基于特征建模的TDD系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾控制體系研究

王曉云，鄧偉，張龍，蘇鑫，趙世卓

基于特征建模的TDD系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾控制體系研究

王曉云1，鄧偉2，張龍2，蘇鑫2，趙世卓2

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

大氣波導(dǎo)干擾是特定氣象條件下發(fā)生的時(shí)分雙工（time-division duplex，TDD）系統(tǒng)內(nèi)干擾，是TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)面臨的頑疾。在總結(jié)分析大氣波導(dǎo)干擾成因和分類等的基礎(chǔ)上，對(duì)大氣波導(dǎo)干擾進(jìn)行建模和表征，驗(yàn)證了海量干擾源在時(shí)域和頻域的功率集總特征，并結(jié)合大量4G/5G現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了典型條件下內(nèi)陸波導(dǎo)和海面波導(dǎo)的量化干擾信號(hào)傳播模型，對(duì)于干擾的預(yù)測(cè)和預(yù)防具有重要意義?；诟蓴_特征，給出了TDD系統(tǒng)預(yù)防大氣波導(dǎo)干擾的幀結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)的4項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，5G現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)表明干擾控制方案有效，上行干擾下降10 dB以上，相關(guān)原則對(duì)于6G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。

TDD系統(tǒng)；大氣波導(dǎo)干擾；傳播模型；干擾控制

0 引言

時(shí)分雙工（time-division duplex，TDD）系統(tǒng)上下行鏈路使用相同的頻率，通過分時(shí)復(fù)用可以更好地匹配非對(duì)稱的上下行業(yè)務(wù)量，獲得更高的頻譜使用效率。在3G時(shí)代，我國(guó)主導(dǎo)的TD-SCDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三分天下有其一；在4G時(shí)代，TD-LTE與FDD LTE并行發(fā)展；在5G時(shí)代，TDD已成為主流；面向6G等下一代系統(tǒng)，TDD制式將具有更廣闊的發(fā)展空間。

然而TDD的分時(shí)特性，也導(dǎo)致傳播時(shí)延引發(fā)特有的基站間干擾，大氣波導(dǎo)干擾就是其中的一種，是TDD系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)面臨的頑疾。大氣波導(dǎo)干擾在3G時(shí)代就開始出現(xiàn)，在4G時(shí)代問題最為明顯，5G網(wǎng)絡(luò)隨著部署規(guī)模的擴(kuò)大也有所顯現(xiàn)；它表現(xiàn)為較大范圍內(nèi)的基站上行同時(shí)受擾，發(fā)生頻度高、影響范圍廣、干擾程度嚴(yán)重，發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，如何有效地對(duì)其進(jìn)行控制和規(guī)避一直是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。但由于其隨機(jī)性及超遠(yuǎn)距離傳播的特性，傳統(tǒng)的掃頻等干擾定位手段無法使用，產(chǎn)業(yè)界前期獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，因此對(duì)量化的集總干擾表征模型的研究較少。

前期不少專家學(xué)者從電磁學(xué)等角度，對(duì)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，如張瑜[1]、劉成國(guó)[2]、楊超[3]等對(duì)大氣波導(dǎo)的傳播產(chǎn)生條件和特性等進(jìn)行了分析，但這些分析主要針對(duì)雷達(dá)探測(cè)等單個(gè)信號(hào)源的場(chǎng)景，無法直接用于大規(guī)模組網(wǎng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

本文基于理論分析和大量商用網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)TDD系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾進(jìn)行特征建模，并構(gòu)建系統(tǒng)性的干擾控制體系。

1 大氣波導(dǎo)干擾概述

1.1 大氣波導(dǎo)干擾成因

TDD系統(tǒng)上下行采用相同頻率，為了避免相鄰基站間下行鏈路對(duì)上行鏈路的干擾，TDD系統(tǒng)設(shè)計(jì)了保護(hù)間隔（guard period，GP），目前中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)4G、5G典型配置GP分別長(zhǎng)約0.14 μs、0.21 μs，可分別避免約42 km、63 km范圍內(nèi)由傳播時(shí)延造成的上下行交叉時(shí)隙干擾。

受地球曲率影響，基站間信號(hào)傳播距離通常不超過最大視距傳播距離LS[4]。LS與等效地球半徑0、基站海拔高度、基站高度等相關(guān)，在華北平原等低海拔地區(qū)，典型的30 m基站高度對(duì)應(yīng)的LS約為66 km?？紤]基站天線主瓣朝向地面，通常有3°～9°不等的下傾角，且存在地面遮擋，實(shí)際信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)小于理論值，通常遠(yuǎn)小于33 km，GP可以起到很好的保護(hù)作用。視距傳播示意圖如圖1所示。

