氣象雷達數據的傳輸方式和算法的基本研究

胡繼榮

（民航華東空管局 氣象中心，上海 200335）

氣象雷達數據的傳輸方式和算法的基本研究

胡繼榮

（民航華東空管局 氣象中心，上海 200335）

氣象雷達是觀測以及預測天氣變化的重要途徑。一般來說，氣象雷達的數據采集是一個比較長的過程，并且工作量很大，所以如果等采集完數據再進行傳輸，這樣雷達的工作效率會大大降低，而天氣預測是一個重視時效性的工作，這樣會影響正常工作。文章中研究了氣象雷達的特性和數據采集的過程，結合氣象雷達的特點，提出了使用流媒體技術的氣象雷達數據傳輸算法，并且通過RTP/RTCP協議改進了擁塞判決控制，采用基于顯式反饋的擁塞判決方案，設計了公平性的非線性流量控制方案。經過系列仿真，證明這個方案的穩定性和優越性。

氣象雷達；流量控制；時效性；擁塞判決

隨著現代科技的迅速發展，衛星的應用已經從軍用普及到民用，深入到生活的很多方面。其中氣象雷達是必不可少的，在氣象預測和大氣研究方面有著不可替代的作用。氣象雷達可以探測出天氣的變化、空間的云雨霧含量等重要的天氣指標，也可以測量出空氣濕度溫度等跟人們生活息息相關的因素；甚至于有的更加先進的雷達可以測出晴朗空間的湍流，氣象粒子的狀態。這些都為人們預測天氣提供了非常豐富的資料和信息。 氣象雷達毫無疑問成為了氣象觀測不可或缺的部分。氣象雷達對于所收集的氣象信息的傳輸保障了人們對于臨近天氣狀況的掌握。因此實時性是氣象雷達傳輸的很重要的一個方面，一個高效率的數據傳輸算法為氣象業務提供了很重要的保證。

流體傳輸現在已經十分廣泛的應用在了網絡中。流媒體傳輸對于實時性有著特別高的要求，流暢的現場視頻與音頻給使用的用戶提供了良好的用戶體驗。其中RTP/RTCP算法是目前應用最簡單和廣泛的.為了提高雷達數據傳輸中的實時性能，提高傳輸質量，本文研究了雷達數據的采集傳輸流程，在此基礎上結合流媒體數據傳輸RTP/RTCP算法，設計了雷達數據的發送接收流程和新的流量控制方式，提出了SM-RTA算法。

1 氣象雷達傳輸數據方式以及格式

1.1 氣象雷達傳輸數據過程

氣象雷達數據傳輸是這樣一個過程：當雷達開始掃描信息時，本地磁盤中的對應于雷達規則命名的區域開始寫入所掃描的信息，隨著雷達的掃描數據增加，本地磁盤的存儲區域的信息積累的越來越多。圖1是雷達傳輸數據的圖，其中這個流程圖可以看出來是有三部分組成的，包括雷達網絡，傳輸網絡和用戶網絡。雷達網絡是作為信息采集源把所采集到的信息傳輸給中心節點，然后由中心節點將所收到的信息進行一個準確的分類，提供給用戶網絡中的不同用戶。

圖1 雷達數據傳輸圖Fig.1 Radar data transmission topology

1.2 氣象雷達的數據格式

氣象雷達最始數據是由雷達的回波由信號處理器處理過后生成的，供實時處理軟件去提取相關信息和數據的，主要提取的是兩部分文件信息，包括頭文件和文件內容。其中，頭文件中，主要包含了雷達站的名稱、雷達站的地址、雷達的型號、觀測數據的時間、雷達的工作裝填等信息。氣象雷達的原始數據可分為3類:平面位置掃描（PPI）、體掃描（VCP）和距離高度掃描（RHI）數據［1］。不同型號的雷達所存儲的數據的格式是不同的，這取決于雷達本身。

流媒體傳輸的方式，可以提高中心節點的實時傳輸效率，一般是通過分層傳輸的方式來傳輸有用信息的，這樣就節省了產生數據和傳輸數據所需要的時間。當第一層數據生成以后，就可以進行傳輸，所以這樣計算的話，我們傳輸數據的時延僅僅是第一層數據產生和傳輸的時間，這個時間是很短的，所以保證了氣象雷達的時效性。由于TCP有重轉機制，所以并不會影響到對數據的二次處理。

