趙洪鋒，王超，秘俊杰

(1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司，石家莊 050021； 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)大氣波導(dǎo)干擾研究

趙洪鋒1，王超2，秘俊杰2

(1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司，石家莊 050021； 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

本文分析了大氣波導(dǎo)干擾的原因及規(guī)律，研究了對(duì)TD-LTE系統(tǒng)帶來(lái)的影響，探討了通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化以降低大氣波導(dǎo)干擾的方法，提出了規(guī)劃建設(shè)方案，進(jìn)而從根本上解決大氣波導(dǎo)帶來(lái)的影響。

大氣波導(dǎo)；TD-LTE；干擾；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；異頻

1 引言

在一定的氣象條件下，位于大氣邊界層尤其是在近地層傳播的電磁波，受大氣折射的影響，其傳播軌跡彎向地面，當(dāng)曲率超過(guò)地球表面曲率時(shí)，電磁波部分會(huì)被限制在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，就像電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導(dǎo)傳播，如圖1所示。

在TDD系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端基站的下行信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)超遠(yuǎn)距離的傳播時(shí)延后，可以干擾到本地基站的上行信號(hào)接收，因?yàn)榛镜陌l(fā)射信號(hào)功率很高，但是手機(jī)信號(hào)因?yàn)榘l(fā)射功率低，到達(dá)本地基站的接收機(jī)時(shí)信號(hào)較弱，容易被其他基站的信號(hào)淹沒(méi)，這種情況通常發(fā)生在遠(yuǎn)端信號(hào)利用大氣波導(dǎo)傳播到本地時(shí)[1，2]。分析大氣波導(dǎo)干擾原因及規(guī)律，研究解決大氣波導(dǎo)干擾方案成為本文研究的重點(diǎn)。

圖1 大氣波導(dǎo)傳播示意圖

2 大氣波導(dǎo)干擾影響分析

TDD無(wú)線通信系統(tǒng)中，在某種特定的氣候、地形、環(huán)境條件下，遠(yuǎn)端基站下行時(shí)隙傳輸距離超過(guò)TDD系統(tǒng)上下行保護(hù)時(shí)隙的保護(hù)距離，干擾到了本地基站上行時(shí)隙，即TDD系統(tǒng)特有的“遠(yuǎn)距離同頻干擾”。此類干擾較為普遍，且可能會(huì)對(duì)本地基站的上行用戶隨機(jī)接入時(shí)隙以及上行業(yè)務(wù)時(shí)隙造成干擾，從而影響用戶上行隨機(jī)接入、切換過(guò)程以及上行業(yè)務(wù)時(shí)隙。

TD-LTE系統(tǒng)，大氣波導(dǎo)干擾形成的主要原因?yàn)榇髿獠▽?dǎo)的環(huán)境中，超遠(yuǎn)距離同頻信號(hào)所造成的TDD的交叉時(shí)隙干擾。大氣波導(dǎo)環(huán)境中，傳播損耗比較小，TD-LTE下行信號(hào)的傳輸時(shí)延超出了配置的保護(hù)間隔GP，如圖2所示。

2.1 大氣波導(dǎo)干擾規(guī)律分析

正常大氣層上冷下熱，信號(hào)直接在地平線折射到外太空。但是大氣波導(dǎo)在大氣層上熱下冷時(shí)發(fā)生，下層大氣折射率變高，從而使信號(hào)能量留在大氣層內(nèi)，經(jīng)過(guò)折射傳播到地面區(qū)域。大氣波導(dǎo)干擾存在如下一些規(guī)律。

季節(jié)因素：夏秋容易發(fā)生；靜態(tài)穩(wěn)定（沒(méi)有風(fēng)浪）的天氣更容易發(fā)生。

時(shí)間因素：太陽(yáng)落山時(shí)，大氣層上熱下冷；起霧（帶狀）且有太陽(yáng)時(shí)（上熱下冷），一般太陽(yáng)升也會(huì)發(fā)生，隨后干擾逐漸消失。

地區(qū)因素：海邊或大面積水面邊上。海邊太陽(yáng)落上時(shí)，濕冷空氣吹向陸地，陸地降溫更快，空氣密度下高上低，下冷上熱。同理，太陽(yáng)升起時(shí)，上層空氣升溫更快。

