基于5G通信的地面氣象觀測站數據監測系統設計

潘 輝，張永波

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

自動天氣監測系統是目前國內應用最廣泛的氣象監測系統，是一種全新的氣象數據基礎監測方法。地面站的性能主要決定于地面站分布的空間密度和時間密度，初期氣象監測系統是一種專業的硬件測量儀器。在儀器設計上，根據用戶需求，明確了該系統的功能結構[1]。在使用早期的天氣監測系統時，很難修改或擴展系統功能。所以在發展過程中，既要消耗大量的物質資源和資金資源，又不利于提升和與時俱進，不利于推廣。

常規氣象自動監測系統一般是一種臺式的傳統測量儀器，由許多不同的儀器組合而成的一個監測系統，使用場景單一、維護工作量大、成本高[2]。傳統的氣象監測設備由于科技水平的不斷提高，仍然存在著老化嚴重、技術落后、實驗經費不足等問題。因此，提出了一種基于5G通信技術的地面氣象站數據監控系統的設計方案。結合5G遠程基站的工作原理和流程框架，采用時域、頻域、空域和功率域的干擾抑制機制和方法，提出了5G基站干擾管理解決方案。5G技術的出現為展示氣象服務內容提供了多種途徑，它能實時采集溫度、相對濕度、風向、風速、降雨、氣壓等氣象要素，能顯示相關氣象要素隨時間的變化趨勢，并能儲存以往的歷史數據，為氣象研究和預報提供有效依據。

1 基于5G通信監測系統框架設計

圖1中顯示了由每個5G通信硬件節點組成的整體結構。

圖1中最為重要的是無線傳輸芯片、微控芯片和支持5G通信協議的傳感器芯片，在5G通信聯盟中，各大公司紛紛推出相應的5G無線通信芯片。比如 TI公司就擁有CC2420和CC2520，并且率先推出CC2430，它集成了單片機和無線傳輸芯片[3]。以CC2420單片機為核心的單片機5G通信解決方案芯片，具有高效的無線傳輸模塊和8051控制器。以CC2430芯片為核心，加入少量外設即可完成整個系統[4]。根據CC2430芯片使用說明書中的參考電路，還需要增加：

1)如控制開關、多個 LED指示燈、Uart接口的電源電路和IO電路，不增加其他傳感器，因為內部溫度傳感器直接使用[5]。

2)天線段設計使用了一種性能良好的whip芯片，而單片機天線接口則是射頻差接口。為連接單級不平衡天線，需要一個轉換電路，以實現平衡到不平衡。該系統采用 TI公司微帶電路方案。

2 硬件結構設計

移動通信技術5G是目前蜂窩移動通信中最為先進的技術，天氣監測系統是基于5G通信監測系統框架的，它由傳感器、前端數據采集模塊和后端數據處理模塊等組成[6]。感應器用來檢測氣象因素，采集設備能夠采集溫度、相對濕度、風向、風速、降雨量和氣壓等氣象要素。后臺數據處理模塊能夠處理前端數據采集模塊獲取的數據，該系統先采集氣象資料，再將資料返回氣象資料中心，進行資料顯示與儲存[7-9]。氣象臺站也能基于以往儲存的歷史資料顯示和分析歷史天氣狀況。應用模塊化、層次化編程思想，每個模塊實現一種特定功能。硬件系統框架如圖2所示。

圖2 基于5G通信監測系統框架

2.1 感應器

選擇亞德客磁性開關CMSG三線常開NPN氣缸感應器，能直接處理各種物理量，并將物理量轉化為電子信號，供數據采集系統采集。在分析天氣監測系統的基礎上，通過信號調節裝置將采集的傳感器信號傳送給計算機。

2.2 信號調整

信號燈調節裝置采取措施放大、濾波和隔離由傳感器和轉換器發送的電信號，并將其轉換成便于采集裝置讀取的信號。

采用鉑熱阻溫度傳感器采集溫度、濕度信號，選擇VAISALA公司的HMP45D型溫濕傳感器，可廣泛應用于各種儀器設備，如數據記錄儀、實驗室設備和氣象站。傳感接口簡便，維護方便，廣泛的使用環境特性，在高濕度的環境中，穩定性好，精度高，不受滯后性的影響，對粉塵、化學氣體等環境因素有抵抗力。這是目前市場上最可靠的傳感器之一，溫濕度信號的調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路

