TD-LTE大气波导干扰传播规律及优化方案研究

张龙，邓伟，江天明，左怡民

（1.中国移动通信集团公司研究院，北京 100053；2.中国移动通信集团公司，北京 100032）

TD-LTE大气波导干扰传播规律及优化方案研究

张龙1，邓伟1，江天明1，左怡民2

（1.中国移动通信集团公司研究院，北京 100053；2.中国移动通信集团公司，北京 100032）

为了研究针对TD-LTE大气波导干扰的高效优化方案，首先对现网数万小区的干扰源定位结果进行分析，发现大气波导干扰传播距离与地理距离基本相当、强度随传播距离快速下降等干扰传播规律；然后针对性地提出了包括算法优化、时域优化、频域优化、空域优化在内的综合优化方案，并在现网对关键方案进行了测试；最后验证了方案的有效性。

TD-LTE 大气波导 干扰源定位 传播规律 干扰优化

1 引言

大气波导是特定气象、地理条件下发生的一种自然现象，主要与温度、水汽密度随高度剧烈变化有关[1]。大气波导发生时，TDD通信系统远端基站的下行信号经数百公里的超远距离传播后仍具有较高的强度，可能对近端基站的上行接收造成严重干扰，称为大气波导干扰。大气波导干扰具有发生频度高、影响范围广、受扰程度严重等特点，严重影响网络质量，是近期TD-LTE现网优化面临的一大难题。本文将基于最新的理论分析和测试结果，研究大气波导干扰传播规律，并给出针对性的优化建议。

2 大气波导干扰传播规律

2.1 大气波导干扰宏观统计特征

通过对全国受扰情况的宏观统计，得到大气波导干扰的特征如下：

（1）发生频度高。干扰主要发生在每年的3～10月，通常4～8月最为严重，严重省份每个月可有过半天数受扰。一般白天干扰较弱，凌晨最强。

（2）影响范围广。全国多个省份均发生过大气波导干扰，华北和华东诸省受扰尤为严重，严重时省内大部分地市均受扰，可同时影响数万个小区。F频段和D频段均受扰，其中农村F频段受扰最严重。

（3）受扰程度严重。全频带受扰，底噪最多可抬升30 dB，中间6个PRB（Physical Resource Block，物理资源块）尤甚（约比其他PRB高2 dB～5 dB）。接入成功率、上行速率等各项业务指标恶化严重，严重影响网络上行性能，极端情况甚至影响部分用户接入，容易造成大面积用户投诉。

2.2 大气波导干扰源定位方案

由于大气波导干扰发生时间不固定且范围广，通过传统扫频等方式难以有效定位干扰源，因此创新性地提出了基于特征序列的大气波导干扰源定位方案，并联合产业界进行了实现。

大气波导干扰源定位方案将可精确表征基站信息的基站编号编码为特征信息，并设计具有良好检测性能的自相关序列，施扰基站通过在特定下行符号特定频域位置发送特定的自相关序列表征特征信息，相应的该序列称为特征序列。受扰站在上行符号持续进行特征序列检测，若检测到则可准确认为受到了大气波导干扰，且可根据特征序列的检测符号检测频率等信息恢复出特征信息，并进一步解析得到施扰站的基站编号，从而实现精确的干扰源定位。特征序列发送端和接收端的相关处理流程如图1所示：

图1 特征序列发送端和接收端流程图

该方案已在多个省份规模商用部署，成功实现了跨地市、跨省份的大气波导干扰源基站级精确定位，填补了业内空白，为量化研究大气波导干扰传播规律提供了有效手段，并为有效解决大气波导干扰奠定了基础。

2.3 大气波导干扰传播规律

基于多个地市大气波导干扰源定位结果的详细分析，通过对大气波导干扰传播规律进行深入研究，得到了如下初步结论：

（1）干扰源分布随时间变化规律

沿海城市和内陆城市干扰源分布差异较大。内陆城市干扰源距离分布相对较集中，86 km～129 km的干扰源占比较高。沿海城市同时受海面波导干扰和内陆波导干扰影响，干扰源距离分布存在两个峰值：280 km～340 km的主要为隔海相望沿海地市的干扰源；小于236 km的主要为内陆地市的干扰源。进一步分析发现，隔海相望的城市容易成为固定的干扰对，即A是B的主要干扰源，B也是A的主要干扰源。

不同时刻大气波导干扰源分布差异较大。大气波导效应不太强时（如3月8日），干扰源分布较为集中；大气波导效应较强时，干扰源分布范围扩大，大于150 km的远距离干扰源增多。具体如图2所示。

图2 不同地市、不同日期干扰源距离分布CDF图

（2）干扰信号传播距离与地理距离的关系

通过特征序列检测符号可以得到干扰信号传播时长，从而推算出干扰信号传播距离，经过对比施扰站与受扰站间的地理距离，发现大气波导干扰信号传播距离略大于地理距离，推测信号传播路径较为简单，近似为曲线传播，未经历多次反射。同时，沿海城市也存在少量信号传播距离远大于地理距离的情况，推测其传播路径类似雷达反射波。

