天線姿態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)中管控主機(jī)的設(shè)計(jì)

唐 升，張展培

（珠海市東耀企業(yè)有限公司，廣東 珠海 519060）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，現(xiàn)在已快速進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，手機(jī)、平板等許多移動(dòng)終端都依賴于運(yùn)營(yíng)商提供的2G、3G乃至4G的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的質(zhì)量、覆蓋范圍等直接影響用戶的正常通話和上網(wǎng)。為了提高用戶的使用體驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)商特別注重信號(hào)基站的部署、網(wǎng)優(yōu)等，在日常的運(yùn)維中也特別關(guān)心基站天線的姿態(tài)，它直接影響無(wú)線信號(hào)的覆蓋，需要做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)還需要到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)電調(diào)天線的電傾角等。

由于某些歷史原因電調(diào)天線的協(xié)議出現(xiàn)了AISG1.1[1]版本到AISG2.0[2]版本，這些不同時(shí)期的版本不能完全兼容。本方案的管控主機(jī)在硬件和軟件上解決了這兩個(gè)版本的兼容問題，可集中管理不同廠家的電調(diào)，同時(shí)還支持天線傳感器的接入。管控主機(jī)的設(shè)計(jì)為天線姿態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及電調(diào)的集中管理提供了便捷、有效的方案[3-4]。

1 整體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

天線姿態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)[3]的應(yīng)用框圖如圖1所示，應(yīng)用框架由以下幾部分組成：天線基站現(xiàn)場(chǎng)的姿態(tài)傳感器、電調(diào)、管控主機(jī)、部署在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房的服務(wù)器以及用戶經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)器的客戶端。

圖1 系統(tǒng)的應(yīng)用框圖

遠(yuǎn)端的姿態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)天線的方位角、下傾角、橫滾角等姿態(tài)，電調(diào)讀取或控制天線的電傾角，而管控主機(jī)經(jīng)485總線獲取傳感器的姿態(tài)和電調(diào)的控制信息再經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器軟件再做相應(yīng)的管理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在用戶端，只要有可上網(wǎng)的終端就可以登錄服務(wù)器的Web界面，可對(duì)基站、天線、電調(diào)的信息進(jìn)行瀏覽，也可以遠(yuǎn)程對(duì)電調(diào)進(jìn)行控制等，如果出現(xiàn)天線姿態(tài)告警情況，可以迅速定位告警的地點(diǎn)或進(jìn)一步到現(xiàn)場(chǎng)去維護(hù)。

在圖1的應(yīng)用框架中，管控主機(jī)起到中介橋梁作用，除了要管理分散在基站天線上的姿態(tài)傳感器和電調(diào)外，還要把相關(guān)的定位信息、姿態(tài)信息、電調(diào)控制信息等經(jīng)GPRS傳送到服務(wù)器。

在管控主機(jī)上需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：GPS定位、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、AISG協(xié)議的處理，其中姿態(tài)傳感器和電調(diào)共用一條485總線，姿態(tài)傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的AISG2.0協(xié)議，而電調(diào)由于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的歷史原因可能會(huì)有不同的版本，如AISG2.0或AISG1.1等，因此管控主機(jī)還要在軟硬件上支持早期采用AISG1.1協(xié)議且已在運(yùn)營(yíng)商使用的老的電調(diào)。

2 管控主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

圖2所示是管控主機(jī)的硬件功能框圖，主要由STM32處理器、電源管理、防雷及保護(hù)、485收發(fā)控制、GPS模塊、無(wú)線模塊、EEPROM、串口232等部分組成，其中處理器核心部分采用32位ARM系列的Cortex-M3處理器，其1.25 DMips/MHz的運(yùn)算速度極大地保障了系統(tǒng)的處理性能，它豐富的外設(shè)便于外圍功能的擴(kuò)展。

圖2 管控主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

圖3是無(wú)線數(shù)據(jù)模塊電路，由于實(shí)際會(huì)應(yīng)用在GSM網(wǎng)絡(luò)或CDMA網(wǎng)絡(luò)中，因此手機(jī)模塊采用華為的GSM模塊MG323或CDMA模塊MC323，它們?cè)谟布涌谏鲜峭耆嫒莸模粋€(gè)硬件版本就支持兩種模塊。無(wú)線模塊經(jīng)串口由STM32進(jìn)行控制，兩個(gè)模塊的AT命令、處理流程上的不同就由軟件進(jìn)行特殊的處理，實(shí)現(xiàn)同一版本軟件支持GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)。

