CN102638819B - 移动通信基站功率的无线测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
移动通信基站功率的无线测量方法及其装置，该测量方法在不同时间段通过无线方式完成多个测试地点的重复测试后，对测试结果进行联合处理并校准后得到移动通信基站的发射功率。在每个测试地点，该测量装置首先通过天线接收基站信号，经过射频前端处理单元实现放大、滤波、下变频处理，并进行模数变换(ADC)，得到数字信号，随后在数字信号处理单元计算出基站发射功率值得到单个测试结果。用户可以根据需求修改功率测量时间、被测信号体制、滤波器带宽等。本发明涉及的基站功率测试装置，采用无线方式实现功率测量，有效的解决了电缆连接功率测量的不足，比如在高山上架设的基站天线很难通过有线电缆进线连接。
Description
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及移动通信基站功率的测量。
背景技术
移动通信基站的覆盖范围与基站发射信号功率有关，为了使覆盖范围内的移动台能正常接收基站发射信号，基站发射信号功率需高于一个最小的功率电平。如果发射功率小于这个最小电平时，基站的覆盖范围将会缩小，导致盲区出现，在盲区内移动台无法完成与基站的正常通信。同时，基站的发射功率亦不能过高，因为随着基站发射信号功率的增大，在同一频率上和相邻基站的发射信号所产生的交调越大。交调的增大会导致信道质量下降，通信***容量减小。从而，准确测量发射功率对移动通信***性能具有重要作用。
针对动通信基站的功率测量，通常由功率传感器和功率计实现。其中，功率传感器也称功率计探头，将射频信号转换为与功率成正比的电信号，而功率计负责分析电信号并计算其代表的功率。根据功率计在测试***中的连接方式，可以分为终端式和通过式。上述功率测量通常采用电缆连接基站发射天线与功率计探头。如图1所示，基站单元1直接与传统移动通信基站功率测量装置单元14之间，采用有线电缆单元5连接。然而，在实际应用中，由于基站的架设位置不同，有线连接测试十分不便。比如架设在高山上的基站天线，采用有线连接测量很难实现。针对这样的问题，本发明提出了采用无线连接方式实现移动通信基站功率测量的方法及装置。
发明内容
本发明目的是解决电缆连接功率测量的不足，给出了移动通信基站功率的无线测量方法及其装置。
本发明所述方法，包括以下步骤：
a. 选择满足远场条件的测试点位置，以基站天线位置为参考点 ，测量所述测试点相对参考点的三维地理位置坐标(x,y,z)；
b. 功率测量装置通过其接收天线获取移动通信基站的无线信号；
c. 对所述无线信号进行滤波、放大、下变频，完成射频前端处理；
d. 对所述无线信号进行模数转换，得到数字信号；
e. 对所述数字信号进行数字信号处理，获取移动通信基站发射信号功率值的计算方程，从而得到单个测量点的功率值计算方程；
f. 改变测量点位置，顺次重复步骤a、步骤b、步骤c、步骤d、步骤e得到多个测量点的功率值计算方程；
g. 对所述多个测量点的功率值计算方程进行联合求解，推算出移动通信基站发射的信号功率值；
h. 输出所述移动通信基站发射的信号功率值。
其中，远场条件定义为超过远场距离的地区，与发射天线截面的最大线性尺寸和波长有关，，其中D为天线的最大物理线性尺寸。
优选地，第i个测量点步骤e中，根据第i个测量点相对于基站参考点的三维地理位置坐标，得到基站与第i个测量点之间的距离。根据基站与测量点之间的距离，基站发射天线在功率测量装置的接收天线方向的增益，功率测量装置的接收天线在基站发射天线方向的增益、功率测量装置接收信号功率值、以及功率测量装置固有的插损，功率测量装置接收信号波长λ，根据弗里斯(Friis)传输公式得到移动天线基站发射功率计算方程，。其中，可以在功率测量装置根据天线的尺寸和类型获得，是关于的函数，未知。
得到多个测量点计算方程后，步骤g中，根据个测量点计算方程及其位置信息联合表示为一个方程组为：
为基站天线的方向矢量，为基站天线最大辐射方向的方向矢量，该方程组的未知变量为，共个变量，方程个数为个，求解可得移动天线基站发射功率。
