TD-LTE網絡大氣波導干擾研究

趙洪鋒，王超，秘俊杰

(1 中國移動通信集團河北有限公司，石家莊 050021； 2 中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

TD-LTE網絡大氣波導干擾研究

趙洪鋒1，王超2，秘俊杰2

(1 中國移動通信集團河北有限公司，石家莊 050021； 2 中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

本文分析了大氣波導干擾的原因及規(guī)律，研究了對TD-LTE系統(tǒng)帶來的影響，探討了通過現(xiàn)網優(yōu)化以降低大氣波導干擾的方法，提出了規(guī)劃建設方案，進而從根本上解決大氣波導帶來的影響。

大氣波導；TD-LTE；干擾；網絡優(yōu)化；異頻

1 引言

在一定的氣象條件下，位于大氣邊界層尤其是在近地層傳播的電磁波，受大氣折射的影響，其傳播軌跡彎向地面，當曲率超過地球表面曲率時，電磁波部分會被限制在一定厚度的大氣薄層內，就像電磁波在金屬波導管中傳播一樣，這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導傳播，如圖1所示。

在TDD系統(tǒng)中，遠端基站的下行信號經過一個超遠距離的傳播時延后，可以干擾到本地基站的上行信號接收，因為基站的發(fā)射信號功率很高，但是手機信號因為發(fā)射功率低，到達本地基站的接收機時信號較弱，容易被其他基站的信號淹沒，這種情況通常發(fā)生在遠端信號利用大氣波導傳播到本地時[1，2]。分析大氣波導干擾原因及規(guī)律，研究解決大氣波導干擾方案成為本文研究的重點。

圖1 大氣波導傳播示意圖

2 大氣波導干擾影響分析

TDD無線通信系統(tǒng)中，在某種特定的氣候、地形、環(huán)境條件下，遠端基站下行時隙傳輸距離超過TDD系統(tǒng)上下行保護時隙的保護距離，干擾到了本地基站上行時隙，即TDD系統(tǒng)特有的“遠距離同頻干擾”。此類干擾較為普遍，且可能會對本地基站的上行用戶隨機接入時隙以及上行業(yè)務時隙造成干擾，從而影響用戶上行隨機接入、切換過程以及上行業(yè)務時隙。

TD-LTE系統(tǒng)，大氣波導干擾形成的主要原因為大氣波導的環(huán)境中，超遠距離同頻信號所造成的TDD的交叉時隙干擾。大氣波導環(huán)境中，傳播損耗比較小，TD-LTE下行信號的傳輸時延超出了配置的保護間隔GP，如圖2所示。

2.1 大氣波導干擾規(guī)律分析

正常大氣層上冷下熱，信號直接在地平線折射到外太空。但是大氣波導在大氣層上熱下冷時發(fā)生，下層大氣折射率變高，從而使信號能量留在大氣層內，經過折射傳播到地面區(qū)域。大氣波導干擾存在如下一些規(guī)律。

季節(jié)因素：夏秋容易發(fā)生；靜態(tài)穩(wěn)定（沒有風浪）的天氣更容易發(fā)生。

時間因素：太陽落山時，大氣層上熱下冷；起霧（帶狀）且有太陽時（上熱下冷），一般太陽升也會發(fā)生，隨后干擾逐漸消失。

地區(qū)因素：海邊或大面積水面邊上。海邊太陽落上時，濕冷空氣吹向陸地，陸地降溫更快，空氣密度下高上低，下冷上熱。同理，太陽升起時，上層空氣升溫更快。

地形因素：海面或平原利于傳播，起伏陸地或山地阻擋傳播的區(qū)域。

距離因素：UHF頻段100 MHz左右可以傳輸?shù)? 600 km，但是一般是1 300 km；TD-LTE所用頻段傳輸衰耗高，將明顯小于以上傳輸距離，但仍舊存在較遠距離的信號干擾。

波長因素：波長太長，不容易發(fā)生，900 MHz以上更易發(fā)生（發(fā)生可能性跟波長成反比）。

河北作為沿海大省，TD-LTE網絡受到大氣波導干擾的影響，尤其沿海城市，大氣波導干擾較為嚴重。如圖3所示，經過對上行平均干擾電平進行分析，得到全省大氣波導影響分布情況?？梢钥闯龃髿獠▽Ц蓴_嚴重區(qū)域主要分布在沿海平原地區(qū)的農村以及建筑物稀少的郊區(qū)，無遮擋物，一望無際的區(qū)域。

圖3 大氣波導干擾渲染示意圖

2.2 對TD-LTE上行鏈路的影響

大氣波導干擾主要對TD-LTE上行鏈路有較大影響，主要包括以下幾個方面。

2.2.1 對 PRACH 的影響

如果PRACH 位于特殊子幀的UpPTS上， 將容易遭受到強干擾，而位于普通上行子幀，被干擾的概率和程度將降低。因此，為了減少大氣波導干擾，現(xiàn)網PRACH盡量位于在普通上行子幀上。

