基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA智能天線信號強度測量系統(tǒng)

穆維新，施　俊，申金媛，劉潤杰，寇丹麗

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450001）

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基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA智能天線信號強度測量系統(tǒng)

穆維新，施俊，申金媛，劉潤杰，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)測量電磁輻射的方法已不適用于TD-SCDMA智能天線。該文設(shè)計一種TD-SCDMA智能天線的信號強度測量系統(tǒng)，根據(jù)智能天線的特點，應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時獲取多個測量點的信號強度值。另外，還提供一種測量點的布設(shè)方案，并使用該方案進行實際測量。實際測量結(jié)果顯示：設(shè)計的測量系統(tǒng)的測量精度高于傳統(tǒng)的測量方法，進而可以更準(zhǔn)確地進行電磁環(huán)境的測評，具有較強的實用價值。

關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；智能天線；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；信號強度；測量系統(tǒng)

0　引言

智能天線[1]作為移動通信的關(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線電的信號導(dǎo)向具體方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向（direction of arrival，DOA），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的[3]。

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

1　傳統(tǒng)方法的問題

針對TD-SCDMA基站天線電磁輻射的測量，目前仍使用頻譜儀加場強儀的傳統(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)確度問題。傳統(tǒng)方法通過記錄各分頻值，對各分頻值進行矢量疊加計算，得到該測點在某頻率范圍內(nèi)的場強值[7]。但是TD-SCDMA基站的上下行鏈路在同一頻率不同時隙下工作，而且其頻率和移動臺的位置密切相關(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)測得的值并不能真實反映出該測點的信號強度值。另外，傳統(tǒng)方法只能逐一測量單個測點的信號強度值，完全忽略了其他用戶的干擾，這進一步降低了測量值的精度。

2）工作量問題。傳統(tǒng)方法要求在單個測點單次測量的時間≥15s，讀取狀態(tài)穩(wěn)定時的最大值。若儀器讀數(shù)變化較大時，需適當(dāng)延長測量時間，才能獲得該點的信號強度值[9]。一般情況下，基站需要測量的測點較多，采集的數(shù)據(jù)量較大，使用傳統(tǒng)的測量方法費時費力，工作效率非常低。因此需要一種快速準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)來減少工作量。

針對以上傳統(tǒng)方法的不足，本文提出了一種TDSCDMA智能天線的信號強度測量系統(tǒng)，根據(jù)智能天線的特點，應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時測量多個測點的信號強度值；還提供了一種測量點的布設(shè)方案，并使用設(shè)計的測量系統(tǒng)進行了實際測量。

2　測量系統(tǒng)的設(shè)計

2.1信號強度測量系統(tǒng)

本文設(shè)計的智能天線信號強度測量系統(tǒng)主要由接收天線、測量系統(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)點模塊上自帶的小型天線，用于信號的發(fā)送和接收；測量系統(tǒng)由多個測量節(jié)點組成，主要用于測量點信號強度的數(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)和控制信號的傳輸；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作并處理測量系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)。

測量系統(tǒng)中的每個測量節(jié)點都是由TD-SCDMA模塊、微處理器、ZigBee模塊和GPS 4個模塊構(gòu)成，如圖2所示。

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

圖1　號強度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2　節(jié)點的各模塊連接示意圖

ZigBee模塊實現(xiàn)的功能是連接各個測量節(jié)點，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

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

傳輸系統(tǒng)采用由節(jié)點ZigBee模塊自組織形成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蜑樾切?，如圖3所示。ZigBee是一種成本低功耗低但可靠性高的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，采用動態(tài)路由的方式，能適應(yīng)節(jié)點的移動，快速形成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，有利于測量數(shù)據(jù)的實時傳送。

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，處理器對各個節(jié)點采集的測量數(shù)據(jù)進行處理和分析，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)處理器和各節(jié)點間的數(shù)據(jù)路由。

2.2測量系統(tǒng)工作原理

在測量數(shù)據(jù)之前，要對系統(tǒng)進行調(diào)試：首先處理器通過協(xié)調(diào)器向各個測量節(jié)點廣播控制指令，調(diào)整各節(jié)點的工作模式、傳輸模式、收發(fā)狀態(tài)等；然后各節(jié)點向處理器反饋自身的基本數(shù)據(jù)，包括節(jié)點的位置坐標(biāo)（由各節(jié)點的GPS模塊提供）、各模塊的工作狀態(tài)以及節(jié)點的電池壽命等。完成系統(tǒng)調(diào)試之后，系統(tǒng)進入測點的信號強度數(shù)據(jù)采集階段：TD-SCDMA模塊采集測點的信號強度數(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ZigBee模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)；處理器接收到各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行融合并存入內(nèi)存中。

