基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA智能天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)

穆維新，施　俊，申金媛，劉潤(rùn)杰，寇丹麗

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450001）

?

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA智能天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)

穆維新，施俊，申金媛，劉潤(rùn)杰，寇丹麗

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450001）

摘要：由于智能天線的波束成形技術(shù)，傳統(tǒng)測(cè)量電磁輻射的方法已不適用于TD-SCDMA智能天線。該文設(shè)計(jì)一種TD-SCDMA智能天線的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)智能天線的特點(diǎn)，應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)獲取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值。另外，還提供一種測(cè)量點(diǎn)的布設(shè)方案，并使用該方案進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度高于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，進(jìn)而可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行電磁環(huán)境的測(cè)評(píng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；智能天線；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；信號(hào)強(qiáng)度；測(cè)量系統(tǒng)

0　引言

智能天線[1]作為移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前已廣泛應(yīng)用在TD-SCDMA[2]等3G系統(tǒng)中。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向（direction of arrival，DOA），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的[3]。

目前，對(duì)第二代通信系統(tǒng)基站信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量方法已經(jīng)較為成熟，大多采用頻譜儀加場(chǎng)強(qiáng)儀的測(cè)量方法。業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)有《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》[4]、HJ/T 10.2——1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射檢測(cè)儀器和方法》[5]、HJ/T 10.3——1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》[6]等，這些方法都是針對(duì)第二代通信系統(tǒng)提出的，并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)智能天線的電磁場(chǎng)分布情況。

1　傳統(tǒng)方法的問(wèn)題

針對(duì)TD-SCDMA基站天線電磁輻射的測(cè)量，目前仍使用頻譜儀加場(chǎng)強(qiáng)儀的傳統(tǒng)方法，但是這種傳統(tǒng)方法并不完全適用于智能天線。

1）準(zhǔn)確度問(wèn)題。傳統(tǒng)方法通過(guò)記錄各分頻值，對(duì)各分頻值進(jìn)行矢量疊加計(jì)算，得到該測(cè)點(diǎn)在某頻率范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)值[7]。但是TD-SCDMA基站的上下行鏈路在同一頻率不同時(shí)隙下工作，而且其頻率和移動(dòng)臺(tái)的位置密切相關(guān)，即其工作頻率可能為2 010～2025 MHz[8]之間的任意值。因此，傳統(tǒng)方法在單一頻率范圍內(nèi)測(cè)得的值并不能真實(shí)反映出該測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值。另外，傳統(tǒng)方法只能逐一測(cè)量單個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，完全忽略了其他用戶的干擾，這進(jìn)一步降低了測(cè)量值的精度。

2）工作量問(wèn)題。傳統(tǒng)方法要求在單個(gè)測(cè)點(diǎn)單次測(cè)量的時(shí)間≥15s，讀取狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的最大值。若儀器讀數(shù)變化較大時(shí)，需適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，才能獲得該點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值[9]。一般情況下，基站需要測(cè)量的測(cè)點(diǎn)較多，采集的數(shù)據(jù)量較大，使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率非常低。因此需要一種快速準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)減少工作量。

針對(duì)以上傳統(tǒng)方法的不足，本文提出了一種TDSCDMA智能天線的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)智能天線的特點(diǎn)，應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值；還提供了一種測(cè)量點(diǎn)的布設(shè)方案，并使用設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

2　測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的智能天線信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)主要由接收天線、測(cè)量系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。接收天線為節(jié)點(diǎn)模塊上自帶的小型天線，用于信號(hào)的發(fā)送和接收；測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成，主要用于測(cè)量點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集；傳輸系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，用于采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作并處理測(cè)量系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)中的每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)都是由TD-SCDMA模塊、微處理器、ZigBee模塊和GPS 4個(gè)模塊構(gòu)成，如圖2所示。

自帶小型天線的TD-SCDMA模塊，通過(guò)下行鏈路主動(dòng)向TD-SCDMA基站發(fā)出測(cè)量請(qǐng)求消息，誘導(dǎo)智能天線對(duì)其進(jìn)行波束賦形，建立通信鏈路。系統(tǒng)采用TD-SCDMA/GPRS雙模模塊LC6311產(chǎn)品[10]，可直接獲得測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值：當(dāng)查詢結(jié)果為-109～-53 dB時(shí)，直接讀取信號(hào)強(qiáng)度；當(dāng)查詢結(jié)果為100～199 dB之間時(shí)，先減100再減116的最終結(jié)果就是信號(hào)強(qiáng)度值。

