大气波导干扰及解决方案

张力伟，梁纪兴，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 050021)

大气波导干扰及解决方案

张力伟1，梁纪兴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 050021)

大气波导现象对于目前我国采用的TD-LTE无线通信系统会造成远距离同频干扰，导致网络质量的下降，因此大气波导干扰问题逐渐成为移动通信中急需解决的一个热点。本文从大气波导原理入手，深入分析了其对TD-LTE系统的影响，并对解决方案做了讨论，对于当前运营商解决大气波导干扰问题具有一定参考价值。

大气波导；远距离干扰；TD-LTE

1 背景

在一定气象条件下，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，部分电磁波被陷获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。

在TD-LTE通信系统中，远端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，容易被其它基站的信号淹没，即造成远距离同频干扰。

2 大气波导原理分析

为更好的分析大气波导对TD-LTE移动通信系统的干扰，从多方面寻求更好的解决方案，本文从以下几个维度对大气波导的基本原理进行研究分析。

2.1 大气波导产生机理

研究表明影响大气环境中电磁波传播特性的主要因素为大气折射率。对于频率在100 GHz以内的电磁波，大气折射率n或大气折射指数N与大气温度T、大气压力p和水汽压e之间的函数关系为：

当远距离传输时，必须考虑地球的曲率对传播的影响。为了将地球表面处理成平面，通常使用大气修正折射率m和大气修正折射指数M更为方便。假设地球大气为均匀球面分层，根据球面分层介质中的Snell定律得到修正折射指数M：

上面公式对高度求导可得到大气折射指数垂直梯度：

当电波传播路径的曲率超过地球表面的曲率时，则存在关系式：

修正折射率M最小值对应的高度为大气波导的高度，即根据不同大气层或探空数据即可预测大气波导的高度范围。

2.2 大气波导分类

大气波导通常分为3类：表面波导、悬空波导和蒸发波导，其中蒸发波导一般发生在海洋大气环境，表面波导和悬空波导在陆地和海洋环境中都存在。

（1）表面波导：表面波导一般出现在大气较稳定的晴好天气里，此时低层大气往往有一个比较稳定的逆温层，并且湿度一般随高度递减。一般发生在300 m以下的边界层大气中。

（2）悬空波导：下边界悬空的大气波导，一般发生在3 000 m高度以下的对流层低层大气中。悬空波导的一个显著特点是波导顶的大气修正折射指数大于地面的大气修正折射指数。

（3）蒸发波导：由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成。蒸发波导一般发生在海洋大气环境40 m高度以下的近海面大气中，由一个较薄的陷获层组成。

在TD-LTE无线通信中，主要是表面波导造成的干扰较为严重。一般发生于晴朗无风或微风的夜晚，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；雨过天晴之后，也会出现类似的现象。

2.3 大气波导规律

虽然大气波导现象受到多方面因素的影响，具有较强的不可预测性，但是通过大量的测试分析，可以归纳出大气波导存在如下规律。

（1）季节规律：夏秋容易发生；静态稳定（没有风浪）的天气更容易发生。

（2）时间规律：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。

（3）地区规律：海边或大面积水面边上，当太阳落山时，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。

(4）地形规律：海面或平原利于传播。起伏陆地或山地阻挡传播。

（5）距离规律：UHF频段100 MHz左右可以传输到1 000英里或1 600 km，但是一般是1 300 km（800英里）；TD-LTE所用频段传输衰耗高，将明显小于以上传输距离。

（6）波长规律：波长太长，不容易发生，90 MHz以上更易发生（发生可能性跟波长成反比）。

3 大气波导对TD-LTE系统影响

大气波导对于TD-LTE移动通信系统的影响主要体现于远距离同频干扰，这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，严重时会导致更恶劣的结果，影响用户正常使用。

3.1 大气波导干扰原理

TD-LTE采用TDD双工方式，发送和接收信号在相同的频带内，上下行信号通过在时间轴上不同的时间段内发送进行区分。在TD-LTE帧结构中存在下行子帧、上行子帧和特殊子帧，特殊子帧主要包括下行时隙（DwPTS）、保护间隔（GP）、上行时隙（UpPTS），保护间隔不传送信号，为上下行之间提供保护，避免上下行出现“交叉干扰”。

在3GPP 36.211中提到上行发送的时间为(NTA+NTAoffset)×Ts，NTA offset固 定 为 624个Ts， 即(1/30 720)×624=20.312 5 us。

GP1=GP配置时间-GP2（20.312 5）。当特殊子帧配比GP符号数为x时，考虑到特殊子帧共14个符号，且特殊子帧总长度为1 ms，则GP1最小传输时间t=(x/14)×1 000-20.312 5。

换算成基站间距离S=t×C=[(x/14)×1 000-20.312 5]×C，（C为光速一般取300 000 km/s），为特殊子帧GP符号数。

在TD-LTE无线通信系统，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。对于这种同频干扰，主要原因有两个方面，其一是大气波导环境中，传播损耗比较小，其二是TD-LTE下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GP。

3.2 大气波导干扰特征

图1 干扰波形特征

3.2.1 干扰波形

通过测试分析，可以得出结论，大气波导干扰波形为20 Mbit/s带宽，100 RB整体抬升，测试结果如图1所示。

3.2.2 上行U子帧

为进一步分析干扰特征以及对上行解调性能的影响，在干扰水平抬升时，采集了某小区每次干扰来时U子帧空载数据进行分析，分析结果如下。

由图2可以看出，U子帧14个时域符号NI大于-105 dBm，同时可以得出结论：大气波导干扰大小不固定，被干扰的第一个符号大到-80 dBm，小的时候也有-100 dBm左右；上行U子帧被干扰的符号数不固定，每符号上的干扰大小不一致且呈现递减状态，结合扫频结果，可判断出UpPTS是先被干扰且干扰能量最强。