地形因素：海面或平原利于傳播，起伏陸地或山地阻擋傳播的區(qū)域。

距離因素：UHF頻段100 MHz左右可以傳輸?shù)? 600 km，但是一般是1 300 km；TD-LTE所用頻段傳輸衰耗高，將明顯小于以上傳輸距離，但仍舊存在較遠(yuǎn)距離的信號(hào)干擾。

波長(zhǎng)因素：波長(zhǎng)太長(zhǎng)，不容易發(fā)生，900 MHz以上更易發(fā)生（發(fā)生可能性跟波長(zhǎng)成反比）。

河北作為沿海大省，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)受到大氣波導(dǎo)干擾的影響，尤其沿海城市，大氣波導(dǎo)干擾較為嚴(yán)重。如圖3所示，經(jīng)過(guò)對(duì)上行平均干擾電平進(jìn)行分析，得到全省大氣波導(dǎo)影響分布情況?？梢钥闯龃髿獠▽?dǎo)干擾嚴(yán)重區(qū)域主要分布在沿海平原地區(qū)的農(nóng)村以及建筑物稀少的郊區(qū)，無(wú)遮擋物，一望無(wú)際的區(qū)域。

圖3 大氣波導(dǎo)干擾渲染示意圖

2.2 對(duì)TD-LTE上行鏈路的影響

大氣波導(dǎo)干擾主要對(duì)TD-LTE上行鏈路有較大影響，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 對(duì) PRACH 的影響

如果PRACH 位于特殊子幀的UpPTS上， 將容易遭受到強(qiáng)干擾，而位于普通上行子幀，被干擾的概率和程度將降低。因此，為了減少大氣波導(dǎo)干擾，現(xiàn)網(wǎng)PRACH盡量位于在普通上行子幀上。

2.2.2 對(duì) PUSCH的影響

如果PUSCH被干擾，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收失敗和重傳，盡管不會(huì)阻塞全部的數(shù)據(jù)傳輸，但依然會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率，增加時(shí)延，也會(huì)降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道的覆蓋水平。如果上行控制信息在PUSCH上傳輸并因干擾導(dǎo)致丟失，將會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響。

2.2.3 對(duì) PUCCH 的影響

如果PUCCH被干擾，將導(dǎo)致ACK消息丟失進(jìn)而造成不必要的下行數(shù)據(jù)重傳。還將導(dǎo)致CSI消息丟失，從而影響鏈路適配和預(yù)編碼選擇的性能。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，大氣波導(dǎo)干擾時(shí)間存在一定規(guī)律。如圖4所示，某沿海城市，高干擾小區(qū)的上行干擾時(shí)間分布情況。大氣波導(dǎo)干擾開(kāi)始抬升時(shí)間在每天18：00，在第二天9：00減弱，一般在晴朗有風(fēng)的時(shí)候容易出現(xiàn)，地面因輻射冷卻而降溫，與地面接近的氣層冷卻降溫最強(qiáng)烈，而上層的空氣冷卻降溫緩慢，因此使低層大氣產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，在此種情況下最容易形成大氣波導(dǎo)。此時(shí)特殊子幀(UpPTS)的底噪在相應(yīng)時(shí)段也會(huì)同步抬升，說(shuō)明該時(shí)段主要為大氣波導(dǎo)的影響。

干擾每次出現(xiàn)維持的時(shí)長(zhǎng)不同，強(qiáng)度不同；干擾不是每天都出現(xiàn)，出現(xiàn)頻次無(wú)規(guī)律；每次干擾出現(xiàn)時(shí)針對(duì)個(gè)體小區(qū)不一定出現(xiàn)干擾；從這些特征看大氣波導(dǎo)受天氣原因影響，波導(dǎo)的強(qiáng)度、波導(dǎo)的厚度、波導(dǎo)出現(xiàn)時(shí)間不具有固定性。

3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決方案

雖然大氣波導(dǎo)干擾存在一些規(guī)律，但在具體發(fā)生時(shí)段和區(qū)域仍會(huì)有較大不確定性和差異性?？紤]到大氣波導(dǎo)干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的不利影響，需制定優(yōu)化方案以盡量減小負(fù)面影響，保證用戶感知?，F(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方法主要從工參優(yōu)化、特殊時(shí)隙優(yōu)化、差異化上行功控等方面展開(kāi)。

