不同代际移动通讯技术对自动气象站数据传输支撑能力对比分析

周治黔，熊 平

(1.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；2.贵州省黔南自治州气象局，贵州 都匀 550080)

1 引言

随着气象现代化进程的不断加快，特别是随着防灾减灾、生态环境建设、现代新型农业产业发展、资源开发利用等方面对气象预测预报服务工作提出的新要求，需要密度更大、运行更稳定、传输更及时的区域自动气象观测站来弥补黔南州气象资料在探测空间和时间分辨率方面的不足。2008年以来，黔南州气象部门不断完善区域自动气象站的建设管理工作，不断优化区域自动气象站的站点布局，稳步提升数据传输及时率和可用性。但是，目前黔南州全州布设的区域自动气象站主要采用的还是基于第二代移动通讯技术的传输方式。随着移动通信技术的不断推进，第四代移动通讯技术(4G)逐渐取代第三代和第二代移动通讯技术(3G和2G)，成为黔南州主流的移动通讯技术。在此背景下，2G的通讯信道带宽不断变窄，对全州区域自动气象站数据传输及时率(以下简称自动站传输率)的影响也不断变大。从2016年8月份以来，黔南州区域自动站传输率一直相对较低，长期仅略高于96%，偶尔甚至会跌至96%以下。

对于移动通讯技术对自动站传输率影响方面的分析，陈玉华等认为信号漂移、信号偏弱和基站停电造成信号不稳定是影响数据传输及时率主要的原因[1]；杨洁等认为信号覆盖面不足、未及时缴纳费用和运营商业务调整是影响数据传输及时率的主要原因[2]；张远洪等认为移动2G资源BSC的GP负荷高是导致区域站通讯信号不稳定的主要原因[3]；陈林认为网络问题不管是本地、上级均要保证正常，以免影响业务质量[4]。有关移动通讯技术升级换代对自动站传输率影响的研究和分析较少。

因此，全面分析4G和2G对自动站传输率的影响情况，对有针对性的解决自动站传输率低的问题，指导全州甚至全省区域自动气象站设备调试、升级工作具有重要的现实意义。

2 对比分析方法

分别采用同站升级时序分析和同点异站对比分析两种方法进行分析。

2.1 同站升级时序分析

该方法是针对同一个区域自动气象站，仅升级通讯模块和通讯卡，分析其升级前后的传输率变化情况。

2.1.1 对象选取

①选取范围。站点选取范围需能够基本覆盖全州区域，以体现分析结果的普适性。

在本次对比过程，选取了独山(翁台、尧梭、打羊、甲定、水岩)、贵定(抱管、盘江、白马大寨)、三都(打渔、巫不)、罗甸(沟亭、逢亭)、惠水(好花红、宁旺)、长顺(马路、交麻、睦化)、都匀(斗篷山)和平塘县(克度、白龙、大塘、苗二河)的22个两要素区域自动气象站为研究对象站点。站点分布面积约占全州的4/5，基本具备普适性。

②选取原则。对比对象站点选取遵循环境一致性原则。

在对比过程中，所选的所有站点的硬件设施和周边环境应该是一致的。为了确保对比试验过程中的环境一致性，对于对比对象站点，一方面除了将原来使用的2G通讯模块和通讯卡更换升级为4G通讯传输模块和通讯卡以外，其他硬件和软件环境均没有做任何改变；另一方面为了消除通讯模块自身性能的不一致性可能会给分析结果带来干扰，对比试验过程中所采用的两种通讯传输模块均为宏电科技生产，其基本性能是一致的；第三方面为了消除通讯运营商的不一致可能给分析结果带来干扰，对比试验过程中均采用中国移动通讯集团公司的通讯卡作为试验用卡。

2.1.2 分析方法 分别统计各个对比自动站在更换升级为4G通讯传输模块前后一个的月传输率(平均值，下同)和日传输率(平均值，下同)的变化情况，得出各个自动站采用4G通讯技术和2G通讯技术的传输率的变化情况。

