王曉云，鄧偉，張龍，蘇鑫，趙世卓

基于特征建模的TDD系統(tǒng)大氣波導干擾控制體系研究

王曉云1，鄧偉2，張龍2，蘇鑫2，趙世卓2

（1. 中國移動通信集團有限公司，北京 100053；2. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

大氣波導干擾是特定氣象條件下發(fā)生的時分雙工（time-division duplex，TDD）系統(tǒng)內(nèi)干擾，是TDD移動通信系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)面臨的頑疾。在總結(jié)分析大氣波導干擾成因和分類等的基礎(chǔ)上，對大氣波導干擾進行建模和表征，驗證了海量干擾源在時域和頻域的功率集總特征，并結(jié)合大量4G/5G現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)給出了典型條件下內(nèi)陸波導和海面波導的量化干擾信號傳播模型，對于干擾的預測和預防具有重要意義?；诟蓴_特征，給出了TDD系統(tǒng)預防大氣波導干擾的幀結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)的4項設(shè)計原則，5G現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)表明干擾控制方案有效，上行干擾下降10 dB以上，相關(guān)原則對于6G系統(tǒng)的設(shè)計也具有指導意義。

TDD系統(tǒng)；大氣波導干擾；傳播模型；干擾控制

0 引言

時分雙工（time-division duplex，TDD）系統(tǒng)上下行鏈路使用相同的頻率，通過分時復用可以更好地匹配非對稱的上下行業(yè)務(wù)量，獲得更高的頻譜使用效率。在3G時代，我國主導的TD-SCDMA系統(tǒng)實現(xiàn)三分天下有其一；在4G時代，TD-LTE與FDD LTE并行發(fā)展；在5G時代，TDD已成為主流；面向6G等下一代系統(tǒng)，TDD制式將具有更廣闊的發(fā)展空間。

然而TDD的分時特性，也導致傳播時延引發(fā)特有的基站間干擾，大氣波導干擾就是其中的一種，是TDD系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)時面臨的頑疾。大氣波導干擾在3G時代就開始出現(xiàn)，在4G時代問題最為明顯，5G網(wǎng)絡(luò)隨著部署規(guī)模的擴大也有所顯現(xiàn)；它表現(xiàn)為較大范圍內(nèi)的基站上行同時受擾，發(fā)生頻度高、影響范圍廣、干擾程度嚴重，發(fā)生時間、地點具有很強的隨機性，如何有效地對其進行控制和規(guī)避一直是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點和難點。但由于其隨機性及超遠距離傳播的特性，傳統(tǒng)的掃頻等干擾定位手段無法使用，產(chǎn)業(yè)界前期獲取的實測數(shù)據(jù)較少，因此對量化的集總干擾表征模型的研究較少。

前期不少專家學者從電磁學等角度，對大氣波導現(xiàn)象進行了研究，如張瑜[1]、劉成國[2]、楊超[3]等對大氣波導的傳播產(chǎn)生條件和特性等進行了分析，但這些分析主要針對雷達探測等單個信號源的場景，無法直接用于大規(guī)模組網(wǎng)的移動通信系統(tǒng)。

本文基于理論分析和大量商用網(wǎng)絡(luò)實測數(shù)據(jù)，對TDD系統(tǒng)大氣波導干擾進行特征建模，并構(gòu)建系統(tǒng)性的干擾控制體系。

1 大氣波導干擾概述

1.1 大氣波導干擾成因

TDD系統(tǒng)上下行采用相同頻率，為了避免相鄰基站間下行鏈路對上行鏈路的干擾，TDD系統(tǒng)設(shè)計了保護間隔（guard period，GP），目前中國移動現(xiàn)網(wǎng)4G、5G典型配置GP分別長約0.14 μs、0.21 μs，可分別避免約42 km、63 km范圍內(nèi)由傳播時延造成的上下行交叉時隙干擾。

