昆明國際機場氣象數據無線傳輸設計

周其永，袁 柱

(民航云南空管分局，昆明 650200)

0 引言

自動氣象觀測系統和天氣雷達系統是昆明機場的兩大核心氣象設備系統，其中高質量的通信傳輸線路是影響氣象產品數據服務保持連續性和時效性的重要因素，一旦通信鏈路中斷將導致無法為客戶提供氣象數據且很難在短時間內恢復，將直接對民航飛行安全造成影響。《民用航空自動氣象觀測系統技術規范》(AP-117-T M-2018-03R1)第9條規定，自動氣象觀測系統應“具有通過有線和無線的通信方式遠程傳輸實時數據及系統監控信息的功能”；《民航空管系統天氣雷達運行維護維修規程》(MD-ATMB-2017-021)第55條要求，“天氣雷達系統數據傳輸應采用主用、備用兩路不同路由的通信鏈路。主用鏈路應采用有線通信方式，備用鏈路可采用其他有線通信、微波通信等方式”。因此，對自動氣象觀測系統和天氣雷達系統等為客戶提供重要氣象產品數據的設備系統通信傳輸線路設計一種新的無線傳輸方案非常必要[1]。

1 現有通信線路情況

在實施新的無線傳輸方案前，昆明機場的自動氣象觀測系統在東、西兩條跑道配備的大氣透射儀、前向散射儀、云高儀和MAWS301自動站等外場氣象探測設備，上述設備與航管樓氣象值班機房內CDU服務器之間的數據傳輸線路采用單一光纖傳輸的通信方式。昆明機場天氣雷達系統位于一撮云山頂，天氣雷達探測數據主要通過電信8 M光纖線路傳輸至航管樓氣象值班機房內的服務器。雷達站建成之初，天氣雷達系統還配備了專用的無線微波傳輸設備，但由于采用的無線傳輸設備技術陳舊，當切換為無線通信方式時，數據傳輸速度慢，延時較長，丟包嚴重，導致監控終端界面用戶體驗較差。

2 新無線傳輸方案

2.1 無線傳輸技術特點

目前無線傳輸技術主要有GPRS/3G/4G傳輸方式、微波(300～300 GHz)傳輸方式和無線網橋方式(2.4 G和5.8 G，嚴格上也屬于一種特殊的微波傳輸方式)。GPRS傳輸方案需要付費且帶寬小，而微波傳輸方案需要向無線委申請使用頻率且組網擴容不方便，因此兩種無線傳輸方式推廣使用不多，而無線網橋方式(2.4 G和5.8 G)克服了前兩種無線技術的缺點，因而得到了廣泛應用。

5.8 G無線網橋頻段是最新發布的ISM開放使用的頻段，其遵從IEEE.802.11a/n/ac標準協議，最新協議支持更寬的基帶帶寬和更高的傳輸速率，可達到1 Gbps甚至更高，這點對天氣雷達需要實時傳輸大量的氣象視頻數據尤為重要。市場上的無線網橋設備種類和廠家很多，根據昆明機場自動氣象觀測系統外場氣象探測設備和天氣雷達系統具體位置情況，綜合考慮數據傳輸距離、傳輸帶寬、工作頻率、發射功率、天線、供電方式等因素后，決定選用5.8 G無線網絡設備進行無線傳輸架設[2]。

2.2 自動氣象觀測系統與天氣雷達系統氣象數據無線傳輸方案設計

根據實際地理位置和5.8 G無線視距傳輸的特點，昆明自動氣象觀測系統氣象數據無線傳輸模式采用點對多點和點對點中繼兩種傳輸模式。東、西跑道的北端、中部、南端各3個氣象數據采集點通過無線網絡設備定向天線分別與位于塔臺頂端的無線網線設備進行通信，位于塔臺的無線網絡設備采用高增益的棒型全向天線，在與兩條跑道6個不同方向的無線網絡設備進行通信的同時，將氣象數據中繼通信至位于3號航管樓樓頂的無線網絡設備，最后通過有線網絡和交換機匯入氣象值班機房內的自動氣象觀測系統服務器中。

昆明機場天氣雷達站與航管樓之間的視距為7.7 km，由于天氣雷達系統生成的氣象產品數據量較自動氣象觀測系統的氣象產品數據量大得多，并且對時效性要求較高，因此昆明天氣雷達系統氣象數據無線傳輸方案選用具有高傳輸速率、高帶寬、傳輸距離遠且支持最新IEEE.802.11ac協議的無線網絡設備，并采取點對點的通信模式。