为了使计算出发射功率值更加准确，优选地，在计算出发射功率值后，数字信号处理单元11根据温度传感器单元10提供的温度信息对所述信号功率值进行校准，得到所测基站发射功率值。具体校准过程为，首先通过分析所述移动通信基站功率无线测量装置4的温度漂移分布曲线图得出一个误差模型，建立分布曲线随温度移动的误差表达式（该表达式为移动通信基站功率无线测量装置4功率测量误差与温度的关系函数），利用该误差表达式抵消温度变化，实现对基站发射功率值的校准。
计算发射功率值过程所需要的功率测量装置各种插损L采用外接标准信号源测得，具体方法如图5所示。功率测量装置通过有线电缆外接一个标准信号源，产生标准输入功率PI，经过功率测量装置射频前端处理单元7、模数转换(ADC)单元8，测得接收功率Po，并求得插损L=PI-Po。
计算发射功率值过程所需要的接收信号功率值通过对接收信号进行功率谱密度估计，并将得到的功率谱密度与对应信号带宽相乘获得。功率谱密度估计方法包括小波变换方法、加权重叠段平均方法、多窗口方法。其中，小波变换方法如图4所示，估计步骤为，对接收信号进行数字下变频15、滤波16、下采样17、快速傅里叶变换(FFT) 18、特征谱估计19、离散小波变换(DWT) 20、阈值分割21、逆离散小波变换(IDWT)22、得到功率谱密度23。
计算发射功率值过程所需要的和由天线的实际尺寸、类型决定。
本发明所述的装置，包括功率测量装置天线6、射频前端处理单元7、模数转换(ADC)单元8、测距仪9、数字信号处理单元11、人机交互参数控制单元12及输出显示单元13；
所述功率测量装置天线6与射频前端处理单元7的信号输入端连接，射频前端处理单元7的信号输出端与模数转换(ADC)单元8的输入端连接，模数转换(ADC)单元8的输出端与数字信号处理单元11的信号输入端连接；输出显示单元13用于接收并显示数字信号处理单元11输出的移动通信基站功率值；
所述数字信号处理单元11用于移动通信基站功率计算及校准；
所述射频前端处理单元7用于对功率测量装置天线6接收到的无线信号进行滤波、放大、下变频；
所述测距仪9、人机交互控制单元12均与数字信号处理单元11具有信号连接，测距仪9用于向数字信号处理单元11提供测量点与移动通信基站之间的距离信息；人机交互控制单元12用于接收用户输入的测试信号频段、滤波器带宽、测量点个数，并向数字信号处理单元11输出。
优选地，还包括温度传感器10；所述温度传感器10与数字信号处理单元11具有信号连接，温度传感器10用于向数字信号处理单元11输出环境温度。
本发明的有益效果：
1、本发明的移动通信基站功率测量方法及测量装置，采用无线测量方式实现对功率的测量，适用各种复杂场景下的测量需求，比如在高山上架设的基站天线功率测量。
2、本发明的移动通信基站功率测量方法及测量装置，并不影响移动通信基站的正常运行，而当前有线电缆测量方式会影响基站正常运行。
附图说明
图1是现有移动通信基站功率的有线测量方法图；
图2是移动通信基站功率的无线测量方法图；
图3是单点测量结构图；
图4是功率谱密度估计流程图；
图5是仪器损耗估计方法图。
其中1是基站，2是基站天线，3是基站发射波束，4是移动通信基站发射功率的无线测量装置，5电缆， 6是功率测量装置天线，7是射频前端处理单元，8是模数转换(ADC)单元，9是测距仪，10是温度传感器，11是数字信号处理单元，12是人机交互参数控制单元，13是输出显示单元，14是现有移动通信基站发射功率的有线测量装置，15是数字下变频，16是滤波，17是下采样，18是快速傅里叶变换(FFT)，19是特征谱计算，20是离散小波变换(DWT)，21是阈值分割，22是逆离散小波变换(IDWT)，23是功率谱密度估计(PSD)，24是标准信号源，25是仪器损耗估计单元。
具体实施说明
本发明适用于从GSM基站、IS-95基站、TD-SCDMA基站、CDMA2000基站、WCDMA基站、或LTE基站发出的信号。
下面介绍本发明给出的移动通信基站发射功率无线测量装置的具体实施方案。