3.1 工參優(yōu)化

通過(guò)調(diào)整基站天線傾角，可雙向受益，發(fā)射干擾基站通過(guò)壓低傾角可抑制干擾，盡量減少干擾信號(hào)傳播，而被干擾基站通過(guò)壓低傾角，減少覆蓋范圍，提升覆蓋范圍信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而減少被干擾程度。

圖4 某沿海城市大氣波導(dǎo)干擾分析

3.2 特殊時(shí)隙優(yōu)化

TD-LTE采用TDD雙工方式，發(fā)送和接收信號(hào)在相同的頻帶內(nèi)，上下行信號(hào)通過(guò)在不同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)3GPP 36.211，特殊子幀長(zhǎng)為 ，包括下行時(shí)隙（DwPTS）、保護(hù)間隔（GP）、上行時(shí)隙（UpPTS）。其中保護(hù)間隔（GP）為上下行之間提供保護(hù)，避免上下行之間出現(xiàn)“交叉干擾”[3]。通過(guò)計(jì)算相鄰GP間的時(shí)間間隔，推算基站覆蓋距離進(jìn)而得到保護(hù)距離如表1所示。

表1 不同特殊子幀配置下的保護(hù)距離

考慮到TD LTE網(wǎng)絡(luò)大氣波導(dǎo)干擾形成的主要原因?yàn)榇髿獠▽?dǎo)的環(huán)境中，超遠(yuǎn)距離同頻信號(hào)所造成的TDD的交叉時(shí)隙干擾。通過(guò)將特殊子幀配置為3：9：2，使得上下行間保護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)，從而規(guī)避來(lái)自186.8 km內(nèi)的大氣波導(dǎo)干擾。但是，但是可能還存在相鄰省份的干擾，并且由于大氣波導(dǎo)干擾時(shí)間和干擾范圍的不確定性，人工設(shè)置特殊子幀將造成較大工作量且準(zhǔn)確性不高，需通過(guò)自動(dòng)配置參數(shù)工具，可以一定程度抵抗大氣波導(dǎo)干擾的影響，但對(duì)于強(qiáng)干擾依然無(wú)法全部消除。

圖5 上/下行業(yè)務(wù)改善情況

3.3 差異化上行功控功能

考慮到TD-LTE為上行鏈路受限系統(tǒng)，考慮增大上行部分路損補(bǔ)償系數(shù)，提升上行鏈路性能。通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)在UpPTS信號(hào)電平，設(shè)置小區(qū)級(jí)參數(shù)高于干擾標(biāo)記閾值，以此標(biāo)識(shí)檢測(cè)到大氣波干擾，判斷是否存在大氣波導(dǎo)干擾，進(jìn)而自動(dòng)檢測(cè)大氣波導(dǎo)干擾并分析大氣波導(dǎo)干擾小區(qū)。當(dāng)檢測(cè)到大氣波導(dǎo)干擾較嚴(yán)重時(shí)，設(shè)置基于SINR的算法，干擾足夠高，負(fù)荷足夠低，可配置小區(qū)級(jí)負(fù)荷和干擾門限。在達(dá)到一定門限時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行干擾區(qū)域站點(diǎn)的參數(shù)優(yōu)化，尤其是優(yōu)化上行功控參數(shù)以及啟動(dòng)增強(qiáng)解調(diào)方案，可以改善干擾的影響及保證網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶體驗(yàn)。

3.4 測(cè)試驗(yàn)證

在某市大氣波導(dǎo)干擾區(qū)域，通過(guò)工參優(yōu)化、打開(kāi)動(dòng)態(tài)調(diào)整特殊子幀配比的功能、差異化上行功控功能后 ，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能有明顯改善。如圖5所示，參數(shù)修改方案實(shí)現(xiàn)后，可以看到優(yōu)化方案對(duì)指標(biāo)和用戶感知有所改善，干擾強(qiáng)度相近時(shí)上行、下行流量指標(biāo)有所改善。此外，方案實(shí)現(xiàn)區(qū)域，干擾強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，4G投訴量也有所下降。

4 規(guī)劃建設(shè)解決方案

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)往往采用同頻組網(wǎng)方式，雖然網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能夠降低大氣波導(dǎo)帶來(lái)的干擾影響，但無(wú)法從根本上規(guī)避系統(tǒng)本身的缺陷。通過(guò)TD-LTE異頻組網(wǎng)或規(guī)劃建設(shè)LTE FDD，規(guī)避大氣波導(dǎo)干擾，以滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要。