圖1　號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2　節(jié)點(diǎn)的各模塊連接示意圖

ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)的功能是連接各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

ARM模塊作為節(jié)點(diǎn)的微處理器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的通信，控制各模塊的工作狀態(tài)。GPS模塊的作用是提供每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，并為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供同步時(shí)鐘。

傳輸系統(tǒng)采用由節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊自組織形成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕?lèi)型為星形，如圖3所示。ZigBee是一種成本低功耗低但可靠性高的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，采用動(dòng)態(tài)路由的方式，能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，快速形成一個(gè)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，有利于測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。

圖3　傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器和處理器組成，處理器對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)處理器和各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)路由。

2.2測(cè)量系統(tǒng)工作原理

在測(cè)量數(shù)據(jù)之前，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試：首先處理器通過(guò)協(xié)調(diào)器向各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)廣播控制指令，調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的工作模式、傳輸模式、收發(fā)狀態(tài)等；然后各節(jié)點(diǎn)向處理器反饋?zhàn)陨淼幕緮?shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（由各節(jié)點(diǎn)的GPS模塊提供）、各模塊的工作狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)的電池壽命等。完成系統(tǒng)調(diào)試之后，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集階段：TD-SCDMA模塊采集測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，傳送給微處理器；微處理器接收到采集數(shù)據(jù)之后，通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)；處理器接收到各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并存入內(nèi)存中。

3　測(cè)量點(diǎn)的布設(shè)方案

TD-SCDMA智能天線發(fā)射的波束方向性很強(qiáng)，其周?chē)椒较?60°范圍內(nèi)，可劃分為3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為120°。方案中，在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)布設(shè)了30個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。文中只給出第1扇區(qū)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案，第2扇區(qū)和第3扇區(qū)可參照第1扇區(qū)的方案進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。一般情況下，天線主瓣上的測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)為旁瓣上測(cè)點(diǎn)數(shù)的3～4倍。具體的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案如下：

1）確定中心點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)量中，要根據(jù)基站智能天線的安裝方向和下傾角來(lái)確定測(cè)量點(diǎn)的位置[11]。以TD-SCDMA基站為中心，利用智能天線的下傾角角度值和基站頂端到測(cè)量節(jié)點(diǎn)所在水平面的垂直高度值計(jì)算出測(cè)量中心點(diǎn)與基站中心點(diǎn)的距離，從而確定測(cè)量中心點(diǎn)的位置，并且保證該點(diǎn)沒(méi)有被遮擋，使反射或折射值達(dá)到最小。

2）布設(shè)主瓣方向的測(cè)點(diǎn)。以天線任意點(diǎn)和中心點(diǎn)在地面的投影線作一條射線，以此射線作為主瓣方向，依次均勻布設(shè)10個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，分別為M1～M10。

3）布設(shè)旁瓣方向的測(cè)點(diǎn)。以基站天線為中心，旁瓣方向上每隔30°依次布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4　單扇區(qū)內(nèi)的布點(diǎn)方案

4　測(cè)量方案與結(jié)果分析

4.1測(cè)量方案

文中設(shè)計(jì)了兩個(gè)測(cè)量方案，對(duì)鄭州大學(xué)行政樓頂安裝的TD-SCDMA基站進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。該基站的天線型號(hào)為MB3G-PSA4-15DT6-Y，掛高27m，載波數(shù)為4或6，下傾角為9°。測(cè)試點(diǎn)分布的位置是一條水泥路，無(wú)障礙物遮擋，測(cè)量時(shí)天氣晴朗，基本符合測(cè)量的環(huán)境要求[12]。

方案1：只容許一個(gè)節(jié)點(diǎn)與基站建立通信鏈路，而其余節(jié)點(diǎn)不與基站通信，同時(shí)測(cè)量所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值。測(cè)量時(shí)首先從主瓣上的M1開(kāi)始，依次測(cè)量主瓣上各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，直到M10結(jié)束。然后分別測(cè)量旁瓣上S11～S15、S21～S25、S31～S35、S41～S45這些測(cè)量節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值。如此逐一測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)與基站通信時(shí)，所有測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。

方案2：30個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)與基站通信，測(cè)量所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值。

4.2結(jié)果與分析

1）以主瓣上的測(cè)點(diǎn)M3和M5為例，測(cè)量結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　M3單獨(dú)與基站通信時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度分布情況

