基于5G通信的地面气象观测站数据监测系统设计

潘 辉，张永波

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

0 引言

自动天气监测系统是目前国内应用最广泛的气象监测系统，是一种全新的气象数据基础监测方法。地面站的性能主要决定于地面站分布的空间密度和时间密度，初期气象监测系统是一种专业的硬件测量仪器。在仪器设计上，根据用户需求，明确了该系统的功能结构[1]。在使用早期的天气监测系统时，很难修改或扩展系统功能。所以在发展过程中，既要消耗大量的物质资源和资金资源，又不利于提升和与时俱进，不利于推广。

常规气象自动监测系统一般是一种台式的传统测量仪器，由许多不同的仪器组合而成的一个监测系统，使用场景单一、维护工作量大、成本高[2]。传统的气象监测设备由于科技水平的不断提高，仍然存在着老化严重、技术落后、实验经费不足等问题。因此，提出了一种基于5G通信技术的地面气象站数据监控系统的设计方案。结合5G远程基站的工作原理和流程框架，采用时域、频域、空域和功率域的干扰抑制机制和方法，提出了5G基站干扰管理解决方案。5G技术的出现为展示气象服务内容提供了多种途径，它能实时采集温度、相对湿度、风向、风速、降雨、气压等气象要素，能显示相关气象要素随时间的变化趋势，并能储存以往的历史数据，为气象研究和预报提供有效依据。

1 基于5G通信监测系统框架设计

图1中显示了由每个5G通信硬件节点组成的整体结构。

图1中最为重要的是无线传输芯片、微控芯片和支持5G通信协议的传感器芯片，在5G通信联盟中，各大公司纷纷推出相应的5G无线通信芯片。比如 TI公司就拥有CC2420和CC2520，并且率先推出CC2430，它集成了单片机和无线传输芯片[3]。以CC2420单片机为核心的单片机5G通信解决方案芯片，具有高效的无线传输模块和8051控制器。以CC2430芯片为核心，加入少量外设即可完成整个系统[4]。根据CC2430芯片使用说明书中的参考电路，还需要增加：

1)如控制开关、多个 LED指示灯、Uart接口的电源电路和IO电路，不增加其他传感器，因为内部温度传感器直接使用[5]。

2)天线段设计使用了一种性能良好的whip芯片，而单片机天线接口则是射频差接口。为连接单级不平衡天线，需要一个转换电路，以实现平衡到不平衡。该系统采用 TI公司微带电路方案。

2 硬件结构设计

移动通信技术5G是目前蜂窝移动通信中最为先进的技术，天气监测系统是基于5G通信监测系统框架的，它由传感器、前端数据采集模块和后端数据处理模块等组成[6]。感应器用来检测气象因素，采集设备能够采集温度、相对湿度、风向、风速、降雨量和气压等气象要素。后台数据处理模块能够处理前端数据采集模块获取的数据，该系统先采集气象资料，再将资料返回气象资料中心，进行资料显示与储存[7-9]。气象台站也能基于以往储存的历史资料显示和分析历史天气状况。应用模块化、层次化编程思想，每个模块实现一种特定功能。硬件系统框架如图2所示。

图2 基于5G通信监测系统框架

2.1 感应器

选择亚德客磁性开关CMSG三线常开NPN气缸感应器，能直接处理各种物理量，并将物理量转化为电子信号，供数据采集系统采集。在分析天气监测系统的基础上，通过信号调节装置将采集的传感器信号传送给计算机。

2.2 信号调整

信号灯调节装置采取措施放大、滤波和隔离由传感器和转换器发送的电信号，并将其转换成便于采集装置读取的信号。

采用铂热阻温度传感器采集温度、湿度信号，选择VAISALA公司的HMP45D型温湿传感器，可广泛应用于各种仪器设备，如数据记录仪、实验室设备和气象站。传感接口简便，维护方便，广泛的使用环境特性，在高湿度的环境中，稳定性好，精度高，不受滞后性的影响，对粉尘、化学气体等环境因素有抵抗力。这是目前市场上最可靠的传感器之一，温湿度信号的调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路

