TD-LTE大氣波導干擾傳播規律及優化方案研究

張龍，鄧偉，江天明，左怡民

（1.中國移動通信集團公司研究院，北京 100053；2.中國移動通信集團公司，北京 100032）

TD-LTE大氣波導干擾傳播規律及優化方案研究

張龍1，鄧偉1，江天明1，左怡民2

（1.中國移動通信集團公司研究院，北京 100053；2.中國移動通信集團公司，北京 100032）

為了研究針對TD-LTE大氣波導干擾的高效優化方案，首先對現網數萬小區的干擾源定位結果進行分析，發現大氣波導干擾傳播距離與地理距離基本相當、強度隨傳播距離快速下降等干擾傳播規律；然后針對性地提出了包括算法優化、時域優化、頻域優化、空域優化在內的綜合優化方案，并在現網對關鍵方案進行了測試；最后驗證了方案的有效性。

TD-LTE 大氣波導 干擾源定位 傳播規律 干擾優化

1 引言

大氣波導是特定氣象、地理條件下發生的一種自然現象，主要與溫度、水汽密度隨高度劇烈變化有關[1]。大氣波導發生時，TDD通信系統遠端基站的下行信號經數百公里的超遠距離傳播后仍具有較高的強度，可能對近端基站的上行接收造成嚴重干擾，稱為大氣波導干擾。大氣波導干擾具有發生頻度高、影響范圍廣、受擾程度嚴重等特點，嚴重影響網絡質量，是近期TD-LTE現網優化面臨的一大難題。本文將基于最新的理論分析和測試結果，研究大氣波導干擾傳播規律，并給出針對性的優化建議。

2 大氣波導干擾傳播規律

2.1 大氣波導干擾宏觀統計特征

通過對全國受擾情況的宏觀統計，得到大氣波導干擾的特征如下：

（1）發生頻度高。干擾主要發生在每年的3～10月，通常4～8月最為嚴重，嚴重省份每個月可有過半天數受擾。一般白天干擾較弱，凌晨最強。

（2）影響范圍廣。全國多個省份均發生過大氣波導干擾，華北和華東諸省受擾尤為嚴重，嚴重時省內大部分地市均受擾，可同時影響數萬個小區。F頻段和D頻段均受擾，其中農村F頻段受擾最嚴重。

（3）受擾程度嚴重。全頻帶受擾，底噪最多可抬升30 dB，中間6個PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）尤甚（約比其他PRB高2 dB～5 dB）。接入成功率、上行速率等各項業務指標惡化嚴重，嚴重影響網絡上行性能，極端情況甚至影響部分用戶接入，容易造成大面積用戶投訴。

2.2 大氣波導干擾源定位方案

由于大氣波導干擾發生時間不固定且范圍廣，通過傳統掃頻等方式難以有效定位干擾源，因此創新性地提出了基于特征序列的大氣波導干擾源定位方案，并聯合產業界進行了實現。

大氣波導干擾源定位方案將可精確表征基站信息的基站編號編碼為特征信息，并設計具有良好檢測性能的自相關序列，施擾基站通過在特定下行符號特定頻域位置發送特定的自相關序列表征特征信息，相應的該序列稱為特征序列。受擾站在上行符號持續進行特征序列檢測，若檢測到則可準確認為受到了大氣波導干擾，且可根據特征序列的檢測符號檢測頻率等信息恢復出特征信息，并進一步解析得到施擾站的基站編號，從而實現精確的干擾源定位。特征序列發送端和接收端的相關處理流程如圖1所示：

圖1 特征序列發送端和接收端流程圖

該方案已在多個省份規模商用部署，成功實現了跨地市、跨省份的大氣波導干擾源基站級精確定位，填補了業內空白，為量化研究大氣波導干擾傳播規律提供了有效手段，并為有效解決大氣波導干擾奠定了基礎。

2.3 大氣波導干擾傳播規律

基于多個地市大氣波導干擾源定位結果的詳細分析，通過對大氣波導干擾傳播規律進行深入研究，得到了如下初步結論：

（1）干擾源分布隨時間變化規律

沿海城市和內陸城市干擾源分布差異較大。內陸城市干擾源距離分布相對較集中，86 km～129 km的干擾源占比較高。沿海城市同時受海面波導干擾和內陸波導干擾影響，干擾源距離分布存在兩個峰值：280 km～340 km的主要為隔海相望沿海地市的干擾源；小于236 km的主要為內陸地市的干擾源。進一步分析發現，隔海相望的城市容易成為固定的干擾對，即A是B的主要干擾源，B也是A的主要干擾源。

