大氣波導(dǎo)干擾及解決方案

張力偉，梁紀(jì)興，秘俊杰

(1 中國移動通信集團(tuán)河北有限公司，石家莊 050021；2 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050021)

大氣波導(dǎo)干擾及解決方案

張力偉1，梁紀(jì)興2，秘俊杰2

(1 中國移動通信集團(tuán)河北有限公司，石家莊 050021；2 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050021)

大氣波導(dǎo)現(xiàn)象對于目前我國采用的TD-LTE無線通信系統(tǒng)會造成遠(yuǎn)距離同頻干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的下降，因此大氣波導(dǎo)干擾問題逐漸成為移動通信中急需解決的一個熱點(diǎn)。本文從大氣波導(dǎo)原理入手，深入分析了其對TD-LTE系統(tǒng)的影響，并對解決方案做了討論，對于當(dāng)前運(yùn)營商解決大氣波導(dǎo)干擾問題具有一定參考價值。

大氣波導(dǎo)；遠(yuǎn)距離干擾；TD-LTE

1 背景

在一定氣象條件下，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(dāng)曲率超過地球表面曲率時，部分電磁波被陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，就像電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導(dǎo)傳播。

在TD-LTE通信系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端的下行信號經(jīng)過一個超遠(yuǎn)距離的傳播時延后，可以干擾到本地的上行信號接收。因?yàn)榛镜陌l(fā)射信號功率很高，但是手機(jī)信號因?yàn)榘l(fā)射功率低，到達(dá)本地基站的接收機(jī)時信號較弱，容易被其它基站的信號淹沒，即造成遠(yuǎn)距離同頻干擾。

2 大氣波導(dǎo)原理分析

為更好的分析大氣波導(dǎo)對TD-LTE移動通信系統(tǒng)的干擾，從多方面尋求更好的解決方案，本文從以下幾個維度對大氣波導(dǎo)的基本原理進(jìn)行研究分析。

2.1 大氣波導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)理

研究表明影響大氣環(huán)境中電磁波傳播特性的主要因素為大氣折射率。對于頻率在100 GHz以內(nèi)的電磁波，大氣折射率n或大氣折射指數(shù)N與大氣溫度T、大氣壓力p和水汽壓e之間的函數(shù)關(guān)系為：

當(dāng)遠(yuǎn)距離傳輸時，必須考慮地球的曲率對傳播的影響。為了將地球表面處理成平面，通常使用大氣修正折射率m和大氣修正折射指數(shù)M更為方便。假設(shè)地球大氣為均勻球面分層，根據(jù)球面分層介質(zhì)中的Snell定律得到修正折射指數(shù)M：

上面公式對高度求導(dǎo)可得到大氣折射指數(shù)垂直梯度：

當(dāng)電波傳播路徑的曲率超過地球表面的曲率時，則存在關(guān)系式：

修正折射率M最小值對應(yīng)的高度為大氣波導(dǎo)的高度，即根據(jù)不同大氣層或探空數(shù)據(jù)即可預(yù)測大氣波導(dǎo)的高度范圍。

2.2 大氣波導(dǎo)分類

大氣波導(dǎo)通常分為3類：表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)，其中蒸發(fā)波導(dǎo)一般發(fā)生在海洋大氣環(huán)境，表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)在陸地和海洋環(huán)境中都存在。

（1）表面波導(dǎo)：表面波導(dǎo)一般出現(xiàn)在大氣較穩(wěn)定的晴好天氣里，此時低層大氣往往有一個比較穩(wěn)定的逆溫層，并且濕度一般隨高度遞減。一般發(fā)生在300 m以下的邊界層大氣中。

（2）懸空波導(dǎo)：下邊界懸空的大氣波導(dǎo)，一般發(fā)生在3 000 m高度以下的對流層低層大氣中。懸空波導(dǎo)的一個顯著特點(diǎn)是波導(dǎo)頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)大于地面的大氣修正折射指數(shù)。

（3）蒸發(fā)波導(dǎo)：由于海面水汽蒸發(fā)使得在海面上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減而形成。蒸發(fā)波導(dǎo)一般發(fā)生在海洋大氣環(huán)境40 m高度以下的近海面大氣中，由一個較薄的陷獲層組成。

