CN103809042A - 一种智能天线外场测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线外场测试方法及系统，该方法主要包括智能天线外场方向图性能测试的测试点选择和方向图拟合，具体用无线电信号的空间相关性和正常赋形情况下的方向图特点，选取一些特征位置进行测试，对无法到达的特征点或其他测试点通过插值或拟合完成，在保证外场测试总体质量的前提下，减少外场测试的工作量。采用本发明的技术方案，更简单实用，能够缩短方向图测试过程中测试保持周期，对测试点的要求较低，更易于低成本的进行在网智能天线性能测试，推广更加容易。

Description

一种智能天线外场测试方法及系统

技术领域

本发明涉及通信和无线网络优化技术领域，尤其涉及一种智能天线外场测试方法及系统。 

背景技术

随着无线通信的发展，越来越多的无线系统(如TD-SCDMA、TD-LTE、IEEE802.11n和Wimax等)引入智能天线技术以提升系统容量、覆盖范围和系统吞吐。不仅如此，移动终端也开始采用智能天线以提升链路质量和用户吞吐。 

智能天线根据天线阵列中各阵元接收到的上行信号估计上行用户的方向(即波达角，DOA-Direction of Angle)，发射下行功率时根据估计的方向设置智能天线各天线阵元上的发射功率权重，形成指向被估计用户的波束。增强了该用户的接收功率但并不对其他用户产生干扰，同时增强了链路稳定性和系统吞吐容量。其核心在于天线权值设置，其设置影响到整个智能天线性能。面对如此复杂的输入参数和限制条件，需要进行各种实地外场测试来评价及调整这些参数的设置。现有智能天线评测体系和方法包括两大类：一是在外场环境的理想状态下，固定用户数量、位置或运动轨迹，通过打开和关闭智能天线的波束赋形功能来获取智能天线方向图或赋形增益以评估智能天线性能的优劣；二是在外场环境在，固定用户数量，发起语音或数据业务，通过接收信号功率、数据速率来衡量智能天线的性能优劣。 

但是，仅仅通过信号功率、数据速率，并不能完全地，或者说更细致地反映出智能天线的性能优劣，从而对于评估智能天线的波束赋形性能带来了一定的影响。 

因此，对智能天线的衡量指标进行更细节的比较和改进至关重要，这样不仅可以更好地反映出智能天线性能的优劣，也可以进而更好地改进智能天线的性能。 

现有的智能天线性能测试的方法存在如下问题： 

(1)智能天线的方向图测试工作量大，需在待测小区开启天线赋形功能条件下，且在用户启动业务的情况下，使用扫频仪在待测小区的大量采样点内对特定频率进行扫描测试，以获取方向图； 

(2)智能天线的方向图测试可操作性差，在外场测试中，因地形或物业等因素，大量测试区域不可达，无法对小区覆盖范围内所有位置都进行测试； 

(3)智能天线的方向图测试期间同步保持难，在方向图测试中，需保证在扫描测试周期中，特定用户一直开启业务，且无用户进入或离开测试区域。 

发明内容

为了解决现有技术中在网智能天线的外场测试的复杂度问题，本发明提出一种智能天线外场测试方法及系统，能够缩短方向图测试过程中测试保持周期，更易于低成本的进行在网智能天线性能测试，推广更加容易。 

本发明的一方面公开了一种智能天线外场测试方法，主要包括智能天线外场方向图性能测试的测试点选择和方向图拟合，其特征在于，具体包括以下步骤： 

当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角θ； 

根据待测智能天线法线方向和下倾角θ，选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测； 

将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量； 

外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量，进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值； 

利用拉格朗日插值算法用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。 

本发明的另一方面公开了一种智能天线外场测试系统，包括记录模块、测试点选择模块、方向图仿真模块、外场实地测试模块和曲线拟合模块，其中： 

所述记录模块用于当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角θ； 

所述测试点选择模块用于根据待测智能天线法线方向和下倾角θ，选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测； 

所述方向图仿真模块用于将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量； 

所述外场实地测试模块用于外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量，进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值； 

所述曲线拟合模块用于利用插值算法用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。 

本发明的技术方案由于基于特征点的智能天线方向图拟合方法，根据方向图特点，实地测量一些关键点的性能，再使用拉格朗日插值算法对其他参考点进行拟合，最终形成完整的方向图。这样，通过用无线电信号的空间相关性和正常赋形情况下的方向图特点，选取一些特征位置进行测试，对无法到达的特征点或其他测试点通过插值或拟合完成，在保证外场测试总体质量的前提下，减少外场测试的工作量，缩短了方向图测试过程中测试保持周期，更易于低成本的进行在网智能天线性能测试，推广更加容易。 