如图3，移动通信基站发射功率的无线测量装置4（简称为功率测量装置）包括功率测量装置天线6、射频前端处理单元7、模数转换(ADC)单元8、测距仪9、温度传感器10、数字信号处理单元11、人机交互参数控制单元12、输出显示单元13。
所述功率测量装置天线6与射频前端处理单元7的信号输入端连接，射频前端处理单元7的信号输出端与模数转换(ADC)单元8的输入端连接，模数转换(ADC)单元8的输出端与数字信号处理单元11的信号输入端连接，所述数字信号处理单元11用于移动通信基站功率计算及校准；输出显示单元13用于接收并显示数字信号处理单元11输出的移动通信基站功率值；所述测距仪9、温度传感器10与人机交互控制单元12均与数字信号处理单元11具有信号连接，用于向数字信号处理单元11提供测量点与移动通信基站之间的距离、环境温度信息。测试的信号频段、滤波器带宽等参数均可由人机交互控制单元12修改，并由人机交互控制单元12向数字信号处理单元11输出。
如图2所示，移动通信基站功率测量装置单元4在不同地点通过无线方式完成N个测试地点的重复测试，并对测试结果进行求和取平均后得到移动通信基站单元1的天线单元2的发射功率并显示输出到图3所示的输出显示单元13。
下面介绍本发明给出的移动通信基站功率无线测量方法的具体实施方案。
该测量方案中假设测量装置的接收天线为半波偶极子天线，基站天线的位置、发射信号频率已知。根据基站的发射频率，通过人机交互单元12修改测量装置对应的频率、滤波器带宽、测量次数N等信息。
功率测量装置各种插损L采用如图5所示外接标准信号源测得，功率测量装置通过有线电缆外接一个标准信号源，产生标准输入功率PI，经过功率测量装置射频前端处理单元7、模数转换(ADC)单元8，测得接收功率Po，并求得插损L=PI-Po。通过人机交互单元12输入插损L到数字信号处理单元11，用于计算基站发射功率。
功率测量装置首先通过分析器件的温度漂移分布曲线图得出一个误差模型，建立分布曲线随温度移动的误差表达式。通过人机交互单元12将温度误差表达式存储进数字信号处理单元11。
在第一个测试点，功率测量装置的测距仪9测得相对于基站参考点的测试点位置，功率测量装置与基站之间的距离。功率测量装置接收基站发射信号，并进行射频前端处理7、数模转换(ADC)8。随后，根据图4所示的小波方式进行功率谱密度估计，得到接收功率=功率谱密度×信号带宽。本实施例中，基站发射天线与功率测量装置的接收天线均为半波偶极子天线。测得功率测量装置接收天线的方向，计算出功率测量装置接收天线增益为。
根据弗里斯(Friis)传输公式得到，第一个测试点的发射功率值计算方程。其中，，其中为基站天线的方向矢量。
类似的进行一个七个点的测量，得到方程组：
求解方程，得到基站发射功率。针对求出的发射功率，利用补偿函数关系抵消温度变化，实现对基站发射功率值的校准，得到发射功率值P为最终求得的基站发射功率，并输出显示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.移动通信基站发射功率的无线测量方法，包括步骤：
a.选择满足远场条件的测量点位置，以基站天线位置为参考点(0,0,0)，测量所述测量点相对参考点的三维地理位置坐标(x,y,z)；
b.功率测量装置通过其接收天线获取移动通信基站的无线信号；
c.对所述无线信号进行滤波、放大、下变频，完成射频前端处理；
d.对所述无线信号进行模数转换，得到数字信号；
e.对所述数字信号进行数字信号处理，获取移动通信基站发射信号功率值的计算方程，从而得到单个测量点的功率值计算方程；
f.改变测量点位置，顺次重复步骤a、步骤b、步骤c、步骤d、步骤e得到多个测量点的功率值计算方程；
g.对所述多个测量点的功率值计算方程进行联合求解，推算出移动通信基站发射的信号功率值PT；
h.输出所述移动通信基站发射的信号功率值；
