劉玉潔，唐升，張展培

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東珠海，519090）

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，我國移動用戶規(guī)模持續(xù)擴大，運營商需加大移動通信基站的建設(shè)和管理投入，才能滿足移動用戶日益增長的需求。移動通信基站包括機房室內(nèi)基站主設(shè)備和室外天饋系統(tǒng)，目前只有基站機房設(shè)備和環(huán)境已實現(xiàn)信息化的可管可控，而室外的天線卻還未實施自動監(jiān)測。但天線姿態(tài)又最直接影響信號覆蓋范圍和覆蓋質(zhì)量[1]，所以天線姿態(tài)監(jiān)測是移動通信基站管理的重點。天線姿態(tài)工作參數(shù)，包括天線方位角、下傾角、橫滾角、經(jīng)緯度、掛高等數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的天線工作參數(shù)采集手段仍然為人工上站測量、記錄、導(dǎo)入網(wǎng)管系統(tǒng)等傳統(tǒng)方式，費時費力，且測量精度不高。本項目主要研究一種遠程智能監(jiān)測基站天線姿態(tài)技術(shù)方案，該方案利用NB-IOT無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，選用高精度傳感器模塊，實現(xiàn)基站天線姿態(tài)的實時精確測量、監(jiān)控預(yù)警功能，為設(shè)備運維、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供可靠、精確的數(shù)據(jù)支持，從而降低運營商維護成本，提高工作效率，高效保障通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

基于NB-IoT技術(shù)的移動通信基站天線監(jiān)測系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計如圖1所示，主要包括以下部分：安裝在基站天線的姿態(tài)監(jiān)測器、部署在運營商機房的服務(wù)器，以及負責(zé)代維技術(shù)人員的客戶端[3]。天線姿態(tài)監(jiān)控器安裝在基站天線外殼的背部，可實時監(jiān)測基站天線的姿態(tài)參數(shù)，包括方位角、下傾角、橫滾角，借助NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)回傳到服務(wù)器管理平臺，管理人員通過后臺管理系統(tǒng)即可遠程監(jiān)測基站天線工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總框架結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)中，天線姿態(tài)監(jiān)測器是核心主體，屬于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的智能硬件終端，它主要由主控模塊STM32，方位角傳感器，重力傾角、橫滾角傳感器，NB-IoT通信模塊，GPS模塊，數(shù)據(jù)存儲信息記錄EEPROM，電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 天線姿態(tài)監(jiān)測器硬件總體設(shè)計

2 硬件設(shè)計

2.1 天線方位角監(jiān)測模塊

基站天線的方位角是指天線輻射口面的朝向。在移動通信的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，基站天線的方位角是最重要的天線工作參數(shù)之一。國際上現(xiàn)有的基站天線方位角測試方法有兩大類：一類利用磁羅盤；另一類利用GPS衛(wèi)星信號。磁羅盤利用電磁場的方向性進行測向，它需要人工手持機械或電子羅盤，爬塔或爬桿測量，測量精度較差，容易受周圍環(huán)境以及人為因素影響，且無法實現(xiàn)實時測量[4]。GPS衛(wèi)星測量利用兩個GPS天線接收太空中衛(wèi)星群的信號，通過測量每個衛(wèi)星在兩個GPS天線上輸出信號的相位差，結(jié)合針對多個衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)，從而計算出基站天線的方位角[5]。GPS測量方式雖然精度高，但傳感器體積大，成本非常高。

由于以上兩類方案都存有不足之處，本項目選擇AMR磁阻測量方案，通過傳感器測量X、Y、Z三軸的磁場矢量分量，從而計算出被測物與地磁北的夾角即為方位角。該方案具備成本低、響應(yīng)速度快、功耗低的優(yōu)點。傳感器采用QMC5883L，該芯片來源于Honeywell的HMC5883L，是一款集成了信號處理電路的三軸磁性傳感器。精度高，內(nèi)部集成16位ADC，三軸磁場分辨率均達0.2μT。工作電壓范圍廣，在2.2V到3.6V均可。功耗低，僅為75μA。穩(wěn)定性好，自帶溫度補償功能。該傳感器采用LGA封裝，外形尺寸僅為3*3*0.9mm3,通過I2C接口與主控芯片通信。

