基于AISG協(xié)議的電調(diào)天線控制器設(shè)計(jì)

胡晶晶，季彥呈，李駿馬

（南通大學(xué)，江蘇 南通 226019）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)無線通信的需求和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也與日俱增，無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題變得越來越重要。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提高和改進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量最直接有效的方法，也是網(wǎng)絡(luò)通信中的關(guān)鍵技術(shù)，其中基站天線的優(yōu)化是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要方法。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，由于改變天線高度的做法實(shí)現(xiàn)難度較高，所以經(jīng)常通過調(diào)整天線傾斜角度來改變小區(qū)覆蓋范圍。選擇合適的傾斜角可以得到合適覆蓋范圍，使得干擾減到最小，從而得到最佳的信號(hào)強(qiáng)度。

根據(jù)天線的傾角是否可調(diào)，將天線分為電調(diào)天線和非電調(diào)天線。非電調(diào)天線就是傳統(tǒng)的機(jī)械天線，在惡劣天氣下無法優(yōu)化、調(diào)整天線，不能及時(shí)解決“容量呼吸”問題，短時(shí)間難以進(jìn)行整網(wǎng)優(yōu)化。電調(diào)天線能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整，調(diào)節(jié)優(yōu)化效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)際覆蓋范圍更接近網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)規(guī)劃，讓覆蓋更加精細(xì)[1]。AISG協(xié)議是由世界主流的移動(dòng)通信系統(tǒng)廠商和微波天線相關(guān)廠家聯(lián)合制定的天線智能化設(shè)備與基站之間的通信規(guī)范[2]。以此實(shí)現(xiàn)不同廠家的電調(diào)天線設(shè)備的兼容性和互操作性?，F(xiàn)在常用的方案是使用天線姿態(tài)測(cè)試儀，將系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)的基站新數(shù)據(jù)天線更新到天線姿態(tài)測(cè)試儀，還不是真正意義上的遠(yuǎn)程控制[3]。

本系統(tǒng)中采用電腦端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主站發(fā)送命令給遠(yuǎn)程控制單元。根據(jù)由天線接口標(biāo)準(zhǔn)組制定的AISG協(xié)議，確保天線和控制基礎(chǔ)設(shè)施的基本互操作。該協(xié)議在天線線路設(shè)備處定義了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，通過該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備的功能參數(shù)[4-7]，實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程調(diào)控。

圖1 電調(diào)天線控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of electric tunable antenna control system

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用ATmega128作為主控芯片，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。遠(yuǎn)程控制單元的硬件結(jié)構(gòu)包括主控模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾反饋模塊、RS 485通信模塊等。

圖2電調(diào)天線控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of electric tunable antenna control system

1.2 電源轉(zhuǎn)換模塊

圖3 是供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，電源轉(zhuǎn)換模塊提供5 V和12 V電壓，分別給RS 485芯片、主控模塊芯片、霍爾傳感器芯片以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。

1.3 RS 485通信模塊

AISG協(xié)議規(guī)定物理層采用RS 485標(biāo)準(zhǔn)通信方式。通過AISG通信接口將天線的狀態(tài)消息反饋給主站，主站根據(jù)收到的信息，通過AISG給RCU發(fā)送命令，完成RCU和主站的通信。AISG通信接口通過RS 485通信模塊給RCU主控芯片傳輸信號(hào)，主控芯片根據(jù)所得信號(hào)作出相應(yīng)反饋，并將信號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

RS 485通信模塊采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS 485采用半雙工方式工作，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)。RS 485可以多點(diǎn)互連構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其布線簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。RS 485通信模塊圖如圖4所示。

圖3 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of system power supply structure

圖4 RS 485通信模塊Fig.4 RS 485 communication module

1.4 直流電機(jī)模塊

霍爾傳感器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，主傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生1 600霍爾脈沖。根據(jù)霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)，可知電機(jī)運(yùn)行的位置以及狀態(tài)，得出電調(diào)天線的角度，精度可以達(dá)到0.005°（同市場(chǎng)上電調(diào)天線控制單元相比，精度提升兩個(gè)級(jí)別）。圖5是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of motor drive module

1.5 防雷模塊

當(dāng)控制單元在外部環(huán)境帶電工作時(shí)易受到雷電和干擾信號(hào)的影響，為保護(hù)設(shè)備在惡劣環(huán)境下能正常工作，需要對(duì)電調(diào)設(shè)備做防雷處理[8]。本設(shè)計(jì)中，采用RS 485通信接口防雷和遠(yuǎn)程控制單元外殼接地防雷。RS 485通信接口防雷中，加入陶瓷氣體放電管，利用陶瓷放電管特性和限流保護(hù)電阻使其在遭受雷擊時(shí)保護(hù)電路。其中，陶瓷放電管作第一道防雷，再使用二極管組成第二道防雷，如圖6所示。

