关于移动通信基站天线工参监测技术的分析

关于移动通信基站天线工参监测技术的分析 1 方案设计
1.1 目前主流测向技术
当前，主流的工参方位角监测技术有：双 GPS 载波相位差分定向技术、单 GPS 和差波 速技术、太阳光栅测向技术、电子磁罗盘技术等，以下对各类技术进行一下对比分析： 1)、双 GPS 载波相位差分定向技术
双 GPS 接收机的差分相位定向法也叫 GPS 干涉法，该理论研究在 1990 年左右趋于成 熟。1990 年美国 Anroit System 公司就演示了利用双 GPS 接收机进行方位角测定的系统。
(1)、成本问题，由于载波相位差分定向技术采用了双 GPS 进行测向，因此，相对其他 技术来说，其单设备成本是几类测向技术中最高的，由于运营商的移动通信网络规模巨大， 存量基站和天线数量众多，全网天线的数量近千万之巨，双 GPS 载波相位差分定向技术难 于解决成本问题，如果全面推广，则势必给运营商带来沉重负担；
综上所述，我们从多个维度对以上几类主流测向技术进行对比分析：
测向原理
测向时间
精度
功耗
尺寸
成本
供电
可实施性
双 GPS 载波 相位差分
GPS/北
适用于天线内置或者电调
600mw 左
AISG 有源供
£5。
天线横切面相 高
天线场景，施工和后续维
右
电
近
护难度较大
单 GPS 和差
首次测向<12 小
图 2 和差波束单 GPS 接收机测向原理 在该方案中，GPS 接收机上连接了和、差两种波束天线。图 2 中的实线为和波束，虚线 为差波束。差波束的零点指向和波束的最大值。当 GPS/北斗卫星位于位置#1、位置#3 时， GPS 接收机的和差波束上都有较强的信号输出。当 GPS/北斗卫星位于位置#2 时，和波束依 然有强信号输出，但是差波束上的输出信号最弱，此时测向成功，由此可计算得到方位角信 息。 3)、太阳光栅测向技术 太阳光栅测向技术是近些年出现的一种较为新型的方位角测量技术，其原理是利用太 阳光传感器采集太阳光线入射角，进而实现方位角测算的技术，如下图所示：
图 4 机械罗盘与地磁偏角
1.2 各类技术应用的对比分析
任何技术在实际场景中的应用，不能单纯只考虑技术本身的优劣，必然要与我国通信网 络的现状相结合，我国的移动通信网络从规模上已居世界第一，其中以中国移动为例，其基 站数量已经达到上百万之巨，随着 5G 网络的建设，基站和天线数量会进一步大幅增加，因 此，如果技术的选用对现有网络需进行大的调整和改造，必然会给网络本身的维护、稳定带 来不利影响。
图 3 天线方位角测量原理 传感器顶部有不透明挡板以及挡板上均匀排列的 8 道光栅(图 3 中的标识 2)，每道光栅 对应一组光敏元器件，同一时刻太阳光只能通过一道光栅进入传感器内部。实际测量时，传 感器贴在天线顶部，其方位角与天线一致。当太阳光从某一道光栅照射到传感器内部相应的 光敏元器件时，便可获得传感器与太阳的相对位置，再利用通信控制器中 GPS 模块测量到 的经纬度和时间，便可计算出太阳在天空中的方位角，进而得到天线的方位角。 4)、地磁感应技术 目前采用地磁感应技术进行测向的产品主要有电子罗盘和机械罗盘，这类产品都是采 用地磁原理的传感器测量获得方位角的技术，测量过程中，一般会由传感器测量获得基础方 位角，由于地磁存在偏角，一般会再通过磁偏角进行补偿，或者利用陀螺仪进行跟踪变化调 整。
传统单 GPS 和差波速测向思路，是采用的高增益、窄波束天线，以确保天线的主波束 范围内只有一个无线信号，从而实现测向，因此，在基站天线进行测向时，往往采用大规模 的天线阵来实现高增益波束，这使得设备在设计安装上和成本上都不现实。
但幸运的是，GPS/北斗卫星作为方向角已知的信号源，采用了扩频信号机制，信号具有 强自相关性，虽然所有 GPS/北斗卫星信号使用相同工作频率，但是每颗 GPS/北斗卫星具有 独立的扩频码，通过选择 GPS/北斗卫星这种发射扩频体制的信号源作为角度参考标准，就 可以通过采用低增益和差波速天线，使和差波速采用普通 GPS 接收机即可完成测向功能。
GPS/北斗
£5。
波速
时，后续 2-10 分钟
20mw
较小，约双 GPS 1/3 大小
AISG 供电或
中
适用于各类基站天线场景
太阳能供电
太阳光栅测 向
太阳光
秒级
£5。
1mw
很小
低 太阳能供电 无遮挡的非美化类基站
地磁技术
磁
秒级
较差
无
小
低 电池或无源
人工方式
由以上技术方案的分析可以看出，基于成本性、可实施性、技术先进性等方面的综合考 虑，建议如下：
太阳光栅测向技术，是利用太阳光线与传感器具体位置之间的位置关系，进而通过光线 阴影的采集和时间点，通过计算获得方位角信息，后续通过陀螺仪进行跟踪调整的测向方法，
其精度较高(可达到精度£5。)，运算速度快，且功耗极低，成本造价低，但该方案由于以太阳 光作为输入，因此，在实际实施中，只能针对运营商无遮挡的非美化类基站和天线，应用场 景有一定限制。