2.2 天線下傾角、橫滾角監(jiān)測模塊

基站天線的下傾角是指天線和豎直面的夾角，橫滾角為天線向左或向右傾斜的角度。這兩個角的工作參數(shù)會影響基站天線的信號覆蓋范圍能否得到有效保證。和方位角一樣，下傾角、橫滾角的傳統(tǒng)測量方式也是需要人工爬杠爬塔進行，或者采用光學(xué)測量的方法，這兩種方式顯然都存在弊端。本項目采用三軸加速度的方法測量，利用無論坐標(biāo)系如何轉(zhuǎn)動，重力加速度均指向地心的原理，以重力加速度為參考，分別測量重力加速度在X、Y、Z三個軸上的重力分量，根據(jù)三角函數(shù)公式，計算出XY軸的平面與重力線的夾角為下傾角，XZ軸與重力線的夾角為橫滾角。

本項目三軸加速度傳感器選用了智能低功耗三軸容性微機械數(shù)字加速度計MMA8451Q，該款傳感器具有14位分辨率，3mm×3mm×1mm QFN封裝，電源電壓1.95V～3.6V，接口電壓1.6V～3.6V，定流消耗6μA～165μA，自帶智能低功耗控制，它具有靈活可編程功能，可以通過設(shè)置中斷節(jié)省整體功耗[6]。

2.3 主控模塊

主控模塊功能主要為采集移動通信基站天線姿態(tài)工作參數(shù)，并且實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合本系統(tǒng)低功耗、高性能、需擴展外圍功能的設(shè)計要求，主控芯片選用了意法半導(dǎo)體有限公司的32位基于Cortex-M3內(nèi)核的增強型微處理器STM32F103VET6，它包含了3個12位的ADC，2個12位的DAC，4個通用16位定時器和一個PWM定時器，有I2C、SPI、USART、USB、CAN等通信標(biāo)準(zhǔn)接口，其豐富的外設(shè)資源，使得幾乎不需要擴展太多的外圍電路就能滿足設(shè)計要求[7]。

2.4 NB-IoT通信模塊

NB-IoT通信模塊主要實現(xiàn)基站天線姿態(tài)監(jiān)測智能終端和服務(wù)器的信息交互。本系統(tǒng)選用了移遠通信的BC95，該模塊是全球首款符合3GPP R13標(biāo)準(zhǔn)的NB-IOT模塊，也通過了CCC認證。它具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接的特點，工作在授權(quán)頻段，安全穩(wěn)定。BC95模塊尺寸僅為19.9×23.6×2.2mm，因此天線姿態(tài)信息采集器尺寸小巧，安裝方便。通信模塊由NB-IoT模塊、SIM卡座、電源電路、串口電平轉(zhuǎn)換電話和復(fù)位電路組成。NB-IoT通信模塊通過串口與主控模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可將通信模塊的RXD、TXD連接到主控芯片的串口對應(yīng)管腳進行串口通信。

3 軟件設(shè)計

程序采用功能模塊化設(shè)計，包括主程序，傳感器數(shù)據(jù)采集處理程序、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信程序等。其中主程序MCU采用低功耗配置，系統(tǒng)初始化完成后，進入低功耗模式，通過RTC每50ms喚醒一次，采集天線姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，存儲在MCU的EEPROM中。MCU打開內(nèi)部實時時鐘，與設(shè)定的定時上傳時間進行匹配，若時間一致，立即開啟NB模塊， MCU獲取當(dāng)前NB模塊的信號值，連接服務(wù)器，上傳打包好的數(shù)據(jù)，上傳完成后等待服務(wù)器回復(fù)應(yīng)答指令，整個上傳過程結(jié)束。關(guān)閉外設(shè)進入低功耗模式，等待下次上傳定時時間。

4 系統(tǒng)測試

天線姿態(tài)監(jiān)測器完成研制后，接入天線姿態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，在珠海聯(lián)通針對現(xiàn)網(wǎng)天線進行了試用。在瀏覽器里輸入平臺的IP地址、用戶名和密碼，即可進行相關(guān)的瀏覽及操作，在系統(tǒng)中可以監(jiān)測所有天線的方位角、下傾角、橫滾角，若由設(shè)備故障則會發(fā)出告警信息，并且可以保留歷史數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實時監(jiān)測天線方位角、下傾角、橫滾角狀態(tài)

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)移動通信基站管理的信息化和自動化[8]，文中設(shè)計開發(fā)了一套基于STM32F103VET6和NB-IoT通信模塊BC95的移動通信基站天線姿態(tài)監(jiān)測器。通過PC等終端遠程采集基站天線姿態(tài)工作參數(shù)，同時可及時獲取異常報警信息。測試結(jié)果表明，該天線姿態(tài)監(jiān)測器實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測，運行穩(wěn)定，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。