TD—LTE大氣波導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致干擾研究

劉毅+牛海濤+張振剛+孔建坤

【摘 要】為了研究如何解決TD-LTE大氣波導(dǎo)導(dǎo)致的干擾問題，通過性能關(guān)聯(lián)分析、定位干擾源距離與方向?qū)栴}進(jìn)行定位分析，并通過抑制干擾和啟用遠(yuǎn)端干擾自適應(yīng)協(xié)調(diào)等方案，利用優(yōu)化參數(shù)修改方式，改善了基站由于受大氣波導(dǎo)影響造成的通話質(zhì)量差等問題。

【關(guān)鍵詞】TD-LTE 大氣波導(dǎo) 自適應(yīng)協(xié)調(diào) 降低干擾

[Abstract]In order to deal with interference resulting from TD-LTE atmospheric duct， the performance association analysis， the distance and direction localization of interference source were analyzed. The interference suppression and remote interference adaptive coordination were used. Combined with the revision of optimized parameters， the impact of bad voice quality on base station led by atmospheric duct was improved.

[Key words]TD-LTE atmospheric duct adaptive coordination interference reduction

1 引言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越來越廣，用戶量發(fā)展迅速，而用戶對4G網(wǎng)絡(luò)的性能質(zhì)量要求越來越高。2015年夏季開始，山東移動在維護(hù)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)4G業(yè)務(wù)時發(fā)現(xiàn)多地不同程度地出現(xiàn)指標(biāo)波動的異常情況，主要表現(xiàn)為凌晨時刻，氣溫由低溫狀態(tài)進(jìn)入高溫狀態(tài)時，LTE的性能各項指標(biāo)明顯降低，又在早晨日出前后約7點(diǎn)到8點(diǎn)指標(biāo)恢復(fù)正常。

通過對指標(biāo)變化區(qū)域的檢測觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不定期就會發(fā)生類似指標(biāo)波動情況，通過問題區(qū)域站點(diǎn)異常時段的日志分析，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備告警，分析鄰區(qū)頻點(diǎn)等配置也未發(fā)現(xiàn)異常，因該問題出現(xiàn)時間段集中，通過外部區(qū)域信號測量，發(fā)現(xiàn)該類現(xiàn)象與外部強(qiáng)干擾表現(xiàn)相似，結(jié)合近期天氣情況，初步懷疑與大氣波導(dǎo)現(xiàn)象有關(guān)系，因此，本文接下來將研究大氣波導(dǎo)對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的影響并提出相應(yīng)的解決措施。

2 大氣波導(dǎo)及其對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的影響

2.1 大氣波導(dǎo)現(xiàn)象

在某些天氣狀態(tài)下會發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，電磁波在近地層傳播時，由于大氣邊緣層組成復(fù)雜，會對電磁波產(chǎn)生較強(qiáng)的折射影響，使其傳播軌跡向地面發(fā)生一定程度的彎曲，曲率半徑隨之不斷增加直到大于地球表面曲率，此時大氣薄層可能會捕獲部分電磁波，如同電磁波進(jìn)入金屬質(zhì)地導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行傳播一樣，我們稱這種現(xiàn)象為大氣波導(dǎo)效應(yīng)，其傳播模型如圖1所示：

大氣波導(dǎo)現(xiàn)象會延長電磁波的傳播距離，使之產(chǎn)生數(shù)倍于正常傳播時的距離，所以會出現(xiàn)通信系統(tǒng)中提到的遠(yuǎn)距離同頻干擾，干擾模擬圖如圖2所示：

2.2 大氣波導(dǎo)對TD-LTE的影響

接下來將分析大氣波導(dǎo)現(xiàn)象為何對移動公司TD-LTE網(wǎng)絡(luò)4G業(yè)務(wù)感知影響較大，從理論角度上看，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用TDD雙工方式，即在相同的頻帶內(nèi)完成信號的接收與發(fā)送，通過在相同時間軸的不同時段分別發(fā)送上行信號和下行信號。在TD-LTE幀結(jié)構(gòu)中存在三種子幀結(jié)構(gòu)，分別是上行子幀、下行子幀以及特殊子幀，其中特殊子幀是由DwPTS（下行時隙）、GP（保護(hù)間隔）、UpPTS（上行時隙）組成。GP只負(fù)責(zé)為上下行提供保護(hù)間隔，防止其出現(xiàn)“交叉干擾”，不用做傳送任何形式的信號。在協(xié)議3GPP 36.211中提到以（NTA+NTAoffset）×Ts作為上行發(fā)送時間，其中NTAoffset固定為624個Ts，帶入公式可得上行發(fā)送時間為1/30720×624=20.3125μs。