不同時刻大氣波導干擾源分布差異較大。大氣波導效應不太強時（如3月8日），干擾源分布較為集中；大氣波導效應較強時，干擾源分布范圍擴大，大于150 km的遠距離干擾源增多。具體如圖2所示。

圖2 不同地市、不同日期干擾源距離分布CDF圖

（2）干擾信號傳播距離與地理距離的關系

通過特征序列檢測符號可以得到干擾信號傳播時長，從而推算出干擾信號傳播距離，經過對比施擾站與受擾站間的地理距離，發現大氣波導干擾信號傳播距離略大于地理距離，推測信號傳播路徑較為簡單，近似為曲線傳播，未經歷多次反射。同時，沿海城市也存在少量信號傳播距離遠大于地理距離的情況，推測其傳播路徑類似雷達反射波。

（3）干擾信號強度分布

統計發現，單個施擾站產生的干擾強度主要分布在-130 dBm/PRB～-90 dBm/PRB。

通過統計同一小區檢測到的不同距離干擾源單個特征序列檢測強度的變化情況，在施擾站發送功率相同的情況下，可以近似得到干擾信號強度隨距離變化的規律：干擾強度隨信號傳播距離增大而下降，平均每20 km下降1 dB～2 dB（略快于自由空間傳播模型），且下降幅度隨距離的增大而遞減。具體如圖3所示。

（4）主要施擾站特征

通過分析多個地市的特征序列檢測結果，發現主要施擾站對網絡性能影響最嚴重：按干擾到的基站數算，排名前50的施擾站每個站都可干擾到上千個基站，最多可達1 600個；按特征序列被檢測到的次數算，前20%的施擾站產生了全網80%的干擾。

進一步分析主要施擾站的特征，發現站高大于30 m、天線下傾角小于9°的基站容易成為主要施擾站，山區高海拔且周圍無遮擋的基站容易成為施擾站。此外，理論分析認為干擾具有互易性，即產生干擾多的基站受擾也應該很嚴重。通過對主要施擾站的受擾情況進行分析，發現主要施擾站的峰值受擾強度普遍較高，符合預期。

圖3 干擾強度隨傳播距離變化圖

3 大氣波導干擾優化方案

大氣波導干擾是TDD系統的固有頑疾，難以從根本上徹底消除，但可以通過施擾站和受擾站協同優化，從算法、時域、頻域、空域等全方位進行優化，以降低干擾影響。

3.1 算法優化

通過優化受擾站的功控、調度和解調算法，最大程度地提升基站的抗干擾能力，可以有效緩解大氣波導干擾造成的上行性能下降。

（1）優化功控算法

通常基站的上行功控算法以控制相鄰小區間的相互干擾為主要目標，因此會盡量避免過分抬升小區內用戶的上行發射功率。大氣波導干擾發生時，外部干擾占主要因素，基站可改為使用激進的功控策略，包括調整開環功控參數和閉環功控算法，盡量提升用戶尤其是初始接入用戶的發射功率，從而提升上行信噪比，盡量避免接入失敗和速率下降。

（2）優化調制編碼等級自適應算法

大氣波導干擾發生后，用于上行信號質量評估的探測參考信號測量不準，用于下行信號質量評估的信道質量指示消息等容易漏檢、誤檢，調制編碼等級自適應算法性能下降。基站可改為使用保守的自適應策略，降低空口傳輸，尤其是上行信令傳輸使用的調制編碼等級，以提高信令傳輸的可靠性。

（3）優化解調算法

由于大氣波導干擾信號強度隨傳播距離增大而下降，因此通常上行子幀中離保護間隔越遠的符號所受干擾越小，即上行子幀第二列解調參考信號所受干擾通常大幅度低于第一列解調參考信號，基站可針對性優化信道估計算法，更多地利用第二列解調參考信號進行解調，以提高解調性能。

上述優化方案已在現網規模部署，大幅提升了基站的抗干擾能力，在干擾不太強時（如底噪抬升不超過10 dB時）基本不影響用戶接入成功率等關鍵指標。

3.2 時域優化

TDD系統上下行同頻，通過設置保護間隔來避免上下行之間的干擾[2]。在現網常用的9：3：2配置下，保護間隔長3個OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）符號，可避免干擾64 km傳播距離外的基站。若回退為3：9：2配置，保護間隔長度增加6個符號，可避免干擾192 km傳播距離外的基站，如忽略掉主同步信號對中間6個PRB的干擾以及對上行前導時隙的干擾，則干擾避免距離可進一步提升至278 km。

