宋心剛,李行政,趙志民,王硯
研究與開發(fā)
5G大氣波導(dǎo)干擾分析與測試
宋心剛1,李行政1,趙志民2,王硯1
(1. 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司,北京 100080; 2. 中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司,廣西 南寧 530022)
時分雙工(time division duplexing,TDD)組網(wǎng)的5G系統(tǒng)面臨大氣波導(dǎo)效應(yīng)造成的遠(yuǎn)端干擾問題。首先,介紹了中國移動2.6 GHz頻段5G系統(tǒng)面臨的大氣波導(dǎo)干擾風(fēng)險和現(xiàn)狀,總結(jié)了2.6 GHz頻段5G大氣波導(dǎo)干擾時頻域干擾特征;然后,對5G大氣波導(dǎo)干擾測試結(jié)果進(jìn)行了驗證分析,包括不同幀偏置、不同業(yè)務(wù)負(fù)載、施/受擾小區(qū)不同天線下傾角配置下的大氣波導(dǎo)干擾影響分析;最后,通過結(jié)果對比得出指導(dǎo)2.6 GHz頻段5G大氣波導(dǎo)優(yōu)化方案的建議。
2.6 GHz;5G;大氣波導(dǎo)干擾;幀偏置;業(yè)務(wù)負(fù)載;天線下傾角
目前我國5G商用已全面展開,5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大。2.6 GHz頻段作為中國移動5G室外覆蓋主要頻段,面臨的大氣波導(dǎo)干擾[1]風(fēng)險也愈發(fā)嚴(yán)重。大氣波導(dǎo)干擾是由“大氣波導(dǎo)效應(yīng)”導(dǎo)致的TDD制式網(wǎng)絡(luò)特有的系統(tǒng)內(nèi)干擾?!按髿獠▽?dǎo)效應(yīng)”是一種在特定氣象、地理條件下發(fā)生的自然現(xiàn)象。在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)折射曲率超過地球表面曲率時,電磁波部分會被陷獲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[2]。無線信號在大氣波導(dǎo)中傳播損耗可近似等于自由空間傳播損耗,形成超遠(yuǎn)距離傳播導(dǎo)致對遠(yuǎn)端同頻組網(wǎng)站點的干擾。
在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)時期就已開展對大氣波導(dǎo)干擾問題的研究。目前針對TD-LTE系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾問題,主要基于中國移動TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾定位與優(yōu)化平臺[2],通過上行符號監(jiān)測基站在特殊子幀下行符號中發(fā)送的20 bit特征序列識別和定位遠(yuǎn)端干擾源站點,實現(xiàn)大氣波導(dǎo)干擾通路的定位。然后根據(jù)站點參數(shù)、天面配置情況等對干擾源基站采取調(diào)整特殊時隙配比增大保護(hù)距離(由10:2:2調(diào)整為3:9:2)、降低小區(qū)特定參考信號(cell-specific reference signal,CRS)發(fā)射功率、壓降天線下傾角等方式抑制干擾。
在2.6 GHz頻段,5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期存在D1、D2頻段與TD-LTE系統(tǒng)同頻部署的問題,因此在發(fā)生大氣波導(dǎo)效應(yīng)時,5G站點可能同時面臨遠(yuǎn)端5G系統(tǒng)和4G系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾問題。目前在河南、江蘇、河北、廣西、上海等?。▍^(qū)市)已發(fā)現(xiàn)5G大氣波導(dǎo)干擾問題,需開展5G大氣波導(dǎo)干擾問題研究,探索5G大氣波導(dǎo)優(yōu)化方案,指導(dǎo)5G大氣波導(dǎo)干擾分析與優(yōu)化工作。
2.6 GHz頻段是中國移動TD-LTE系統(tǒng)的主要部署頻段之一,因此5G系統(tǒng)部署時需要考慮與TD-LTE系統(tǒng)的共存,避免交叉時隙干擾。目前中國移動5G子載波帶寬SCS配置為30 kHz,考慮與2.6 GHz頻段TD-LTE實現(xiàn)幀頭對齊,5G采用3 ms幀偏置,5 ms幀結(jié)構(gòu)上下行配置為2:8(DDDDD DDSUU),特殊時隙配置為6:4:4。中國移動5G子幀配置如圖1所示。
圖1 中國移動5G子幀配置
保護(hù)間隔(guard period,GP)長度占據(jù)4個正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)符號,每個OFDM符號持續(xù)時間為0.035 7 ms,按理論計算每個符號可提供的保護(hù)距離約為10.71 km,即特殊時隙配置為6:4:4時,GP可提供的保護(hù)距離為42.84 km[3]。而由于5G在6:4:4特殊子幀配置下無法提供足夠的保護(hù)距離,目前2.6 GHz頻段大氣波導(dǎo)干擾影響距離超過200 km,面臨大氣波導(dǎo)干擾影響。
