TD-LTE网络大气波导干扰研究

赵洪锋，王超，秘俊杰

(1 中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021； 2 中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050000）

TD-LTE网络大气波导干扰研究

赵洪锋1，王超2，秘俊杰2

(1 中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021； 2 中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050000）

本文分析了大气波导干扰的原因及规律，研究了对TD-LTE系统带来的影响，探讨了通过现网优化以降低大气波导干扰的方法，提出了规划建设方案，进而从根本上解决大气波导带来的影响。

大气波导；TD-LTE；干扰；网络优化；异频

1 引言

在一定的气象条件下，位于大气边界层尤其是在近地层传播的电磁波，受大气折射的影响，其传播轨迹弯向地面，当曲率超过地球表面曲率时，电磁波部分会被限制在一定厚度的大气薄层内，就像电磁波在金属波导管中传播一样，这种现象称为电磁波的大气波导传播，如图1所示。

在TDD系统中，远端基站的下行信号经过一个超远距离的传播时延后，可以干扰到本地基站的上行信号接收，因为基站的发射信号功率很高，但是手机信号因为发射功率低，到达本地基站的接收机时信号较弱，容易被其他基站的信号淹没，这种情况通常发生在远端信号利用大气波导传播到本地时[1，2]。分析大气波导干扰原因及规律，研究解决大气波导干扰方案成为本文研究的重点。

图1 大气波导传播示意图

2 大气波导干扰影响分析

TDD无线通信系统中，在某种特定的气候、地形、环境条件下，远端基站下行时隙传输距离超过TDD系统上下行保护时隙的保护距离，干扰到了本地基站上行时隙，即TDD系统特有的“远距离同频干扰”。此类干扰较为普遍，且可能会对本地基站的上行用户随机接入时隙以及上行业务时隙造成干扰，从而影响用户上行随机接入、切换过程以及上行业务时隙。

TD-LTE系统，大气波导干扰形成的主要原因为大气波导的环境中，超远距离同频信号所造成的TDD的交叉时隙干扰。大气波导环境中，传播损耗比较小，TD-LTE下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GP，如图2所示。

2.1 大气波导干扰规律分析

正常大气层上冷下热，信号直接在地平线折射到外太空。但是大气波导在大气层上热下冷时发生，下层大气折射率变高，从而使信号能量留在大气层内，经过折射传播到地面区域。大气波导干扰存在如下一些规律。

季节因素：夏秋容易发生；静态稳定（没有风浪）的天气更容易发生。

时间因素：太阳落山时，大气层上热下冷；起雾（带状）且有太阳时（上热下冷），一般太阳升也会发生，随后干扰逐渐消失。

地区因素：海边或大面积水面边上。海边太阳落上时，湿冷空气吹向陆地，陆地降温更快，空气密度下高上低，下冷上热。同理，太阳升起时，上层空气升温更快。

地形因素：海面或平原利于传播，起伏陆地或山地阻挡传播的区域。

距离因素：UHF频段100 MHz左右可以传输到1 600 km，但是一般是1 300 km；TD-LTE所用频段传输衰耗高，将明显小于以上传输距离，但仍旧存在较远距离的信号干扰。

波长因素：波长太长，不容易发生，900 MHz以上更易发生（发生可能性跟波长成反比）。

河北作为沿海大省，TD-LTE网络受到大气波导干扰的影响，尤其沿海城市，大气波导干扰较为严重。如图3所示，经过对上行平均干扰电平进行分析，得到全省大气波导影响分布情况。可以看出大气波导干扰严重区域主要分布在沿海平原地区的农村以及建筑物稀少的郊区，无遮挡物，一望无际的区域。

图3 大气波导干扰渲染示意图

2.2 对TD-LTE上行链路的影响

大气波导干扰主要对TD-LTE上行链路有较大影响，主要包括以下几个方面。

2.2.1 对 PRACH 的影响

如果PRACH 位于特殊子帧的UpPTS上， 将容易遭受到强干扰，而位于普通上行子帧，被干扰的概率和程度将降低。因此，为了减少大气波导干扰，现网PRACH尽量位于在普通上行子帧上。

2.2.2 对 PUSCH的影响

如果PUSCH被干扰，将导致数据接收失败和重传，尽管不会阻塞全部的数据传输，但依然会降低数据传输速率，增加时延，也会降低数据业务信道的覆盖水平。如果上行控制信息在PUSCH上传输并因干扰导致丢失，将会产生更严重的影响。

2.2.3 对 PUCCH 的影响

如果PUCCH被干扰，将导致ACK消息丢失进而造成不必要的下行数据重传。还将导致CSI消息丢失，从而影响链路适配和预编码选择的性能。

经过数据分析，大气波导干扰时间存在一定规律。如图4所示，某沿海城市，高干扰小区的上行干扰时间分布情况。大气波导干扰开始抬升时间在每天18：00，在第二天9：00减弱，一般在晴朗有风的时候容易出现，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现象，在此种情况下最容易形成大气波导。此时特殊子帧(UpPTS)的底噪在相应时段也会同步抬升，说明该时段主要为大气波导的影响。

干扰每次出现维持的时长不同，强度不同；干扰不是每天都出现，出现频次无规律；每次干扰出现时针对个体小区不一定出现干扰；从这些特征看大气波导受天气原因影响，波导的强度、波导的厚度、波导出现时间不具有固定性。

