TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律及優(yōu)化方案研究

張龍，鄧偉，江天明，左怡民

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院，北京 100053；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，北京 100032）

TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律及優(yōu)化方案研究

張龍1，鄧偉1，江天明1，左怡民2

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院，北京 100053；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，北京 100032）

為了研究針對(duì)TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾的高效優(yōu)化方案，首先對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)萬(wàn)小區(qū)的干擾源定位結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大氣波導(dǎo)干擾傳播距離與地理距離基本相當(dāng)、強(qiáng)度隨傳播距離快速下降等干擾傳播規(guī)律；然后針對(duì)性地提出了包括算法優(yōu)化、時(shí)域優(yōu)化、頻域優(yōu)化、空域優(yōu)化在內(nèi)的綜合優(yōu)化方案，并在現(xiàn)網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵方案進(jìn)行了測(cè)試；最后驗(yàn)證了方案的有效性。

TD-LTE 大氣波導(dǎo) 干擾源定位 傳播規(guī)律 干擾優(yōu)化

1 引言

大氣波導(dǎo)是特定氣象、地理?xiàng)l件下發(fā)生的一種自然現(xiàn)象，主要與溫度、水汽密度隨高度劇烈變化有關(guān)[1]。大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)，TDD通信系統(tǒng)遠(yuǎn)端基站的下行信號(hào)經(jīng)數(shù)百公里的超遠(yuǎn)距離傳播后仍具有較高的強(qiáng)度，可能對(duì)近端基站的上行接收造成嚴(yán)重干擾，稱為大氣波導(dǎo)干擾。大氣波導(dǎo)干擾具有發(fā)生頻度高、影響范圍廣、受擾程度嚴(yán)重等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，是近期TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化面臨的一大難題。本文將基于最新的理論分析和測(cè)試結(jié)果，研究大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律，并給出針對(duì)性的優(yōu)化建議。

2 大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律

2.1 大氣波導(dǎo)干擾宏觀統(tǒng)計(jì)特征

通過(guò)對(duì)全國(guó)受擾情況的宏觀統(tǒng)計(jì)，得到大氣波導(dǎo)干擾的特征如下：

（1）發(fā)生頻度高。干擾主要發(fā)生在每年的3～10月，通常4～8月最為嚴(yán)重，嚴(yán)重省份每個(gè)月可有過(guò)半天數(shù)受擾。一般白天干擾較弱，凌晨最強(qiáng)。

（2）影響范圍廣。全國(guó)多個(gè)省份均發(fā)生過(guò)大氣波導(dǎo)干擾，華北和華東諸省受擾尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)省內(nèi)大部分地市均受擾，可同時(shí)影響數(shù)萬(wàn)個(gè)小區(qū)。F頻段和D頻段均受擾，其中農(nóng)村F頻段受擾最嚴(yán)重。

（3）受擾程度嚴(yán)重。全頻帶受擾，底噪最多可抬升30 dB，中間6個(gè)PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）尤甚（約比其他PRB高2 dB～5 dB）。接入成功率、上行速率等各項(xiàng)業(yè)務(wù)指標(biāo)惡化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)上行性能，極端情況甚至影響部分用戶接入，容易造成大面積用戶投訴。

2.2 大氣波導(dǎo)干擾源定位方案

由于大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生時(shí)間不固定且范圍廣，通過(guò)傳統(tǒng)掃頻等方式難以有效定位干擾源，因此創(chuàng)新性地提出了基于特征序列的大氣波導(dǎo)干擾源定位方案，并聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

大氣波導(dǎo)干擾源定位方案將可精確表征基站信息的基站編號(hào)編碼為特征信息，并設(shè)計(jì)具有良好檢測(cè)性能的自相關(guān)序列，施擾基站通過(guò)在特定下行符號(hào)特定頻域位置發(fā)送特定的自相關(guān)序列表征特征信息，相應(yīng)的該序列稱為特征序列。受擾站在上行符號(hào)持續(xù)進(jìn)行特征序列檢測(cè)，若檢測(cè)到則可準(zhǔn)確認(rèn)為受到了大氣波導(dǎo)干擾，且可根據(jù)特征序列的檢測(cè)符號(hào)檢測(cè)頻率等信息恢復(fù)出特征信息，并進(jìn)一步解析得到施擾站的基站編號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的干擾源定位。特征序列發(fā)送端和接收端的相關(guān)處理流程如圖1所示：