圖1 視距傳播示意圖

大氣波導(dǎo)是一種氣象引起的自然現(xiàn)象，當(dāng)?shù)讓哟髿獯嬖谀鏈兀囟入S高度增加而升高）和逆濕（水汽密度隨高度增加而迅速下降）時(shí)，大氣折射指數(shù)可能隨高度急劇減小，電磁波傳輸時(shí)向下彎曲，當(dāng)曲率超過地球表面曲率時(shí)發(fā)生超視距傳播，超過GP保護(hù)范圍。同時(shí)由于電磁波陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)，信號(hào)沒有遮擋，傳播損耗較小，遠(yuǎn)端基站的下行信號(hào)經(jīng)超遠(yuǎn)距離傳輸后仍有較高強(qiáng)度，將對(duì)近端基站的上行鏈路造成強(qiáng)干擾，即大氣波導(dǎo)干擾。由于低空大氣波導(dǎo)水平擴(kuò)展范圍較大，一般是數(shù)百千米量級(jí)，因此大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生時(shí)，多個(gè)地市甚至多個(gè)省成千上萬個(gè)基站同時(shí)大范圍受擾。大氣波導(dǎo)超視距傳播示意圖如圖2所示。

圖2 大氣波導(dǎo)超視距傳播示意圖

1.2 大氣波導(dǎo)干擾分類

大氣波導(dǎo)的形成與溫度和濕度強(qiáng)相關(guān)，中國(guó)電波傳播研究所研究表明，相關(guān)氣象學(xué)過程主要包括海水蒸發(fā)、陸地夜間輻射冷卻、平流運(yùn)動(dòng)、反氣旋性下沉運(yùn)動(dòng)、鋒面下沉運(yùn)動(dòng)，理論分析具有顯著的地理和時(shí)間特征，這與我國(guó)各地區(qū)TDD系統(tǒng)基站的受擾情況統(tǒng)計(jì)相符。從現(xiàn)有干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)大氣波導(dǎo)干擾主要發(fā)生在每年的3—10月，通常4—8月較為嚴(yán)重[5]。干擾主要發(fā)生在平原地區(qū)和沿海地區(qū)，其中較嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)槿A北平原、長(zhǎng)江中下游平原、渤海灣、北部灣，東南沿海區(qū)域、東北平原、江漢平原等也偶有發(fā)生。

基于波導(dǎo)發(fā)生的地理特征不同，可將大氣波導(dǎo)干擾粗略分為內(nèi)陸波導(dǎo)干擾和海面波導(dǎo)干擾。其中內(nèi)陸波導(dǎo)干擾主要發(fā)生在平原地區(qū)，發(fā)生后具有一定的規(guī)律性，通常夜間開始，早上日出前最強(qiáng)，日出后干擾迅速消退，與陸地夜間輻射冷卻氣象學(xué)過程非常匹配。海面波導(dǎo)主要發(fā)生在沿海城市，尤其是隔海相對(duì)的城市間，發(fā)生時(shí)間更為隨機(jī)，全天均有可能，下午概率略高，可能與海水蒸發(fā)等氣象學(xué)過程相關(guān)。部分華北平原城市可能會(huì)同時(shí)受到內(nèi)陸波導(dǎo)干擾和海面波導(dǎo)干擾影響。TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)2017年4月某一周7×24 h的歸一化受擾程度曲線如圖3所示。

圖3 TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)2017年4月某一周7×24 h的歸一化受擾程度曲線

1.3 大氣波導(dǎo)干擾源精確定位方案

為了解決大氣波導(dǎo)干擾源無法精確定位的難題，筆者及團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)了基于專用參考信號(hào)的TDD系統(tǒng)遠(yuǎn)距離干擾源定位方案，通過施擾站主動(dòng)發(fā)送專用參考信號(hào)，并通過幀號(hào)、子幀號(hào)、頻域位置和序列編碼等表征基站身份信息，受擾站檢測(cè)和解析該信號(hào)即可準(zhǔn)確定位干擾源，具體流程已在文獻(xiàn)[5-6]中詳細(xì)介紹，定位參考信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)如下。

? 專用參考信號(hào)通常固定在GP前的下行符號(hào)發(fā)送，通常占用2個(gè)符號(hào)。

?專用參考信號(hào)的發(fā)射功率譜密度與下行廣播信道保持一致。

?受擾站在每個(gè)上行符號(hào)都進(jìn)行專用參考信號(hào)的檢測(cè)。

該方案不僅用于精確定位干擾源，更為定量研究干擾模型積累了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)將為大氣波導(dǎo)干擾特征建模奠定了基礎(chǔ)。

2 大氣波導(dǎo)干擾特征建模

TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)的大氣波導(dǎo)干擾為多點(diǎn)多對(duì)點(diǎn)干擾，受擾站收到的干擾信號(hào)為大氣波導(dǎo)通帶內(nèi)數(shù)百千米范圍內(nèi)施擾基站信號(hào)的疊加，具有顯著的功率集總特征。

受擾站第個(gè)子載波、第個(gè)上行符號(hào)受到的干擾信號(hào)可建模表征為：

2.1 大氣波導(dǎo)干擾功率集總特征

（1）第+個(gè)圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號(hào)傳播距離為(+)×sym，對(duì)應(yīng)下行信號(hào)發(fā)送位置距離GP 0個(gè)符號(hào)。

（2）第++1個(gè)圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號(hào)傳播距離為(++1)×sym，對(duì)應(yīng)下行信號(hào)發(fā)送位置距離GP 1個(gè)符號(hào)。

