CN103748901B - 自主无线天线传感器系统 - Google Patents

Abstract

包含用于处理天线位置信息的系统和方法。所述系统和方法包含：在天线近处定位至少一个磁强计传感器，以测量天线的对齐；在接近支撑天线的塔的地面站处，周期地从至少一个传感器接收天线对齐信息；并且，向控制站发送所述对齐信息，以确定天线的对齐是否符合天线规范。

Description

自主无线天线传感器系统

对于相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年4月28日提交的美国专利申请No.13/096,478的权益，该美国专利申请是在2009年12月24日提交的美国专利申请No.12/647,084的部分连续，该美国专利申请No.12/647,084要求在2008年12月24日提交的美国临时申请No.61/140,723在35USC119(e)下的权益。上述申请的每个的公开特此通过引用被整体包含在此。

技术领域

本发明涉及一种无线通信的领域，并且更具体地涉及用于改善无线通信基础结构的鲁棒性的遥测的应用。

背景技术

无线服务提供商的业务的一个必要部分是其向其客户提供足够的通信能力的能力。为了提供这样的能力，无线服务提供商在塔、屋顶、建筑物和其他高层结构上部署通信天线。这样的结构的高度允许无线电信号从每一个通信天线传播几英里，建立了其中可以向客户提供服务的地理区域。无线服务提供商通常每一个站点安装几个定向通信天线，因为需要多个定向通信天线来用于增大的容量和接收。

为了贯穿限定的区域提供所需的无线电信号，每一个定向天线意欲面向相对于真北的特定方向（称为“方位”），以在该方位的平面中以相对于水平的特定向下角度倾斜（称为“下倾”），并且相对于水平垂直地对齐（称为“斜度”）。在方位、下倾和偏斜中的不期望的改变有害地影响定向天线的覆盖范围。这些对齐可以被比作通常用于描述飞机的高度的轴。方位对应于飞机围绕垂直轴的偏航；斜度对应于飞机绕其纵轴的旋转；并且，下倾对应于飞机的机头在水平面上方或下方（或围绕以直角水平地延伸通过飞机到达纵轴的横轴）的纵摇。通常，安装越精确，则可以在由天线服务的区域内获得的网络性能越好。通过塔公司来执行定向天线安装，该塔公司使用认证的爬塔者来执行这样的安装。

天线的方位、下倾和/或斜度可以随着时间改变，因为存在大风、腐蚀、不良的初始安装、振动、飓风、龙卷风、地震或其他因素。通常，无线服务提供商进行它们的通信天线的定期检查，以保证每一个天线还没有显著地偏离其期望的方位、下倾和/或斜度。无线服务提供商频繁地雇佣第三方塔公司来执行检查，并且进行任何必要的调整以保持期望的方位、下倾和斜度。然而，这样的检查可能是劳动密集的和危险的，频繁地要求认证爬塔者物理地检查每一个天线，并且采取适当的测量以确定相对于期望定位的任何偏离。如果作为飓风或风暴的结果影响许多塔，则该任务可能变得更耗时，在该情况下，会需要2至4个月之间来确定哪些塔已经被影响，因为必须逐个地检查天线。

在现有技术的情况下，在本领域中需要用于远程和连续监控以确定是否和在什么程度上已经改变了天线的期望的物理定位的手段。

发明内容

本发明包括一种自主无线天线传感器系统，其向无线服务提供商提供了对于在可能已经改变了天线的定位的事件后的周期检查或点查看的替代方式。在此使用的“天线”可以包括下述两者：物理天线馈线，其发送或感测电磁能；以及，通常为抛物线状的“碟”，其通常用于将在一般圆形区域内的电磁能聚焦在天线馈线上，或从天线向远处发送这样的能量。本发明的自主无线天线传感器系统测量在通信天线的方位、下倾或斜度上的物理改变。本发明的所述系统可以例如当它检测到在足以要求天线的重新对齐的在通信天线的方位、下倾或斜度上的改变时或当它检测到不可接受的倾斜时，启动对于无线服务提供商的警告。

本发明的所述自主无线天线传感器系统可以包括三个子系统：无线天线传感器、远程传感器控制站和远程图形用户界面（“GUI”）。所述系统也可以包括中继器或中继装置，用于向所述远程传感器控制站重发传感器信号。在本发明的一个实施例中，一种无线天线传感器通过使用陀螺仪微芯片和加速度计微芯片或两者的组合来测量在天线方位、下倾或斜度上的改变。可以使用诸如Zigbee IEEE 802.15.4、Bluetooth或WiFi的任何低功率无线通信媒介来将关于在天线对齐上的改变的信息从附接到所述通信天线的无线天线传感器中继到位于天线塔的脚下的所述无线服务提供商的基站附近的所述远程传感器控制站。如果期望，则诸如下面的AISG标准之一的有线连接也可以用于该目的。

