CN102170321A - 一种基站天线参数监测仪及自动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基站天线参数监测仪及自动监测方法，利用数字重力加速度传感器，通过重力加速度精确测量天线的下倾角；利用角位移传感器，通过角位移传感器内部电阻的线性特性和分压电阻的关系测量天线的方位角；利用GPS载波相位传感器，通过载波相位差分算法精确测量天线的挂高和经纬度坐标；利用RMS电压传感器，通过均方根电压监测天线信号发射功率；利用GPRS/CDMA/3G或者以太网以IP包方式自动传送测量数据到网管中心。本发明解决传统方式安装和调整基站天线精度不高，人工测量误差较大，测量结果不稳的问题；解决不能及时发现天线方位角、下倾角、辐射功率变化的问题；解决AISG电调天线远程自动控制问题；解决获得上述天线信息的费时费力问题。

Description

一种基站天线参数监测仪及自动监测方法

技术领域

本发明涉及到无线通信领域

背景技术

通信基站天线方位角、天线下倾角、天线挂高和精确经纬坐标、天线信号强度和天线本身的性能参数确定了基站的覆盖范围，并且作为天线的主要工程参数(天线方位角、天线下倾角、天线挂高和精确经纬坐标、天线信号强度)是无线网络规划的重要参数。天线方位角、天线下倾角、天线挂高和精确经纬坐标、天线信号强度合适与否是影响移动用户通信质量的重要因素。精确监测天线基站的天线方位角、天线下倾角、天线挂高和精确经纬坐标、天线信号强度的值及是否变化，对于无线网络的优化和基站分布显得尤为重要。

目前，通信基站的天线方位角、天线下倾角、经纬坐标、天线挂高、信号强度的监测大多是人工通过罗盘、倾斜仪、卷尺或者激光测距仪、坡度仪、网管系统或者路测设备获得。大致方法有：

监测天线方位角要站在天线的后背，离开天线1米，和天线成一条直线，罗盘拿到手中要平整、水平在中心，三点成为一线，把天线和后背分为1/2，正对中心，方可知道方位角，另外一种监测方位角是站在天线的前方，用反光镜反射下来的天线正面中心点，和罗盘反光镜的中心线一致。

监测天线下倾角的方法则是将倾斜仪贴在天线的板面上，然后旋转刻度盘，调整平衡柱中的水泡，水泡在中间就可以读度数，另外采用天线厂家提供的天线调节支架上数值来确定天线下倾角。

监测天线挂高的方法则是用卷尺或者激光测距仪分段监测天线到塔基，塔基到地面的距离相加获得，或者通过坡度仪通过测距和测角折算获得。

监测经纬坐标是采用单站手持单站GPS测试仪在塔位置较长时间观察获得。

监测信号强度采用网管系统，获得的是天线馈线以前的辐射功率，采用路测设备，获得的是经天线辐射后在特定位置的信号功率。

在现有的技术条件下，存在的弊端：

1、为获得基站天线的下倾角信息，工程技术人员必须直接爬上安装有多层建筑物或者铁塔上的基站天线上，通过目视检查天线的安装架上低精度的刻度标记，识别倾斜度或者通过倾斜仪，调整平衡柱中的水泡水平，获得读度。由于工程人员的技巧和经验差异，产生不正确或不稳定的监测结果，无法精确的达到设计要求。

2、为获得基站天线的方位信息，工程技术人员必须直接爬上安装有多层建筑物或者铁塔上的基站天线上，手动使用罗盘进行人工读数监测，由于铁塔附近存在磁干扰，所以铁塔附近监测会造成较大误差。一般要求离开铁塔一段距离，使用罗盘，防止磁吸。以及通过观测罗盘机械指针所处的刻度线，获得方位角读数。监测精度不高，很难精确重复监测，无法精确的达到设计要求。

3、为获得基站天线的挂高信息，工程技术人员必须采用卷尺或者激光测距仪分段监测天线到塔基，塔基到地面的距离，然后相加获得，或者通过坡度仪通过测距和测角折算获得。由于参考的地表具有随意性，这次和上次可能监测的参考点都不同，其监测精度也难以达到设计要求。