2.3 微控制器

使用MSP430F437作为该模块的单片机，该单片机具有超低功耗、强大的数据处理能力、高性能的模拟技术以及丰富的片上模块，系统稳定可靠。其工作电压在1.8～3.6 V范围内，有源模式1 MHz；待机模式1.6 A；关闭模式0.1 A；5种节电模式；不超过6个音符，16位简化指令结构，125 ns指令循环；12位 A/D转换器。MSP430F437具有80针和100针封装，芯片采用80针 FLASTIC芯片封装[10-12]。该系列MSP430是一款单片机，配备两个内置16位定时器，一个12位快速A/D转换器，一个或两个通用同步/异步串行通信接口(USART)， 48个 I/O管，以及一个液晶(LCD)驱动器，至多160段。

2.4 监测器

通过监测器实现硬件上的数据处理与分析，包括上位机、协议转换、声卡、视频处理器等，实现对气象监测站数据的处理与分析。为确保对任何前端节点网络的实时位置进行监控和测量，可以在管理机内设置一个复杂的前端，在Win7系统下，将监测中心设为局域网，利用智能设备对监测站的数据进行处理与分析，为确保系统自动监测数据的准确性，可在一分钟内记录单行速率和数据包的网络带宽使用情况，并将数据包划分为多个网络服务器底层链路，实现监测数据的实时存储与处理。

2.5 GPRS通讯模块

GPRS通讯模块功能是将数据采集卡采集的气象要素传输到虚拟仪器中的数据采集部分，实现数据的无线传输。

2.6 后台数据处理模块

数据处理用PCI-6251数据采集卡，性能价格比较高，支持模式和双缓存模式，保证了信号的实时采集和存储不间断，提升数据高精度采样速度。

3 软件部分设计

在硬件模块设计完成的基础上，设计基于5G通信的地面气象观测站数据监测系统软件部分。通过雷达干扰回波获取地面气象观测站数据监测方程，得到精确的干扰数据；通过TD-LTE远端基站干扰管理技术判断基站被扰信号，触发相应的干扰抑制措施，实现地面气象观测站数据精准监测系统设计。

3.1 时域传输位置设计

基站远距离干扰管理的基准信号主要是在基站之间进行测量，该方法在功能和要求上不同于现有协议中为终端解调和测量而设计的参考信号。为达到兼容性，可对参考信号进行特殊的资源配置和序列设计，以避免5G通信圈与传统参考信号的混淆。根据两套远程基站干扰管理程序的框架，受害基站必须发送参考信号。它最大的作用就是使干扰基站能够检测到基准信号，识别被干扰基站上行信号的反向干扰。图4显示了5G通信RIM-RS时域传输位置。

图4 RIM-RS时域传输位置示意图

从图4中可以看出，通过网络配置，攻击方基站可以知道被攻击方基站发送的RIM-RS在时间上的符号位置。远程基站发生干扰涉及的范围较大，为保证基站能够在最大范围内接收到参考信号，参考信号发送基站在整个网络中的位置要统一，尽量靠近下行传输网络边界。

假设5G通信低地面气象观测站数据监测系统只存在一个方位干扰，那么可将方位分成两个区域，分别是雷达150°方位150～300 km干扰回波A点和雷达300°方位150～300 km干扰回波B点。由此可获取地面气象观测站数据监测方程：

(1)

式(1)中,P表示干扰回波功率；Z表示常数；r表示干扰半径；λ表示干扰回波发射率因子；β表示大气衰减系数。

雷达基础资料已包含距离和与目标的衰减结果，因此，在对降水回波进行校正的同时，还将增加原弱干扰回波的距离。所以，为了得到精确的干扰数据，需要对干扰数据进行处理，并用于远程基站干扰抑制管理。

3.2 远端基站干扰抑制管理工作

图5中的干扰基站检测到上行干扰水平超过某一阈值，并展示了其在许多展品中独特的斜坡干扰特征，该干扰特征用于判断大气层中出现的波导现象，然后开始定期发送远程管理参考信号干扰。

