TWI716295B - 角度量測系統及基地台天線的角度量測方法 - Google Patents

Abstract

本發明實施例提供一種角度量測系統及基地台天線的角度量測方法。在此方法中，控制信號量測設備在基地台天線的主波束前方的特定量測點垂直移動並記錄數個量測值，且依據與對應的信號強度理論值之間的差異分別決定估測方位角、估測下傾角總和、以及基地台天線的最終電子傾角及最終機械傾角。其中，各組合中的電子傾角與機械傾角的總和為估測下傾角總和。藉此，可自動化估測天線合適的下傾角及方位角，並能確保人員安全。

Description

角度量測系統及基地台天線的角度量測方法

本發明是有關於一種天線調整技術，且特別是有關於一種角度量測系統及基地台天線的角度量測方法。

基地台進行天線施工時，傳統作法需要施工人員攀附在天線上進行量測訊號。在一些施工現場，人身安全亟受挑戰。

有鑑於此，本發明實施例提供一種角度量測系統及基地台天線的角度量測方法，可自動移動信號量測設備至定點進行量測，從而保障人員性命安全。

本發明實施例的基地台天線的角度量測方法包括(但不僅限於)下列步驟：控制信號量測設備在基地台天線的主波束前方的第一量測點垂直移動並記錄數個第一量測值。依據那些第一量測值與數個方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定估測方位角。控制信號量測設備在估測方位角對應的第二量測點垂直移動並記錄數個第二量測值。依據那些第二量測值與數個機械傾角分別對應的第二信號強度理論值之間的差異決定估測下傾角總和。控制信號量測設備在估測方位角以外的第三量測點垂直移動並記錄數個第三量測值。依據那些第三量測值與不同電子傾角及不同機械傾角之數個組合分別對應的第三信號強度理論值之間的差異決定基地台天線的最終電子傾角及最終機械傾角。其中，各組合中的電子傾角與機械傾角的總和為估測下傾角總和。

本發明實施例的角度量測系統包括(但不僅限於)基地台天線、信號量測設備、移動機構及主控裝置。信號量測設備用以量測基地台天線的信號強度。移動機構用以驅動信號量測設備移動。主控裝置經配置用以控制移動機構並使信號量測設備在基地台天線的主波束前方的第一量測點垂直移動並記錄數個第一量測值，依據那些第一量測值與數個方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定估測方位角，控制移動機構並使信號量測設備在估測方位角對應的第二量測點垂直移動並記錄數個第二量測值，依據那些第二量測值與數個機械傾角分別對應的第二信號強度理論值之間的差異決定估測下傾角總和，控制移動機構並使信號量測設備在估測方位角以外的第三量測點垂直移動並記錄數個第三量測值，並依據那些第三量測值與不同電子傾角及不同機械傾角之數個組合分別對應的第三信號強度理論值之間的差異決定基地台天線的最終電子傾角及最終機械傾角。其中，各組合中的電子傾角與機械傾角的總和為估測下傾角總和。

基於上述，本發明實施例的角度量測系統及基地台天線的角度量測方法自動化控制信號量測設備依序移動到三個量測點上的數個高度並進一步量測量測天線發射的信號強度。此外，基於量測值與理論值之間的差異，依序估測最合適的天線方位角、電子傾角及機械傾角。藉此，可提升量測效率，並能避免人員危害。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依據本發明的一實施例的角度量測系統10的示意圖。請參照圖1，角度量測系統10包括(但不僅限於)基地台天線11、信號量測設備12、移動機構13及主控裝置14。

基地台天線11是用於諸如家用演進型節點B(Home Evolved Node B，HeNB)、eNB、次世代節點B(gNB)、基地收發器系統(Base Transceiver System，BTS)、中繼器(relay)、或轉發器(repeater)等基地台的各類型天線。在一實施例中，基地台天線11受組態初始的電子傾角θe及機械傾角θm(可參考圖中示意)。在一些實施例中，基地台天線11可佈建於建築物的屋頂、高塔或其他位置。