图2 上行U子帧数据分析

3.2.3 干扰的方向性

从某地统计基站干扰小区看，受干扰小区大多是第1和第2小区，其中第2小区受干扰比较严重，而第3小区不受干扰，这说明大气波导对通信基站的干扰具有较强的方向性。

3.3 大气波导对现网影响

选取某沿海地市为研究对象，分析大气波导对该地区现网TD-LTE基站的影响，结果如下。

3.3.1 受干扰小区分布

选取该地区PUSCH上行干扰大于-105dBm的小区，分布图如图3所示。

从图3可以看出，该地区PUSCH上行干扰大于-105 dBm的小区主要集中于沿海区域，虽然大部分受干扰小区为-100～-105 dBm，但也有干扰严重的小区大于-90 dBm，甚至达到-55 dBm，这些小区内用户已无法正常使用通信业务。

图3 某地区受干扰小区分布

3.3.2 对网络性能指标的影响

分析高干扰小区的平均底噪与特殊子帧(UpPTS)底噪的变化情况，结果如图4所示。

图4 某地区受干扰小区分布

由图可以看出，该地区高干扰小区的上行干扰开始抬升时间在每天18：00，在第二天8：00减弱；同时特殊子帧(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。

对该地区相同时段内基站的无线掉话率与接通率进行统计分析，可以看出，大气波导低于该地区无线掉线率与无线接通率均有不同程度的影响，个别时段影响较大，出现较高的掉线率。

4 大气波导干扰解决方案

由于大气波导对于无线通信系统影响较大，随着国内TD-LTE站址规模的不断增加，一些TD-LTE主设备厂商逐渐认识到问题的严重性，开始研究制定大气波导干扰的解决方案。

4.1 现有解决方案分析

根据前文分析，要想解决大气波导干扰，需要分析TDD的交叉时隙干扰进而选定解决方案。现有解决方案思路如下。

在UpPTS上采用智能检测方案，根据是否满足预设来判断是否存在干扰，当判断出有大气波干扰时，设置小区级参数高干扰标记HIterFLG为1，以此标识检测到大气波干扰。

当HIterFLG为1时，在U子帧上启动干扰检测，根据干扰特征以及判断条件启动解调方案来提高PHY的整体解调性能。干扰来时会导致物理层测量异常，从而导致CMAC调度出现问题。此时需要根据UpPTS和U子帧上的干扰检测结果对上报量进行调整，从而CMAC让调度更加稳健。

当HIterFLG为1时，依据PHY测量上报的干扰水平对上行信道进行增强型功控以及AMC调整（PUCCH、AMC外环、PUSCH调度策略），保证上行解调性能。

应用该解决方案后，选取某地区受大气波导严重的站点进行指标统计，结果如图5所示。

图5 应用解决方案后性能指标

由图5可以看出，原受干扰严重地区的小区无线性能指标均达到预期，接通率稳定在99.74%左右，无线掉线率稳定在0.07%左右，切换成功率稳定在99.5%左右。

对路测指标进行统计分析，结果如表1所示。

应用该解决方案后相对之前路测指标有明显改善，干扰时段现场测试，用户感知良好，浏览、下载、交互类业务正常。

4.2 后续解决方案

4.2.1 大气波导干扰定位

通过特征序列的发送和检测，可准确判断大气波导干扰，并解决远端站和近端站基站数差距较大导致的干扰强度不对称问题，通过合理的设计，特征序列还能实现施扰站的精确定位，为后续的大气波导干扰预防奠定基础。

4.2.2 大气波导干扰检测规避方案

规避方案的理论前提是认为大气波导干扰发生时远端基站和近端基站间的干扰是互易的，即远端基站的上行信号与近端基站下行信号是相互影响的。具体方案如下。

受扰站基于干扰功率特征初步判断是否受扰，如受扰则开始在DwPTS发送特征序列并启动规避流程。

施扰站在UpPTS和上行子帧对特征序列进行检测，如检到则认为自己对他人造成了干扰，启动规避流程。

施扰站连续一段时间检测不到特征序列且干扰功率小于门限则认为大气波导消除，退出规避流程。

4.3 接收端干扰规避措施

对于检测到存在大气波导干扰的小区，在接收端可以采用如下措施对干扰进行规避。

4.3.1 用户迁移

语音用户：基于干扰，进行VoLTE用户迁移，使TD-LTE边缘用户得到一定保障，回落到2G/3G网络，一定程度减少用户投诉。

数据用户：由于进行边缘用户迁移，需要异系统协同调整参数，否则存在乒乓切换问题，因此采用CRS功率自动扩缩方案。但是功率收缩会导致TD-LTE覆盖收缩，缩影响小区吞吐量。

4.3.2 工程改造

可以在工程上采用相应手段进行干扰规避，如设计专用屏蔽罩；设计在垂直面具有特殊固定的“零限”的天线；或利用3D MIMO中其垂直面上自适应形成“零限”，降低干扰。

表1 应用解决方案后路测指标

5 结论

本文通过分析大气波导产生的原理、规律，研究大气波导对于现网TD-LTE系统的影响，并在现有解决方案的基础上，对后续大气波导干扰解决方案做了分析。对于解决大气波导对于TD-LTE系统的干扰问题具有积极意义，对于提高运营商网络质量有一定价值。

[1] 王迪，张丽杰，谢存智. 大气波导对LTE系统内的远端同频干扰分析[J]. 通讯世界，2016(19):37-38.

[2] 刘毅，牛海涛，张振刚. TD-LTE大气波导效应导致干扰研究[J]. 移动通信，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