2.2.2 對 PUSCH的影響

如果PUSCH被干擾，將導致數(shù)據(jù)接收失敗和重傳，盡管不會阻塞全部的數(shù)據(jù)傳輸，但依然會降低數(shù)據(jù)傳輸速率，增加時延，也會降低數(shù)據(jù)業(yè)務信道的覆蓋水平。如果上行控制信息在PUSCH上傳輸并因干擾導致丟失，將會產生更嚴重的影響。

2.2.3 對 PUCCH 的影響

如果PUCCH被干擾，將導致ACK消息丟失進而造成不必要的下行數(shù)據(jù)重傳。還將導致CSI消息丟失，從而影響鏈路適配和預編碼選擇的性能。

經過數(shù)據(jù)分析，大氣波導干擾時間存在一定規(guī)律。如圖4所示，某沿海城市，高干擾小區(qū)的上行干擾時間分布情況。大氣波導干擾開始抬升時間在每天18：00，在第二天9：00減弱，一般在晴朗有風的時候容易出現(xiàn)，地面因輻射冷卻而降溫，與地面接近的氣層冷卻降溫最強烈，而上層的空氣冷卻降溫緩慢，因此使低層大氣產生逆溫現(xiàn)象，在此種情況下最容易形成大氣波導。此時特殊子幀(UpPTS)的底噪在相應時段也會同步抬升，說明該時段主要為大氣波導的影響。

干擾每次出現(xiàn)維持的時長不同，強度不同；干擾不是每天都出現(xiàn)，出現(xiàn)頻次無規(guī)律；每次干擾出現(xiàn)時針對個體小區(qū)不一定出現(xiàn)干擾；從這些特征看大氣波導受天氣原因影響，波導的強度、波導的厚度、波導出現(xiàn)時間不具有固定性。

3 網絡優(yōu)化解決方案

雖然大氣波導干擾存在一些規(guī)律，但在具體發(fā)生時段和區(qū)域仍會有較大不確定性和差異性。考慮到大氣波導干擾對網絡性能的不利影響，需制定優(yōu)化方案以盡量減小負面影響，保證用戶感知?，F(xiàn)網優(yōu)化方法主要從工參優(yōu)化、特殊時隙優(yōu)化、差異化上行功控等方面展開。

3.1 工參優(yōu)化

通過調整基站天線傾角，可雙向受益，發(fā)射干擾基站通過壓低傾角可抑制干擾，盡量減少干擾信號傳播，而被干擾基站通過壓低傾角，減少覆蓋范圍，提升覆蓋范圍信號強度，進而減少被干擾程度。

圖4 某沿海城市大氣波導干擾分析

3.2 特殊時隙優(yōu)化

TD-LTE采用TDD雙工方式，發(fā)送和接收信號在相同的頻帶內，上下行信號通過在不同的時間段內發(fā)送進行區(qū)分。根據(jù)3GPP 36.211，特殊子幀長為 ，包括下行時隙（DwPTS）、保護間隔（GP）、上行時隙（UpPTS）。其中保護間隔（GP）為上下行之間提供保護，避免上下行之間出現(xiàn)“交叉干擾”[3]。通過計算相鄰GP間的時間間隔，推算基站覆蓋距離進而得到保護距離如表1所示。

表1 不同特殊子幀配置下的保護距離

考慮到TD LTE網絡大氣波導干擾形成的主要原因為大氣波導的環(huán)境中，超遠距離同頻信號所造成的TDD的交叉時隙干擾。通過將特殊子幀配置為3：9：2，使得上下行間保護時間更長，從而規(guī)避來自186.8 km內的大氣波導干擾。但是，但是可能還存在相鄰省份的干擾，并且由于大氣波導干擾時間和干擾范圍的不確定性，人工設置特殊子幀將造成較大工作量且準確性不高，需通過自動配置參數(shù)工具，可以一定程度抵抗大氣波導干擾的影響，但對于強干擾依然無法全部消除。

圖5 上/下行業(yè)務改善情況

3.3 差異化上行功控功能

考慮到TD-LTE為上行鏈路受限系統(tǒng)，考慮增大上行部分路損補償系數(shù)，提升上行鏈路性能。通過系統(tǒng)檢測在UpPTS信號電平，設置小區(qū)級參數(shù)高于干擾標記閾值，以此標識檢測到大氣波干擾，判斷是否存在大氣波導干擾，進而自動檢測大氣波導干擾并分析大氣波導干擾小區(qū)。當檢測到大氣波導干擾較嚴重時，設置基于SINR的算法，干擾足夠高，負荷足夠低，可配置小區(qū)級負荷和干擾門限。在達到一定門限時，自動進行干擾區(qū)域站點的參數(shù)優(yōu)化，尤其是優(yōu)化上行功控參數(shù)以及啟動增強解調方案，可以改善干擾的影響及保證網絡的性能和用戶體驗。

