LTE中电调天线角度远程测量研究

摘  要： 提出了LTE中，用移动终端远程控制eNodeB，对电调天线的方向角、机械下倾角和电子下倾角进行测量的方法。设计了用于LTE电调天线远程测量系统的协议以及该系统的实现方案。该方案使用光电传感器测量电子下倾角、二维倾角传感器测量机械下倾角和方向角。将该系统用于LTE网络规划及优化设备中，可实时监测天线的角度同时达到改善网络质量的目的。
关键词： 电调天线； LTE； 远程测量； 二维倾角传感器； 下倾角
       在LTE系统中，要求在20 M带宽下频谱效率达到下行100 Mb/s,上行50 Mb/s,这就要求最大使用4×4的多天线配置，单天线发送方案、分集方案、空间复用方案、波束赋形方案以及其他的关键技术共同来满足上述的要求[1-3]。然而天线的方位角和下倾角（下倾角又分为机械下倾角和电子下倾角）又受到工程人员素质及环境变化的影响，比如大风、雷雨、温度、湿度等环境因素的影响，容易造成电磁传播方向不沿预期的方向传播。因此对LTE的多天线系统进行实时测量监控就显得尤为重要。
     基于正交频分复用（OFDM）和多天线技术的LTE系统中,电调天线是LTE网络覆盖规划与优化所必须的，如果能在远程通过控制电调天线而选择电磁信号的覆盖范围,对提高网络质量非常有益。在陆地接入网（UMTS）系统通过特殊接口实现了在网络管理层（RNC）对电调天线下倾角的远程控制，这样就可以减少因测量天线下倾角和简化大网络天线部署的人工开销。中兴通讯的“电调天线下倾角远程控制系统”，专利号为CN 101232123A，实现了电调天线的电子下倾角的远程控制 [4]。另外，专利号为CN 101413999A的“在倾斜状态下天线角度的测量方法”[5]，其给出了一种测量置于基座上的天线与水平面的方位角和俯仰角[5]。并且在电调天线上加入一个二维倾角传感器，这样就可以通过UE控制eNodeB中的电调天线测量模块，同时测量天线的方位角、机械下倾角和控制电子下倾角。
     在LTE中实现了网络的扁平化，将RNC的大部分功能集成到了eNodeB中，eNodeB的功能包括无线资源管理、接入控制、资源分配、用户平面和控制平面数据的加密[4]等，所以本文将UTRAN中RNC的远程控制电调天线电子下倾角测量的功能置于远程终端（UE）中，而将具体的测量设备处理一起置于eNodeB中。
1 R6版电调天线电子下倾角远程控制系统
     3GPP组织在R6版的协议提出基于ATM传输协议和IP传输协议的UMTS网络电调天线远程控制接口及协议[6]。在这两种情况下RNC和NodeB之间均通过接口Iub相连，并且两种情况下NodeB中的控制模块与天线测量模块间的通信协议完全相同。协议栈由两种层选择和同轴电缆组成，数据传输基于高速数据链路控制子集和电调天线应用协议(RETAP)。
     在以前的一些研究中，专家学者往往只考虑了对电调天线电子下倾角的测量与控制，而对机械下倾角和方位角没有引起足够的重视。在LTE的覆盖研究中，诺基亚西门子专门仿真和测量了电调天线机械下倾角和电子下倾角对覆盖和通信质量的影响[7]。电调天线的工作原理是通过移相器对电调天线各阵子单元的相位进行改变来达到调整下倾角的目的。电调天线电子下倾角的远程测量控制设计原理是：通过丝杆上拉丝调整天线阵元的相位，然后通过光电传感器和遮光滑块的共同作用测量电调天线的下倾角[8]。
2  改进后的LTE电调天线远程测量系统
2.1 改进后的电调天线远程测量协议
     在R8之后的版本中，LTE将RNC的功能大部分都集中到了eNodeB中，所以网络结构向扁平化的趋势发展，降低了传输时延。如果要将R6版本中的电调天线远程测量控制系统应用到R8以后的版本中，就需要将R6版本中的RNC发送测量请求，调整电子下倾角的功能转移到核心网或者终端设备中。
     本文主要研究了将RNC的该功能转移到终端设备（UE）中，由UE进行实现。UE与eNodeB之间用空中接口（Uu接口）相互连接而进行通信。在基站端eNodeB中的电调天线的信号处理器和天线之间还是用Iuant接口和同轴电缆进行连接。另外本研究中在电调天线上还加有一个二维倾角传感器，用于测量天线的方位角和机械下倾角。
     如图1所示，若要对电调天线角度进行测量，只需要在终端UE处向被测天线所在基站发出请求，然后通过基站内的电调天线信号处理器进行测量的控制，最后再将处理后的测量反馈给UE。
   
   2.2 电调天线角度测量结构图
     如图2所示,在电调天线上安装一个二维倾角传感器，由它对天线的方向角和机械下倾角进行测量，然后将测量得到的电信号用同轴电缆传送到位于eNodeB中的信号处理模块中，由它对数据进行处理计算得出天线的方位角和机械下倾角的大小值；电子下倾角由集成于电调天线内部的光电传感器和遮光滑块共同作用进行测量，然后也将测量得到的电信号用同轴电缆传送到位于eNodeB中的信号处理模块中，由它对数据进行处理计算得出天线的电子下倾角的值。