5G大氣波導干擾分析及規(guī)避方法研究

汪汀嵐，李行政，左怡民，張冬晨

（1. 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2. 中國移動通信集團有限公司，北京 100033）

0 引言

大氣波導是一種特定的氣象情況，海面上常發(fā)生的海市蜃樓現(xiàn)象就是大氣波導超折射造成的光學效應[1-2]。當存在大氣波導效應時，基站發(fā)射信號在大氣波導層中發(fā)生超折射。超折射具有傳播損耗低、作用距離遠的特點，由于時分系統(tǒng)上下行同頻，基站間上下行信號干擾問題主要通過上下行時隙保護間隔（guard period，GP）的設置實現(xiàn)，當存在大氣波導效應時，遠處基站下行信號在傳播距離起過GP后仍有較強的功率，就會對近端處于上行接收時隙的基站造成嚴重同頻干擾[3-4]。所以，在時分系統(tǒng)中，大氣波導干擾呈現(xiàn)干擾范圍廣、程度強、隨天氣變化的特性。

基于上述背景，本文針對如何及時有效、準確地識別5G基站是否面臨大氣波導干擾問題開展研究工作，提煉了5G大氣波導干擾波形識別算法。在試點地區(qū)，從多個維度研究受干擾小區(qū)規(guī)避調(diào)整方法及規(guī)避效果，提升受干擾時的5G網(wǎng)絡質(zhì)量。

1 5G大氣波導干擾成因分析

1.1 5G保護距離及大氣波導傳播距離分析

目前，我國5G網(wǎng)絡已商用，主要采用時分雙工（time division duplexing，TDD）制式，并使用

2.6 GHz（2 515～2 675 MHz）、3.5 GHz（3 400～3 500 MHz）、4.9 GHz（4 800～4 900 MHz）等頻段，以上頻段易受波導影響，易形成波導傳播的分米波（0.3～3 GHz）及厘米波（3～30 GHz）。因此，存在大氣波導效應時，若基站發(fā)射信號在波導層中，當傳播距離超過GP后，仍然存在較強的功率，將對遠端基站造成大氣波導干擾問題[5-8]。5G基站間大氣波導干擾問題示意圖如圖1所示。

圖1 5G基站間大氣波導干擾問題示意圖

在2020年3月凍結(jié)的3GPP Release 16（Rel-16）標準中，5G新空口（new radio，NR）采用10 ms幀長度，一個幀中含有10個子幀。目前，中國移動2.6 GHz頻段5G網(wǎng)絡采用8:2的下行與上行子幀配比方式，其中特殊子幀配置為6:4:4，這意味著GP有4個符號位的保護間隔[4]，2.6 GHz子幀及時隙配比示意圖如圖2所示。

圖2 2.6 GHz子幀及時隙配比示意圖

假定一個時隙時長為sT，保護間隔為DGP，此情況下Ts和DGP分別為：

對47 264個試驗站點的傳播距離進行統(tǒng)計分析后，發(fā)現(xiàn)存在物理距離超過400 km的干擾通路，干擾通路物理平均距離均值約為80 km，遠超過保護間隔。試驗站點物理距離均值統(tǒng)計見表1。

表1 試驗站點物理距離均值統(tǒng)計（單位：km）

1.2 4G系統(tǒng)對5G系統(tǒng)的大氣波導干擾分析

前期中國移動4G網(wǎng)絡D頻段主要使用2 575～2 615 MHz頻段，在5G商用之后，2 515～2 615 MHz頻段用于5G網(wǎng)絡，2 615～2 675 MHz頻段用于4G網(wǎng)絡，但仍有部分D1（2 575～2 595 MHz）與D2（2 595～2 615 MHz）頻段4G小區(qū)未退頻，如高鐵專網(wǎng)4G覆蓋場景，D頻段退頻前后與5G頻段重疊情況如圖3所示。

圖3 D頻段退頻前后與5G頻段重疊情況

中國移動TD-LTE采用3:1的下行與上行配比，以及10:2:2特殊子幀配置。這意味著GP為2個正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號位。此情況下保護間隔約為42 km，與5G目前GP的保護間隔一致，因此同樣存在4G對5G的大氣波導干擾問題。

