昆明國際機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)計(jì)

周其永，袁 柱

(民航云南空管分局，昆明 650200)

0 引言

自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)和天氣雷達(dá)系統(tǒng)是昆明機(jī)場(chǎng)的兩大核心氣象設(shè)備系統(tǒng)，其中高質(zhì)量的通信傳輸線路是影響氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)服務(wù)保持連續(xù)性和時(shí)效性的重要因素，一旦通信鏈路中斷將導(dǎo)致無法為客戶提供氣象數(shù)據(jù)且很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，將直接對(duì)民航飛行安全造成影響?！睹裼煤娇兆詣?dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(AP-117-T M-2018-03R1)第9條規(guī)定，自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)“具有通過有線和無線的通信方式遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)監(jiān)控信息的功能”；《民航空管系統(tǒng)天氣雷達(dá)運(yùn)行維護(hù)維修規(guī)程》(MD-ATMB-2017-021)第55條要求，“天氣雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用主用、備用兩路不同路由的通信鏈路。主用鏈路應(yīng)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(duì)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)和天氣雷達(dá)系統(tǒng)等為客戶提供重要?dú)庀螽a(chǎn)品數(shù)據(jù)的設(shè)備系統(tǒng)通信傳輸線路設(shè)計(jì)一種新的無線傳輸方案非常必要[1]。

1 現(xiàn)有通信線路情況

在實(shí)施新的無線傳輸方案前，昆明機(jī)場(chǎng)的自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)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(dòng)站等外場(chǎng)氣象探測(cè)設(shè)備，上述設(shè)備與航管樓氣象值班機(jī)房內(nèi)CDU服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸線路采用單一光纖傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。昆明機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)系統(tǒng)位于一撮云山頂，天氣雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)主要通過電信8 M光纖線路傳輸至航管樓氣象值班機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器。雷達(dá)站建成之初，天氣雷達(dá)系統(tǒng)還配備了專用的無線微波傳輸設(shè)備，但由于采用的無線傳輸設(shè)備技術(shù)陳舊，當(dāng)切換為無線通信方式時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，延時(shí)較長，丟包嚴(yán)重，導(dǎo)致監(jiān)控終端界面用戶體驗(yàn)較差。

2 新無線傳輸方案

2.1 無線傳輸技術(shù)特點(diǎn)

目前無線傳輸技術(shù)主要有GPRS/3G/4G傳輸方式、微波(300～300 GHz)傳輸方式和無線網(wǎng)橋方式(2.4 G和5.8 G，嚴(yán)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(fèi)且?guī)捫?，而微波傳輸方案需要向無線委申請(qǐng)使用頻率且組網(wǎng)擴(kuò)容不方便，因此兩種無線傳輸方式推廣使用不多，而無線網(wǎng)橋方式(2.4 G和5.8 G)克服了前兩種無線技術(shù)的缺點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。

5.8 G無線網(wǎng)橋頻段是最新發(fā)布的ISM開放使用的頻段，其遵從IEEE.802.11a/n/ac標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，最新協(xié)議支持更寬的基帶帶寬和更高的傳輸速率，可達(dá)到1 Gbps甚至更高，這點(diǎn)對(duì)天氣雷達(dá)需要實(shí)時(shí)傳輸大量的氣象視頻數(shù)據(jù)尤為重要。市場(chǎng)上的無線網(wǎng)橋設(shè)備種類和廠家很多，根據(jù)昆明機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)外場(chǎng)氣象探測(cè)設(shè)備和天氣雷達(dá)系統(tǒng)具體位置情況，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸距離、傳輸帶寬、工作頻率、發(fā)射功率、天線、供電方式等因素后，決定選用5.8 G無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行無線傳輸架設(shè)[2]。

2.2 自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)與天氣雷達(dá)系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)無線傳輸方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際地理位置和5.8 G無線視距傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，昆明自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)無線傳輸模式采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)中繼兩種傳輸模式。東、西跑道的北端、中部、南端各3個(gè)氣象數(shù)據(jù)采集點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備定向天線分別與位于塔臺(tái)頂端的無線網(wǎng)線設(shè)備進(jìn)行通信，位于塔臺(tái)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用高增益的棒型全向天線，在與兩條跑道6個(gè)不同方向的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通信的同時(shí)，將氣象數(shù)據(jù)中繼通信至位于3號(hào)航管樓樓頂?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，最后通過有線網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)匯入氣象值班機(jī)房內(nèi)的自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器中。

