許國平（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京100033）

1 大氣波導(dǎo)的成因

大氣波導(dǎo)干擾實(shí)際上是遠(yuǎn)距離同頻干擾，即在特定的氣候、地形及溫度環(huán)境下，電磁波能量在大氣波導(dǎo)層結(jié)中的傳播損耗衰減極小，對(duì)遠(yuǎn)端接收機(jī)所造成的干擾。大氣波導(dǎo)現(xiàn)象使雷達(dá)有可能觀測到數(shù)倍于正常探測距離處的目標(biāo)，但是對(duì)于TD-LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)來說，則會(huì)造成較強(qiáng)的同頻干擾。

從原理和實(shí)踐情況看，大氣波導(dǎo)干擾不會(huì)對(duì)FDD制式的2G、3G、4G系統(tǒng)產(chǎn)生影響，主要影響TDD系統(tǒng)。TDD系統(tǒng)干擾形成的主要原因是施擾基站的下行信號(hào)傳輸超出了受擾基站上行信號(hào)的保護(hù)時(shí)隙，從而影響到受擾基站的上行接收，如圖1所示。多個(gè)干擾源的信號(hào)在受擾基站信號(hào)疊加還會(huì)造成干擾電平增強(qiáng)。大氣波導(dǎo)干擾傳播距離甚至可以超過200 km，可能對(duì)TDD系統(tǒng)產(chǎn)生大面積干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將底噪抬升至-95 dBm，影響RRC建立成功率、eRAB建立成功率、VoLTE接通率、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)掉線率、VoLTE掉話率、切換成功率等KPI指標(biāo)。

2 大氣波導(dǎo)干擾的類型

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，影響移動(dòng)通信系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾的成因主要分為2種類型，海面蒸發(fā)波導(dǎo)與內(nèi)陸表面波導(dǎo)。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾形成原因

2.1 海面蒸發(fā)波導(dǎo)

沿海地（市）主要受海面蒸發(fā)波導(dǎo)的影響。圖2給出了處于環(huán)渤海區(qū)域的城市A和城市B所受到的該類型大氣波導(dǎo)干擾的時(shí)間變化趨勢：出現(xiàn)早，消退慢，持續(xù)時(shí)間長，全天均有可能存在。從前期實(shí)踐情況看，該類型干擾主要集中在環(huán)渤海區(qū)域和瓊州海峽周邊區(qū)域。

圖2 海面蒸發(fā)波導(dǎo)影響規(guī)律

圖3 內(nèi)陸表面波導(dǎo)影響規(guī)律

2.2 內(nèi)陸表面波導(dǎo)

內(nèi)陸地（市）主要受陸地表面波導(dǎo)影響。圖3給出了處于內(nèi)陸區(qū)域的城市C和城市D所受的該類型大氣波導(dǎo)干擾的時(shí)間變化趨勢：出現(xiàn)快，消失快（夜間發(fā)生，早上08：00—09：00快速消失），干擾持續(xù)時(shí)間短，干擾范圍大，干擾源范圍廣，幅度變化大。

3 大氣波導(dǎo)干擾的特征和識(shí)別

大氣波導(dǎo)干擾問題影響范圍廣，具有跨廠家、跨本地網(wǎng)、跨省的特點(diǎn)。

3.1 空間特性

受擾基站一般連片集中同時(shí)出現(xiàn)，而普通的系統(tǒng)內(nèi)外干擾往往是獨(dú)立的、離散化分布的。

從宏觀角度看，大氣波導(dǎo)干擾主要發(fā)生在華北/中/東平原、江漢平原、東北平原、海南島沿岸、渤海灣沿岸。發(fā)生的場景一般屬于平原農(nóng)村或建筑物稀少的郊區(qū)和沿海地區(qū)。

