LTE中電調(diào)天線角度遠(yuǎn)程測(cè)量研究

摘 要： 提出了LTE中，用移動(dòng)終端遠(yuǎn)程控制eNodeB，對(duì)電調(diào)天線的方向角、機(jī)械下傾角和電子下傾角進(jìn)行測(cè)量的方法。設(shè)計(jì)了用于LTE電調(diào)天線遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)的協(xié)議以及該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案使用光電傳感器測(cè)量電子下傾角、二維傾角傳感器測(cè)量機(jī)械下傾角和方向角。將該系統(tǒng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化設(shè)備中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線的角度同時(shí)達(dá)到改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的目的。
關(guān)鍵詞： 電調(diào)天線； LTE； 遠(yuǎn)程測(cè)量； 二維傾角傳感器； 下傾角

在LTE系統(tǒng)中，要求在20 M帶寬下頻譜效率達(dá)到下行100 Mb/s,上行50 Mb/s,這就要求最大使用4×4的多天線配置，單天線發(fā)送方案、分集方案、空間復(fù)用方案、波束賦形方案以及其他的關(guān)鍵技術(shù)共同來(lái)滿足上述的要求[1-3]。然而天線的方位角和下傾角（下傾角又分為機(jī)械下傾角和電子下傾角）又受到工程人員素質(zhì)及環(huán)境變化的影響，比如大風(fēng)、雷雨、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，容易造成電磁傳播方向不沿預(yù)期的方向傳播。因此對(duì)LTE的多天線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控就顯得尤為重要。
基于正交頻分復(fù)用（OFDM）和多天線技術(shù)的LTE系統(tǒng)中,電調(diào)天線是LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃與優(yōu)化所必須的，如果能在遠(yuǎn)程通過(guò)控制電調(diào)天線而選擇電磁信號(hào)的覆蓋范圍,對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量非常有益。在陸地接入網(wǎng)（UMTS）系統(tǒng)通過(guò)特殊接口實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)管理層（RNC）對(duì)電調(diào)天線下傾角的遠(yuǎn)程控制，這樣就可以減少因測(cè)量天線下傾角和簡(jiǎn)化大網(wǎng)絡(luò)天線部署的人工開(kāi)銷(xiāo)。中興通訊的“電調(diào)天線下傾角遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”，專利號(hào)為CN 101232123A，實(shí)現(xiàn)了電調(diào)天線的電子下傾角的遠(yuǎn)程控制 [4]。另外，專利號(hào)為CN 101413999A的“在傾斜狀態(tài)下天線角度的測(cè)量方法”[5]，其給出了一種測(cè)量置于基座上的天線與水平面的方位角和俯仰角[5]。并且在電調(diào)天線上加入一個(gè)二維傾角傳感器，這樣就可以通過(guò)UE控制eNodeB中的電調(diào)天線測(cè)量模塊，同時(shí)測(cè)量天線的方位角、機(jī)械下傾角和控制電子下傾角。
在LTE中實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的扁平化，將RNC的大部分功能集成到了eNodeB中，eNodeB的功能包括無(wú)線資源管理、接入控制、資源分配、用戶平面和控制平面數(shù)據(jù)的加密[4]等，所以本文將UTRAN中RNC的遠(yuǎn)程控制電調(diào)天線電子下傾角測(cè)量的功能置于遠(yuǎn)程終端（UE）中，而將具體的測(cè)量設(shè)備處理一起置于eNodeB中。
1 R6版電調(diào)天線電子下傾角遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)
3GPP組織在R6版的協(xié)議提出基于ATM傳輸協(xié)議和IP傳輸協(xié)議的UMTS網(wǎng)絡(luò)電調(diào)天線遠(yuǎn)程控制接口及協(xié)議[6]。在這兩種情況下RNC和NodeB之間均通過(guò)接口Iub相連，并且兩種情況下NodeB中的控制模塊與天線測(cè)量模塊間的通信協(xié)議完全相同。協(xié)議棧由兩種層選擇和同軸電纜組成，數(shù)據(jù)傳輸基于高速數(shù)據(jù)鏈路控制子集和電調(diào)天線應(yīng)用協(xié)議(RETAP)。
在以前的一些研究中，專家學(xué)者往往只考慮了對(duì)電調(diào)天線電子下傾角的測(cè)量與控制，而對(duì)機(jī)械下傾角和方位角沒(méi)有引起足夠的重視。在LTE的覆蓋研究中，諾基亞西門(mén)子專門(mén)仿真和測(cè)量了電調(diào)天線機(jī)械下傾角和電子下傾角對(duì)覆蓋和通信質(zhì)量的影響[7]。電調(diào)天線的工作原理是通過(guò)移相器對(duì)電調(diào)天線各陣子單元的相位進(jìn)行改變來(lái)達(dá)到調(diào)整下傾角的目的。電調(diào)天線電子下傾角的遠(yuǎn)程測(cè)量控制設(shè)計(jì)原理是：通過(guò)絲桿上拉絲調(diào)整天線陣元的相位，然后通過(guò)光電傳感器和遮光滑塊的共同作用測(cè)量電調(diào)天線的下傾角[8]。
2 改進(jìn)后的LTE電調(diào)天線遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)
2.1 改進(jìn)后的電調(diào)天線遠(yuǎn)程測(cè)量協(xié)議
在R8之后的版本中，LTE將RNC的功能大部分都集中到了eNodeB中，所以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向扁平化的趨勢(shì)發(fā)展，降低了傳輸時(shí)延。如果要將R6版本中的電調(diào)天線遠(yuǎn)程測(cè)量控制系統(tǒng)應(yīng)用到R8以后的版本中，就需要將R6版本中的RNC發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求，調(diào)整電子下傾角的功能轉(zhuǎn)移到核心網(wǎng)或者終端設(shè)備中。
本文主要研究了將RNC的該功能轉(zhuǎn)移到終端設(shè)備（UE）中，由UE進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。UE與eNodeB之間用空中接口（Uu接口）相互連接而進(jìn)行通信。在基站端eNodeB中的電調(diào)天線的信號(hào)處理器和天線之間還是用Iuant接口和同軸電纜進(jìn)行連接。另外本研究中在電調(diào)天線上還加有一個(gè)二維傾角傳感器，用于測(cè)量天線的方位角和機(jī)械下傾角。
如圖1所示，若要對(duì)電調(diào)天線角度進(jìn)行測(cè)量，只需要在終端UE處向被測(cè)天線所在基站發(fā)出請(qǐng)求，然后通過(guò)基站內(nèi)的電調(diào)天線信號(hào)處理器進(jìn)行測(cè)量的控制，最后再將處理后的測(cè)量反饋給UE。

2.2 電調(diào)天線角度測(cè)量結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示,在電調(diào)天線上安裝一個(gè)二維傾角傳感器，由它對(duì)天線的方向角和機(jī)械下傾角進(jìn)行測(cè)量，然后將測(cè)量得到的電信號(hào)用同軸電纜傳送到位于eNodeB中的信號(hào)處理模塊中，由它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算得出天線的方位角和機(jī)械下傾角的大小值；電子下傾角由集成于電調(diào)天線內(nèi)部的光電傳感器和遮光滑塊共同作用進(jìn)行測(cè)量，然后也將測(cè)量得到的電信號(hào)用同軸電纜傳送到位于eNodeB中的信號(hào)處理模塊中，由它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算得出天線的電子下傾角的值。