5G大氣波導(dǎo)干擾形成條件及其規(guī)避方法研究

趙飛龍

（中國移動通信集團海南有限公司，?？?570000）

引 言

根據(jù)文獻[1]的探空資料，我國低空大氣波導(dǎo)影響的無線電波范圍很廣，極限頻率主要集中在30 MHz～5 GHz，對L波段、S波段和C波段的無線電系統(tǒng)的影響尤為顯著. 我國的大氣波導(dǎo)分布范圍也很廣，部分地區(qū)年均表面波導(dǎo)發(fā)生率超過30%[2]. 文獻[3]研究表明我國近海大氣波導(dǎo)與季風(fēng)氣候密切相關(guān)，夏季時渤海、黃海、東海沿岸海域大氣波導(dǎo)明顯增多；臺灣海峽與臺灣東南毗鄰海域是波導(dǎo)常年發(fā)生最頻繁的海區(qū). 文獻[4-6]研究表明夏季陸地高壓和西太平洋副熱帶高壓在我國華北平原上空對峙，雨后近地層又冷又濕的下層大氣易形成蒸發(fā)波導(dǎo). 我國5G主要采用時分雙工（time division duplex, TDD）制式，信號收發(fā)工作在同一頻段，遠(yuǎn)端的下行信號經(jīng)過大氣波導(dǎo)極小路徑損耗的傳播落在近段上行信號的工作時隙上，造成了TDD網(wǎng)絡(luò)特有的交叉時隙干擾[7]. 我國5G主要工作頻段為2.6 GHz和3.5 GHz，且大氣波導(dǎo)分布廣泛，因此大氣波導(dǎo)將形成較為顯著的5G網(wǎng)內(nèi)干擾.

大氣波導(dǎo)造成的遠(yuǎn)端干擾已經(jīng)引起廣泛的重視，在3GPP 無線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范組(RAN TSG)第80次會議上同意在R16版本中新增 “NR的遠(yuǎn)端干擾管理(remote interference management, RIM)研究”條目，并已輸出相應(yīng)的技術(shù)報告[8]. 但氣象和通信學(xué)科交叉的研究比較少，國外一直以來主要使用頻分雙工( frequency division duplexing, FDD)制式的通信網(wǎng)絡(luò)，對TDD制式的網(wǎng)絡(luò)問題不夠重視，可供參考的文獻比較有限. 本文總結(jié)了公眾移動通信系統(tǒng)發(fā)射的電磁波形成大氣波導(dǎo)的充要條件及其形成的遠(yuǎn)端信號干擾，提出一種基于精準(zhǔn)施擾基站發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)俯仰角自動調(diào)整的干擾消除方法. 本文的研究成果有助于引發(fā)學(xué)界對氣象和通信學(xué)科交叉的重視，一方面通過加強對氣象學(xué)的研究來提升通信系統(tǒng)的性能，另一方面也可以利用通信系統(tǒng)的測量來代替部分氣象要素的探測.

1 我國大氣波導(dǎo)特點及形成條件

文獻[9]將大氣波導(dǎo)分為蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)三種類型.

大氣波導(dǎo)參數(shù)如圖1所示，其中Z為地表（或平均海平面）以上的高度，單位m；M(M單位)為大氣修正折射率；ha為 陷獲層頂高度；ho為陷獲層底高度；hb為 基礎(chǔ)層底高度；D為 波導(dǎo)厚度；d1為陷獲層厚度；d2為 基礎(chǔ)層厚度； ?M為波導(dǎo)強度.

圖1 大氣波導(dǎo)基本參數(shù)Fig. 1 Basic parameters of atmospheric ducts

根據(jù)文獻[9]，形成大氣波導(dǎo)并能使路徑彎向地面需要同時滿足4個條件：

1）近地層或邊界層某一高度處必須存在逆溫層，即 dM/dZ＜0的大氣層.

2）電磁波發(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)，即大于ho小 于ha. 因此，影響我國的大氣波導(dǎo)主要是表面波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo). 不同類型大氣波導(dǎo)的形成氣象條件和典型高度如表1所示.

表1 不同類型大氣波導(dǎo)的形成氣象條件和典型高度Tab. 1 Typical heights and meteorological conditions of atmospheric ducts

3）電磁波的波長必須小于最大陷獲波長λmax(單位m).

我國主要地區(qū)的大氣修正折射率隨高度的變化率 dM/dZ為?0.04～?0.07，平均厚度為100 m，最小陷獲頻率fmin集中在0.45～0.6 GHz.

4）電磁波的發(fā)射仰角必須小于某一臨界仰角 φmax.

式中： φmax為 最 大臨 界仰 角；θ為 垂 直 波束 寬度. 我國境內(nèi)發(fā)射臨界仰角主要集中在0～0.8°.