2.2 同点异站对比分析

该方法是针对同一建设地点，采用两套同一类型的自动站，分别使用两种不同的通讯模块和通讯卡，分析其同一时段的传输率变化情况。

2.2.1 对象选取

①选取范围。对象站点选取主要针对黔南州2016年以来长期传输率偏低的两要素区域自动气象站。

在本次对比过程中，选取了惠水好花红、都匀甘塘、贵定抱管、罗甸沟亭和平塘石龙过江5个地点进行对比。

②选取原则。对比对象站点遵循设备一致性原则。即在本次对比过程中，所采用的对比测试设备均为无锡无线电研究所生产的两要素自动气象站。设备型号、生产日期和前期服役时间均一致，均为2008年全省统一列装并稳定运行至今的设备；而且两套设备所采用的通讯模块均为宏电科技生产，其基本性能是一致的；第三，对比试验过程中均采用中国移动通讯集团公司的通讯卡作为试验用卡，两套设备的通讯基础环境是一致的。唯一不同的是两套设备中，一套采用2G通讯传输模块和通讯卡，另一套采用4G通讯传输模块和通讯卡。

2.2.2 分析方法 对在同一安装地点的两套采用不同的通讯传输模块和通讯卡的同型自动气象站设备，分别统计其在同一时间段内的传输率变化情况。

3 对比分析过程及结果

3.1 同站升级时序分析

2016年12月3日—2017年3月3日，逐步对上述22个自动气象站的通讯模块和通讯卡从2G升级为4G，开展同站升级时序分析外场试验。

3.1.1 月传输率对比分析结果 根据22个自动站升级为4G通讯传输模块和通讯卡的时间，分别计算升级前一个月和升级后一个月传输率。发现：站点未升级为4G通讯模块和通讯卡之前，各站月传输率在22.83%～98.32%之间，升级为4G通讯模块和通讯卡之后，各站月传输率在60.84%～100.00%之间，月传输率的增长值在1.68%～77.04%之间，所有站点月传输率增长值平均为22.18%，升级后月传输率提升明显(详见下表1)。

表1 同站升级前后月传输率统计表Tab.1 The same station before and after the month of transmission rate update statistics

3.1.2 日传输率对比分析结果 通过日传输率的对比分析，对两种通讯传输模块和通讯卡的传输稳定性情况进行初步判定。

根据22个自动站升级为4G通讯传输模块和通讯卡的时间，分别计算升级前1个月和升级后1个月的逐日传输率。发现：

从日传输率极大值来看，站点未升级为4G通讯模块和通讯卡之前，所有站的逐日传输率极大值平均为98.52%，其中贵定猴场堡站、三都打渔站、平塘白龙站和大塘站在更换之前一个月没有一天的传输率能够达到100.00%。而升级之后，所有站的逐日传输率极大值平均为99.81%，提升了1.29个百分点；除贵定猴场堡站的日传输率极大值仍无法达到100.00%外，其余各站均达到了100.00%。在提升幅度方面，贵定猴场堡站、三都打渔站、平塘白龙站和大塘站的日传输率极大值均大幅度提升，分别从更换前的84.72%、93.06%、90.28%、99.31%提升到升级后的95.83%、100.00%、100.00%、100.00%，提升明显(详见下表3)。

从日传输率极小值来看，站点未升级为4G通讯模块和通讯卡之前，所有站的逐日传输率极小值平均为37.18%，其中惠水宁旺站、都匀斗篷山站、三都打渔站和平塘白龙站甚至会出现零传输的现象；而升级之后，所有站的逐日传输率平均为83.18%，提升了46个百分点，最低日传输率可达到29.17%，没有出现零传输的现象，提升明显。尤其是惠水宁旺站、都匀斗篷山站、三都打渔站和平塘白龙站分别从升级前的零传输提升到升级后的80.56%、100.00%、57.64%、97.22%，提升幅度非常大(详见下表3)。

从日传输率的极差来看，站点未升级为4G通讯模块和通讯卡之前，所有站的逐日传输率极差波动范围在9.03%～100.00%之间，极差平均值为61.33%，极差波动的幅度较大；而升级之后，所有站的逐日传输率极差在0.00%～66.66%之间，极差平均值为16.63%，除独山和三都的6个站极差超过40.00%外，其余各站极差波动大幅度收窄。说明升级后的设备传输稳定性有明显的提升(详见下表2)。

表2 同站升级前后月传输率极值统计表Tab.2 The same month before and after the monthly transmission rate upgrade extreme value statistics

