5G大气波导干扰分析及规避方法研究

汪汀岚，李行政，左怡民，张冬晨

（1. 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2. 中国移动通信集团有限公司，北京 100033）

0 引言

大气波导是一种特定的气象情况，海面上常发生的海市蜃楼现象就是大气波导超折射造成的光学效应[1-2]。当存在大气波导效应时，基站发射信号在大气波导层中发生超折射。超折射具有传播损耗低、作用距离远的特点，由于时分系统上下行同频，基站间上下行信号干扰问题主要通过上下行时隙保护间隔（guard period，GP）的设置实现，当存在大气波导效应时，远处基站下行信号在传播距离起过GP后仍有较强的功率，就会对近端处于上行接收时隙的基站造成严重同频干扰[3-4]。所以，在时分系统中，大气波导干扰呈现干扰范围广、程度强、随天气变化的特性。

基于上述背景，本文针对如何及时有效、准确地识别5G基站是否面临大气波导干扰问题开展研究工作，提炼了5G大气波导干扰波形识别算法。在试点地区，从多个维度研究受干扰小区规避调整方法及规避效果，提升受干扰时的5G网络质量。

1 5G大气波导干扰成因分析

1.1 5G保护距离及大气波导传播距离分析

目前，我国5G网络已商用，主要采用时分双工（time division duplexing，TDD）制式，并使用

2.6 GHz（2 515～2 675 MHz）、3.5 GHz（3 400～3 500 MHz）、4.9 GHz（4 800～4 900 MHz）等频段，以上频段易受波导影响，易形成波导传播的分米波（0.3～3 GHz）及厘米波（3～30 GHz）。因此，存在大气波导效应时，若基站发射信号在波导层中，当传播距离超过GP后，仍然存在较强的功率，将对远端基站造成大气波导干扰问题[5-8]。5G基站间大气波导干扰问题示意图如图1所示。

图1 5G基站间大气波导干扰问题示意图

在2020年3月冻结的3GPP Release 16（Rel-16）标准中，5G新空口（new radio，NR）采用10 ms帧长度，一个帧中含有10个子帧。目前，中国移动2.6 GHz频段5G网络采用8:2的下行与上行子帧配比方式，其中特殊子帧配置为6:4:4，这意味着GP有4个符号位的保护间隔[4]，2.6 GHz子帧及时隙配比示意图如图2所示。

图2 2.6 GHz子帧及时隙配比示意图

假定一个时隙时长为sT，保护间隔为DGP，此情况下Ts和DGP分别为：

对47 264个试验站点的传播距离进行统计分析后，发现存在物理距离超过400 km的干扰通路，干扰通路物理平均距离均值约为80 km，远超过保护间隔。试验站点物理距离均值统计见表1。

表1 试验站点物理距离均值统计（单位：km）

1.2 4G系统对5G系统的大气波导干扰分析

前期中国移动4G网络D频段主要使用2 575～2 615 MHz频段，在5G商用之后，2 515～2 615 MHz频段用于5G网络，2 615～2 675 MHz频段用于4G网络，但仍有部分D1（2 575～2 595 MHz）与D2（2 595～2 615 MHz）频段4G小区未退频，如高铁专网4G覆盖场景，D频段退频前后与5G频段重叠情况如图3所示。

图3 D频段退频前后与5G频段重叠情况

中国移动TD-LTE采用3:1的下行与上行配比，以及10:2:2特殊子帧配置。这意味着GP为2个正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符号位。此情况下保护间隔约为42 km，与5G目前GP的保护间隔一致，因此同样存在4G对5G的大气波导干扰问题。

2 5G大气波导识别定位

2.1 空域及时域特征

在发生5G大气波导的区域中，会出现受干扰小区数量激增的情况。随着大气波导效应的消除，受干扰小区数量回归正常水平。由于波导传输特性，平原及海面间易产生波导效应，郊区、农村、乡镇、底层居民区及高速公路更容易受大气波导影响。可以依据受干扰小区数量激增情况识别区域内是否发生大气波导及其影响程度[9-11]。

小区受大气波导干扰时，在受扰时隙上会产生斜坡特性。大气波导时隙受扰特性如图4所示，经研究，干扰源分布不同时会存在不同的斜坡特性[12-15]，内部区域多为“平滑式”，如图4（a）所示，沿海地市多为“陡降式”，如图4（b）所示。基于受扰小区斜坡特性可以进行小区级别是否受扰的监控。

图4 大气波导时隙受扰特性

2.2 频域特征及干扰波形识别

本文通过空域特征分析可在大尺度上判断区域是否发生大气波导干扰问题，通过时域特征判断小区是否受大气波导干扰影响。为了精准区别干扰原因是4G系统对5G系统影响，还是5G自系统大气波导干扰问题，需要借助受干扰小区频域特征进行分析。