在485接口的定義上最早的AISG1.0定義的A端是PIN3，B端是PIN5，規(guī)范升級(jí)為AISG1.1后改為A端是PIN5，B端是PIN3，而新的AISG2.0規(guī)范中485接口腳位不變只是在通信的鏈路層和應(yīng)用層做了修改。在實(shí)際應(yīng)用中既有AISG1.1規(guī)范的電調(diào)，也有AISG2.0規(guī)范的電調(diào)。特別是有些廠家為了兼容老版本的接口，接口腳位依然按AISG1.0標(biāo)準(zhǔn)，軟件協(xié)議卻按AISG2.0的規(guī)范。這些歷史原因?qū)е滦吕习姹镜碾娬{(diào)硬件和軟件都不同。本文設(shè)計(jì)的主機(jī)方案就是要使它們都能接入并被管理，為此采取了以下措施。

圖4所示是485接口控制電路，電路中采用半導(dǎo)體芯片對(duì)AB線進(jìn)行軟切換，因?yàn)閴勖纫蛩夭豢紤]用繼電器。圖4（c）中采用兩片485芯片U3和U4，采用時(shí)分工作方式來處理在485總線上AB線正接或反接的設(shè)備，這兩片485芯片由STM32控制U5 74HC4053模擬開關(guān)進(jìn)行切換，對(duì)于STM32也只需要處理一個(gè)串口的收發(fā)數(shù)據(jù)。由于AB線的極性可能會(huì)頻繁地由軟件進(jìn)行切換，為保證通信的質(zhì)量及空閑時(shí)485的A端與B端的電位差大于200 mV，在AB端上加了上下拉電阻R5和R7并且由U2二選一選擇器74LVC157進(jìn)行切換。當(dāng)軟件選擇U3時(shí)R5為上拉，R7為下拉；反之選擇U4時(shí)R5為下拉R7為上拉，使得485總線空閑時(shí)總是保持穩(wěn)定的邏輯1狀態(tài)。圖4（d）是485的輸出及保護(hù)電路，防止被雷擊感應(yīng)等影響而損壞器件。

圖3 無(wú)線數(shù)據(jù)模塊電路

3 管控主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，管控主機(jī)系統(tǒng)軟件分IAP和APP兩部分。IAP軟件主要負(fù)責(zé)本地的APP軟件下載以及遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)更新APP軟件等，APP軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用功能及協(xié)議處理等。

管控主機(jī)的APP軟件采用Keil公司的RTX嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在RTX操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用功能，軟件的結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

管控主機(jī)軟件結(jié)構(gòu)中包括：（1）管理硬件的底層軟件，主要有CPU的基本初始化、硬件接口的處理、特殊芯片的初始化等；（2）RTX操作系統(tǒng)層，是操作系統(tǒng)的內(nèi)核層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度、消息的傳遞等；（3）BSL層，是介于應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層與RTX內(nèi)核層之間的一層，主要負(fù)責(zé)應(yīng)用層及驅(qū)動(dòng)層與RTX的銜接；（4）驅(qū)動(dòng)層，在RTX操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)各硬件模塊的功能以及為應(yīng)用層提供相應(yīng)的接口；（5）應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用的基本功能，如AISG協(xié)議處理[1-2，5-8]、GPS功能、PC串口配置功能、GPRS協(xié)議處理、系統(tǒng)的狀態(tài)及異常處理等。

其中AISG的任務(wù)是處理485總線上相關(guān)設(shè)備的信息，支持AISG1.1和AISG2.0協(xié)議處理。在設(shè)備上電初期，任務(wù)啟動(dòng)對(duì)485總線上的設(shè)備進(jìn)行搜索，其搜索的基本流程圖[9]如圖6所示。管控主機(jī)對(duì)485總線總共搜索2次，第一次對(duì)正向AB線設(shè)備進(jìn)行搜索，并記錄搜索到的新設(shè)備信息以及AB線狀態(tài)；第二次反轉(zhuǎn)AB線進(jìn)行搜索，同樣記錄下反向AB線狀態(tài)下的新設(shè)備信息。

