楊波

摘要：大氣波導(dǎo)是一種由于對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層次，在該層中超短電波形成超折傳播，使得大部分電磁波被限獲在這一層內(nèi)傳播的現(xiàn)象，發(fā)生大氣波導(dǎo)傳播以后，使TD-LTE網(wǎng)絡(luò)超出了TDD系統(tǒng)的上下行保護(hù)間隔致使產(chǎn)生遠(yuǎn)距離同頻干擾，造成用戶不能與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步，導(dǎo)致用戶注冊不成功或者用戶掉線，嚴(yán)重影響客戶感知，本文對大氣波導(dǎo)現(xiàn)象形成進(jìn)行了分析，以及對TD-LTE的干擾特性進(jìn)行說明，介紹了幾種規(guī)避方案，并進(jìn)行優(yōu)劣對比。

關(guān)鍵詞：大氣波導(dǎo)；超折射傳播；保護(hù)間隔；同頻干擾

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0018-03

1 引言

大氣折射受到溫度、大氣壓、濕度變化的影響，隨著一天內(nèi)時間的變化，當(dāng)溫度遞減遠(yuǎn)弱于標(biāo)準(zhǔn)大氣而濕度遞減遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)大氣的時候，位于大氣邊界層尤其是在近地層傳播的電磁波，會被限獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi)，其傳播軌跡彎向地面，就像電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，傳播損耗很小，實(shí)現(xiàn)超視距傳輸，這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導(dǎo)傳播。

近兩年來，隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營的不斷擴(kuò)大，大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象帶來的干擾造成對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行指標(biāo)惡化，嚴(yán)重時候使用戶無法接入或業(yè)務(wù)異常中斷，因此，解決TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾，是當(dāng)下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化討論的一個課題。本文介紹了大氣波導(dǎo)效應(yīng)的形成原因、分類、規(guī)律及其對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的影響，重點(diǎn)從緩解方面闡述了大氣波導(dǎo)的預(yù)防措施。

2 大氣波導(dǎo)形成

大氣是一種不均勻的介質(zhì)，無線電波在大氣層中傳播時，由于在其中的傳播速度變化而產(chǎn)生的效應(yīng)稱為大氣折射，它對通信、雷達(dá)定位、多普勒測速、導(dǎo)航都有影響。

大氣折射指數(shù)分布受到大氣壓強(qiáng)、溫度、水分含量、二氧化碳等其它成分含量的影響而不同，按照球面斯涅耳定律，射線在空間彎曲的方向和程度也有所不同，可分為正折射（P/R0>0）、負(fù)折射（P/R0<0）、標(biāo)準(zhǔn)折射（P/R0=4）和超折射（P/R0<1）（射線曲率半徑為P（彎向地面為正，背向地面為負(fù)），地球半徑為R0）。無線電波在對流層和下電離層（其電子密度小于電離層電子密度最大值）中傳播時通常產(chǎn)生正折射；而在上電離層中傳播時產(chǎn)生負(fù)折射；正折射和超折射會增加通信距離，負(fù)折射則會降低通信傳輸距離，其隨大氣折射率的傳播差異如圖1所示。

此時如果dN/dH<-0.157甚至越小，大氣就呈現(xiàn)出限獲折射條件，導(dǎo)致電磁波射線曲率遠(yuǎn)小于地球半徑，就會被限獲在大氣層內(nèi)，經(jīng)地面反射后再繼續(xù)向前傳播，周而復(fù)始地傳播一段距離，形成大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。

3 大氣波導(dǎo)的分類

對流層的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象通常分為三種：蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)。前者主要形成于海洋上空，后兩種陸地和海洋均有發(fā)生。

（1）蒸發(fā)波導(dǎo)：蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中常出現(xiàn)的一種特殊表面波導(dǎo)，它是由于海面水汽蒸發(fā)是近海面小范圍內(nèi)大氣濕度隨高度銳減而形成的。蒸發(fā)波導(dǎo)隨地理緯度、季節(jié)和一天內(nèi)的時間不同有關(guān)，通常發(fā)生在低緯度海域的夏季白天。

（2）抬升波導(dǎo)：懸空波導(dǎo)是指大氣層的下邊界處于懸空狀態(tài)，此時就會產(chǎn)生一個懸空大氣波導(dǎo)，通常發(fā)生于一個3000m的高度下。