在TD-LTE無線通信中，主要是表面波導(dǎo)造成的干擾較為嚴(yán)重。一般發(fā)生于晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的夜晚，與地面接近的氣層冷卻降溫最強(qiáng)烈，而上層的空氣冷卻降溫緩慢，因此使低層大氣產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象；雨過天晴之后，也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

2.3 大氣波導(dǎo)規(guī)律

雖然大氣波導(dǎo)現(xiàn)象受到多方面因素的影響，具有較強(qiáng)的不可預(yù)測性，但是通過大量的測試分析，可以歸納出大氣波導(dǎo)存在如下規(guī)律。

（1）季節(jié)規(guī)律：夏秋容易發(fā)生；靜態(tài)穩(wěn)定（沒有風(fēng)浪）的天氣更容易發(fā)生。

（2）時間規(guī)律：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。

（3）地區(qū)規(guī)律：海邊或大面積水面邊上，當(dāng)太陽落山時，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。

(4）地形規(guī)律：海面或平原利于傳播。起伏陸地或山地阻擋傳播。

（5）距離規(guī)律：UHF頻段100 MHz左右可以傳輸?shù)? 000英里或1 600 km，但是一般是1 300 km（800英里）；TD-LTE所用頻段傳輸衰耗高，將明顯小于以上傳輸距離。

（6）波長規(guī)律：波長太長，不容易發(fā)生，90 MHz以上更易發(fā)生（發(fā)生可能性跟波長成反比）。

3 大氣波導(dǎo)對TD-LTE系統(tǒng)影響

大氣波導(dǎo)對于TD-LTE移動通信系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)于遠(yuǎn)距離同頻干擾，這會降低數(shù)據(jù)傳輸速率，增加時延，也會降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道的覆蓋，嚴(yán)重時會導(dǎo)致更惡劣的結(jié)果，影響用戶正常使用。

3.1 大氣波導(dǎo)干擾原理

TD-LTE采用TDD雙工方式，發(fā)送和接收信號在相同的頻帶內(nèi)，上下行信號通過在時間軸上不同的時間段內(nèi)發(fā)送進(jìn)行區(qū)分。在TD-LTE幀結(jié)構(gòu)中存在下行子幀、上行子幀和特殊子幀，特殊子幀主要包括下行時隙（DwPTS）、保護(hù)間隔（GP）、上行時隙（UpPTS），保護(hù)間隔不傳送信號，為上下行之間提供保護(hù)，避免上下行出現(xiàn)“交叉干擾”。

在3GPP 36.211中提到上行發(fā)送的時間為(NTA+NTAoffset)×Ts，NTA offset固 定 為 624個Ts， 即(1/30 720)×624=20.312 5 us。

GP1=GP配置時間-GP2（20.312 5）。當(dāng)特殊子幀配比GP符號數(shù)為x時，考慮到特殊子幀共14個符號，且特殊子幀總長度為1 ms，則GP1最小傳輸時間t=(x/14)×1 000-20.312 5。

換算成基站間距離S=t×C=[(x/14)×1 000-20.312 5]×C，（C為光速一般取300 000 km/s），為特殊子幀GP符號數(shù)。

在TD-LTE無線通信系統(tǒng)，干擾形成的主要原因?yàn)榇髿獠▽?dǎo)的環(huán)境中，超遠(yuǎn)距離同頻信號所造成的TDD的交叉時隙干擾。對于這種同頻干擾，主要原因有兩個方面，其一是大氣波導(dǎo)環(huán)境中，傳播損耗比較小，其二是TD-LTE下行信號的傳輸時延超出了配置的保護(hù)間隔GP。

3.2 大氣波導(dǎo)干擾特征

圖1 干擾波形特征

3.2.1 干擾波形

通過測試分析，可以得出結(jié)論，大氣波導(dǎo)干擾波形為20 Mbit/s帶寬，100 RB整體抬升，測試結(jié)果如圖1所示。

3.2.2 上行U子幀

為進(jìn)一步分析干擾特征以及對上行解調(diào)性能的影響，在干擾水平抬升時，采集了某小區(qū)每次干擾來時U子幀空載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。

由圖2可以看出，U子幀14個時域符號NI大于-105 dBm，同時可以得出結(jié)論：大氣波導(dǎo)干擾大小不固定，被干擾的第一個符號大到-80 dBm，小的時候也有-100 dBm左右；上行U子幀被干擾的符號數(shù)不固定，每符號上的干擾大小不一致且呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，結(jié)合掃頻結(jié)果，可判斷出UpPTS是先被干擾且干擾能量最強(qiáng)。

