昆明国际机场气象数据无线传输设计

周其永，袁 柱

(民航云南空管分局，昆明 650200)

0 引言

自动气象观测系统和天气雷达系统是昆明机场的两大核心气象设备系统，其中高质量的通信传输线路是影响气象产品数据服务保持连续性和时效性的重要因素，一旦通信链路中断将导致无法为客户提供气象数据且很难在短时间内恢复，将直接对民航飞行安全造成影响。《民用航空自动气象观测系统技术规范》(AP-117-T M-2018-03R1)第9条规定，自动气象观测系统应“具有通过有线和无线的通信方式远程传输实时数据及系统监控信息的功能”；《民航空管系统天气雷达运行维护维修规程》(MD-ATMB-2017-021)第55条要求，“天气雷达系统数据传输应采用主用、备用两路不同路由的通信链路。主用链路应采用有线通信方式，备用链路可采用其他有线通信、微波通信等方式”。因此，对自动气象观测系统和天气雷达系统等为客户提供重要气象产品数据的设备系统通信传输线路设计一种新的无线传输方案非常必要[1]。

1 现有通信线路情况

在实施新的无线传输方案前，昆明机场的自动气象观测系统在东、西两条跑道配备的大气透射仪、前向散射仪、云高仪和MAWS301自动站等外场气象探测设备，上述设备与航管楼气象值班机房内CDU服务器之间的数据传输线路采用单一光纤传输的通信方式。昆明机场天气雷达系统位于一撮云山顶，天气雷达探测数据主要通过电信8 M光纤线路传输至航管楼气象值班机房内的服务器。雷达站建成之初，天气雷达系统还配备了专用的无线微波传输设备，但由于采用的无线传输设备技术陈旧，当切换为无线通信方式时，数据传输速度慢，延时较长，丢包严重，导致监控终端界面用户体验较差。

2 新无线传输方案

2.1 无线传输技术特点

目前无线传输技术主要有GPRS/3G/4G传输方式、微波(300～300 GHz)传输方式和无线网桥方式(2.4 G和5.8 G，严格上也属于一种特殊的微波传输方式)。GPRS传输方案需要付费且带宽小，而微波传输方案需要向无线委申请使用频率且组网扩容不方便，因此两种无线传输方式推广使用不多，而无线网桥方式(2.4 G和5.8 G)克服了前两种无线技术的缺点，因而得到了广泛应用。

5.8 G无线网桥频段是最新发布的ISM开放使用的频段，其遵从IEEE.802.11a/n/ac标准协议，最新协议支持更宽的基带带宽和更高的传输速率，可达到1 Gbps甚至更高，这点对天气雷达需要实时传输大量的气象视频数据尤为重要。市场上的无线网桥设备种类和厂家很多，根据昆明机场自动气象观测系统外场气象探测设备和天气雷达系统具体位置情况，综合考虑数据传输距离、传输带宽、工作频率、发射功率、天线、供电方式等因素后，决定选用5.8 G无线网络设备进行无线传输架设[2]。

2.2 自动气象观测系统与天气雷达系统气象数据无线传输方案设计

根据实际地理位置和5.8 G无线视距传输的特点，昆明自动气象观测系统气象数据无线传输模式采用点对多点和点对点中继两种传输模式。东、西跑道的北端、中部、南端各3个气象数据采集点通过无线网络设备定向天线分别与位于塔台顶端的无线网线设备进行通信，位于塔台的无线网络设备采用高增益的棒型全向天线，在与两条跑道6个不同方向的无线网络设备进行通信的同时，将气象数据中继通信至位于3号航管楼楼顶的无线网络设备，最后通过有线网络和交换机汇入气象值班机房内的自动气象观测系统服务器中。

昆明机场天气雷达站与航管楼之间的视距为7.7 km，由于天气雷达系统生成的气象产品数据量较自动气象观测系统的气象产品数据量大得多，并且对时效性要求较高，因此昆明天气雷达系统气象数据无线传输方案选用具有高传输速率、高带宽、传输距离远且支持最新IEEE.802.11ac协议的无线网络设备，并采取点对点的通信模式。