圖6 RS 485通信防雷接口Fig.6 Anti-thunder interface of RS 485 communication module

2 軟件部分

2.1 軟件整體思想

AISG協(xié)議定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層[9]。物理層定義了控制系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)、信號(hào)電平、基本數(shù)據(jù)特性及連接器類型。數(shù)據(jù)鏈路層遵循HDLC協(xié)議，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、保持、斷開以及復(fù)位等功能。應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)主從站之間相互通信，從站按照主站命令能夠正常進(jìn)行校正以及設(shè)置角度。圖7給出了AISG 2.0的通信流程。電調(diào)天線遠(yuǎn)程控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能是控制電調(diào)天線使其按照規(guī)定角度運(yùn)行。

圖7 AISG 2.0通信鏈路Fig.7 AISG 2.0 communication link

2.2 AISG 2.0協(xié)議幀

AISG協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層以幀的形式傳輸[10]。AISG 2.0中，HDLC幀格式如表1所示，主要包括起始標(biāo)志、地址域、控制域、信息域、CRC校驗(yàn)碼、結(jié)束標(biāo)志。起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志是0x7E。地址域范圍是0x00～0xFF，0x00為從站無地址，0xFF表示廣播地址?？刂朴蛴梢粋€(gè)字節(jié)組成，決定命令幀類型，分別是信息幀（I幀）、監(jiān)控幀（S幀）和無編號(hào)幀（U幀）。

信息幀（I frame）含有信息域，主要用于應(yīng)用層命令的發(fā)送和響應(yīng)，主站向從站發(fā)送控制命令，如軟件復(fù)位、清楚警告、自檢命令等。監(jiān)控幀（S frame）作為輪詢幀，查詢從站有沒有執(zhí)行完成主站的命令以及流量控制。在響應(yīng)過程中，一般用監(jiān)控幀的接收就緒幀（RR幀）和接收未就緒幀（RNR幀），分別表示接收就緒、對(duì)方可以繼續(xù)發(fā)送和接收未就緒、對(duì)方停止發(fā)送。無編號(hào)幀，用于數(shù)據(jù)鏈路層，提供建立鏈路，斷開鏈路以及多種控制功能，可以定義32種附加的命令或應(yīng)答功能，如SNRM幀、DISC/RD幀、XID幀、UA、DM模式等。

表1 HDLC幀格式Table 1 HDLC frame format

系統(tǒng)上電后，主站以廣播形式對(duì)所有的設(shè)備發(fā)送掃描幀，當(dāng)從設(shè)備自身序列號(hào)與主站發(fā)送的掩碼進(jìn)行“與”運(yùn)算后與主站發(fā)送的序列號(hào)相匹配，則從站以0x00地址方式響應(yīng)主站的掃描幀。主站收到從站的掃描響應(yīng)幀后確認(rèn)是需要的從站設(shè)備后，立即對(duì)該從站進(jìn)行分配地址命令，從站收到分配地址命令幀后以被分配的地址響應(yīng)主站命令。

當(dāng)主站復(fù)位或者3 min超時(shí)斷開鏈接時(shí)，從站處于無地址狀態(tài)，不再受到主站控制。如果主站要重新實(shí)現(xiàn)對(duì)從站的控制，主站必須以廣播形式向所有從設(shè)備發(fā)送包含唯一設(shè)備序列號(hào)的XID幀，掃描到一個(gè)設(shè)備后，繼續(xù)使用XID幀對(duì)從設(shè)備進(jìn)行地址配置，成功后，主站使用SNRM幀發(fā)送建立連接命令，鏈路連接完成后，主站開始發(fā)送各種命令，最后在控制結(jié)束之后，主站使用DISC幀斷開鏈接命令。

2.3 通信鏈路的建立

如表2所示，XID參數(shù)協(xié)商使用特定的格式傳輸參數(shù)。這些參數(shù)由一個(gè)字節(jié)位組格式標(biāo)識(shí)符（FI）代碼和一個(gè)字節(jié)位組組標(biāo)識(shí)符（GI）代碼標(biāo)識(shí)。 組長度（GL）是一個(gè)字節(jié)無符號(hào)整數(shù)，給出其后參數(shù)域長度。參數(shù)域是PI/PL/PV值的序列。參數(shù)標(biāo)識(shí)符（PI）是識(shí)別參數(shù)的一個(gè)字節(jié)代碼。參數(shù)長度（PL）是一個(gè)字節(jié)無符號(hào)整數(shù)，給出參數(shù)值（PV）字節(jié)長度。參數(shù)域PI/PL/PV值的序列可以有多個(gè)，并且順序任意。