圖2A至2D是依據本發明的一實施例的輻射場型圖。請參照圖2A及圖2B是使用二維切面的輻射場型，其中圖2A所示為基地台天線11在垂直方向上的輻射場型(組態為初始的電子傾角θe)，且圖2B所示為基地台天線11在水平方向上的輻射場型(組態為初始的電子傾角θe)。請參照圖2C及圖2D是三維視圖的輻射場型，可在電波暗室量測輻射強度，如圖2C所示為基地台天線11在三維空間中的輻射場型(組態為初始的電子傾角θe)，且圖2D所示為信號強度量測設備所接收到在三維空間中的輻射場型。假設圖2D的量測條件為無人機上裝載行動網路信號強度量測設備(例如，工程模式手機、頻譜分析儀等)，並針對天線接收增益和輻射場型而在電波暗室量測得知。

信號量測設備12可以是裝載行動通訊模組(例如，支援第三代(3G)、第四代(4G)、第五代(5G)或更後世代行動通訊標準)的手機、平板電腦、或筆記型電腦，亦可以是電磁波強度計或天線與頻譜分析儀等無線信號的檢測儀器。在一實施例中，信號量測設備12用以量測基地台天線11輻射後的(接收)信號強度。

移動機構13可以是無人機、機械手臂、多自由度機構、高度調整台、滑軌、轉台、螺桿、馬達、或汽缸等各類型可驅動連接元件移動或旋轉的機械構件或其組合，以驅動/帶動信號量測設備12升降、移動及/或旋轉。

主控裝置14可以是手機、平板電腦、桌上型電腦、筆記型電腦、伺服器等電子裝置，包括諸如CPU、記憶體等元件以執行運算功能，並包括有線或無線通訊收發器以與基地台天線11、移動機構13及/或信號量測設備12通訊。在一些實施例中，主控裝置14可與信號量測設備12及/或移動機構13整合成獨立裝置。

為了方便理解本發明的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明。下文中，將搭配圖1中角度量測系統10各裝置、元件及模組說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

圖3是依據本發明的一實施例的基地台天線11的角度量測方法的流程圖。請參照圖3，主控裝置14控制移動機構13並使信號量測設備12在基地台天線11的主波束前方的第一量測點垂直移動並記錄數個第一量測值(步驟S310)。具體而言，主控裝置14可發送指令給移動機構13，移動機構13即可依據指令移動信號量測設備12至定點。

圖4A是依據本發明的一實施例的量測點的俯視圖。請參照圖4A，假設基地台天線11設於圖中方框處，N為正北方，Φ _i表示第i方位角，序號i為1至L的正整數，且數值L為正整數。圖中星號表示信號量測設備12所處的各量測點。移動機構13受控而移動到預定義的方位角(例如，第一量測點對應的方位角)。此外，移動機構13受控而垂直升降(例如，無人機可垂直起降飛行，但本發明實施例不限制移動機構13的移動方式)而將信號量測設備12移動至特定高度。另一方面，當信號量測設備12移動至指定位置時，將量測無線信號的信號強度(即，第一量測值，例如是參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)或其他強度指示)，並分別將這些信號強度結合對應高度資訊且傳送給主控裝置14。

主控裝置14可依據第一量測點對應的方位角在不同高度所取得的第一量測值與數個方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定估測方位角(步驟S320)。具體而言，圖4B是依據本發明的一實施例的估測方位角的決定方法的流程圖。請參照圖4B，主控裝置14利用網管系統記錄的初始電子傾角θe值和機械傾角θm值，計算L個不同方位角(即，第1方位角Φ ₁~第L方位角Φ _L)之信號強度理論值和與第一量測值之差異，決定估測天線方位角Φest。主控裝置14已確知此待測的基地台天線11其地理位置(例如，GPS經緯度資訊)和地表高度，並確知基地台天線11的天線增益、輻射場型、及無線信號發射功率等天線特性。此外，主控裝置14可確知信號量測設備12和移動機構13結合後之接收天線增益和輻射場型。主控裝置14可記錄移動過程之行動網路中的信號強度量測值、地理位置、地表高度、及信號量測設備12相對於前述正北方N的方位角資訊。值得注意的是，主控裝置14可利用其他已知的基地台發射功率、自由空間(free space)電波傳播損耗、及無線系統信號強度公式原理，計算出天線固定在某個電子傾角θe、機械傾角θm、及方位角的組合下、以及空中介面視線(Line of Sight，LOS)傳播條件下，空中任一點之信號強度理論值。

