基于氣象信息的5G遠(yuǎn)程干擾分析與抑制方案

王玉震，周 婷，徐碧蓮

（1.中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

全球已經(jīng)開(kāi)始步入5G時(shí)代，5G被認(rèn)為是多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，能夠支持海量移動(dòng)設(shè)備，推進(jìn)信息、交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等變革發(fā)展。與此同時(shí)，接入終端日益普及，新服務(wù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)吞吐量的要求也更高，這給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的承載能力和干擾管理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

5G主要場(chǎng)景廣泛采用時(shí)分雙工技術(shù)（Time Division Duplex，TDD）。由于下行鏈路的傳輸功率通常比上行鏈路高得多，為了保護(hù)上行鏈路不受下行鏈路的干擾，在從下行鏈路切換到上行鏈路時(shí)使用了一個(gè)保護(hù)時(shí)隙（Guard Period，GP）。盡管有GP，當(dāng)大氣在特定高度出現(xiàn)逆溫層（折射率呈現(xiàn)負(fù)梯度），發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，下行傳輸以極低衰減在波導(dǎo)層中超遠(yuǎn)距離傳播并嚴(yán)重干擾上行接收，即發(fā)生遠(yuǎn)程干擾（Remote Interference，RI）。

遠(yuǎn)程干擾已受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。在LTE-TDD商用網(wǎng)絡(luò)中，中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)表明，江蘇全省范圍內(nèi)出現(xiàn)上百公里的大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾，造成掉話率增加和部分網(wǎng)絡(luò)中斷。文獻(xiàn)[5]的實(shí)驗(yàn)指出，韓國(guó)的LTE網(wǎng)絡(luò)受到240 km外日本W(wǎng)i MAX網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，證實(shí)遠(yuǎn)程干擾具有跨境和跨運(yùn)營(yíng)商的特點(diǎn)。2019年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP對(duì)下一代關(guān)鍵候選技術(shù)跨鏈路超遠(yuǎn)距干擾管 理（Cross Link Interference-Remote Interference Management，CLI-RIM）進(jìn)行立項(xiàng)研究。下一代無(wú)線通信的許多場(chǎng)景均采用TDD制式，因此系統(tǒng)地分析遠(yuǎn)程干擾電磁波傳播規(guī)律和提供切實(shí)可行的干擾管理方案，具有十分重要的意義。

為了解決遠(yuǎn)程干擾的識(shí)別問(wèn)題，目前，3GPP TR 38.866提供以參考信號(hào)和特征序列編碼為主的識(shí)別方案，但未給出明確的規(guī)避方案。運(yùn)營(yíng)商在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用調(diào)整子幀配置方案的方式，小范圍內(nèi)取得了較好的效果?，F(xiàn)有工作大部分是從蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化角度研究應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)程干擾的措施，但氣象和通信學(xué)科交叉的解決方案比較少。在大范圍跨運(yùn)營(yíng)商和跨國(guó)遠(yuǎn)程干擾的場(chǎng)景下，充分考慮氣象因素，用無(wú)線電氣象學(xué)和電磁傳播建模方法去驗(yàn)證分析，將具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要的研究?jī)?nèi)容有：首先分析遠(yuǎn)程干擾原理和特點(diǎn)，針對(duì)性地引入基于折射率估計(jì)和拋物方程模型的遠(yuǎn)程干擾仿真方法；然后結(jié)合江蘇移動(dòng)全省基站的遠(yuǎn)程干擾強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，利用該方法對(duì)比驗(yàn)證此次大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾時(shí)空變化過(guò)程；最后使用該仿真方法，對(duì)頻域和空間域的干擾抑制方案量化分析，為遠(yuǎn)程干擾抑制方案提供參考依據(jù)。

1 遠(yuǎn)程干擾原理和特點(diǎn)

1.1 遠(yuǎn)程干擾原理

大氣波導(dǎo)是一種異常的天氣氣象。當(dāng)?shù)讓哟髿獾哪扯胃叨葍?nèi)存在逆溫現(xiàn)象或折射率隨高度急劇減小的情況，會(huì)使電磁波超折射傳播，大部分電磁波會(huì)被限制在該夾層區(qū)域內(nèi)傳播。蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程干擾示意圖如圖1所示。

