琼州海峡多功能航标通信数据分析

王宣乔 南海航海保障中心海口航标处

1.背景

2021年2月，海口航标处在琼州海峡及附近海域成功投放6座多功能航标，该多功能航标上搭载的设备可采集水域附近的水文气象信息传回岸基后台，并通过E航海等对外提供服务。因琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标位于距离岸基较远的琼州海峡中线附近，存在不同程度的数据延迟及无法回传的问题，经过初步分析论证，产生该问题的原因是信号强度不够、覆盖范围不够远或标体上通信终端的通信性能不佳。

为进一步优化多功能航标通信，提供稳定可靠的水文气象信息，海口航标处协调运营商于2022年5月进行了网络通信优化部署，同年6月，前往信号最差的多功能航标（琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标）附近的海域开展通信终端的测试工作，采集相关通信数据。

2.数据来源

本文分析的通信数据来自以下两个部分。

2.1 三座多功能航标采集数据

琼州海峡多功能航标是在琼州海峡现有航标基础上选取关键位置试点建设多功能航标系统，航标改造的总数量为6座，其中灯浮标4座、灯桩2座；在航标原有功能基础上，增加能见度观测、风速风向观测、表面流观测和CCTV视频监控等多功能模块（见表1），收集辖区水域通航信息。其中秀英港1号灯浮标、秀英港北堤灯桩及北岸航线轴线导航灯桩的信号回传基本持续稳定，琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标均出现不同程度的数据延迟及无法回传的问题。因此，运营商网络通信优化部署后，对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标的采集的数据进行分析更具有参考意义。

表1 琼州海峡6座多功能航标相关信息

2.2 通信终端（升级版本）采集数据

当前的琼州海峡多功能航标搭载的能见度仪、海流计、风速风向仪等设备通过数据采集器串口与数传模块进行串口通讯，通信终端将数据通过VPDΝ专线4G网络传输至岸基数据中心。为解决琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标数据延迟及无法回传问题，需开展通信终端的通信性能测试，2022年6月28日海口航标处选取在琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标上单独安装升级版本的通信终端（见图1）进行测试，该升级版的通信终端安装了电信手机卡、移动手机卡和电信贴片卡，而岸上系统部署在服务器，总共由接收软件和数据库组成，接收到的通信终端数据保存到数据库。通过对接收的信号强度等进行数据分析，为下一步开展琼州海峡多功能航标通信优化调整提供参考依据。

3.数据分析

3.1 网络通信优化部署前后数据对比分析

2022年5月11日运营商对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标的信号覆盖小区进行天线方位角及下倾调整，并在琼州海峡船舶定线制警2-3号灯浮标附近海域加载了超远覆盖功率及覆盖距离。5月20日运营商按最远覆盖标准对琼州海峡船舶定线制警1灯浮标附近海域加载了超远覆盖功率及覆盖距离。下面对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标在2022年5月11日-5月31日期间的数据延迟情况进行分析。

说明：根据表1得知，琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标数据采集时间最快为1min/次。本次数据传输延迟时间取值为数据库保存数据时间与浮标上数据采集时间差，当通信信号强度好且稳定时，通过网络传输数据保存到岸基数据库的时间与浮标上采集的数据时间应该是同步的，当数据传输延迟时间越大时，通信信号越差。另外，当数据库中存储的数据随着时间推移越不连贯，则说明通信终端通过网络进行补传数据无法实时传回，侧面反映了通信信号比较差。

根据图2至图4得知，5月1日至10日，琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标最大数据延迟1426分钟（约23.7小时），超过600分钟（10小时）的数据延迟8次,数据不连贯；琼州海峡船舶定线制警2号灯浮标最大数据延迟9.7分钟，超过6分钟的数据延迟10次，数据较密且连贯；琼州海峡船舶定线制警3号灯浮标最大数据延迟1073分钟（约17.8小时），超过600分钟（10小时）的数据延迟2次，超过420分钟（7小时）的数据延迟有6次，数据基本连贯。

综上分析可知：在运营商未进行网络优化部署时，琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标信号最差，不仅无法实时传输，补传数据也无法全部传回；琼州海峡船舶定线制警2号灯浮标信号相对较好，补传数据基本能如数传回，但仍然出现数据延迟现象；琼州海峡船舶定线制警3号灯浮标信号相对较差，补传数据基本能传回，但数据延迟现象仍然较为严重。

根据图5至图7得知，5月11日-20日琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标最大数据延迟1513分钟（约25.2小时），超过600分钟（10小时）的数据延迟4次,数据不连贯但相对网络优化未调整前稍微紧密；琼州海峡船舶定线制警2号灯浮标最大数据延迟22分钟，超过10分钟的数据延迟9次，数据较密且连贯，相较网络优化未调整前变化不大；琼州海峡船舶定线制警3号灯浮标最大数据延迟424分钟（约7小时），超过240分钟（4小时）的数据延迟9次，数据基本连贯，相较网络优化未调整前紧密一些。

综上分析可知：经运营商对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标附近海域的天线方位角及下倾调整，并在琼州海峡船舶定线制警2-3号灯浮标附近海域加载了超远覆盖功率及覆盖距离后，琼州海峡船舶定线制警1-2号灯浮标通信信号变化不大，琼州海峡船舶定线制警3号灯浮标的通信信号稍微改善，但并不明显。琼州海峡船舶定线制警1、3号灯浮标数据延迟严重且部分补传数据无法传回。

