5G 遠(yuǎn)端干擾優(yōu)化應(yīng)用

金 淼，樊忠文

(1.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.華為技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

數(shù)字無線通信時代，干擾因無線波特有屬性而無可避免存在各類制式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，而干擾對5G 通信時代超大帶寬(eMBB)、超低時延(uRLLC)、超大連接(mMTC)三大業(yè)務(wù)特性影響較為廣泛。5G 頻譜頻范圍主要分布于2.6 GHz 和3.5 GHz 附近，通信帶寬由于協(xié)議規(guī)定采用TDD 網(wǎng)絡(luò)制式提升頻譜利用效率，降低設(shè)備設(shè)計成本。無線干擾存在多種類型，其中最不可控的類型屬于外部干擾，因其隱蔽性、突發(fā)性、無規(guī)律性備受各大網(wǎng)絡(luò)運營商苦惱，而傳統(tǒng)外部干擾通過掃頻、基站側(cè)FTT 檢測、重大活動保障排查等手段能夠快速定位。但是部分干擾源來自遠(yuǎn)端，其定位精度、定位及時性都很差，無法有效及時規(guī)避，特別是當(dāng)前5G 橫跨帶寬較大，受到遠(yuǎn)端干擾影響更加明顯[1]。

1 遠(yuǎn)端干擾現(xiàn)象原理

遠(yuǎn)端干擾(大氣波導(dǎo))現(xiàn)象為特定條件下氣象、地理條件下發(fā)生的自然現(xiàn)象。如圖1 所示，由于對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層次，在該層中電波形成超折射傳播，大部分電波輻射被限制在這一層內(nèi)，類似于在波導(dǎo)中傳播。無線電磁波信號在遠(yuǎn)端干擾中傳播損耗很小，從而實現(xiàn)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳播，類似于無線電傳播方式[2]。

2 遠(yuǎn)端干擾形成分類

2.1 遠(yuǎn)端干擾形成原理

大氣波導(dǎo)的產(chǎn)生一般需要滿足3 個條件：(1)大氣中存在局部穩(wěn)定的特定氣象條件區(qū)域；(2)在這個區(qū)域內(nèi)空氣密度在垂直方向分層，層與層之間存在明顯的變化(冷熱空氣導(dǎo)致的密度差、水汽蒸發(fā)、霧、霾等)，電波折射率垂直面發(fā)生連續(xù)變化；(3)當(dāng)電波發(fā)射角度滿足某一臨界角度，且無線電波波長遠(yuǎn)小于波導(dǎo)厚度，則形成波導(dǎo)傳播[3]。

圖2中，H 為波導(dǎo)頂高度，h1為餡獲層頂高度，h2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，Δm 為波導(dǎo)強度。大氣波導(dǎo)有4 種類型，其中表面波導(dǎo)(Surface Duct)形成于地球表面，有a 類和b 類兩類。蒸發(fā)波導(dǎo)(Evaporation Duct)是一種特殊類型的a 類表面波導(dǎo)，常見于大面積的水面(海洋)；b 類表面波導(dǎo)與抬升波導(dǎo)類似，只是基礎(chǔ)層部分與地球表面相接；a 類表面波導(dǎo)需要借助地球表面進行全反射，因此在地形平坦(水面、沙漠、荒原等)區(qū)域傳播較遠(yuǎn)，影響較大；抬升波導(dǎo)(Elevated Duct)物理位置比較高，一般在海拔3 000 m 以下范圍形成。電波在陷獲層和基礎(chǔ)層間傳播，不受地形起伏影響，能傳播非常遠(yuǎn)的距離，收/發(fā)天線都位于同一波導(dǎo)內(nèi)部，電波傳播損耗最小[4]。

2.2 5G 遠(yuǎn)端干擾形成

5G 的大氣波導(dǎo)干擾問題形成的原理與LTE 相同，但是由于5G 的幀結(jié)構(gòu)和波束特性與LTE 的存在差異，在實際業(yè)務(wù)場景下造成的干擾影響與LTE 之間存在一定的差異性。在傳統(tǒng)5G 場景下，屬于TDD 制式，遠(yuǎn)端干擾主要是干擾源小區(qū)的信號在達到本干擾小區(qū)時出現(xiàn)了由于傳播時延導(dǎo)致的時隙錯位的情況，如圖3 所示的5G 整體Slot 錯位的情況對比，干擾源小區(qū)的部分D 的符號位落在了被干擾小區(qū)的GP 符號位和U 符號位上，造成了干擾問題[5]。

按照5G 的符號長度，傳播時延1 個符號，傳播距離大概是10 km。5G C-band 頻段，幀結(jié)構(gòu)中單個Slot 的長度為0.5 ms。其中單符號傳播距離=0.5 ms/14×C=0.000 5 s/14×300 000 000 m/s=10 714 m。由于遠(yuǎn)端干擾的影響，不同的時隙配比下抵抗遠(yuǎn)端干擾的距離不一樣，換言之只要5G 上下保證D 符號與U 符號不錯位，抵抗的距離越大，抗干擾能力越強。如表1 所示，相比而言使用10:2:2 時隙配比會導(dǎo)致出現(xiàn)的抗干擾的能力比較低，而采用6:4:2或者8:4:2 配比則進一步提升抵抗距離。