2 5G基站規(guī)避大氣波導(dǎo)的方法

2.1 5G大氣波導(dǎo)干擾

為充分利用大規(guī)模陣列天線技術(shù)帶來的空分復(fù)用能力，目前主要的5G無線通信系統(tǒng)都采用TDD制式. 信號收發(fā)工作在同一頻段，將一個無線幀分隔為多個子幀，上下行在指定的子幀上傳輸.為防止基站的下行信號落在相鄰基站的上行子幀，3GPP利用特殊子幀設(shè)計了保護周期(protection period, GP)來規(guī)避網(wǎng)內(nèi)強下行信號對弱上行信號的干擾.

5G電磁波頻率高于0.5 GHz，基站高度通常為35 m，位于蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)中，5G采用了大規(guī)模陣列天線技術(shù)，垂直波瓣寬度達30°，因此在我國相當(dāng)廣的地域5G電磁波極易滿足大氣波導(dǎo)形成的4個條件，如圖2（a）所示. 當(dāng)大氣波導(dǎo)發(fā)生時，遠(yuǎn)端基站的下行信號在大氣波導(dǎo)中經(jīng)過長距離的低損耗傳播，到達近端基站時，傳播時長超過了GP，且信號強度仍較高，將對上行信號形成較大的干擾，見圖2（b）. 由于同頻信號傳播的互易性，近端基站的下行信號也會對遠(yuǎn)端基站的上行信號造成干擾. 該問題在4G的LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)中已普遍存在[7,12].

圖2 5G大氣波導(dǎo)干擾形成原理Fig. 2 Atmospheric ducts interference in 5G system

2.2 3GPP相關(guān)規(guī)范

為解決由于大氣波導(dǎo)帶來的大型通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自干擾和跨國干擾問題，3GPP TR 38.866[7]為這種RIM定義了集中式和分布式的協(xié)調(diào)框架. 即利用特殊子幀中的下行導(dǎo)頻時隙DwPTS發(fā)送特征序列及其參考信號(reference signals, RS)，當(dāng)基站在上行導(dǎo)頻時隙UpPTS和上行子幀上檢測到特征序列，就可以準(zhǔn)確判斷發(fā)生了大氣波導(dǎo)干擾. 近端通過延遲上行發(fā)射或通過操作管理維護(operational administrative and maintenance, OAM) 系統(tǒng)來間接降低遠(yuǎn)端的發(fā)射功率或提前結(jié)束上行發(fā)射來克服大氣波導(dǎo)干擾.

3GPP TR 38.866[8]為解決大氣波導(dǎo)引發(fā)的遠(yuǎn)端干擾提供并建議了多種候選方案，包括4種參考信號及相應(yīng)的特征序列編碼10種有秩指示(rank indication, RI)檢測算法2種ID映射方案. 詳細(xì)內(nèi)容請見文獻[8].

2.3 大氣波導(dǎo)規(guī)避方法

根據(jù)大氣波導(dǎo)干擾形成的原理，可以采用的規(guī)避方法有：

1)擴大上下行轉(zhuǎn)換的時間長度使下行信號不落在上行信號時隙中，采用具有更大GP值的特殊子幀配置，但GP值最大取值為12個符號（約為128 km），而典型的抬升波導(dǎo)傳播距離可達300 km，因此該方法對超過128 km的大氣波導(dǎo)干擾將會失效.

2)降低遠(yuǎn)端發(fā)射信號功率使其長距離傳播到近端時低于近端上行信號的功率則會降低對近端的干擾. 由于該方法會降低遠(yuǎn)端基站的覆蓋能力，因此較少得到實際應(yīng)用.

3)利用大規(guī)模陣列天線的波束定向接收特性，在干擾強的方向上衰減接收到的信號或丟棄信號的受干擾部分. 這會影響近端上行的容量，且需要對基站接收做相對復(fù)雜的改變.

4)減小垂直波瓣寬度并降低天線仰角使其低于最大臨界仰角，使其不滿足大氣波導(dǎo)的產(chǎn)生條件. 實際應(yīng)用中可以結(jié)合增加下傾角和關(guān)閉垂直面波束，將垂直波瓣從30°減小為15°或8°.