（3）第++2個(gè)圓環(huán)內(nèi)的所有基站，信號(hào)傳播距離為(++2)×sym，對(duì)應(yīng)下行信號(hào)發(fā)送位置距離GP 2個(gè)符號(hào)。

（4）以此類推，直到圓環(huán)移除大氣波導(dǎo)通道。

從上述疊加過程推導(dǎo)可知，大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)具有如下時(shí)域功率集總特征。

（1）如果各基站同時(shí)發(fā)送信號(hào)，圓環(huán)內(nèi)將形成嚴(yán)重干擾疊加，干擾越強(qiáng)。

（2）如果各下行符號(hào)均發(fā)送信號(hào)，圓環(huán)間將形成干擾疊加，干擾越強(qiáng)。

（3）距離越近的環(huán)對(duì)應(yīng)的下行發(fā)送位置離GP越近，總干擾越強(qiáng)。雖然圓環(huán)編號(hào)越大，環(huán)內(nèi)的基站數(shù)越多，但信號(hào)傳播距離越遠(yuǎn)，單站信號(hào)越弱；按自由空間傳播模型計(jì)算路損，單站信號(hào)強(qiáng)度按對(duì)數(shù)衰減，而圓環(huán)內(nèi)基站數(shù)近似線性增長(zhǎng)，則環(huán)內(nèi)各基站的總干擾隨環(huán)編號(hào)增大而遞減。

后續(xù)可針對(duì)上述特征，從下行信號(hào)發(fā)送時(shí)間、發(fā)送頻度、發(fā)送符號(hào)維度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而控制干擾。

進(jìn)一步分析可知，受擾站的符號(hào)+1將受到第++1、++2個(gè)等圓環(huán)內(nèi)所有基站的干擾，與符號(hào)相比，減少了干擾強(qiáng)度較強(qiáng)的第+環(huán)，預(yù)計(jì)受擾干擾將大幅減弱，則受擾站各符號(hào)干擾強(qiáng)度將遞減，稱為時(shí)域功率斜坡特征。

針對(duì)如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)，采用4G現(xiàn)網(wǎng)典型參數(shù)進(jìn)行仿真，得到了中心受擾基站和邊緣受擾基站各符號(hào)的受擾強(qiáng)度，時(shí)域集總干擾仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到，中心受擾基站和邊緣受擾基站都具備明顯的功率斜坡特征，且中心受擾基站由于近距離干擾基站數(shù)多，每個(gè)環(huán)上的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，因此斜坡更陡，干擾下降更快。

圖4 大氣波導(dǎo)干擾區(qū)域基站分布

圖5 時(shí)域集總干擾仿真結(jié)果

時(shí)域功率斜坡特征是大氣波導(dǎo)干擾功率集總特性的直觀表現(xiàn)，與制式無關(guān)，可用于識(shí)別大氣波導(dǎo)干擾。筆者及團(tuán)隊(duì)選取了近期內(nèi)陸城市H某基站的符號(hào)級(jí)受擾數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，某5G基站時(shí)域集總干擾實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示，其功率斜坡特征明顯，與理論推導(dǎo)匹配。

圖6 某5G基站時(shí)域集總干擾實(shí)測(cè)結(jié)果

從頻域來看，第個(gè)子載波是否受擾取決于施擾站是否在該頻域位置發(fā)送信號(hào)，如果施擾站頻域位置分配是隨機(jī)的，則功率集總后工作帶寬上各子載波均受擾且受擾程度相當(dāng)。但如果所有施擾站在某幾個(gè)位置均發(fā)送信號(hào)，則將造成信號(hào)疊加，相應(yīng)位置上的干擾強(qiáng)度大幅提升。對(duì)于TD-LTE系統(tǒng)，所有小區(qū)均全帶寬發(fā)送CRS，主同步信號(hào)固定占用系統(tǒng)帶寬中間約1 MHz的頻域資源，且其時(shí)域發(fā)送位置離GP較近，容易造成強(qiáng)干擾，多站功率疊加后在頻域受擾圖中呈現(xiàn)全帶寬受擾且中間凸起的特征，其被稱為功率頻域凸起，成為4G大氣波導(dǎo)干擾的重要識(shí)別特征；對(duì)于5G系統(tǒng)，下行業(yè)務(wù)發(fā)生在初始接入BWP的概率更高，則對(duì)應(yīng)頻域位置受擾程度更嚴(yán)重，尤其是低話務(wù)時(shí)段，可用于識(shí)別5G大氣波導(dǎo)干擾。

筆者選取了4G現(xiàn)網(wǎng)某個(gè)典型受擾基站的頻域受擾數(shù)據(jù)，頻域集總干擾實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示，中間1 MHz受擾程度明顯高于其他頻域位置，符合預(yù)期。