4.1 TD-LTE異頻組網(wǎng)方案

考慮到廣大縣城、農(nóng)村區(qū)域的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)以F頻段為主，作為遠(yuǎn)距離干擾源概率相對(duì)較大。而TDLTE D頻段網(wǎng)絡(luò)主要位于市區(qū)，基站天線下傾角較大，不易產(chǎn)生干擾，并且市區(qū)相對(duì)縣城、農(nóng)村面積較小，作為遠(yuǎn)距離干擾源概率相對(duì)較小。同時(shí)，考慮到D頻段頻譜資源豐富，可以采用異頻組網(wǎng)解決方案，尤其是沿海干擾嚴(yán)重區(qū)域優(yōu)先引入D頻段基站抵抗大氣波導(dǎo)干擾。如圖6所示，D頻段頻率復(fù)用示意圖。

圖6 D頻段頻率復(fù)用示意圖

4.2 LTE FDD規(guī)劃建設(shè)方案

在政策允許的條件下，考慮到LTE FDD系統(tǒng)自身對(duì)大氣波導(dǎo)干擾規(guī)避能力，可以在現(xiàn)網(wǎng)站址上共址建設(shè)LTE FDD網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充由于大氣波導(dǎo)干擾造成的TDLTE網(wǎng)絡(luò)性能的缺失。同時(shí)，考慮到投資效益，可以從用戶數(shù)、流量、干擾電平、干擾時(shí)長(zhǎng)等多個(gè)維度，遴選大氣波導(dǎo)干擾嚴(yán)重的區(qū)域，優(yōu)先規(guī)劃建設(shè)LTE FDD網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示，某城市LTE FDD試驗(yàn)基站情況，在TD-LTE大氣波導(dǎo)產(chǎn)生時(shí)間段，共站址建設(shè)的LTE FDD基站信號(hào)底噪一直處于較低水平?？梢钥闯鯨TE FDD系統(tǒng)由于上下行頻段分開(kāi)，基本不受大氣波導(dǎo)干擾影響。同時(shí)，LTE FDD網(wǎng)絡(luò)也將為網(wǎng)絡(luò)分流和業(yè)務(wù)增長(zhǎng)提供新的動(dòng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)一般采用同頻組網(wǎng)方式，能夠獲得較高的頻譜效率，但由于TDD系統(tǒng)自身不足，容易受到大氣波導(dǎo)干擾，嚴(yán)重?fù)p害了網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量。本文通過(guò)分析大氣波導(dǎo)干擾產(chǎn)生原因及規(guī)律，研究大氣波導(dǎo)干擾對(duì)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的影響，提出了現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案和規(guī)劃建設(shè)方案，以解決大氣波導(dǎo)干擾問(wèn)題，希望為今后網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用提供借鑒。此解決方案和方法已在現(xiàn)網(wǎng)中得到初步驗(yàn)真，但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。同時(shí)，如果政策上獲得支持，也將為解決大氣波導(dǎo)干擾獲得更多應(yīng)用方案。

圖7 大氣波導(dǎo)干擾基站分析

[1] 劉寧. LTE網(wǎng)絡(luò)大氣波導(dǎo)干擾的成因分析及防治措施[J]. 山東通信技術(shù)，2015(6).

[2] 王迪， 張麗杰.大氣波導(dǎo)對(duì)LTE系統(tǒng)內(nèi)的遠(yuǎn)端同頻干擾分析[J].通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用， 2016(10).

[3] 3GPP TS 36.211. Physical channels and modulation (Release 12)[S].2014.

Research on atmospheric duct interference for TD-LTE net-works

ZHAO Hong-feng1, WANG Chao2, BI Jun-jie2
(1 China Mobile Group Hebei Co., Ltd., Shijiazhuang 050021, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.Hebei Branch, Shijiazhuang 050000, China)

This paper analyzes the causes and regularity of atmospheric duct interference, and study the in fluence of TDLTE system, discusses the methods to reduce the atmospheric interference by the network optimization,put forward the construction scheme, which can fundamentally solve the influence brought by the atmospheric duct.

atmospheric duct; TD-LTE; interference; network optimization; different frequency

TN929.5

A

1008-5599（2017）09-0084-05

2017-07-05