3 无线传输通信链路预算分析

在具有视距传播特点的无线通信系统的设计中，对于一个可实际使用的无线通信系统而言，链路储备余量应为非负值，目前常用的链路预算方法往往存在准确性不足的问题，因此在实际应用中，应根据理论计算值详细规定所选无线网络设备的发送和接收天线增益、发射功率等重要参数，并预留足够的链路余量以满足系统数据传输速率和传输带宽的需要。链路储备余量的正值越大，链路工作越可靠，通常情况下，地面无线通信系统链路余量应不低于5 dB。

昆明机场自动气象观测系统无线传输通信链路的最长传输距离为西跑道北端无线网络设备与塔台楼顶无线网络设备之间的通信线路，距离长度为2.5 km。以该点为例介绍5.8 G无线传输链路的预算情况[3，4]。

电磁波在自由空间中的传输损耗为：

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

(1)

式中，F为发射频率，GHz；D为传输距离，km。将参数5.8 GHz和2.5 km代入公式(1)得到电磁波信号传输2.5 km的损耗为：

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

无线设备的系统增益为：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中，Pt为设备输出功率；Pro为接收灵敏度。将所选无线网络设备相关参数代入公式(2)得到无线设备的系统增益为Gs=118 dB。

链路总增益为：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中，Gt为发射端天线增益(dB)；Gr为接收端天线增益(dB)。将所选无线设备的天线增益参数代入公式(3)得到链路总增益为Gl=145 dB。

链路总损耗为：

Lt=Ls+Lft+Lfr

(4)

式中，Lft为发射端至天线间的电缆损耗；Lfr为接收端至天线间的电缆损耗。由于文章所选设备发射端和接收端与天线的距离很近，因此电缆损耗可以忽略不计。从而得到链路总损耗为Lt=Ls=115.6 dB。

因此链路的储备余量为Gl-Lt=145-115.6=29.4 dB。可见即使在自动气象观测系统中选择距离最长的无线传输通信线路，文章所选用的无线网络设备和无线传输方案链路储备余量也充足。

同理，通过理论计算可得到天气雷达系统的链路储备余量为43.6 dB。天气雷达系统的无线传输线路虽然距离较长，但由于选用了性能更好的符合IEEE.802.11a/n/ac标准协议的无线网络设备，同时采用定向性能较好的锅形(抛物面)定向天线进行点对点通信，使得计算得到的链路储备余量更为充足，这也为天气雷达系统的大数据量气象数据传输的时效性提供了有力的保障。天气雷达系统两点之间的无线通信链路在50 s内的通信速率测试结果显示，采用文章所设计的无线传输方案的平均通信速率可高达125.45 Mbps，远远高于租用的有线光纤通信的8 M速率带宽。在实际使用过程中，利用简单的ping大数据包的方式进行对比的结果显示，即使在雷雨天气等传输环境比较恶劣的情况下，天气雷达系统无线传输网络在时延等方面的性能仍然比8 M有线光纤通信链路的传输性能要好很多。

4 结束语

自新的无线传输方案成功实施以来，气象设备故障记录统计结果显示，昆明机场自动气象观测系统和天气雷达系统因传输线路故障导致无法为客户提供正常气象数据业务服务的次数为零，有效地保障了气象数据业务服务的连续性。同时，由于文章所采用的无线传输方案具有工作稳定、部署简单快速、价格低廉、组网灵活方便等优点，昆明机场在新建试验的激光雷达系统、毫米波雷达系统中也采用了该气象数据传输方式，并又一次通过实际测试证明了大数据量无线传输的良好效果。此外，文章所用的高速率、高带宽、远距离无线传输设备方案在实际使用中的良好体验，也为下一步信息系统气象数据实现无线链路冗余备份传输提供了有益的参考案例。