詳細計算流程參閱4B，主控裝置14理論計算某一個方位角對應的第一信號強度理論值(即，初始的電子傾角θe、機械傾角θm、及第i方位角Φ _i的組合對應的信號強度理論值)並與第一量測值比較其間的差異E1(步驟S410)，判斷第i方位角Φ _i的差異E1是否小於最小差異ME1(初始可為第1方位角Φ ₁的差異E1，並經後續比較大小後置換成最小者)(步驟S420)。其中，差異E1可為均方根(Root Mean Square，RMS)值、最小平方(Least Square，LS)值或其他錯誤最小化演算法所得之值。若未小於最小差異ME1，則主控裝置14判斷序號i是否大於數值L即可(步驟S440)。若序號i仍未大於數值L，則主控裝置14切換換成下一個方位角對應的第一信號強度理論值(步驟S450)，並返回執行步驟S410。若小於最小差異ME1，則主控裝置14暫定當前計算的方位角為估測方位角(步驟S430)。所有方位角皆評估後，主控裝置14即可將最後暫定的估測方位角作為最終的估測方位角(步驟S460)(即，將那些方位角中對應差異為最小值的方位角作為估測方位角)。

圖4C是一範例說明量測比較圖。請參照圖4C，以RSRP為例，與量測值401相比，第二方位角Φ ₂之理論值403對應的差異相較於第一及第三方位角Φ ₁, Φ ₃之理論值402, 404對應的差異更小，從而決定最合適的估測方位角Φest為第二方位角Φ ₂。

決定估測方位角Φest之後，主控裝置14控制移動機構13並使信號量測設備12在估測方位角Φest對應的第二量測點垂直移動並記錄數個第二量測值(步驟S330)。具體而言，相似地，移動機構13受控而將信號量測設備12移動至估測方位角Φest對應的第二量測點，並垂直升降而將信號量測設備12移動至特定高度。圖5A是依據本發明的一實施例的第二量測點的側視圖。請參照圖5A，Θ _{sum_j}表示第j下傾角總和(電子傾角與機械傾角的總和為(估測)下傾角總和，其中電子傾角此處為初始值)，序號j為1至M的正整數，且數值M為正整數。即，M個不同機械傾角。

另一方面，當信號量測設備12移動至指定的第二量測點(即，估測方位角Φest沿線上的位置，可參考圖4A)時，將量測無線信號的信號強度(即，第二量測值)，並分別將這些信號強度結合高度資訊且傳送給主控裝置14。

主控裝置14可依據這些第二量測值與數個機械傾角對應的第二信號強度理論值之間的差異決定估測下傾角總和(步驟S340)。具體而言，圖5B是依據本發明的一實施例的估測下傾角的決定方法的流程圖。請參照圖5B，主控裝置14利用記錄的初始的電子傾角θe值和估測方位角Φ _est值，計算不同機械傾角θm(對應到第一下傾角總和Θ _{sum_1}至第M下傾角總和Θ _{sum_M})之信號強度理論值和量測值之差異，決定估測下傾角總和Θ _{sum_est}。主控裝置14可計算出天線固定在某個電子傾角θe、機械傾角θm、及方位角的組合下、以及空中介面視線(LOS)傳播條件下，空中任一點之信號強度理論值。