4、为获得基站天线的经纬信息，工程技术人员必须手持高精度GPS手持机，在塔位置静止监测一段时间，其精度受到所选用的GPS接收机模块内部精度限制，而高精度的手持GPS价格昂贵，也离不开人的参与。5、为获得基站天线的信号强度信息，工作人员从网管上可以方便的获得进入天馈线前的信号强度信息，随时间推移，因馈线接触不良等原因，天线实际辐射信号功率可能远低于网管系统上显示的信号强度。通过无线路测设备，可以获得路测设备所在的位置处解调后的无线信号强度。但路测设备一般在运动之中(一般安装在车上)，其监测所依据的GPS经纬坐标不准，其监测无线信号功率的精度也受限于路测终端设备底层解码计算精度的限制。路测设备往往需要很长时间(可能是用户投诉后)才到特定区域监测，测试结果具有滞后性。

6、在实际工程维护中，往往需要技术人员需要携带仪器去现场进行手工监测基站天线参数，增加了人力物力，对于某些特殊场合环境下，给技术人员现场监测带来不便。由于工程人员的技巧、经验和操作习惯差异，或者因为监测方法本身的缺陷，导致产生不正确或不稳定的监测结果，无法精确的达到设计要求。

以上弊端不仅需要增加人力物力，还易导致基站的实际覆盖与所设计不符，引起基站覆盖范围不合理，或同频及邻频干扰，使得通信服务质量下降，影响客户感知。特别是在基站密度越来越大，WLAN，WIMAX，GSM/GPRS/WCDMA，TD-SCDMA，CDMA，CDMA2000，4G，GSM-R等多种无线信号共存的情况下，迫切需要精确的自动化监测方法与监测仪器，解决上述问题。

发明内容

针对现有基站天线参数监测技术中存在的不足，本发明提出一种基站天线参数自动测试仪和测试方法，本发明的技术方案为：

一种通信基站天线方位角、天线下倾角、天线挂高、经纬坐标、天线信号强度参数的自动监测方法，利用数字重力加速度传感器监测方位角，角位移传感监测天线下倾角，GPS载波相位差分监测天线挂高和经纬坐标，RMS电压传感器监测信号强度。

上述基站天线下倾角监测方法，采用数字重力传感器将倾角信号以脉宽数字信号直接输出，经MCU监测和计算，经温度传感器进行温度补偿和安装误差校准后得到最终下倾角。

上述基站天线方位角监测方法，采用角位移传感器，将角度信号转换为电压信号，在通过A/D转化后由MCU进行计算，经安装误差校准后得到最终方位角。

上述基站天线挂高和经纬坐标监测方法，采用GPS载波相位差分传感器，利用参考站和待测站之间的高相关性消除监测误差，经解算出天线挂高和精确经纬坐标。

上述基站天线信号强度监测方法，采用带通滤波器选择需要监测的频带，利用RMS电压传感器监测信号强度，再通过AD采样后由MCU进行计算，并经过误差校准后得到最终信号强度。

一种通信基站天线方位角、天线下倾角、天线挂高、精确经纬坐标、天线信号强度参数的自动监测仪，自动测试仪由测试主机和下倾角传感器模块、方位角传感器模块、GPS载波相位传感器模块、信号强度传感器模块以及后台服务器构成。测试主机与下倾角传感器、方位角传感器、GPS载波相位传感器、信号强度传感器等传感器模块之间以485总线/CAN总线进行通信，测试主机和远端服务器之间以GPRS/CDMA/3G无线或者以太网有线方式进行通信。

测试主机，包括嵌入式操作系统和多任务应用程序模块，WebServer模块。所述嵌入式操作系统，控制USB总线驱动，SD卡存储驱动，以太网接口驱动，串口驱动，485总线/CAN总线驱动，文件系统驱动，看门狗驱动，电源管理驱动。所述多任务应用程序模块，包括传感器数据采集和控制模块，GPRS/CDMA/3G拨号模块，文件传输模块，时间同步模块，AISG天线调整协议模块，数据与指令解析模块，采集数据编码模块，远程调试与数据更新模块。所述WebServer模块，包括嵌入式WEB服务器模块，CGI接口程序模块，数据显示与解析模块，数据上传和下载模块，测试校准等命令发送模块，便于测试仪的现场安装和调试。