2 5G大氣波導識別定位

2.1 空域及時域特征

在發(fā)生5G大氣波導的區(qū)域中，會出現(xiàn)受干擾小區(qū)數(shù)量激增的情況。隨著大氣波導效應的消除，受干擾小區(qū)數(shù)量回歸正常水平。由于波導傳輸特性，平原及海面間易產(chǎn)生波導效應，郊區(qū)、農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、底層居民區(qū)及高速公路更容易受大氣波導影響?？梢砸罁?jù)受干擾小區(qū)數(shù)量激增情況識別區(qū)域內(nèi)是否發(fā)生大氣波導及其影響程度[9-11]。

小區(qū)受大氣波導干擾時，在受擾時隙上會產(chǎn)生斜坡特性。大氣波導時隙受擾特性如圖4所示，經(jīng)研究，干擾源分布不同時會存在不同的斜坡特性[12-15]，內(nèi)部區(qū)域多為“平滑式”，如圖4（a）所示，沿海地市多為“陡降式”，如圖4（b）所示?；谑軘_小區(qū)斜坡特性可以進行小區(qū)級別是否受擾的監(jiān)控。

圖4 大氣波導時隙受擾特性

2.2 頻域特征及干擾波形識別

本文通過空域特征分析可在大尺度上判斷區(qū)域是否發(fā)生大氣波導干擾問題，通過時域特征判斷小區(qū)是否受大氣波導干擾影響。為了精準區(qū)別干擾原因是4G系統(tǒng)對5G系統(tǒng)影響，還是5G自系統(tǒng)大氣波導干擾問題，需要借助受干擾小區(qū)頻域特征進行分析。

2.2.1 4G干擾信號波形研究

中國移動TD-LTE采用15 kHz子載波間隔，1個RB在頻率上含有12個連續(xù)的子載波。在頻域相當于180 kHz時，20 MHz帶寬共有100個RB，有效帶寬為18 MHz時，存在2 MHz用于保護帶寬（guard band，GB）及直流分量。實際頻譜發(fā)射時，無法實現(xiàn)理論上的矩形波形，在有用信道帶寬的兩個邊緣存在發(fā)射信號功率滾降，使用保護帶寬可以避免有用信號間的互擾問題，本研究通過此原理實現(xiàn)4G對5G大氣波導干擾波形的特征提煉及識別。3GPP標準中4G和5G參數(shù)要求見表2[16]。

表2 3GPP標準中4G和5G參數(shù)要求

當大氣波導效應產(chǎn)生時，遠距離4G D1、D2未清頻基站會對5G系統(tǒng)造成大氣波導干擾影響，干擾類型分為D1、D2、D1與D2，TD-LTE對5G系統(tǒng)干擾波形如圖5所示。

圖5 TD-LTE對5G系統(tǒng)干擾波形

（1）4G系統(tǒng)D1頻段干擾

2.6 GHz頻域公共參考點A（absolute frequency point A）為503 172，全局頻率柵格間隔ΔF Global （granularity of the global frequency raster）為5，單邊帶的頻域位置設為SSREF（single side resource element frequency）：

5G有效帶寬下邊界F下邊及上邊界F上邊為：

在D1頻段（2 575～2 595 MHz）20 MHz信道帶寬下，4G有效帶寬起始位置FD1下邊為2 576 MHz，截止位置FD1上邊為2 594 MHz。折算4G有效帶寬所對應的5G物理資源塊（physical RB，PRB）的起始位置 PRBstart（PRB編號由0起）與截止位置PRBstop為：

同理，D1對應的5G PRB數(shù)的范圍約為[163,219]。D1干擾波形特征是4G有效帶寬對應的PRB受擾底噪抬升明顯，保護帶寬對應PRB不易受干擾?；诖嗽鞤1干擾識別算法描述如下。

· 干擾門限值為ITS；

· D1頻段受擾PRB均值與未受擾PRB均值底噪差值 PR B差>1d B，PRB差=(PRB166～PRB217)均?[(PRB163～PRB165)均+(PRB218～PRB219)均]/2>1即>1 dB，且受擾PRB均值PRB均>IST；

· 通過PUCCH調(diào)用原理剔除5G網(wǎng)內(nèi)干擾影響，要求滿足(PRB166～PRB217)均?(PRB170～PRB165)均?AVR的絕對值<0.5 dB。