在本发明的另一个实施例中，可以通过感测在天线相对于围绕所述天线的磁场的定向上的改变来确定在天线的方位、下倾或斜度上的变化。通过参考周围的磁场最容易检测到在偏航上的变化，虽然可以通过使用适当地敏感的磁强计来检测在任何方向轴上的改变。与一些其他感测方法一样，磁强计有益于当将天线适当地定向时建立环境磁场，并且用于当所述天线的定向改变时检测和测量在环境磁场上的改变。这仅是在天线的相对定向上的改变，这个改变可能在确定天线是否经历在定向上的改变并且必须被重新定位中关键。因此，在金属塔上的给定天线可能受到在地球的磁场上的本地失真的影响或可能在那个环境中存在其他本地磁场的情况不折中本发明的有益性。目标是仅检测相对于天线的先前的满意定向的相对改变，并且如果可获得示出相对于在磁环境内的先前定向的改变的信息，则可以实现这一点。

本发明的一个目的是提供一种用于遥控在塔上或其他难以访问的位置上安装的天线的定位上的改变，以便可以应用适当和及时的校正的方法。

本发明的另一个目的是提供远离多个天线站点的用户界面，由此，可以检测在一个或多个天线的位置上的改变，并且可以应用适当的补救处理。

本发明的另一个目的是向在天线上的微芯片提供电力，而不要求延伸从基于地的电力网向所述天线的电线。

本发明的另一个目的是提供一种用于远程测量天线的不对齐程度，使得可以采取适当的校正措施，而不需要进行完全的重新对齐过程的方法。

在下面的附图和本发明的说明中，本发明的这些和其他目的将变得清楚。

附图说明

图1是图示根据本发明的至少一个实施例的、在自主无线天线传感器系统中使用的天线塔和天线的示意图；

图2是图示根据本发明的一个实施例的、向天线安装无线天线传感器的示意图；

图3是图示根据本发明的一个实施例的、用于自主无线天线传感器系统的组件和通信介质的示意图；以及

图4是图示根据本发明的一个实施例的、用于获得天线对齐信息的第一方法的示意图。

图5是图示天线与在塔上安装的磁传感器和环境磁场的的示意图。

具体实施方式

通过本发明的优选实施例的下面的详细说明，最佳地明白本发明以及上述的目的和优点。本发明的自主无线天线系统可以包括三个子系统：无线天线传感器、远程传感器控制站和远程图形用户界面（“GUI”）。该系统也可以包括中继器或中继装置，用于向所述远程传感器控制站重发传感器信号。在本发明的一个实施例中，一种无线天线传感器通过使用陀螺仪微芯片和加速度计微芯片或两者的组合来测量在天线方位、下倾或斜度上的改变。在本发明的一个实施例中，可以使用陀螺仪微芯片来测量在方位上的变化，并且可以使用加速度计微芯片来测量在下倾或斜度上的改变。在其中这样的微芯片具有高精度和灵敏度的实施例中，来自两个传感器的信号可以被用作到处理器的输入，该处理器的输出组合并且处理传感器信息以提供用于确定和测量天线的方位、下倾或斜度的改变的更精确的手段。例如，通过相对于长期陀螺信息交叉引用瞬时的加速度计信息，可以通过信号处理来减少或消除可以是误警告的在天线对齐上的变化。

在本发明的一个替代实施例中，可以使用一个或多个磁强计来通过感测在天线周围的磁场上的变化来确定在天线的定向上的改变。除了感测在天线的定向上的改变之外，关于在本地磁场中的改变的信息可以被用作要与诸如陀螺或加速度计信息的其他信息组合的信息的一个来源，以提供天线的定向已经改变的数量的更精确和准确的分析和解释以及这样的改变的可能原因。

当前站的远程传感器控制站可以经由有线或无线通信链路来中继天线对齐数据。以这种方式，远程传感器控制站可以向观看图形用户界面的远程定位的用户提供天线对齐信息。在一个实施例中，用于监控以及记录对齐信息和改变的软件提供了用于确定何时足够的不对齐已经出现以要求无线服务提供商采取校正行为（例如，通过联系天线维护公司以正确地对齐天线）的基线。

