（2019 年度“嘉环杯”获奖论文三等奖）5G 网络大气波导干扰防范研究

周奕昕 全诗文 赵 煜 张国光

1. 中国联合网络通信有限公司江苏省分公司；2. 中国联合网络通信有限公司南京市分公司

1 大气波导干扰

1.1 大气波导形成

大气波导是一种在特定气象、地理条件下发生的自然现象。由于对流层中存在逆温或水汽随高度急剧变小的层，在该层中电波形成超折射传播，大部分电波辐射被限制在这一层内，类似于在波导中传播。无线信号在大气波导中传播损耗很小，可实现超远距离传播，传播损耗最小可以实现1dB/20km。

图1 大气波导传播示意

经科学研究表明，电磁波若要形成波导传播，必须满足4个基本条件：

（1）近地层或边界层某一高度必须存在大气波导层。

（2）电磁波的波长必须小于最大陷获波长（频率高于最低陷获频率）。

（3）电磁波发射源必须位于大气波导层内。对于抬升波导，有时电磁波发射源位于波导底下方时，也可形成波导传播，但此时发射源必须距波导底不远，且波导必须非常强。

（4）电磁波的发射仰角必须小于某一临界仰角。

中国联通现有厘米波段满足波导传播形成的频率条件，东部沿海区域基本满足波导传播形成的地理条件，因此5G 网络有极大概率出现波导传播的现象。

1.2 波导干扰原理

波导形成的超远传播对现有FDD 网络不造成严重影响，仅会出现测量到超远信号的现象，但由于终端上行发射功率和基站侧前导配置限制，导致用户不会接入超远传播的小区，因此对用户实际感知无明显影响。

而5G 网络作为TDD 网络，系统上下行时分复用，需要遵循严格的时间同步，否则下行信号落在上行时隙，会导致严重的上行干扰，影响5G 网络正常使用。

NR 的帧结构与子载波带宽相关，共支持15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz 五种子载波带宽配置。 NR上下行帧长均为10ms，分为10 个长度为1ms 的子帧，每个时隙固定包含14 个OFDM 符号，每个子帧所包含的OFDM符号数由决定。

NR 在特殊时隙中设置GP 符号用于非对齐时间保护，按现网5G 基站常用配置进行计算，载波间隔30kHz 的情况下，上下行配比7:3，特殊时隙配比10:2:2，GP 占用2 个符号。此时的单时隙长度为0.5ms，单符号长度为1/28ms，按电磁波无损传播速度3*108m/s 进行计算，GP 可以提供的保护距离约为

即超远传播距离超过21.4km，站点信号下行时隙将落在本地站点的上行时隙，形成大气波导干扰，同时根据传播距离不同，干扰影响位置有一定程度的差异。

图2 大气波导干扰示意

干扰在时域上呈现明显的斜坡特征，其中时域上的干扰特征可以作为大气波导干扰判决的根据。

1.3 波导干扰范围

大气波导广泛分布于中国东部等平原地区，具体包括华北/中/东平原、江汉平原、东北平原、海南岛沿岸、渤海湾沿岸。其中华北/中/东平原最严重。江苏地区中，扬州、徐州、淮安、盐城、连云港、泰州、无锡、苏州、南通为干扰严重区域。

图3 大气波导时频域干扰范围示意

2 波导干扰溯源

根据干扰范围判断，影响省内的通常是跨市甚至是跨省的干扰，需要通过协同优化解决，因此波导干扰溯源尤为重要。

波导干扰溯源工作厂家建议在DWPTS 上采用特征序列方式进行唯一标识，通过3/7 子帧分别发送不同特征序列拼接，在源侧通过3/4/7/8 四个子帧上行符号的检测，实现干扰源的准确定位。

在特殊时隙，DWPTS 不用于下行数据传输的情况下，发送特征序列无明显影响；在特殊时隙，，DWPTS 用于下行输出传输下，特殊序列会占用约6bit 资源，影响正常业务。

因此波导溯源工作建议集团公司统一分配全国特征需求，仅在波导干扰期间开启数轮干扰溯源分析，确保干扰溯源结果可靠性。

图4 干扰源检测示意

3 波导干扰抑制

结合波导强度和TDD 干扰特征，建议波导干扰抑制从时域、频域、空域及无线参数优化几个维度实施。

3.1 时域方案

波导干扰从原理上说是因为GP 长度不够导致的超远干扰，为了规避TDD 网络系统内干扰问题，从时域角度可以通过修改子帧配比和特殊时隙配比增加GP 长度，从而实现近距离干扰消除。