2.2.1 4G干扰信号波形研究

中国移动TD-LTE采用15 kHz子载波间隔，1个RB在频率上含有12个连续的子载波。在频域相当于180 kHz时，20 MHz带宽共有100个RB，有效带宽为18 MHz时，存在2 MHz用于保护带宽（guard band，GB）及直流分量。实际频谱发射时，无法实现理论上的矩形波形，在有用信道带宽的两个边缘存在发射信号功率滚降，使用保护带宽可以避免有用信号间的互扰问题，本研究通过此原理实现4G对5G大气波导干扰波形的特征提炼及识别。3GPP标准中4G和5G参数要求见表2[16]。

表2 3GPP标准中4G和5G参数要求

当大气波导效应产生时，远距离4G D1、D2未清频基站会对5G系统造成大气波导干扰影响，干扰类型分为D1、D2、D1与D2，TD-LTE对5G系统干扰波形如图5所示。

图5 TD-LTE对5G系统干扰波形

（1）4G系统D1频段干扰

2.6 GHz频域公共参考点A（absolute frequency point A）为503 172，全局频率栅格间隔ΔF Global （granularity of the global frequency raster）为5，单边带的频域位置设为SSREF（single side resource element frequency）：

5G有效带宽下边界F下边及上边界F上边为：

在D1频段（2 575～2 595 MHz）20 MHz信道带宽下，4G有效带宽起始位置FD1下边为2 576 MHz，截止位置FD1上边为2 594 MHz。折算4G有效带宽所对应的5G物理资源块（physical RB，PRB）的起始位置 PRBstart（PRB编号由0起）与截止位置PRBstop为：

同理，D1对应的5G PRB数的范围约为[163,219]。D1干扰波形特征是4G有效带宽对应的PRB受扰底噪抬升明显，保护带宽对应PRB不易受干扰。基于此原理D1干扰识别算法描述如下。

· 干扰门限值为ITS；

· D1频段受扰PRB均值与未受扰PRB均值底噪差值 PR B差>1d B，PRB差=(PRB166～PRB217)均−[(PRB163～PRB165)均+(PRB218～PRB219)均]/2>1即>1 dB，且受扰PRB均值PRB均>IST；

· 通过PUCCH调用原理剔除5G网内干扰影响，要求满足(PRB166～PRB217)均−(PRB170～PRB165)均−AVR的绝对值<0.5 dB。

（2）4G系统D2频段干扰

D2频段（2 595～2 615 MHz）对应的5G PRB数范围约为[219,272]，4G有用信号带宽为2 596～2 614 MHz，折算5G PRB范围约为[221,272]。与D1干扰区别在于D2频段上边沿邻近4G有效带宽上边沿，则4G上边保护带宽在5G有效带宽中无法完全检测，基于此原理D2干扰识别算法描述如下。

· 干扰门限值为ITS；

· D2频段受扰PRB均值与未受扰PRB均值底 噪 差 值PRB差>1dB ，即PRB差=(PRB221～PRB272)均−PRB220>1 dB且受扰PRB均值 PRB均>IST；

· 通过PUCCH调用原理剔除5G网内干扰影响，要求满足(PRB221～PRB272)均−（PRB225～PRB269）均的绝对值< 0.5 dB。

（3）4G系统D1与D2共同干扰

大气波导受扰小区存在大量受多个干扰基站叠加影响的情况，当D1、D2频段同时受干扰时，存在以下两种情况。

· 同时满足D1及D2干扰识别特征。

· 由于受扰功率较大存在时域到频域的能量泄露，PRB220底噪也受到干扰抬升，此时D2干扰识别中施、受扰间差值特征不明显，识别时去除此条特征。

2.2.2 5G自系统大气波导干扰频域特征

（1）5G系统主同步信号干扰

5G系统同步信号和PBCH块（synchronization signal and PBCH block，SSB）频域占用240个子载波，即连续的20个PRB。此情况会导致整体底噪抬升，干扰识别算法描述如下。

· 干扰门限值为IST；

· D2频段受扰PRB均值与未受扰PRB均值底噪差值 PR B差>3d B ，即PRB差=(PRB0～PRB19)均−(PRB21～PRB22)均>3 dB，且受扰PRB均值 PRB均>IST；

· 大气波导为阻塞波形，为避免其他类型干扰影响，需要判定受扰PRB0~PRB19的方差 PRBσ2<0.3。

（2）5G系统SIB1消息干扰

由于主流5G设备厂商SIB1消息是在初始BWP中发送，发送位置占用前50个RB，由于此信息功率较强，可能会泄露部分能量导致PRB0～ P RB51整体底噪抬升，干扰识别算法描述如下。