如圖1所示，這種現(xiàn)象使得波導(dǎo)層內(nèi)的電磁波信號(hào)只經(jīng)歷很小的衰減，從而比正常氣象條件下傳播得更遠(yuǎn)，通常能達(dá)200～300 km。

圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程干擾示意圖

TDD中，上下行信號(hào)使用相同的頻段，擁有較高的頻譜利用率。為了避免鄰近小區(qū)的下行信號(hào)對(duì)本地用戶的上行信號(hào)產(chǎn)生同頻干擾，在上下行子幀轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)預(yù)留一段保護(hù)間隔，傳統(tǒng)的子幀配置保護(hù)距離只有數(shù)10 km。

在大氣波導(dǎo)的條件下，來(lái)自于遠(yuǎn)端基站的下行信號(hào)在波導(dǎo)層中傳輸，超出保護(hù)距離，到達(dá)近端小區(qū)后干擾本地用戶的上行信號(hào)接收，這種超遠(yuǎn)距同頻干擾稱為遠(yuǎn)程干擾。

遠(yuǎn)程干擾產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，干擾面積大而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生時(shí)會(huì)大大降低上行信道的信噪比，嚴(yán)重降低TDD系統(tǒng)的性能，甚至癱瘓。同時(shí)遠(yuǎn)程干擾難以用傳統(tǒng)的信道建模方法分析預(yù)測(cè)，給運(yùn)營(yíng)商的干擾管理帶來(lái)巨大困擾。如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程干擾的時(shí)空頻特性分析和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，是業(yè)界亟待解決的難點(diǎn)。

1.2 干擾特點(diǎn)

一方面，遠(yuǎn)程干擾的干擾過(guò)程隨著氣象條件即波導(dǎo)層分布的變化而急劇變化。為了確保真實(shí)反映遠(yuǎn)程干擾，氣象條件是必須考慮的重要因素；另一方面，電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境下的傳播與無(wú)線通信系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，包括天線的載波頻率、3 dB波瓣寬度和俯仰角等，同時(shí)還與地形、邊界條件等多種因素有關(guān)。因而遠(yuǎn)程干擾具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1）地域性

由于大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的地理分布特點(diǎn)，我國(guó)遠(yuǎn)程干擾發(fā)生地區(qū)主要分布在海南-南海地區(qū)、東海沿海地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)等區(qū)域。同時(shí)，由于平原農(nóng)村地區(qū)遮擋物少，基站高度高，易于發(fā)生遠(yuǎn)程干擾現(xiàn)象，干擾范圍可達(dá)200 km以上。

2）時(shí)變性

大氣波導(dǎo)引起的遠(yuǎn)程干擾的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定，遠(yuǎn)程干擾一般產(chǎn)生于凌晨至清晨時(shí)間段，隨著波導(dǎo)層的變化而變化。

3）互易性

受擾基站與干擾源基站，在氣象條件和無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)特定的情況下，干擾具有明顯的方向指向和互易性。

面對(duì)以上問(wèn)題，融合無(wú)線電氣象學(xué)和通信學(xué)科的遠(yuǎn)程干擾管理方案被認(rèn)為是有效的解決路徑。對(duì)于上百公里的大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾來(lái)說(shuō)，本地信息或者單一學(xué)科是不夠的，迫切需要從交叉學(xué)科的角度，利用相關(guān)氣象信息和電磁傳播仿真去分析遠(yuǎn)程干擾，且需要網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)去驗(yàn)證分析。因此，本文引入基于折射率估計(jì)和拋物方程模型的仿真方法。