受地球曲率影響，基站間信號傳播距離通常不超過最大視距傳播距離LS[4]。LS與等效地球半徑0、基站海拔高度、基站高度等相關(guān)，在華北平原等低海拔地區(qū)，典型的30 m基站高度對應(yīng)的LS約為66 km?？紤]基站天線主瓣朝向地面，通常有3°～9°不等的下傾角，且存在地面遮擋，實際信號傳播距離遠小于理論值，通常遠小于33 km，GP可以起到很好的保護作用。視距傳播示意圖如圖1所示。

圖1 視距傳播示意圖

大氣波導是一種氣象引起的自然現(xiàn)象，當?shù)讓哟髿獯嬖谀鏈兀囟入S高度增加而升高）和逆濕（水汽密度隨高度增加而迅速下降）時，大氣折射指數(shù)可能隨高度急劇減小，電磁波傳輸時向下彎曲，當曲率超過地球表面曲率時發(fā)生超視距傳播，超過GP保護范圍。同時由于電磁波陷獲在波導層內(nèi)，信號沒有遮擋，傳播損耗較小，遠端基站的下行信號經(jīng)超遠距離傳輸后仍有較高強度，將對近端基站的上行鏈路造成強干擾，即大氣波導干擾。由于低空大氣波導水平擴展范圍較大，一般是數(shù)百千米量級，因此大氣波導干擾發(fā)生時，多個地市甚至多個省成千上萬個基站同時大范圍受擾。大氣波導超視距傳播示意圖如圖2所示。

圖2 大氣波導超視距傳播示意圖

1.2 大氣波導干擾分類

大氣波導的形成與溫度和濕度強相關(guān)，中國電波傳播研究所研究表明，相關(guān)氣象學過程主要包括海水蒸發(fā)、陸地夜間輻射冷卻、平流運動、反氣旋性下沉運動、鋒面下沉運動，理論分析具有顯著的地理和時間特征，這與我國各地區(qū)TDD系統(tǒng)基站的受擾情況統(tǒng)計相符。從現(xiàn)有干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，我國大氣波導干擾主要發(fā)生在每年的3—10月，通常4—8月較為嚴重[5]。干擾主要發(fā)生在平原地區(qū)和沿海地區(qū)，其中較嚴重的區(qū)域為華北平原、長江中下游平原、渤海灣、北部灣，東南沿海區(qū)域、東北平原、江漢平原等也偶有發(fā)生。

基于波導發(fā)生的地理特征不同，可將大氣波導干擾粗略分為內(nèi)陸波導干擾和海面波導干擾。其中內(nèi)陸波導干擾主要發(fā)生在平原地區(qū)，發(fā)生后具有一定的規(guī)律性，通常夜間開始，早上日出前最強，日出后干擾迅速消退，與陸地夜間輻射冷卻氣象學過程非常匹配。海面波導主要發(fā)生在沿海城市，尤其是隔海相對的城市間，發(fā)生時間更為隨機，全天均有可能，下午概率略高，可能與海水蒸發(fā)等氣象學過程相關(guān)。部分華北平原城市可能會同時受到內(nèi)陸波導干擾和海面波導干擾影響。TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)2017年4月某一周7×24 h的歸一化受擾程度曲線如圖3所示。

圖3 TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)2017年4月某一周7×24 h的歸一化受擾程度曲線

1.3 大氣波導干擾源精確定位方案

為了解決大氣波導干擾源無法精確定位的難題，筆者及團隊曾設(shè)計了基于專用參考信號的TDD系統(tǒng)遠距離干擾源定位方案，通過施擾站主動發(fā)送專用參考信號，并通過幀號、子幀號、頻域位置和序列編碼等表征基站身份信息，受擾站檢測和解析該信號即可準確定位干擾源，具體流程已在文獻[5-6]中詳細介紹，定位參考信號的關(guān)鍵設(shè)計如下。

? 專用參考信號通常固定在GP前的下行符號發(fā)送，通常占用2個符號。

?專用參考信號的發(fā)射功率譜密度與下行廣播信道保持一致。

?受擾站在每個上行符號都進行專用參考信號的檢測。

該方案不僅用于精確定位干擾源，更為定量研究干擾模型積累了大量實測數(shù)據(jù)，相關(guān)檢測數(shù)據(jù)將為大氣波導干擾特征建模奠定了基礎(chǔ)。