圖1 特征序列發(fā)送端和接收端流程圖

該方案已在多個(gè)省份規(guī)模商用部署，成功實(shí)現(xiàn)了跨地市、跨省份的大氣波導(dǎo)干擾源基站級(jí)精確定位，填補(bǔ)了業(yè)內(nèi)空白，為量化研究大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律提供了有效手段，并為有效解決大氣波導(dǎo)干擾奠定了基礎(chǔ)。

2.3 大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律

基于多個(gè)地市大氣波導(dǎo)干擾源定位結(jié)果的詳細(xì)分析，通過(guò)對(duì)大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律進(jìn)行深入研究，得到了如下初步結(jié)論：

（1）干擾源分布隨時(shí)間變化規(guī)律

沿海城市和內(nèi)陸城市干擾源分布差異較大。內(nèi)陸城市干擾源距離分布相對(duì)較集中，86 km～129 km的干擾源占比較高。沿海城市同時(shí)受海面波導(dǎo)干擾和內(nèi)陸波導(dǎo)干擾影響，干擾源距離分布存在兩個(gè)峰值：280 km～340 km的主要為隔海相望沿海地市的干擾源；小于236 km的主要為內(nèi)陸地市的干擾源。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隔海相望的城市容易成為固定的干擾對(duì)，即A是B的主要干擾源，B也是A的主要干擾源。

不同時(shí)刻大氣波導(dǎo)干擾源分布差異較大。大氣波導(dǎo)效應(yīng)不太強(qiáng)時(shí)（如3月8日），干擾源分布較為集中；大氣波導(dǎo)效應(yīng)較強(qiáng)時(shí)，干擾源分布范圍擴(kuò)大，大于150 km的遠(yuǎn)距離干擾源增多。具體如圖2所示。

圖2 不同地市、不同日期干擾源距離分布CDF圖

（2）干擾信號(hào)傳播距離與地理距離的關(guān)系

通過(guò)特征序列檢測(cè)符號(hào)可以得到干擾信號(hào)傳播時(shí)長(zhǎng)，從而推算出干擾信號(hào)傳播距離，經(jīng)過(guò)對(duì)比施擾站與受擾站間的地理距離，發(fā)現(xiàn)大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)傳播距離略大于地理距離，推測(cè)信號(hào)傳播路徑較為簡(jiǎn)單，近似為曲線傳播，未經(jīng)歷多次反射。同時(shí)，沿海城市也存在少量信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)大于地理距離的情況，推測(cè)其傳播路徑類似雷達(dá)反射波。

（3）干擾信號(hào)強(qiáng)度分布

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)施擾站產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度主要分布在-130 dBm/PRB～-90 dBm/PRB。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)同一小區(qū)檢測(cè)到的不同距離干擾源單個(gè)特征序列檢測(cè)強(qiáng)度的變化情況，在施擾站發(fā)送功率相同的情況下，可以近似得到干擾信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化的規(guī)律：干擾強(qiáng)度隨信號(hào)傳播距離增大而下降，平均每20 km下降1 dB～2 dB（略快于自由空間傳播模型），且下降幅度隨距離的增大而遞減。具體如圖3所示。

（4）主要施擾站特征

通過(guò)分析多個(gè)地市的特征序列檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主要施擾站對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響最嚴(yán)重：按干擾到的基站數(shù)算，排名前50的施擾站每個(gè)站都可干擾到上千個(gè)基站，最多可達(dá)1 600個(gè)；按特征序列被檢測(cè)到的次數(shù)算，前20%的施擾站產(chǎn)生了全網(wǎng)80%的干擾。