（2）4G系統(tǒng)D2頻段干擾

D2頻段（2 595～2 615 MHz）對應的5G PRB數(shù)范圍約為[219,272]，4G有用信號帶寬為2 596～2 614 MHz，折算5G PRB范圍約為[221,272]。與D1干擾區(qū)別在于D2頻段上邊沿鄰近4G有效帶寬上邊沿，則4G上邊保護帶寬在5G有效帶寬中無法完全檢測，基于此原理D2干擾識別算法描述如下。

· 干擾門限值為ITS；

· D2頻段受擾PRB均值與未受擾PRB均值底 噪 差 值PRB差>1dB ，即PRB差=(PRB221～PRB272)均?PRB220>1 dB且受擾PRB均值 PRB均>IST；

· 通過PUCCH調(diào)用原理剔除5G網(wǎng)內(nèi)干擾影響，要求滿足(PRB221～PRB272)均?（PRB225～PRB269）均的絕對值< 0.5 dB。

（3）4G系統(tǒng)D1與D2共同干擾

大氣波導受擾小區(qū)存在大量受多個干擾基站疊加影響的情況，當D1、D2頻段同時受干擾時，存在以下兩種情況。

· 同時滿足D1及D2干擾識別特征。

· 由于受擾功率較大存在時域到頻域的能量泄露，PRB220底噪也受到干擾抬升，此時D2干擾識別中施、受擾間差值特征不明顯，識別時去除此條特征。

2.2.2 5G自系統(tǒng)大氣波導干擾頻域特征

（1）5G系統(tǒng)主同步信號干擾

5G系統(tǒng)同步信號和PBCH塊（synchronization signal and PBCH block，SSB）頻域占用240個子載波，即連續(xù)的20個PRB。此情況會導致整體底噪抬升，干擾識別算法描述如下。

· 干擾門限值為IST；

· D2頻段受擾PRB均值與未受擾PRB均值底噪差值 PR B差>3d B ，即PRB差=(PRB0～PRB19)均?(PRB21～PRB22)均>3 dB，且受擾PRB均值 PRB均>IST；

· 大氣波導為阻塞波形，為避免其他類型干擾影響，需要判定受擾PRB0~PRB19的方差 PRBσ2<0.3。

（2）5G系統(tǒng)SIB1消息干擾

由于主流5G設備廠商SIB1消息是在初始BWP中發(fā)送，發(fā)送位置占用前50個RB，由于此信息功率較強，可能會泄露部分能量導致PRB0～ P RB51整體底噪抬升，干擾識別算法描述如下。

· 干擾門限值為IST；

· D2頻段受擾PRB均值與未受擾PRB均值底噪差值 PR B差>3d B ，即PRB差=(PRB0～PRB51)均?(PRB51～PRB53)均>3 dB，且受擾PRB均值 PRB均>IST；

· 大氣波導是阻塞波形，為避免其他類型干擾影響，需判定受擾(PRB0～PRB19)的方差 PRBσ2<0.3。

（3）全頻段干擾

全頻段干擾在頻域無明顯波形特征，主要呈現(xiàn)全頻段阻塞干擾的整體抬升形態(tài)。為此補充時域?qū)Ρ确桨?，識別算法描述如下。

· 由于大氣波導通路同時影響4G與5G系統(tǒng)，利用已知4G大氣波導天標記記錄，統(tǒng)計5G無大氣波導天的小時粒度干擾小區(qū)數(shù)均值標尺。

· 天粒度監(jiān)控0:00—9:00、22:00—23:00小時級干擾小區(qū)數(shù)，當某地市小時級干擾小區(qū)數(shù)相對標尺增量超過100個，且干擾小區(qū)占相對標尺比例增加5%時，判定此小時存在大氣波導干擾，標記小區(qū)信息表。

· 標記大氣波導小時小區(qū)清單集，剔除同日未標記大氣波導小區(qū)清單集，獲得當天疑似發(fā)送大氣波導小區(qū)列表。

3 5G大氣波導規(guī)避方案

3.1 5G大氣波導規(guī)避建議

通過15 min粒度底噪數(shù)據(jù)實時分析，獲取地市干擾激增情況，當識別出受大氣波導影響時，可以從時域、頻率、空域、參數(shù)配置等方面進行受干擾小區(qū)的規(guī)避調(diào)整，及時緩解干擾影響。可根據(jù)嚴重程度，依次采用以下調(diào)整方案。