圖4 485接口控制電路

圖5 管控主機(jī)APR軟件框圖

圖6 設(shè)備搜索基本流程

兩次搜索結(jié)束后CPU就了解了485總線的設(shè)備情況、版本信息等，如需要對(duì)反向AB線設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，先選擇反向的485芯片，并向485總線發(fā)送數(shù)據(jù)。總線上其他正向AB線的設(shè)備也處于接收狀態(tài)，但由于AB線與此時(shí)的管控主機(jī)的AB線輸出是相對(duì)反接的，主機(jī)發(fā)送邏輯1對(duì)端收到的是0，因此對(duì)端收到的數(shù)據(jù)包碼流與主機(jī)發(fā)送的不一樣，在鏈路層數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)校驗(yàn)錯(cuò)誤并且被丟棄。這樣也保證了向正向AB線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)影響反接AB線的其他設(shè)備。

無(wú)線數(shù)據(jù)模塊的基本流程如圖7所示，軟件同時(shí)兼容不同模塊的要點(diǎn)是利用模塊的AT+CGMM命令來識(shí)別模塊的型號(hào)，如GSM模塊當(dāng)收到AT+CGMM命令后會(huì)應(yīng)答一個(gè)MG323字符串，程序?qū)ψ址M(jìn)行比較就可以知道模塊的型號(hào)。在程序的驅(qū)動(dòng)及接口層可根據(jù)模塊的型號(hào)進(jìn)行特殊處理，各自走不同的分支，對(duì)于應(yīng)用層的調(diào)用可以不管模塊的型號(hào)，都統(tǒng)一調(diào)為相同的API。

圖7 數(shù)據(jù)模塊基本操作流程

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及結(jié)論

天線姿態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)在完成研發(fā)設(shè)計(jì)后相繼在珠海聯(lián)通、中山聯(lián)通、珠海電信、蘇州電信等地方進(jìn)行試用，現(xiàn)場(chǎng)效果良好。管控主機(jī)現(xiàn)場(chǎng)與多家電調(diào)進(jìn)行成功對(duì)接，有京信、Andrew、Kathrein、桑瑞、盛路等廠家，有AISG1.1版本也有AISG2.0版本，管控主機(jī)上電能夠搜索到不同型號(hào)電調(diào)的ID，能夠進(jìn)行電調(diào)信息讀取、校準(zhǔn)、調(diào)節(jié)電傾角等操作。

較復(fù)雜的基站現(xiàn)場(chǎng)，如中山聯(lián)通試點(diǎn)的一個(gè)站點(diǎn)，該基站聯(lián)通的天線有6面，其中GSM 900 MHz天線3面，1 800～2 100 MHz的雙頻天線3面。現(xiàn)場(chǎng)安裝了6個(gè)姿態(tài)傳感器，接了9個(gè)電調(diào)，其中3個(gè)京信電調(diào)、6個(gè)Andrew電調(diào)。管控主機(jī)能夠正確搜索到所有的電調(diào)和傳感器，并實(shí)時(shí)地上報(bào)天線的姿態(tài)情況，用戶登錄服務(wù)器Web界面能夠查看相應(yīng)的基站及天線的信息，當(dāng)出現(xiàn)告警時(shí)能及時(shí)提醒維護(hù)人員，維護(hù)人員也可以在Web界面上遠(yuǎn)程對(duì)電調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)操作，省去了到現(xiàn)場(chǎng)操作的麻煩，為日常運(yùn)維提供了便捷的方案，提高了運(yùn)維效率。

[1]Antenna Interface Standards Group Standard No．AISG1：Issue 1.1 30 July 2004，Control interface for antenna line devices[S]．2004.

[2]Antenna Interface Standards Group Standard No．AISG v2.0 13th june 2006，Control interface for antenna line devices[S]．2006.

[3]唐升，張展培.支持電調(diào)功能的天線姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2014，43（4）：79-83

[4]唐升，丁舒鈞，張展培，等．支持電調(diào)功能的天線姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[P].中國(guó)：ZL201320038356.5．2013-08-28．

[5]3GPP TS 25.460 V10.0.1，UTRAN Iuant interface：general aspects and principles[S]．

[6]3GPP TS 25.461 V10.2.0，UTRAN Iuant interface：layer 1[S]．

[7]3GPP TS 25.462 V8.1.0，UTRAN Iuant interface：signalling transport[S]．

[8]3GPP TS 25.463 V6.4.0，UTRAN Iuant interface：remote electrical tilting（RET）antenna application prat（RETAP）signaling[S]．

[9]李文生，羅仁澤，呂燚，等．電調(diào)天線設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電訊技術(shù)，2011，51（1）：68-73.