3 基于大規(guī)模陣列天線權(quán)值的精準(zhǔn)俯仰角調(diào)整的RIM方案

3.1 基本實現(xiàn)思路

3GPP TR38.866未給出明確的干擾規(guī)避方案，上述1至3種規(guī)避方案也較為常見并存在較大的缺陷，方法4也常在實際工程中使用，但多以人工非自動化的方式來實施. 本文提出一種利用5G的大規(guī)模多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)陣列天線技術(shù)來實現(xiàn)一種集中式的自動RIM方法(圖3). 當(dāng)近端檢測到遠(yuǎn)端施擾基站后，向OAM報告相應(yīng)事件；OAM通過受擾基站位置的溫度、大氣壓、水汽壓、基站距離、基站高度等信息來得到最大臨界仰角，并向施擾基站發(fā)送新的天線圖樣和權(quán)值，來動態(tài)改變天線的下傾角和發(fā)射波束排列，從而實現(xiàn)降低大氣波導(dǎo)干擾的目的.

該方法的核心是OAM根據(jù)施擾基站報告的RI事件向雙方基站提供RI消除方案，具有較好的實時性、精確性并具備可自動化實現(xiàn)，也克服了基于調(diào)整GP值方案的局限性.

圖3 基于權(quán)值的天線電子俯仰角的集中式自動RIM方法Fig. 3 Centralized automatic RIM method for antenna parameter of electronic angle of pitch

1）基于精準(zhǔn)定位的大氣波導(dǎo)來計算精確的施擾基站天線俯仰角

根據(jù)文獻[13-14]，計算電磁波的傳播損耗LP.

式 中：A是 距離l0的路損；γ 是路 損 因 子；l0是 超 視 距范圍是陰影衰落；?h=ht?hr，ht和hr分 別 是 發(fā) 射 機 和 接 收 機 的 高 度，單 位 m；δ是陷獲層厚度，單位m；f是電磁波頻率，單位MHz；r是大氣修正折射率隨高度的變化率，單位M 單位/m；X、Y和Z均為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的高斯隨機變量；W服從Weibull分布；其余系數(shù)為常量，需要根據(jù)實際測量進行校正.

將式(4)改寫為

OAM通過大數(shù)據(jù)分析，待定得到 δ 和r.

當(dāng)確定大氣波導(dǎo)發(fā)生時，可以基于射線追蹤模型[15-16]計算大氣波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)，即

大氣波導(dǎo)的厚度愈厚或大氣波導(dǎo)的強度愈強，可形成波導(dǎo)傳播的電磁波發(fā)射角度范圍的上限愈大，則傳播距離越短. 根據(jù)兩個基站之間的距離可以得到最大的臨界仰角，并以此來動態(tài)調(diào)整天線的俯仰角.

2）基于5G大規(guī)模天線陣列的權(quán)值來實現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱下天線俯仰角

天線俯仰角θ=θm+θe，包括固定的機械俯仰角θm和 可調(diào)的電子俯仰角θe兩部分，入射角φ=φ?θm?θe，天線安裝后φ和θm為固定值，調(diào)整電子俯仰角度θe可 改變?nèi)肷浣?φ使其不大于最大臨界仰角φmax就可以抑制波導(dǎo)的發(fā)生，如圖4(a)所示. 電子俯仰角為等相位波面與法線形成的夾角，如圖4(b)所示，為比較典型的線性等間距陣列天線. 當(dāng)改變陣列天線陣子的饋電相位時，天線的主波束指向就會偏離法線.

圖4 信號相位與到達角Fig. 4 Signal phase and angle of arrival

根據(jù)文獻[17]，智能天線的相位權(quán)值Z與電子俯仰角 θe間的關(guān)系由式(8)表述，通過調(diào)整相位權(quán)值，可以實現(xiàn)對 θe的調(diào)整.

式中：n為半波陣子數(shù)；θd=45?為極化方向.

3）方法可行性分析

根據(jù)氣象探空資料再結(jié)合式(2)可以獲得天線最小俯仰角，這樣處置的缺點有兩個：天線俯仰角設(shè)置過大影響基站覆蓋范圍；探空資料過于粗糙（時間粒度粗，全天僅四個采樣；空間粒度粗，低空間隔1 hpa≈8.2 m）獲得的計算結(jié)果不能用做精細(xì)調(diào)控.

基站每個無線幀(周期為10 ms)會對施擾基站的接收功率進行測量，測量精度為1 dB，在基站上做平滑處理，上報周期為15 min. OAM基于強大的電信云計算能力的支撐，可以在1 min之內(nèi)輸出電子俯仰角調(diào)整方案，相比于大氣波導(dǎo)通常歷時超過6 h[18]，具備較好的實時性，并且可以只對施擾和受擾基站對做調(diào)整，避免過度調(diào)整.

3.2 實驗分析

瓊州海峽、北部灣和南海是我國大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)，2019年9月29日20點發(fā)生了大面積的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，波導(dǎo)層的波導(dǎo)強度ΔM=3.14～12.38，為表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的混合結(jié)構(gòu)，離地高度分布在0～100 m的廣大區(qū)域內(nèi)，其大氣剖面圖如圖5(a)所示. 在瓊州海峽南岸的NR-TDD網(wǎng)絡(luò)中觀測到了較為嚴(yán)重的大氣波導(dǎo)干擾，且受擾基站主要分布在沿海區(qū)域，如圖6(b)所示.

