潘 輝，張永波

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

自動天氣監(jiān)測系統(tǒng)是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的氣象監(jiān)測系統(tǒng)，是一種全新的氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)是一種專業(yè)的硬件測量儀器。在儀器設(shè)計上，根據(jù)用戶需求，明確了該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)[1]。在使用早期的天氣監(jiān)測系統(tǒng)時，很難修改或擴(kuò)展系統(tǒng)功能。所以在發(fā)展過程中，既要消耗大量的物質(zhì)資源和資金資源，又不利于提升和與時俱進(jìn)，不利于推廣。

常規(guī)氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)一般是一種臺式的傳統(tǒng)測量儀器，由許多不同的儀器組合而成的一個監(jiān)測系統(tǒng)，使用場景單一、維護(hù)工作量大、成本高[2]。傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測設(shè)備由于科技水平的不斷提高，仍然存在著老化嚴(yán)重、技術(shù)落后、實驗經(jīng)費(fèi)不足等問題。因此，提出了一種基于5G通信技術(shù)的地面氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。結(jié)合5G遠(yuǎn)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(jī)制和方法，提出了5G基站干擾管理解決方案。5G技術(shù)的出現(xiàn)為展示氣象服務(wù)內(nèi)容提供了多種途徑，它能實時采集溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨、氣壓等氣象要素，能顯示相關(guān)氣象要素隨時間的變化趨勢，并能儲存以往的歷史數(shù)據(jù)，為氣象研究和預(yù)報提供有效依據(jù)。

1 基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計

圖1中顯示了由每個5G通信硬件節(jié)點(diǎn)組成的整體結(jié)構(gòu)。

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(xié)議的傳感器芯片，在5G通信聯(lián)盟中，各大公司紛紛推出相應(yīng)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(jī)和無線傳輸芯片[3]。以CC2420單片機(jī)為核心的單片機(jī)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(shè)即可完成整個系統(tǒng)[4]。根據(jù)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(guān)、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(nèi)部溫度傳感器直接使用[5]。

2)天線段設(shè)計使用了一種性能良好的whip芯片，而單片機(jī)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(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)平衡到不平衡。該系統(tǒng)采用 TI公司微帶電路方案。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動通信技術(shù)5G是目前蜂窩移動通信中最為先進(jìn)的技術(shù)，天氣監(jiān)測系統(tǒng)是基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)框架的，它由傳感器、前端數(shù)據(jù)采集模塊和后端數(shù)據(jù)處理模塊等組成[6]。感應(yīng)器用來檢測氣象因素，采集設(shè)備能夠采集溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量和氣壓等氣象要素。后臺數(shù)據(jù)處理模塊能夠處理前端數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)先采集氣象資料，再將資料返回氣象資料中心，進(jìn)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(yīng)用模塊化、層次化編程思想，每個模塊實現(xiàn)一種特定功能。硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)框架

2.1 感應(yīng)器

選擇亞德客磁性開關(guān)CMSG三線常開NPN氣缸感應(yīng)器，能直接處理各種物理量，并將物理量轉(zhuǎn)化為電子信號，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。在分析天氣監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過信號調(diào)節(jié)裝置將采集的傳感器信號傳送給計算機(jī)。

2.2 信號調(diào)整

信號燈調(diào)節(jié)裝置采取措施放大、濾波和隔離由傳感器和轉(zhuǎn)換器發(fā)送的電信號，并將其轉(zhuǎn)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(yīng)用于各種儀器設(shè)備，如數(shù)據(jù)記錄儀、實驗室設(shè)備和氣象站。傳感接口簡便，維護(hù)方便，廣泛的使用環(huán)境特性，在高濕度的環(huán)境中，穩(wěn)定性好，精度高，不受滯后性的影響，對粉塵、化學(xué)氣體等環(huán)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(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