后台服务器软件，包括数据解析与编码模块，GPS载波相位数据解算程序模块，地图标注模块，历史数据存储访问模块，文件远程传输模块，告警显示模块。

测试主机接收服务器指令，通过485总线/CAN总线与传感器模块交互，所述多任务应用系统模块，包括控制模块，负责给传感器模块发送数据指令，管理各个传感器模块。数据采集模块负责传感器数据的采集、将采集的数据保存到SD卡上。网络协议模块实现和服务器通信，负责上报测试主机运行情况，远程调试与更新。安装调试模块，负责现场安装调试。

本发明的有益效果

通过对现有基站天线安装天线方位角、天线下倾角、天线挂高、精确经纬坐标、天线信号强度参数的自动监测仪，能够达到如下效果：

1、本发明解决传统方式安装和调整天线的不精确问题；解决人工监测误差和不稳定性；解决不能及时发现天线参数变化问题；解决获取天线参数信息的费时费力问题；解决AISG电调天线远程自动控制问 题。

2、本发明为无线网络的精确规划提供强有力的数据支持；为无线网络的优化提供强有力的数据依据；为实现基站天馈线系统的集中维护提供强有力的技术支持；为多频多网络优化，基站共建共享提供数据支持；为网络质量的提升提供可靠的保障，为运营商节省人力物力、提高工作效率，降低维护优化成本、提高经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例的数字重力加速度传感器模块原理框图。

图2是本发明实施例的角位移传感器模块原理框图。

图3是本发明实施例的GPS载波相位差分监测原理框图。

图4是本发明实施例的RMS电压传感器模块原理框图。

图5是本发明实施例的测试主机软件功能架构框图。

图6是本发明实施例的服务器软件功能架构框图。

图7是本发明实施例的基站天线参数监测仪的网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

“传感器是监测系统中的一种前置部件，它输入变量转换成可供监测的信号”。根据输出不同，有模拟传感器和数字传感器之分。

1、下倾角监测技术方案

(1)数字重力加速度传感器工作原理

数字重力加速度传感器是用来将重力加速度这一物理信号转变成便于监测的数字电信号的传感器。倾角传感器就是利用重力加速度传感器监测处理加速度的分量，当传感器静止时，即没有水平或垂直方向的加速度时，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。当传感器的传感轴与重力矢量垂直，即与水平面平行时，重力加速度传感器对斜度十分灵敏，在这个方向上，重力加速度传感器对倾斜度的变化灵敏度最高。而当重力加速度传感器的传感轴与重力方向一致时，对倾斜度变化灵敏度最低。重力加速度传感器的传感轴安装为与被测倾斜角垂直，加速度传感器模块的原理框图见图1。

(2)天线下倾角监测方法

天线下倾角传感器：监测天线下倾角是采用重力加速度计，监测静态重力加速度变化，转换成倾角变化。监测输出传感器相对于水平面的倾斜角度。如图1，根据数字重力加速度传感器输出电压的变化，可以测得下倾角度为：

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{offset}}}{\mathrm{Sensitivity}}\right)$

V_offset为倾斜度0度时传感器的输出电压，V_out为传感器监测输出电压，Sensitivity为传感器输出灵敏度。

(3)下倾角传感器校正技术

倾角传感器的监测精度受多因素的影响，其中温度的影响是比较关键的因素。倾角传感器的偏移量和灵敏度会随温度的变化而改变。为了达到最佳的精确度，利用温度传感器监测的温度值和典型的温度依赖曲线，利用MCU软件方法，可对倾角传感器的偏移和灵敏度的进行温度补偿。