附图说明

图1是本发明实施例中的智能天线外场测试系统的结构示意图。 

图2是本发明实施例中的智能天线外场测试方法的流程示意图。 

图3是本发明实施例中的根据特征点拟合的波束赋形方向示意图。 

图4为本发明实施例中测试点i在8个端口所测得的赋形权值图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。 

图1是本发明实施例中的智能天线外场测试系统的结构示意图。如图1所示，该智能天线外场测试系统可以包括记录模块1、测试点选择模块2、方向图仿真模块3、外场实地测试模块4和曲线拟合模块5，还可以包括预先检查模块6。 

记录模块用于当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角θ。 

测试点选择模块用于根据待测智能天线法线方向和下倾角θ，选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测；若选择的测试点不可达，则在相同角度方向依次以第一预设长度为递进或递减步长，寻找新的测试点，直至新的测试点可达或与原始选择的测试点之间的距离等于第二预设长度；当选择的测试点可达时，在相同角度方向依次以第一预设角度为递进或递减步长，在圆周上寻找新的测试点。 

方向图仿真模块用于将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量。 

外场实地测试模块用于外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量将每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录合并、并转化为复数；将相同方位角的不同极化方向的测试点的功率值进行叠加，得到多个测试点的接收功率值；对所得的多个功率值进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值。 

曲线拟合模块用于利用拉格朗日插值算法用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。 

预先检查模块用于检查待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件。 

该预先检查模块进一步包括天线参数和无线环境检查子模块；天线参数和无线环境检查子模块用于检查待测区域内待测智能天线参数配置是否正常、波束赋形功能是否启动、测试用户终端设备(UE，简称User Equipment) 工作是否正常，且待测区域内除测试UE外的其他UE是否处于待机状态并无业务发起。 

图2是本发明实施例中的智能天线外场测试方法的流程示意图。如图2所示，该智能天线外场测试方法的流程包括以下步骤： 

步骤201、检查待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件。该检查待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件的操作进一步包括： 

检查待测区域内待测智能天线参数配置是否正常、波束赋形功能是否启动、测试UE工作是否正常，且待测区域内除测试UE外的其他UE是否处于待机状态并无业务发起。 

步骤202、当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角θ。 

参见图3，根据待测智能天线法线方向和下倾角θ，确定波束赋形方向，以波束赋形方向为0度方向，选择0度、±15度、±30度、±60度、180度这8个角度，在这些角度上选择与待测智能天线之间的距离为 

100米的圆的交点作为测试点。这里，H表示天线挂高，该参数是在建设站点或者规划站点时即已经得到的数据；δ表示天线默认内置下倾角，该此参数是天线的参数，在天线采购时即已经得到。 

步骤203、根据待测智能天线法线方向和下倾角θ，选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测；若选择的测试点不可达，则在相同角度方向依次以第一预设长度(如10米)为递进或递减步长，寻找新的测试点，直至新的测试点可达或与原始选择的测试点之间的距离等于第二预设长度(如50米)；当选择的测试点可达时，在相同角度方向依次以第一预设角度(如1度)为递进或递减步长，在圆周上寻找新的测试点。 

步骤204、将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的 导向矢量。也就是说，选取一个较大的自然数N，来作为待绘制波束方向图的离散点的数量，令这些点均匀分布，即相邻两个离散点对应的方向图中方位角的夹角相同；接下来计算各个离散点所对应的方位角和导向矢量。 

例如，取N为360，则对应的在波束方向图中每隔1度取一个点，共有360个点，并设起始位置为正北方向，对应0度角，各离散点的编号依次为0、1、2......359，利用公式

计算出各离散点所对应的方位角，其中i为所在离散点的编号，N为离散点的数量。 

设i号离散点所对应的导向矢量为ai，则由于采用的双极化天线，故ai＝[ai-1，ai-2，ai-3，ai-4]，同时设ai所对应的极化方向上任意两个相邻阵元中心的间距为d，由上述操作可知d＝270mm，则由公式  $a_{i-k}=\exp \left[j2\mathrm{\π}(k-1)d\sin (\frac{\mathrm{\π}(i-1)}{N}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\right]$ 可以计算出各个元素ai-k的数值。 

步骤205、外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量将每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录合并、并转化为复数；将相同方位角的不同极化方向的测试点的功率值进行叠加，得到多个测试点的接收功率值；对所得的多个功率值进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值。该多个测试点具体包括24个测试点。 

例如，在外场利用测量系统对上述24个点进行测量，然后根据所测数据对每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录进行计算； 

