基站天線風(fēng)振響應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

韓明超 李皓琰 孫國(guó)良 汲書強(qiáng) 韓月鵬 臧戰(zhàn)勝

摘要：風(fēng)振會(huì)造成基站天線安裝位置產(chǎn)生相對(duì)位移，影響無線信號(hào)傳播的多徑相位，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)的傳輸損耗波動(dòng)，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，針對(duì)基站天線風(fēng)振響應(yīng)數(shù)據(jù)采集需求，設(shè)計(jì)一種風(fēng)振數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)使用ARM作為核心控制器，采用傳感器模塊獲得天線所受的風(fēng)振，通過采集板卡數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊以及云端服務(wù)器第1次實(shí)現(xiàn)基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)的采集、傳輸與儲(chǔ)存。經(jīng)實(shí)際安裝測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，得到不同風(fēng)速下基站天線的風(fēng)振譜，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬天線受風(fēng)振影響輻射性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化打下基礎(chǔ)，同時(shí)為掛塔天線安裝可靠性風(fēng)險(xiǎn)控制、未來5G陣列天線（MIMO massive）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供重要原始風(fēng)振數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：基站天線;風(fēng)振;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）07-0102-06

收稿日期：2018-07-20;收到修改稿日期：2018-08-15

作者簡(jiǎn)介：韓明超（1989-），男，河北保定市人，碩士，從事通信設(shè)備可靠性檢測(cè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)，通信設(shè)備抗震標(biāo)準(zhǔn)制定。

0 引言

風(fēng)振是基站天線最大載荷之一，露天工作的天線受風(fēng)振后其實(shí)際反射面與理論反射面間會(huì)存在偏差，嚴(yán)重影響其分辨率和靈敏度，致使工作性能降低[1]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天線風(fēng)振的研究主要針對(duì)大口徑天線，多采用理論計(jì)算、仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)等方法得到天線結(jié)構(gòu)的風(fēng)激響應(yīng)、風(fēng)壓分布和電性能響應(yīng)[2-6]，而基站雙極化天線是我國(guó)應(yīng)用數(shù)量最多，安裝范圍最為廣泛的天線，其物理尺寸目前已達(dá)2.10m×0.4m，根據(jù)電磁波傳播的多徑效應(yīng)和波疊加理論，基站天線受風(fēng)振產(chǎn)生的相對(duì)位移會(huì)影響天線電磁波傳播的多徑相位，出現(xiàn)信號(hào)傳輸強(qiáng)度損耗波動(dòng)，造成網(wǎng)絡(luò)覆蓋下降，直接導(dǎo)致通話接通率和網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸速率降低。

目前基站天線受風(fēng)振影響造成的的網(wǎng)絡(luò)覆蓋下降并未引起重視，相關(guān)研究還處于空白狀態(tài)，隨著無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)，據(jù)預(yù)測(cè)到2020年5G通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將增長(zhǎng)500～10005G通信商用頻段會(huì)達(dá)到毫米波量級(jí)，依據(jù)天線理論應(yīng)用于5G通信的大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)181的物理尺寸會(huì)相應(yīng)增大，其工作頻段和精度對(duì)風(fēng)振動(dòng)位移更加敏感，天線受風(fēng)振動(dòng)影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邊緣覆蓋的惡化已不可忽略。因此開展基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)采集與研究，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化覆蓋以及天線結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)控制，提高通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性具有重要現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義，對(duì)2020年5G大規(guī)模天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化極具前瞻性。本文設(shè)計(jì)了一種基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)采集板卡，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)振數(shù)據(jù)的采集和實(shí)測(cè)譜分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

采集系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板卡、信息傳輸與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成，其中傳感器系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器和超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器，傳感器安裝于鐵塔天線抱桿，用于采集風(fēng)荷和天線振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。前端數(shù)據(jù)采集板卡通過ARM核心芯片控制AI]模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多通道采集。信息傳輸系統(tǒng)分為CDMA2000移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)云平臺(tái)，負(fù)責(zé)風(fēng)振數(shù)據(jù)和命令幀的傳輸以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。終端設(shè)備（UE）可通過公用網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)云平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集板卡的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看下載，系統(tǒng)整體架構(gòu)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器系統(tǒng)分析

2.1.1 加速度振動(dòng)傳感器

針對(duì)基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)特點(diǎn)，為滿足天線振動(dòng)信號(hào)的采集，振動(dòng)傳感器采用壓電式三軸高精度振動(dòng)傳感器SENTHER860-10（頻率范圍0～400Hz，X向靈敏度100Hz時(shí)為213.38mV/g），壓電式傳感器原理是一種機(jī)電換能器，選取的壓電元件為人造陶瓷、天然石英石等，當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生一定方向的形變或受應(yīng)力時(shí)，極化面會(huì)出現(xiàn)同應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的電荷[9]，通過測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。加速度振動(dòng)傳感器采用U型卡安裝在天線機(jī)械臂與抱桿連接處。

