基于NB-IoT技术的移动通信基站天线姿态监测器研制

刘玉洁，唐升，张展培

（珠海城市职业技术学院，广东珠海，519090）

0 引言

随着移动通信技术的飞速发展，我国移动用户规模持续扩大，运营商需加大移动通信基站的建设和管理投入，才能满足移动用户日益增长的需求。移动通信基站包括机房室内基站主设备和室外天馈系统，目前只有基站机房设备和环境已实现信息化的可管可控，而室外的天线却还未实施自动监测。但天线姿态又最直接影响信号覆盖范围和覆盖质量[1]，所以天线姿态监测是移动通信基站管理的重点。天线姿态工作参数，包括天线方位角、下倾角、横滚角、经纬度、挂高等数据，现有的天线工作参数采集手段仍然为人工上站测量、记录、导入网管系统等传统方式，费时费力，且测量精度不高。本项目主要研究一种远程智能监测基站天线姿态技术方案，该方案利用NB-IOT无线数据通信技术，选用高精度传感器模块，实现基站天线姿态的实时精确测量、监控预警功能，为设备运维、网络优化提供可靠、精确的数据支持，从而降低运营商维护成本，提高工作效率，高效保障通信网络质量[2]。

1 系统总体设计思路

基于NB-IoT技术的移动通信基站天线监测系统的总体框图设计如图1所示，主要包括以下部分：安装在基站天线的姿态监测器、部署在运营商机房的服务器，以及负责代维技术人员的客户端[3]。天线姿态监控器安装在基站天线外壳的背部，可实时监测基站天线的姿态参数，包括方位角、下倾角、横滚角，借助NB-IoT通信网络将参数回传到服务器管理平台，管理人员通过后台管理系统即可远程监测基站天线工作状态。

图1 系统总框架结构图

在本系统中，天线姿态监测器是核心主体，属于物联网架构中的智能硬件终端，它主要由主控模块STM32，方位角传感器，重力倾角、横滚角传感器，NB-IoT通信模块，GPS模块，数据存储信息记录EEPROM，电源模块组成，如图2所示。

图2 天线姿态监测器硬件总体设计

2 硬件设计

2.1 天线方位角监测模块

基站天线的方位角是指天线辐射口面的朝向。在移动通信的网络优化过程中，基站天线的方位角是最重要的天线工作参数之一。国际上现有的基站天线方位角测试方法有两大类：一类利用磁罗盘；另一类利用GPS卫星信号。磁罗盘利用电磁场的方向性进行测向，它需要人工手持机械或电子罗盘，爬塔或爬杆测量，测量精度较差，容易受周围环境以及人为因素影响，且无法实现实时测量[4]。GPS卫星测量利用两个GPS天线接收太空中卫星群的信号，通过测量每个卫星在两个GPS天线上输出信号的相位差，结合针对多个卫星的测量数据，从而计算出基站天线的方位角[5]。GPS测量方式虽然精度高，但传感器体积大，成本非常高。

由于以上两类方案都存有不足之处，本项目选择AMR磁阻测量方案，通过传感器测量X、Y、Z三轴的磁场矢量分量，从而计算出被测物与地磁北的夹角即为方位角。该方案具备成本低、响应速度快、功耗低的优点。传感器采用QMC5883L，该芯片来源于Honeywell的HMC5883L，是一款集成了信号处理电路的三轴磁性传感器。精度高，内部集成16位ADC，三轴磁场分辨率均达0.2μT。工作电压范围广，在2.2V到3.6V均可。功耗低，仅为75μA。稳定性好，自带温度补偿功能。该传感器采用LGA封装，外形尺寸仅为3*3*0.9mm3,通过I2C接口与主控芯片通信。

2.2 天线下倾角、横滚角监测模块

基站天线的下倾角是指天线和竖直面的夹角，横滚角为天线向左或向右倾斜的角度。这两个角的工作参数会影响基站天线的信号覆盖范围能否得到有效保证。和方位角一样，下倾角、横滚角的传统测量方式也是需要人工爬杠爬塔进行，或者采用光学测量的方法，这两种方式显然都存在弊端。本项目采用三轴加速度的方法测量，利用无论坐标系如何转动，重力加速度均指向地心的原理，以重力加速度为参考，分别测量重力加速度在X、Y、Z三个轴上的重力分量，根据三角函数公式，计算出XY轴的平面与重力线的夹角为下倾角，XZ轴与重力线的夹角为横滚角。

本项目三轴加速度传感器选用了智能低功耗三轴容性微机械数字加速度计MMA8451Q，该款传感器具有14位分辨率，3mm×3mm×1mm QFN封装，电源电压1.95V～3.6V，接口电压1.6V～3.6V，定流消耗6μA～165μA，自带智能低功耗控制，它具有灵活可编程功能，可以通过设置中断节省整体功耗[6]。

2.3 主控模块

主控模块功能主要为采集移动通信基站天线姿态工作参数，并且实现远距离数据传输。结合本系统低功耗、高性能、需扩展外围功能的设计要求，主控芯片选用了意法半导体有限公司的32位基于Cortex-M3内核的增强型微处理器STM32F103VET6，它包含了3个12位的ADC，2个12位的DAC，4个通用16位定时器和一个PWM定时器，有I2C、SPI、USART、USB、CAN等通信标准接口，其丰富的外设资源，使得几乎不需要扩展太多的外围电路就能满足设计要求[7]。

2.4 NB-IoT通信模块

NB-IoT通信模块主要实现基站天线姿态监测智能终端和服务器的信息交互。本系统选用了移远通信的BC95，该模块是全球首款符合3GPP R13标准的NB-IOT模块，也通过了CCC认证。它具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，工作在授权频段，安全稳定。BC95模块尺寸仅为19.9×23.6×2.2mm，因此天线姿态信息采集器尺寸小巧，安装方便。通信模块由NB-IoT模块、SIM卡座、电源电路、串口电平转换电话和复位电路组成。NB-IoT通信模块通过串口与主控模块实现数据交换，可将通信模块的RXD、TXD连接到主控芯片的串口对应管脚进行串口通信。

3 软件设计

程序采用功能模块化设计，包括主程序，传感器数据采集处理程序、NB-IoT网络通信程序等。其中主程序MCU采用低功耗配置，系统初始化完成后，进入低功耗模式，通过RTC每50ms唤醒一次，采集天线姿态传感器数据，存储在MCU的EEPROM中。MCU打开内部实时时钟，与设定的定时上传时间进行匹配，若时间一致，立即开启NB模块， MCU获取当前NB模块的信号值，连接服务器，上传打包好的数据，上传完成后等待服务器回复应答指令，整个上传过程结束。关闭外设进入低功耗模式，等待下次上传定时时间。

4 系统测试

天线姿态监测器完成研制后，接入天线姿态监控管理系统平台，在珠海联通针对现网天线进行了试用。在浏览器里输入平台的IP地址、用户名和密码，即可进行相关的浏览及操作，在系统中可以监测所有天线的方位角、下倾角、横滚角，若由设备故障则会发出告警信息，并且可以保留历史数据，如图3所示。

图3 系统实时监测天线方位角、下倾角、横滚角状态

5 结语

为了实现移动通信基站管理的信息化和自动化[8]，文中设计开发了一套基于STM32F103VET6和NB-IoT通信模块BC95的移动通信基站天线姿态监测器。通过PC等终端远程采集基站天线姿态工作参数，同时可及时获取异常报警信息。测试结果表明，该天线姿态监测器实现了远程数据监测，运行稳定，达到了预期设计目标。