表1 5G 不同時隙配比下抗遠(yuǎn)端干擾距離

3 5G 遠(yuǎn)端干擾優(yōu)化手段

3.1 修改特殊時隙配比

相較于4G LTE 網(wǎng)絡(luò)而言，5G 幀結(jié)構(gòu)較為特殊，能夠按照實際網(wǎng)絡(luò)需求進行上下行以及特殊時隙配比修改，從11:1:2 修改到6:6:2 來實現(xiàn)GAP 符號錯位，提升小區(qū)的抗干擾能力。一般而言，一個GAP 符號干擾距離為10.7 km，不同特殊時隙配比抗干擾的能力不一樣，選擇的特殊時隙配比越大，抗干擾能力越強，但是下行容量的損失也越大，進一步造成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降[6]。而特殊時隙配比越小，抗干擾能力越弱，下行感知速率也越低，SRS 干擾與單用戶感知距離的關(guān)系如圖4 所示。根據(jù)實際場景的數(shù)據(jù)分析，在海島場景下，5G 2.6 GHz 頻段受到的大氣波導(dǎo)干擾，最遠(yuǎn)干擾距離達到了150 km以上 (最遠(yuǎn)干擾源在符號13 上)，而考慮嚴(yán)重干擾區(qū)域，則在30～100 km 范圍內(nèi)會形成連片干擾 (干擾源分布在符號6～11 上)，且干擾強度處于中心點位最高兩邊遞減趨勢，因此根據(jù)干擾強弱梯度合理規(guī)劃時隙配比能夠有效避免區(qū)域處于最強干擾范圍內(nèi)，且有效保證下行容量。

3.2 通過遠(yuǎn)端干擾識別優(yōu)化

通過實施遠(yuǎn)端干擾管理特性來識別遠(yuǎn)端干擾小區(qū)，并針對遠(yuǎn)端干擾源小區(qū)進行下行Slot 發(fā)射的控制來降低對干擾源小區(qū)的影響。通過基站側(cè)當(dāng)干擾時增加GP符號，當(dāng)干擾減少時減少GP 符號。同樣可以通過時隙0和時隙1 關(guān)斷，理論保護距離增加至556 km，但是下行速率降幅較大。通過這3 個符號(1 個GP 符號和2 個U符號)位上面的干擾程度的差異性，可以判斷是否出現(xiàn)了大氣波導(dǎo)干擾問題，一般當(dāng)GP 符號的干擾大幅抬升，但是后面2 個符號的干擾無明顯變化時，可以判斷出現(xiàn)了大氣波導(dǎo)干擾問題[7]。當(dāng)前5G 通信基站一般為AAU 有源設(shè)備，具備大氣波導(dǎo)干擾檢測的方式，可以主動發(fā)起大氣波導(dǎo)干擾檢測，根據(jù)小區(qū)特征序列識別干擾源小區(qū)，通過自動增加S 幀中GP 符號數(shù)量，以緩解大氣波導(dǎo)干擾影響。

3.3 RF 規(guī)劃優(yōu)化降低SRS 干擾

針對大量干擾源小區(qū)，通過結(jié)合無線電磁波傳輸特性以及基站設(shè)備發(fā)射波球形特性分析發(fā)現(xiàn)，90%以上的干擾源小區(qū)都集中在站高30 m 及以上、下傾角8°及以下的小區(qū)。如圖5 所示，結(jié)合理論分析，基站在實現(xiàn)覆蓋連續(xù)的情況下，干擾源分布站點的基站高度和基站總下傾角呈現(xiàn)一定線性關(guān)系，結(jié)合線性曲線分布來看，站高越高，下傾角越大[8]。如圖6 所示，站間距超過500 m 的區(qū)域，站高大于30 m 的站點下傾角理應(yīng)至少8°以上，通過全網(wǎng)壓低下傾角可以有效減少強干擾源。尤其是高站的影響最大，但是同時會對覆蓋有所犧牲。結(jié)合調(diào)整優(yōu)化強干擾下功控參數(shù)、基站發(fā)射功率優(yōu)化等手段調(diào)整優(yōu)化重疊覆蓋區(qū)域，同時抬升終端發(fā)射功率來提升終端接入能力，共同降低干擾強度。農(nóng)村區(qū)域的大量高塔站、高功率站點需要適當(dāng)降低無線信號在波導(dǎo)層內(nèi)的傳播能量，減小對遠(yuǎn)端基站的干擾強度，通過對本端小區(qū)遠(yuǎn)程電調(diào)來實現(xiàn)對小區(qū)覆蓋范圍的收縮，降低對遠(yuǎn)端小區(qū)的干擾，實現(xiàn)對干擾源強度的抑制。

4 結(jié)論

5G 發(fā)展是當(dāng)前主流趨勢，無線通信無法避免受到外部干擾，大面積5G 站點建設(shè)需要關(guān)注遠(yuǎn)端干擾帶來的負(fù)面影響，根據(jù)5G 系統(tǒng)及大氣波導(dǎo)干擾特點，仍可借鑒TD-LTE 大氣波導(dǎo)應(yīng)對經(jīng)驗制定相應(yīng)的定位、規(guī)避措施。同時，5G TDD 系統(tǒng)在實際部署場景中可以使用新技術(shù)來有效規(guī)避遠(yuǎn)端干擾，如修改特殊子幀GP 長度、調(diào)整時隙配比避開強干擾區(qū)域、優(yōu)化超高站點等。