2.1.2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器

風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用數(shù)字型超聲波傳感器FRTFWS600（風(fēng)向測(cè)量范圍0°～360°，準(zhǔn)確度±3°，風(fēng)速測(cè)量范圍0～60m/s，準(zhǔn)確度±0.3m/s），該傳感器可精確采集風(fēng)速、風(fēng)向值，并可通過RS485接口進(jìn)行風(fēng)速數(shù)據(jù)采集設(shè)置，滿足野外艱苦環(huán)境安裝與采集精度要求，風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用抱箍安裝在天線抱桿頂部。

2.2 數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計(jì)

2.2.1 板卡功能布局

根據(jù)數(shù)據(jù)采集需求，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集板卡硬件功能組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集板卡首先通過調(diào)理電路對(duì)振動(dòng)傳感器模擬電壓輸入信號(hào)進(jìn)行輸入電壓限制保護(hù)和低通濾波，濾除信號(hào)中的高頻噪聲干擾成分，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)ARM處理器的寄存器配置以設(shè)定的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用RS485收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的采集，然后ARM處理器將采集到的模擬電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行打包存儲(chǔ)，最后通過3G模塊CDMA2000網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)上，完成風(fēng)振數(shù)據(jù)的采集。采集板卡現(xiàn)場(chǎng)使用基站機(jī)房開關(guān)電源，設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換模塊將直流48V電源轉(zhuǎn)換為板卜各類型芯片正常工作電壓。

2.2.2 板卡硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)板卡功能布局和數(shù)據(jù)采集要求，板卡的主要器件選型如表1所示。

采集板卡的信號(hào)調(diào)理電路與AD采集模塊設(shè)計(jì)如圖3所示，ADS131E08可支持8路模擬通道輸人，系統(tǒng)采集板卡設(shè)計(jì)使用6路通道，分別采集振動(dòng)傳感器1的X向/Y向/Z向數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳感器2的X向/Y向/Z向數(shù)據(jù)，剩余2路冗余，支持通道擴(kuò)展。信號(hào)調(diào)理電路由鉗位電路和RC低通濾波器組成，鉗位電路原理為兩個(gè)二極管反向并聯(lián)，設(shè)計(jì)的鉗位電路上端二極管連接5V直流電壓，下端二極管接地，振動(dòng)傳感器正常輸出電壓為0～5V，通過鉗位電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)后置AD轉(zhuǎn)換芯片輸入端的過壓保護(hù)，滿足AD轉(zhuǎn)換芯片的電壓采樣范圍。RC低通濾波器濾除電壓數(shù)據(jù)中的高頻成分，防止高頻信號(hào)對(duì)采集的電壓信號(hào)干擾。AD轉(zhuǎn)換芯片ADS131E08通過OMAPL138處理器進(jìn)行控制與寄存器配置，AD轉(zhuǎn)換芯片設(shè)置8路通道并行采樣，采集數(shù)據(jù)由DOUT引腳串行輸出。

由于數(shù)據(jù)采集板卡需要安裝在鐵塔上，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高濕高鹽多雨的環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用鑄造鋁殼外殼對(duì)板卡進(jìn)行防護(hù)，外殼和數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)成掛塔采集儀，采集儀內(nèi)部PCB電路和模塊功能布局如圖4所示。

采集儀通過4個(gè)接口與外部連接，接口分別為電源輸入接口、風(fēng)速風(fēng)向傳感器輸入接口、振動(dòng)傳感器輸入接口和采集儀天線接口，接口通過不同插針數(shù)量實(shí)現(xiàn)防插反、防差錯(cuò)設(shè)計(jì)。

2.3 信息傳輸與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集儀通過3G模塊MC509并使用SIM卡進(jìn)行CDMA2000網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證與連接，實(shí)現(xiàn)了采集儀與云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，采集數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲(chǔ)在云端服務(wù)器中。終端設(shè)備通過有線或無線公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接到云端服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)采集儀實(shí)時(shí)控制和云端服務(wù)器采集數(shù)據(jù)查看與下載，信息傳輸與控制實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)如圖5所示。