2 大氣波導干擾特征建模

TDD移動通信系統(tǒng)內(nèi)的大氣波導干擾為多點多對點干擾，受擾站收到的干擾信號為大氣波導通帶內(nèi)數(shù)百千米范圍內(nèi)施擾基站信號的疊加，具有顯著的功率集總特征。

受擾站第個子載波、第個上行符號受到的干擾信號可建模表征為：

2.1 大氣波導干擾功率集總特征

（1）第+個圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號傳播距離為(+)×sym，對應(yīng)下行信號發(fā)送位置距離GP 0個符號。

（2）第++1個圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號傳播距離為(++1)×sym，對應(yīng)下行信號發(fā)送位置距離GP 1個符號。

（3）第++2個圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號傳播距離為(++2)×sym，對應(yīng)下行信號發(fā)送位置距離GP 2個符號。

（4）以此類推，直到圓環(huán)移除大氣波導通道。

從上述疊加過程推導可知，大氣波導干擾信號具有如下時域功率集總特征。

（1）如果各基站同時發(fā)送信號，圓環(huán)內(nèi)將形成嚴重干擾疊加，干擾越強。

（2）如果各下行符號均發(fā)送信號，圓環(huán)間將形成干擾疊加，干擾越強。

（3）距離越近的環(huán)對應(yīng)的下行發(fā)送位置離GP越近，總干擾越強。雖然圓環(huán)編號越大，環(huán)內(nèi)的基站數(shù)越多，但信號傳播距離越遠，單站信號越弱；按自由空間傳播模型計算路損，單站信號強度按對數(shù)衰減，而圓環(huán)內(nèi)基站數(shù)近似線性增長，則環(huán)內(nèi)各基站的總干擾隨環(huán)編號增大而遞減。

后續(xù)可針對上述特征，從下行信號發(fā)送時間、發(fā)送頻度、發(fā)送符號維度進行系統(tǒng)設(shè)計，從而控制干擾。

進一步分析可知，受擾站的符號+1將受到第++1、++2個等圓環(huán)內(nèi)所有基站的干擾，與符號相比，減少了干擾強度較強的第+環(huán)，預計受擾干擾將大幅減弱，則受擾站各符號干擾強度將遞減，稱為時域功率斜坡特征。

針對如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)，采用4G現(xiàn)網(wǎng)典型參數(shù)進行仿真，得到了中心受擾基站和邊緣受擾基站各符號的受擾強度，時域集總干擾仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到，中心受擾基站和邊緣受擾基站都具備明顯的功率斜坡特征，且中心受擾基站由于近距離干擾基站數(shù)多，每個環(huán)上的信號強度強，因此斜坡更陡，干擾下降更快。

圖4 大氣波導干擾區(qū)域基站分布

圖5 時域集總干擾仿真結(jié)果

時域功率斜坡特征是大氣波導干擾功率集總特性的直觀表現(xiàn)，與制式無關(guān)，可用于識別大氣波導干擾。筆者及團隊選取了近期內(nèi)陸城市H某基站的符號級受擾數(shù)據(jù)進行分析，某5G基站時域集總干擾實測結(jié)果如圖6所示，其功率斜坡特征明顯，與理論推導匹配。

圖6 某5G基站時域集總干擾實測結(jié)果

從頻域來看，第個子載波是否受擾取決于施擾站是否在該頻域位置發(fā)送信號，如果施擾站頻域位置分配是隨機的，則功率集總后工作帶寬上各子載波均受擾且受擾程度相當。但如果所有施擾站在某幾個位置均發(fā)送信號，則將造成信號疊加，相應(yīng)位置上的干擾強度大幅提升。對于TD-LTE系統(tǒng)，所有小區(qū)均全帶寬發(fā)送CRS，主同步信號固定占用系統(tǒng)帶寬中間約1 MHz的頻域資源，且其時域發(fā)送位置離GP較近，容易造成強干擾，多站功率疊加后在頻域受擾圖中呈現(xiàn)全帶寬受擾且中間凸起的特征，其被稱為功率頻域凸起，成為4G大氣波導干擾的重要識別特征；對于5G系統(tǒng)，下行業(yè)務(wù)發(fā)生在初始接入BWP的概率更高，則對應(yīng)頻域位置受擾程度更嚴重，尤其是低話務(wù)時段，可用于識別5G大氣波導干擾。

