基于ZigBee网络的TD-SCDMA智能天线信号强度测量系统

穆维新，施　俊，申金媛，刘润杰，寇丹丽

（郑州大学信息工程学院，河南郑州450001）



基于ZigBee网络的TD-SCDMA智能天线信号强度测量系统

穆维新，施俊，申金媛，刘润杰，寇丹丽

（郑州大学信息工程学院，河南郑州450001）

摘要：由于智能天线的波束成形技术，传统测量电磁辐射的方法已不适用于TD-SCDMA智能天线。该文设计一种TD-SCDMA智能天线的信号强度测量系统，根据智能天线的特点，应用ZigBee网络同时获取多个测量点的信号强度值。另外，还提供一种测量点的布设方案，并使用该方案进行实际测量。实际测量结果显示：设计的测量系统的测量精度高于传统的测量方法，进而可以更准确地进行电磁环境的测评，具有较强的实用价值。

关键词：TD-SCDMA；智能天线；ZigBee网络；信号强度；测量系统

0　引言

智能天线[1]作为移动通信的关键技术之一，目前已广泛应用在TD-SCDMA[2]等3G系统中。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向（direction of arrival，DOA），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的[3]。

目前，对第二代通信系统基站信号强度的测量方法已经较为成熟，大多采用频谱仪加场强仪的测量方法。业界的标准有《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》[4]、HJ/T 10.2——1996《辐射环境保护管理导则-电磁辐射检测仪器和方法》[5]、HJ/T 10.3——1996《辐射环境保护管理导则-电磁辐射环境影响评价方法与标准》[6]等，这些方法都是针对第二代通信系统提出的，并不能准确地反应智能天线的电磁场分布情况。

1　传统方法的问题

针对TD-SCDMA基站天线电磁辐射的测量，目前仍使用频谱仪加场强仪的传统方法，但是这种传统方法并不完全适用于智能天线。

1）准确度问题。传统方法通过记录各分频值，对各分频值进行矢量叠加计算，得到该测点在某频率范围内的场强值[7]。但是TD-SCDMA基站的上下行链路在同一频率不同时隙下工作，而且其频率和移动台的位置密切相关，即其工作频率可能为2 010～2025 MHz[8]之间的任意值。因此，传统方法在单一频率范围内测得的值并不能真实反映出该测点的信号强度值。另外，传统方法只能逐一测量单个测点的信号强度值，完全忽略了其他用户的干扰，这进一步降低了测量值的精度。

2）工作量问题。传统方法要求在单个测点单次测量的时间≥15s，读取状态稳定时的最大值。若仪器读数变化较大时，需适当延长测量时间，才能获得该点的信号强度值[9]。一般情况下，基站需要测量的测点较多，采集的数据量较大，使用传统的测量方法费时费力，工作效率非常低。因此需要一种快速准确的测量系统来减少工作量。

针对以上传统方法的不足，本文提出了一种TDSCDMA智能天线的信号强度测量系统，根据智能天线的特点，应用ZigBee网络同时测量多个测点的信号强度值；还提供了一种测量点的布设方案，并使用设计的测量系统进行了实际测量。

2　测量系统的设计

2.1信号强度测量系统

本文设计的智能天线信号强度测量系统主要由接收天线、测量系统、传输系统和控制系统4部分组成，如图1所示。接收天线为节点模块上自带的小型天线，用于信号的发送和接收；测量系统由多个测量节点组成，主要用于测量点信号强度的数据采集；传输系统采用ZigBee网络，用于采集数据和控制信号的传输；控制系统负责整个系统的协调工作并处理测量系统传回的数据。

测量系统中的每个测量节点都是由TD-SCDMA模块、微处理器、ZigBee模块和GPS 4个模块构成，如图2所示。

自带小型天线的TD-SCDMA模块，通过下行链路主动向TD-SCDMA基站发出测量请求消息，诱导智能天线对其进行波束赋形，建立通信链路。系统采用TD-SCDMA/GPRS双模模块LC6311产品[10]，可直接获得测量点的信号强度值：当查询结果为-109～-53 dB时，直接读取信号强度；当查询结果为100～199 dB之间时，先减100再减116的最终结果就是信号强度值。

图1　号强度测量系统的结构框图

图2　节点的各模块连接示意图

ZigBee模块实现的功能是连接各个测量节点，组建无线传感器网络，实现测量数据的实时传输。

ARM模块作为节点的微处理器，负责协调各个模块之间的通信，控制各模块的工作状态。GPS模块的作用是提供每个测量节点的准确位置，并为整个网络提供同步时钟。

传输系统采用由节点ZigBee模块自组织形成的ZigBee网络，网络拓扑类型为星形，如图3所示。ZigBee是一种成本低功耗低但可靠性高的无线自组织网络，采用动态路由的方式，能适应节点的移动，快速形成一个互联互通的网络，有利于测量数据的实时传送。

图3　传输系统结构示意图

控制系统由协调器和处理器组成，处理器对各个节点采集的测量数据进行处理和分析，协调器负责处理器和各节点间的数据路由。

2.2测量系统工作原理

在测量数据之前，要对系统进行调试：首先处理器通过协调器向各个测量节点广播控制指令，调整各节点的工作模式、传输模式、收发状态等；然后各节点向处理器反馈自身的基本数据，包括节点的位置坐标（由各节点的GPS模块提供）、各模块的工作状态以及节点的电池寿命等。完成系统调试之后，系统进入测点的信号强度数据采集阶段：TD-SCDMA模块采集测点的信号强度数据，传送给微处理器；微处理器接收到采集数据之后，通过ZigBee模块发送给控制系统；处理器接收到各节点采集的数据之后，对数据进行融合并存入内存中。