地磁感应技术一般是通过电子罗盘和机械罗盘进行基础方位角的校准测试和获取，该 方案的问题有以下两个方面： 1) 在技术上的最大的问题是受地磁偏角和周围环境影响较大，天线本身就有电磁性，因此，
在天线周围进行测试，易使得磁场发生偏移，导致方位角发生偏差，另外，周围如果有 钢铁建筑、厂矿、矿山等，都可能会对磁场产生影响，因此，从技术上来说，采用罗盘 方式获取基础校准方位角的方法可能出现的偏差是比较大的，我们在一些基站做过测 试，部分基站的偏差角度甚至能够达到 30。左右； 2) 在应用中最大的问题是由于是人工介入方式，则需要依靠代维人员进行测试，部分基站 天线由于挂高较高或者外部悬空状态，测试人员身体难于到达；或者高空作业，对于罗 盘的摆放和对准都依靠人眼的判断，因此，该测量方式对于代维人员的能力、水平依赖 度较高，这也导致测试的准确性受到影响。
通过此原理，使得单 GPS 和差波速方案可以在确保测量精度与双 GPS 测向无差异的前 提下，尺寸较小，目前其产品体积大约为双 GPS 载波相位差分测向设备的 1/3 大小，单设 备成本大约为双 GPS 方案的 40%左右，成本相对较低。
和差波速测向方案，存在首次测向时间较长问题，其原因在于，和差波速测向时，需要 GPS/北斗卫星在天线的正前方，这在现实情况中往往难于马上满足，而在卫星经过若干次环 绕后出现在天线正前方时，即可马上完成方位运算，因此在和差波速测向方案下，首次测向 最差条件下即最长需要用时 12 小时左右，但该问题一旦工程实施完成，首次测试返回数据 后，则后续实时性能够得到保证，与双 GPS 方案无差异。
技术的选用在当前我国移动网络的现状中，是需要对成本性、可实施性、技术先进性等 多方面进行综合考虑，方能找到最佳解决方案。 1、双 GPS 载波相位差分定向技术
从技术演进的历史看，双 GPS 载波相位差分定向技术是几个方案中，发展较为成熟的 测向方案，其测量时间短，测向精度高，发展比较成熟，多年来已在飞行器和舰船的航向测 量中得到了广泛采用。但该技术在移动通信领域一直难于得到进一步规模推广，其原因分析 如下：
下图 1 为双 GPS 差分相位测向原理图：
图 1 双 GPS 差分相位测向原理图 该技术的原理是利用两个天线接收同一个 GPS/北斗卫星发射的信号，通过测量两个信 号到达天线的载波相位变化，可计算出信号到达两个天线之间的距离差 s。由于两天线之间 的间距 d 已知，由此可计算出两天线构成的轴线和入射波方向的夹角。 2)、单 GPS 和差波速技术 与双 GPS 类似，单 GPS 和差波速技术也是利用 GPS 信号接收进行方位角测试，下图 2 是和差波束单 GPS 接收机测向原理：
太阳光栅测向技术，由于采用的器件较少，体积可以做的非常小，目前其体积仅为 100mm*60mm*40mm，功耗仅为 1mw 左右，可采用太阳能供电方式，其成本为所有测向设 备中最低，约为和差波速测向设备的 1/2，其实施场景可适用于现有运营商网络的存量非美 化类基站(即非遮挡类基站)，在国内电信网络中有较强的应用前景。 4、地磁感应技术
下图 6 为运营商某小区天线方位角测试情况：
某小区天线方向角
290 285 280 275 270 265 260
8月3日 8月6日 8月9日 8月12日 8月15日 8月18日 8月21日 8月24日
图 6 运营商某小区方位角变化图 系统目前可以设定时间间隔(如每小时或每日)进行数据测试采样，且可通过系统进行告 警门限设定，即方位角偏差达到一定门限时产生告警，进而上报进行人工介入，最终实现工 参测试的有限监控和管理。
另外，由于单 GPS 和差波速测向技术采用的器件功耗较低，因此，使得其供电可以不 需要有源供电方式，而可以采用太阳能+蓄电池供电方式，目前通过大量现场验证，通过太 阳能+蓄电池供电方式，可确保设备连续工作 24 小时以上，这使得其工程实施的难度大大简 化，且实施场景可适用于现有运营商网络的存量基站(包括所有电调类和非电调类天线基站)， 可实施性大大增强。 3、太阳光栅测向技术
基于太阳光进行测向，则必然也涉及没有太阳光的情况下的夜晚或者阴雨天工作问题， 传统的太阳光栅测向方案需要太阳光持续照射形成阴影，进而进行方位角测算的方式，因此， 非艳阳天的散射太阳光线不能形成阴影的情况，则难于进行角度计算，但基于新的太阳光栅 测向技术，是利用太阳光线进行方位角基础测试校准工作，而采用三轴陀螺仪进行方位角持 续跟进和调整，太阳光的出现频度，实质上是提升了方位角基础校准的频度，白天即使没有 太阳光，但是陀螺仪仍然可以持续工作，不受影响；夜晚，陀螺仪可以利用蓄电池持续工作， 因此，基于新的太阳光栅测向技术，可以白天夜晚均正常实现测向。
1、 对于无遮挡的非美化类基站天线，可以优先采用成本低廉的太阳光栅测向方案； 2、 对于有遮挡的美化类基站天线，则可以采用成本较小，且安装实施便利的单 GPS 和差波速测向方案； 3、 对于部分重要的电调类基站天线，则可以采用双 GPS 载波相位差分方案。 这样的方案，能够做到成本最优，实时性和维护性较好的综合解决方案。