图5 5G通信TD-LTE远端基站干扰管理技术

干扰基站传输可以相对推断其自身的下行传输标志，从而导致干扰到远程基站根据上行标志位置探测参考信号的位置，进而采用以上各种干扰抑制措施进行干扰抑制。在干扰基站采取抑制干扰的措施后，干扰基站会发现10 T的电平下降。若被扰基站此时决定停止发送参考信号，则被扰基站应立即终止干扰抑制措施。若大气层管路现象不消失，受扰基站将重新发现10 T级上升，触发新一轮远程基站干扰处理方案。为避免该现象发生，干扰基站还需要通过空中接口发送第二类参考信号或建立一条回程链路来帮助受干扰基站判断管道现象是否消失。

4 实验测试

为了验证基于5G通信的地面气象观测站数据监测系统设计合理性，进行系统调试。

4.1 调试数据采集

以5G通信为基础的地面气象观测台数据监测系统的技术要求如下：

1)本系统能适应现场监测复杂的地理环境和天气变化。本系统具有较好的扩展性。

2)通过 GPRS传输设备采集的数据到数据处理业务终端，系统设备应有RS-232通信接口。

3)收集监测信息，具体参数要求见表1。

表1 采集数据标准

表2 雷达300°方位150～300 km下数据监测精准度分析 %

4.2 调试环境分析

自2020年1月起，国家气象服务中心的气象雷达接收端受干扰的主要频率为2 500 MHz，并将其大致方向确定为西南方向，尤其是干扰信号的强度位于南部，严重影响了天气雷达的工作，见图6。

图6 气象雷达受到干扰影响示意图

现场测试时，要通过控制开关电压、更换天线等方法，排除设备内部干扰的可能性，确定干扰方向。

4.3 调试结果与分析

在调试环境支持下，分析来自雷达150°方位0～160 km和雷达300°方位150～300 km的干扰回波。

4.3.1 雷达150°方位150～300 km干扰回波

针对来自雷达150°方位150～300 km的干扰回波，分析原始回波和使用基于5G通信监测系统去除干扰后的回波强度，如图7所示。

图7 雷达150°方位150～300 km干扰回波强度分析

由图7可知：干扰回波整体趋势呈上升-下降-不变-上升-下降-上升-下降，当目标距离为58 km、95 km、108 km、150 km时，原始干扰回波强度为0 dBZ。当目标距离为48 km、95 km、135 km时，原始干扰回波强度分别为30 dBZ、15 dBZ、38 dBZ。基于5G通信监测系统去除干扰回波波动幅度较小，仅在与目标距离为140 km时，干扰回波强度达到最高为20 dBZ，但其余距离下基本保持不变。

将原始干扰回波下数据监测精准度和基于5G通信监测系统去除干扰后的回波强度数据监测精准度进行对比分析，结果如表2所示。

表2 雷达150°方位150～300 km下数据监测精准度分析 %

由表2可知：使用基于5G通信监测系统在雷达150°方位150～300 km下去除干扰后的数据监测精准度较高。

4.3.2 雷达量程300°方位150～300 km干扰回波

针对来自雷达300°方位150～300 km的干扰回波，分析原始回波和使用基于5G通信监测系统去除干扰后的回波强度，如图8所示。

图8 雷达300°方位150～300 km干扰回波强度分析

由图8可知：干扰回波整体趋势呈下降-上升-下降-上升-下降趋势，当目标距离为145 km、240 km、295 km、345 km、400 km时，原始干扰回波强度为0 dBZ。当目标距离为210 km、270 km、325 km、380 km时，原始干扰回波强度分别为-80 dBZ、58 dBZ、-60 dBZ、30 dBZ。基于5G通信监测系统去除干扰回波波动幅度较小，仅在与目标距离为300 km时，干扰回波强度达到最高为28 dBZ，但其余距离下变化幅度较小。

将原始干扰回波下数据监测精准度和基于5G通信监测系统去除干扰后的回波强度数据监测精准度进行对比分析，结果如表3所示。

由表3可知：使用基于5G通信监测系统在雷达300°方位150～300 km下去除干扰后的数据监测精准度较高。

5 结束语

提出基于5G通信的地面气象观测站数据监测系统，通过CC2430芯片、传感器单元采集气象数据，构建地面气象观测站数据监测方程，利用5G通信技术实现观测站数据监测，解决了传统气象站费用高昂、设计复杂的问题。试验结果表明，该系统易于扩展和修改，具有很好的推广应用前景。