圖7 頻域集總干擾實(shí)測(cè)結(jié)果

2.2 發(fā)送天線增益

移動(dòng)通信基站通常采用定向天線，不同方向的天線增益不同，相差可達(dá)數(shù)十分貝，計(jì)算大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度時(shí)需要合理選取天線增益參數(shù)。為保證地面的連續(xù)覆蓋，基站天線在水平方向通常采用寬波束，即各方向的天線增益差異不大，如果將整個(gè)基站的多個(gè)扇區(qū)看作一個(gè)整體，則可近似忽略水平方向的天線增益差異。同時(shí)為保證覆蓋距離，基站天線在垂直方向通常采用窄波束，如4G 8通道天線的典型主瓣波束寬度為4°～7°，不同垂直角度的天線增益差異較大，需要重點(diǎn)分析。

大氣波導(dǎo)干擾傳播與信號(hào)入射角的關(guān)系如圖8所示。

圖8 大氣波導(dǎo)干擾傳播與信號(hào)入射角的關(guān)系

表1 不同站高對(duì)應(yīng)的

2.3 路損參數(shù)

大氣波導(dǎo)干擾是海量施擾站干擾的疊加，前面建模表征了其總體上的功率集總特征，本節(jié)將對(duì)其中單個(gè)施擾站產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行建模和分析。

大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)的傳播模型可用拋物線方程對(duì)亥姆霍茲（Helmholtz）方程進(jìn)行近似得到[1]。拋物線波動(dòng)方程為[2]：

2017年中國(guó)移動(dòng)組織在華北地區(qū)4G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模部署了干擾定位功能，采用抽樣方式部署約4 000個(gè)監(jiān)測(cè)站。筆者重點(diǎn)對(duì)既有海面波導(dǎo)干擾又有內(nèi)陸波導(dǎo)干擾的沿海城市A進(jìn)行分析，涉及4月10個(gè)基站的17萬條專用參考信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)，共檢測(cè)到2 090個(gè)施擾站，后續(xù)將基于此對(duì)路損傳播表達(dá)式進(jìn)行修正和量化表征。

2.3.1 路損時(shí)間參數(shù)修正

大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)傳播受氣象條件變化影響，傳播路損具有較強(qiáng)的時(shí)變性。以沿海城市A某基站檢測(cè)到的79 km外內(nèi)陸城市D某基站的干擾為例，在天線傾角、發(fā)射功率等基站參數(shù)不變的情況下，不同時(shí)刻檢測(cè)到的大氣波導(dǎo)干擾定位參考信號(hào)強(qiáng)度大幅變化，傳播路損波動(dòng)可達(dá)20 dB。大氣波導(dǎo)干擾隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，連續(xù)兩天均在夜間檢測(cè)到干擾信號(hào)，1:00左右信號(hào)強(qiáng)度最低，約為-119 dBm/180 kHz，8:00左右信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)，可達(dá)-98 dBm/180 kHz，白天未檢測(cè)到干擾。

因此路損表達(dá)式應(yīng)新增時(shí)間參量，修正為：

圖9 大氣波導(dǎo)干擾隨時(shí)間變化曲線

2.3.2 路損水平距離參數(shù)修正

信號(hào)實(shí)際傳播距離是路損修正的關(guān)鍵參數(shù)，可基于施擾站和受擾站的坐標(biāo)得到地理距離，理論分析可得，信號(hào)實(shí)際傳播距離應(yīng)大于地理距離，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可量化信號(hào)實(shí)際傳播距離與地理距離的差值，進(jìn)而對(duì)路損表達(dá)式中的距離參數(shù)進(jìn)行修正。

大氣波導(dǎo)干擾定位參考信號(hào)固定在靠近GP的下行符號(hào)發(fā)送，通過信號(hào)檢出符號(hào)可計(jì)算干擾信號(hào)傳播時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而推算出信號(hào)實(shí)際傳播距離。相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，沿海城市A同時(shí)受到海面波導(dǎo)和內(nèi)陸波導(dǎo)的影響，海面波導(dǎo)干擾主要來自沿海城市B和沿海城市C，地理距離較遠(yuǎn)，平均達(dá)到300 km以上；對(duì)于內(nèi)陸波導(dǎo)干擾而言，施擾站分布范圍較廣，包括華北地區(qū)多個(gè)內(nèi)陸城市等，地理距離在50～350 km范圍內(nèi)均有分布。實(shí)際傳輸距離與地理距離差值如圖10所示。

圖10 實(shí)際傳輸距離與地理距離差值

如圖10所示，總體而言大氣波導(dǎo)干擾實(shí)際傳播距離略大于地理距離，平均大23.6 km，其中海面波導(dǎo)干擾距離差值略小，平均約為17 km，內(nèi)陸波導(dǎo)干擾距離差值約為25 km。

簡(jiǎn)單起見，差值統(tǒng)一按照均值23.6 km計(jì)算，則路損傳播表達(dá)式可進(jìn)一步修正為：

記系統(tǒng)工作頻率為，單位為MHz，對(duì)路損表達(dá)式進(jìn)一步展開計(jì)算，可得到：

2.3.3 簡(jiǎn)化場(chǎng)分量修正

由于大氣波導(dǎo)范圍較大，無法采用傳統(tǒng)掃頻儀打點(diǎn)測(cè)試等方法進(jìn)行建模，因此使用受擾站的專用參考信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，本文通過統(tǒng)計(jì)平均規(guī)避單站的特異性，選擇參考信號(hào)檢測(cè)數(shù)量較多的受擾基站。具體過程如下。