（3）表面波導(dǎo)：表面波導(dǎo)發(fā)生于日常大氣環(huán)境中，比如在一個天氣晴好的穩(wěn)定環(huán)境中，底層大氣通常具有重要的穩(wěn)定逆溫層，此時這個逆溫層就會隨著濕度增加逐漸減少，發(fā)生表面波導(dǎo)，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，高度低于300米的邊界層大氣中容易發(fā)生表面波導(dǎo)。

目前對TD-LTE來說，產(chǎn)生干擾的主要原因是表面波導(dǎo)。形成該表面波導(dǎo)的氣候條件主要是低層大氣存在較穩(wěn)定的逆溫層，且濕度隨高度遞減；或者雨后造成近地層下層大氣又冷又濕的情況。

4 大氣波導(dǎo)傳播形成的基本條件

電磁波在大氣中傳播，當(dāng)遇到大氣波導(dǎo)現(xiàn)象時候不一定就能產(chǎn)生大氣波導(dǎo)傳播效應(yīng)，因?yàn)樵谔囟庀髼l件下產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)能否將大氣中傳播的電磁波捕獲到波導(dǎo)層中形成波導(dǎo)傳播，還取決于該電磁波的波長、發(fā)射源以及波導(dǎo)所處的相對位置以及發(fā)射源的發(fā)射角度等。

4.1 電磁波波長對產(chǎn)生大氣波導(dǎo)傳播的影響

按照對流層折射理論，要形成波導(dǎo)傳播，電磁波與相應(yīng)的頻率、波導(dǎo)厚度以及大氣折射指數(shù)M三者之間存在關(guān)系，對表面波導(dǎo)來說，假設(shè)大氣在地面的折射率為1，由地面發(fā)射的電磁波形成波導(dǎo)傳播的最大波長Ahmax與波導(dǎo)厚度d、大氣修正折射垂直梯度dM/dH之間的關(guān)系為：Ahmax=25*103*（-dM/dH）1/2*d3/2。

由此可以看出，大氣波導(dǎo)的厚度和強(qiáng)度越大，則形成波導(dǎo)傳播的波長上限越大，這時，當(dāng)波導(dǎo)厚度遠(yuǎn)大于波長時，才能形成波導(dǎo)傳播。

4.2 電磁波發(fā)射角對產(chǎn)生大氣波導(dǎo)傳播的影響

當(dāng)波長足夠短的時候，電磁波傳播可以用射線理論來近似。當(dāng)電磁波的入射俯仰角遠(yuǎn)大于穿透角的時候，就不會發(fā)生波導(dǎo)傳播，電磁波形成波導(dǎo)傳播的臨時角示意如圖2所示。

對于表面波導(dǎo)，如果電磁波發(fā)射源位于地面，并在波導(dǎo)頂處發(fā)生全反射，當(dāng)波導(dǎo)層內(nèi)厚度很薄時，發(fā)生全反射時發(fā)射源臨界俯仰角θc與波導(dǎo)強(qiáng)度、波導(dǎo)的厚度h的關(guān)系如下：

θc2=-2*106*h*（dM/dH）=2*106*（波導(dǎo)強(qiáng)度）

由此可以看出，當(dāng)波導(dǎo)強(qiáng)度和波導(dǎo)層的厚度越大，其對應(yīng)的電磁波全發(fā)射的角度的上限越大，顯而易見，如果當(dāng)發(fā)射仰角小于了該臨界角，則就會產(chǎn)生波導(dǎo)傳播。

4.3 大氣波導(dǎo)傳播形成的條件

綜上所述，要產(chǎn)生大氣波導(dǎo)傳播，必須遵循以下幾個條件才能實(shí)現(xiàn)。

（1）對流層中大氣空間一定滿足大氣波導(dǎo)存在的2個基本條件；（2）對流層中發(fā)生大氣波導(dǎo)的厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在其傳播電磁波的波長；（3）電磁波的發(fā)射仰角小于在波導(dǎo)層內(nèi)發(fā)生全反射時的角度。

5 大氣波導(dǎo)傳播干擾TD-LTE原因分析

由于TD-LTE系統(tǒng)采用時分雙工的工作方式，上行和下行頻率對稱，在TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)中，引入了特殊子幀的概念，特殊子幀分為下行時隙、上行時隙和保護(hù)間隔。保護(hù)間隔的目的就是為了TDD時分雙工系統(tǒng)的特殊設(shè)計，不傳送任何信號，避免在非設(shè)定的時隙中發(fā)送或接收信號。

由于傳輸時延的原因，當(dāng)發(fā)生波導(dǎo)傳播而引起基站超遠(yuǎn)距離傳輸時，遠(yuǎn)端基站的下行無線信號容易造成本端基站上行無線信號的干擾，也就是說，傳輸時延超出了配置的保護(hù)間隔GP，結(jié)果是遠(yuǎn)處基站的下行信號落到了近處基站的上行時隙范圍內(nèi)，造成TDD系統(tǒng)的交叉時隙干擾。

