大气波导干扰定位与优化平台技术研究

2018-07-04陈涛李行政韩云波张冬晨

电信工程技术与标准化 2018年7期

陈涛，李行政，韩云波，张冬晨

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 大气波导对TD-LTE系统的干扰

1.1 大气波导产生原理

大气波导效应是在一定的气象条件下，在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，当折射曲率超过地球表面曲率时，电磁波部分会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。根据ITU-R P.452建议书中的描述，大气波导属异常（短期）干扰传播机理，在某些条件下信号传播损耗可近似等于自由空间损耗。

大气波导类型主要包括表面波导、蒸发波导与悬空波导。表面波导的一个显著特点是波导顶的大气修正折射指数小于地面的大气修正折射指数，一般发生在300 m以下的边界层大气中，表面波导一般出现在大气较稳定的晴好天气里；蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导，它是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的；悬空波导是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，它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成。移动通信系统受到的大气波导主要为表面波导或蒸发波导。

1.2 TD-LTE大气波导干扰问题与危害

TD-LTE系统上下行同频，通过GP(保护间隔)来区分上下行信号，在存在大气波导效应时，远处基站下行信号在经历GP的保护距离后仍有较强的功率（传播损耗较小），从而造成远距离同频干扰，如图1所示。

在TD-LTE系统采用9：3：2的特殊子帧配置时，GP占用3个OFDM符号，对远端基站的信号传播保护距离为64 km；在TD-LTE系统采用3：9：2的特殊子帧配置时，GP占用9个OFDM符号，此时可以将信号传播保护距离为192 km，具体计算公式如（1）所示。

保护距离=光速×(GP符号数/14)/1 000 000 (1）

因此为了抑制TD-LTE系统的大气波导干扰，最直接的方法是将特殊时隙配置从 9：3：2调整至 3：9：2，增大GP的保护距离，调整后干扰与被干扰小区间信号传播距离至少为192 km。

大气波导干扰具有强度大、范围广的特点。干扰严重时部分地市的受干扰小区数可达50%以上，造成用户投诉爆炸式增长；同时，大气波导干扰可造成接收机IoT抬升20～30 dB左右，对网络的接通、保持、切换性能造成恶略影响。

图1 TD-LTE远距离同频干扰原理

1.3 TD-LTE大气波导干扰特征

TD-LTE大气波导干扰具有明显的时域、频域及空域特征，可从空域、时域、频域三个维度识别TDLTE大气波导干扰，实现大气波导干扰的快速响应。

空域特征：发生大气波导干扰时会使区域内受干扰小区数目大幅增加，而随着大气波导效应的消除，受干扰小区数回归正常水平。

时域特征：符号级别受干扰功率呈斜坡下降特征，即从UPPTS开始受干扰，直至上行子帧的最后一个符号干扰逐渐减弱。

频域特征：由于在发生大气波导干扰时主要受远端基站CRS信号的干扰，受扰小区PRB0-PRB99呈现底噪整体抬升的干扰波形。同时，由于干扰源基站PSS及SSS信号影响，受干扰小区中间6个PRB（PRB47-PRB52）的干扰功率可能较强。

2 大气波导干扰定位与优化平台

2.1 技术原理

大气波导干扰定位功能主要依赖于基站特征序列的发射。具备该功能的基站会在特殊子帧下行符号发送特征序列，在上行符号进行检测，可通过检测特征序列获取干扰源基站eNode B ID信息，因此在发生大气波导干扰时，通过特征序列的发射与检测，可精准定位干扰源基站。

具体来讲，对于开启特征序列功能的小区，会在特定帧上DwPTS的最后两个OFDM符号上发送特征序列，特征序列共包含4种不同的组合。TD-LTE系统的帧编号为0-1023，因此小区会根据eNode B ID的后10位确定发射特征序列的帧号，根据eNode B ID的9-10位确定所选择的特征序列格式，因此目前可区分4 096个基站。

在受到大气波导干扰时，执行特征序列检测功能，即在每个无线帧上，基站需要保存第一个半帧的UpPTS和第一个正常上行子帧共16个符号的时域数据，然后分别与本地保存的4条特征序列进行时域相关，找出相关峰，解析出eNode B ID的第9～10 bit，并根据检测特征序列所在的无线帧号计算出干扰源eNode B ID的低10 bit，从而得到干扰源eNode B ID的低12位。在实际使用过程中，将特征序列检测结果与工参中所有开启该功能的基站eNode B ID的后12位进行匹配，而后通过一定的算法可以唯一确定干扰源基站。

