5G技术与气象服务

【摘要】 5G时代终将要到来，在5G时代气象服务应该如何融入5G，如何利用好5G技术，我们的气象服务在5G时代都面临哪些机遇和挑战。本文主要讨论5G在气象服务中的应用进展和未来展望！

【正文开始】

1.1 5G融入气象业务

1.1.1 5G技术在气象业务中的应用场景

5G是第五代移动通信技术，目前还在探索发展过程中，真正的商业应用还未见成熟案例，目前的文献主要在讨论逐步发展的5G技术能够在什么样的气象业务场景中得到应用。浙江省气象信息网络中心的徐海明的《5G通讯在气象业务中的应用场景》一文中探讨了六种应用场景。这六种应用场景分别是：气象自动站的视频数据传输，实时监测观测设备的运行状况，减少故障率，提高观测质量；采用5G通讯后的自动站监控系统如图1-1所示。

图1-1 5G+自动气象站监测系统

针对气象移动指挥车的应急指挥，应用大容量高带宽的5G技术解决当前的传输屏障，在移动中进行协商指挥，充分发挥气象防灾减灾作用；移动探测站应用5G通信，布设在地震、泥石流现场等灾害发生点，为气象预报提供更精密的依据；应用5G后移动探测和指挥通讯系统如图1-2所示。

图1-2 5G+移动探测和指挥通讯系统

在气象会商系统中引入5G高速传输，就可以大范围应用手机视频终端，将本地有线和手持无线终端结合在一起，突破地域限制，为决策机构实时提供动态的图像系统和商讨过程，加强决策的科学性；构想中的气象会商系统如图1-3所示。

图1-3 5G+气象会商系统

第五个应用场景是在气象数据网络传输上，用于骨干数据备份通道。目前采用有线双路备份成本过高，5G的高带宽完全可以成为骨干网络的备份通道；第六个应用场景是在移动云数据方面。当前气象部门数据业务已经进入云时代，5G通讯技术可以有效促进云计算的发展，将气象部门广泛使用的探测设备、雷达设备等都纳入云系统中，形成一个庞大和功能更强的气象云网络。

河南省气象影视中心的卜京楠在《5G移动通信技术的发展与气象融媒体服务应用趋势》一文中介绍了基于5G环境下气象融媒体服务的发展将产生哪些改变。随着5G技术的不断完善发展，5G的微基站可以降低气象观测设备的部署难度，更好的推动5G气象设备等平台的构建与应用。气象服务中基于价值链或供应链模式的传统业务模式将要逐渐向基于创造内容的定制化个性化平台演进。在传播上，5G可以改变目前的标清或者高清气象节目格式，基于4K\8K\VR\全息等体验形式为主导的“体验式”传播形式，这也需要新的配套设备和编辑软件，这也会成为5G与气象融媒体发展的又一结合点。

在国家气象信息中心高级工程师王鹏看来，5G为万物互联、打造关键业务型服务提供了强有力的网络支撑。如果说现在的物联网是物的简单响应，5G下的物联网则能支撑海量设备之间“物对物”的对话，冰箱自主发现冰箱里牛奶所剩不多，便上网直接下单购买牛奶。如果说现在的无人驾驶是“野地驾驶”，每辆车都把其他车和人当作“怪兽”躲着走，5G下的无人驾驶就是文明驾驶，车联网，车与车互相对话，规划着走。将5G技术应用在气象通信领域，可以大幅提升移动通信的带宽，更利于通过移动网络的大数据实时通信。

王鹏认为，5G能够提升全国站点通信网络建设能力，尤其是对客观条件不便于或不能建设地面网络的站点提供了无线宽带网络连接能力，满足气象业务对通信网络的需求。

在现有通信能力下，为了保障数据稳定可靠传输，国家级气象站都需要实体的地面专线；但是对于偏远站点、移动/车载站点、灾区应急指挥车等，5G能提供可靠的通信网络支撑。另外，它还可以提升站点设备远程操作和巡检能力。实时远程操作结合实景直播和5G无人机，可为观测、人影、防灾减灾业务提供支撑，大幅提升设备调试和巡检效率，降低维护成本。

5G网络提供的移动宽带网，还能够支撑天气实景视频直播的实时回传和共享，满足短临预报业务、人影业务、防灾减灾业务、气象公共服务和观测场实景监视等需求。5G能使气象通信能力大幅提升。在现有的网络环境中，已经实现了多普勒雷达体扫径向数据秒级送达预报员桌面。但这仅限于在气象专网的环境下，且针对特定用户。而在5G网络下，雷达数据实时传输，不仅能摆脱专网束缚，甚至还能共享到移动端，让秒级传输从“有线”变为“无线”。