步驟1 用施擾站發(fā)射功率減去參考信號(hào)接收功率，加上發(fā)射天線增益和接收天線增益得到傳播路損。其中發(fā)射天線增益根據(jù)施擾站天線傾角取-0.8°～0.8°準(zhǔn)水平區(qū)間的均值，接收天線增益固定取均值8 dB。

步驟2 對(duì)相同檢測(cè)符號(hào)檢出的多個(gè)施擾站的路損做平均，得到對(duì)應(yīng)信號(hào)傳輸距離的平均路損檢測(cè)值。

針對(duì)內(nèi)陸波導(dǎo)干擾場(chǎng)景，選取4月20日大氣波導(dǎo)干擾較強(qiáng)的1:00—7:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沿海城市A受擾較嚴(yán)重3個(gè)小區(qū)18 780條檢測(cè)數(shù)據(jù)中共篩選出942個(gè)施擾站，其中內(nèi)陸城市D 150個(gè)（平均地理距離為159 km），內(nèi)陸城市E 4個(gè)（平均地理距離為95 km），內(nèi)陸城市F 258個(gè)（平均地理距離為334 km），內(nèi)陸城市G 205個(gè)（平均地理距離為234 km），內(nèi)陸城市H 325個(gè)（平均地理距離為273 km）。不同傳輸距離不同時(shí)間的內(nèi)陸波導(dǎo)實(shí)測(cè)平均路損如圖11所示。

圖11 不同距離不同時(shí)間的內(nèi)陸波導(dǎo)實(shí)測(cè)平均路損

從圖11可看出，大氣波導(dǎo)較強(qiáng)時(shí)，100～280 km距離內(nèi)信號(hào)傳輸路損小于自由空間損耗，最多可降低10 dB；但大氣波導(dǎo)干擾信號(hào)隨傳輸距離增大衰減速度更快，每20 km平均衰減1.75 dB，在300～400 km傳輸路損大于自由空間損耗。使用平均路損數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，可得到內(nèi)陸波導(dǎo)干擾夜間高干擾時(shí)段的()取值。內(nèi)陸波導(dǎo)()二項(xiàng)式擬合曲線如圖12所示。

則對(duì)應(yīng)的路損表達(dá)式可量化為：

圖12 內(nèi)陸波導(dǎo)u(x)二項(xiàng)式擬合曲線

針對(duì)海面波導(dǎo)干擾場(chǎng)景，對(duì)4月4日大氣波導(dǎo)干擾較強(qiáng)的1:00—7:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沿海城市A受擾較嚴(yán)重的3個(gè)小區(qū)2 780條檢測(cè)數(shù)據(jù)中共篩選出80個(gè)施擾站，其中沿海城市C 3個(gè)（平均地理距離為370 km），沿海城市B 77個(gè)（平均地理距離為330 km），沿海城市A、沿海城市B、沿海城市C隔渤海灣相對(duì)，因此均為超遠(yuǎn)距離的施擾站。海面波導(dǎo)實(shí)測(cè)平均路損如圖13所示。

式（9）和式（10）分別給出了大氣波導(dǎo)干擾較強(qiáng)時(shí)刻內(nèi)陸波導(dǎo)干擾和海面波導(dǎo)干擾的典型量化路損表達(dá)式，總體而言，大氣波導(dǎo)干擾傳播路損距離較近時(shí)小于自由空間模型，但隨距離增加而快速增大，在傳播距離較遠(yuǎn)時(shí)路損大于自由空間模型，典型條件下，傳輸100 km時(shí)大氣波導(dǎo)干擾路損比自由空間模型低約10 dB；傳輸300 km時(shí)二者基本相當(dāng)；傳輸超過300 km時(shí)，大氣波導(dǎo)干擾路損約比自由空間模型大2～5 dB，后續(xù)可利用相關(guān)表達(dá)式定量估測(cè)大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度，支撐相關(guān)仿真、方案設(shè)計(jì)和預(yù)防優(yōu)化。

3 基于特征建模的大氣波導(dǎo)干擾控制體系

大氣波導(dǎo)是自然現(xiàn)象，無法從傳播途徑上進(jìn)行人為消除和干預(yù)，前期主要根據(jù)干擾源溯源后，從工程實(shí)踐角度對(duì)受擾站優(yōu)化方案進(jìn)行了諸多探索，如受擾站調(diào)整天線下傾角、受擾站優(yōu)化上行功控算法和調(diào)度算法等，不贅述[7-9]。本文將基于第2節(jié)對(duì)大氣波導(dǎo)干擾特征建模和傳播規(guī)律的研究結(jié)果，針對(duì)時(shí)域功率集總特征、頻域功率集總特征和發(fā)送天線增益等特征，從TDD幀結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)設(shè)計(jì)給出4項(xiàng)原則，提前預(yù)防和降低大氣波導(dǎo)干擾發(fā)生概率，從而實(shí)現(xiàn)全生命周期的干擾控制，可廣泛適用于5G、6G系統(tǒng)。