進(jìn)一步分析主要施擾站的特征，發(fā)現(xiàn)站高大于30 m、天線下傾角小于9°的基站容易成為主要施擾站，山區(qū)高海拔且周圍無(wú)遮擋的基站容易成為施擾站。此外，理論分析認(rèn)為干擾具有互易性，即產(chǎn)生干擾多的基站受擾也應(yīng)該很嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)主要施擾站的受擾情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要施擾站的峰值受擾強(qiáng)度普遍較高，符合預(yù)期。

圖3 干擾強(qiáng)度隨傳播距離變化圖

3 大氣波導(dǎo)干擾優(yōu)化方案

大氣波導(dǎo)干擾是TDD系統(tǒng)的固有頑疾，難以從根本上徹底消除，但可以通過(guò)施擾站和受擾站協(xié)同優(yōu)化，從算法、時(shí)域、頻域、空域等全方位進(jìn)行優(yōu)化，以降低干擾影響。

3.1 算法優(yōu)化

通過(guò)優(yōu)化受擾站的功控、調(diào)度和解調(diào)算法，最大程度地提升基站的抗干擾能力，可以有效緩解大氣波導(dǎo)干擾造成的上行性能下降。

（1）優(yōu)化功控算法

通?；镜纳闲泄厮惴ㄒ钥刂葡噜徯^(qū)間的相互干擾為主要目標(biāo)，因此會(huì)盡量避免過(guò)分抬升小區(qū)內(nèi)用戶的上行發(fā)射功率。大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生時(shí)，外部干擾占主要因素，基站可改為使用激進(jìn)的功控策略，包括調(diào)整開(kāi)環(huán)功控參數(shù)和閉環(huán)功控算法，盡量提升用戶尤其是初始接入用戶的發(fā)射功率，從而提升上行信噪比，盡量避免接入失敗和速率下降。

（2）優(yōu)化調(diào)制編碼等級(jí)自適應(yīng)算法

大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生后，用于上行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的探測(cè)參考信號(hào)測(cè)量不準(zhǔn)，用于下行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的信道質(zhì)量指示消息等容易漏檢、誤檢，調(diào)制編碼等級(jí)自適應(yīng)算法性能下降?；究筛臑槭褂帽Ｊ氐淖赃m應(yīng)策略，降低空口傳輸，尤其是上行信令傳輸使用的調(diào)制編碼等級(jí)，以提高信令傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）優(yōu)化解調(diào)算法

由于大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離增大而下降，因此通常上行子幀中離保護(hù)間隔越遠(yuǎn)的符號(hào)所受干擾越小，即上行子幀第二列解調(diào)參考信號(hào)所受干擾通常大幅度低于第一列解調(diào)參考信號(hào)，基站可針對(duì)性優(yōu)化信道估計(jì)算法，更多地利用第二列解調(diào)參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以提高解調(diào)性能。

上述優(yōu)化方案已在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模部署，大幅提升了基站的抗干擾能力，在干擾不太強(qiáng)時(shí)（如底噪抬升不超過(guò)10 dB時(shí)）基本不影響用戶接入成功率等關(guān)鍵指標(biāo)。

3.2 時(shí)域優(yōu)化

TDD系統(tǒng)上下行同頻，通過(guò)設(shè)置保護(hù)間隔來(lái)避免上下行之間的干擾[2]。在現(xiàn)網(wǎng)常用的9：3：2配置下，保護(hù)間隔長(zhǎng)3個(gè)OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）符號(hào)，可避免干擾64 km傳播距離外的基站。若回退為3：9：2配置，保護(hù)間隔長(zhǎng)度增加6個(gè)符號(hào)，可避免干擾192 km傳播距離外的基站，如忽略掉主同步信號(hào)對(duì)中間6個(gè)PRB的干擾以及對(duì)上行前導(dǎo)時(shí)隙的干擾，則干擾避免距離可進(jìn)一步提升至278 km。