(1)通过汽车反复来回运动来进行测试，开启波束赋形，通过侦听Iub端口来获得赋形权值。图4为测试点i在8个端口所测得的赋形权值图。 

(2)由图4即可计算出测试点i在+45°极化方向对应的矢量w为 

$w=\left[\begin{array}{c}0.3119+0.4397i\\ 0.1379-0.1835i\\ -0.1673+0.1504i\\ 0.4239+0.2894i\end{array}\right]$

在-45°极化方向对应的矢量w为 

$\left[\begin{array}{c}0.2879+0.4445i\\ 0.1374-0.1604i\\ -0.1850+0.1520i\\ 0.4377+0.2927i\end{array}\right]$

(3)将相同方位角的不同极化方向的测试点的功率值进行叠加，得到这M个测试点的接收功率值。仍以测试点i为例，由公式P_i＝20log10(w^Ha_i)可得其在+45度方向上的功率P1为-61dBm，-45度方向上的功率值P2为-64dBm，叠加后的功率Pi由公式P_i＝10×log10(10^P1/10+10^P2/10)可得Pi＝-59.236dBm。 

步骤206、利用拉格朗日插值算法用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。剩余的预设数量的测试点具体包括336个测试点。 

例如，利用拉格朗日插值算法对所测数据进行处理，进而绘出波束赋形方向图，具体可进一步分为以下子步骤： 

(1)设第j个点的坐标为(xj，yj，zj)，则可以计算出点j距离天线的距离为 

并由步骤6计算出这M个点所对应的功率P，由此形成M个数组((d1，P1)，(d2，P2)，......(dm，Pm))。 

(2)根据拉格朗日插值公式对上述数组进行处理，首先计算出其权值 

则可以计算出所选N个离散点中的任一点的功率为  $p=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M\frac{w_j}{d-d_j}\mathrm{pj}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M\frac{w_j}{d-d_j}}.$

(3)计算出各点的功率值后，利用仿真软件将各个点拟合成一条曲线，此即为如图3所示的波束赋形方向图。 

本发明的技术方案解决了现有在网智能天线的外场测试的复杂度问题，利用无线电信号的空间相关性的特点，并结合方向图特点，对智能天线的外场测试进行简化，从而在保证外场测试质量的前提下，减少外场测试的工作量，并对性能异常进行定位。 

为实现上述智能天线外场性能测试。本发明技术方案包括特征点选择、位置不可达特征点的替代参考点选择方法、基于空间相关性的插值。 

参考点选择及实测：根据这些空间抽样的性能，得出智能天线的方向图特性。假设我们共有N个这样的外场测试点。在以上分析智能天线空间模式和所建立的空间相关性模型基础上，从这些均匀分布的N个外场测试点种选取M个测试点，进行实际的外场测试。参考点选择时根据待测智能天线的工程参数(主要是坐标、法线方向和天线倾角)，选择特定角度上与天线特定距离的交点作为测试点进行测试；若交点位置不可达，先在特定角度上调整距离选择测试点；若仍不达，则调整角度选择测试点。 

空间插值模型的建立与参数调整：针对不同指标，如智能天线接收信号的功率强度，结合信号的空间相关模型，建立适当的插值模型。此外，在几种规定的典型测试场景中，进行全N点的测试，并利用所测的实际数据与通过测量其中M个测试点和空间插值得到的数据进行对比分析，矫正和修改插值模型的相应参数。 

本发明技术方案具有以下优点： 

(1)通过对接收信号空间相关性的分析，可以得到智能天线空间传播特性，从而便于掌握智能天线的波束赋形性能。 

(2)本发明技术方案采用基于空间相关性的插值方法和基于场景的参数调整方法，具有极大的通用性，可以适用于多种场景。 

(3)基于本发明技术方案进行外场测试可以极大地减少测试的工作量，同时利用本方法得到的智能天线空间传播特性能很好地反应智能天线波束赋形的实际性能，也便于简化智能天线性能评估与故障检测。 

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本发明也并不仅限于上述举例，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。 

Claims (12)

1.一种智能天线外场测试方法，主要包括智能天线外场方向图性能测试的测试点选择和方向图拟合，其特征在于，具体包括以下步骤：

当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角

根据待测智能天线法线方向和下倾角

选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测；

将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量；

外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量，进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值；

利用插值算法，用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。

2.根据权利要求1所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，在所述当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角

的操作之前，还包括：

检查所述待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件的操作。

3.根据权利要求2所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，所述检查所述待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件的操作进一步包括：

检查所述待测区域内待测智能天线参数配置是否正常、波束赋形功能是否启动、测试UE工作是否正常，且待测区域内除测试UE外的其他UE是否处于待机状态并无业务发起。

4.根据权利要求1所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，所述根据待测智能天线法线方向和下倾角