全球气象界都开始思考如何迎接5G时代。世界气象组织提出信息系统WIS2.0战略，强化数据应用。我国气象部门将积极参与设计建设，开展全球服务，更好地展示大国风范。

1.1.2 5G技术对气象数据收集的干扰

在拥抱新技术的同时，国内外气象行业的专家学者也表现出了担忧，那就是5G信号对气象探测数据的收集所带来的干扰。5G技术较4G技术具有革命性的创新和提升。5G 的重要特点是速度更快，带宽更宽，要达到这个目的，带来的要求就是网络基础设施要有更高的承载能力。进入5G 时代，流量将呈现爆炸性增长，因此 5G 网络需要增加节点数量、缩短小区半径，布设更多的基站，这就是 5G 的超密集异构网络。据测算，5G 网络至少需要布设目前 4G 网络所需基站数目的 10 倍，节点距离应保持在 10 米以内，达到在半径 1-2 公里范围内为 20000 名用户提供支持的标准。5G 将大大提高网络的功率，并更加有效率的使用频率资源。但是超密集异构网络也带来一些问题，如同频、临频、倍频干扰问题，如多节点设置而带来的复杂拓扑问题等。

在《中国数字科技馆》2019年6月14日报道中：美国众议院一名议员在要求美国联邦通信委员会（FCC）推迟下一代5G无线通信频谱拍卖，理由是干扰通信威胁公共安全。例如美国联邦通信委员会已经开始将接近23.8GHz（千兆赫，1GHz=1000MHz兆赫=1000000KHz千赫）的频率拍卖给5G网络供应商。这一频率正是水蒸气发出微弱信号的频率。除了23.8GHz的频段，用于研究雨雪天气的36-37GHz频段、测量大气温度的50GHz频段、以及分析云和冰的86-92GHz频段都在拍卖行列当中。据《自然》杂志报道，这些拍卖的频段与与气象卫星监测气象信息的频段接近。这样一来，当5G网络被大规模普及之时，5G传输将干扰气象数据采集，进而威胁全球天气预报能力，造成难以估量的生命财产损失。如今气象卫星已经成为开展气象观测预报的重要工具，并且发挥的作用越来越大，例如我国的风云四号气象卫星，就配备有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测。这种观测是“自上而下”的，并研究水蒸汽、雨雪、云量和含冰量等多种可能影响天气的变量数据。众所周知，气象观测最重要的就是数据，对于气象预报学来说，缺乏数据就意味着建模失败，预报的精度和准度都会大大下降。因此有人认为，假如有关部门不采取措施降低频段干扰的风险，未来5G使用的频段与气象卫星监测预报使用的频段完全相同，届时一些信号接收端就会收到两个相同的信号，根本无法分辨到底是“天气预报数据”还是“5G通信数据”。这和我们每天无形中所经历的同频/邻频干扰是相同的道理。

上述担心真的会发生吗?答案当然是否定的。通信网络信号与卫星通讯信号本身就存在着冲突的可能，杜绝频率干扰也并非太困难的操作，不少企业以影响天气预报为幌子，主要目的还是为占用电磁波频段资源造势。北方工业大学通信工程学院副教授郭书军告诉记者，5G频段可分为低、中、高频段。频段大致分布在450MHz到6GHz，以及24.25GHz到52.6GHz之间。据了解，与美国即将拍卖的5G频段相比，我国目前使用的频段还比较低。2018年年底，工信部向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可。其中，中国电信和中国联通获得3.5GHz频段试验频率使用许可，中国移动获得的则是2.6GHz和4.9GHz频段试验频率使用许可。