從微觀角度看，一般情況下，大氣波導(dǎo)干擾具有明顯的方向性，如圖4所示，大氣波導(dǎo)的干擾源來自西南方向。

3.2 頻域特性

受擾基站的全部或大部分PRB的底噪同時(shí)抬升，而且空閑PRB的干擾強(qiáng)度與非空閑PRB相差不大。由于施擾基站主同步信號(hào)（PSS）及輔同步信號(hào)（SSS）的影響，受擾基站中間的PRB所受干擾可能較為嚴(yán)重。

3.3 時(shí)域特性

隨著時(shí)間的變化，受干擾的區(qū)域和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。干擾多在凌晨出現(xiàn)，白天減弱并消失。從物理層的符號(hào)級(jí)別分析，雖然被干擾的符號(hào)數(shù)量不固定，每符號(hào)上的干擾大小不一致，但是大體上呈現(xiàn)遞減趨勢（見圖5）。由于初期的技術(shù)方案無法直接識(shí)別施擾基站，只能結(jié)合受擾基站的方向估算干擾源大致位置。

圖4 大氣波導(dǎo)干擾的方向性

圖5 大氣波導(dǎo)干擾隨符號(hào)時(shí)序遞減趨勢

4 大氣波導(dǎo)對(duì)5G NR的影響分析

3.5 GHz NR類似TD-LTE系統(tǒng)，同樣也是TDD收發(fā)雙工、同頻組網(wǎng)、上下行頻率完全一致，“上下行收發(fā)轉(zhuǎn)換”通過特殊時(shí)隙的GP進(jìn)行隔離。從原理上看，5G NR也可能會(huì)出現(xiàn)與TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)類似的大氣波導(dǎo)干擾問題。

基于TD-LTE系統(tǒng)和5G NR系統(tǒng)的各自特性來分析，二者的大氣波導(dǎo)問題還可能存在以下聯(lián)系和區(qū)別。

4.1 地形的影響

根據(jù)前期TD-LTE部署經(jīng)驗(yàn)，大氣波導(dǎo)干擾主要發(fā)生在平原農(nóng)村或建筑物稀少的郊區(qū)和沿海地區(qū)，城區(qū)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的大氣波導(dǎo)干擾。起初大氣波導(dǎo)干擾主要發(fā)生在1.9 GHz頻段，即該時(shí)期郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域TD-LTE業(yè)務(wù)的主要承載頻段。后來隨著2.6 GHz頻段在郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域的擴(kuò)容，逐漸發(fā)現(xiàn)了該頻段的大氣波導(dǎo)干擾現(xiàn)象。

預(yù)計(jì)中國聯(lián)通3.5 GHz的5G NR初期主要部署在城區(qū)，這時(shí)3.5 GHz頻段上發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾的條件可以類比2.6 GHz頻段上的TD-LTE系統(tǒng)，出現(xiàn)嚴(yán)重大氣波導(dǎo)干擾的可能性小。若中后期無人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用，會(huì)要求基站波束上仰發(fā)射，此時(shí)城區(qū)3.5 GHz NR連續(xù)部署造成大氣波導(dǎo)干擾的可能性會(huì)有所增加。

4.2 頻率的影響

大氣波導(dǎo)的信號(hào)傳播發(fā)生在大氣的對(duì)流層，損耗非常小，不能用自由空間傳播模型來評(píng)估（不同于自由空間的20倍對(duì)數(shù)距離）。因此，根據(jù)3.5 GHz頻段比1.9 GHz頻段損耗大5.3 dB，得出5G NR比TD-LTE發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾的概率小的結(jié)論并不嚴(yán)謹(jǐn)。