2.3 微控制器

使用MSP430F437作為該模塊的單片機，該單片機具有超低功耗、強大的數據處理能力、高性能的模擬技術以及豐富的片上模塊，系統穩定可靠。其工作電壓在1.8～3.6 V范圍內，有源模式1 MHz；待機模式1.6 A；關閉模式0.1 A；5種節電模式；不超過6個音符，16位簡化指令結構，125 ns指令循環；12位 A/D轉換器。MSP430F437具有80針和100針封裝，芯片采用80針 FLASTIC芯片封裝[10-12]。該系列MSP430是一款單片機，配備兩個內置16位定時器，一個12位快速A/D轉換器，一個或兩個通用同步/異步串行通信接口(USART)， 48個 I/O管，以及一個液晶(LCD)驅動器，至多160段。

2.4 監測器

通過監測器實現硬件上的數據處理與分析，包括上位機、協議轉換、聲卡、視頻處理器等，實現對氣象監測站數據的處理與分析。為確保對任何前端節點網絡的實時位置進行監控和測量，可以在管理機內設置一個復雜的前端，在Win7系統下，將監測中心設為局域網，利用智能設備對監測站的數據進行處理與分析，為確保系統自動監測數據的準確性，可在一分鐘內記錄單行速率和數據包的網絡帶寬使用情況，并將數據包劃分為多個網絡服務器底層鏈路，實現監測數據的實時存儲與處理。

2.5 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊功能是將數據采集卡采集的氣象要素傳輸到虛擬儀器中的數據采集部分，實現數據的無線傳輸。

2.6 后臺數據處理模塊

數據處理用PCI-6251數據采集卡，性能價格比較高，支持模式和雙緩存模式，保證了信號的實時采集和存儲不間斷，提升數據高精度采樣速度。

3 軟件部分設計

在硬件模塊設計完成的基礎上，設計基于5G通信的地面氣象觀測站數據監測系統軟件部分。通過雷達干擾回波獲取地面氣象觀測站數據監測方程，得到精確的干擾數據；通過TD-LTE遠端基站干擾管理技術判斷基站被擾信號，觸發相應的干擾抑制措施，實現地面氣象觀測站數據精準監測系統設計。

3.1 時域傳輸位置設計

基站遠距離干擾管理的基準信號主要是在基站之間進行測量，該方法在功能和要求上不同于現有協議中為終端解調和測量而設計的參考信號。為達到兼容性，可對參考信號進行特殊的資源配置和序列設計，以避免5G通信圈與傳統參考信號的混淆。根據兩套遠程基站干擾管理程序的框架，受害基站必須發送參考信號。它最大的作用就是使干擾基站能夠檢測到基準信號，識別被干擾基站上行信號的反向干擾。圖4顯示了5G通信RIM-RS時域傳輸位置。

圖4 RIM-RS時域傳輸位置示意圖

從圖4中可以看出，通過網絡配置，攻擊方基站可以知道被攻擊方基站發送的RIM-RS在時間上的符號位置。遠程基站發生干擾涉及的范圍較大，為保證基站能夠在最大范圍內接收到參考信號，參考信號發送基站在整個網絡中的位置要統一，盡量靠近下行傳輸網絡邊界。

假設5G通信低地面氣象觀測站數據監測系統只存在一個方位干擾，那么可將方位分成兩個區域，分別是雷達150°方位150～300 km干擾回波A點和雷達300°方位150～300 km干擾回波B點。由此可獲取地面氣象觀測站數據監測方程：

(1)

式(1)中,P表示干擾回波功率；Z表示常數；r表示干擾半徑；λ表示干擾回波發射率因子；β表示大氣衰減系數。

雷達基礎資料已包含距離和與目標的衰減結果，因此，在對降水回波進行校正的同時，還將增加原弱干擾回波的距離。所以，為了得到精確的干擾數據，需要對干擾數據進行處理，并用于遠程基站干擾抑制管理。

3.2 遠端基站干擾抑制管理工作

圖5中的干擾基站檢測到上行干擾水平超過某一閾值，并展示了其在許多展品中獨特的斜坡干擾特征，該干擾特征用于判斷大氣層中出現的波導現象，然后開始定期發送遠程管理參考信號干擾。