在本发明的一个实施例中，无线天线传感器和其无线通信系统可以以低功率要求运行，可以以多种方式的任何一种来满足该低功率要求。随着以低功率运行的传感器的发展，并且特别是使用不要求恒定功率而是可以仅偶尔被启动以采样磁环境的磁强计的传感器，电池适合于对于传感器供电以测量在天线定向上的改变。在其他实施例中，可以从由天线站点本身发射的RF信号获得射频（“RF”）能量，以提供用于运行无线天线传感器和其无线通信系统的电力。替代地，与电池或存储电容器耦合的太阳能、风力能量或压电能量（例如，当风力移动塔时从机械应力产生）可以产生足以运行系统的电力。如果期望，则可以通过在塔上的新的或现有的电线来提供来自基站的电力。可以遵循AISG标准的有线选项可能要求另外的电线来延伸到塔上。

本领域内的普通技术人员可以明白，用于本发明的传感器可以是从第三方购买并加装适合安装在现有的天线的独立组件；或者，它们可以在制造期间或之后作为不可分离的组件被完全集成到天线（或碟）内。因为传感器测量相对移动或定向并且不提供相对于全局网的位置或定向信息，所以一旦已经安装和正确地对齐了天线，则仅必须建立基本定向测量。可以相对于基本定向确定和测量所有变化，并且可以采取适当的校正行为。

因为在天线上使用的一些无线天线传感器可能具有唯一的电子序号，所以本发明的系统不仅仅限于指示何时天线变得不对齐，而是也可以具体识别从其获得测量的天线。无线服务提供商可以使用天线标识信息来精确地管理天线资产。因此，本发明的优点之一是与当前可能的通过由大多数第三方塔维护公司当前使用的随意天线维护过程相比更容易和精确地实现维护或替换。

一旦安装了本发明的系统的组件，则无线服务提供商不再需要雇佣第三方塔公司来通过可视观察或手动现场测量来验证天线方位、下倾或斜度。本发明的使用允许当在定位上的改变——诸如在附接到天线的传感器的高度上的改变——出现时的天线定位的感测。可以将天线位置改变中继到远程传感器控制站，并且也可以经由例如远程GUI向无线服务提供商通知任何不期望的改变。

图1图示了本发明的无线天线系统的两个实施例。该无线天线系统可以被改装在支撑多个天线30、31的塔10上，该多个天线30、31在RF范围40中接收和辐射电磁能。天线30、31也可以在其他频带中辐射。

图1示出在塔10的基座处的基站收发信站80，基站收发信站80也可以容纳和电支持远程接收器控制单元20。电缆50可以向和从天线30、31传导通信信号，并且可以是原始天线设备的一部分。

图2图示了本发明的另一个方面，其中，天线30、31附接到天线塔10，并且包括直接紧固到天线的微芯片传感器60、61和70、71。对于每一个天线，一个微芯片（70，71）可以作为加速度计，用于测量在作为沿着X和Y轴的两个方向上的天线移动，诸如下倾或斜度，并且第二微芯片（60，61）可以作为陀螺仪，用于测量角移动，诸如在方位上的变化。在一个替代实施例中，来自附接到天线的微芯片的信号的组合当被CPU处理时也可以提供关于在天线定位上的改变的精确的信息，而不触发误警告。

图3是根据本发明的一个实施例的系统的操作的示意描述，其中，对于两个天线30、31监控相对于期望的定向的移动离开。如图3中所示，移动传感器60、61、70、71产生被馈送到较小天线150、151并且被其发送到在地面站20处的接收天线110的信号。在一个替代实施例中，由天线150和151发送的信号被中继器21（图1）接收，中继器31继而可以以相同或不同的频率向天线110重发这些信号。中继器可以被定位在天线150和151的覆盖范围内的任何位置。

传感器（例如，60、61、70或71）可以被在天线附近的塔10上的一个或多个RF能量获得90和存储装置100驱动。在一个实施例中，无线天线传感器可以位于外壳内以防止产生潮气。可以使用任何传统附接方法将传感器附接到天线。替代地，可以使用工业强度胶带来用于将无线天线传感器附接到它们各自的通信天线30、31。

传感器和/或无线天线可以具有唯一的电子序号，该电子序号可以用于识别特定天线或传感器。无线天线传感器可以将测量的天线对齐信息（例如，在方位、下倾或斜度上的改变）与天线或传感器标识信息一起发送到远程传感器控制站20或中继站21。在一个实施例中，无线天线传感器通过其对应的天线（例如，150或151）经由Zigbee IEEE 802.15.4无线标准或其等同物通过空中与远程传感器控制站20进行通信。