4.3 Massive MIMO技術(shù)的影響

TD-LTE的小區(qū)參考信號(hào)（CRS）是全頻譜、全時(shí)隙發(fā)射，接近10%的RE占用，而且使用的是寬垂直面的廣播波束，下行持續(xù)發(fā)射的CRS是造成大氣波導(dǎo)周期內(nèi)持續(xù)存在的一個(gè)主要因素。從前期友商的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，受擾基站更換高增益天線之后，在大氣波導(dǎo)干擾期間，相比普通天線對(duì)于大氣波導(dǎo)的抑制性能可提升2~3 dB。5G NR的關(guān)鍵技術(shù)包括Massive MIMO，該技術(shù)相對(duì)于普通天線來說，具有波束窄、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，其信噪比性能優(yōu)于普通天線。NR的大部分業(yè)務(wù)信道有明確的波束賦型（垂直波瓣非常窄），上仰角的概率低（除了特殊場景應(yīng)用）；而廣播信道雖然有較寬的垂直波瓣，但是發(fā)射的頻域和時(shí)域占比較小。因此從天線角度考慮，5G NR抑制大氣波導(dǎo)的條件較好，但是還有待后續(xù)天線功能的實(shí)現(xiàn)、完善，以及現(xiàn)網(wǎng)的效果驗(yàn)證。

4.4 幀格式的影響

4.4.1 干擾距離推算和GP的最大保護(hù)距離

針對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)問題，友商在多省同步采取了調(diào)整特殊時(shí)隙的方案，即通過擴(kuò)大GP保護(hù)符號(hào)、規(guī)避干擾。將多省的特殊時(shí)隙由9∶3∶2同步調(diào)整為3∶9∶2后，大氣波導(dǎo)遠(yuǎn)端干擾發(fā)生頻次和強(qiáng)度明顯降低。

TDD系統(tǒng)的被干擾符號(hào)數(shù)和干擾距離（施擾站和受擾站之間的距離）計(jì)算公式如下：

干擾距離=T×c=［（被干擾的符號(hào)數(shù)/14）/1 000］×3×108/1 000（km）

式中：

T——被干擾的符號(hào)數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)長

c——光速

如果被干擾的符號(hào)正好位于GP范圍之內(nèi)，那么系統(tǒng)的上行信號(hào)傳輸就不會(huì)受到干擾，因此GP的最大長度代表了系統(tǒng)此時(shí)最大的保護(hù)距離。如TD-LTE系統(tǒng)特殊時(shí)隙配比為3∶9∶2時(shí)，GP最大保護(hù)距離=［（9/14）/1 000］×3×108/1 000=192.9 km，即TD-LTE系統(tǒng)在該時(shí)隙配比條件下，對(duì)大氣波導(dǎo)的最大保護(hù)距離為192.9 km。

5G NR和TD-LTE的干擾距離計(jì)算方法以及一定時(shí)隙配比條件下GP的最大保護(hù)距離計(jì)算方法一致，唯一的差別是TD-LTE的時(shí)隙是1 ms，而5G NR的時(shí)隙采用0.5 ms（本文以5G采取30 kHz子載波帶寬配置為例，在其他子載波帶寬配置條件下，時(shí)隙要做相應(yīng)的調(diào)整），所以相同時(shí)隙配比情況下，5G NR的最大保護(hù)距離減半。表1給出了TD-LTE系統(tǒng)和NR系統(tǒng)被干擾的符號(hào)數(shù)與干擾距離的關(guān)系。

表1 被干擾符號(hào)數(shù)與干擾距離的關(guān)系

4.4.2 5G NR幀結(jié)構(gòu)的考慮

對(duì)于5G NR，特殊時(shí)隙配比與2.5 ms單和2.5 ms雙等幀格式?jīng)]有特別的關(guān)系，2種幀格式可供選擇的特殊時(shí)隙配比是一樣的。從前述內(nèi)容可以得到，5G NR中GP的每個(gè)符號(hào)可以提供的干擾保護(hù)距離是10.7 km，那么就容易得到每一種時(shí)隙配比條件下GP的最大保護(hù)距離，例如選擇10∶2∶2的時(shí)隙配比，GP占用2個(gè)符號(hào)，可以規(guī)避最大21 km距離的大氣波導(dǎo)干擾；而6∶4∶4的時(shí)隙配比，可以規(guī)避最大約42 km的大氣波導(dǎo)干擾。