圖6　M5單獨(dú)與基站通信時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度分布情況

可以明顯地看到主瓣方向上出現(xiàn)一個(gè)尖峰（M3 或M5處），說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)與基站通信時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度值達(dá)到最大，這是智能天線對(duì)測(cè)點(diǎn)（M3或M5）進(jìn)行波束賦形的結(jié)果。

2）當(dāng)30個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)與基站建立通信鏈路時(shí)，如圖7所示，主瓣方向和旁瓣方向上測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度都隨著測(cè)點(diǎn)與基站距離的增加而減弱。與圖5和圖6相比，測(cè)點(diǎn)M3的信號(hào)強(qiáng)度增大了5 dB，測(cè)點(diǎn)M5的信號(hào)強(qiáng)度增大了2dB。由此可見(jiàn)，測(cè)量TD-SCDMA基站的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，用戶之間的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響。

圖7　所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)與基站通信的信號(hào)強(qiáng)度分布圖

3）圖8給出了使用“方案2”采集的數(shù)據(jù)、使用傳統(tǒng)方法測(cè)量的數(shù)據(jù)和理論值[13]三者之間的比較圖。由于智能天線的能量主要集中在主瓣方向上，圖中只給出了主瓣方向上測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。可以看到，與傳統(tǒng)方法[7]相比，本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)更接近理論值，表明該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)的測(cè)量方法。

圖8　主瓣方向上兩種方法測(cè)量值與理論值的比較

5　結(jié)束語(yǔ)

本文基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，提出了一種TD-SCDMA智能天線的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，且其測(cè)量準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，進(jìn)而可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行電磁輻射的環(huán)境測(cè)評(píng)。在接下來(lái)的研究中，考慮采用非線性時(shí)間序列的方法去除測(cè)量結(jié)果中的噪聲干擾。另外，文中設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)同樣適用于測(cè)評(píng)WCDMA和CDMA2000基站的電磁輻射問(wèn)題，只需要更換TDSCDMA模塊即可。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鳴，袁超偉，賈寧，等.智能天線技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：52-59.

[2] TICHAVSKY P，WONG K T. Near-field/far-field azimuth and elevation angle estimation using a single vector hydrophone[J]. Signal Processing IEEE Transactions，2001，49（11）：2498-2510.

[3]彭木根，王文博. TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：59-63.

[4]移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法（試行）[S].北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2007.

[5]輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法：HJ/T 10.2——1996[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[6]輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)：HJ/T 10.3——1996[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[7]朱丹，戴繼偉.移動(dòng)通信基站的環(huán)境電磁輻射測(cè)量與分析[J].上海環(huán)境科學(xué)，1997，16（11）：32-34.

[8]段紅光，畢敏，羅一靜. TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議體系與信令流程[M].北京：人民郵電出版社，2007：112-117.

[9]戚風(fēng)，畢志剛，果娟. GSM數(shù)字移動(dòng)通信基站電磁輻射測(cè)量與分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2001，17（2）：32-37.

[10]吳方.基于LC6311的TD終端系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[11]劉潤(rùn)杰，劉紅欣，申金媛. TD-SCDMA智能天線電磁環(huán)境測(cè)試方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（7）：51-52.

[12]陳園園. TD-SCDMA基站電磁輻射測(cè)量和預(yù)測(cè)方法研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[13]常廣亮，鄒澎，孫漢卿.通信基站電磁輻射測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安全與電磁兼容，2009（2）：8.

（編輯：李剛）

A signal strength measurement system of TD-SCDMA smart antenna based on ZigBee

MU Weixin，SHI Jun，SHEN Jinyuan，LIU Runjie，KOU Danli
（School of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract:Due to beam forming technique of the smart antenna，the traditional method which measure electromagnetic radiation has been unwell for TD -SCDMA smart antennas. A signal strength measurement system of TD-SCDMA smart antennas based on ZigBee is proposed in this paper. The measurement system based on the characteristics of smart antennas and the application of ZigBee network，achieve the signal strength of multiple measurement points rapidly. In addition，the paper also provides a measurement point layout program，and then uses it in field measurements. Compared with the traditional method，the measurement system has higher precision and can be more useful to the electromagnetic environment assessment with a strong practical value.

Keywords:TD-SCDMA；smart antenna；ZigBee；signal strength；measurement system

作者簡(jiǎn)介：穆維新（1958-），男，山西平定縣人，高級(jí)工程師，副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代交換技術(shù)及通信網(wǎng)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（200909106）

收稿日期：2015-01-27；收到修改稿日期：2015-02-21

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.017

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0075-04