GP1=GP時間-GP2，考慮到一個特殊子幀共包含14個符號，而且一個特殊子幀的總長度為1 ms，如果特殊子幀配比GP符號數(shù)為x時，則可計算GP1最小的傳輸時間為t=（x/14）×1000-20.3125，單位為μs。

換算成基站間距S=t×C={1000（x/14）-20.3125}×C（C為光速，C=（299792.50±0.10） km/s，一般取300 000 km/s）。因此，TD-LTE下行信號的傳輸時延超出了配置的保護(hù)間隔GP，就造成了交叉時隙干擾。大氣波導(dǎo)影響會造成全頻段的底噪整體抬升，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的接入、切換及掉線等KPI，用戶感知極差。

總體來說，較遠(yuǎn)處基站的特殊時隙DwPTS（下行時隙），因大氣波導(dǎo)傳輸后超過保護(hù)時隙GP，落在近處基站UpPTS，造成上行干擾（影響MSG3與MSG5等與上行相關(guān)的信令等信息），從受影響時隙來看，大氣波導(dǎo)主要嚴(yán)重影響上行業(yè)務(wù)（接通、掉線等指標(biāo)）。

接下來本文將深入分析大氣波導(dǎo)影響特性，通過特征序列定位干擾源等技術(shù)手段對大氣波導(dǎo)規(guī)避做相關(guān)探索實踐，以期待能降低大氣波導(dǎo)對系統(tǒng)性能及用戶感知的影響。

3 大氣波導(dǎo)干擾特性分析

通過分析大氣波導(dǎo)現(xiàn)象影響，發(fā)現(xiàn)大氣波導(dǎo)具有一定的地域、時段及方向特性。

3.1 地域性

從統(tǒng)計到的干擾區(qū)域來看，受干擾站點(diǎn)主要集中分布在農(nóng)村以及建筑物稀少的郊區(qū)，受干擾站點(diǎn)周圍無遮擋物，較為空曠。

從地勢來看，受干擾區(qū)域大部分為平原地區(qū)，受到超遠(yuǎn)距離的干擾可能性大。疑似干擾源區(qū)域呈現(xiàn)如圖3所示：

3.2 時間性

從大氣波導(dǎo)干擾出現(xiàn)的時間段來看，干擾集中在凌晨到早晨10點(diǎn)左右，干擾每次出現(xiàn)維持的時長與強(qiáng)度不同，且干擾并不是每天都出現(xiàn)。由此可見，大氣波導(dǎo)波導(dǎo)的強(qiáng)度、厚度、發(fā)生時間無明顯規(guī)律。

從圖4可見，對干擾區(qū)域當(dāng)日3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)、9點(diǎn)的干擾程度渲染，發(fā)現(xiàn)干擾為多區(qū)域多地點(diǎn)，統(tǒng)一時刻底噪抬升，不存在小區(qū)域或者單一站點(diǎn)強(qiáng)干擾源的情況。大氣波導(dǎo)干擾前期主要集中在南面的三個區(qū)域，隨時間的推移向北移動，10點(diǎn)前后北面的兩個地區(qū)干擾最為強(qiáng)烈，10點(diǎn)半之后所有區(qū)域干擾逐漸消失，且15分鐘內(nèi)全境的干擾全部退去。

3.3 方向性

從反向頻譜數(shù)據(jù)解析，被干擾小區(qū)整個上行子幀干擾電平均在-110以上，假設(shè)干擾源特殊子幀配置為9：3：2，則干擾源可能分布在距離被干擾區(qū)域64 km～

407 km之間的區(qū)域。

受干擾小區(qū)主要為1和2小區(qū)，1小區(qū)受干擾較為嚴(yán)重，2小區(qū)受干擾較少，這說明了干擾傳播具有方向性，干擾小區(qū)渲染結(jié)果如圖5所示。

而此類氣溫異常導(dǎo)致的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象影響區(qū)域除山東外，也包括江蘇淮安周邊等區(qū)域。

4 大氣波導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)對方法探究

針對大氣波導(dǎo)所具有的地域性、時間性、方向性的特征，可以從兩個方向進(jìn)行應(yīng)對和規(guī)避，即順應(yīng)干擾改變時隙配比和提升上行質(zhì)量。

順應(yīng)改變時隙配比是指在受到干擾后將特殊時隙配比9：3：2時隙改為3：9：2（F頻段時隙配比改變，各載波不會產(chǎn)生內(nèi)部干擾），但是前提是設(shè)備實現(xiàn)干擾檢測。提升上行質(zhì)量是指當(dāng)遠(yuǎn)端收到干擾后，通過功率控制等方式增加手機(jī)上行功率，間接提升上行質(zhì)量來規(guī)避干擾。