圖2 上行U子幀數(shù)據(jù)分析

3.2.3 干擾的方向性

從某地統(tǒng)計基站干擾小區(qū)看，受干擾小區(qū)大多是第1和第2小區(qū)，其中第2小區(qū)受干擾比較嚴(yán)重，而第3小區(qū)不受干擾，這說明大氣波導(dǎo)對通信基站的干擾具有較強(qiáng)的方向性。

3.3 大氣波導(dǎo)對現(xiàn)網(wǎng)影響

選取某沿海地市為研究對象，分析大氣波導(dǎo)對該地區(qū)現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE基站的影響，結(jié)果如下。

3.3.1 受干擾小區(qū)分布

選取該地區(qū)PUSCH上行干擾大于-105dBm的小區(qū)，分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，該地區(qū)PUSCH上行干擾大于-105 dBm的小區(qū)主要集中于沿海區(qū)域，雖然大部分受干擾小區(qū)為-100～-105 dBm，但也有干擾嚴(yán)重的小區(qū)大于-90 dBm，甚至達(dá)到-55 dBm，這些小區(qū)內(nèi)用戶已無法正常使用通信業(yè)務(wù)。

圖3 某地區(qū)受干擾小區(qū)分布

3.3.2 對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的影響

分析高干擾小區(qū)的平均底噪與特殊子幀(UpPTS)底噪的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 某地區(qū)受干擾小區(qū)分布

由圖可以看出，該地區(qū)高干擾小區(qū)的上行干擾開始抬升時間在每天18：00，在第二天8：00減弱；同時特殊子幀(UpPTS)的底噪在相應(yīng)時段也會同步抬升，說明該時段主要為大氣波導(dǎo)的影響。

對該地區(qū)相同時段內(nèi)基站的無線掉話率與接通率進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以看出，大氣波導(dǎo)低于該地區(qū)無線掉線率與無線接通率均有不同程度的影響，個別時段影響較大，出現(xiàn)較高的掉線率。

4 大氣波導(dǎo)干擾解決方案

由于大氣波導(dǎo)對于無線通信系統(tǒng)影響較大，隨著國內(nèi)TD-LTE站址規(guī)模的不斷增加，一些TD-LTE主設(shè)備廠商逐漸認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性，開始研究制定大氣波導(dǎo)干擾的解決方案。

4.1 現(xiàn)有解決方案分析

根據(jù)前文分析，要想解決大氣波導(dǎo)干擾，需要分析TDD的交叉時隙干擾進(jìn)而選定解決方案。現(xiàn)有解決方案思路如下。

在UpPTS上采用智能檢測方案，根據(jù)是否滿足預(yù)設(shè)來判斷是否存在干擾，當(dāng)判斷出有大氣波干擾時，設(shè)置小區(qū)級參數(shù)高干擾標(biāo)記HIterFLG為1，以此標(biāo)識檢測到大氣波干擾。

當(dāng)HIterFLG為1時，在U子幀上啟動干擾檢測，根據(jù)干擾特征以及判斷條件啟動解調(diào)方案來提高PHY的整體解調(diào)性能。干擾來時會導(dǎo)致物理層測量異常，從而導(dǎo)致CMAC調(diào)度出現(xiàn)問題。此時需要根據(jù)UpPTS和U子幀上的干擾檢測結(jié)果對上報量進(jìn)行調(diào)整，從而CMAC讓調(diào)度更加穩(wěn)健。

當(dāng)HIterFLG為1時，依據(jù)PHY測量上報的干擾水平對上行信道進(jìn)行增強(qiáng)型功控以及AMC調(diào)整（PUCCH、AMC外環(huán)、PUSCH調(diào)度策略），保證上行解調(diào)性能。

應(yīng)用該解決方案后，選取某地區(qū)受大氣波導(dǎo)嚴(yán)重的站點(diǎn)進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)用解決方案后性能指標(biāo)

由圖5可以看出，原受干擾嚴(yán)重地區(qū)的小區(qū)無線性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期，接通率穩(wěn)定在99.74%左右，無線掉線率穩(wěn)定在0.07%左右，切換成功率穩(wěn)定在99.5%左右。