所述步骤e的数字信号处理过程是，根据第i个测量点的三维地理位置坐标(xi,yi,zi)，得到基站与第i个测量点之间的距离根据基站与测量点之间的距离ri，基站发射天线在功率测量装置的接收天线方向的增益功率测量装置的接收天线在基站发射天线方向的增益功率测量装置测得的接收信号功率值PR,i、以及功率测量装置固有的插损L，功率测量装置接收信号波长λ，得到移动天线基站发射功率计算方程：其中，可以在测量装置根据天线的尺寸和类型获得，是关于的函数，未知。
2.根据权利要求1所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，所述步骤g中，根据n个测量点的位置信息联合表示为一个方程组：
et＝(x0,y0,z0)为基站天线的方向矢量，et′＝(x0′,y0′,z0′)为基站天线最大辐射方向的方向矢量，该方程组的未知变量为共2n+7个变量，方程个数为3n个，当n＝7求解可得移动天线基站发射功率PT。
3.根据权利要求1或2所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，步骤g中还包括根据温度信息对所述移动通信基站发射功率值PT进行校准的过程：首先通过分析功率测量装置的温度漂移分布曲线图得出一个误差模型，建立表达功率测量装置误差与温度关系的误差表达式，利用误差表达式抵消温度变化，实现对基站发射功率值PT的校准，从而得到移动通信基站发射的信号功率值P。
4.根据权利要求1或2所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，所述功率测量装置固有的插损L采用外接标准信号源测得：功率测量装置通过有线电缆外接一个标准信号源，产生标准输入功率PI，功率测量装置测得接收功率Po，插损L＝PI-Po。
5.根据权利要求1或2所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，所述接收信号功率值PR,i通过对接收信号进行功率谱密度估计，并将得到的功率谱密度与对应信号带宽相乘获得。
6.根据权利要求5所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，所述功率谱密度估计方法包括小波变换方法、加权重叠段平均方法、多窗口方法。
7.根据权利要求6所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法，其特征是，所述小波变换方法的估计步骤为，对接收信号进行滤波、下采样、快速傅里叶变换、特征谱估计、离散小波变换、阈值分割、逆离散小波变换、得到功率谱密度。
8.用于实现所述权利要求1～7任意一项所述的移动通信基站发射功率的无线测量方法的装置，其特征在于，包括功率测量装置天线(6)、射频前端处理单元(7)、模数转换单元(8)、测距仪(9)、数字信号处理单元(11)、人机交互参数控制单元(12)及输出显示单元(13)；
所述功率测量装置天线(6)与射频前端处理单元(7)的信号输入端连接，射频前端处理单元(7)的信号输出端与模数转换单元(8)的输入端连接，模数转换单元(8)的输出端与数字信号处理单元(11)的信号输入端连接；输出显示单元(13)用于接收并显示数字信号处理单元(11)输出的移动通信基站功率值；
所述数字信号处理单元(11)用于移动通信基站功率计算及校准；
所述射频前端处理单元(7)用于对功率测量装置天线(6)接收到的无线信号进行滤波、放大、下变频；
所述测距仪(9)、人机交互控制单元(12)均与数字信号处理单元(11)具有信号连接，测距仪(9)用于向数字信号处理单元(11)提供测量点与移动通信基站之间的距离信息；人机交互控制单元(12)用于接收用户输入的测试信号频段、滤波器带宽、测量点个数，并向数字信号处理单元(11)输出。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括温度传感器(10)；所述温度传感器(10)与数字信号处理单元(11)具有信号连接，温度传感器(10)用于向数字信号处理单元(11)输出环境温度。
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