系統(tǒng)能夠檢測到的最大干擾距離大于GP的最大保護(hù)距離，這是因?yàn)槿绻髿獠▽?dǎo)干擾超越GP的保護(hù)影響到后續(xù)的上行符號(hào)時(shí)，系統(tǒng)一樣可以進(jìn)行干擾距離的檢測。就這一點(diǎn)而言，2.5 ms單雙周期的配置是有區(qū)別的，2.5 ms雙的第2個(gè)周期上行的時(shí)隙較多，因此能夠在更多的上行符號(hào)上檢測到更遠(yuǎn)距離的干擾信號(hào)，即能夠識(shí)別更遠(yuǎn)的施擾基站。例如，在6∶4∶4的時(shí)隙配比下，2.5 ms雙的第1周期共22個(gè)符號(hào)可以檢測遠(yuǎn)端235 km以內(nèi)施擾基站，第2個(gè)周期36個(gè)符號(hào)可以檢測遠(yuǎn)端380 km以內(nèi)施擾站點(diǎn)。

5 5G NR大氣波導(dǎo)干擾的應(yīng)對(duì)措施

5.1 5G NR大氣波導(dǎo)干擾消除的技術(shù)框架

為了將大氣波導(dǎo)干擾消除功能改進(jìn)為自適應(yīng)的過程，減少人工排查，3GPP正在針對(duì)5G NR開展基于參考信號(hào)的大氣波導(dǎo)遠(yuǎn)端干擾檢測與規(guī)避的研究工作（3GPP TR 38.866 V16.1.0）。3GPP預(yù)計(jì)于2020年的R16凍結(jié)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前待討論的問題包括參考信號(hào)設(shè)計(jì)、頻分發(fā)送、沖突解決、帶寬部分重疊解決等。

3GPP所設(shè)計(jì)的架構(gòu)分為集中式和分布式2種，集中式架構(gòu)依賴于發(fā)揮統(tǒng)一調(diào)度作用的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，能夠收集施擾和受擾基站的信息。在大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生并實(shí)施正確的干擾規(guī)避策略。分布式架構(gòu)下，施擾和受擾基站兩兩之間直接交互信息，實(shí)施既定的干擾規(guī)避算法。所設(shè)計(jì)的技術(shù)框架主要為以下3種。

a）Framework-0。它是一種集中式的架構(gòu)。該架構(gòu)需要統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)（OAM）進(jìn)行調(diào)度，基站檢測到大氣波導(dǎo)干擾后，可以周期性上報(bào)大氣波導(dǎo)干擾檢測結(jié)果信息，遠(yuǎn)端干擾規(guī)避完全由OAM配置決定。該種方案系統(tǒng)建設(shè)和調(diào)度復(fù)雜，時(shí)間上難以滿足現(xiàn)網(wǎng)大氣波導(dǎo)干擾高度動(dòng)態(tài)的處理要求。

b）Framework-1（見圖6）。它是一種基于基站之間空口信號(hào)傳輸而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾規(guī)避的框架，結(jié)構(gòu)較為簡單。受擾和施擾基站之間能夠交互的信息有限，但是由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)的要求比較低，目前看是較好的選擇。Framework-1與友商TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)的方案較為相似，根據(jù)之前現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證結(jié)果，能夠滿足現(xiàn)網(wǎng)要求。

c）Framework-2.1。它是一種空口和Backhaul混合的自適應(yīng)規(guī)避干擾框架，需要Backhaul傳遞施擾站和受擾站信息，對(duì)Backhaul沖擊較大且協(xié)議需要增加基站與核心網(wǎng)之間的信令流程，預(yù)計(jì)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)改動(dòng)較大，方案實(shí)施的代價(jià)和難度較大，不推薦。Framework-2.2相比Framework-2.1，增加了受擾站的反饋機(jī)制，方案實(shí)施的代價(jià)和難度更大。

