移動通信基站天線姿態監測器研制研究

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摘要：為了實現移動通信基站管理的信息化和自動化，文中設計開發了一套基于STM32F103VET6和NB-IoT通信模塊BC95的移動通信基站天線姿態檢測器。該系統利用傳感器和NB-IoT技術，通過PC終端遠程采集基站天線姿態工作參數，同時可及時獲取異常報警信息，方便運營商實現數字化、精準化、智能化管理。測試結果表明，該天線姿態監測器實現了遠程數據監測，運行穩定，達到了預期設計目標。

關鍵詞：移動通信基站；天線姿態；NB-IoT技術;實時監測

隨著移動通信技術的飛速發展，我國移動用戶規模持續擴大，運營商需加大移動通信基站的建設和管理投入，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基站主設備和室外天饋系統，目前只有基站機房設備和環境已實現信息化的可管可控，而室外的天線卻還未實施自動監測。但天線姿態又最直接影響信號覆蓋范圍和覆蓋質量[1]，所以天線姿態監測是移動通信基站管理的重點。天線姿態工作參數，包括天線方位角、下傾角、橫滾角、經緯度、掛高等數據，現有的天線工作參數采集手段仍然為人工上站測量、記錄、導入網管系統等傳統方式，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測基站天線姿態技術方案，該方案利用NB-IOT無線數據通信技術，選用高精度傳感器模塊，實現基站天線姿態的實時精確測量、監控預警功能，為設備運維、網絡優化提供可靠、精確的數據支持，從而降低運營商維護成本，提高工作效率，高效保障通信網絡質量[2]。

1系統總體設計思路

基于NB-IoT技術的移動通信基站天線監測系統的總體框圖設計如圖1所示，主要包括以下部分：安裝在基站天線的姿態監測器、部署在運營商機房的服務器，以及負責代維技術人員的客戶端[3]。天線姿態監控器安裝在基站天線外殼的背部，可實時監測基站天線的姿態參數，包括方位角、下傾角、橫滾角，借助NB-IoT通信網絡將參數回傳到服務器管理平臺，管理人員通過后臺管理系統即可遠程監測基站天線工作狀態。圖1系統總框架結構圖在本系統中，天線姿態監測器是核心主體，屬于物聯網架構中的智能硬件終端，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，數據存儲信息記錄EEPROM，電源模塊組成，如圖2所示。

2硬件設計

2.1天線方位角監測模塊

基站天線的方位角是指天線輻射口面的朝向。在移動通信的網絡優化過程中，基站天線的方位角是最重要的天線工作參數之一。國際上現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，容易受周圍環境以及人為因素影響，且無法實現實時測量[4]。GPS衛星測量利用兩個GPS天線接收太空中衛星群的信號，通過測量每個衛星在兩個GPS天線上輸出信號的相位差，結合針對多個衛星的測量數據，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、響應速度快、功耗低的優點。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、橫滾角的傳統測量方式也是需要人工爬杠爬塔進行，或者采用光學測量的方法，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，利用無論坐標系如何轉動，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，根據三角函數公式，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字加速度計MMA8451Q，該款傳感器具有14位分辨率，3mm×3mm×1mmQFN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，可以通過設置中斷節省整體功耗[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工作參數，并且實現遠距離數據傳輸。結合本系統低功耗、高性能、需擴展外圍功能的設計要求，主控芯片選用了意法半導體有限公司的32位基于Cortex-M3內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等通信標準接口，其豐富的外設資源，使得幾乎不需要擴展太多的外圍電路就能滿足設計要求[7]。

2.4NB-IoT通信模塊

NB-IoT通信模塊主要實現基站天線姿態監測智能終端和服務器的信息交互。本系統選用了移遠通信的BC95，該模塊是全球首款符合3GPPR13標準的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，工作在授權頻段，安全穩定。BC95模塊尺寸僅為19.9×23.6×2.2mm，因此天線姿態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、串口電平轉換電話和復位電路組成。NB-IoT通信模塊通過串口與主控模塊實現數據交換，可將通信模塊的RXD、TXD連接到主控芯片的串口對應管腳進行串口通信。

3軟件設計

程序采用功能模塊化設計，包括主程序，傳感器數據采集處理程序、NB-IoT網絡通信程序等。其中主程序MCU采用低功耗配置，系統初始化完成后，進入低功耗模式，通過RTC每50ms喚醒一次，采集天線姿態傳感器數據，存儲在MCU的EEPROM中。MCU打開內部實時時鐘，與設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獲取當前NB模塊的信號值，連接服務器，上傳打包好的數據，上傳完成后等待服務器回復應答指令，整個上傳過程結束。關閉外設進入低功耗模式，等待下次上傳定時時間。

4系統測試

天線姿態監測器完成研制后，接入天線姿態監控管理系統平臺，在珠海聯通針對現網天線進行了試用。在瀏覽器里輸入平臺的IP地址、用戶名和密碼，即可進行相關的瀏覽及操作，在系統中可以監測所有天線的方位角、下傾角、橫滾角，若由設備故障則會發出告警信息，并且可以保留歷史數據，如圖3所示。

5結語

為了實現移動通信基站管理的信息化和自動化[8]，文中設計開發了一套基于STM32F103VET6和NB-IoT通信模塊BC95的移動通信基站天線姿態監測器。通過PC等終端遠程采集基站天線姿態工作參數，同時可及時獲取異常報警信息。測試結果表明，該天線姿態監測器實現了遠程數據監測，運行穩定，達到了預期設計目標。

參考文獻

[1]莫建榮,林泉,黃國鈿,葉家孺.基于移動網絡NB-IoT技術的基站天線姿態監控管理系統及其應用[A].2019廣東通信青年論壇優秀論文專刊[C].2019.

[2]高屹，和凱.高精度小型化基站天線工作參數實時監測技術研究[J].電信技術,2017(9)：5-12.

[3]唐升,張展培.天線姿態監控管理系統中管控主機的設計[J].微型機與應用,2014,33(20):25-28.

[4]唐升,張展培.支持電調功能的天線姿態監控系統開發與實現[J].電子技術,2014,43(4):79-83

[5]王寶瑩，安森忠.基于物聯網傳感器的基站天線姿態監測系統及應用[A].廣東通信青年論壇優秀論文集[C].2019.

[6]佚名.MMA8451Q:智能低功耗三軸加速度計解決方案[J].世界產品與技術,2012(9):15-17.

[7]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用,2010,(12):59-63.

[8]劉玉潔,唐升.基于NB-IOT技術的移動通信基站設備管理系統研發[J].電子設計工程.2018(16).

作者：劉玉潔 唐升 張展培 單位：珠海城市職業技術學院