2 遠(yuǎn)程干擾仿真方法與抑制方案

2.1 系統(tǒng)模型

基于已有的超遠(yuǎn)距電磁傳播仿真工作，本文針對(duì)復(fù)雜氣象條件和動(dòng)態(tài)傳播環(huán)境，引入基于折射率估計(jì)和拋物方程模型的仿真方法，來(lái)描述無(wú)線信號(hào)在大氣波導(dǎo)環(huán)境中的傳播損耗和軌跡。該方法在國(guó)際通行的總體通量算法基礎(chǔ)上引入探空氣球數(shù)據(jù)，計(jì)算和預(yù)測(cè)大氣波導(dǎo)分布，提高波導(dǎo)模型精度。在獲得波導(dǎo)分布后，該方法在混合傅里葉變換算法基礎(chǔ)上引入地形變換算法逐點(diǎn)計(jì)算電磁波場(chǎng)強(qiáng)分布，計(jì)算路徑損失，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)刻畫特殊地形、特定氣象條件下遠(yuǎn)程干擾信號(hào)電波傳播分布。本文將重點(diǎn)驗(yàn)證分析江蘇省的一次大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾和抑制方案討論。遠(yuǎn)程干擾仿真方法的工具框圖如圖2所示，主要由氣象處理模塊、電磁波傳播仿真模塊和驗(yàn)證分析模塊組成，具體如下所述。

圖2 基于折射率估計(jì)和拋物方程模型的遠(yuǎn)程干擾仿真方法

首先，氣象處理模塊采用兩級(jí)采樣方案用于測(cè)量天氣參數(shù)，目的是克服陸地場(chǎng)景中的空間異質(zhì)性。氣象站可以提供高度2 m和10 m的風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、壓強(qiáng)等。其他傳感器可應(yīng)用于第二級(jí)高（100～1000 m）。輸入氣象數(shù)據(jù)后，總體通量算法將氣象參數(shù)轉(zhuǎn)換為莫寧-奧布霍夫相似度長(zhǎng)度。陸地穩(wěn)定度修正函數(shù)則將總體通量算法的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為各氣象參數(shù)剖面，從而計(jì)算輸出波導(dǎo)層剖面到下一模塊。

其次，在電磁傳播模塊，基于拋物方程模型，輸入波導(dǎo)層剖面、無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)和地形邊界條件。無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)包括天線模式、高度、波瓣寬度、俯仰角，根據(jù)場(chǎng)景使用不同的邊界條件。同時(shí)，波導(dǎo)層折射率配置文件被傳遞到此模塊中，計(jì)算得到距離/高度相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度和路徑損耗分布。最后，在驗(yàn)證分析模塊，將路徑損耗分布累加轉(zhuǎn)化為多基站蜂窩場(chǎng)景下的平均干擾水平，然后與網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，包括干擾水平強(qiáng)度、干擾相關(guān)性和時(shí)間變化特性等。

2.2 干擾抑制方案設(shè)計(jì)

在3GPP的遠(yuǎn)程干擾識(shí)別機(jī)制的基礎(chǔ)上，根據(jù)大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾特點(diǎn)，本文建議集中式干擾抑制方案，管理框架如圖3所示。

圖3 基于氣象信息的集中式遠(yuǎn)程干擾管理框架

如圖3所示的氣象信息的集中式遠(yuǎn)程干擾方案簡(jiǎn)要描述如下：當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)程干擾時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)干擾特征識(shí)別遠(yuǎn)程干擾是否發(fā)生；如果判定發(fā)生遠(yuǎn)程干擾，干擾基站與受擾基站將上傳網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)；該方法通過(guò)模擬來(lái)確定具體的調(diào)整參數(shù)，從而提供時(shí)域、空域和頻域的抑制方案。由于每次大氣波導(dǎo)的發(fā)生過(guò)程長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)，未來(lái)在控制中心計(jì)算能力的幫助下，該集中式抑制方案具有自動(dòng)化和近實(shí)時(shí)調(diào)整的特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包含氣象數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)兩部分。其中氣象數(shù)據(jù)來(lái)源自歐洲氣象局提供的ERA5全球再分析數(shù)據(jù)集，下載干擾當(dāng)天的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、水氣壓、波導(dǎo)層底高、波導(dǎo)層頂高等要素的每小時(shí)觀測(cè)值。該氣象數(shù)據(jù)精度為0.25°。