2.3 微控制器

使用MSP430F437作為該模塊的單片機(jī)，該單片機(jī)具有超低功耗、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、高性能的模擬技術(shù)以及豐富的片上模塊，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。其工作電壓在1.8～3.6 V范圍內(nèi)，有源模式1 MHz；待機(jī)模式1.6 A；關(guān)閉模式0.1 A；5種節(jié)電模式；不超過6個音符，16位簡化指令結(jié)構(gòu)，125 ns指令循環(huán)；12位 A/D轉(zhuǎn)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(jī)，配備兩個內(nèi)置16位定時器，一個12位快速A/D轉(zhuǎn)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(qū)動器，至多160段。

2.4 監(jiān)測器

通過監(jiān)測器實現(xiàn)硬件上的數(shù)據(jù)處理與分析，包括上位機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、聲卡、視頻處理器等，實現(xiàn)對氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)的處理與分析。為確保對任何前端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的實時位置進(jìn)行監(jiān)控和測量，可以在管理機(jī)內(nèi)設(shè)置一個復(fù)雜的前端，在Win7系統(tǒng)下，將監(jiān)測中心設(shè)為局域網(wǎng)，利用智能設(shè)備對監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，為確保系統(tǒng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可在一分鐘內(nèi)記錄單行速率和數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用情況，并將數(shù)據(jù)包劃分為多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器底層鏈路，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡采集的氣象要素傳輸?shù)教摂M儀器中的數(shù)據(jù)采集部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.6 后臺數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理用PCI-6251數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)高精度采樣速度。

3 軟件部分設(shè)計

在硬件模塊設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于5G通信的地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分。通過雷達(dá)干擾回波獲取地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測方程，得到精確的干擾數(shù)據(jù)；通過TD-LTE遠(yuǎn)端基站干擾管理技術(shù)判斷基站被擾信號，觸發(fā)相應(yīng)的干擾抑制措施，實現(xiàn)地面氣象觀測站數(shù)據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

3.1 時域傳輸位置設(shè)計

基站遠(yuǎn)距離干擾管理的基準(zhǔn)信號主要是在基站之間進(jìn)行測量，該方法在功能和要求上不同于現(xiàn)有協(xié)議中為終端解調(diào)和測量而設(shè)計的參考信號。為達(dá)到兼容性，可對參考信號進(jìn)行特殊的資源配置和序列設(shè)計，以避免5G通信圈與傳統(tǒng)參考信號的混淆。根據(jù)兩套遠(yuǎn)程基站干擾管理程序的框架，受害基站必須發(fā)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(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)配置，攻擊方基站可以知道被攻擊方基站發(fā)送的RIM-RS在時間上的符號位置。遠(yuǎn)程基站發(fā)生干擾涉及的范圍較大，為保證基站能夠在最大范圍內(nèi)接收到參考信號，參考信號發(fā)送基站在整個網(wǎng)絡(luò)中的位置要統(tǒng)一，盡量靠近下行傳輸網(wǎng)絡(luò)邊界。

假設(shè)5G通信低地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)只存在一個方位干擾，那么可將方位分成兩個區(qū)域，分別是雷達(dá)150°方位150～300 km干擾回波A點(diǎn)和雷達(dá)300°方位150～300 km干擾回波B點(diǎn)。由此可獲取地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測方程：

(1)

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

雷達(dá)基礎(chǔ)資料已包含距離和與目標(biāo)的衰減結(jié)果，因此，在對降水回波進(jìn)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(shù)據(jù)，需要對干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用于遠(yuǎn)程基站干擾抑制管理。

3.2 遠(yuǎn)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(dú)特的斜坡干擾特征，該干擾特征用于判斷大氣層中出現(xiàn)的波導(dǎo)現(xiàn)象，然后開始定期發(fā)送遠(yuǎn)程管理參考信號干擾。

圖5 5G通信TD-LTE遠(yuǎn)端基站干擾管理技術(shù)