2、方位角监测技术方案

天线方位角传感器：监测天线方位角采用角位移传感器。角位移传感器监测原理框图见图2。

(1)角传感器工作原理

角位移传感器，内部是一种电位器，是用于分压的可变电阻器。按材料分线绕、炭膜、实芯式电位器；按输出与输入电压比与旋转角度的关系分直线式电位器(呈线性关系)、函数电位器(呈曲线关系)。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。角位移传感器内的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，从而改变了动触点分得的电压，根据线性分压原理可测得方位角。

(2)角位移传感器监测方位角方法

用角位移传感器、MCU和其他一些外围元件组成一个测角系统。它的系统连接如图2所示。图2中，RM是反映待测角度的角位移传感器(电位器)，R_N是可选限流电阻，A，B，C是MCU的三个AD输入脚，A，B，C分别和角位移传感器的固定端，动触点和固定端相连。测角原理是：MCU的A脚测得的电压为V_A，B脚测得的电压为V_B，C脚测得的电压为V_C，已知角位移传感器动触点从一个固定端到另一个固定端的最大有效电测量转角为θ_MAX。电位器的零度是正北指向安装，当动触点滑动到中间某一位置时，相对应机械转角θ，即方位角为：

$\mathrm{\θ}=\frac{V_B-V_C}{V_A-V_C}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{MAX}}$

3、天线挂高和精确经纬坐标监测技术方案

上述基站天线高度监测方法，采用GPS载波相位差分非实时算法监测基站天线高度和精确经纬坐标。载波相位差分技术是建立在实时或者非实时处理两个观测站GPS传感器载波相位基础上的，充分利用信号传播空间相关性和时间相关性，进行误差对消得到精确结果。基准站和待测站同时接收来自同一组GPS卫星站和基准站的载波相位信息，并将两种站接收到相位数据传给服务器，服务器已知基准站的坐标，通过后台数据处理和计算，能够给出厘米级的定位结果，从而计算出待测天线基站高度和精确经纬坐标。

(1)GPS差分原理

GPS差分的基本工作原理是依据卫星时钟误差，卫星星历误差，电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。GPS监测值中包含的4种误差近视相等或者高度相关。对于处于同一地域内的不同接收机，GPS差分工作原理图如图3所示，基准站的几何位置是预先精确已知的，通过这样就可以准确计算从卫星到基准站的真实几何距离。将基准站接收机对卫星的距离监测值与真实距离相比较，获得基准站对这一卫星的监测误差。在同一时刻、同一地域内的其他接收机(待测站)对同一卫星的监测距离有相同或者相近的误差，因此，可将基准站准确位置坐标、基准站和同一区域内的待测站收到的载波相位信息传送到后台服务器上，计算出待测站的精确经纬坐标，通过坐标转换和高程计算，得到天线的挂高。

(2)GPS差分技术方案

GPS载波相位差分算法流程主要包括：将收集到基准站GPS接收机和待测站GPS接收机的观测数据首先进行统一的RINEX格式转换，然后进行数据质量检查、观监测粗差剔除、坐标系统转换、基准站坐标输入、观监测周跳检测和处理、差分计算与误差分析、计算结果整理输出的处理。

4、信号强度监测方案

(1)均方根电压监测原理

对于GSM/CDMA/GPRS/EDGE/3G/WIMAX/WLAN等无线信号，其波形内部的细节是互不相同的，但可以统 一用信号的均方根电压V_RMS衡量或者表征该信号在该监测时间内的信号有效强度。在一段时间T内的平均功率为：

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{v{\left(t\right)}^2}{R}\mathrm{dt}=\frac{{V_{\mathrm{RMS}}}^2}{R}$

其中T是该次监测的时间间隔，v(t)是在t时刻的瞬时电压，R是消耗该功率的电阻，V_RMS是均方根(RMS)电压。为该次监测时间的发射功率，可通过监测该段时间内信号的均方根电压V_RMS获得。通过对输入高频信号瞬时功率的v²(t)/R在监测时间范围内的进行积分，再进行转换即可获得。