圖5 大氣剖面與下傾角分布Fig. 5 Atmospheric profile and downtilt DF

基于本文的方案，對被擾基站進行下傾角下壓計算，區(qū)域內(nèi)1026個基站的波束上包絡(luò)與水平面夾角分布如圖5(b)所示. 可以看到過半的基站未受到干擾不需要做下傾角調(diào)整，而需要調(diào)整的基站則基本上需要保證波束上包絡(luò)與水平面夾角不大于1°. 得益于5G Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用，0.1°的俯仰角調(diào)整能夠被支持.

圖6 不同情況的干擾電平地理分布Fig. 6 Geographical distribution of interference

為量化分析俯仰角調(diào)整后的大氣波導(dǎo)干擾的優(yōu)化情況，基于文獻[2,19]的參數(shù)，采用PETool提供的大氣波導(dǎo)傳播損耗模型[20-21]，采用華為NPS通信仿真軟件，對中國移動的5G網(wǎng)絡(luò)（具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表2）進行干擾仿真. 大氣波導(dǎo)發(fā)生時采用不同的俯仰角進行干擾計算，結(jié)果如圖6所示. 從圖6可以直觀地看到，增加電子俯仰角后，入射角減小受擾基站數(shù)量明顯減少，與無大氣波導(dǎo)干擾時基本相當(dāng)，仍存在的一些干擾為NR-TDD網(wǎng)絡(luò)自身的同頻干擾.

表2 5G網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)Tab. 2 5G radio network main parameter

圖7為不同情況下的電平和信干噪比(signal to interference noise ratio, SINR)累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF). 從圖7(a)可以看到增加電子俯仰角后，天線俯仰角加大導(dǎo)致低參考信號接收功率(reference signal receiving power，RSRP)的采樣點比例有所增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋有所下降，但同時從圖7(b)也能看出網(wǎng)絡(luò)的SINR與無干擾時相當(dāng)接近，比未優(yōu)化前提升了10～15%，平均SINR提高了5～6 dB，干擾優(yōu)化效果較為突出.

在大氣干擾較強的時段，網(wǎng)絡(luò)上行平均信噪比(即5G取同步信道塊中參考信號的信噪比，簡寫為SSB-RS SINR)下降了18.8%，由此引發(fā)下行平均速率下降16.2%和上行平均速率下降21.5%. 通過精準(zhǔn)計算需要下壓的下傾角，SSB-RS RSRP覆蓋好點(≥? 85 dBm)下降了0.6%，覆蓋差點(＜?110 dBm)基本不變，覆蓋中點增加了0.6%，但上行平均SSBRS SINR卻僅下降了4.69%. 即通過電子俯仰角可以在盡量降低對覆蓋影響的情況下，最大程度弱化大氣波導(dǎo)帶來的干擾.

圖7 不同情況下的電平和SINR CDF分布Fig. 7 Level and SINR CDF distribution

為避免實施中因數(shù)據(jù)奇點導(dǎo)致異常下傾角的出現(xiàn)，可采用式(2)計算的最大臨界仰角進行上限約束. 由于5G大規(guī)模陣列天線的特性，實際上也可以采用調(diào)整天線圖樣的方式來減小廣播波束垂直寬度，在機械下傾角不變的前提下減小發(fā)射仰角，即使不滿足電磁波在大氣結(jié)層中做波導(dǎo)傳輸?shù)臈l件下，也能降低遠(yuǎn)端干擾.

4 結(jié) 論

我國是大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)，地面視距無線通信和雷達探測等無線電系統(tǒng)都會受到影響，開展相關(guān)研究對于降低無線通信干擾，消除探空雷達超折射回波，提高超視距遠(yuǎn)程監(jiān)聽能力及加強無線電管理都有相當(dāng)重要的意義.

本文全面闡述了影響我國5G通信系統(tǒng)的大氣波導(dǎo)的特征，有助于更好理解5G遠(yuǎn)端干擾形成的地理位置和氣象條件. 進一步論證了下壓天線俯仰角是解決大氣波導(dǎo)干擾的最有效手段，并給出了具體的俯仰角計算方法和一種適用于集中化自動處理的系統(tǒng)框架. 基于該方法對大氣波導(dǎo)高發(fā)的瓊州海峽、北部灣和南海區(qū)域干擾仿真的結(jié)果表明，在保證本區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能力同時，也顯著降低了大氣波導(dǎo)帶來的大尺度5G網(wǎng)內(nèi)干擾.