3　測量點的布設(shè)方案

TD-SCDMA智能天線發(fā)射的波束方向性很強，其周圍水平方向360°范圍內(nèi)，可劃分為3個扇區(qū)，每個扇區(qū)為120°。方案中，在一個扇區(qū)內(nèi)布設(shè)了30個測量節(jié)點。文中只給出第1扇區(qū)測點的布設(shè)方案，第2扇區(qū)和第3扇區(qū)可參照第1扇區(qū)的方案進行測點的布設(shè)。一般情況下，天線主瓣上的測點數(shù)應(yīng)為旁瓣上測點數(shù)的3～4倍。具體的測點布設(shè)方案如下：

1）確定中心點。在實際測量中，要根據(jù)基站智能天線的安裝方向和下傾角來確定測量點的位置[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量節(jié)點所在水平面的垂直高度值計算出測量中心點與基站中心點的距離，從而確定測量中心點的位置，并且保證該點沒有被遮擋，使反射或折射值達(dá)到最小。

2）布設(shè)主瓣方向的測點。以天線任意點和中心點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個測量節(jié)點，分別為M1～M10。

3）布設(shè)旁瓣方向的測點。以基站天線為中心，旁瓣方向上每隔30°依次布設(shè)5個測點，如圖4所示。

圖4　單扇區(qū)內(nèi)的布點方案

4　測量方案與結(jié)果分析

4.1測量方案

文中設(shè)計了兩個測量方案，對鄭州大學(xué)行政樓頂安裝的TD-SCDMA基站進行了實際測量。該基站的天線型號為MB3G-PSA4-15DT6-Y，掛高27m，載波數(shù)為4或6，下傾角為9°。測試點分布的位置是一條水泥路，無障礙物遮擋，測量時天氣晴朗，基本符合測量的環(huán)境要求[12]。

方案1：只容許一個節(jié)點與基站建立通信鏈路，而其余節(jié)點不與基站通信，同時測量所有節(jié)點的信號強度值。測量時首先從主瓣上的M1開始，依次測量主瓣上各節(jié)點的信號強度值，直到M10結(jié)束。然后分別測量旁瓣上S11～S15、S21～S25、S31～S35、S41～S45這些測量節(jié)點的信號強度值。如此逐一測量每個節(jié)點單獨與基站通信時，所有測量點的信號強度。

方案2：30個節(jié)點同時與基站通信，測量所有節(jié)點的信號強度值。

4.2結(jié)果與分析

1）以主瓣上的測點M3和M5為例，測量結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　M3單獨與基站通信時的信號強度分布情況

圖6　M5單獨與基站通信時的信號強度分布情況

可以明顯地看到主瓣方向上出現(xiàn)一個尖峰（M3 或M5處），說明該測點與基站通信時，其信號強度值達(dá)到最大，這是智能天線對測點（M3或M5）進行波束賦形的結(jié)果。

2）當(dāng)30個節(jié)點同時與基站建立通信鏈路時，如圖7所示，主瓣方向和旁瓣方向上測點的信號強度都隨著測點與基站距離的增加而減弱。與圖5和圖6相比，測點M3的信號強度增大了5 dB，測點M5的信號強度增大了2dB。由此可見，測量TD-SCDMA基站的信號強度時，用戶之間的干擾對測量結(jié)果有一定影響。

圖7　所有節(jié)點同時與基站通信的信號強度分布圖

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點的數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，與傳統(tǒng)方法[7]相比，本文設(shè)計的測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)更接近理論值，表明該測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)的測量方法。

圖8　主瓣方向上兩種方法測量值與理論值的比較

5　結(jié)束語

本文基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，提出了一種TD-SCDMA智能天線的信號強度測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能實時測量多個測點的信號強度值，且其測量準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)的測量方法，進而可以更準(zhǔn)確地進行電磁輻射的環(huán)境測評。在接下來的研究中，考慮采用非線性時間序列的方法去除測量結(jié)果中的噪聲干擾。另外，文中設(shè)計的測量系統(tǒng)同樣適用于測評WCDMA和CDMA2000基站的電磁輻射問題，只需要更換TDSCDMA模塊即可。

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（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

作者簡介：穆維新（1958-），男，山西平定縣人，高級工程師，副教授，研究方向為現(xiàn)代交換技術(shù)及通信網(wǎng)。

基金項目：國家自然科學(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

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0075-04