3.4 測試驗證

在某市大氣波導干擾區(qū)域，通過工參優(yōu)化、打開動態(tài)調整特殊子幀配比的功能、差異化上行功控功能后 ，TD-LTE網絡性能有明顯改善。如圖5所示，參數(shù)修改方案實現(xiàn)后，可以看到優(yōu)化方案對指標和用戶感知有所改善，干擾強度相近時上行、下行流量指標有所改善。此外，方案實現(xiàn)區(qū)域，干擾強度相當?shù)那闆r下，4G投訴量也有所下降。

4 規(guī)劃建設解決方案

TD-LTE網絡往往采用同頻組網方式，雖然網絡優(yōu)化能夠降低大氣波導帶來的干擾影響，但無法從根本上規(guī)避系統(tǒng)本身的缺陷。通過TD-LTE異頻組網或規(guī)劃建設LTE FDD，規(guī)避大氣波導干擾，以滿足業(yè)務發(fā)展需要。

4.1 TD-LTE異頻組網方案

考慮到廣大縣城、農村區(qū)域的TD-LTE網絡以F頻段為主，作為遠距離干擾源概率相對較大。而TDLTE D頻段網絡主要位于市區(qū)，基站天線下傾角較大，不易產生干擾，并且市區(qū)相對縣城、農村面積較小，作為遠距離干擾源概率相對較小。同時，考慮到D頻段頻譜資源豐富，可以采用異頻組網解決方案，尤其是沿海干擾嚴重區(qū)域優(yōu)先引入D頻段基站抵抗大氣波導干擾。如圖6所示，D頻段頻率復用示意圖。

圖6 D頻段頻率復用示意圖

4.2 LTE FDD規(guī)劃建設方案

在政策允許的條件下，考慮到LTE FDD系統(tǒng)自身對大氣波導干擾規(guī)避能力，可以在現(xiàn)網站址上共址建設LTE FDD網絡，補充由于大氣波導干擾造成的TDLTE網絡性能的缺失。同時，考慮到投資效益，可以從用戶數(shù)、流量、干擾電平、干擾時長等多個維度，遴選大氣波導干擾嚴重的區(qū)域，優(yōu)先規(guī)劃建設LTE FDD網絡，如圖7所示，某城市LTE FDD試驗基站情況，在TD-LTE大氣波導產生時間段，共站址建設的LTE FDD基站信號底噪一直處于較低水平?？梢钥闯鯨TE FDD系統(tǒng)由于上下行頻段分開，基本不受大氣波導干擾影響。同時，LTE FDD網絡也將為網絡分流和業(yè)務增長提供新的動力。

5 結束語

TD-LTE網絡一般采用同頻組網方式，能夠獲得較高的頻譜效率，但由于TDD系統(tǒng)自身不足，容易受到大氣波導干擾，嚴重損害了網絡性能和服務質量。本文通過分析大氣波導干擾產生原因及規(guī)律，研究大氣波導干擾對TD-LTE網絡上行鏈路的影響，提出了現(xiàn)網優(yōu)化方案和規(guī)劃建設方案，以解決大氣波導干擾問題，希望為今后網絡研究和應用提供借鑒。此解決方案和方法已在現(xiàn)網中得到初步驗真，但仍有一些問題需要進一步研究。同時，如果政策上獲得支持，也將為解決大氣波導干擾獲得更多應用方案。

圖7 大氣波導干擾基站分析

[1] 劉寧. LTE網絡大氣波導干擾的成因分析及防治措施[J]. 山東通信技術，2015(6).

[2] 王迪， 張麗杰.大氣波導對LTE系統(tǒng)內的遠端同頻干擾分析[J].通信設計與應用， 2016(10).

[3] 3GPP TS 36.211. Physical channels and modulation (Release 12)[S].2014.

Research on atmospheric duct interference for TD-LTE net-works

ZHAO Hong-feng1, WANG Chao2, BI Jun-jie2
(1 China Mobile Group Hebei Co., Ltd., Shijiazhuang 050021, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.Hebei Branch, Shijiazhuang 050000, China)

This paper analyzes the causes and regularity of atmospheric duct interference, and study the in fluence of TDLTE system, discusses the methods to reduce the atmospheric interference by the network optimization,put forward the construction scheme, which can fundamentally solve the influence brought by the atmospheric duct.

atmospheric duct; TD-LTE; interference; network optimization; different frequency

TN929.5

A

1008-5599（2017）09-0084-05

2017-07-05