筆者選取了4G現(xiàn)網(wǎng)某個典型受擾基站的頻域受擾數(shù)據(jù)，頻域集總干擾實測結(jié)果如圖7所示，中間1 MHz受擾程度明顯高于其他頻域位置，符合預期。

圖7 頻域集總干擾實測結(jié)果

2.2 發(fā)送天線增益

移動通信基站通常采用定向天線，不同方向的天線增益不同，相差可達數(shù)十分貝，計算大氣波導干擾強度時需要合理選取天線增益參數(shù)。為保證地面的連續(xù)覆蓋，基站天線在水平方向通常采用寬波束，即各方向的天線增益差異不大，如果將整個基站的多個扇區(qū)看作一個整體，則可近似忽略水平方向的天線增益差異。同時為保證覆蓋距離，基站天線在垂直方向通常采用窄波束，如4G 8通道天線的典型主瓣波束寬度為4°～7°，不同垂直角度的天線增益差異較大，需要重點分析。

大氣波導干擾傳播與信號入射角的關(guān)系如圖8所示。

圖8 大氣波導干擾傳播與信號入射角的關(guān)系

表1 不同站高對應(yīng)的

2.3 路損參數(shù)

大氣波導干擾是海量施擾站干擾的疊加，前面建模表征了其總體上的功率集總特征，本節(jié)將對其中單個施擾站產(chǎn)生的干擾信號強度進行建模和分析。

大氣波導干擾信號的傳播模型可用拋物線方程對亥姆霍茲（Helmholtz）方程進行近似得到[1]。拋物線波動方程為[2]：

2017年中國移動組織在華北地區(qū)4G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模部署了干擾定位功能，采用抽樣方式部署約4 000個監(jiān)測站。筆者重點對既有海面波導干擾又有內(nèi)陸波導干擾的沿海城市A進行分析，涉及4月10個基站的17萬條專用參考信號檢測數(shù)據(jù)，共檢測到2 090個施擾站，后續(xù)將基于此對路損傳播表達式進行修正和量化表征。

2.3.1 路損時間參數(shù)修正

大氣波導干擾信號傳播受氣象條件變化影響，傳播路損具有較強的時變性。以沿海城市A某基站檢測到的79 km外內(nèi)陸城市D某基站的干擾為例，在天線傾角、發(fā)射功率等基站參數(shù)不變的情況下，不同時刻檢測到的大氣波導干擾定位參考信號強度大幅變化，傳播路損波動可達20 dB。大氣波導干擾隨時間變化曲線如圖9所示，連續(xù)兩天均在夜間檢測到干擾信號，1:00左右信號強度最低，約為-119 dBm/180 kHz，8:00左右信號強度最強，可達-98 dBm/180 kHz，白天未檢測到干擾。

因此路損表達式應(yīng)新增時間參量，修正為：

圖9 大氣波導干擾隨時間變化曲線

2.3.2 路損水平距離參數(shù)修正

信號實際傳播距離是路損修正的關(guān)鍵參數(shù)，可基于施擾站和受擾站的坐標得到地理距離，理論分析可得，信號實際傳播距離應(yīng)大于地理距離，通過實測數(shù)據(jù)分析可量化信號實際傳播距離與地理距離的差值，進而對路損表達式中的距離參數(shù)進行修正。