中国气象局公共气象服务中心气象分析师信欣说，但对于我国而言，目前风云气象卫星使用的频段是137GHz和1700GHz，与5G信号的2.6GHz到4.9GHz相比，差距还比较明显，相互之间暂时不会产生干扰。但这并不意味着不会与其他卫星通讯信号冲突，例如中国移动的频段就可能与北斗卫星的通讯频段产生冲突，后期必须采取相应的隔离措施。信欣表示，气象预报当中的卫星探测原理就是接受不同波长的电磁波，然后再根据电磁波的差异，对云、地表等进行区分，达到气象探测或者监测预报的目的。但如果5G的电磁波混入到地表或者云的电磁波当中，的确有可能产生干扰。北京邮电大学网络技术研究院教授、信息网络中心主任马严表示，“实际情况并没有外媒报道的那样严重，因为每个国家使用的5G频率都不一样。”其他业内人士也指出，之所以会出现“5G影响天气预报”的新闻，有可能是西方相关企业利用媒体舆论对政府进行施压的表现，以影响天气预报为幌子，主要目的还是为了更多的占用电磁波频段资源。杜绝频率干扰并不是什么难事，这与我们平常听的收音机频道是一个道理，控制一下合理分配就可以了。信欣表示，卫星频段相对都是固定好的，选择的频段可以在剩下空着的频段当中进行，有关部门合理分配就可以了，也就不至于“撞车”了。退一万步讲，即便频率真的“撞车”了，也有补救的办法，“滤波器”和“隔离带”都是很好的手段;前者安装在接收终端，可以有效过滤，增加接收端的“定向性”，就会屏蔽掉“杂音”，获得想要的信号和其承载的信息。后者缩减了带宽，也就保留了相互之间不重叠干扰的安全距离。

实际上，当人们都在讨论5G信号可能对气象卫星造成干扰时，却忽视了5G对于气象数据采集的的帮助。未来5G不仅不会对气象卫星产生干扰，相反还可能极大的提升预报的准确性——在真正的5G时代，密集分布的微基站只要搭载一些仪器载荷，就能够转变为采集基本气象要素的自动气象站。据报道，目前多地气象部门与负责搭建通信基站的铁塔公司都有密切的合作关系。未来，如果每一个5G微基站都能成为一个自动气象站，这将极大的丰富城市气象数据，由于5G网络的快速性，站点间的数据也可以实现高速交换和本地运算，这将极大提升小尺度、局地性天气现象的监测预报水平，到时候天气预报的精细化程度和准确率又将有一个很大的提升空间。

1.2 5G技术应用展望

在上一节中介绍了5G技术在气象业务中的应用场景和应用现状，也简单阐述了国内外对5G技术所带来影响的担忧。一项新技术的问世总会面临很多要解决的问题，但新技术发展的趋势不可改变，在正确认识5G技术的同时，我们需要思考的是如何将气象服务与5G进行结合，让新技术发挥出该有的作用，促进气象服务的发展。很多气象同行们都在积极探索将5G应用到气象业务和气象服务中。根据《深圳商报》2019年9月7日报道：9月5日下午，深圳联通与深圳市气象局签署5G+气象应用合作协议。根据协议，深圳联通充分发挥5G网络、物联网、云计算、大数据等新兴技术优势，与深圳市气象局共同探索5G在气象领域的创新应用。据了解，双方将加快推进偏远站点、移动/车载站点、灾区应急指挥车的5G网络建设，保障气象数据和天气实景视频直播的实时传输共享。基于5G网络低时延、大带宽、广链接特性，双方还将探索大气探测设备远程操作及巡检，发展基于目标人群的精准发布预警技术，开展靶向精准气象灾害预警信息发布技术攻关，实现防灾减灾气象服务智能化，提高气象服务的及时性和便利性。深圳市气象局将与深圳联通开展5G合作，挖掘5G+智慧气象应用场景，以技术手段提升粤港澳大湾区气象预警监测预报服务能力，尤其是在数字预报、超大型城市的智慧气象服务以及防灾减灾方面，积极探索智慧气象运营新模式，把深圳市气象局建设成为全国5G+气象应用的新标杆。

来自《中国气象报》2019年11月11日报道：天津市气象局制定印发《研究型业务试点实施方案（2019—2021年）》，紧紧围绕中国气象局《研究型业务试点建设指导意见》要求，以智慧气象为依托，深入推进研究型业务试点工作，促进气象业务与科研融合发展，大力提升气象业务科技含量。根据实施方案，天津市气象局积极研发基于5G通信技术的气象灾害预警信息精准靶向发布技术。目前正在研发基于5G的基站设备和预警信息靶向发布平台，并以中兴天新天津生态城为试点建立应急组网，面向周围1至10公里开展气象灾害预警信息精准靶向发布测试，达到千万级用户5分钟内、靶向区域10秒内发布到用户终端的效果，同时实时获得发布反馈。在11月14日《第二届气象服务创新大赛》的现场汇报中，天津市气象局推送的参赛作品正是《基于5G通信技术的气象灾害预警信息精准靶向发布系统》，目前天津市气象局的5G应用研发已经走在全国气象部门的前列，具体应用效果有待进一步观察。