經(jīng)與集團(tuán)研究院及廠家專家交流，目前第一方向需各廠家均實現(xiàn)干擾檢測，集團(tuán)正在立項研究，暫時無法實現(xiàn)。第二個方向可通過優(yōu)化參數(shù)修改或信道特殊位增加分發(fā)來實現(xiàn)。

所以根據(jù)現(xiàn)有的條件，結(jié)合該指標(biāo)出現(xiàn)的頻次及處理的緊急程度，決定先從第二個方向入手進(jìn)行大氣波導(dǎo)干擾問題處理。

提高上行質(zhì)量的有效方式，經(jīng)研究分析主要有三種，分別是改變功率門限降低干擾影響、定位干擾源降低干擾強(qiáng)度和干擾自適應(yīng)提升基站解調(diào)能力，下面對這三種方法進(jìn)行深入探討。

4.1 改變功率門限降低干擾影響

影響性能指標(biāo)下降的原因主要是MSG3和MSG5未成功接收?？梢钥紤]從提高M(jìn)SG3和MSG5的接收可靠性來緩解干擾對性能的影響。

通過參數(shù)盡量提升Ue發(fā)射功率實現(xiàn)，或通過MSG1解調(diào)門限提高限制差點(diǎn)用戶的接入來實現(xiàn)，在干擾為-99 dBm時，MSG3接入次數(shù)約為無干擾時的80%。

4.2 定位干擾源降低干擾強(qiáng)度

當(dāng)受到遠(yuǎn)端干擾時，根據(jù)性能指標(biāo)的變化，動態(tài)調(diào)整上行功控策略，提高上行解調(diào)能力，緩解干擾對系統(tǒng)性能的影響。

受到遠(yuǎn)端干擾時，在DwPTS上發(fā)送特征序列，同時在UpPTS和上行子幀上進(jìn)行特征序列的檢測，特征序列中包含PCI信息，通過解析特征序列識別干擾源小區(qū)的PCI和距離。

各小區(qū)在不同幀號上周期發(fā)送特征序列，在UpPTS和正常上行子幀上通過特征序列的檢測，解析PCI，采用具有良好相關(guān)性的時域ZC序列，為了保持序列的連續(xù)性，符號7上的CP在前面，為2048點(diǎn)特定序列后面的144點(diǎn)；符號8上的CP在后面，為2048點(diǎn)特定序列前面的144點(diǎn)，具體如圖6所示：

通過制定1193的特征序列，對移位個數(shù)和相關(guān)性進(jìn)行分析，1193的ZC序列長度正交性好，相關(guān)峰值比噪聲高30 dB，抵抗干擾和噪聲的能力強(qiáng)。

現(xiàn)場效果驗證如下：

在受干擾區(qū)域內(nèi)選取了三個受大氣波導(dǎo)影響嚴(yán)重的LTE站點(diǎn)，通過加入遠(yuǎn)端干擾抑制和規(guī)避測試位碼，來解決大氣波導(dǎo)干擾問題。

參數(shù)修改完成后，提取修改前9月26日～10月9日的指標(biāo)，與修改后10月10日～10月15日指標(biāo)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)重度干擾下，各項指標(biāo)均得到很好的提升，滿足預(yù)期需求。在中度和輕度干擾情況下，掉線率改善明顯，其他指標(biāo)受影響程度較差，無改善需求，故也得以滿足，具體對比效果如表1所示。

4.3 干擾自適應(yīng)提升基站解

調(diào)能力

利用大氣波導(dǎo)的互易性，遠(yuǎn)端基站的上行信號會受到來自大氣波導(dǎo)遠(yuǎn)端干擾基站的下行信號影響。

當(dāng)檢測到受到遠(yuǎn)端干擾時，在DwPTS上周期性地發(fā)送特征序列，并周期檢測特征序列上上行子幀和上行時序，當(dāng)多個連續(xù)的周期都檢測到特征序列時，自動回退為3：9：2，停止DwPTS上的發(fā)送，以減少對遠(yuǎn)端基站的干擾，并通過特征序列解析出干擾源小區(qū)的PCI。

如果檢測到連續(xù)多個周期都未出現(xiàn)特征序列時，則特殊子幀配比自動恢復(fù)為9：3：2，從而減少3：9：2配比下對系統(tǒng)性能的損失，遠(yuǎn)端干擾自適應(yīng)流程圖如圖7所示：

