5G大气波导干扰形成条件及其规避方法研究

赵飞龙

（中国移动通信集团海南有限公司，海口 570000）

引 言

根据文献[1]的探空资料，我国低空大气波导影响的无线电波范围很广，极限频率主要集中在30 MHz～5 GHz，对L波段、S波段和C波段的无线电系统的影响尤为显著. 我国的大气波导分布范围也很广，部分地区年均表面波导发生率超过30%[2]. 文献[3]研究表明我国近海大气波导与季风气候密切相关，夏季时渤海、黄海、东海沿岸海域大气波导明显增多；台湾海峡与台湾东南毗邻海域是波导常年发生最频繁的海区. 文献[4-6]研究表明夏季陆地高压和西太平洋副热带高压在我国华北平原上空对峙，雨后近地层又冷又湿的下层大气易形成蒸发波导. 我国5G主要采用时分双工（time division duplex, TDD）制式，信号收发工作在同一频段，远端的下行信号经过大气波导极小路径损耗的传播落在近段上行信号的工作时隙上，造成了TDD网络特有的交叉时隙干扰[7]. 我国5G主要工作频段为2.6 GHz和3.5 GHz，且大气波导分布广泛，因此大气波导将形成较为显著的5G网内干扰.

大气波导造成的远端干扰已经引起广泛的重视，在3GPP 无线接入网技术规范组(RAN TSG)第80次会议上同意在R16版本中新增 “NR的远端干扰管理(remote interference management, RIM)研究”条目，并已输出相应的技术报告[8]. 但气象和通信学科交叉的研究比较少，国外一直以来主要使用频分双工( frequency division duplexing, FDD)制式的通信网络，对TDD制式的网络问题不够重视，可供参考的文献比较有限. 本文总结了公众移动通信系统发射的电磁波形成大气波导的充要条件及其形成的远端信号干扰，提出一种基于精准施扰基站发现和精准俯仰角自动调整的干扰消除方法. 本文的研究成果有助于引发学界对气象和通信学科交叉的重视，一方面通过加强对气象学的研究来提升通信系统的性能，另一方面也可以利用通信系统的测量来代替部分气象要素的探测.

1 我国大气波导特点及形成条件

文献[9]将大气波导分为蒸发波导、表面波导和抬升波导三种类型.

大气波导参数如图1所示，其中Z为地表（或平均海平面）以上的高度，单位m；M(M单位)为大气修正折射率；ha为 陷获层顶高度；ho为陷获层底高度；hb为 基础层底高度；D为 波导厚度；d1为陷获层厚度；d2为 基础层厚度； ∆M为波导强度.

图1 大气波导基本参数Fig. 1 Basic parameters of atmospheric ducts

根据文献[9]，形成大气波导并能使路径弯向地面需要同时满足4个条件：

1）近地层或边界层某一高度处必须存在逆温层，即 dM/dZ＜0的大气层.

2）电磁波发射源必须位于大气波导层内，即大于ho小 于ha. 因此，影响我国的大气波导主要是表面波导和蒸发波导. 不同类型大气波导的形成气象条件和典型高度如表1所示.

表1 不同类型大气波导的形成气象条件和典型高度Tab. 1 Typical heights and meteorological conditions of atmospheric ducts

3）电磁波的波长必须小于最大陷获波长λmax(单位m).

我国主要地区的大气修正折射率随高度的变化率 dM/dZ为−0.04～−0.07，平均厚度为100 m，最小陷获频率fmin集中在0.45～0.6 GHz.

4）电磁波的发射仰角必须小于某一临界仰角 φmax.

式中： φmax为 最 大临 界仰 角；θ为 垂 直 波束 宽度. 我国境内发射临界仰角主要集中在0～0.8°.

2 5G基站规避大气波导的方法

2.1 5G大气波导干扰

为充分利用大规模阵列天线技术带来的空分复用能力，目前主要的5G无线通信系统都采用TDD制式. 信号收发工作在同一频段，将一个无线帧分隔为多个子帧，上下行在指定的子帧上传输.为防止基站的下行信号落在相邻基站的上行子帧，3GPP利用特殊子帧设计了保护周期(protection period, GP)来规避网内强下行信号对弱上行信号的干扰.

5G电磁波频率高于0.5 GHz，基站高度通常为35 m，位于蒸发波导和表面波导中，5G采用了大规模阵列天线技术，垂直波瓣宽度达30°，因此在我国相当广的地域5G电磁波极易满足大气波导形成的4个条件，如图2（a）所示. 当大气波导发生时，远端基站的下行信号在大气波导中经过长距离的低损耗传播，到达近端基站时，传播时长超过了GP，且信号强度仍较高，将对上行信号形成较大的干扰，见图2（b）. 由于同频信号传播的互易性，近端基站的下行信号也会对远端基站的上行信号造成干扰. 该问题在4G的LTE-TDD网络中已普遍存在[7,12].