大氣波導干擾定位參考信號固定在靠近GP的下行符號發(fā)送，通過信號檢出符號可計算干擾信號傳播時長，進而推算出信號實際傳播距離。相關(guān)檢測數(shù)據(jù)表明，沿海城市A同時受到海面波導和內(nèi)陸波導的影響，海面波導干擾主要來自沿海城市B和沿海城市C，地理距離較遠，平均達到300 km以上；對于內(nèi)陸波導干擾而言，施擾站分布范圍較廣，包括華北地區(qū)多個內(nèi)陸城市等，地理距離在50～350 km范圍內(nèi)均有分布。實際傳輸距離與地理距離差值如圖10所示。

圖10 實際傳輸距離與地理距離差值

如圖10所示，總體而言大氣波導干擾實際傳播距離略大于地理距離，平均大23.6 km，其中海面波導干擾距離差值略小，平均約為17 km，內(nèi)陸波導干擾距離差值約為25 km。

簡單起見，差值統(tǒng)一按照均值23.6 km計算，則路損傳播表達式可進一步修正為：

記系統(tǒng)工作頻率為，單位為MHz，對路損表達式進一步展開計算，可得到：

2.3.3 簡化場分量修正

由于大氣波導范圍較大，無法采用傳統(tǒng)掃頻儀打點測試等方法進行建模，因此使用受擾站的專用參考信號檢測數(shù)據(jù)進行擬合分析，本文通過統(tǒng)計平均規(guī)避單站的特異性，選擇參考信號檢測數(shù)量較多的受擾基站。具體過程如下。

步驟1 用施擾站發(fā)射功率減去參考信號接收功率，加上發(fā)射天線增益和接收天線增益得到傳播路損。其中發(fā)射天線增益根據(jù)施擾站天線傾角取-0.8°～0.8°準水平區(qū)間的均值，接收天線增益固定取均值8 dB。

步驟2 對相同檢測符號檢出的多個施擾站的路損做平均，得到對應(yīng)信號傳輸距離的平均路損檢測值。

針對內(nèi)陸波導干擾場景，選取4月20日大氣波導干擾較強的1:00—7:00的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，沿海城市A受擾較嚴重3個小區(qū)18 780條檢測數(shù)據(jù)中共篩選出942個施擾站，其中內(nèi)陸城市D 150個（平均地理距離為159 km），內(nèi)陸城市E 4個（平均地理距離為95 km），內(nèi)陸城市F 258個（平均地理距離為334 km），內(nèi)陸城市G 205個（平均地理距離為234 km），內(nèi)陸城市H 325個（平均地理距離為273 km）。不同傳輸距離不同時間的內(nèi)陸波導實測平均路損如圖11所示。

圖11 不同距離不同時間的內(nèi)陸波導實測平均路損

從圖11可看出，大氣波導較強時，100～280 km距離內(nèi)信號傳輸路損小于自由空間損耗，最多可降低10 dB；但大氣波導干擾信號隨傳輸距離增大衰減速度更快，每20 km平均衰減1.75 dB，在300～400 km傳輸路損大于自由空間損耗。使用平均路損數(shù)據(jù)進行二項式擬合，可得到內(nèi)陸波導干擾夜間高干擾時段的()取值。內(nèi)陸波導()二項式擬合曲線如圖12所示。

則對應(yīng)的路損表達式可量化為：

圖12 內(nèi)陸波導u(x)二項式擬合曲線

針對海面波導干擾場景，對4月4日大氣波導干擾較強的1:00—7:00的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，沿海城市A受擾較嚴重的3個小區(qū)2 780條檢測數(shù)據(jù)中共篩選出80個施擾站，其中沿海城市C 3個（平均地理距離為370 km），沿海城市B 77個（平均地理距離為330 km），沿海城市A、沿海城市B、沿海城市C隔渤海灣相對，因此均為超遠距離的施擾站。海面波導實測平均路損如圖13所示。