远程传感器控制站20可以被安装在传统上位于地平面之上或附近的无线服务提供商的基站收发信台80中或周围。在本发明的一个实施例中，至少一个远程传感器控制站20可以位于每个站点处。远程传感器控制站可以具有唯一的地址，诸如MAC或IP地址。

远程传感器控制站20可以从无线天线传感器60、61、70、71周期地请求或接收测量结果。获取测量的间隔可以是用户定义的。测量记录可以是标注日期和时间的。远程传感器控制站可以向每一个无线天线传感器分配用户定义的名称，并且可以处理和在查找表上布置来自传感器的数据。天线名称可以引用被每一个无线天线传感器测量的特定天线。远程传感器控制站可以被编程来仅报告定义的无线天线传感器，以便保证仅在监控期望的天线。测量报告可以被存储在远程传感器控制站的存储器中或硬盘存储装置120上。一旦存储了测量，则可以或者使用PC和数据电缆（USB或其他适当的连接器）本地地或例如经由电话公司（即，T1）或移动通信装置/数据卡（诸如，GSM/CDMA/IDEN/SATELITE）远程地从远程传感器控制站检索该测量。

可以通过远程用户GUI140经由局域网（“LAN”）或因特网连接130来遥控存储的信息和自主无线天线传感器系统的管理功能。远程用户GUI可以是基于网络的，并且可能要求用户名和密码以便访问它。远程用户GUI可以被容纳在因特网或用户的内联网上。远程用户GUI的功能包括从在线远程传感器控制站检索数据，并且在可以是在线数据库的数据库上存储数据。一旦输入了数据，则用户可以上载确定天线应当遵守的规范的、用于方位、下倾或斜度的期望/目标测量。可以通过日期、时间、站点名称和天线名称来显示最近的测量结果。用户可以请求来自每个天线的期望/目标位置的测量中的差被提供在由系统产生的报告中。用户也可以定义将被允许的最大差测量，并且请求远程用户GUI产生将显示全部不合规范的天线的警告日志。用户也可以要求远程用户GUI经由电子邮件或其他通信手段向他或她通知任何不合规范的天线，此时，用户可以重新定位特定的天线。通过当不利情况发展时校正不合规范的天线的定向，可以避免不必要的测试和周期的第三方检查。

图4图示了根据本发明的一个实施例的用于获得天线对齐信息的第一方法。在这个实施例中，远程系统80是活动的，并且当没有事件出现时保持在低功率模式中。可以将事件定义为在偏离可接受的天线规范的天线定位上的改变。在步骤401中，远程系统80被加电，并且例如启动在终端用户的计算机中运行的应用。可以与GUI140相结合地使用该应用以与远程站点80的特定功能交互并对其进行控制。在步骤403中，在此也可以被称为远程系统基础的终端用户计算机收集用于指示远程系统80的状态的数据，并且可选地向远程站80发送校准命令。

在步骤405中，远程站80确定事件是否已经出现。如果未检测到事件，则远程系统80进入等待模式中。在超时时间段（其可以被系统操作员改变）过去之后，远程系统80捕获由天线传感器提供的数据（409），该数据可以包括温度、传感器电池电平和天线对齐信息（例如，偏航、俯仰或旋转）。在步骤411中，可以将所捕获的数据与来自远程站80的控制数据一起发送到远程基站系统。

图5描述了一种系统，其中，在塔10顶部上安装的天线具有整合的磁强计传感器90、91，该整合的磁强计传感器90、91整合地位于天线碟160、161内，并且被电池驱动。当不时被轮询时，传感器报告关于它们在感测的磁场170的信息。该信息被发送到远程站80，并且与基线信息或与在早期记录的信息作比较。如果感知到足够的天线移动，则发送信号，并且可以采取校正措施。

从在此公开的本发明的规范和实施考虑，本发明的其他实施例对于本领域内的技术人员是显然的。意欲将规范和示例仅看作是示例性的，并且通过所附的权利要求来指示本发明的真实范围和精神。

Claims (18)