3 网络优化解决方案

虽然大气波导干扰存在一些规律，但在具体发生时段和区域仍会有较大不确定性和差异性。考虑到大气波导干扰对网络性能的不利影响，需制定优化方案以尽量减小负面影响，保证用户感知。现网优化方法主要从工参优化、特殊时隙优化、差异化上行功控等方面展开。

3.1 工参优化

通过调整基站天线倾角，可双向受益，发射干扰基站通过压低倾角可抑制干扰，尽量减少干扰信号传播，而被干扰基站通过压低倾角，减少覆盖范围，提升覆盖范围信号强度，进而减少被干扰程度。

图4 某沿海城市大气波导干扰分析

3.2 特殊时隙优化

TD-LTE采用TDD双工方式，发送和接收信号在相同的频带内，上下行信号通过在不同的时间段内发送进行区分。根据3GPP 36.211，特殊子帧长为 ，包括下行时隙（DwPTS）、保护间隔（GP）、上行时隙（UpPTS）。其中保护间隔（GP）为上下行之间提供保护，避免上下行之间出现“交叉干扰”[3]。通过计算相邻GP间的时间间隔，推算基站覆盖距离进而得到保护距离如表1所示。

表1 不同特殊子帧配置下的保护距离

考虑到TD LTE网络大气波导干扰形成的主要原因为大气波导的环境中，超远距离同频信号所造成的TDD的交叉时隙干扰。通过将特殊子帧配置为3：9：2，使得上下行间保护时间更长，从而规避来自186.8 km内的大气波导干扰。但是，但是可能还存在相邻省份的干扰，并且由于大气波导干扰时间和干扰范围的不确定性，人工设置特殊子帧将造成较大工作量且准确性不高，需通过自动配置参数工具，可以一定程度抵抗大气波导干扰的影响，但对于强干扰依然无法全部消除。

图5 上/下行业务改善情况

3.3 差异化上行功控功能

考虑到TD-LTE为上行链路受限系统，考虑增大上行部分路损补偿系数，提升上行链路性能。通过系统检测在UpPTS信号电平，设置小区级参数高于干扰标记阈值，以此标识检测到大气波干扰，判断是否存在大气波导干扰，进而自动检测大气波导干扰并分析大气波导干扰小区。当检测到大气波导干扰较严重时，设置基于SINR的算法，干扰足够高，负荷足够低，可配置小区级负荷和干扰门限。在达到一定门限时，自动进行干扰区域站点的参数优化，尤其是优化上行功控参数以及启动增强解调方案，可以改善干扰的影响及保证网络的性能和用户体验。

3.4 测试验证

在某市大气波导干扰区域，通过工参优化、打开动态调整特殊子帧配比的功能、差异化上行功控功能后 ，TD-LTE网络性能有明显改善。如图5所示，参数修改方案实现后，可以看到优化方案对指标和用户感知有所改善，干扰强度相近时上行、下行流量指标有所改善。此外，方案实现区域，干扰强度相当的情况下，4G投诉量也有所下降。

4 规划建设解决方案

TD-LTE网络往往采用同频组网方式，虽然网络优化能够降低大气波导带来的干扰影响，但无法从根本上规避系统本身的缺陷。通过TD-LTE异频组网或规划建设LTE FDD，规避大气波导干扰，以满足业务发展需要。

4.1 TD-LTE异频组网方案

考虑到广大县城、农村区域的TD-LTE网络以F频段为主，作为远距离干扰源概率相对较大。而TDLTE D频段网络主要位于市区，基站天线下倾角较大，不易产生干扰，并且市区相对县城、农村面积较小，作为远距离干扰源概率相对较小。同时，考虑到D频段频谱资源丰富，可以采用异频组网解决方案，尤其是沿海干扰严重区域优先引入D频段基站抵抗大气波导干扰。如图6所示，D频段频率复用示意图。

图6 D频段频率复用示意图

4.2 LTE FDD规划建设方案

在政策允许的条件下，考虑到LTE FDD系统自身对大气波导干扰规避能力，可以在现网站址上共址建设LTE FDD网络，补充由于大气波导干扰造成的TDLTE网络性能的缺失。同时，考虑到投资效益，可以从用户数、流量、干扰电平、干扰时长等多个维度，遴选大气波导干扰严重的区域，优先规划建设LTE FDD网络，如图7所示，某城市LTE FDD试验基站情况，在TD-LTE大气波导产生时间段，共站址建设的LTE FDD基站信号底噪一直处于较低水平。可以看出LTE FDD系统由于上下行频段分开，基本不受大气波导干扰影响。同时，LTE FDD网络也将为网络分流和业务增长提供新的动力。

5 结束语

TD-LTE网络一般采用同频组网方式，能够获得较高的频谱效率，但由于TDD系统自身不足，容易受到大气波导干扰，严重损害了网络性能和服务质量。本文通过分析大气波导干扰产生原因及规律，研究大气波导干扰对TD-LTE网络上行链路的影响，提出了现网优化方案和规划建设方案，以解决大气波导干扰问题，希望为今后网络研究和应用提供借鉴。此解决方案和方法已在现网中得到初步验真，但仍有一些问题需要进一步研究。同时，如果政策上获得支持，也将为解决大气波导干扰获得更多应用方案。

图7 大气波导干扰基站分析

[1] 刘宁. LTE网络大气波导干扰的成因分析及防治措施[J]. 山东通信技术，2015(6).

[2] 王迪， 张丽杰.大气波导对LTE系统内的远端同频干扰分析[J].通信设计与应用， 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