式（9）和式（10）分別給出了大氣波導干擾較強時刻內(nèi)陸波導干擾和海面波導干擾的典型量化路損表達式，總體而言，大氣波導干擾傳播路損距離較近時小于自由空間模型，但隨距離增加而快速增大，在傳播距離較遠時路損大于自由空間模型，典型條件下，傳輸100 km時大氣波導干擾路損比自由空間模型低約10 dB；傳輸300 km時二者基本相當；傳輸超過300 km時，大氣波導干擾路損約比自由空間模型大2～5 dB，后續(xù)可利用相關(guān)表達式定量估測大氣波導干擾強度，支撐相關(guān)仿真、方案設(shè)計和預防優(yōu)化。

3 基于特征建模的大氣波導干擾控制體系

大氣波導是自然現(xiàn)象，無法從傳播途徑上進行人為消除和干預，前期主要根據(jù)干擾源溯源后，從工程實踐角度對受擾站優(yōu)化方案進行了諸多探索，如受擾站調(diào)整天線下傾角、受擾站優(yōu)化上行功控算法和調(diào)度算法等，不贅述[7-9]。本文將基于第2節(jié)對大氣波導干擾特征建模和傳播規(guī)律的研究結(jié)果，針對時域功率集總特征、頻域功率集總特征和發(fā)送天線增益等特征，從TDD幀結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)設(shè)計給出4項原則，提前預防和降低大氣波導干擾發(fā)生概率，從而實現(xiàn)全生命周期的干擾控制，可廣泛適用于5G、6G系統(tǒng)。

3.1 預防干擾的TDD移動通信系統(tǒng)設(shè)計

如第2節(jié)的分析和推導，大氣波導干擾具有顯著的功率集總特征，若能減小下行信號或增大發(fā)送信號與GP的間距，將能有效預防干擾。筆者提出下行信號按需發(fā)送、常發(fā)下行信號遠離上行時隙兩項設(shè)計原則，并在5G系統(tǒng)設(shè)計過程中進行了實踐，現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)表明干擾預防作用明顯，5G系統(tǒng)所受干擾比4G顯著降低10 dB以上，且發(fā)生概率顯著降低。

3.1.1 原則一：下行信號按需發(fā)送

除傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信號外，移動通信系統(tǒng)正常工作還需要基站發(fā)送廣播信號、同步信號、解調(diào)參考信號等下行信號，為了避免功率集總，應(yīng)盡量將解調(diào)參考信號等下行信號設(shè)計為有業(yè)務(wù)時按需發(fā)送，無業(yè)務(wù)傳輸?shù)南滦袝r隙應(yīng)力爭做到“0功率”，從而實現(xiàn)“0干擾”。在有業(yè)務(wù)的場景中，將業(yè)務(wù)優(yōu)先調(diào)度在遠離GP的下行時隙，等效于大幅增加GP長度，可以大幅降低大氣波導干擾影響。理想情況下，基于下行信號按需發(fā)送原則進行系統(tǒng)設(shè)計，可以盡量減少常發(fā)下行信號，在無業(yè)務(wù)或低業(yè)務(wù)時，TDD系統(tǒng)大氣波導干擾可趨近于0。

4G系統(tǒng)中小區(qū)公共參考信號（cell reference signal，CRS）是典型的下行常發(fā)公共信號，即使沒有業(yè)務(wù)也會在每個下行時隙全帶寬發(fā)送，成為大氣波導干擾的主要來源。筆者團隊及產(chǎn)業(yè)界一起，在推動5G幀結(jié)構(gòu)設(shè)計時取消了CRS，解調(diào)參考信號采用用戶級按需發(fā)送設(shè)計，同時也對下行廣播信號進行了優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)信息塊（system information block，SIB）可按需發(fā)送，有效減少下行信號系統(tǒng)開銷。

3.1.2 原則二：常發(fā)下行信號遠離上行時隙

對于系統(tǒng)中確需的固定常發(fā)下行信號，如同步信號、主信息模塊（master information block，MIB）等公共信號，為減少時域功率集總，應(yīng)設(shè)計為盡量遠離上行時隙。同時為避免頻域功率集總，其頻域發(fā)送位置應(yīng)盡量不固定、各基站錯開，從而降低干擾。