表2 NR 特殊时隙配比

5G规范的特殊时隙配比中包括大气波导特殊时隙配比，但要求NR 子帧配比中必须包括连续2 个或2 个以上特殊时隙。TDD 要求时域对齐，当前全国联通网络的子帧配比均已统一规范为7:3，自行修改子帧配比会造成严重的系统内干扰。同时，修改小区子帧配比需进行去激活或激活操作，影响范围较大，因此不建议进行子帧配比的修改和配置大气波导特殊时隙配比。

在协议范围和厂家现有配置允许下，基于现网30kHz 带宽及7:3 子帧配比，可以将特殊时隙配比由10:2:2 修改为6:6:2，通过牺牲特殊子帧下行业务效能，在不影响UL 符号的同时，增加GP 长度，保护距离由原有21.4km 增加200%达到64.2km，基本可以消除60km 内波导干扰。

3.2 频域方案

波导干扰从原理上说仍属于同频干扰，在不需要进行大带宽业务的区域，可以考虑通过频域优化执行干扰抑制。建议通过主要干扰源小区的识别，针对少量站点进行缩频处理。如存在地市间稳定的、大面积的波导干扰，需协调地市公司错频组网，多地协作实施，降低干扰影响的程度。

3.3 空域方案

从发生条件来说，波导干扰一般发生在大气较稳定的晴好天气，此时底层大气存在逆温层，湿度随高度递减，即在越低的场景下电磁波越不容易进行波导传播。除在建设期间关注超高站外，在干扰发生期间也可以从空域进行干扰抑制，基于5G 设备相关特性，可通过后台调整，收缩广播波束的垂直波瓣角，增加天线电下倾等方式，抑制上波瓣进入波导层传播。

3.4 无线参数优化

波导干扰对用户影响与一般干扰相同，均为基站侧底噪增高，导致出现接入和业务丢包问题，可以通过无线参数进行系列优化，保障用户基础感知，主要分为下面三种。

接入感知：通过抬升PUCCH 标称P0 值、PUSCH 标称P0 值、Msg3 功率偏置等相关参数，拒绝远端用户接入，避免出现信号无法上网的情况。

语音感知：在现有网络情况下，语音通过VoLTE 承载在4G，因此波导干扰不影响现有语音感知。在VONR 的情况下，建议通过基于上行质量的算法让语音切换至4G 进行承载。

数据感知：建议通过基于上行质量的算法，将中远点用户数据业务在4G 上进行承载。

在TDD 干扰特别严重的情况下，建议关闭锚点，临时采用4G 网络进行全网数据和语音业务地承载。

4 波导干扰防范自动化

波导干扰防范自动化需要三个阶段分布进行，干扰监控和抑制方案实时采用机器人和几种指令平台形式，全自动化执行，实现波导干扰的快速发现、高效抑制。

图5 大气波导干扰防范自动化阶段

第一个阶段：干扰发现。依赖江苏联通自主研发的摇光机器人以及指令平台，通过小区级干扰抬升情况、是否有区域性及符号级干扰情况、是否有斜坡特征判断干扰类型、是否为大气波导，来确认干扰影响程度和范围，确定本次干扰影响级别。

第二个阶段：干扰抑制。本阶段区分客户层面安抚及优化层面抑制，依托摇光机器人推送波导干扰信息至省内各部门，由客服准备应答口径和主动安抚手段。同时依托省内指令平台，根据不同的干扰级别，下发干扰抑制方案。

第三个阶段：方案回退。根据摇光机器人的监控成果，省内大气波导干扰消除后进行相关干扰回退措施，保证用户相关感知。

5 总结

大气波导干扰作为TDD 特有干扰，在NSA 组网和5G初期不会出现明显影响，但在SA 组网及5G 成熟期将成为影响用户感知的重要因素。目前江苏联通在大气波导干扰方面已经率先实现应对方案研究和干扰抑制能力预埋。随着5G 商用进程的发展，我们应持续关注波导干扰对用户的影响，协同省内外深入进行波导抑制消除的研究，不断提升联通5G 网络竞争力。