基站天线风振响应数据采集系统研制

韩明超 李皓琰 孙国良 汲书强 韩月鹏 臧战胜

摘要：风振会造成基站天线安装位置产生相对位移，影响无线信号传播的多径相位，进而导致信号的传输损耗波动，出现网络覆盖盲区，针对基站天线风振响应数据采集需求，设计一种风振数据采集系统。系统使用ARM作为核心控制器，采用传感器模块获得天线所受的风振，通过采集板卡数据采集和无线数据传输模块以及云端服务器第1次实现基站天线风振数据的采集、传输与储存。经实际安装测试与数据分析，得到不同风速下基站天线的风振谱，为实验室环境下模拟天线受风振影响辐射性能指标动态变化打下基础，同时为挂塔天线安装可靠性风险控制、未来5G阵列天线（MIMO massive）结构设计、5G网络覆盖与优化提供重要原始风振数据。

关键词：基站天线;风振;数据采集

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）07-0102-06

收稿日期：2018-07-20;收到修改稿日期：2018-08-15

作者簡介：韩明超（1989-），男，河北保定市人，硕士，从事通信设备可靠性检测、监测系统研发，通信设备抗震标准制定。

0 引言

风振是基站天线最大载荷之一，露天工作的天线受风振后其实际反射面与理论反射面间会存在偏差，严重影响其分辨率和灵敏度，致使工作性能降低[1]，目前国内外对天线风振的研究主要针对大口径天线，多采用理论计算、仿真和风洞试验等方法得到天线结构的风激响应、风压分布和电性能响应[2-6]，而基站双极化天线是我国应用数量最多，安装范围最为广泛的天线，其物理尺寸目前已达2.10m×0.4m，根据电磁波传播的多径效应和波叠加理论，基站天线受风振产生的相对位移会影响天线电磁波传播的多径相位，出现信号传输强度损耗波动，造成网络覆盖下降，直接导致通话接通率和网络无线数据传输速率降低。

目前基站天线受风振影响造成的的网络覆盖下降并未引起重视，相关研究还处于空白状态，随着无线网络业务的迅速增长，据预测到2020年5G通信网络将实现规模商用，数据业务将增长500～10005G通信商用频段会达到毫米波量级，依据天线理论应用于5G通信的大规模天线阵列系统181的物理尺寸会相应增大，其工作频段和精度对风振动位移更加敏感，天线受风振动影响导致网络边缘覆盖的恶化已不可忽略。因此开展基站天线风振数据采集与研究，对无线网络的优化覆盖以及天线结构可靠性设计与风险控制，提高通信网络稳定性具有重要现实意义和指导意义，对2020年5G大规模天线阵列结构设计与组网网络覆盖优化极具前瞻性。本文设计了一种基站天线风振数据采集板卡，包括传感器系统、数据处理系统、信息传输和数据存储系统，实现了风振数据的采集和实测谱分析。

1 系统架构

采集系统由传感器系统、数据采集板卡、信息传输与数据存储系统构成，其中传感器系统包括振动传感器和超声波风速风向传感器，传感器安装于铁塔天线抱杆，用于采集风荷和天线振动加速度数据。前端数据采集板卡通过ARM核心芯片控制AI]模块实现数据的多通道采集。信息传输系统分为CDMA2000移动通信网络和数据云平台，负责风振数据和命令帧的传输以及数据的存储。终端设备（UE）可通过公用网络访问数据云平台服务器，实现对采集板卡的参数设置和数据的实时查看下载，系统整体架构组成框图如图1所示。

2 系统设计与实现

2.1 传感器系统分析

2.1.1 加速度振动传感器

针对基站天线风振数据特点，为满足天线振动信号的采集，振动传感器采用压电式三轴高精度振动传感器SENTHER860-10（频率范围0～400Hz，X向灵敏度100Hz时为213.38mV/g），压电式传感器原理是一种机电换能器，选取的压电元件为人造陶瓷、天然石英石等，当负荷产生一定方向的形变或受应力时，极化面会出现同应力相对应的电荷[9]，通过测量对应的电压值实现振动数据的采集。加速度振动传感器采用U型卡安装在天线机械臂与抱杆连接处。

2.1.2 超声波风速风向传感器

风速风向传感器使用数字型超声波传感器FRTFWS600（风向测量范围0°～360°，准确度±3°，风速测量范围0～60m/s，准确度±0.3m/s），该传感器可精确采集风速、风向值，并可通过RS485接口进行风速数据采集设置，满足野外艰苦环境安装与采集精度要求，风速风向传感器使用抱箍安装在天线抱杆顶部。

2.2 数据采集板卡设计

2.2.1 板卡功能布局

根据数据采集需求，设计的数据采集板卡硬件功能组成如图2所示。

数据采集板卡首先通过调理电路对振动传感器模拟电压输入信号进行输入电压限制保护和低通滤波，滤除信号中的高频噪声干扰成分，模数转换芯片根据ARM处理器的寄存器配置以设定的采样频率对信号进行采样，超声波风速风向传感器使用RS485收发芯片实现数字信号的采集，然后ARM处理器将采集到的模拟电压信号和数字信号进行打包存储，最后通过3G模块CDMA2000网络将数据传输到云平台上，完成风振数据的采集。采集板卡现场使用基站机房开关电源，设计电源转换模块将直流48V电源转换为板卜各类型芯片正常工作电压。