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)由中國(guó)移動(dòng)江蘇省分公司提供，包含了2016年5月16日全天的全省244375個(gè)基站的配置信息與每小時(shí)觀測(cè)值。數(shù)據(jù)字段主要包含：基站部署位置、測(cè)量時(shí)間（顆粒度為每小時(shí)）、扇區(qū)角、頻段、天線高度、天線下傾角、基站接收的同頻干擾強(qiáng)度，單位為dBm。為了避免貿(mào)然填充數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，本文盡可能使用原始數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖4為經(jīng)緯度下的遠(yuǎn)程干擾分布和波導(dǎo)層分布，分別展示1：00，7：00和13：00時(shí)刻全江蘇省基站的干擾強(qiáng)度情況。各時(shí)段受干擾基站的數(shù)量分別為4495站，38901站和964站。在圖4a）～圖4c）中顏色代表平均干擾水平，可知從1：00開(kāi)始，全省的同頻干擾開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，并在7：00干擾達(dá)到最強(qiáng)。此時(shí)整個(gè)江蘇北部地區(qū)都在經(jīng)歷嚴(yán)重的同頻干擾，干擾強(qiáng)度甚至超過(guò)-90 dBm。之后同頻干擾強(qiáng)度逐步衰減，并在13：00后回歸正常水平。

在圖4d）～圖4f）中顏色深淺代表歸一化后的波導(dǎo)層強(qiáng)度，白色為無(wú)大氣波導(dǎo)區(qū)域。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在此次干擾過(guò)程中，1：00時(shí)波導(dǎo)層開(kāi)始出現(xiàn)在江蘇北部部分地區(qū)，隨后凌晨至7：00期間出現(xiàn)充分的逆溫層條件，整個(gè)江蘇北部地區(qū)和部分南部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)高強(qiáng)度的波導(dǎo)層，13：00時(shí)大面積的波導(dǎo)層消失。

圖4 干擾強(qiáng)度與波導(dǎo)層強(qiáng)度分布（時(shí)間分別對(duì)應(yīng)5月16日1：00，7：00和13：00）

將江蘇省基站數(shù)據(jù)柵格化，按照地理分布，經(jīng)緯度間隔0.6°，分成6行9列共54個(gè)數(shù)據(jù)塊。本文將圖4a）的徐州郊區(qū)基站群（1，1）作為受擾基站群，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，紅色圈出的區(qū)域與（1，1）的相關(guān)系數(shù)在0.84～0.95之間。不同于文獻(xiàn)[4]僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)，本文基于波導(dǎo)層分布變化和網(wǎng)絡(luò)側(cè)干擾變化的相關(guān)性，明確指出此次大規(guī)模同頻干擾是由大氣波導(dǎo)引起的遠(yuǎn)程干擾。

然后，將波導(dǎo)層數(shù)據(jù)和無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)輸入到仿真工具中，計(jì)算多個(gè)小區(qū)群到達(dá)基站群（1，1）的路徑損耗和同頻信號(hào)累加的平均干擾水平。以1：00時(shí)的干擾情況舉例說(shuō)明，基站群（2，5）至基站（1，1）距離約160 km，以連線作切面的波導(dǎo)層厚度在30～101 m，受擾基站平均高度為46.95 m，平均下傾角為2.76°，遠(yuǎn)程干擾主要發(fā)生的頻點(diǎn)號(hào)為38400，即中心頻點(diǎn)為1895 MHz。

圖5給出了某基站在上述參數(shù)條件下的路徑損失空間分布，橫軸表示從基站群（2，5）到（1，1）的距離，顏色表征路徑損失。假設(shè)大氣波導(dǎo)層內(nèi)具有空間一致性。從圖5中可以看出：40～140 km的路徑損失集中分布在140 d B左右，有明顯的大氣波導(dǎo)陷獲效應(yīng)；當(dāng)接收高度為40 m，在163 km的路徑損失依然能夠保持152.4650 dB。另外，對(duì)比常規(guī)宏蜂窩路徑損失模型在40 km處的路徑損失已經(jīng)超過(guò)185 dB。