詳細計算流程參閱5B，主控裝置14理論計算某一個機械傾角(或各下傾角總和)對應的第二信號強度理論值(即，初始的電子傾角θe、第j下傾角總和Θ _{sum_j}的組合對應的信號強度理論值)並與第二量測值比較其間的差異E2(步驟S510)，判斷第j下傾角總和Θ _{sum_j}的差異E2是否小於最小差異ME2(初始可為第1下傾角總和Θ _{sum_1}的差異E2，並經後續比較大小後置換成最小者)(步驟S520)。其中，差異E2可為均方根(RMS)值、最小平方(LS)值或其他錯誤最小化演算法所得之值。若未小於最小差異ME2，則主控裝置14判斷序號j是否小於數值M(步驟S540)。若序號j仍小於數值M，則主控裝置14換成下一個機械傾角對應的第二信號強度理論值(步驟S550)，並返回執行步驟S510。若小於最小差異ME2，則主控裝置14暫定當前計算的下傾角總和為估測下傾角總和(步驟S530)。所有下傾角總和皆評估後，主控裝置14即可將最後暫定的估測下傾角總和作為最終的估測下傾角總和(步驟S560)(即，將那些下傾角總和中對應差異為最小值的下傾角總和作為估測下傾角總和)。

圖5C是一範例說明量測比較圖。請參照圖5C，以RSRP為例，與量測值501相比，第二下傾角總和Θ _{sum_2}之理論值503對應的差異相較於第一及第三下傾角總和Θ _{sum_1}, Θ _{sum_3}之理論值502, 504對應的差異更小，從而決定最合適的估測下傾角總和Θ _{sum_est}為第二下傾角總和Θ _{sum_2}。

決定估測下傾角總和Θ _{sum_est}之後，主控裝置14控制移動機構13並使信號量測設備12在估測方位角Φest以外對應的第三量測點垂直移動並記錄數個第三量測值(步驟S350)。具體而言，相似地，移動機構13受控而移動信號量測設備12至估測方位角Φest以外的另一個方位角，並垂直升降而將信號量測設備12移動至特定高度。在一實施例中，第二量測點與第三量測點對應的方位角差異在30度以內。例如，第三量測點對應的方位角為估測方位角Φest減30度之值。在其他實施例中，兩量測點的方位角差異可能是其他角度。

圖6A是依據本發明的一實施例的第三量測點的側視圖。請參照圖6A，機械傾角θm_k表示第k下機械傾角(估測下傾角總和減去電子傾角之值，其中電子傾角此處為變值)，序號k為1至O的正整數，且數值O為正整數。即， O個不同機械傾角及電子傾角，以形成複數個組合，但兩數值之總和固定在估測下傾角總和Θ _{sum_est}。

另一方面，當信號量測設備12移動至指定的第三量測點(即，估測方位角Φest減去特定角度的方位角沿線上的位置，可參考圖4A)時，將量測無線信號的信號強度(即，第三量測值)，並分別將這些信號強度結合對應高度資訊且傳送給主控裝置14。

主控裝置14可依據數個第三量測值與數個組合(分別由不同機械傾角及電子傾角所形成)對應的第三信號強度理論值之間的差異決定基地台天線11的最終電子傾角及最終機械傾角(步驟S360)。具體而言，圖6B是依據本發明的一實施例的最終電子傾角及最終機械傾角的決定方法的流程圖。請參照圖6B，主控裝置14利用第三量測點對應的方位角，計算不同機械傾角θm及不同電子傾角θe之信號強度理論值和第三量測值之差異，決定最終電子傾角及最終機械傾角。主控裝置14可計算出天線固定在某個電子傾角θe、機械傾角θm、及方位角的組合下、以及空中介面視線(LOS)傳播條件下，空中任一點之信號強度理論值。