6 大氣波導(dǎo)傳播對TD-LTE系統(tǒng)的干擾特征

一般來說，由于海洋大氣環(huán)境的水平均勻性較好，容易形成大氣波導(dǎo)的天氣條件，因此大氣波導(dǎo)現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在海洋大氣環(huán)境中。在陸地上，由于受到地形的影響，大氣的水平均勻性經(jīng)常受到破壞，只有在平坦荒蕪地區(qū)或沙漠地區(qū)才會容易出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。

就目前TD-LTE受到干擾的區(qū)域來看，臨海的省份與與臨海省份毗鄰的省份都受到了不同程度的干擾，但是，受干擾的時長和強(qiáng)度不盡不同，主要是由于大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度、厚度、發(fā)生時間無明顯規(guī)律，隨機(jī)性較大造成，這對精確定位干擾源造成了很大的難度。

7 大氣波導(dǎo)傳播干擾優(yōu)化方案分析

大氣波導(dǎo)受到氣候、地形等環(huán)境影響，突發(fā)性和隨機(jī)性較大，目前確定干擾源的方法只能是通過網(wǎng)優(yōu)監(jiān)測，并沒有一個行之有效及時消除大氣波導(dǎo)干擾的方法，只能根據(jù)受干擾的情況，對干擾基站和受干擾基站進(jìn)行臨時優(yōu)化調(diào)整參數(shù)進(jìn)行避免；隨著時間的變化，大氣波導(dǎo)效應(yīng)又逐漸消失，此時，必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，將參數(shù)進(jìn)行恢復(fù)，具體的解決思路有以下幾種，需要根據(jù)基站所處的環(huán)境不同、業(yè)務(wù)量以及覆蓋情況進(jìn)行合理選擇。

（1）通過功率控制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：當(dāng)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)干擾時，提高UpPTS的功率。目的是提高解調(diào)信噪比，進(jìn)而提高解調(diào)性能。但是這樣做，相當(dāng)于提高了LTE總體的功率值，會不利于接收功率的均衡；再者，如果此時用戶處于小區(qū)邊緣，就會導(dǎo)致基站沒有功率提升的空間，這樣一來不但沒有起到規(guī)避大氣波導(dǎo)干擾的作用，反而會加重小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)ICIC的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步加劇小區(qū)間的干擾。

（2）調(diào)整上下行保護(hù)間隔的長度，規(guī)避干擾：TD-LTE中保護(hù)間隔GP保護(hù)間隔設(shè)置越大，交叉干擾越小，從而可以規(guī)避大氣波導(dǎo)效應(yīng)干擾，目前，TD-LTE系統(tǒng)中為了保證下行速率，特殊子幀配比多數(shù)為9：3：2，這個時候如果將特殊子幀配比修改為3：9：2，則可以將保護(hù)距離增加192.8公里，但是由于GP設(shè)置過長，不僅會對資源造成浪費(fèi)，也會對基站下行小區(qū)的峰值速率和小區(qū)容量造成影響，同時，由于波導(dǎo)干擾也會引起疊加干擾，要及時調(diào)整受干擾和受干擾周圍若干基站的特殊子幀配比，優(yōu)化工作量增加，也會周邊乃至相鄰業(yè)務(wù)區(qū)的基站性能產(chǎn)生影響。

（3）PRACH自適應(yīng)規(guī)避干擾：當(dāng)確定了受擾基站是受到遠(yuǎn)距離同頻干擾后，受擾基站PRACH自動改為非Format4格式，避免隨機(jī)接入受擾，使得上行性能損失較小，在遠(yuǎn)距離同頻干擾多發(fā)地區(qū)，也可以將PRACH信號固定在非UpPTS的上行時隙，將可能受擾基站的PRACH移到不會受到干擾的其他上行時隙（例如第2個上行時隙），以避免遠(yuǎn)距離同頻干擾的發(fā)生。

（4）LTE多頻組網(wǎng)，規(guī)避干擾：眾所周知，TDD系統(tǒng)的同頻組網(wǎng)和特殊子幀的配置是大氣波導(dǎo)干擾的主要原因，如果在干擾區(qū)域適當(dāng)采用20MHz和10MHz插花組網(wǎng)。既可以規(guī)避到頻干擾下的時隙交叉干擾，所以從根本上有助于問題解決。但是，這是一種理想情況，目前TD-LTE已經(jīng)大規(guī)模同頻組網(wǎng)運(yùn)營五年以來，是不可能隨便進(jìn)行調(diào)整的，不僅會增加網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的難度也可能會帶來很多問題。所以這個策略，需要謹(jǐn)慎使用，在現(xiàn)有情況下，不會貿(mào)然使用。

