大氣波導(dǎo)干擾對5G NR的影響預(yù)研和應(yīng)對措施探討

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)，但是對于TD-LTE移動通信系統(tǒng)來說，則會造成較強(qiáng)的同頻干擾。

從原理和實(shí)踐情況看，大氣波導(dǎo)干擾不會對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傳輸超出了受擾基站上行信號的保護(hù)時(shí)隙，從而影響到受擾基站的上行接收，如圖1所示。多個干擾源的信號在受擾基站信號疊加還會造成干擾電平增強(qiáng)。大氣波導(dǎo)干擾傳播距離甚至可以超過200 km，可能對TDD系統(tǒng)產(chǎn)生大面積干擾，嚴(yán)重時(shí)會將底噪抬升至-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（PSS）及輔同步信號（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。從物理層的符號級別分析，雖然被干擾的符號數(shù)量不固定，每符號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)干擾隨符號時(shí)序遞減趨勢

4 大氣波導(dǎo)對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)干擾的可能性會有所增加。

4.2 頻率的影響

大氣波導(dǎo)的信號傳播發(fā)生在大氣的對流層，損耗非常小，不能用自由空間傳播模型來評估（不同于自由空間的20倍對數(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（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、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=［（被干擾的符號數(shù)/14）/1 000］×3×108/1 000（km）

式中：

T——被干擾的符號數(shù)對應(yīng)的時(shí)長

c——光速

如果被干擾的符號正好位于GP范圍之內(nèi)，那么系統(tǒng)的上行信號傳輸就不會受到干擾，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)被干擾的符號數(shù)與干擾距離的關(guān)系。

表1 被干擾符號數(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的每個符號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個符號，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個周期上行的時(shí)隙較多，因此能夠在更多的上行符號上檢測到更遠(yuǎn)距離的干擾信號，即能夠識別更遠(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個符號可以檢測遠(yuǎn)端235 km以內(nèi)施擾基站，第2個周期36個符號可以檢測遠(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5G NR開展基于參考信號的大氣波導(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，但是由于其對網(wǎng)絡(luò)改動的要求比較低，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)對現(xiàn)網(wǎng)改動較大，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。頻域方案一般不會影響覆蓋，但是對系統(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，但是施擾端必須精確知道受擾端到底有多少符號受到了干擾。這對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，這樣會降低上行吞吐量，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)致干擾的符號位置的下行發(fā)射功率，但是這樣會影響基站的覆蓋，而且是否真正減少了對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，但會對鄰近基站產(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。