圖5 基站群（2，5）的路徑損失空間分布

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，遠(yuǎn)距離基站的同頻信號(hào)到達(dá)本地基站，超過(guò)基站的干擾門限，從而超出常規(guī)保護(hù)距離39.8 km，發(fā)生遠(yuǎn)程干擾。另外，在波導(dǎo)條件近似對(duì)稱和基站配置相似的條件下，基站群（1，1）干擾水平與基站群（2，5）干擾水平相差5 dBm以內(nèi)。忽略湍流和粗糙地面對(duì)傳播信號(hào)的影響，該結(jié)果可以說(shuō)明遠(yuǎn)程干擾存在互易性。

圖6給出了2016年5月16日1：00—7：00基站群（1，1）的平均干擾水平變化。圖中實(shí)線為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。利用不同時(shí)刻的波導(dǎo)層剖面，可計(jì)算出其他基站群對(duì)基站群（1，1）的路徑損耗分布累加轉(zhuǎn)化為多基站蜂窩場(chǎng)景下的平均干擾水平。隨著北部地區(qū)大氣波導(dǎo)層的面積逐漸擴(kuò)大，平均干擾水平也隨之增加，干擾水平甚至超過(guò)-88.85 dB，仿真結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)的平均誤差為3.81 dB。然而傳統(tǒng)的3GPP宏蜂窩路損模型平均誤差均在30 dB以上。由此說(shuō)明本文方法由于能夠接入氣象數(shù)據(jù)，利用不同時(shí)刻的波導(dǎo)層剖面計(jì)算路徑損失，可真實(shí)地反映波導(dǎo)造成的遠(yuǎn)程干擾。

圖6 基站群（1，1）隨時(shí)間變化的平均干擾水平

以上仿真結(jié)果表明，文中提出的仿真算法在波導(dǎo)信息和電磁傳播仿真基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積遠(yuǎn)程干擾的驗(yàn)證分析。

3.3 遠(yuǎn)程干擾抑制方案驗(yàn)證

根據(jù)遠(yuǎn)程干擾機(jī)理，在跨運(yùn)營(yíng)商和跨國(guó)的大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾中，干擾距離可達(dá)250 km，超出可配置的最大保護(hù)距離。未來(lái)5G小區(qū)支持更靈活的配置，包括垂直波瓣寬度、水平波瓣寬、方位角偏移和下傾角等。因此本文利用仿真工具和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)，量化和驗(yàn)證干擾抑制效果。具體抑制方案參數(shù)如表1所示，方案包括頻點(diǎn)調(diào)整、下傾角調(diào)整和波瓣調(diào)整，分兩次調(diào)整。

表1 具體方案參數(shù)

圖7給出了表1抑制方案的性能對(duì)比。由圖7可知，在1：00時(shí)，受擾站群（1，1）的平均干擾水平為-94.78 dB，頻點(diǎn)調(diào)整后，干擾反而增強(qiáng)。此次波導(dǎo)厚度和強(qiáng)度決定了最小陷獲頻率小于1900 MHz，因此調(diào)整頻點(diǎn)沒(méi)有抑制效果。調(diào)整下傾角和波瓣寬度，平均干擾水平降低了3.53～5.78 dB。仿真結(jié)果表明，通過(guò)下調(diào)下傾角和減小波瓣寬度，可以較大程度地弱化大氣波導(dǎo)帶來(lái)的遠(yuǎn)程干擾。但未來(lái)5G大規(guī)模天線陣列部署在機(jī)械下傾角固定的情況下，支持電子下傾角調(diào)整和波束調(diào)整，因此在上百公里級(jí)的大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾抑制方案中，利用氣象信息的空間域抑制方案是最有效的手段之一。

圖7 抑制方案的遠(yuǎn)程干擾抑制效果

4 結(jié) 論

本文從交叉學(xué)科角度出發(fā)，基于折射率估計(jì)和拋物方程模型的仿真方法，利用氣象數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)程干擾進(jìn)行驗(yàn)證分析。在結(jié)合波導(dǎo)層的基礎(chǔ)上，文中方法首次驗(yàn)證了上百公里的大規(guī)模遠(yuǎn)程干擾，并且對(duì)不同的抑制方案進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文提出的方法能夠更準(zhǔn)確地刻畫遠(yuǎn)程干擾傳播規(guī)律，為環(huán)境信息輔助的抑制方案設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。