TD-LTE系統(tǒng)主同步信號固定在特殊子幀的第3個符號發(fā)送，距離上行時隙較近，頻域上固定占用系統(tǒng)帶寬中間約1 MHz的帶寬[10]，造成了4G大氣波導干擾的功率頻域凸起特征。筆者團隊及產(chǎn)業(yè)界一起，在推動5G系統(tǒng)設(shè)計時進行優(yōu)化，增大MIB、主輔同步信號等常發(fā)下行信號與GP的間隔，現(xiàn)網(wǎng)典型配置下保護間隔可達4G的5倍，同時還支持頻域位置靈活配置，理論上5G MIB、主輔同步信號等不會再造成大氣波導干擾。

TD-LTE和TDD NR的參考信號分布對比如圖14所示。

筆者對2022年10月10日內(nèi)陸城市G某縣城約100個小區(qū)的受擾情況進行了統(tǒng)計，相同片區(qū)相同時段5G平均受擾強度比4G低11～19 dB，凌晨低話務(wù)時段受擾程度差距更明顯，數(shù)據(jù)表明5G的系統(tǒng)設(shè)計確實有效預防了大氣波導干擾。同區(qū)域4G/5G上行底噪對比如圖15所示。

3.2 預防干擾的TDD移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

頻率和天線是TDD移動通信系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)時的關(guān)鍵參數(shù)，針對頻域集總特征和天線增益特征，筆者有針對性地提出控頻率、控天線的系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計原則，并基于4G現(xiàn)網(wǎng)進行了實踐，效果良好。

3.2.1 原則一：干擾配對區(qū)域異頻組網(wǎng)

基于受擾數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、干擾源定位數(shù)據(jù)，可得到地理區(qū)域間的互擾情況。合理規(guī)劃各片區(qū)的基站工作頻段，可實現(xiàn)遠端站和近端站的異頻或錯頻組網(wǎng)，避免或降低大氣波導干擾。筆者對中國移動環(huán)渤海灣的大氣波導干擾源檢測結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)隔海相對的片區(qū)間干擾關(guān)系相對明確且固定，以天津沿海片區(qū)和煙臺沿海片區(qū)2017年4月的數(shù)據(jù)為例，施擾站檢測數(shù)量占比均接近60%，互為主要干擾源。

圖14 TD-LTE和TDD NR的參考信號分布對比

圖15 同區(qū)域4G/5G上行底噪對比

中國移動在4G 1.9 GHz頻段共有30 MHz頻譜，以10 MHz為單位，分別記為F1、F2、F3，筆者團隊統(tǒng)籌規(guī)劃了沿海城市A片區(qū)和沿海城市B片區(qū)的基站頻點，沿海城市A使用前20 MHz，沿海城市B使用后20 MHz，移頻前后各頻段受擾強度如圖16所示，沿海城市B片區(qū)F3所受干擾平均比F2下降4 dB，同時沿海城市A F1所受干擾比F2平均下降3～7 dB，控制頻率可有效降低大氣波導干擾強度。

中國移動在5G 2.6 GHz頻段共有160 MHz帶寬，可拆分為100 MHz+60 MHz和80 MHz+80 MHz錯頻組網(wǎng)，正積極推進在相關(guān)區(qū)域部署。

3.2.2 原則二：降低準水平區(qū)間天線增益

根據(jù)第2節(jié)的分析，單個基站產(chǎn)生的干擾信號與-0.8°～0.8°準水平角度區(qū)間的天線增益強相關(guān)，因此應(yīng)合理設(shè)計天線產(chǎn)品的方向圖和基站天線下傾角，在滿足覆蓋距離要求的基礎(chǔ)上盡量將天線零陷放置于準水平區(qū)間。

圖16 移頻前后各頻段受擾強度

對于垂直維固定波束天線，應(yīng)適當增大下傾角或采用上旁瓣抑制窄波束天線，可大幅降低可能產(chǎn)生的大氣波導干擾。如現(xiàn)網(wǎng)廣泛使用的8通道天線，普通天線典型的主瓣寬度為7°，如總下傾角為3°，則準水平區(qū)間的平均天線增益可達12 dBi；如增大下傾角至6°，則準水平區(qū)間的平均天線增益降低為－1.5 dBi；如采用上旁瓣抑制的高增益天線，主瓣寬帶僅為4°，在總下傾角保持在3°的情況下，準水平區(qū)間的天線增益也降低至?3 dBi。上旁瓣抑制天線增益如圖17所示。