2 流媒體傳輸協議RTP/RTCP

RTP是基于UDP協議［2］的目前利用率最高的媒體數據實時傳輸協議。音頻和視頻這樣的數據傳輸對于實時性要求十分嚴格，但是可以容忍一定的丟包現象。氣象雷達數據的傳輸過程中，所掃描的數據異地實時顯示都是可以容忍一定程度的丟包，這個過程可以利用RTP/RTCP協議提高傳輸效率。但是由于兩個中心節點之間不僅會有氣象雷達的數據傳輸，還很有可能提供其他的業務活動，此時RTP協議會大量的占用寬帶，目的在于提高自己的傳輸速率，并且不會限制發送數據，就會導致大規模的網絡擁塞，對同時存在的其他業務產生巨大的影響。此時就應該考慮業務的親和性和友好性，也就是在滿足自己傳輸速度的要求時，同時降低丟包的情況下，保證整個雷達的其他業務也盡量得到傳輸質量的保證。

RTP對話期間，接收端口會定時的周期性的傳送RTCP控制包，這個控制包里面包含了很多重要信息，有已發送出去的數據包的數量、錯誤的數據包、丟失的數據包等資料，發送端會根據所得到的信息判斷現在網絡的擁擠程度，接著利用這樣的動態消息調整當前的傳送速度［3］。當出現擁堵情況的時候，利用乘法因子非?？焖俚慕档桶l送端的發送速率，當擁塞慢慢的消失以后，可以利用加法因子來提供啊發送速率。這種擁塞控制是屬于基于丟包反饋的被動式擁塞控制機制的。基于丟包的反饋機制是使用丟包事件作為判斷網絡擁塞的依據的，也就是說只有丟包情況發生，這種機制才會產生作用，如果沒有丟包現象，即使高負載情況下，協議也不會主動的降低傳輸速度。在瓶頸鏈路的狀態下，這個協議表現出極大的攻擊性，增加了網絡的不穩定性和不準確性。

3 SM-RTA算法

本文所介紹的SM-RTA算法主要是指的中心節點跟用戶網絡中的數據算法。基本算法有以下幾個功能模塊：擁塞判決的基本模塊、流量控制中心模塊、用戶端數據的快速接收接收模塊.第一個模塊結合雷達特點，主要用于監測數據的產生和傳輸。傳輸的整個過程中提高傳輸效率的是中間的兩個模塊。最后的模塊是用于用戶端的數據接收。圖2表示了上述過程的流程圖。

圖2 SM-RTA算法功能模塊Fig.2 The flowing diagram of SM-RTA

3.1 基于顯示擁塞通告及隨機早期檢測的擁塞判決

與基于丟包率的擁塞判決相比，后來的基于明顯反饋的擁塞判決顯然有更大的優勢?；诜答伒膿砣袥Q的原理是利用中間節點對于所收取到的信息進行反饋，這樣的方式更加有效和及時將信息傳回接收端，直接的避免了一個用戶端到另一個用戶端的時延和擁塞誤判等嚴重的問題。

顯式擁塞通告（ECN）是最常用的一種管理機制，它可以反饋出發送信息過程中的反饋形式，利用所安裝的路由器來進行檢測，檢測自身的擁塞情況，最后不經過其他途徑直接的將反饋信息發送給發送端，得到反饋的發送端會利用所得到的反饋信息調整擁塞窗口［4］和發送速度。VCP、XCP等這些協議也都采用類似的顯示反饋方式.ECN通過IP頭中的兩個ECN位標記擁塞狀態，其中，IP頭中的ECN位位于服務類型域八位組數據的最后兩位。

假如擁塞判據的閾值是根據情況采用隨機的早期準確檢測算法中的平均隊列長度［5］.閾值k1和k2，將隊列緩存部分分廠明確的劃分為空閑、輕度擁塞、阻塞3種狀態，如圖3所示。

圖3 隊列閾值設定Fig.3 Queue threshold setting

3.2 非線性流量控制方式

根據上文的詳細分析，由于各個流的RTT不同，只需要添加一個公平因子，就可以使各個流在幾乎相同的時間里面窗口接近相等。這個公平因子加入以后就不會再出現其中一條流幾乎全程處在增長狀態而占用大部分寬帶，并且同時使別的流傳輸速率大幅度下降的情況。

假設有N條流在網絡中進行傳輸數據，RTT分別是r1，r2……rN，對各流求加權平均數r，可得如下公式：

結合公平因子對控制方式進行總結可以得到如下結論：

式中，xi（n）表示第i條業務流第n時隙發送速率；t（n）表示隊列長度；k1和k2為預先設定的閾值；fi為第i條業務流的公平性因子；0＜α＜1，0＜β＜1。

3.3 中心節點的數據錄入及用戶端數據的接收方式

結合雷達數據傳輸的實時性，我們為了提高傳輸速率，并且同時考慮到文件生成的快慢可能會根據實際情況的變化產生較大的波動，如果要用實時文件速度進行傳輸的話，可能會對傳輸造成較大的影響，所以根據假設我們引入r作為數據平均生成速率，s是未傳輸文件的兩個變量，掃描氣象雷達所生成的文件，這樣我們可以根據前文設置兩個指針x，y其中x是生成文件的大小m，y指跟蹤已經發送的文件的大小n。t則表示時間，可以得到:

其中r、s變量就是進行數據傳輸速率過程中的判決變量。但是不變的是仍采用包傳輸的方式，這樣做是為了保證雷達數據的傳輸的完整性，當數據大小等于報文大小的情況出現時，就將報文迅速的發送給中心節點。為了保證傳送的正確性和效率，我們設定指針標記體掃描每層數據文件的結束位置，也就是說當每一層數據掃描結束時，即使它小于我們所設定的報文量大小，也必須將該段數據封包傳送給接收端。

3.4 SM-RTA算法流程

有了以上關于擁塞判決的算法的詮釋［6］，結合數據錄入存取設計，SM-RTA算法詳細的過程如下:雷達的監控系統這時候會產生作用，一直監控雷達數據的形成，當有新的雷達監測數據文件產生的時候，進行標記。先以r的速度將數據傳輸給中心節點，假設該數據流是到中心節點的第i條傳輸流。讓后通過RTCP反饋信息從中心節點傳給雷達端，雷達的接收端通過得到的信息進行擁塞判決，當雷達網絡處于空閑狀況（t（n）＜k1）時，根據我們所設定的兩個指針判定剩余未傳輸的數據大小，若s＞0，則以xi（n）*（1+α）*fi的速率進行傳輸，若s=0，則以xi（n+1）=xi（n）的速率進行數據傳輸.當雷達網絡處于輕度擁塞的狀況（k1＜t（n）＜k2）時，以xi（n+1）=xi（n）*fi+β的速率進行傳輸.當網絡處于重度擁塞（t（n）＞k2）時，以速率xi（n+1）=xi（n）*fi*r進行傳輸.中心節點會收到數據，然后根據數據的得到雷達圖，之后就可獲得雷達文件，.算法流程示例如下，其中，fi為第i條流的公平性因子:

4 結束語

文中通過對氣象雷達的分析，主要針對數據傳輸過程和數據接收的分析，并且根據流媒體技術設計出一種更加精確更加高效的雷達數據傳輸算法，即SM-RTA算法。通過分析過程可以看出，此種方法在延遲丟包率等性能上都有十分顯著的優化效果，公平因子的引入也在很大程度上提高了該種算法的容忍度。由此可見，對于氣象雷達的研究有很大的潛力，我們需要在未來的工作中投入更多，得到更多技術的提高。

［1］李忱，張越，陳贏.氣象雷達組網和網絡氣象雷達的發展［C］//第26屆中國氣象學會年會第三屆氣象綜合探測技術研討會分會場論文集.杭州:中國氣象學會，2009:588-592.

［2］Luis Miguel A，Patricio A.Scalable streaming of JPEG 2000 live video using RTP over UDP［C］//International Symposium onDistributed Computing and Artificial Intelligence 2008 （DCAI 2008）.Spain:Springer，2009，50:574-581.

［3］Fernando BoronatSegui，Juan Carlos GuerriCebollada，Jaime Lloret Mauri.An RTP/ RTCP based approach for multimediagroup and inter-stream synchronization［J］.Multimedia Tools and Applications，2008，40（2）:285-319

［4］Peter Jacko，Brunilde Sanso.Optimal anticipative congestion control of flows with time-varying input stream ［J］.Performance Evaluation，2012，69（2）:86-101.

［5］AbbasovB，Korukoglu S.Effective RED:an algorithm to improve RED-s performance by reducing packet loss rate［J］.Journal of Network and Computer Applications，2008，32（3）: 703-709.

［6］劉應軍，顧松山，周雨華，等.新一代天氣雷達體掃模式的比較分析［J］.氣象，2006，32（1）:44-50.

Researches on efficient radar data transmission for weather service networks

HU Ji-rong
（CAAC East China Air Traffic Meteorological Center，Shanghai 200335，China）

Weather radar is an important device to forecast the weather for us.In order to satisfy the requirement ofus，wemust find more efficient way to improve the accuracyof radar.This is a big calculation..In this paper we analysis the process of how the radar get the data.With the property of the radar，combinedRTP/RTCP congestion we also introduce the Radar data Transmission Algorithm using Streaming Media technology（SM-RTA）

Weather radar；flow control；timeliness；SM-RAT

TP302

A

1674－6236（2016）04-0125-03

2015-04-23 稿件編號：201504262

胡繼榮（1978—），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師。研究方向：氣象探測設備保障。