通過對TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾問題的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生大氣波導(dǎo)效應(yīng)時,TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的干擾小區(qū)數(shù)量會在時間維度存在逐漸增加并在某個高峰時刻后突然大幅下降的特點,即TD-LTE網(wǎng)絡(luò)干擾小區(qū)數(shù)量會在發(fā)生大氣波導(dǎo)效應(yīng)時隨波導(dǎo)效應(yīng)影響范圍的擴(kuò)大而逐漸增多,直至達(dá)到大氣波導(dǎo)效應(yīng)的最高峰時刻,然后隨著大氣波導(dǎo)效應(yīng)的消失受擾小區(qū)大幅下降至平時正常干擾水平。此外,受大氣波導(dǎo)干擾影響的小區(qū)會在時域符號維度存在受干擾功率呈斜坡下降的干擾特征[2],即從上行導(dǎo)頻時隙(uplink pilot time slot,UpPTS)開始受干擾,直至上行子幀的最后一個符號干擾逐漸減弱。目前5G小區(qū)干擾分析基于網(wǎng)管PM數(shù)據(jù)的“小區(qū)RB上行平均干擾電平(PHY.ULMeanNL._PRB)”指標(biāo)分析,該指標(biāo)表征統(tǒng)計周期內(nèi)各PRB底噪的平均值[4]。5G小區(qū)的干擾門限為?107 dBm(物理資源塊級(physical resource block,PRB)),因此目前對5G大氣波導(dǎo)干擾的確定主要基于時間維度的干擾小區(qū)數(shù)量變化和符號級干擾功率變化趨勢。
目前多地上報發(fā)現(xiàn)5G大氣波導(dǎo)干擾問題。從時間維度看,發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾時,受擾小區(qū)數(shù)量急劇增加,呈現(xiàn)大面積受擾特點,與TD-LTE網(wǎng)絡(luò)大氣波導(dǎo)干擾時域特征一致。2021年2月某地市發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾時,5G受干擾小區(qū)數(shù)量變化趨勢如圖2所示,最多時新增338個受擾小區(qū),平均新增112個。5G受擾小區(qū)的數(shù)量隨著大氣波導(dǎo)效應(yīng)的形成而逐漸增加,隨著大氣波導(dǎo)效應(yīng)的消除而恢復(fù)正常干擾水平,具有非常明顯的時間特征。
從頻率域看,發(fā)生大氣波導(dǎo)效應(yīng)時,5G基站可能同時受到遠(yuǎn)端TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾和5G大氣波導(dǎo)干擾影響。5G大氣波導(dǎo)干擾頻域干擾特征如圖3所示(每條曲線代表一個受擾小區(qū)對應(yīng)的頻域干擾波形曲線)。
圖3(a)中,5G小區(qū)主要受到來自遠(yuǎn)端D1/D2頻段的TD-LTE系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾影響,干擾強(qiáng)度可達(dá)?90 dBm。D6頻段干擾底噪也有一定抬升,干擾強(qiáng)度相對較低,低于?101 dBm,說明遠(yuǎn)端存在少量中國聯(lián)通D6頻段TD-LTE的小區(qū)未退頻對5G形成大氣波導(dǎo)干擾影響。圖3(b)中,5G大氣波導(dǎo)干擾影響主要集中在工作頻段的前端,經(jīng)分析5G網(wǎng)絡(luò)同步廣播塊(synchronization signal/PBCH block,SSB)信號位置為6 312,轉(zhuǎn)換成對應(yīng)PRB為15~35個PRB,因此受到遠(yuǎn)端5G大氣波導(dǎo)干擾時頻域干擾的典型特征是對應(yīng)SSB信號位置干擾惡化,其強(qiáng)度比受到遠(yuǎn)端TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾影響稍弱,峰值在?100 dBm附近。對比分析4G/5G空口信號特征可知, 5G基站側(cè)取消了TD-LTE系統(tǒng)中持續(xù)發(fā)射的CRS信號,因此干擾源基站只在下行業(yè)務(wù)調(diào)度發(fā)送時才會對遠(yuǎn)端基站造成大氣波導(dǎo)干擾影響。此外5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也遠(yuǎn)小于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,因此單純的5G系統(tǒng)產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度低于TD-LTE系統(tǒng)產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度。圖3(c)則證明了5G基站可能同時受到遠(yuǎn)端5G大氣波導(dǎo)干擾和TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾。因此對于5G大氣波導(dǎo)干擾的分析,不僅要關(guān)注5G自身的大氣波導(dǎo)干擾影響,還需要關(guān)注未清頻的遠(yuǎn)端TD-LTE系統(tǒng)的干擾影響,持續(xù)推動相關(guān)頻段的TD-LTE系統(tǒng)退網(wǎng)清頻。