3 無線傳輸通信鏈路預算分析

在具有視距傳播特點的無線通信系統的設計中，對于一個可實際使用的無線通信系統而言，鏈路儲備余量應為非負值，目前常用的鏈路預算方法往往存在準確性不足的問題，因此在實際應用中，應根據理論計算值詳細規定所選無線網絡設備的發送和接收天線增益、發射功率等重要參數，并預留足夠的鏈路余量以滿足系統數據傳輸速率和傳輸帶寬的需要。鏈路儲備余量的正值越大，鏈路工作越可靠，通常情況下，地面無線通信系統鏈路余量應不低于5 dB。

昆明機場自動氣象觀測系統無線傳輸通信鏈路的最長傳輸距離為西跑道北端無線網絡設備與塔臺樓頂無線網絡設備之間的通信線路，距離長度為2.5 km。以該點為例介紹5.8 G無線傳輸鏈路的預算情況[3，4]。

電磁波在自由空間中的傳輸損耗為：

Ls(dB)=92.4+20lgF+20lgD

(1)

式中，F為發射頻率，GHz；D為傳輸距離，km。將參數5.8 GHz和2.5 km代入公式(1)得到電磁波信號傳輸2.5 km的損耗為：

Ls(dB)=92.4+15.3+7.9=115.6 dB

無線設備的系統增益為：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中，Pt為設備輸出功率；Pro為接收靈敏度。將所選無線網絡設備相關參數代入公式(2)得到無線設備的系統增益為Gs=118 dB。

鏈路總增益為：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中，Gt為發射端天線增益(dB)；Gr為接收端天線增益(dB)。將所選無線設備的天線增益參數代入公式(3)得到鏈路總增益為Gl=145 dB。

鏈路總損耗為：

Lt=Ls+Lft+Lfr

(4)

式中，Lft為發射端至天線間的電纜損耗；Lfr為接收端至天線間的電纜損耗。由于文章所選設備發射端和接收端與天線的距離很近，因此電纜損耗可以忽略不計。從而得到鏈路總損耗為Lt=Ls=115.6 dB。

因此鏈路的儲備余量為Gl-Lt=145-115.6=29.4 dB。可見即使在自動氣象觀測系統中選擇距離最長的無線傳輸通信線路，文章所選用的無線網絡設備和無線傳輸方案鏈路儲備余量也充足。

同理，通過理論計算可得到天氣雷達系統的鏈路儲備余量為43.6 dB。天氣雷達系統的無線傳輸線路雖然距離較長，但由于選用了性能更好的符合IEEE.802.11a/n/ac標準協議的無線網絡設備，同時采用定向性能較好的鍋形(拋物面)定向天線進行點對點通信，使得計算得到的鏈路儲備余量更為充足，這也為天氣雷達系統的大數據量氣象數據傳輸的時效性提供了有力的保障。天氣雷達系統兩點之間的無線通信鏈路在50 s內的通信速率測試結果顯示，采用文章所設計的無線傳輸方案的平均通信速率可高達125.45 Mbps，遠遠高于租用的有線光纖通信的8 M速率帶寬。在實際使用過程中，利用簡單的ping大數據包的方式進行對比的結果顯示，即使在雷雨天氣等傳輸環境比較惡劣的情況下，天氣雷達系統無線傳輸網絡在時延等方面的性能仍然比8 M有線光纖通信鏈路的傳輸性能要好很多。

4 結束語

自新的無線傳輸方案成功實施以來，氣象設備故障記錄統計結果顯示，昆明機場自動氣象觀測系統和天氣雷達系統因傳輸線路故障導致無法為客戶提供正常氣象數據業務服務的次數為零，有效地保障了氣象數據業務服務的連續性。同時，由于文章所采用的無線傳輸方案具有工作穩定、部署簡單快速、價格低廉、組網靈活方便等優點，昆明機場在新建試驗的激光雷達系統、毫米波雷達系統中也采用了該氣象數據傳輸方式，并又一次通過實際測試證明了大數據量無線傳輸的良好效果。此外，文章所用的高速率、高帶寬、遠距離無線傳輸設備方案在實際使用中的良好體驗，也為下一步信息系統氣象數據實現無線鏈路冗余備份傳輸提供了有益的參考案例。