表2 XID幀格式Table 2 XID frame format

當(dāng)FI設(shè)置為0x81，GI為0x80時(shí)，在從設(shè)備中，從設(shè)備的HDLC參數(shù)取值說明如表3所示。默認(rèn)時(shí)，HDLC I幀在從設(shè)備接收和傳輸?shù)男畔⒂虻淖畲箝L度為74個(gè)8位字節(jié)，通過XID參數(shù)協(xié)商可以改變接收時(shí)信息域的長度，但是總是大于等于74個(gè)8位字節(jié)。表4和表5是地址分配的范例。

表3 GI=0x80，從設(shè)備HDLC參數(shù)取值說明Table 3 HDLC parameter description of slave device at GI=0x80

表5 從站設(shè)備響應(yīng)的XID幀Table 5 XID frame responded by slave device

2.4 設(shè)備重置

在XID幀中，當(dāng)FI設(shè)置為 0x81，GI為 0xF0，PI位置為0x07時(shí)為設(shè)備重置命令。如果從設(shè)備接收到主設(shè)備廣播（0xFF）的復(fù)位命令，則從設(shè)備將不作響應(yīng)直接復(fù)位，否則尋址的從設(shè)備應(yīng)在響應(yīng)后重置。在設(shè)備重置命令中，不可以有其他的PI值，且設(shè)備重置命令中只有PI和PL，沒有PV值。

2.5 小端格式

在CRC計(jì)算和存儲(chǔ)過程中，采用小端格式將數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中，這種存儲(chǔ)模式將地址的高低和數(shù)據(jù)位權(quán)有效地結(jié)合起來，高地址部分權(quán)值高，低地址部分權(quán)值低。

2.6 掃描算法

主設(shè)備可以利用設(shè)備掃描幀識(shí)別接口上的無地址狀態(tài)中的所有從站，設(shè)備XID掃描幀包括唯一的控制單元設(shè)備序列號(hào)和等長字節(jié)的位掩碼。在無地址狀態(tài)下，用位掩碼屏蔽從設(shè)備的序列號(hào)和主設(shè)備發(fā)送的XID掃描幀中的設(shè)備序列號(hào)。在無地址狀態(tài)下，只有匹配的從設(shè)備才能響應(yīng)主設(shè)備的掃描消息。主設(shè)備發(fā)送一個(gè)XID掃描幀，可能會(huì)有多個(gè)從設(shè)備響應(yīng)碰撞引起亂碼。當(dāng)有且只有一個(gè)從設(shè)備匹配，標(biāo)志成功掃描。從設(shè)備掃描響應(yīng)XID幀返回0地址，并返回本設(shè)備的序列號(hào)、設(shè)備類型、廠家代碼等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制系統(tǒng)的測(cè)試界面如圖8～圖12所示。分別給出自定義天線配置數(shù)據(jù)功能下的掃描、地址分配、獲取設(shè)備信息命令和版本信息以及報(bào)警訂閱的測(cè)試結(jié)果。

圖8 掃描測(cè)試幀的發(fā)送和接收Fig.8 Sending and receiving results of test frame for scanning

圖9 地址分配測(cè)試幀的發(fā)送和接收Fig.9 Sending and receiving results of test frame for address allocation

圖10 獲取設(shè)備信息測(cè)試幀的發(fā)送和接收Fig.10 Sending and receiving results of test frame for device information acquisition

圖11 獲取版本信息測(cè)試幀的發(fā)送和接收Fig.11 Sending and receiving results of test frame for version information acquisition

圖12 報(bào)警訂閱幀的發(fā)送和接收Fig.12 Sending and receiving results of test frame for alarm subscription

遠(yuǎn)程控制單元實(shí)物圖如圖13～圖14所示。

圖13 遠(yuǎn)程控制單元實(shí)物圖（一）Fig.13 Picture of remote control unit（one）

圖14 遠(yuǎn)程控制單元實(shí)物圖（二）Fig.14 Picture of remote control unit（two）

4 結(jié) 語

基于AISG 2.0協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，對(duì)軟件和硬件模塊進(jìn)行了詳細(xì)說明，介紹了硬件的整體結(jié)構(gòu)及其電路圖，提出基于霍爾傳感器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的控制系統(tǒng)。直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，主傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生1 600霍爾脈沖，精度可以達(dá)到0.005°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上的電調(diào)天線的精度?？刂葡到y(tǒng)自定義天線配置數(shù)據(jù)功能，幀通信測(cè)試與基本控制功能測(cè)試的結(jié)果表明，控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天線的遠(yuǎn)程控制。