选择测试点的操作进一步包括：

若选择的测试点不可达，则在相同角度方向依次以第一预设长度为递进或递减步长，寻找新的测试点，直至新的测试点可达或与原始选择的测试点之间的距离等于第二预设长度；当选择的测试点可达时，在相同角度方向依次以第一预设角度为递进或递减步长，在圆周上寻找新的测试点。

5.根据权利要求1或4所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，所述根据待测智能天线法线方向和下倾角

选择测试点的操作进一步包括：

根据待测智能天线法线方向和下倾角

确定波束赋形方向，以波束赋形方向为0度方向，选择0度、±15度、±30度、±60度、180度这8个角度，在这些角度上选择与待测智能天线之间的距离为

100米的圆的交点作为测试点，其中，H表示天线挂高；δ表示天线默认内置下倾角。

6.根据权利要求1所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，在所述将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量的操作中，所述获取各测试点的导向矢量的操作进一步包括：

选取一个自然数N，来作为待绘制波束方向图的离散点的数量，令这些点均匀分布，即相邻两个离散点对应的方向图中方位角的夹角相同；接下来计算各个离散点所对应的方位角和导向矢量。

7.根据权利要求6所述的智能天线外场测试方法，其特征在于，所述计算各个离散点所对应的方位角和导向矢量的操作进一步包括：

利用公式计算出各离散点所对应的方位角，其中i为所在离散点的编号，N为离散点的数量；

设i号离散点所对应的导向矢量为ai，则由于采用的双极化天线，故ai＝[ai-1，ai-2，ai-3，ai-4......]，同时设ai所对应的极化方向上任意两个相邻阵元中心的间距为d，则由公式 $a_{i-k}=\exp \left[j2\mathrm{\π}(k-1)d\sin (\frac{\mathrm{\π}(i-1)}{N}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\right]$ 可以计算出各个元素ai-k的数值。

8.一种智能天线外场测试系统，其特征在于，包括记录模块、测试点选择模块、方向图仿真模块、外场实地测试模块和曲线拟合模块，其中：

所述记录模块用于当待测区域内待测智能天线参数配置正常、且无线环境满足预设条件时，记录待测区域内待测智能天线法线方向和下倾角

所述测试点选择模块用于根据待测智能天线法线方向和下倾角

选择测试点，并对选择的测试点进行实地勘测；

所述方向图仿真模块用于将配置正常的待测智能天线参数和满足预设条件的无线环境作为仿真条件，对待测智能天线外场测试方向图进行仿真，获取各测试点的导向矢量；

所述外场实地测试模块用于外场实地对上述可达的测试点进行测试，并根据可达测试点测试获取的权值测量数据和上述待测智能天线外场测试方向图仿真获取的每个测试点的导向矢量，进行合并、转化和叠加处理，得到一组权值；

所述曲线拟合模块用于利用插值算法用上述一组权值对剩余的预设数量的测试点进行插值，得到其接收功率值；并对预设数量的测试点进行曲线拟合，得到波束赋形方向图。

9.根据权利要求8所述的智能天线外场测试系统，其特征在于，还包括预先检查模块；所述预先检查模块用于检查所述待测区域内待测智能天线参数配置是否正常和无线环境是否满足预设条件。

10.根据权利要求9所述的智能天线外场测试系统，其特征在于，所述预先检查模块包括天线参数和无线环境检查子模块；所述天线参数和无线环境检查子模块用于检查所述待测区域内待测智能天线参数配置是否正常、波束赋形功能是否启动、测试UE工作是否正常，且待测区域内除测试UE外的其他UE是否处于待机状态并无业务发起。

11.根据权利要求8所述的智能天线外场测试系统，其特征在于，所述方向图仿真模块包括方位角和导向矢量计算子模块；所述方位角和导向矢量计算子模块用于选取一个自然数N，来作为待绘制波束方向图的离散点的数量，令这些点均匀分布，即相邻两个离散点对应的方向图中方位角的夹角相同；接下来计算各个离散点所对应的方位角和导向矢量。

12.根据权利要求8所述的智能天线外场测试系统，其特征在于，所述测试点选择模块包括测试点验证子模块；所述测试点验证子模块用于若选择的测试点不可达，则在相同角度方向依次以第一预设长度为递进或递减步长，寻找新的测试点，直至新的测试点可达或与原始选择的测试点之间的距离等于第二预设长度；当选择的测试点可达时，在相同角度方向依次以第一预设角度为递进或递减步长，在圆周上寻找新的测试点。

Images