3.1 預(yù)防干擾的TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如第2節(jié)的分析和推導(dǎo)，大氣波導(dǎo)干擾具有顯著的功率集總特征，若能減小下行信號(hào)或增大發(fā)送信號(hào)與GP的間距，將能有效預(yù)防干擾。筆者提出下行信號(hào)按需發(fā)送、常發(fā)下行信號(hào)遠(yuǎn)離上行時(shí)隙兩項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，并在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了實(shí)踐，現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明干擾預(yù)防作用明顯，5G系統(tǒng)所受干擾比4G顯著降低10 dB以上，且發(fā)生概率顯著降低。

3.1.1 原則一：下行信號(hào)按需發(fā)送

除傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信號(hào)外，移動(dòng)通信系統(tǒng)正常工作還需要基站發(fā)送廣播信號(hào)、同步信號(hào)、解調(diào)參考信號(hào)等下行信號(hào)，為了避免功率集總，應(yīng)盡量將解調(diào)參考信號(hào)等下行信號(hào)設(shè)計(jì)為有業(yè)務(wù)時(shí)按需發(fā)送，無業(yè)務(wù)傳輸?shù)南滦袝r(shí)隙應(yīng)力爭(zhēng)做到“0功率”，從而實(shí)現(xiàn)“0干擾”。在有業(yè)務(wù)的場(chǎng)景中，將業(yè)務(wù)優(yōu)先調(diào)度在遠(yuǎn)離GP的下行時(shí)隙，等效于大幅增加GP長(zhǎng)度，可以大幅降低大氣波導(dǎo)干擾影響。理想情況下，基于下行信號(hào)按需發(fā)送原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以盡量減少常發(fā)下行信號(hào)，在無業(yè)務(wù)或低業(yè)務(wù)時(shí)，TDD系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾可趨近于0。

4G系統(tǒng)中小區(qū)公共參考信號(hào)（cell reference signal，CRS）是典型的下行常發(fā)公共信號(hào)，即使沒有業(yè)務(wù)也會(huì)在每個(gè)下行時(shí)隙全帶寬發(fā)送，成為大氣波導(dǎo)干擾的主要來源。筆者團(tuán)隊(duì)及產(chǎn)業(yè)界一起，在推動(dòng)5G幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取消了CRS，解調(diào)參考信號(hào)采用用戶級(jí)按需發(fā)送設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)下行廣播信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)信息塊（system information block，SIB）可按需發(fā)送，有效減少下行信號(hào)系統(tǒng)開銷。

3.1.2 原則二：常發(fā)下行信號(hào)遠(yuǎn)離上行時(shí)隙

對(duì)于系統(tǒng)中確需的固定常發(fā)下行信號(hào)，如同步信號(hào)、主信息模塊（master information block，MIB）等公共信號(hào)，為減少時(shí)域功率集總，應(yīng)設(shè)計(jì)為盡量遠(yuǎn)離上行時(shí)隙。同時(shí)為避免頻域功率集總，其頻域發(fā)送位置應(yīng)盡量不固定、各基站錯(cuò)開，從而降低干擾。

TD-LTE系統(tǒng)主同步信號(hào)固定在特殊子幀的第3個(gè)符號(hào)發(fā)送，距離上行時(shí)隙較近，頻域上固定占用系統(tǒng)帶寬中間約1 MHz的帶寬[10]，造成了4G大氣波導(dǎo)干擾的功率頻域凸起特征。筆者團(tuán)隊(duì)及產(chǎn)業(yè)界一起，在推動(dòng)5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，增大MIB、主輔同步信號(hào)等常發(fā)下行信號(hào)與GP的間隔，現(xiàn)網(wǎng)典型配置下保護(hù)間隔可達(dá)4G的5倍，同時(shí)還支持頻域位置靈活配置，理論上5G MIB、主輔同步信號(hào)等不會(huì)再造成大氣波導(dǎo)干擾。

TD-LTE和TDD NR的參考信號(hào)分布對(duì)比如圖14所示。

筆者對(duì)2022年10月10日內(nèi)陸城市G某縣城約100個(gè)小區(qū)的受擾情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，相同片區(qū)相同時(shí)段5G平均受擾強(qiáng)度比4G低11～19 dB，凌晨低話務(wù)時(shí)段受擾程度差距更明顯，數(shù)據(jù)表明5G的系統(tǒng)設(shè)計(jì)確實(shí)有效預(yù)防了大氣波導(dǎo)干擾。同區(qū)域4G/5G上行底噪對(duì)比如圖15所示。

3.2 預(yù)防干擾的TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

頻率和天線是TDD移動(dòng)通信系統(tǒng)大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)頻域集總特征和天線增益特征，筆者有針對(duì)性地提出控頻率、控天線的系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)原則，并基于4G現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，效果良好。

3.2.1 原則一：干擾配對(duì)區(qū)域異頻組網(wǎng)