(2)信号强度监测

天线信号强度监测：天线信号强度监测原理框图见图4，监测天线信号强度是在待测基站天线一定位置上用天线耦合待测天线的射频信号，通过带通滤波，滤波器的通带为需要监测信号的频段，利用均方根电压监测传感器获得V_RMS，通过AD转换进行数字化，再通过MCU处理和校准计算，得到监测信号的强度。

5、监测仪技术方案

监测仪主机在软件设计上采用分层设计、模块化、构件化的设计思路，采用开源嵌入式Linux操作系统，实现测试仪主机的多任务管理机制，其软件构架框图见图5。

(1)底层驱动模块

底层驱动模块包括：控制USB总线驱动，SD卡存储驱动，以太网接口驱动，串口驱动，485总线/CAN总线驱动，文件系统驱动，看门狗驱动，电源管理驱动，Linux内核，主要用于对测试主机底层硬件的访问和操作，完成外部传感器接口驱动，文件数据保存，电源功耗管理，远程服务器通信，本地硬件时间的读写，系统可靠性管理等功能。

(2)多任务应用程序模块

多任务应用程序模块包括：传感器数据采集和控制模块，GPRS/CDMA/3G拨号模块，文件传输模块，时间同步模块，AISG天线调整协议模块，数据与指令解析模块，采集数据编码模块，远程调试与数据更新模块，主要用于完成系统的本地时间和服务器时间同步，向传感器发送采集指令并获取返回结果，对返回结果进行编码、打包、存储和传输，通过AISG天线协议对支持的天线进行调整，将调整结果返回给服务器，并能通过远程对测试主机程序进行更新。

(3)WebServer模块

WebServer模块包括：嵌入式WEB服务器模块，CGI接口程序模块，数据显示与解析模块，数据上传和下载模块，测试校准等命令发送模块，主要用于现场安装和调试测试仪使用。

监测仪服务器在软件设计上采用分层设计、模块化设计思路，在Linux服务器上采用Appache服务器和MySQL数据库服务器，其软件构架框图见图6所示。服务器软件主要具有：具有数据解析与编码模块，GPS载波相位数据解算程序模块，地图位置标注模块，数据存储访问模块，文件传输模块，告警显示模块，主要用于系统自动将各测试主机上传的数据包进行解码，对GPS载波相位数据进行后台解算，获得的各项天线参数自动放到数据库中进行保存，对监测到的异常数据进行提醒处理等功能。

6、基站天线参数监测仪系统实施方案

基站天线参数监测仪的系统网络拓扑图见图7所示。测试仪通过多种传感器，能分别监测天线下倾角、天线方位角、天线挂高、精确经纬坐标、天线信号强度。整个系统硬件采用模块化设计，可根据监测要素，选择不同类型的传感器，软件采用分层和模块化设计，模块之间通过操作系统进行通信，降低了任务之间的耦合度，便于程序升级。本测试系统从监测原理上尽量避免或减少传感器的时间漂移、温度漂移问题， 安装误差和人为监测误差问题，监测值精确稳定，不受人为因素和环境因素的影响。

测试仪通过GPRS/CDMA/3G无线或者以太网有线方式，将监测的数据传输给网管中心的服务器上，监测到的数据自动放入数据库中，可扩充性好、兼容性好。便于推广，能够在中心机房及时获取基站天线检测仪的监测值。数据库管理信息，高效、方便、快捷、共享特点。

Claims (15)

1.一种通信基站天线参数自动监测方法，其特征在于：利用重力加速度传感器、角位移传感器和GPS载波相位传感器、RMS电压传感器分别测量基站天线的下倾角、方位角、挂高和精确经纬坐标、信号强度；利用GPRS/CDMA/3G或者以太网等网络以IP包方式自动传送测量数据到网管中心。

2.根据权利要求1所述的基站天线下倾角自动检测方法，其特征在于：基站天线的下倾角测量方法，采用数字输出的重力加速度传感器将重力转换成数字电信号，MCU处理传感器数字信号，通过程序转换，得到下倾角度；通过温度传感器测量角度传感器所在环境的温度，根据重力加速度传感器温度特性曲线，通过软件进行温度补偿和校准，得到精确的下倾角。