圖5 5G通信TD-LTE遠端基站干擾管理技術

干擾基站傳輸可以相對推斷其自身的下行傳輸標志，從而導致干擾到遠程基站根據上行標志位置探測參考信號的位置，進而采用以上各種干擾抑制措施進行干擾抑制。在干擾基站采取抑制干擾的措施后，干擾基站會發現10 T的電平下降。若被擾基站此時決定停止發送參考信號，則被擾基站應立即終止干擾抑制措施。若大氣層管路現象不消失，受擾基站將重新發現10 T級上升，觸發新一輪遠程基站干擾處理方案。為避免該現象發生，干擾基站還需要通過空中接口發送第二類參考信號或建立一條回程鏈路來幫助受干擾基站判斷管道現象是否消失。

4 實驗測試

為了驗證基于5G通信的地面氣象觀測站數據監測系統設計合理性，進行系統調試。

4.1 調試數據采集

以5G通信為基礎的地面氣象觀測臺數據監測系統的技術要求如下：

1)本系統能適應現場監測復雜的地理環境和天氣變化。本系統具有較好的擴展性。

2)通過 GPRS傳輸設備采集的數據到數據處理業務終端，系統設備應有RS-232通信接口。

3)收集監測信息，具體參數要求見表1。

表1 采集數據標準

表2 雷達300°方位150～300 km下數據監測精準度分析 %

4.2 調試環境分析

自2020年1月起，國家氣象服務中心的氣象雷達接收端受干擾的主要頻率為2 500 MHz，并將其大致方向確定為西南方向，尤其是干擾信號的強度位于南部，嚴重影響了天氣雷達的工作，見圖6。

圖6 氣象雷達受到干擾影響示意圖

現場測試時，要通過控制開關電壓、更換天線等方法，排除設備內部干擾的可能性，確定干擾方向。

4.3 調試結果與分析

在調試環境支持下，分析來自雷達150°方位0～160 km和雷達300°方位150～300 km的干擾回波。

4.3.1 雷達150°方位150～300 km干擾回波

針對來自雷達150°方位150～300 km的干擾回波，分析原始回波和使用基于5G通信監測系統去除干擾后的回波強度，如圖7所示。

圖7 雷達150°方位150～300 km干擾回波強度分析

由圖7可知：干擾回波整體趨勢呈上升-下降-不變-上升-下降-上升-下降，當目標距離為58 km、95 km、108 km、150 km時，原始干擾回波強度為0 dBZ。當目標距離為48 km、95 km、135 km時，原始干擾回波強度分別為30 dBZ、15 dBZ、38 dBZ?；?G通信監測系統去除干擾回波波動幅度較小，僅在與目標距離為140 km時，干擾回波強度達到最高為20 dBZ，但其余距離下基本保持不變。

將原始干擾回波下數據監測精準度和基于5G通信監測系統去除干擾后的回波強度數據監測精準度進行對比分析，結果如表2所示。

表2 雷達150°方位150～300 km下數據監測精準度分析 %

由表2可知：使用基于5G通信監測系統在雷達150°方位150～300 km下去除干擾后的數據監測精準度較高。

4.3.2 雷達量程300°方位150～300 km干擾回波

針對來自雷達300°方位150～300 km的干擾回波，分析原始回波和使用基于5G通信監測系統去除干擾后的回波強度，如圖8所示。

圖8 雷達300°方位150～300 km干擾回波強度分析

由圖8可知：干擾回波整體趨勢呈下降-上升-下降-上升-下降趨勢，當目標距離為145 km、240 km、295 km、345 km、400 km時，原始干擾回波強度為0 dBZ。當目標距離為210 km、270 km、325 km、380 km時，原始干擾回波強度分別為-80 dBZ、58 dBZ、-60 dBZ、30 dBZ?；?G通信監測系統去除干擾回波波動幅度較小，僅在與目標距離為300 km時，干擾回波強度達到最高為28 dBZ，但其余距離下變化幅度較小。

將原始干擾回波下數據監測精準度和基于5G通信監測系統去除干擾后的回波強度數據監測精準度進行對比分析，結果如表3所示。

由表3可知：使用基于5G通信監測系統在雷達300°方位150～300 km下去除干擾后的數據監測精準度較高。

5 結束語

提出基于5G通信的地面氣象觀測站數據監測系統，通過CC2430芯片、傳感器單元采集氣象數據，構建地面氣象觀測站數據監測方程，利用5G通信技術實現觀測站數據監測，解決了傳統氣象站費用高昂、設計復雜的問題。試驗結果表明，該系統易于擴展和修改，具有很好的推廣應用前景。