基于受擾數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、干擾源定位數(shù)據(jù)，可得到地理區(qū)域間的互擾情況。合理規(guī)劃各片區(qū)的基站工作頻段，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端站和近端站的異頻或錯(cuò)頻組網(wǎng)，避免或降低大氣波導(dǎo)干擾。筆者對(duì)中國(guó)移動(dòng)環(huán)渤海灣的大氣波導(dǎo)干擾源檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)隔海相對(duì)的片區(qū)間干擾關(guān)系相對(duì)明確且固定，以天津沿海片區(qū)和煙臺(tái)沿海片區(qū)2017年4月的數(shù)據(jù)為例，施擾站檢測(cè)數(shù)量占比均接近60%，互為主要干擾源。

圖14 TD-LTE和TDD NR的參考信號(hào)分布對(duì)比

圖15 同區(qū)域4G/5G上行底噪對(duì)比

中國(guó)移動(dòng)在4G 1.9 GHz頻段共有30 MHz頻譜，以10 MHz為單位，分別記為F1、F2、F3，筆者團(tuán)隊(duì)統(tǒng)籌規(guī)劃了沿海城市A片區(qū)和沿海城市B片區(qū)的基站頻點(diǎn)，沿海城市A使用前20 MHz，沿海城市B使用后20 MHz，移頻前后各頻段受擾強(qiáng)度如圖16所示，沿海城市B片區(qū)F3所受干擾平均比F2下降4 dB，同時(shí)沿海城市A F1所受干擾比F2平均下降3～7 dB，控制頻率可有效降低大氣波導(dǎo)干擾強(qiáng)度。

中國(guó)移動(dòng)在5G 2.6 GHz頻段共有160 MHz帶寬，可拆分為100 MHz+60 MHz和80 MHz+80 MHz錯(cuò)頻組網(wǎng)，正積極推進(jìn)在相關(guān)區(qū)域部署。

3.2.2 原則二：降低準(zhǔn)水平區(qū)間天線增益

根據(jù)第2節(jié)的分析，單個(gè)基站產(chǎn)生的干擾信號(hào)與-0.8°～0.8°準(zhǔn)水平角度區(qū)間的天線增益強(qiáng)相關(guān)，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)天線產(chǎn)品的方向圖和基站天線下傾角，在滿足覆蓋距離要求的基礎(chǔ)上盡量將天線零陷放置于準(zhǔn)水平區(qū)間。

圖16 移頻前后各頻段受擾強(qiáng)度

對(duì)于垂直維固定波束天線，應(yīng)適當(dāng)增大下傾角或采用上旁瓣抑制窄波束天線，可大幅降低可能產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)干擾。如現(xiàn)網(wǎng)廣泛使用的8通道天線，普通天線典型的主瓣寬度為7°，如總下傾角為3°，則準(zhǔn)水平區(qū)間的平均天線增益可達(dá)12 dBi；如增大下傾角至6°，則準(zhǔn)水平區(qū)間的平均天線增益降低為－1.5 dBi；如采用上旁瓣抑制的高增益天線，主瓣寬帶僅為4°，在總下傾角保持在3°的情況下，準(zhǔn)水平區(qū)間的天線增益也降低至?3 dBi。上旁瓣抑制天線增益如圖17所示。

圖17 上旁瓣抑制天線增益

對(duì)于垂直維波束可靈活調(diào)整的大規(guī)模多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）天線，可根據(jù)用戶位置等靈活調(diào)整下行信號(hào)波束方向、合理計(jì)算天線權(quán)值等，更有效地控制準(zhǔn)水平區(qū)間的天線增益。目前5G已積極引入大規(guī)模MIMO站型，6G也有望成為標(biāo)配。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了大氣波導(dǎo)干擾的成因，并提出了海面波導(dǎo)干擾和內(nèi)陸波導(dǎo)干擾的分類方法。之后對(duì)我國(guó)大氣波導(dǎo)干擾特征進(jìn)行建模，得到時(shí)域功率集總和頻域功率集總兩大特征，并通過仿真和現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證；基于理論分析和大量現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，定量分析了干擾強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律、干擾強(qiáng)度與天線增益的關(guān)系、干擾傳播距離與地理距離的關(guān)系，區(qū)分內(nèi)部波導(dǎo)干擾和海面波導(dǎo)干擾，得到了干擾較強(qiáng)時(shí)段的精確大氣波導(dǎo)干擾路損計(jì)算式，完善大氣波導(dǎo)干擾傳播模型，對(duì)于后續(xù)預(yù)測(cè)和預(yù)防大氣波導(dǎo)干擾具有重要意義。最后基于大氣波導(dǎo)干擾識(shí)別和表征的研究成果，提出預(yù)防大氣波導(dǎo)干擾的幀機(jī)構(gòu)與組網(wǎng)設(shè)計(jì)4項(xiàng)原則，包括下行信號(hào)按需發(fā)送、常發(fā)下行信號(hào)遠(yuǎn)離上行時(shí)隙、干擾配對(duì)區(qū)域異頻組網(wǎng)、降低準(zhǔn)水平區(qū)間天線增益，通過4G/5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署實(shí)踐驗(yàn)證了方案的有效性，相關(guān)原則對(duì)于6G等TDD系統(tǒng)的后續(xù)演進(jìn)和規(guī)模應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 張瑜, 吳少華. 大氣波導(dǎo)傳播類型及特性分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 24(1): 185-191.