這3種方案是并列的，不需要同時(shí)支持，運(yùn)營商和廠商可以協(xié)商選擇一種架構(gòu)，從目前來看Framework-0更合適。

圖6 5G NR大氣波導(dǎo)干擾消除技術(shù)框架1（Framework-1）

5.2 5G NR大氣波導(dǎo)干擾消除技術(shù)方案

如前文所述，大氣波導(dǎo)受到氣候、地形等環(huán)境影響，有較大突發(fā)性和隨機(jī)性。大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，施擾基站和受擾基站需要進(jìn)行臨時(shí)優(yōu)化調(diào)整。隨著時(shí)間的變化，大氣波導(dǎo)效應(yīng)可能又逐漸消失，此時(shí)，系統(tǒng)必須能夠及時(shí)將相關(guān)調(diào)整恢復(fù)，確保系統(tǒng)的容量和效率。

友商的特殊時(shí)隙配比調(diào)整方案簡單且有效，結(jié)合精確定位施擾基站，及時(shí)調(diào)整時(shí)隙結(jié)構(gòu)，合理降低干擾，響應(yīng)速度快而且成本較低。但時(shí)隙調(diào)整后，下行容量會(huì)有一定損失，如特殊時(shí)隙配比可設(shè)為3∶9∶2，相比10∶2∶2時(shí)隙配比，下行容量損失約為16%。但該種方案實(shí)施時(shí)，受擾基站覆蓋范圍能夠保持不變，因此該方案適用于用戶負(fù)荷較少的廣域場景。

根據(jù)前文所述5G NR大氣波導(dǎo)問題的相關(guān)特征和5G的技術(shù)特性，解決該類型干擾問題的具體思路有以下幾種，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。

5.2.1 頻域方案

頻域調(diào)整方案實(shí)施較為簡單、成本低、反應(yīng)速度快?？梢栽谑_站和受擾站，或者兩端同時(shí)應(yīng)用。頻域方案一般不會(huì)影響覆蓋，但是對(duì)系統(tǒng)容量有影響。

a）受擾基站可以停止調(diào)度受到強(qiáng)烈干擾的RB，這個(gè)方法不需要修改技術(shù)規(guī)范。

b）基于受擾基站的測量反饋，施擾基站可以在產(chǎn)生干擾的頻帶上保持靜默。

c）施擾基站的下行和受擾基站的上行可靜態(tài)或者半靜態(tài)的配置為頻域正交，甚至直接考慮配置在不重疊的連續(xù)帶寬上。該種方法頻譜效率損失較大，目前5G是在3.5 GHz頻段上連續(xù)100 MHz部署，不利于實(shí)施分頻調(diào)度，一般不建議使用。

5.2.2 空域方案

空域方案可以在施擾、受擾或者兩端實(shí)施。

a）降低施擾基站天線高度，這是一種靜態(tài)方案，會(huì)犧牲覆蓋能力。

b）可以考慮在施擾端預(yù)定義若干種與干擾程度相關(guān)聯(lián)的天線下傾角下壓模式，施擾基站按照模式要求降低下傾角，這樣會(huì)犧牲覆蓋能力。該方案反應(yīng)速度快，但在電調(diào)天線可見可控的條件下才能實(shí)現(xiàn)，成本較高。而且只適用于用戶負(fù)荷較多，且距離基站較遠(yuǎn)用戶較少的場景。

c）在5G Massive MIMO技術(shù)體制下，施擾基站在鄰近GP的資源上調(diào)度干擾效應(yīng)最低的波束方向，可以通過大氣波導(dǎo)干擾的互易性來判斷哪些波束方向是合適的。受擾基站可以通過實(shí)施波束零陷或者波束選擇，壓制干擾。