詳細計算流程參閱6B，主控裝置14理論計算某一個組合(即，第k機械傾角θm_k、某一電子傾角θe(估測下傾角總和Θ _{sum_est}減去第k機械傾角θm_k)對應的第三信號強度理論值，並可經極坐標系旋轉修正)並與第三量測值比較其間的差異E3(步驟S610)，判斷第k組合的差異E3是否小於最小差異ME3(初始可為第1組合的差異E1，並經後續比較大小後置換成最小者)(步驟S620)。其中，差異E3可為均方根(RMS)值、最小平方(LS)值或其他錯誤最小化演算法所得之值。若未小於最小差異ME3，則主控裝置14判斷序號k是否小於數值O(步驟S640)。若序號k仍小於數值O，則主控裝置14換成下一個機械傾角對應組合的第三信號強度理論值(步驟S650)，並返回執行步驟S610。若小於最小差異ME3，則主控裝置14暫定當前計算的組合為最終電子傾角及最終機械傾角(步驟S630)。所有機械傾角皆評估後，主控裝置14即可將最後暫定的最終電子傾角及最終機械傾角分別確定為最終電子傾角及最終機械傾角(步驟S660)(即，將那些組合中對應差異為最小值的電子傾角及機械傾角分別作為最終電子傾角及最終機械傾角)。

圖6C是一範例說明信號強度涵蓋的比較圖。請參照圖6C，電子傾角10度和機械傾角10度在第三量測點有很大的信號強度涵蓋差異，因此可以找出最終的天線電子傾角θe和機械傾角θm的組合。

圖7A至圖7E是一範例說明不同下傾角(針對機械傾角)的比較圖。請參照圖7A至圖7E，不同下傾角對應理論值702,712,722,742,762與量測值701之間的差異可能不同，主控裝置14可自這些差異中挑選最小差異。

綜上所述，本發明實施例的角度量測系統及基地台天線的角度量測方法包括以下特點：

本發明實施例讓基地台天線下傾角和方位角之量測工作，不必讓從業人員進入基地台地址之屋頂和登上基地台天線鐵塔或屋突上，在LOS條件充足下，即可有效量測天線下傾角和方位角。對許多量測困難和不便的基地台天線而言，大幅增進量測效率。

以傳統簡單的角度量測儀或手機應用程式(APP)來量測下傾角和方位角時，準確度有誤差，尤其當基地台天線佈建於量測時危險性較高的位置，或因量測操作空間有限使得準確度誤差更大。而本發明實施例可獲得一致的準確度。

在基地台處於住戶抗爭較敏感區域時，導致無法以傳統方式進入基地台地址天線處量測時，本發明實施例帶來量測的可能性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:角度量測系統 11:基地台天線 12:信號量測設備 13:移動機構 14:主控裝置 S310~S360、S410~S460、S510~S560、S610~S660:步驟 N:正北方 Φ _i:第i方位角 i、j、k:序號 L、M、O:數值 Φest:估測天線方位角 E1~E3:差異 ME1~ME3:最小差異 401、501、701:量測值 402~404、502~504、702、712、722、742、762:理論值 Θ _{sum_j}:第j下傾角總和 Θ _{sum_est}:估測下傾角總和 θm_k:第k下機械傾角

圖1是依據本發明的一實施例的角度量測系統的示意圖。 圖2A至2D是依據本發明的一實施例的輻射場型圖。 圖3是依據本發明的一實施例的基地台天線的角度量測方法的流程圖。 圖4A是依據本發明的一實施例的量測點的俯視圖。 圖4B是依據本發明的一實施例的估測方位角的決定方法的流程圖。 圖4C是一範例說明量測比較圖。 圖5A是依據本發明的一實施例的第二量測點的側視圖。 圖5B是依據本發明的一實施例的估測下傾角的決定方法的流程圖。 圖5C是一範例說明量測比較圖。 圖6A是依據本發明的一實施例的第三量測點的側視圖。 圖6B是依據本發明的一實施例的最終電子傾角及最終機械傾角的決定方法的流程圖。 圖6C是一範例說明信號強度涵蓋的比較圖。 圖7A至圖7E是一範例說明不同下傾角的比較圖。