圖2 2021年2月某地市發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾時5G受干擾小區(qū)數(shù)量變化趨勢
圖3 5G大氣波導(dǎo)干擾頻域干擾特征
在沿海某市,選取相對孤立的未受到干擾的兩個5G NR小區(qū),兩小區(qū)站間距700 m,天面正對形成對打,且測試站點天面可滿足各種工程參數(shù)調(diào)整需求,兩小區(qū)未反開3D-MIMO 4G小區(qū),即兩小區(qū)只開通了5G網(wǎng)絡(luò),未開通4G網(wǎng)絡(luò)。測試過程中首先暫時關(guān)閉周邊D1/D2頻段的TD-LTE小區(qū),避免5G小區(qū)受到D頻TD-LTE干擾影響測試結(jié)果,并且將測試安排在晚上4G/5G用戶數(shù)較少的時段。
5G網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)配置見表1。
5G大氣波導(dǎo)干擾測試思路是通過調(diào)整兩個5G小區(qū)的相對幀偏置、業(yè)務(wù)負(fù)載、天線下傾角等配置,模擬測試不同距離、不同業(yè)務(wù)負(fù)載、施受擾小區(qū)不同天線下傾角配置時受到的大氣波導(dǎo)干擾影響,驗證5G NR基站受到大氣波導(dǎo)干擾時的時、頻域干擾特征,分析5G大氣波導(dǎo)干擾與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置的關(guān)系,為5G NR大氣波導(dǎo)干擾的識別、規(guī)避和優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。
表1 5G網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)配置
不同幀偏置下大氣波導(dǎo)干擾測試通過對干擾源小區(qū)的幀對齊時刻進(jìn)行不同符號數(shù)的遲滯,模擬5G大氣波導(dǎo)干擾效果,以掌握5G NR小區(qū)(空載)在不同幀偏置下即(模擬)5G NR小區(qū)受到不同距離的NR小區(qū)大氣波導(dǎo)干擾時的干擾影響程度和干擾時頻域特征。
不同幀偏置配置下的測試結(jié)果如圖4所示,在5G干擾源小區(qū)空載時,5G大氣波導(dǎo)干擾影響強(qiáng)度較低;但隨著滯后符號增多,受擾小區(qū)的底噪有一定抬升,說明隨著受到干擾的符號增多,5G大氣波導(dǎo)干擾影響逐漸增強(qiáng)。5G大氣波導(dǎo)干擾的頻域特征與遲滯符號數(shù)量無關(guān),與圖3(b)SSB信號對應(yīng)位置干擾惡化特征一致,即5G大氣波導(dǎo)干擾的頻域特征與遠(yuǎn)端5G小區(qū)的業(yè)務(wù)負(fù)載、頻域調(diào)度算法、SSB信號配置等因素相關(guān)。
圖4 不同幀偏置配置下的測試結(jié)果
不同業(yè)務(wù)負(fù)載配置下大氣波導(dǎo)干擾測試通過調(diào)整干擾源小區(qū)的加擾比例和幀偏置(遲滯符號數(shù)),模擬不同業(yè)務(wù)負(fù)載情況下的大氣波導(dǎo)干擾效果。不同業(yè)務(wù)負(fù)載配置下的測試結(jié)果如圖5所示,單個鄰區(qū)的業(yè)務(wù)加載對鄰區(qū)的干擾影響與未加載時的系統(tǒng)基礎(chǔ)底噪基本一致,干擾影響可忽略。當(dāng)發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾時,受擾端的干擾強(qiáng)度與干擾端小區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)載(加擾程度)正相關(guān),業(yè)務(wù)負(fù)載越重,大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度越大。當(dāng)干擾端業(yè)務(wù)負(fù)載較重時,受擾段的頻域干擾特征呈現(xiàn)出整體抬升的特點,說明5G大氣波導(dǎo)干擾頻域特征與遠(yuǎn)端5G小區(qū)的業(yè)務(wù)負(fù)載、頻域調(diào)度算法有關(guān)。