昆明機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)站與航管樓之間的視距為7.7 km，由于天氣雷達(dá)系統(tǒng)生成的氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)量較自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)量大得多，并且對(duì)時(shí)效性要求較高，因此昆明天氣雷達(dá)系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)無線傳輸方案選用具有高傳輸速率、高帶寬、傳輸距離遠(yuǎn)且支持最新IEEE.802.11ac協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式。

3 無線傳輸通信鏈路預(yù)算分析

在具有視距傳播特點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于一個(gè)可實(shí)際使用的無線通信系統(tǒng)而言，鏈路儲(chǔ)備余量應(yīng)為非負(fù)值，目前常用的鏈路預(yù)算方法往往存在準(zhǔn)確性不足的問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算值詳細(xì)規(guī)定所選無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送和接收天線增益、發(fā)射功率等重要參數(shù)，并預(yù)留足夠的鏈路余量以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸帶寬的需要。鏈路儲(chǔ)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(tǒng)鏈路余量應(yīng)不低于5 dB。

昆明機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)無線傳輸通信鏈路的最長傳輸距離為西跑道北端無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與塔臺(tái)樓頂無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信線路，距離長度為2.5 km。以該點(diǎn)為例介紹5.8 G無線傳輸鏈路的預(yù)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(xiàn)為發(fā)射頻率，GHz；D為傳輸距離，km。將參數(shù)5.8 GHz和2.5 km代入公式(1)得到電磁波信號(hào)傳輸2.5 km的損耗為：

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

無線設(shè)備的系統(tǒng)增益為：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中，Pt為設(shè)備輸出功率；Pro為接收靈敏度。將所選無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相關(guān)參數(shù)代入公式(2)得到無線設(shè)備的系統(tǒng)增益為Gs=118 dB。

鏈路總增益為：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中，Gt為發(fā)射端天線增益(dB)；Gr為接收端天線增益(dB)。將所選無線設(shè)備的天線增益參數(shù)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(fā)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(shè)備發(fā)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(jì)。從而得到鏈路總損耗為Lt=Ls=115.6 dB。

因此鏈路的儲(chǔ)備余量為Gl-Lt=145-115.6=29.4 dB。可見即使在自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備和無線傳輸方案鏈路儲(chǔ)備余量也充足。

同理，通過理論計(jì)算可得到天氣雷達(dá)系統(tǒng)的鏈路儲(chǔ)備余量為43.6 dB。天氣雷達(dá)系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時(shí)采用定向性能較好的鍋形(拋物面)定向天線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使得計(jì)算得到的鏈路儲(chǔ)備余量更為充足，這也為天氣雷達(dá)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性提供了有力的保障。天氣雷達(dá)系統(tǒng)兩點(diǎn)之間的無線通信鏈路在50 s內(nèi)的通信速率測(cè)試結(jié)果顯示，采用文章所設(shè)計(jì)的無線傳輸方案的平均通信速率可高達(dá)125.45 Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于租用的有線光纖通信的8 M速率帶寬。在實(shí)際使用過程中，利用簡單的ping大數(shù)據(jù)包的方式進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果顯示，即使在雷雨天氣等傳輸環(huán)境比較惡劣的情況下，天氣雷達(dá)系統(tǒng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)在時(shí)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(jié)束語

自新的無線傳輸方案成功實(shí)施以來，氣象設(shè)備故障記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，昆明機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)和天氣雷達(dá)系統(tǒng)因傳輸線路故障導(dǎo)致無法為客戶提供正常氣象數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)的次數(shù)為零，有效地保障了氣象數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)的連續(xù)性。同時(shí)，由于文章所采用的無線傳輸方案具有工作穩(wěn)定、部署簡單快速、價(jià)格低廉、組網(wǎng)靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，昆明機(jī)場(chǎng)在新建試驗(yàn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中也采用了該氣象數(shù)據(jù)傳輸方式，并又一次通過實(shí)際測(cè)試證明了大數(shù)據(jù)量無線傳輸?shù)牧己眯Ч４送?，文章所用的高速率、高帶寬、遠(yuǎn)距離無線傳輸設(shè)備方案在實(shí)際使用中的良好體驗(yàn)，也為下一步信息系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無線鏈路冗余備份傳輸提供了有益的參考案例。