根据图8至图10得知，5月21日-5月31日琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标最大数据延迟1324分钟（约22小时），超过600分钟（10小时）的数据延迟5次,数据不连贯；琼州海峡船舶定线制警2号灯浮标最大数据延迟520分钟，根据5月份的数据显示，此类延迟可初步判断为偶发事件，超过10分钟的数据延迟1次，数据较密且连贯；琼州海峡船舶定线制警3号灯浮标最大数据延迟424分钟（约7小时），超过240分钟（4小时）的数据延迟9次，数据基本连贯。

综上分析可知：随着运营商按最远覆盖标准对琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标加载了超远覆盖功率及覆盖距离后，对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标的网络优化部署已完成，琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标数据回传效果有所提升，数据延迟相对降低，数据通信情况均有所改善，但不显著，其中琼州海峡船舶定线制警1、3号灯浮标通信信号仍比较差。

3.2 通信终端（升级版）数据分析

2022年6月28日，海口航标处在琼州海峡船舶定线制警1号灯浮标独立安装升级版本通信终端，通过统计该通信终端向服务器发送的数据，进一步分析多功能航标海域附近的信号强度及通信情况。本次分析统计了6月29日-7月6日8天的数据，中间经历了信号误停，双台风天气等特殊情况，时间虽然短，但比较有代表性，具体情况如下：

3.2.1 数据数量和成功率

通信终端安装有电信手机卡、移动手机卡和电信贴片卡，每个终端设置每10秒钟给服务器发送1条数据，每分钟6条，每小时360条，每天8640条，完全满足1min/次数据采集频率要求，为了每个时间段的信号强度测试准确，该终端不具备补传功能。

通过表2、图11和图12分析得知：

表2 2022年6月29日-2022年7月6日数据统计

①电信手机卡、电信贴片卡、移动手机卡平均通信成功率分别为93.55%、90.37%、88.61%，如果加上数据补传功能，预期可以实现99%数据正确回传。

②本次测试的信号强度范围在1-31之间，31信号最好，其中信号强度<11，不容易附着网络；1<信号强度<18在此区间网络不稳定会导致误码较多；信号强度>18，能稳定通信。电信手机卡、电信贴片卡、移动手机卡平均信号强度分别为24.41、22.46、20.63，故该通信终端基本上能稳定通信。

③电信手机卡、电信贴片卡、移动手机卡日数据方差为96.14、146.81、659.29，平均信号强度方差为0.39、0.37、0.62。可见相对于移动网络，该通信终端的电信通信信号最强。

3.2.2 数据延迟

数据延迟指的是本条数据与上一条数据时间差，因为本次测试数据10秒发送1次，所以理想的数据延迟时间是10秒。如果数据延迟时间大于10秒，表示出现信号中断，数据延迟时间越长代表信号中断时间越长。信号不好时，数据无法发送，通信测试终端会临时缓存，等到信号好了集中发送，所以也存在数据延迟时间小于10秒的情况。

表3统计了测试期间数据延迟最严重的100条数据的平均值：

由表3可知电信手机卡、电信贴片卡、移动手机卡前100个最长延迟时间平均值为106.38秒、145.15秒、493.79秒，该通信终端的电信通信数据延迟较移动通信小，通信信号较为稳定。

表3 数据延迟时间统计

4.结论

通过对本次琼州海峡多功能航标的网络通信优化部署前后数据对比及通信终端数据分析，总结有以下结论：

（1）网络通信优化部署后，琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标的通信终端的通信信号改善并不明显；

（2）通信终端升级后，数据分析结果显示该通信终端的通信信号强度、数据通信成功率、信号稳定性等方面均有显著提升。

5.建议

（1）需再次进行更为全面的模拟测试。本次测试无补传数据功能，其数据通信成功是否达到预期有待进一步验证，且数据通过公网而不是目前琼州海峡多功能航标使用的VPΝD专线进行网络数据传输，与实际情况有些不符，测试时间也相对较短。故需要再次进行测试，增加补传数据功能，并通过VPDΝ进行网络数据传输，延长测试时间以获取更多数据资料，待确定信号强度、稳定性等可保证数据延迟较少且均能回传数据后，方可对琼州海峡船舶定线制警1-3号灯浮标的通信终端进行升级。

（2）根据本次数据测试分析显示，琼州海峡多功能航标的通信中数据延迟和部分数据无法回传等问题可通过优化网络部署及升级通信终端进行改善。伴随着现代航运业的快速发展，未来航标用户对多功能航标的需求呈现多样化，对航标的要求越来越高，航标功能齐全、信息化程度高、节能环保等已是今后航标发展趋势，保证通信信号稳定且强度高可为多功能航标信息化、成点成片建设提供扎实的网络基础。随着技术的升级更新，5G网络技术的崛起，给琼州海峡多功能航标通信优化提供新的思路。根据相关资料显示，700MΗZ频段5G网络有覆盖效果好、绕射能力强、信号稳定的特点，海南岛也基本实现环岛水域的700MΗZ频段5G信号覆盖，覆盖近海近40km水域。因此，建议下一步可开展基于700MΗZ频段5G网络的琼州海峡多功能航标系统通信优化相关研究，为不断升级琼州海峡多功能航标通信优化提供技术支持，实现多功能航标的可持续发展。