5G发展迅速并且得到中国政府政策的强力支撑，未来几年将进入5G成熟发展期。根据第二章介绍的十大应用场景，5G的融合发展周期如下图所示：

图1-4 5G融合应用时间表

结合上文中的文献调研成果，针对5G时代气象服务能力建设提出以下5G技术应用建议以供参考。

1.2.1 积极研发5G环境下气象服务产品

在5G环境下，通信技术将有质的飞跃，移动互联网、物联网以及大数据、云计算技术也将发展到新阶段，而我们的气象服务产品还比较匮乏，尤其是适应5G网络的新产品目前还属于空白。气象服务产品是提升气象服务质量、提高气象服务能力的基础，因此要积极研发5G环境下的气象服务产品。在5G时代，数据量将成指数级增长，高带宽低延迟的网络特点将促进物联网的快速发展，同时具有计算能力的微型终端也将成倍增加，基于这些终端可构成边缘计算网，让气象信息处理速度更快，视频、图像以及大块的数据传输将成为服务常态，因此这样的环境下我们的气象服务产品也紧跟技术发展趋势，研发形式更丰富、互动性更强的服务产品来适应5G新需求。

1.2.2 打造基于5G传播的融媒体新平台

5G网络需要新的设备和软件平台，同时5G的容量大、时效性强、传播速度快的优势也需要打造一个融媒体新平台。信息传播依靠的是传播通道，无疑5G为气象媒体服务带来新的机遇和挑战。当前的视频拍摄装备、节目制作系统都将难以适应5G的传输，同时5G也让更多的媒体手段加快融合。超高清VR直播、3D天气播报、360度天气现场体验等都将会实现。预计在5G环境下的视频、AR等流量，将会占到90%左右，而通过加入AR技术，用户可以在直播期间对直播视频进行选择，满足个性化要求。5G可实现真正的大数据共享，融媒体也将成为大数据的直接受益者，基于5G传播的融媒体新平台是5G技术的承载者，同时也是气象为民服务的大平台。

1.2.3 尽快搭建气象服务产品云平台

5G的高带宽可以使得更加多样化的环境数据传感器和个人可穿戴设备更加普及，装有传感器的设备将会无时无刻的收集所在地的气象数据，形成整个社会化的观测网络，每个人的智能手机、电子穿戴设备、智能汽车等都会成为一个个无处不在并且可实时传输数据的“电子百叶箱”，使得数据更加精细广泛，气象预报预警信息更加准确。在这样的技术背景下，“云+端”的气象服务模式将成为主流，因此搭建气象服务产品云平台，将是进行海量观测数据采集和快速处理，并支持服务终端的主要技术平台。随着5G基站网的快速部署和商业化应用，智能终端的普及率将更高，亟待搭建一个能够满足公众对天气预报的感知和接收云平台。

1.2.4 研发智能移动气象APP平台

“泛在+感知”的智能气象服务也将是5G发展得技术趋势，我们的社会也将真正向数字化转变，而当前我们的气象服务缺少一个自有的移动气象APP平台，来采集社会化气象信息、感知服务用户的气象需求，并通过智能移动终端为用户提供个性精准的天气服务。5G通讯技术让物联网、大数据、云计算这些技术有了基础支撑，AI技术发展也将进入快车道，自有移动气象APP平台将利用这些基础支撑，融合AI技术打造，让北京市气象局的公共气象服务更有针对性和服务保障能力。

1.3 小结

5G的出现给气象服务提供了多种展现方式，是气象服务提升的好机会，同时也将面临很多问题和挑战。要清楚的认识新技术的发展以及如何跟气象服务相结合，为气象技术的发展提供基础，也为气象服务的改革与创新提供强大的技术支持。作为气象人，要充分利用可用的新技术推动气象服务升级，改变落后低效的服务模式，打造出更有价值的气象服务产品和平台，切实提升气象服务能力。

参考文献

1、徐键.5G环境下的工业互联网应用探讨.

2、黄琦龙.5G技术发展现状及未来的应用.

3、张凯峰.5G技术发展现状及未来的应用.

4、蓝寿凯.5G网络技术特点分析.

5、张照坤.浅析5G技术在生活中的应用.

6、潘庭奇.试论5G技术的应用.

7、徐海明.5G通讯在气象业务中的应用场景.

8、5G时代十大应用场景白皮书.华为.

9、李同同.5G应用的前景与面临的挑战.

10、卜京楠.5G移动通信技术的发展与气象融媒体服务应用趋势

11、《中国气象报》.

12、《北京科技报》.

13、《艾媒咨询》.

14、《百度百科》

15、《中国气象新闻网》.

【全文结束】