1.一种用于保持无线通信基础结构的鲁棒性的方法，包括步骤：

在天线附近部署至少一个磁强计传感器，以通过感测在天线相对于围绕天线的磁场的定向上的改变来测量所述天线的对齐；

向支撑所述天线的结构附近的传感器控制站周期地发送由所述至少一个传感器测量的对齐信息和所述天线或传感器标识信息；

从所述传感器控制站向图形用户界面站发送所述天线对齐信息和所述天线或传感器标识信息；

将所述对齐信息与预定天线对齐设置作比较；

确定所述测量的天线对齐信息是否落在所述预定天线对齐设置的可接受变化范围内，当所述天线对齐信息落在所述可接受的变化范围之外时，计算用于重新对齐所述天线的偏移天线对齐信息；并且

根据所述天线或传感器标识信息识别所述天线或传感器；

其中所述方法进一步包括：

向所述传感器控制站周期地发送与所述至少一个磁强计传感器对应的电池或温度信息；并且

从所述传感器控制站向所述图形用户界面站发送所述电池或所述温度信息。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

根据所述偏移天线对齐信息来重新对齐所述天线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述至少一个传感器向所述传感器控制站无线地发送所述测量的天线对齐信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述传感器控制站向所述图形用户界面站无线地发送所述测量的天线对齐信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过计算机网络从所述传感器控制站向所述图形用户界面站发送所述测量的天线对齐信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述天线对齐信息包括方位、斜度或下倾信息。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定天线对齐设置包括最佳的方位、斜度或下倾对齐设置。

8.一种用于保持无线通信基础结构的鲁棒性的系统，包括：

至少一个磁强计传感器，适合于通过感测在天线相对于围绕天线的磁场的定向上的改变来测量天线的对齐并且发送所述测量的天线对齐数据和所述天线或传感器标识信息；

传感器控制站，适合于从至少一个磁强计传感器接收所述测量的天线对齐数据和所述天线或传感器标识信息，并且重发所述测量的天线对齐数据和所述天线或传感器标识信息；

图形用户界面站，适合于从所述传感器控制站接收所述重发的测量的天线对齐数据和所述天线或传感器标识信息，将所述接收的测量的天线对齐数据与预定天线对齐设置作比较，并且确定测量的天线对齐设置是否落在预定天线对齐设置的可接受变化范围内；

其中，所述图形用户界面站向用户提供下述通知：与预定天线对齐设置相比，天线的对齐落在所述可接受的变化范围之外，并且，所述图形用户界面站适合于计算用于重新对齐所述天线的偏移天线对齐信息；以及

所述图形用户界面站适合于根据所述天线或传感器标识信息识别所述天线或传感器；

其中所述至少一个磁强计传感器向所述传感器控制站周期地发送与所述至少一个磁强计传感器对应的电池或温度信息；并且

所述传感器控制站向所述图形用户界面站发送所述电池或所述温度信息。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述测量的对齐信息包括方位、斜度或下倾信息。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述预定天线对齐设置包括方位、斜度或下倾信息。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个传感器能够向所述传感器控制站无线地发送测量的天线对齐设置数据。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，在所述至少一个传感器和所述传感器控制站之间的所述通信被具有低功耗的装置供电。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个传感器进一步包括处理器，所述处理器能够改善来自所述至少一个传感器的输出以减少误警报。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，通过太阳能、风力能量或压电能量来提供系统中用于发送的电力要求。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，通过从射频信号得到的能量来提供系统中用于无线发送的电力要求。

16.根据权利要求11所述的系统，其中，通过电池来提供系统中用于无线发送的电力要求。

17.根据权利要求11所述的系统，进一步包括中继器，用于从所述至少一个传感器接收所述测量的天线对齐数据，并且向所述传感器控制站发送所述接收的测量的天线对齐数据。

18.一种用于处理天线位置信息的方法，包括步骤：

在天线附近部署至少一个磁强计传感器，以通过感测在天线相对于围绕天线的磁场的定向上的改变来测量所述天线的对齐；

在支撑所述天线的塔附近的传感器控制站处，从所述至少一个传感器周期地接收天线对齐信息和所述天线或传感器标识信息；

向图形用户界面站发送所述对齐信息，以确定所述天线的所述对齐是否符合天线规范，其中，当所述天线对齐信息落在预定天线对齐设置的可接受的变化范围之外时，计算用于重新对齐所述天线的偏移天线对齐信息；并且

根据所述天线或传感器标识信息识别所述天线或传感器；

其中所述方法进一步包括：

向所述传感器控制站周期地发送与所述至少一个磁强计传感器对应的电池或温度信息；并且

从所述传感器控制站向所述图形用户界面站发送所述电池或所述温度信息。