图2 5G大气波导干扰形成原理Fig. 2 Atmospheric ducts interference in 5G system

2.2 3GPP相关规范

为解决由于大气波导带来的大型通信网络内部的自干扰和跨国干扰问题，3GPP TR 38.866[7]为这种RIM定义了集中式和分布式的协调框架. 即利用特殊子帧中的下行导频时隙DwPTS发送特征序列及其参考信号(reference signals, RS)，当基站在上行导频时隙UpPTS和上行子帧上检测到特征序列，就可以准确判断发生了大气波导干扰. 近端通过延迟上行发射或通过操作管理维护(operational administrative and maintenance, OAM) 系统来间接降低远端的发射功率或提前结束上行发射来克服大气波导干扰.

3GPP TR 38.866[8]为解决大气波导引发的远端干扰提供并建议了多种候选方案，包括4种参考信号及相应的特征序列编码10种有秩指示(rank indication, RI)检测算法2种ID映射方案. 详细内容请见文献[8].

2.3 大气波导规避方法

根据大气波导干扰形成的原理，可以采用的规避方法有：

1)扩大上下行转换的时间长度使下行信号不落在上行信号时隙中，采用具有更大GP值的特殊子帧配置，但GP值最大取值为12个符号（约为128 km），而典型的抬升波导传播距离可达300 km，因此该方法对超过128 km的大气波导干扰将会失效.

2)降低远端发射信号功率使其长距离传播到近端时低于近端上行信号的功率则会降低对近端的干扰. 由于该方法会降低远端基站的覆盖能力，因此较少得到实际应用.

3)利用大规模阵列天线的波束定向接收特性，在干扰强的方向上衰减接收到的信号或丢弃信号的受干扰部分. 这会影响近端上行的容量，且需要对基站接收做相对复杂的改变.

4)减小垂直波瓣宽度并降低天线仰角使其低于最大临界仰角，使其不满足大气波导的产生条件. 实际应用中可以结合增加下倾角和关闭垂直面波束，将垂直波瓣从30°减小为15°或8°.

3 基于大规模阵列天线权值的精准俯仰角调整的RIM方案

3.1 基本实现思路

3GPP TR38.866未给出明确的干扰规避方案，上述1至3种规避方案也较为常见并存在较大的缺陷，方法4也常在实际工程中使用，但多以人工非自动化的方式来实施. 本文提出一种利用5G的大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)阵列天线技术来实现一种集中式的自动RIM方法(图3). 当近端检测到远端施扰基站后，向OAM报告相应事件；OAM通过受扰基站位置的温度、大气压、水汽压、基站距离、基站高度等信息来得到最大临界仰角，并向施扰基站发送新的天线图样和权值，来动态改变天线的下倾角和发射波束排列，从而实现降低大气波导干扰的目的.

该方法的核心是OAM根据施扰基站报告的RI事件向双方基站提供RI消除方案，具有较好的实时性、精确性并具备可自动化实现，也克服了基于调整GP值方案的局限性.

图3 基于权值的天线电子俯仰角的集中式自动RIM方法Fig. 3 Centralized automatic RIM method for antenna parameter of electronic angle of pitch

1）基于精准定位的大气波导来计算精确的施扰基站天线俯仰角

根据文献[13-14]，计算电磁波的传播损耗LP.

式 中：A是 距离l0的路损；γ 是路 损 因 子；l0是 超 视 距范围是阴影衰落；∆h=ht−hr，ht和hr分 别 是 发 射 机 和 接 收 机 的 高 度，单 位 m；δ是陷获层厚度，单位m；f是电磁波频率，单位MHz；r是大气修正折射率随高度的变化率，单位M 单位/m；X、Y和Z均为服从标准正态分布的高斯随机变量；W服从Weibull分布；其余系数为常量，需要根据实际测量进行校正.

将式(4)改写为

OAM通过大数据分析，待定得到 δ 和r.

当确定大气波导发生时，可以基于射线追踪模型[15-16]计算大气波导的相关参数，即

大气波导的厚度愈厚或大气波导的强度愈强，可形成波导传播的电磁波发射角度范围的上限愈大，则传播距离越短. 根据两个基站之间的距离可以得到最大的临界仰角，并以此来动态调整天线的俯仰角.

2）基于5G大规模天线阵列的权值来实现远程操纵下天线俯仰角

天线俯仰角θ=θm+θe，包括固定的机械俯仰角θm和 可调的电子俯仰角θe两部分，入射角φ=φ−θm−θe，天线安装后φ和θm为固定值，调整电子俯仰角度θe可 改变入射角 φ使其不大于最大临界仰角φmax就可以抑制波导的发生，如图4(a)所示. 电子俯仰角为等相位波面与法线形成的夹角，如图4(b)所示，为比较典型的线性等间距阵列天线. 当改变阵列天线阵子的馈电相位时，天线的主波束指向就会偏离法线.

图4 信号相位与到达角Fig. 4 Signal phase and angle of arrival

根据文献[17]，智能天线的相位权值Z与电子俯仰角 θe间的关系由式(8)表述，通过调整相位权值，可以实现对 θe的调整.