ZHANG Y, WU S H. Analysis of the types and characteristics of atmospheric duct propagation[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(1): 185-191.

[2] 劉成國(guó), 潘中偉. 中國(guó)低空大氣波導(dǎo)的極限頻率和穿透角[J]. 通信學(xué)報(bào), 1998(10): 90-95.

LIU C G, PAN Z W. The cut off frequencies and critical angles of tropospheric ducts in China[J]. Journal of China Institute of Communications, 1998(10): 90-95.

[3] 楊超, 郭立新, 李宏強(qiáng), 等. 大氣波導(dǎo)中電波傳播特性的研究[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 36(6): 1097-1102, 1138.

YANG C, GUO L X, LI H Q, et al. Study the propagation characteristic of radio wave in atmospheric duct[J]. Journal of Xidian University, 2009, 36(6): 1097-1102, 1138.

[4] 曲嘉杰, 李新, 鄧偉, 等. TD-LTE遠(yuǎn)距離同頻干擾問題研究[J]. 電信科學(xué), 2010, 26(10): 152-158.

QU J J, LI X, DENG W, et al. Study on TD-LTE distant co-frequency interference[J]. Telecommunications Science, 2010, 26(10): 152-158.

[5] 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.

ZHANG L, DENG W, JIANG T M, et al. Research on propagation law and optimization solutions of atmospheric duct interference for TD-LTE[J]. Mobile Communications, 2017, 41(20): 16-21.

[6] 柯颋, 吳丹, 張靜文, 等. 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)遠(yuǎn)端基站干擾解決方案研究[J]. 信息通信技術(shù), 2019, 13(4): 44-50.

KE T, WU D, ZHANG J W, et al. Study on remote-interference-management for 5G NR[J]. Information and Communications Technologies, 2019, 13(4): 44-50.

[7] 趙飛龍. 5G大氣波導(dǎo)干擾形成條件及其規(guī)避方法研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 36(1): 109-115, 126.

ZHAO F L. Forming interference of atmospheric duct in 5G and avoid method[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2021, 36(1): 109-115, 126.

[8] 劉寧. TD-LTE網(wǎng)絡(luò)大氣波導(dǎo)干擾的成因分析及防治措施[J]. 山東通信技術(shù), 2015, 35(2): 1-7.

LIU N. Cause analysis and prevention measures of atmospheric duct interference in TD-LTE network [J]. Shandong Communication Technology, 2015, 35(2): 1-7.

[9] 張濤, 賈永超, 唐行斌. 大氣波導(dǎo)干擾解決方法研究[J]. 山東通信技術(shù), 2016, 36(4): 5-9, 20.

ZHANG T, JIA Y C, TANG X B. Research on the solution of atmospheric duct interference[J]. Shandong Communication Technology, 2016, 36(4): 5-9, 20.

[10] 王映民, 孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

WANG Y M, SUN S H. TD-LTE technical principle and system design[M]. Beijing: Posts and Telecom Press, 2010.

Research on characteristic model-based atmospheric duct interference control in TDD wireless communication system

WANG Xiaoyun1, DENG Wei2, ZHANG Long2, SU Xin2, ZHAO Shizhuo2

1. China Mobile Communications Co., Ltd., Beijing 100053, China 2. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Atmospheric duct interference is a seriousinternal interference of large-scale TDD wireless communication system according to specific meteorological conditions. The causes and classification of the atmospheric duct interference were analyzed firstly. Then a typical quantitative interference signal propagation model of inland and sea atmospheric duct were proposed and the power characteristics of massive interference sources in time domain and frequency domain were verified. The feature of the proposed model is based on a large number of data in real 4G/5G network environment, which is of great significance for the prediction and cancellation of atmospheric duct interference. Finally, four design principles were proposed for the frame structure and networking in TDD system to control atmospheric duct interference based on the characteristics of the proposed model. The verification in 5G network shows that the uplink interference drops more than 10 dB by the proposed interference control principles. It will also be instructive for the design of 6G system.

TDD system, atmospheric duct interference, propagation model, interference control

TN929

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022286

2022–10–10；

2022–11–10

王曉云（1968- ），女，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司教授級(jí)高級(jí)工程師、技術(shù)部總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)技術(shù)、4G/5G/6G超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)。

鄧偉（1978- ），男，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院高級(jí)工程師、無線與終端技術(shù)研究所所長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)?G/NB-IoT/5G無線技術(shù)、空天地一體化網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

張龍（1985- ），男，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院無線與終端技術(shù)研究所技術(shù)經(jīng)理、高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)?G、NB-IoT、5G無線技術(shù)和5G垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案。

蘇鑫（1989-），女，博士，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院研究員，主要研究方向?yàn)闊o線傳輸基礎(chǔ)理論、分布式MIMO等。

趙世卓（1993-），男，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院工程師，主要研究方向?yàn)?G專網(wǎng)技術(shù)等。