（3）干扰信号强度分布

统计发现，单个施扰站产生的干扰强度主要分布在-130 dBm/PRB～-90 dBm/PRB。

通过统计同一小区检测到的不同距离干扰源单个特征序列检测强度的变化情况，在施扰站发送功率相同的情况下，可以近似得到干扰信号强度随距离变化的规律：干扰强度随信号传播距离增大而下降，平均每20 km下降1 dB～2 dB（略快于自由空间传播模型），且下降幅度随距离的增大而递减。具体如图3所示。

（4）主要施扰站特征

通过分析多个地市的特征序列检测结果，发现主要施扰站对网络性能影响最严重：按干扰到的基站数算，排名前50的施扰站每个站都可干扰到上千个基站，最多可达1 600个；按特征序列被检测到的次数算，前20%的施扰站产生了全网80%的干扰。

进一步分析主要施扰站的特征，发现站高大于30 m、天线下倾角小于9°的基站容易成为主要施扰站，山区高海拔且周围无遮挡的基站容易成为施扰站。此外，理论分析认为干扰具有互易性，即产生干扰多的基站受扰也应该很严重。通过对主要施扰站的受扰情况进行分析，发现主要施扰站的峰值受扰强度普遍较高，符合预期。

图3 干扰强度随传播距离变化图

3 大气波导干扰优化方案

大气波导干扰是TDD系统的固有顽疾，难以从根本上彻底消除，但可以通过施扰站和受扰站协同优化，从算法、时域、频域、空域等全方位进行优化，以降低干扰影响。

3.1 算法优化

通过优化受扰站的功控、调度和解调算法，最大程度地提升基站的抗干扰能力，可以有效缓解大气波导干扰造成的上行性能下降。

（1）优化功控算法

通常基站的上行功控算法以控制相邻小区间的相互干扰为主要目标，因此会尽量避免过分抬升小区内用户的上行发射功率。大气波导干扰发生时，外部干扰占主要因素，基站可改为使用激进的功控策略，包括调整开环功控参数和闭环功控算法，尽量提升用户尤其是初始接入用户的发射功率，从而提升上行信噪比，尽量避免接入失败和速率下降。

（2）优化调制编码等级自适应算法

大气波导干扰发生后，用于上行信号质量评估的探测参考信号测量不准，用于下行信号质量评估的信道质量指示消息等容易漏检、误检，调制编码等级自适应算法性能下降。基站可改为使用保守的自适应策略，降低空口传输，尤其是上行信令传输使用的调制编码等级，以提高信令传输的可靠性。

（3）优化解调算法

由于大气波导干扰信号强度随传播距离增大而下降，因此通常上行子帧中离保护间隔越远的符号所受干扰越小，即上行子帧第二列解调参考信号所受干扰通常大幅度低于第一列解调参考信号，基站可针对性优化信道估计算法，更多地利用第二列解调参考信号进行解调，以提高解调性能。

上述优化方案已在现网规模部署，大幅提升了基站的抗干扰能力，在干扰不太强时（如底噪抬升不超过10 dB时）基本不影响用户接入成功率等关键指标。

3.2 时域优化

TDD系统上下行同频，通过设置保护间隔来避免上下行之间的干扰[2]。在现网常用的9：3：2配置下，保护间隔长3个OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）符号，可避免干扰64 km传播距离外的基站。若回退为3：9：2配置，保护间隔长度增加6个符号，可避免干扰192 km传播距离外的基站，如忽略掉主同步信号对中间6个PRB的干扰以及对上行前导时隙的干扰，则干扰避免距离可进一步提升至278 km。

回退特殊子帧配置由施扰站实施，对受扰站有益，考虑到干扰互易性，通常全网统一调整。2017年二季度，华北六省进行全网回退3：9：2，优化效果明显，具体如下：

（1）修改前后两周，地市级峰值干扰强度平均下降3 dB，地市级峰值高干扰小区占比下降幅度约25%，高干扰时长减少67%。

（2）利用干扰源定位结果（数量和强度等）对优化效果进行归一化，相同大气波导强度下高干扰小区占比降幅可达25%～70%，超高干扰小区降幅尤为明显。

特殊子帧配置可基于特征序列检测结果自动进行，在不受扰时使用9：3：2配置，提升网络下行吞吐量；在受扰时自动回退为3：9：2，控制干扰。此方案也已在现网完成小规模验证，效果符合预期。