式中：n为半波阵子数；θd=45◦为极化方向.

3）方法可行性分析

根据气象探空资料再结合式(2)可以获得天线最小俯仰角，这样处置的缺点有两个：天线俯仰角设置过大影响基站覆盖范围；探空资料过于粗糙（时间粒度粗，全天仅四个采样；空间粒度粗，低空间隔1 hpa≈8.2 m）获得的计算结果不能用做精细调控.

基站每个无线帧(周期为10 ms)会对施扰基站的接收功率进行测量，测量精度为1 dB，在基站上做平滑处理，上报周期为15 min. OAM基于强大的电信云计算能力的支撑，可以在1 min之内输出电子俯仰角调整方案，相比于大气波导通常历时超过6 h[18]，具备较好的实时性，并且可以只对施扰和受扰基站对做调整，避免过度调整.

3.2 实验分析

琼州海峡、北部湾和南海是我国大气波导的高发区，2019年9月29日20点发生了大面积的大气波导现象，波导层的波导强度ΔM=3.14～12.38，为表面波导和抬升波导的混合结构，离地高度分布在0～100 m的广大区域内，其大气剖面图如图5(a)所示. 在琼州海峡南岸的NR-TDD网络中观测到了较为严重的大气波导干扰，且受扰基站主要分布在沿海区域，如图6(b)所示.

图5 大气剖面与下倾角分布Fig. 5 Atmospheric profile and downtilt DF

基于本文的方案，对被扰基站进行下倾角下压计算，区域内1026个基站的波束上包络与水平面夹角分布如图5(b)所示. 可以看到过半的基站未受到干扰不需要做下倾角调整，而需要调整的基站则基本上需要保证波束上包络与水平面夹角不大于1°. 得益于5G Massive MIMO技术的应用，0.1°的俯仰角调整能够被支持.

图6 不同情况的干扰电平地理分布Fig. 6 Geographical distribution of interference

为量化分析俯仰角调整后的大气波导干扰的优化情况，基于文献[2,19]的参数，采用PETool提供的大气波导传播损耗模型[20-21]，采用华为NPS通信仿真软件，对中国移动的5G网络（具体网络参数见表2）进行干扰仿真. 大气波导发生时采用不同的俯仰角进行干扰计算，结果如图6所示. 从图6可以直观地看到，增加电子俯仰角后，入射角减小受扰基站数量明显减少，与无大气波导干扰时基本相当，仍存在的一些干扰为NR-TDD网络自身的同频干扰.

表2 5G网络主要参数Tab. 2 5G radio network main parameter

图7为不同情况下的电平和信干噪比(signal to interference noise ratio, SINR)累积分布函数(cumulative distribution function, CDF). 从图7(a)可以看到增加电子俯仰角后，天线俯仰角加大导致低参考信号接收功率(reference signal receiving power，RSRP)的采样点比例有所增加，网络覆盖有所下降，但同时从图7(b)也能看出网络的SINR与无干扰时相当接近，比未优化前提升了10～15%，平均SINR提高了5～6 dB，干扰优化效果较为突出.

在大气干扰较强的时段，网络上行平均信噪比(即5G取同步信道块中参考信号的信噪比，简写为SSB-RS SINR)下降了18.8%，由此引发下行平均速率下降16.2%和上行平均速率下降21.5%. 通过精准计算需要下压的下倾角，SSB-RS RSRP覆盖好点(≥− 85 dBm)下降了0.6%，覆盖差点(＜−110 dBm)基本不变，覆盖中点增加了0.6%，但上行平均SSBRS SINR却仅下降了4.69%. 即通过电子俯仰角可以在尽量降低对覆盖影响的情况下，最大程度弱化大气波导带来的干扰.

图7 不同情况下的电平和SINR CDF分布Fig. 7 Level and SINR CDF distribution

为避免实施中因数据奇点导致异常下倾角的出现，可采用式(2)计算的最大临界仰角进行上限约束. 由于5G大规模阵列天线的特性，实际上也可以采用调整天线图样的方式来减小广播波束垂直宽度，在机械下倾角不变的前提下减小发射仰角，即使不满足电磁波在大气结层中做波导传输的条件下，也能降低远端干扰.

4 结 论

我国是大气波导的高发区，地面视距无线通信和雷达探测等无线电系统都会受到影响，开展相关研究对于降低无线通信干扰，消除探空雷达超折射回波，提高超视距远程监听能力及加强无线电管理都有相当重要的意义.

本文全面阐述了影响我国5G通信系统的大气波导的特征，有助于更好理解5G远端干扰形成的地理位置和气象条件. 进一步论证了下压天线俯仰角是解决大气波导干扰的最有效手段，并给出了具体的俯仰角计算方法和一种适用于集中化自动处理的系统框架. 基于该方法对大气波导高发的琼州海峡、北部湾和南海区域干扰仿真的结果表明，在保证本区域5G网络覆盖的能力同时，也显著降低了大气波导带来的大尺度5G网内干扰.