2.2.2 板卡硬件电路设计

根据板卡功能布局和数据采集要求，板卡的主要器件选型如表1所示。

采集板卡的信号调理电路与AD采集模块设计如图3所示，ADS131E08可支持8路模拟通道输人，系统采集板卡设计使用6路通道，分别采集振动传感器1的X向/Y向/Z向数据和振动传感器2的X向/Y向/Z向数据，剩余2路冗余，支持通道扩展。信号调理电路由钳位电路和RC低通滤波器组成，钳位电路原理为两个二极管反向并联，设计的钳位电路上端二极管连接5V直流电压，下端二极管接地，振动传感器正常输出电压为0～5V，通过钳位电路实现了对后置AD转换芯片输入端的过压保护，满足AD转换芯片的电压采样范围。RC低通滤波器滤除电压数据中的高频成分，防止高频信号对采集的电压信号干扰。AD转换芯片ADS131E08通过OMAPL138处理器进行控制与寄存器配置，AD转换芯片设置8路通道并行采样，采集数据由DOUT引脚串行输出。

由于数据采集板卡需要安装在铁塔上，长时间处于高温高湿高盐多雨的环境中，设计使用铸造铝壳外壳对板卡进行防护，外壳和数据采集板卡构成挂塔采集仪，采集仪内部PCB电路和模块功能布局如图4所示。

采集仪通过4个接口与外部连接，接口分别为电源输入接口、风速风向传感器输入接口、振动传感器输入接口和采集仪天线接口，接口通过不同插针数量实现防插反、防差错设计。

2.3 信息传输与数据存储系统设计

采集仪通过3G模块MC509并使用SIM卡进行CDMA2000网络认证与连接，实现了采集仪与云端服务器的数据交互，采集数据通过无线网络传输并存储在云端服务器中。终端设备通过有线或无线公共服务网络连接到云端服务器，可实现采集仪实时控制和云端服务器采集数据查看与下载，信息傳输与控制实现设计如图5所示。

采集仪上电初始化后首先通过网络与云端服务器进行连接，网络连接成功后按照设定的采集参数配置，然后进行振动和风荷数据采集与传输。实际使用中，当采集仪遭遇狂风、暴雨等极端天气条件造成网络中断系统掉线时，采集仪将按照掉线前最后一次成功设置进行数据采集，采集到的数据存储到板卡上的存储卡中，等网络恢复后，系统重新上线，将掉线或网络异常时存储在存储卡中数据重新发送到服务器，避免了系统掉线或异常时的数据丢失，保证了数据的完备性，提高了系统的抗恶劣天气的能力，采集仪的工作流程图如图6所示。

3 采集实例与数据分析

3.1 系统校准验证

采集仪使用电磁振动台、校准传感器、数据采集分析软件进行校准验证，将校准传感器固定于电磁振动台上，传感器采集线与采集仪通道连接。控制电磁振动台做幅值0.8g，频率为8Hz的正弦振动，通过数据采集分析软件读取采集仪采集到的信号对系统进行校准，测试系统连接如图7所示。

分别校准采集仪X向/Y向/Z向通道，校准后的结果如表2所示。通道幅值最大误差为2.988%，频率最大误差为0.041%，满足数据采集要求。

3.2 天线风振实测数据与分析

基站天线风振数据采集系统挂塔实物图如图8所示，为准确采集天线的风振数据，风速风向传感器通过抱箍安装在天线抱箍顶部，振动传感器安装在天线机械臂与抱杆连接处，采集仪使用钢扎带固定到铁塔平台上。

以高风压（台风、季风）多发地区广东阳江某角钢塔基站天线为例，该基站天线尺寸为1.4m×0.4m，挂塔高度为35m，通过1个月的数据采集与下载获得了多组不同风速下的天线风振数据，采用GJB/Z 126-99《振动、冲击环境测量数据归纳方法》[10]中容差上限法对振动数据进行处理，当置信度为50%、分位点为0.95时，分析处理风振数据，天线机械臂处的风振实测谱如图9所示。

经过分析对比1～3m/s，4～6m/s和7～9m/s风速下功率谱密度图可得出，随着风速的增加，天线风振功率谱密度变大，即风能对基站天线造成的振动随着风速的增加而增大，并且风能对基站天线造成的振动主要集中在60Hz以下。

4 结束语

本文设计了一种基站天线风振响应数据采集系统，首次实现了基站天线风振数据的采集，并针对目前广泛应用的双极化天线风振实测数据计算归纳出了天线风载随机振动实测谱，为下一步实验室环境下模拟天线受风振影响辐射性能指标动态变化提供了真实原始风振数据，同时为5G毫米波大规模天线阵列结构设计与安装风险控制、5G通信组网与优化奠定了基础。

参考文献

[1]刘岩，钱宏亮，范峰.超大口径天线的结构响应[J].振动测试与诊断，2016，36（3）：459-465.

[2]刘岩，钱宏亮，范峰.大型射电望远镜结构风荷载特性研究[J].红外与激光工程，2015，44（1）：148-156.

[3]庞毅.深空大天线结构设计关键技术[J].电子机械工程，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.

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[6]张巨勇，施浒立，陈志平，等.大口径天线电性能风振响应的时域分析[J].应用力学学报，2008，25（1）：84-88.

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[9]曹丽曼.压电式加速度传感器振动测量应用研究[J].自动化与仪器仪表，2015（7）：164-166.

[10]振动、冲击环境测量数据归纳方法：GJB/Z 126-99[S].北京：中国标准出版社，1999.

（编辑：刘杨）