回退特殊子幀配置由施擾站實(shí)施，對(duì)受擾站有益，考慮到干擾互易性，通常全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)整。2017年二季度，華北六省進(jìn)行全網(wǎng)回退3：9：2，優(yōu)化效果明顯，具體如下：

（1）修改前后兩周，地市級(jí)峰值干擾強(qiáng)度平均下降3 dB，地市級(jí)峰值高干擾小區(qū)占比下降幅度約25%，高干擾時(shí)長(zhǎng)減少67%。

（2）利用干擾源定位結(jié)果（數(shù)量和強(qiáng)度等）對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行歸一化，相同大氣波導(dǎo)強(qiáng)度下高干擾小區(qū)占比降幅可達(dá)25%～70%，超高干擾小區(qū)降幅尤為明顯。

特殊子幀配置可基于特征序列檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行，在不受擾時(shí)使用9：3：2配置，提升網(wǎng)絡(luò)下行吞吐量；在受擾時(shí)自動(dòng)回退為3：9：2，控制干擾。此方案也已在現(xiàn)網(wǎng)完成小規(guī)模驗(yàn)證，效果符合預(yù)期。

3.3 頻域優(yōu)化

大氣波導(dǎo)干擾是遠(yuǎn)端基站下行信號(hào)對(duì)同頻近端基站上行接收造成的干擾，如果能夠?qū)⑦h(yuǎn)端施擾基站和近端受擾基站的頻點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)，則可以有效降低干擾。具體如下：

（1）固定干擾對(duì)間錯(cuò)頻組網(wǎng)

前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在固定的干擾對(duì)，即地市A容易成為地市B的主要干擾源，同時(shí)地市B也容易成為地市A的主要干擾源，針對(duì)這種場(chǎng)景，可以考慮統(tǒng)一協(xié)調(diào)地市A和地市B錯(cuò)頻組網(wǎng)。針對(duì)F頻段，可用帶寬共30 MHz，可考慮分別使用前20 MHz和后20 MHz帶寬組網(wǎng)，并通過(guò)優(yōu)化隨機(jī)接入信道參數(shù)配置、開(kāi)啟頻選調(diào)度功能，最大程度地降低大氣波導(dǎo)干擾影響。此方案在渤海灣區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證，移頻后非頻率交疊頻段的地市級(jí)干擾強(qiáng)度下降3 dB以上，單站可達(dá)7 dB。

（2）主要施擾站移頻

前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)主要施擾站影響嚴(yán)重，排名前20%的施擾站產(chǎn)生了全網(wǎng)80%的干擾，因此需要重點(diǎn)對(duì)主要施擾站進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整至F頻段最后10 MHz。移頻后主要施擾站和非主要施擾站間不再相互干擾，主要施擾站間由于站間距拉大，相互干擾程度也會(huì)進(jìn)一步降低，預(yù)期主要施擾站移頻后全網(wǎng)干擾水平會(huì)有明顯下降。

3.4 空域優(yōu)化

理論分析大氣波導(dǎo)干擾主要由天線向上的信號(hào)分量產(chǎn)生，包括天線的上旁瓣和下傾角較小時(shí)主瓣朝上的部分。前期測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了理論分析，下傾角較小的站容易成為主要施擾站，也容易成為主要受擾站。因此，通過(guò)施擾站和受擾站調(diào)整天線，可以有效降低大氣波導(dǎo)干擾，但由于涉及工程調(diào)整并可能導(dǎo)致覆蓋收縮，建議僅針對(duì)主要站點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。具體如下：

（1）增大天線下傾角

前期測(cè)試表明，將天線下傾角由5°增大到10°，單站干擾可下降7 dB。除了固定增大天線下傾角外，還可更換天線為遠(yuǎn)程電調(diào)天線，在發(fā)生大氣波導(dǎo)影響時(shí)通過(guò)網(wǎng)管指令臨時(shí)調(diào)整天線下傾角至合適角度，在大氣波導(dǎo)消失后恢復(fù)正常配置。