圖17 上旁瓣抑制天線增益

對于垂直維波束可靈活調(diào)整的大規(guī)模多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）天線，可根據(jù)用戶位置等靈活調(diào)整下行信號波束方向、合理計算天線權(quán)值等，更有效地控制準水平區(qū)間的天線增益。目前5G已積極引入大規(guī)模MIMO站型，6G也有望成為標配。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了大氣波導干擾的成因，并提出了海面波導干擾和內(nèi)陸波導干擾的分類方法。之后對我國大氣波導干擾特征進行建模，得到時域功率集總和頻域功率集總兩大特征，并通過仿真和現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)進行了驗證；基于理論分析和大量現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，定量分析了干擾強度時變規(guī)律、干擾強度與天線增益的關(guān)系、干擾傳播距離與地理距離的關(guān)系，區(qū)分內(nèi)部波導干擾和海面波導干擾，得到了干擾較強時段的精確大氣波導干擾路損計算式，完善大氣波導干擾傳播模型，對于后續(xù)預測和預防大氣波導干擾具有重要意義。最后基于大氣波導干擾識別和表征的研究成果，提出預防大氣波導干擾的幀機構(gòu)與組網(wǎng)設(shè)計4項原則，包括下行信號按需發(fā)送、常發(fā)下行信號遠離上行時隙、干擾配對區(qū)域異頻組網(wǎng)、降低準水平區(qū)間天線增益，通過4G/5G系統(tǒng)設(shè)計和部署實踐驗證了方案的有效性，相關(guān)原則對于6G等TDD系統(tǒng)的后續(xù)演進和規(guī)模應(yīng)用具有很好的指導意義。

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Research on characteristic model-based atmospheric duct interference control in TDD wireless communication system

WANG Xiaoyun1, DENG Wei2, ZHANG Long2, SU Xin2, ZHAO Shizhuo2

1. China Mobile Communications Co., Ltd., Beijing 100053, China 2. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Atmospheric duct interference is a seriousinternal interference of large-scale TDD wireless communication system according to specific meteorological conditions. The causes and classification of the atmospheric duct interference were analyzed firstly. Then a typical quantitative interference signal propagation model of inland and sea atmospheric duct were proposed and the power characteristics of massive interference sources in time domain and frequency domain were verified. The feature of the proposed model is based on a large number of data in real 4G/5G network environment, which is of great significance for the prediction and cancellation of atmospheric duct interference. Finally, four design principles were proposed for the frame structure and networking in TDD system to control atmospheric duct interference based on the characteristics of the proposed model. The verification in 5G network shows that the uplink interference drops more than 10 dB by the proposed interference control principles. It will also be instructive for the design of 6G system.

TDD system, atmospheric duct interference, propagation model, interference control

TN929

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022286

2022–10–10；

2022–11–10

王曉云（1968- ），女，中國移動通信集團有限公司教授級高級工程師、技術(shù)部總經(jīng)理，主要研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)演進技術(shù)、4G/5G/6G超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)。

鄧偉（1978- ），男，中國移動通信有限公司研究院高級工程師、無線與終端技術(shù)研究所所長，主要研究方向為4G/NB-IoT/5G無線技術(shù)、空天地一體化網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

張龍（1985- ），男，中國移動通信有限公司研究院無線與終端技術(shù)研究所技術(shù)經(jīng)理、高級工程師，主要研究方向為4G、NB-IoT、5G無線技術(shù)和5G垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案。

蘇鑫（1989-），女，博士，中國移動通信有限公司研究院研究員，主要研究方向為無線傳輸基礎(chǔ)理論、分布式MIMO等。

趙世卓（1993-），男，中國移動通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為5G專網(wǎng)技術(shù)等。