· 干扰门限值为IST；

· D2频段受扰PRB均值与未受扰PRB均值底噪差值 PR B差>3d B ，即PRB差=(PRB0～PRB51)均−(PRB51～PRB53)均>3 dB，且受扰PRB均值 PRB均>IST；

· 大气波导是阻塞波形，为避免其他类型干扰影响，需判定受扰(PRB0～PRB19)的方差 PRBσ2<0.3。

（3）全频段干扰

全频段干扰在频域无明显波形特征，主要呈现全频段阻塞干扰的整体抬升形态。为此补充时域对比方案，识别算法描述如下。

· 由于大气波导通路同时影响4G与5G系统，利用已知4G大气波导天标记记录，统计5G无大气波导天的小时粒度干扰小区数均值标尺。

· 天粒度监控0:00—9:00、22:00—23:00小时级干扰小区数，当某地市小时级干扰小区数相对标尺增量超过100个，且干扰小区占相对标尺比例增加5%时，判定此小时存在大气波导干扰，标记小区信息表。

· 标记大气波导小时小区清单集，剔除同日未标记大气波导小区清单集，获得当天疑似发送大气波导小区列表。

3 5G大气波导规避方案

3.1 5G大气波导规避建议

通过15 min粒度底噪数据实时分析，获取地市干扰激增情况，当识别出受大气波导影响时，可以从时域、频率、空域、参数配置等方面进行受干扰小区的规避调整，及时缓解干扰影响。可根据严重程度，依次采用以下调整方案。

方案1开启设备厂商远端干扰管理（remote interference management，RIM）规避功能，使小区具备自适应规避大气波导干扰影响的能力。

方案2基于TDD信道传播的互易性，调整受扰小区特殊子帧配置至6:6:2，增加保护间隔至64.26 km[15,17]。

方案3暂时关断小区部分受干扰的上行符号，避免受干扰严重频段承载用户。

方案4增大受扰小区的电调下倾角，降低干扰影响[18-19]。

方案5将受干扰严重的小区进行暂时分流，待干扰情况缓解后再进行回调。

3.2 优化效果评估

根据2021年4—5月5G大气波导影响区域关联性分析，选择存在大气波导通路的7个地市中，19 953个基站共计59 971个小区作为规避方案的试验区域。在同年6—8月，对受大气波导干扰影响的小区进行规避方案应用。通过对比方案实施前后通路中小区性能指标的变化，研究规避方案的作用。同时，由于大气环境相同，4G与5G大气波导干扰整体情况具有趋同性。目前，4G系统已具备通过特征序列检测机制准确判断大气波导干扰通路及干扰影响强度的能力。所以，利用同区域4G大气波导影响程度标尺作为5G大气波导影响程度的参考，研究不同程度大气波导影响条件下5G规避方案的应用效果。

3.2.1 干扰指标评估

收集试验区域大气波导天中，5G受干扰小区占比与同覆盖区域4G受干扰小区的变化趋势对比，试验区大气波导发生日干扰小区占比趋势如图6所示，试验区域中，4G小区受大气波导影响呈上升趋势，5G小区在未应用规避措施前与4G趋势相同。应用规避措施后，5G受干扰小区占比上升趋势变缓。2021年7月初，随着规避方案应用范围的扩大，受影响情况得到极大缓解。

图6 试验区大气波导发生日干扰小区占比趋势

3.2.2 性能指标评估

收集试验区域大气波导天中，5G受干扰小区无线掉线率、无线接通率、无线切换成功率3项性能指标的变化趋势。试验区大气波导发生日性能指标趋势如图7所示，由图7（a）可以看出，试验区域中小区无线掉线率指标由规避措施前的2.43%提升至下降1.87%，降低了0.56个百分点。从图7（b）和图7（c）可以观察到，无线接通率及无线切换成功率指标无明显优化。

图7 试验区大气波导发生日性能指标趋势

经过试验区域情况评估，5G大气波导规避方案可以有效缓解大气波导对受扰小区的干扰影响，降低用户掉线率，减小对用户感知的影响。

4 结束语

5G系统大规模建设完成的同时，大气波导问题随之而来。本文针对5G大气波导的特性及波形特征进行了研究，提炼得到有效的识别方法，有助于快速、精准地定位5G大气波导发生时刻及受扰范围。通过规避方案实现受扰片区基站自适应调整，有效缓解5G大气波导大面积发生时的严重影响。后续将继续开展干扰源站点定位研究，进一步从根源改善大气波导发生时刻的干扰影响，同时均衡调整所带来的资源损失问题，以及开展预测研究，提前预防大气波导所导致的小区受扰问题。