施擾小區(qū)不同天線下傾角配置下大氣波導(dǎo)干擾測試是通過調(diào)整遠(yuǎn)端干擾源小區(qū)的天線下傾角,模擬不同天線下傾角配置的干擾源小區(qū)產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)干擾效果,目的是掌握5G NR小區(qū)不同天線下傾角配置對大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度的影響,指導(dǎo)5G大氣波導(dǎo)干擾優(yōu)化。測試時施擾小區(qū)幀偏置相對受擾小區(qū)滯后12個符號時間(12×0.5/14 ms),且下行50%加擾。測試中,遠(yuǎn)端干擾源小區(qū)天線下傾角的修改通過后臺遠(yuǎn)程調(diào)整該小區(qū)電子下傾角。施擾小區(qū)不同天線下傾角配置下的測試結(jié)果如圖6所示,當(dāng)下傾角從0°調(diào)整為12°時,受擾小區(qū)的干擾強(qiáng)度均有一定程度的降低,說明壓降干擾端小區(qū)的天線下傾角對大氣波導(dǎo)干擾有一定抑制作用。但是從測試結(jié)果也可以看到,由于PRB255~PRB258受不明干擾,對測試結(jié)果有一定影響,建議后續(xù)測試采用現(xiàn)場調(diào)整天線物理下傾角的方式予以驗證。
圖5 不同業(yè)務(wù)負(fù)載配置下的測試結(jié)果
受擾小區(qū)不同天線下傾角配置下大氣波導(dǎo)干擾測試是通過調(diào)整受干擾小區(qū)的天線下傾角,模擬不同天線下傾角配置的受擾小區(qū)接收到的大氣波導(dǎo)干擾效果,目的是掌握5G NR小區(qū)不同天線下傾角配置對大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度的影響,指導(dǎo)5G大氣波導(dǎo)干擾優(yōu)化。測試時施擾小區(qū)幀偏置相對受擾小區(qū)滯后12個符號時間(12×0.5/14 ms),且下行50%加擾。
測試中,受擾小區(qū)的天線下傾角修改通過后臺遠(yuǎn)程調(diào)整該小區(qū)電子下傾角。受擾小區(qū)不同天線下傾角配置下的測試結(jié)果如圖7所示,當(dāng)下傾角從0°調(diào)整為9°時,受擾小區(qū)的干擾強(qiáng)度未有明顯變化;而當(dāng)下傾角調(diào)整為12°時,受擾小區(qū)的干擾強(qiáng)度有明顯下降,說明受擾端小區(qū)天線下傾角只有壓降到一定程度時才能降低遠(yuǎn)端大氣波導(dǎo)干擾影響。
圖6 施擾小區(qū)不同天線下傾角配置下的測試結(jié)果
圖7 受擾小區(qū)不同天線下傾角配置下的測試結(jié)果
由于5G系統(tǒng)在2.6 GHz頻段采用100 MHz帶寬部署,與現(xiàn)有TD-LTE系統(tǒng)有40 MHz頻率重疊,因此5G系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾不僅有遠(yuǎn)端5G系統(tǒng)的影響,同時也會受到遠(yuǎn)端未退頻TD-LTE系統(tǒng)的干擾。從已發(fā)生的5G大氣波導(dǎo)干擾案例來看,目前TD-LTE系統(tǒng)的部署規(guī)模大、業(yè)務(wù)負(fù)載高,因此發(fā)生大氣波導(dǎo)效應(yīng)時,遠(yuǎn)端D1/D2頻段TD-LTE系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度要高于遠(yuǎn)端5G系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度。而且D6頻段上還存在少量中國聯(lián)通TD-LTE系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾。因此需要持續(xù)推動中國聯(lián)通D6和中國移動D1/D2頻段TD-LTE系統(tǒng)的退網(wǎng)清頻工作,降低TD-LTE系統(tǒng)對5G的干擾影響。同時,在發(fā)生大氣波導(dǎo)干擾時,可通過中國移動TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾定位與優(yōu)化平臺[2]定位干擾源基站,對干擾源基站采取調(diào)整特殊時隙配比增大保護(hù)距離(由10:2:2調(diào)整為3:9:2)、降低CRS發(fā)射功率、壓降天線下傾角等方式抑制干擾。
3GPP根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)干擾優(yōu)化經(jīng)驗,在5G協(xié)議中引入了遠(yuǎn)端干擾管理[5](remote interference management,RIM)功能,已于2020年6月完成R16版本的最終確定,目前各設(shè)備廠商正在積極推進(jìn)基于3GPP協(xié)議在各自5G基站設(shè)備上開發(fā)實現(xiàn)RIM功能。因此未來5G大氣波導(dǎo)干擾可通過開啟設(shè)備級的RIM功能進(jìn)行實時干擾檢測、規(guī)避、回退等優(yōu)化操作,規(guī)避和抑制5G大氣波導(dǎo)干擾影響。目前可采取以下優(yōu)化措施減輕5G大氣波導(dǎo)干擾影響。
(1)調(diào)整特殊時隙符號配置,采用GP符號多的時隙配比(如6:18:4),增大保護(hù)距離。
(2)通過降低遠(yuǎn)端干擾源小區(qū)的發(fā)射功率來抑制5G大氣波導(dǎo)干擾。