方案1開啟設備廠商遠端干擾管理（remote interference management，RIM）規(guī)避功能，使小區(qū)具備自適應規(guī)避大氣波導干擾影響的能力。

方案2基于TDD信道傳播的互易性，調(diào)整受擾小區(qū)特殊子幀配置至6:6:2，增加保護間隔至64.26 km[15,17]。

方案3暫時關(guān)斷小區(qū)部分受干擾的上行符號，避免受干擾嚴重頻段承載用戶。

方案4增大受擾小區(qū)的電調(diào)下傾角，降低干擾影響[18-19]。

方案5將受干擾嚴重的小區(qū)進行暫時分流，待干擾情況緩解后再進行回調(diào)。

3.2 優(yōu)化效果評估

根據(jù)2021年4—5月5G大氣波導影響區(qū)域關(guān)聯(lián)性分析，選擇存在大氣波導通路的7個地市中，19 953個基站共計59 971個小區(qū)作為規(guī)避方案的試驗區(qū)域。在同年6—8月，對受大氣波導干擾影響的小區(qū)進行規(guī)避方案應用。通過對比方案實施前后通路中小區(qū)性能指標的變化，研究規(guī)避方案的作用。同時，由于大氣環(huán)境相同，4G與5G大氣波導干擾整體情況具有趨同性。目前，4G系統(tǒng)已具備通過特征序列檢測機制準確判斷大氣波導干擾通路及干擾影響強度的能力。所以，利用同區(qū)域4G大氣波導影響程度標尺作為5G大氣波導影響程度的參考，研究不同程度大氣波導影響條件下5G規(guī)避方案的應用效果。

3.2.1 干擾指標評估

收集試驗區(qū)域大氣波導天中，5G受干擾小區(qū)占比與同覆蓋區(qū)域4G受干擾小區(qū)的變化趨勢對比，試驗區(qū)大氣波導發(fā)生日干擾小區(qū)占比趨勢如圖6所示，試驗區(qū)域中，4G小區(qū)受大氣波導影響呈上升趨勢，5G小區(qū)在未應用規(guī)避措施前與4G趨勢相同。應用規(guī)避措施后，5G受干擾小區(qū)占比上升趨勢變緩。2021年7月初，隨著規(guī)避方案應用范圍的擴大，受影響情況得到極大緩解。

圖6 試驗區(qū)大氣波導發(fā)生日干擾小區(qū)占比趨勢

3.2.2 性能指標評估

收集試驗區(qū)域大氣波導天中，5G受干擾小區(qū)無線掉線率、無線接通率、無線切換成功率3項性能指標的變化趨勢。試驗區(qū)大氣波導發(fā)生日性能指標趨勢如圖7所示，由圖7（a）可以看出，試驗區(qū)域中小區(qū)無線掉線率指標由規(guī)避措施前的2.43%提升至下降1.87%，降低了0.56個百分點。從圖7（b）和圖7（c）可以觀察到，無線接通率及無線切換成功率指標無明顯優(yōu)化。

圖7 試驗區(qū)大氣波導發(fā)生日性能指標趨勢

經(jīng)過試驗區(qū)域情況評估，5G大氣波導規(guī)避方案可以有效緩解大氣波導對受擾小區(qū)的干擾影響，降低用戶掉線率，減小對用戶感知的影響。

4 結(jié)束語

5G系統(tǒng)大規(guī)模建設完成的同時，大氣波導問題隨之而來。本文針對5G大氣波導的特性及波形特征進行了研究，提煉得到有效的識別方法，有助于快速、精準地定位5G大氣波導發(fā)生時刻及受擾范圍。通過規(guī)避方案實現(xiàn)受擾片區(qū)基站自適應調(diào)整，有效緩解5G大氣波導大面積發(fā)生時的嚴重影響。后續(xù)將繼續(xù)開展干擾源站點定位研究，進一步從根源改善大氣波導發(fā)生時刻的干擾影響，同時均衡調(diào)整所帶來的資源損失問題，以及開展預測研究，提前預防大氣波導所導致的小區(qū)受擾問題。