（5）調(diào)整天線的下傾角來規(guī)避干擾：這個策略是從本質(zhì)上對電磁波的入射角度進(jìn)行了改變，也就是說改變了形成超折射的輸入條件。但是大氣壓強(qiáng)、溫度和濕度等因素也會隨著環(huán)境的變化而變化，發(fā)生大氣波導(dǎo)的厚度也是隨之而變化，很難精確求得臨界角。除此之外，由于受到電磁波傳播環(huán)境的影響，我們只是根據(jù)自由空間下的傾角計算來粗略估算天線下傾角，當(dāng)出現(xiàn)波導(dǎo)傳播現(xiàn)象的時候，只能在日常優(yōu)化中進(jìn)行電調(diào)或手動加大發(fā)射角，并根據(jù)不同的結(jié)果再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路測來確保調(diào)整后的天線傾角不會對現(xiàn)有覆蓋造成弱覆蓋，相應(yīng)的人力成本投入勢必會增加，因此，這個方法只能是暫時得到了解決，卻容易產(chǎn)生覆蓋空洞而造成新的網(wǎng)絡(luò)問題。

（6）降低基站高度來規(guī)避干擾：根據(jù)大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的干擾原理可以看出，天線掛高對大氣波導(dǎo)干擾有一定的抑制作用，是一種看似十分合理的方案，但是，在目前4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入一站址難求的今天，降低天線掛高對增加網(wǎng)絡(luò)投資成本有很大的影響，因此，這種方法只能在那種廣大農(nóng)村區(qū)域，用戶量不大的情況下，適當(dāng)考慮使用，但是，并及時注意天線掛高變化后對覆蓋區(qū)域的變化，并及時做好網(wǎng)絡(luò)投訴問題處理。

（7）增加零限天線或替換高增益天線來規(guī)避干擾：為了規(guī)避波導(dǎo)傳播干擾，在接收端實(shí)施工程改造，設(shè)計一個專用的無線信號屏蔽罩，在數(shù)據(jù)垂直面上設(shè)置專業(yè)的屏蔽罩，這樣就可以為屏蔽罩增加一個“零限”天線，這個天線能夠利用3DMIMO中實(shí)現(xiàn)垂直的操作，更好的降低大氣波導(dǎo)為TD-LTE系統(tǒng)帶來的干擾。

除此之外，對干擾源進(jìn)行替換高增益天線，相對于普通天線來說，具有方向性更強(qiáng)、波束窄、信噪比增強(qiáng)等特點(diǎn)，其信噪比可提升6dBm，從而可降低大氣波導(dǎo)的干擾。

（8）引入FDD彌補(bǔ)大氣波導(dǎo)干擾帶來的影響：考慮到LTEFDD系統(tǒng)自身對大氣波導(dǎo)干擾規(guī)避能力，同時考慮到以上幾種規(guī)避措施并不是十分有效，建議TD-LTE運(yùn)營商積極探索FDD建設(shè)模式，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT建設(shè)力度，盡早實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，并加強(qiáng)與政府的協(xié)商，盡早給予FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)許可，充分利用現(xiàn)有站址資源，疊加FDDLTE網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充由于大氣波導(dǎo)干擾造成的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能的缺失，或者從業(yè)務(wù)量、大氣波導(dǎo)干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域優(yōu)先考慮FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，建成以后的FDDLTE網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)分流上也起到一定的作用。

8 結(jié)語

大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生于不同的時段和區(qū)域，受到季節(jié)氣候、土地資源、河流湖泊、山地丘陵等影響，大氣波導(dǎo)具有較強(qiáng)的不確定性和差異性，對TD-LTE通信具有許多的不利影響。本文針對大氣波導(dǎo)傳播產(chǎn)生的原理進(jìn)行分析，從TD-LTE幀結(jié)構(gòu)時隙以及工程角度提出了幾種規(guī)避干擾的方法，雖然并不能從根本上消除大氣波導(dǎo)干擾現(xiàn)象，但是對解決大氣波導(dǎo)干擾具有積極的意義，對提高TD-LTE運(yùn)營質(zhì)量有一定的幫助，同時，盡快獲得FDD牌照也是對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的一種彌補(bǔ)。

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