模塊和通訊卡時的傳輸率極值的波動范圍比采用2G通訊模塊和通訊卡時更窄，傳輸更加穩定。

②通過同點異站對比分析結果表明：在相同的設備、相同的通訊環境、相同的天氣狀況下，采用4G通訊模塊和通訊卡時的傳輸率絕大部分時間是優于采用2G通訊模塊和通訊卡的，且不管是在冬季，還是在初春，4G模式對自動氣象站數據傳輸的支撐能力均體現出一致的穩定性。

5 討論

①在對比分析過程中，出現了個別站點不管是采用4G模式傳輸，還是采用2G模式傳輸，其傳輸率均無法達到96.00%的考核指標，此時就需要考慮可能不一定是傳輸系統的問題，應該及時查找自動氣象站設備的其他原因，比如供電系統的蓄電池、太陽能板、供電線路是否運行正常等等，才有利于盡快排障，恢復設備正常運行。

②經過對比，發現個別站點(如：獨山甲定、水巖、董嶺和三都打漁站)即使采用了4G模式進行傳輸，其傳輸率也僅能達到97%左右，且極值波動范圍較大，普遍超過40%。此時，就需要進一步分析該地點通訊信號是否穩定的問題。在本次外場試驗過程中，限于沒有可靠的測試儀器，尚未對此項工作進行深入研究。

③通過上述對比分析結果表明，自動站采用4G模式傳輸方式無論是在傳輸及時率方面，還是在傳輸穩定性方面，基本都優越于2G模式傳輸方式。在當前信息化飛躍發展的階段，應及早對自動氣象站的傳輸方式進行全面的升級更新。

參考文獻

[1] 陳玉華,楊潔,李新慶,等.影響區域自動觀測站數據傳輸質量的成因分析[J].電腦開發與應用,2014,27(6):46-49.

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

[3] 張遠洪,羅曉松,趙大清,等.淺析移動通信網絡升級對區域自動氣象站GPRS通信的影響[J].貴州氣象,2017,41(1)：74-77.

[4] 陳林.自動站實時數據傳輸常見問題的分析[J].貴州氣象,2013,37(21):101-102.