（2）更換高增益天線

高增益天線主瓣寬度由7°降低為4°，在相同下傾角下主瓣朝上的部分顯著下降。此外，高增益天線對(duì)上旁瓣也有進(jìn)一步的抑制，前期測(cè)試表明，更換高增益天線后可降低單站干擾強(qiáng)度3 dB～5 dB。

3.5 小結(jié)

各優(yōu)化方案的適用對(duì)象、范圍和優(yōu)化效果簡(jiǎn)單總結(jié)如表1所示。

表1 優(yōu)化方案匯總表

綜合考慮各項(xiàng)方案的改造成本和優(yōu)化效果來(lái)看，建議優(yōu)先部署算法優(yōu)化方案，之后部署回退特殊子幀配置（含自動(dòng)回退）方案。如果優(yōu)化后干擾仍較強(qiáng)，對(duì)于干擾關(guān)系固定的區(qū)域，則部署錯(cuò)頻組網(wǎng)方案；對(duì)于其他區(qū)域，則部署主要施擾站移頻方案。如果優(yōu)化后仍存在極少數(shù)高受擾站點(diǎn)，可通過(guò)增大天線下傾角進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從宏觀統(tǒng)計(jì)角度，介紹了大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生頻度高、影響范圍廣、受擾程度嚴(yán)重等特征，然后基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的大氣波導(dǎo)干擾源定位方案對(duì)干擾微觀傳播規(guī)律進(jìn)行深入分析，得到了干擾源分布隨時(shí)間變化規(guī)律、干擾信號(hào)傳播距離與地理距離的關(guān)系、干擾信號(hào)強(qiáng)度與傳播距離的關(guān)系和主要施擾站特征等規(guī)律。針對(duì)大氣波導(dǎo)干擾傳播特點(diǎn)，從算法、時(shí)域、頻域、空域角度給出了適用于施擾站和受擾站的綜合優(yōu)化方案，并重點(diǎn)在現(xiàn)網(wǎng)對(duì)回退特殊子幀配置、錯(cuò)頻組網(wǎng)等方案進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了方案的有效性，試點(diǎn)省份高干擾小區(qū)占比、干擾強(qiáng)度等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)均有明顯好轉(zhuǎn)，用戶體驗(yàn)得到有效改善。

后續(xù)將利用大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)干擾源定位數(shù)據(jù)進(jìn)一步深入分析，提煉高受擾站的工參等特征，為下階段的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。同時(shí)還將在更大范圍進(jìn)行優(yōu)化方案的驗(yàn)證，并基于測(cè)試結(jié)果對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行改進(jìn)，探索其他優(yōu)化方案。

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Research on Propagation Law and Optimization Solutions of Atmospheric Duct Interference for TD-LTE

ZHANG Long1, DENG Wei1, JIANG Tianming1, ZUO Yimin2
(1. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China;2. China Mobile Communications Corporation, Beijing 100032, China)

In order to study the ef fi cient optimization scheme on atmospheric duct interference for TD-LTE, the interference localization results of existing tens of thousands of cells were analyzed firstly. Some interference propagation laws were unveiled, including that the propagation distance of atmospheric duct interference is basically equivalent to the geographical distance and the intensity decreases rapidly with the propagation distance. Then, the comprehensive optimization scheme including algorithm optimization, time-domain optimization, frequency-domain optimization and spatial domain optimization was proposed pertinently. In addition, the key schemes were tested in existing networks. Finally, the effectiveness of this scheme was verified.

TD-LTE atmospheric ductinterference localization propagation lawinterference optimization

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.003

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0016-06

張龍,鄧偉,江天明,等. TD-LTE大氣波導(dǎo)干擾傳播規(guī)律及優(yōu)化方案研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(20)： 16-21.

2017-06-25

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

張龍：工程師，碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)TE、5G無(wú)線技術(shù)。

鄧偉：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)TE、5G無(wú)線技術(shù)。

江天明：工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司研究院，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)TE、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、5G無(wú)線技術(shù)。