3.根据权利要求1所述的基站天线方位角自动监测方法，其特征在于：基站天线的方位角测量方法，采用角位移传感器将被测信号转换成电信号，再通过A/D采样，MCU处理传感器数字信号，通过计算最终得到方位角。

4.根据权利要求1所述的基站天线挂高、经纬度自动监测方法，其特征在于：建立已知精确坐标的GPS参考站，在待测基站天线上安装GPS传感器，通过参考站和待测站的GPS载波相位输出，解算出待测基站的精确经纬坐标，天线挂高。

5.根据权利要求1所述的基站天线信号强度自动监测方法，其特征在于：通过离基站天线一定距离的位置上，用天线耦合基站发射的射频信号，用带通滤波器滤波后，经过RMS电压传感器，再通过A/D采样，MCU处理数字信号，通过计算并进行误差校准后，得到信号的强度。

6.一种基站天线参数自动监测仪，其特征在于：自动监测仪由监测主机和下倾角传感器模块、方位角传感器模块、GPS载波相位传感器模块、信号强度传感器模块以及后台服务器软件构成。

7.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪，其特征在于：监测主机与下倾角传感器、方位角传感器、GPS载波相位传感器、信号功率传感器等传感器模块之间以485总线/CAN总线进行通信，监测主机和远端服务器之间以GPRS/CDMA/3G无线或者以太网有线方式进行通信。

8.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的监测主机，包括嵌入式操作系统和多任务应用程序模块，WebServer模块，其特征在于：

所述嵌入式操作系统，控制USB总线驱动，SD卡存储驱动，以太网接口驱动，串口驱动，485总线/CAN总线驱动，文件系统驱动，看门狗驱动，电源管理驱动；

所述多任务应用程序模块，包括传感器数据采集和控制模块，GPRS/CDMA/3G拨号模块，文件传输模块，时间同步模块，AISG天线调整协议模块，数据与指令解析模块，采集数据编码模块，远程调试与数据更新模块；

所述WebServer模块，包括嵌入式WEB服务器模块，CGI接口程序模块，数据显示与解析模块，数据上传和下载模块，监测校准等命令发送模块，便于监测仪的现场安装和调试。

9.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的后台复位器软件，其特征在于：具有数据解析与编码模块，GPS原始载波相位数据解算程序模块，地图位置标注模块，数据存储访问模块，文件传输模块，告警显示模块等。

10.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的下倾角测量方法，其特征在于：采用数字输出重力加速度传感器将重力转换成数字电信号，MCU处理传感器数字信号，通过程序转换，得到下倾角度；通过温度传感器测量角度传感器所在环境的温度，根据重力加速度传感器温度特性曲线，通过软件进行温度补偿和校准，得到精确的下倾角。

11.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的方位角测量方法，其特征在于：采用角位移传感器将被测信号转换成电信号，再通过A/D采样，MCU处理传感器数字信号，通过计算最终得到方位角度。

12.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的天线挂高、经纬坐标测量方法，其特征在于：建立已知精确坐标的GPS参考站，在待测基站天线上安装GPS传感器，通过参考站和待测站的GPS载波相位输出，解算出待测基站的精确天线挂高和经纬坐标。

13.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪的天线信号强度自动监测方法，其特征在于：通过离基站天线一定距离的位置上，用天线耦合基站发射的射频信号，用带通滤波器滤波后，经过RMS电压传感器，再通过A/D采样，MCU处理数字信号，通过计算并进行误差校准后，得到信号的强度。

14.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪，其特征在于：监测主机、下倾角传感器模块、方位角传感器模块、GPS载波相位传感器模块、信号功率传感器模块都有看门狗监测功能，实时监听系统的运行情况，确保系统的稳定运行。

15.根据权利要求6所述基站天线参数自动监测仪，其特征在于：监测主机支持AISG协议，能接收服务器发来的指令，根据服务器设定策略，自动监测天线的下倾角和调整电调天线下倾角。

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