3.1.3 不达标站点情况分析 对比发现，贵定猴场堡站升级前后传输率均低于96%，升级前为44.22%，升级后仅为60.84%，仍然无法达到省局考核要求的96%。后期于2017年2月底对该站的蓄电池更换为新电池后，2017年3月1日—28日的传输率达到97.41%，达到96%的考核要求。说明即使在相同的较差的供电环境下，该站升级为4G通讯模块和通讯卡后，传输率尽管仍未达标，但是确有提升，4G通讯传输方式仍然是优于2G通讯传输模式。

3.2 同点异站对比分析

2017年1月20日5套同点异站对比设备全部安装完成。分别在惠水好花红、都匀甘塘、贵定抱管、罗甸沟亭和平塘石龙过江各布设两套相同型号的两要素自动站，其中一套采用4G模块和通讯卡，另一套采用2G模块和通讯卡，开展同点异站同期对比外场试验。同一地点的两套设备安装距离均在5 m范围以内，其通讯环境、所面临的天气状况可以认为是一致的。

同点异站对比分析时段为2017年1月21日—3月28日。

3.2.1 单站对比分析结果 分别计算上述5个对比点10套设备的同期平均传输率。发现：整个对比时段内，除1月21—31日期间，平塘石龙过江站采用4G模块和通讯卡的传输率低于采用2G模块和通讯卡的传输率0.13%外，其余时段各对比点的4G模块和通讯卡的传输率均高于采用2G模块和通讯卡的传输率(详见下表3)。

表3 同点异站同时段传输率统计表(单位：%)Tab.3 The Same point and different stations in the same period transmission rate statistics(unit:%)

3.2.2 分类均值对比结果 对采用4G模块和通讯卡的5个站和采用2G模块和通讯卡的5个站分成两类，进行传输率均值分析。在整个对比时段采用4G方式的传输率平均值为99.95%，比采用2G方式的传输率平均值95.28%高出4.67个百分点。而且前者达到了96.00%的传输率考核指标，而后者则没有达标。

分时段进行分析，各个对比时段内采用4G方式的传输率均值都高于采用2G方式的传输率。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 结论

①通过同站升级时序分析结果表明：4G通讯模块和通讯卡的应用能够较大幅度的提升自动站传输率；而且采用4G通讯模块和通讯卡时的传输率极值的波动范围比采用2G通讯模块和通讯卡时更窄，传输更加稳定。

②通过同点异站对比分析结果表明：在相同的设备、相同的通讯环境、相同的天气状况下，采用4G通讯模块和通讯卡时的传输率绝大部分时间是优于采用2G通讯模块和通讯卡的，且不管是在冬季，还是在初春，4G模式对自动气象站数据传输的支撑能力均体现出一致的稳定性。

5 讨论

①在对比分析过程中，出现了个别站点不管是采用4G模式传输，还是采用2G模式传输，其传输率均无法达到96.00%的考核指标，此时就需要考虑可能不一定是传输系统的问题，应该及时查找自动气象站设备的其他原因，比如供电系统的蓄电池、太阳能板、供电线路是否运行正常等等，才有利于尽快排障，恢复设备正常运行。

②经过对比，发现个别站点(如：独山甲定、水岩、董岭和三都打渔站)即使采用了4G模式进行传输，其传输率也仅能达到97%左右，且极值波动范围较大，普遍超过40%。此时，就需要进一步分析该地点通讯信号是否稳定的问题。在本次外场试验过程中，限于没有可靠的测试仪器，尚未对此项工作进行深入研究。

③通过上述对比分析结果表明，自动站采用4G模式传输方式无论是在传输及时率方面，还是在传输稳定性方面，基本都优越于2G模式传输方式。在当前信息化飞跃发展的阶段，应及早对自动气象站的传输方式进行全面的升级更新。

参考文献

[1] 陈玉华,杨洁,李新庆,等.影响区域自动观测站数据传输质量的成因分析[J].电脑开发与应用,2014,27(6):46-49.

[2] 杨洁,钟海云,罗琳,等.宁夏区域气象观测站数据传输中的问题和解决方案[J].宁夏工程技术,2011,10(3):258-261.

[3] 张远洪,罗晓松,赵大清,等.浅析移动通信网络升级对区域自动气象站GPRS通信的影响[J].贵州气象,2017,41(1)：74-77.

[4] 陈林.自动站实时数据传输常见问题的分析[J].贵州气象,2013,37(21):101-102.