5.2.3 時(shí)域方案

時(shí)域方案實(shí)施比較靈活，可以在施擾、受擾或者兩端實(shí)施。

a）施擾端停止調(diào)度產(chǎn)生干擾的下行符號(hào)，但是施擾端必須精確知道受擾端到底有多少符號(hào)受到了干擾。這對(duì)受擾端的信息反饋要求較高。

b）受擾端停止調(diào)度受到干擾的上行符號(hào)，這樣會(huì)降低上行吞吐量，但是這種方法不需要修改技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

c）施擾端和受擾端可以靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)調(diào)整上下行保護(hù)間隔的長度，規(guī)避干擾，而且這種設(shè)置往往需要同步調(diào)整施擾和受擾基站周圍若干基站的特殊子幀配比，主要是為了防止區(qū)域性的干擾。GP設(shè)置過長會(huì)導(dǎo)致大量基站的下行吞吐量受損。

5.2.4 功率域方案

功率域的技術(shù)方案可以考慮降低施擾基站的發(fā)射功率，或者提升受擾基站的上行發(fā)射功率。降低施擾基站在導(dǎo)致干擾的符號(hào)位置的下行發(fā)射功率，但是這樣會(huì)影響基站的覆蓋，而且是否真正減少了對(duì)受擾基站的影響還有待確認(rèn)。提高受擾基站終端發(fā)射功率的目的是提高解調(diào)信噪比，進(jìn)而改善解調(diào)性能，但會(huì)對(duì)鄰近基站產(chǎn)生干擾，抬升終端的功率消耗。

6 總結(jié)和建議

第5.2節(jié)所述的大部分技術(shù)手段并不需要3GPP層面的技術(shù)創(chuàng)新，基本上都是現(xiàn)有技術(shù)的靈活應(yīng)用。由于跨區(qū)域之間異廠家設(shè)備部署的可能性比較大，不論是哪一種架構(gòu)，異廠家設(shè)備的協(xié)同是必不可少的。因此中國聯(lián)通應(yīng)當(dāng)盡早對(duì)方案進(jìn)行研究和確定，在集采設(shè)備時(shí)做出統(tǒng)一規(guī)定，由主設(shè)備商具體實(shí)現(xiàn)，并支持免費(fèi)升級(jí)自適應(yīng)的大氣波干擾規(guī)避。

從方案實(shí)時(shí)性、復(fù)雜度、系統(tǒng)效率和干擾規(guī)避效果綜合考慮，有以下建議：當(dāng)大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，設(shè)備要有檢測干擾屬性、干擾程度和確定干擾源的能力，受擾站基于干擾功率特征初步判斷是否存在大氣波導(dǎo)干擾，若受擾，則開始在特殊時(shí)隙發(fā)送并檢測特征序列。按照干擾的嚴(yán)重程度和干擾的消除難度逐級(jí)提升規(guī)避技術(shù)的強(qiáng)度，在干擾規(guī)避效果和系統(tǒng)能力犧牲方面做到較好的平衡。

a）優(yōu)先考慮受擾側(cè)被動(dòng)規(guī)避緩解，但一般大氣波導(dǎo)干擾具有互易性，在必要時(shí)，啟動(dòng)施擾側(cè)和受擾側(cè)的聯(lián)合規(guī)避，比如在施擾和受擾側(cè)，從時(shí)頻兩域基于RB進(jìn)行調(diào)度規(guī)避。

b）如果上述規(guī)避效果不佳，可考慮在施擾側(cè)設(shè)置下行符號(hào)靜默進(jìn)行規(guī)避，還可考慮綜合應(yīng)用功率回退等其他技術(shù)方案。進(jìn)一步還可考慮在兩端同時(shí)調(diào)整時(shí)隙結(jié)構(gòu)。

c）施擾和受擾站（互易性情況下）連續(xù)一段時(shí)間檢測不到特征序列且干擾功率小于門限則認(rèn)為大氣波導(dǎo)消除，退出規(guī)避流程。