3.3 频域优化

大气波导干扰是远端基站下行信号对同频近端基站上行接收造成的干扰，如果能够将远端施扰基站和近端受扰基站的频点错开，则可以有效降低干扰。具体如下：

（1）固定干扰对间错频组网

前期测试发现存在固定的干扰对，即地市A容易成为地市B的主要干扰源，同时地市B也容易成为地市A的主要干扰源，针对这种场景，可以考虑统一协调地市A和地市B错频组网。针对F频段，可用带宽共30 MHz，可考虑分别使用前20 MHz和后20 MHz带宽组网，并通过优化随机接入信道参数配置、开启频选调度功能，最大程度地降低大气波导干扰影响。此方案在渤海湾区域进行了验证，移频后非频率交叠频段的地市级干扰强度下降3 dB以上，单站可达7 dB。

（2）主要施扰站移频

前期测试发现主要施扰站影响严重，排名前20%的施扰站产生了全网80%的干扰，因此需要重点对主要施扰站进行优化，如调整至F频段最后10 MHz。移频后主要施扰站和非主要施扰站间不再相互干扰，主要施扰站间由于站间距拉大，相互干扰程度也会进一步降低，预期主要施扰站移频后全网干扰水平会有明显下降。

3.4 空域优化

理论分析大气波导干扰主要由天线向上的信号分量产生，包括天线的上旁瓣和下倾角较小时主瓣朝上的部分。前期测试结果也证实了理论分析，下倾角较小的站容易成为主要施扰站，也容易成为主要受扰站。因此，通过施扰站和受扰站调整天线，可以有效降低大气波导干扰，但由于涉及工程调整并可能导致覆盖收缩，建议仅针对主要站点进行优化。具体如下：

（1）增大天线下倾角

前期测试表明，将天线下倾角由5°增大到10°，单站干扰可下降7 dB。除了固定增大天线下倾角外，还可更换天线为远程电调天线，在发生大气波导影响时通过网管指令临时调整天线下倾角至合适角度，在大气波导消失后恢复正常配置。

（2）更换高增益天线

高增益天线主瓣宽度由7°降低为4°，在相同下倾角下主瓣朝上的部分显著下降。此外，高增益天线对上旁瓣也有进一步的抑制，前期测试表明，更换高增益天线后可降低单站干扰强度3 dB～5 dB。

3.5 小结

各优化方案的适用对象、范围和优化效果简单总结如表1所示。

表1 优化方案汇总表

综合考虑各项方案的改造成本和优化效果来看，建议优先部署算法优化方案，之后部署回退特殊子帧配置（含自动回退）方案。如果优化后干扰仍较强，对于干扰关系固定的区域，则部署错频组网方案；对于其他区域，则部署主要施扰站移频方案。如果优化后仍存在极少数高受扰站点，可通过增大天线下倾角进行优化。

4 结束语

本文从宏观统计角度，介绍了大气波导干扰发生频度高、影响范围广、受扰程度严重等特征，然后基于创新设计的大气波导干扰源定位方案对干扰微观传播规律进行深入分析，得到了干扰源分布随时间变化规律、干扰信号传播距离与地理距离的关系、干扰信号强度与传播距离的关系和主要施扰站特征等规律。针对大气波导干扰传播特点，从算法、时域、频域、空域角度给出了适用于施扰站和受扰站的综合优化方案，并重点在现网对回退特殊子帧配置、错频组网等方案进行了验证，证明了方案的有效性，试点省份高干扰小区占比、干扰强度等网络指标均有明显好转，用户体验得到有效改善。

后续将利用大数据分析方法对干扰源定位数据进一步深入分析，提炼高受扰站的工参等特征，为下阶段的网络建设提供指导意见。同时还将在更大范围进行优化方案的验证，并基于测试结果对优化方案进行改进，探索其他优化方案。

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Research on Propagation Law and Optimization Solutions of Atmospheric Duct Interference for TD-LTE

ZHANG Long1, DENG Wei1, JIANG Tianming1, ZUO Yimin2
(1. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China;2. China Mobile Communications Corporation, Beijing 100032, China)

In order to study the ef fi cient optimization scheme on atmospheric duct interference for TD-LTE, the interference localization results of existing tens of thousands of cells were analyzed firstly. Some interference propagation laws were unveiled, including that the propagation distance of atmospheric duct interference is basically equivalent to the geographical distance and the intensity decreases rapidly with the propagation distance. Then, the comprehensive optimization scheme including algorithm optimization, time-domain optimization, frequency-domain optimization and spatial domain optimization was proposed pertinently. In addition, the key schemes were tested in existing networks. Finally, the effectiveness of this scheme was verified.

TD-LTE atmospheric ductinterference localization propagation lawinterference optimization

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.003

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0016-06

张龙,邓伟,江天明,等. TD-LTE大气波导干扰传播规律及优化方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 16-21.

2017-06-25

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

张龙：工程师，硕士毕业于电信科学技术研究院，现任职于中国移动通信集团公司研究院，主要研究方向为LTE、5G无线技术。

邓伟：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国移动通信集团公司研究院，主要研究方向为LTE、5G无线技术。

江天明：工程师，硕士毕业于电子科技大学，现任职于中国移动通信集团公司研究院，主要研究方向为LTE、蜂窝物联网、5G无线技术。