對路測指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

應(yīng)用該解決方案后相對之前路測指標(biāo)有明顯改善，干擾時段現(xiàn)場測試，用戶感知良好，瀏覽、下載、交互類業(yè)務(wù)正常。

4.2 后續(xù)解決方案

4.2.1 大氣波導(dǎo)干擾定位

通過特征序列的發(fā)送和檢測，可準(zhǔn)確判斷大氣波導(dǎo)干擾，并解決遠(yuǎn)端站和近端站基站數(shù)差距較大導(dǎo)致的干擾強(qiáng)度不對稱問題，通過合理的設(shè)計，特征序列還能實(shí)現(xiàn)施擾站的精確定位，為后續(xù)的大氣波導(dǎo)干擾預(yù)防奠定基礎(chǔ)。

4.2.2 大氣波導(dǎo)干擾檢測規(guī)避方案

規(guī)避方案的理論前提是認(rèn)為大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生時遠(yuǎn)端基站和近端基站間的干擾是互易的，即遠(yuǎn)端基站的上行信號與近端基站下行信號是相互影響的。具體方案如下。

受擾站基于干擾功率特征初步判斷是否受擾，如受擾則開始在DwPTS發(fā)送特征序列并啟動規(guī)避流程。

施擾站在UpPTS和上行子幀對特征序列進(jìn)行檢測，如檢到則認(rèn)為自己對他人造成了干擾，啟動規(guī)避流程。

施擾站連續(xù)一段時間檢測不到特征序列且干擾功率小于門限則認(rèn)為大氣波導(dǎo)消除，退出規(guī)避流程。

4.3 接收端干擾規(guī)避措施

對于檢測到存在大氣波導(dǎo)干擾的小區(qū)，在接收端可以采用如下措施對干擾進(jìn)行規(guī)避。

4.3.1 用戶遷移

語音用戶：基于干擾，進(jìn)行VoLTE用戶遷移，使TD-LTE邊緣用戶得到一定保障，回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)，一定程度減少用戶投訴。

數(shù)據(jù)用戶：由于進(jìn)行邊緣用戶遷移，需要異系統(tǒng)協(xié)同調(diào)整參數(shù)，否則存在乒乓切換問題，因此采用CRS功率自動擴(kuò)縮方案。但是功率收縮會導(dǎo)致TD-LTE覆蓋收縮，縮影響小區(qū)吞吐量。

4.3.2 工程改造

可以在工程上采用相應(yīng)手段進(jìn)行干擾規(guī)避，如設(shè)計專用屏蔽罩；設(shè)計在垂直面具有特殊固定的“零限”的天線；或利用3D MIMO中其垂直面上自適應(yīng)形成“零限”，降低干擾。

表1 應(yīng)用解決方案后路測指標(biāo)

5 結(jié)論

本文通過分析大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的原理、規(guī)律，研究大氣波導(dǎo)對于現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE系統(tǒng)的影響，并在現(xiàn)有解決方案的基礎(chǔ)上，對后續(xù)大氣波導(dǎo)干擾解決方案做了分析。對于解決大氣波導(dǎo)對于TD-LTE系統(tǒng)的干擾問題具有積極意義，對于提高運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有一定價值。

[1] 王迪，張麗杰，謝存智. 大氣波導(dǎo)對LTE系統(tǒng)內(nèi)的遠(yuǎn)端同頻干擾分析[J]. 通訊世界，2016(19):37-38.

[2] 劉毅，牛海濤，張振剛. TD-LTE大氣波導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致干擾研究[J]. 移動通信，2017,41(5):36-40.

AbstractThe atmospheric duct causes the remote same-frequency interference to the TD-LTE system, which can lower the network quality. So the solutions of atmospheric duct gradually became a hot spot in the mobile communication. In this paper, we analyzed the principle of atmospheric duct and its effect on the TD-LTE system. On the basis, we researched the solutions, which have a certain reference value for the telecommunications operators to solve the problem of atmospheric duct.

Keywordsatmospheric duct; remote interference; TD-LTE

Research on atmospheric duct’s interference and the solutions

ZHANG Li-wei1, LIANG Ji-xing2, BI Jun-jie2
(1 China Mobile Group Hebei Co., Ltd. Shijiazhuang 050021, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

TN929.5

A

1008-5599（2017）10-0073-06

2017-06-20