2.2 工具设计

为了快速完成全网范围大气波导干扰特征序列检测结果的匹配与分析，需要借助信息化手段进行大数据的处理，快速完成海量数据的检查、汇总、分析、结果呈现等功能，大气波导干扰定位与优化平台结构如图2所示。

系统接受人工上传或采集OMC服务器上存储的各省工参和特征序列检测原始数据文件，执行如下数据处理步骤。

图2 大气波导干扰定位与优化平台

步骤1：对原始数据的格式和数据有效性进行检测，如果发现空行、数据缺失、数据类型错误，范围错误等问题，将输出原始数据问题报告，由数据操作人员纠正错误数据后，重新执行数据处理。

步骤2：平台将工参等经常使用的公共数据存入Redis数据库，以便供各分析和显示模块调用。

步骤3：逐行分析特征序列检测原始数据，做如下算法处理：

（1）利用特征序列和工参数据找到所有可能的干扰源参数。

eNode B ID与检测特征序列的匹配规则：目前工参中eNode B ID一般采用10进制的表示方式，如某eNode B ID为868039，将该10进制的eNode B ID转化为2进制后为1101 0011 1110 1100 0111，一共为20个bit，如果转换后不足20个bit，应在前面补0～20个bit。将特征序列检测后的结果转换为2进制的表示方式，如2193转换为2进制后为1000 1001 0001，转换后不足12位的在前面补0～12位，而后与所有的eNode B ID的2进制表示的后12位进行匹配。

（2）对可能的干扰源做筛选。

按照工参配置信息规则匹配。在待确定的eNode B ID列表中，如果eNode B ID未开启基于特征序列的大气波导干扰检测功能则排除该基站；确定的eNode B ID列表中，如果eNode B ID对应小区的EARFCN与检测小区的EARFCN都不相同，则排除该基站。

按照检测符号——距离的规则匹配。根据被检测小区的特殊子帧配置是 3：9：2或 9：3：2或 10：2：2来判断大致的地理位置关系，若多个连续的符号检测到同一个序列，则按照符号对应距离限制较远的符号进行匹配。如表1所示，若小区在第6个上行符号检测到某特征序列，则干扰源基站与该小区的地理位置最大为300 km(干扰源特殊子帧配置为3：9：2)。

若未有匹配的基站，则提示该特征序列未成功匹配。若有多个匹配的基站，则根据地理位置关系选择与检测小区天线主瓣夹角最小的基站作为该序列对应的干扰源基站。

步骤4：系统将检测结果和统计数据存入GP数据库，供前端显示。

2.3 结果展示

表1 符号与地理位置的对应关系

目前平台可以根据输入的大气波导干扰特征序列检测信息，确定城市间互相干扰关系，统计维度包含累计被检测次数和累计干扰功率，通过长期累计可确定存在稳定干扰关系的城市对。输出结果示例如表2所示。

同时，平台也可输出重点干扰源小区并进行精细化分析，可视化界面如图3所示。使用该界面，可以按照既定的被检测次数和累计干扰功率门限筛选干扰源基站，并对这些干扰源基站的功率配置、天线下倾角、天线挂高等信息进行CDF分析统计，摸索造成重点干扰源基站的规律。在进行大气波导干扰优化时，应优先对这些重点干扰源进行优化调整，减小这些干扰源基站对其他小区的干扰影响。

表2 城市间干扰关系

2.4 基于平台结果的优化

目前大气波导干扰优化的手段主要包括特殊子帧配置调整、错频组网、天馈调整等手段，时域维度主要是将特征子帧配置由9：3：2调整至3：9：2，增大信号传播保护距离，可以从面上降低大气波导干扰的影响，而错频组网及天馈调整则十分依赖于大气波导干扰定位的结果。

基于平台的输出结果，可以确定存在特定干扰关系的城市对，对这些城市间可以实施错频组网方案，从而降低大气波导干扰的影响。例如城市A与城市1为平台确定的干扰城市对，则可以选择城市A使用F频段前20 MHz频率（1 885-1 905 MHz），同时城市1使用F频段后20 MHz频率（1 895-1 915 MHz），从而减小城市A与城市1间的互干扰影响。

同时，可以根据平台输出的重点干扰源基站的列表实施天馈调整方案，如降低CRS发射功率、增大天线下倾角、减小站高等，通过以上调整措施降低该重点干扰源基站对其它小区的大气波导干扰影响。当然，对于这些重点干扰源基站，也可以采用调整工作频点的方式消除对其他小区的干扰影响，如将工作频点从F频段（1 885-1 915 MHz）调整至D频段（2 575-2 635 MHz）。