特殊子幀設(shè)置為9：3：2時，不干擾UPPTS的理論安全距離為64.3 km，而不干擾上行子幀的理論安全距離為107.2 km；特殊子幀設(shè)置為3：9：2時，不干擾UPPTS的理論安全距離為192.8 km，不干擾上行子幀的理論安全距離為235.6 km。

大氣波導(dǎo)干擾由于其形成的特殊性導(dǎo)致其影響范圍特別廣、距離特別遠(yuǎn)，存在疊加干擾等情況，且各設(shè)備站點(diǎn)間存在相互干擾，需各站點(diǎn)統(tǒng)一采取規(guī)避動作。

現(xiàn)場效果驗證如下：

檢測到強(qiáng)干擾后，基站自動對上行信令及反饋的調(diào)度進(jìn)行UL MCS，根據(jù)信噪比選階后適當(dāng)降階，降階后在保證強(qiáng)干擾的情況下，提升上行解調(diào)能力，提升信令的健壯性，對接入/掉話性能有提升。

階數(shù)越低，會占用更多RB，干擾多為凌晨出現(xiàn)，用戶較少，根據(jù)干擾強(qiáng)度自動執(zhí)行與退出該方案，影響可控。只針對上行信令進(jìn)行降階，不影響數(shù)據(jù)資源的調(diào)度。

參數(shù)修改后出現(xiàn)三次大范圍干擾，從改善度看，無線掉線率滿足預(yù)期要求，無線接通率在重度、中度干擾下滿足要求，在輕度干擾時，由于本身指標(biāo)較好（99.75%，全網(wǎng)平均水平），因此改善有限。具體數(shù)值如表2所示：

5 結(jié)束語

本文通過對指標(biāo)性能關(guān)聯(lián)、干擾源距離與方向分析等方法對問題進(jìn)行定位，最終確認(rèn)為大氣波導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致通話干擾問題，通過定位干擾源抑制干擾和遠(yuǎn)端干擾自適應(yīng)協(xié)調(diào)兩個維度，利用優(yōu)化參數(shù)或者版本集中修改參數(shù)來解決大氣波導(dǎo)干擾問題，提升了基站調(diào)節(jié)能力，降低了基站側(cè)的干擾強(qiáng)度，改善了基站由于受大氣波導(dǎo)問題造成的不良影響。

通過這一系列的措施，使得山東移動全省性能在升級之后保持一個健康值，提升了用戶感知度，進(jìn)而保障了用戶黏性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚展予，趙柏林，李萬彪，等. 大氣波導(dǎo)特征分析及其對電磁波傳播的影響[J]. 氣象學(xué)報， 2000，58（5）： 605-616.

[2] 曲嘉杰，李新，鄧偉，等. TD-LTE遠(yuǎn)距離同頻干擾問題研究[J]. 電信科學(xué)， 2010，26（10）： 152-158.

[3] 盛莉莉. 大氣波導(dǎo)對SCDMA網(wǎng)絡(luò)的影響及解決方案[J]. 江蘇通信， 2008，24（1）： 63-65.

[4] 劉寧. TD-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)， 2015，35（2）： 1-7.

[5] 藺發(fā)軍，劉成國，成思，等. 海上大氣波導(dǎo)的統(tǒng)計分析[J]電波科學(xué)學(xué)報， 2005，20（1）： 64-68.

[6] 焦林，張永剛. 大氣波導(dǎo)條件下雷達(dá)電磁盲區(qū)的研究[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2004，31（5）： 815-820.

[7] 張瑜，吳少華. 大氣波導(dǎo)傳播類型及特性分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2009，24（1）： 185-191.

[8] 楊超，郭立新，李宏強(qiáng)，等. 大氣波導(dǎo)中電波傳播特性的研究[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2009，36（6）： 1097-1102.

[9] 黃小毛，張永剛，羅寧，等. 大氣波導(dǎo)對電磁波陷獲傳播影響的數(shù)值模擬和試驗驗證[J]. 微波學(xué)報， 2007，23（S1）： 177-184.

[10] 孫方，趙振維，康士峰，等. 大氣波導(dǎo)傳播模型及特性分析[J]. 裝備環(huán)境工程， 2009，6（6）： 6-20.

[11] 孫方，王紅光，康士峰，等. 大氣波導(dǎo)環(huán)境下的射線追蹤算法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2008，23（1）： 79-183.

[12] 王振會，王喆，康士峰，等. 利用WRF模式對大氣波導(dǎo)的數(shù)值模擬研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2010（5）： 913-919.