S310~S360:步驟

Claims (10)

1. 一種基地台天線的角度量測方法，包括： 控制一信號量測設備在一基地台天線的主波束前方的一第一量測點垂直移動並記錄多個第一量測值； 依據該些第一量測值與多個方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定一估測方位角； 控制該信號量測設備在該估測方位角對應的一第二量測點垂直移動並記錄多個第二量測值； 依據該些第二量測值與多個機械傾角分別對應的第二信號強度理論值之間的差異決定一估測下傾角總和； 控制該信號量測設備在該估測方位角以外的一第三量測點垂直移動並記錄多個第三量測值；以及 依據該些第三量測值與不同電子傾角及不同機械傾角之多個組合分別對應的第三信號強度理論值之間的差異決定該基地台天線的一最終電子傾角及一最終機械傾角，其中每一該組合中的電子傾角與機械傾角的總和為該估測下傾角總和。
2. 如請求項1所述的基地台天線的角度量測方法，其中依據該些第一量測值與該些方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定該估測方位角的步驟包括： 將該些方位角中對應該差異為最小值的一該方位角作為該估測方位角。
3. 如請求項1所述的基地台天線的角度量測方法，其中依據該些第二量測值與該些機械傾角分別對應的第二信號強度理論值之間的差異決定該估測下傾角總和的步驟包括： 將該些機械傾角中對應該差異為最小值的一該機械傾角與一預設電子傾角之總和作為該估測下傾角總和。
4. 如請求項1所述的基地台天線的角度量測方法，其中依據該些第三量測值與不同電子傾角及不同機械傾角之該些組合分別對應第的三信號強度理論值之間的差異決定該基地台天線的該最終電子傾角及該最終機械傾角的步驟包括： 將該些組合中對應該差異為最小值的一該電子傾角及一該機械傾角分別作為該最終電子傾角及該最終機械傾角。
5. 如請求項1所述的基地台天線的角度量測方法，其中該第二量測點與該第三量測點對應的方位角差異在30度以內。
6. 一種角度量測系統，包括： 一基地台天線； 一信號量測設備，用以量測該基地台天線的信號強度； 一移動機構，用以驅動該信號量測設備移動；以及 一主控裝置，經配置用以執行： 控制該移動機構並使該信號量測設備在一基地台天線的主波束前方的一第一量測點垂直移動並記錄多個第一量測值； 依據該些第一量測值與多個方位角分別對應的第一信號強度理論值之間的差異決定一估測方位角； 控制該移動機構並使該信號量測設備在該估測方位角對應的一第二量測點垂直移動並記錄多個第二量測值； 依據該些第二量測值與多個機械傾角分別對應的第二信號強度理論值之間的差異決定一估測下傾角總和； 控制該移動機構並使該信號量測設備在該估測方位角以外的一第三量測點垂直移動並記錄多個第三量測值；以及 依據該些第三量測值與不同電子傾角及不同機械傾角之多個組合分別對應的第三信號強度理論值之間的差異決定該基地台天線的一最終電子傾角及一最終機械傾角，其中每一該組合中的電子傾角與機械傾角的總和為該估測下傾角總和。
7. 如請求項6所述的角度量測系統，其中該主控裝置更經配置用以執行： 將該些方位角中對應該差異為最小值的一該方位角作為該估測方位角。
8. 如請求項6所述的角度量測系統，其中該主控裝置更經配置用以執行： 將該些機械傾角中對應該差異為最小值的一該機械傾角與一預設電子傾角之總和作為該估測下傾角總和。
9. 如請求項6所述的角度量測系統，其中該主控裝置更經配置用以執行： 將該些組合中對應該差異為最小值的一該電子傾角及一該機械傾角分別作為該最終電子傾角及該最終機械傾角。
10. 如請求項6所述的角度量測系統，其中該第二量測點與該第三量測點對應的方位角差異在30度以內。

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