干擾基站傳輸可以相對推斷其自身的下行傳輸標(biāo)志，從而導(dǎo)致干擾到遠(yuǎn)程基站根據(jù)上行標(biāo)志位置探測參考信號的位置，進(jìn)而采用以上各種干擾抑制措施進(jìn)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(fā)現(xiàn)10 T的電平下降。若被擾基站此時決定停止發(fā)送參考信號，則被擾基站應(yīng)立即終止干擾抑制措施。若大氣層管路現(xiàn)象不消失，受擾基站將重新發(fā)現(xiàn)10 T級上升，觸發(fā)新一輪遠(yuǎn)程基站干擾處理方案。為避免該現(xiàn)象發(fā)生，干擾基站還需要通過空中接口發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理性，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

4.1 調(diào)試數(shù)據(jù)采集

以5G通信為基礎(chǔ)的地面氣象觀測臺數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：

1)本系統(tǒng)能適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測復(fù)雜的地理環(huán)境和天氣變化。本系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。

2)通過 GPRS傳輸設(shè)備采集的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)終端，系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)有RS-232通信接口。

3)收集監(jiān)測信息，具體參數(shù)要求見表1。

表1 采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

表2 雷達(dá)300°方位150～300 km下數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度分析 %

4.2 調(diào)試環(huán)境分析

自2020年1月起，國家氣象服務(wù)中心的氣象雷達(dá)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(qiáng)度位于南部，嚴(yán)重影響了天氣雷達(dá)的工作，見圖6。

圖6 氣象雷達(dá)受到干擾影響示意圖

現(xiàn)場測試時，要通過控制開關(guān)電壓、更換天線等方法，排除設(shè)備內(nèi)部干擾的可能性，確定干擾方向。

4.3 調(diào)試結(jié)果與分析

在調(diào)試環(huán)境支持下，分析來自雷達(dá)150°方位0～160 km和雷達(dá)300°方位150～300 km的干擾回波。

4.3.1 雷達(dá)150°方位150～300 km干擾回波

針對來自雷達(dá)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(jiān)測系統(tǒng)去除干擾后的回波強(qiáng)度，如圖7所示。

圖7 雷達(dá)150°方位150～300 km干擾回波強(qiáng)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(dāng)目標(biāo)距離為58 km、95 km、108 km、150 km時，原始干擾回波強(qiáng)度為0 dBZ。當(dāng)目標(biāo)距離為48 km、95 km、135 km時，原始干擾回波強(qiáng)度分別為30 dBZ、15 dBZ、38 dBZ?；?G通信監(jiān)測系統(tǒng)去除干擾回波波動幅度較小，僅在與目標(biāo)距離為140 km時，干擾回波強(qiáng)度達(dá)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(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度和基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)去除干擾后的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 雷達(dá)150°方位150～300 km下數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度分析 %

由表2可知：使用基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)在雷達(dá)150°方位150～300 km下去除干擾后的數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度較高。

4.3.2 雷達(dá)量程300°方位150～300 km干擾回波

針對來自雷達(dá)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(jiān)測系統(tǒng)去除干擾后的回波強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 雷達(dá)300°方位150～300 km干擾回波強(qiáng)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(dāng)目標(biāo)距離為145 km、240 km、295 km、345 km、400 km時，原始干擾回波強(qiáng)度為0 dBZ。當(dāng)目標(biāo)距離為210 km、270 km、325 km、380 km時，原始干擾回波強(qiáng)度分別為-80 dBZ、58 dBZ、-60 dBZ、30 dBZ?；?G通信監(jiān)測系統(tǒng)去除干擾回波波動幅度較小，僅在與目標(biāo)距離為300 km時，干擾回波強(qiáng)度達(dá)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(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度和基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)去除干擾后的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：使用基于5G通信監(jiān)測系統(tǒng)在雷達(dá)300°方位150～300 km下去除干擾后的數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度較高。

5 結(jié)束語

提出基于5G通信的地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過CC2430芯片、傳感器單元采集氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建地面氣象觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測方程，利用5G通信技術(shù)實現(xiàn)觀測站數(shù)據(jù)監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)氣象站費(fèi)用高昂、設(shè)計復(fù)雜的問題。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)易于擴(kuò)展和修改，具有很好的推廣應(yīng)用前景。