3　测量点的布设方案

TD-SCDMA智能天线发射的波束方向性很强，其周围水平方向360°范围内，可划分为3个扇区，每个扇区为120°。方案中，在一个扇区内布设了30个测量节点。文中只给出第1扇区测点的布设方案，第2扇区和第3扇区可参照第1扇区的方案进行测点的布设。一般情况下，天线主瓣上的测点数应为旁瓣上测点数的3～4倍。具体的测点布设方案如下：

1）确定中心点。在实际测量中，要根据基站智能天线的安装方向和下倾角来确定测量点的位置[11]。以TD-SCDMA基站为中心，利用智能天线的下倾角角度值和基站顶端到测量节点所在水平面的垂直高度值计算出测量中心点与基站中心点的距离，从而确定测量中心点的位置，并且保证该点没有被遮挡，使反射或折射值达到最小。

2）布设主瓣方向的测点。以天线任意点和中心点在地面的投影线作一条射线，以此射线作为主瓣方向，依次均匀布设10个测量节点，分别为M1～M10。

3）布设旁瓣方向的测点。以基站天线为中心，旁瓣方向上每隔30°依次布设5个测点，如图4所示。

图4　单扇区内的布点方案

4　测量方案与结果分析

4.1测量方案

文中设计了两个测量方案，对郑州大学行政楼顶安装的TD-SCDMA基站进行了实际测量。该基站的天线型号为MB3G-PSA4-15DT6-Y，挂高27m，载波数为4或6，下倾角为9°。测试点分布的位置是一条水泥路，无障碍物遮挡，测量时天气晴朗，基本符合测量的环境要求[12]。

方案1：只容许一个节点与基站建立通信链路，而其余节点不与基站通信，同时测量所有节点的信号强度值。测量时首先从主瓣上的M1开始，依次测量主瓣上各节点的信号强度值，直到M10结束。然后分别测量旁瓣上S11～S15、S21～S25、S31～S35、S41～S45这些测量节点的信号强度值。如此逐一测量每个节点单独与基站通信时，所有测量点的信号强度。

方案2：30个节点同时与基站通信，测量所有节点的信号强度值。

4.2结果与分析

1）以主瓣上的测点M3和M5为例，测量结果如图5和图6所示。

图5　M3单独与基站通信时的信号强度分布情况

图6　M5单独与基站通信时的信号强度分布情况

可以明显地看到主瓣方向上出现一个尖峰（M3 或M5处），说明该测点与基站通信时，其信号强度值达到最大，这是智能天线对测点（M3或M5）进行波束赋形的结果。

2）当30个节点同时与基站建立通信链路时，如图7所示，主瓣方向和旁瓣方向上测点的信号强度都随着测点与基站距离的增加而减弱。与图5和图6相比，测点M3的信号强度增大了5 dB，测点M5的信号强度增大了2dB。由此可见，测量TD-SCDMA基站的信号强度时，用户之间的干扰对测量结果有一定影响。

图7　所有节点同时与基站通信的信号强度分布图

3）图8给出了使用“方案2”采集的数据、使用传统方法测量的数据和理论值[13]三者之间的比较图。由于智能天线的能量主要集中在主瓣方向上，图中只给出了主瓣方向上测点的数据。可以看到，与传统方法[7]相比，本文设计的测量系统测得的数据更接近理论值，表明该测量系统的测量准确度高于传统的测量方法。

图8　主瓣方向上两种方法测量值与理论值的比较

5　结束语

本文基于ZigBee网络，提出了一种TD-SCDMA智能天线的信号强度测量系统，该测量系统能实时测量多个测点的信号强度值，且其测量准确度高于传统的测量方法，进而可以更准确地进行电磁辐射的环境测评。在接下来的研究中，考虑采用非线性时间序列的方法去除测量结果中的噪声干扰。另外，文中设计的测量系统同样适用于测评WCDMA和CDMA2000基站的电磁辐射问题，只需要更换TDSCDMA模块即可。

参考文献

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[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.

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[4]移动通信基站电磁辐射环境监测方法（试行）[S].北京：国家环境保护总局，2007.

[5]辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法：HJ/T 10.2——1996[S].北京：中国环境科学出版社，1996.

[6]辐射环境保护管理导则-电磁辐射环境影响评价方法与标准：HJ/T 10.3——1996[S].北京：中国环境科学出版社，1996.

[7]朱丹，戴继伟.移动通信基站的环境电磁辐射测量与分析[J].上海环境科学，1997，16（11）：32-34.

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[10]吴方.基于LC6311的TD终端系统的研究与实现[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[11]刘润杰，刘红欣，申金媛. TD-SCDMA智能天线电磁环境测试方法研究[J].传感器与微系统，2013，32（7）：51-52.

[12]陈园园. TD-SCDMA基站电磁辐射测量和预测方法研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[13]常广亮，邹澎，孙汉卿.通信基站电磁辐射测量系统设计[J].安全与电磁兼容，2009（2）：8.

（编辑：李刚）

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

作者简介：穆维新（1958-），男，山西平定县人，高级工程师，副教授，研究方向为现代交换技术及通信网。

基金项目：国家自然科学基金（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

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0075-04