采集儀上電初始化后首先通過網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)連接成功后按照設(shè)定的采集參數(shù)配置，然后進(jìn)行振動(dòng)和風(fēng)荷數(shù)據(jù)采集與傳輸。實(shí)際使用中，當(dāng)采集儀遭遇狂風(fēng)、暴雨等極端天氣條件造成網(wǎng)絡(luò)中斷系統(tǒng)掉線時(shí)，采集儀將按照掉線前最后一次成功設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到板卡上的存儲(chǔ)卡中，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，系統(tǒng)重新上線，將掉線或網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中數(shù)據(jù)重新發(fā)送到服務(wù)器，避免了系統(tǒng)掉線或異常時(shí)的數(shù)據(jù)丟失，保證了數(shù)據(jù)的完備性，提高了系統(tǒng)的抗惡劣天氣的能力，采集儀的工作流程圖如圖6所示。

3 采集實(shí)例與數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)驗(yàn)證

采集儀使用電磁振動(dòng)臺(tái)、校準(zhǔn)傳感器、數(shù)據(jù)采集分析軟件進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證，將校準(zhǔn)傳感器固定于電磁振動(dòng)臺(tái)上，傳感器采集線與采集儀通道連接?？刂齐姶耪駝?dòng)臺(tái)做幅值0.8g，頻率為8Hz的正弦振動(dòng)，通過數(shù)據(jù)采集分析軟件讀取采集儀采集到的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試系統(tǒng)連接如圖7所示。

分別校準(zhǔn)采集儀X向/Y向/Z向通道，校準(zhǔn)后的結(jié)果如表2所示。通道幅值最大誤差為2.988%，頻率最大誤差為0.041%，滿足數(shù)據(jù)采集要求。

3.2 天線風(fēng)振實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掛塔實(shí)物圖如圖8所示，為準(zhǔn)確采集天線的風(fēng)振數(shù)據(jù)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過抱箍安裝在天線抱箍頂部，振動(dòng)傳感器安裝在天線機(jī)械臂與抱桿連接處，采集儀使用鋼扎帶固定到鐵塔平臺(tái)上。

以高風(fēng)壓（臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)）多發(fā)地區(qū)廣東陽江某角鋼塔基站天線為例，該基站天線尺寸為1.4m×0.4m，掛塔高度為35m，通過1個(gè)月的數(shù)據(jù)采集與下載獲得了多組不同風(fēng)速下的天線風(fēng)振數(shù)據(jù)，采用GJB/Z 126-99《振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法》[10]中容差上限法對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)置信度為50%、分位點(diǎn)為0.95時(shí)，分析處理風(fēng)振數(shù)據(jù)，天線機(jī)械臂處的風(fēng)振實(shí)測(cè)譜如圖9所示。

經(jīng)過分析對(duì)比1～3m/s，4～6m/s和7～9m/s風(fēng)速下功率譜密度圖可得出，隨著風(fēng)速的增加，天線風(fēng)振功率譜密度變大，即風(fēng)能對(duì)基站天線造成的振動(dòng)隨著風(fēng)速的增加而增大，并且風(fēng)能對(duì)基站天線造成的振動(dòng)主要集中在60Hz以下。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基站天線風(fēng)振響應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了基站天線風(fēng)振數(shù)據(jù)的采集，并針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的雙極化天線風(fēng)振實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算歸納出了天線風(fēng)載隨機(jī)振動(dòng)實(shí)測(cè)譜，為下一步實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬天線受風(fēng)振影響輻射性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化提供了真實(shí)原始風(fēng)振數(shù)據(jù)，同時(shí)為5G毫米波大規(guī)模天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝風(fēng)險(xiǎn)控制、5G通信組網(wǎng)與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉巖，錢宏亮，范峰.超大口徑天線的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，2016，36（3）：459-465.

[2]劉巖，錢宏亮，范峰.大型射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性研究[J].紅外與激光工程，2015，44（1）：148-156.

[3]龐毅.深空大天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2011，27（3）：28-30.

[4]SOLARI G，PICCARDO G.Probabilistic 3-D turbulencemodeling for gust buffeting of structures[J].ProbabilisticEngineering Mechanics，2001，16（1）：73-86.

[5]劉彥，張慶明，黃風(fēng)雷，等.反射面變形對(duì)天線輻射特性的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：541-545.

[6]張巨勇，施滸立，陳志平，等.大口徑天線電性能風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)域分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25（1）：84-88.

[7]許森，張光輝，曹磊.大規(guī)模多天線系統(tǒng)的技術(shù)展望[J].電信技術(shù)，2013（12）：25-28.

[8]劉寧，袁宏.5G大規(guī)模天線系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子科技，2015，28（4）：182-185.

[9]曹麗曼.壓電式加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（7）：164-166.

[10]振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法：GJB/Z 126-99[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

（編輯：劉楊）