(3)通過壓降遠(yuǎn)端干擾源小區(qū)和近端受擾小區(qū)的天線下傾角進(jìn)行干擾規(guī)避。
(4)通過大規(guī)模MIMO取值優(yōu)化,將S子幀前的下行時隙調(diào)度給下傾波束用戶,抑制大氣波導(dǎo)干擾的同時避免小區(qū)容量損失。
本文基于5G子幀配置、5G大氣波導(dǎo)干擾案例和模擬測試結(jié)果,分析了5G大氣波導(dǎo)干擾的保護(hù)距離、干擾時頻域特征和幀偏置/業(yè)務(wù)負(fù)載/天線下傾角等因素對5G大氣波導(dǎo)干擾的影響,明確了5G大氣波導(dǎo)干擾特征,給出了5G大氣波導(dǎo)干擾優(yōu)化建議。在當(dāng)前大氣波導(dǎo)效應(yīng)頻發(fā)的季節(jié),需要積極關(guān)注并及時采取相關(guān)優(yōu)化方案規(guī)避抑制5G大氣波導(dǎo)干擾影響,保障5G網(wǎng)絡(luò)性能,確保中國移動5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量競對領(lǐng)先。
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Analysis and testing on the interference due to atmospheric duct of 5G
SONG Xingang1, LI Xingzheng1, ZHAO Zhimin2, WANG Yan1
1. China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China 2. Guangxi Branch of China Mobile Communications Group Co., Ltd., Nanning 530022, China
5G (time division duplexing, TDD) system will be effected by the interference from 5G system due to atmospheric duct. The risk and current situation of 5G system in 2.6 GHz band were introduced and the interference characteristics of 5G interference due to atmospheric duct were summarized. Then based on the interference test results of the interference from 5G system due to atmospheric duct, the interference due to atmospheric duct influences under different frame offset, different service load and different antenna dip configuration were analyzed. Finally, the suggestions for the optimization of 5G interference due to atmospheric duct in 2.6 GHz band were obtained.
2.6 GHz, 5G, interference due to atmospheric duct, frame offset, service load, antenna dip
TN929.5
A
10.11959/j.issn.1000?0801.2022006
2021?05?31;
2021?12?10
宋心剛,songxingang@cmdi.chinamobile.com
宋心剛(1988?),男,中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司工程師,主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、4G/5G干擾優(yōu)化方法、工具平臺設(shè)計研發(fā)等。
李行政(1987?),男,中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司高級工程師,主要研究方向為4 G /5G無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、4G /5G干擾優(yōu)化方法、工具平臺設(shè)計研發(fā)等。
趙志民(1978?),男,中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司高級工程師,主要研究方向為NR/LTE/GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、干擾整治等。
王硯(1985?),男,現(xiàn)就職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的相關(guān)技術(shù)及市場動態(tài)研究分析等。