回退特殊子幀配置由施擾站實施，對受擾站有益，考慮到干擾互易性，通常全網統一調整。2017年二季度，華北六省進行全網回退3：9：2，優化效果明顯，具體如下：

（1）修改前后兩周，地市級峰值干擾強度平均下降3 dB，地市級峰值高干擾小區占比下降幅度約25%，高干擾時長減少67%。

（2）利用干擾源定位結果（數量和強度等）對優化效果進行歸一化，相同大氣波導強度下高干擾小區占比降幅可達25%～70%，超高干擾小區降幅尤為明顯。

特殊子幀配置可基于特征序列檢測結果自動進行，在不受擾時使用9：3：2配置，提升網絡下行吞吐量；在受擾時自動回退為3：9：2，控制干擾。此方案也已在現網完成小規模驗證，效果符合預期。

3.3 頻域優化

大氣波導干擾是遠端基站下行信號對同頻近端基站上行接收造成的干擾，如果能夠將遠端施擾基站和近端受擾基站的頻點錯開，則可以有效降低干擾。具體如下：

（1）固定干擾對間錯頻組網

前期測試發現存在固定的干擾對，即地市A容易成為地市B的主要干擾源，同時地市B也容易成為地市A的主要干擾源，針對這種場景，可以考慮統一協調地市A和地市B錯頻組網。針對F頻段，可用帶寬共30 MHz，可考慮分別使用前20 MHz和后20 MHz帶寬組網，并通過優化隨機接入信道參數配置、開啟頻選調度功能，最大程度地降低大氣波導干擾影響。此方案在渤海灣區域進行了驗證，移頻后非頻率交疊頻段的地市級干擾強度下降3 dB以上，單站可達7 dB。

（2）主要施擾站移頻

前期測試發現主要施擾站影響嚴重，排名前20%的施擾站產生了全網80%的干擾，因此需要重點對主要施擾站進行優化，如調整至F頻段最后10 MHz。移頻后主要施擾站和非主要施擾站間不再相互干擾，主要施擾站間由于站間距拉大，相互干擾程度也會進一步降低，預期主要施擾站移頻后全網干擾水平會有明顯下降。

3.4 空域優化

理論分析大氣波導干擾主要由天線向上的信號分量產生，包括天線的上旁瓣和下傾角較小時主瓣朝上的部分。前期測試結果也證實了理論分析，下傾角較小的站容易成為主要施擾站，也容易成為主要受擾站。因此，通過施擾站和受擾站調整天線，可以有效降低大氣波導干擾，但由于涉及工程調整并可能導致覆蓋收縮，建議僅針對主要站點進行優化。具體如下：

（1）增大天線下傾角

前期測試表明，將天線下傾角由5°增大到10°，單站干擾可下降7 dB。除了固定增大天線下傾角外，還可更換天線為遠程電調天線，在發生大氣波導影響時通過網管指令臨時調整天線下傾角至合適角度，在大氣波導消失后恢復正常配置。

（2）更換高增益天線

高增益天線主瓣寬度由7°降低為4°，在相同下傾角下主瓣朝上的部分顯著下降。此外，高增益天線對上旁瓣也有進一步的抑制，前期測試表明，更換高增益天線后可降低單站干擾強度3 dB～5 dB。

3.5 小結

各優化方案的適用對象、范圍和優化效果簡單總結如表1所示。

表1 優化方案匯總表

綜合考慮各項方案的改造成本和優化效果來看，建議優先部署算法優化方案，之后部署回退特殊子幀配置（含自動回退）方案。如果優化后干擾仍較強，對于干擾關系固定的區域，則部署錯頻組網方案；對于其他區域，則部署主要施擾站移頻方案。如果優化后仍存在極少數高受擾站點，可通過增大天線下傾角進行優化。

4 結束語

本文從宏觀統計角度，介紹了大氣波導干擾發生頻度高、影響范圍廣、受擾程度嚴重等特征，然后基于創新設計的大氣波導干擾源定位方案對干擾微觀傳播規律進行深入分析，得到了干擾源分布隨時間變化規律、干擾信號傳播距離與地理距離的關系、干擾信號強度與傳播距離的關系和主要施擾站特征等規律。針對大氣波導干擾傳播特點，從算法、時域、頻域、空域角度給出了適用于施擾站和受擾站的綜合優化方案，并重點在現網對回退特殊子幀配置、錯頻組網等方案進行了驗證，證明了方案的有效性，試點省份高干擾小區占比、干擾強度等網絡指標均有明顯好轉，用戶體驗得到有效改善。

后續將利用大數據分析方法對干擾源定位數據進一步深入分析，提煉高受擾站的工參等特征，為下階段的網絡建設提供指導意見。同時還將在更大范圍進行優化方案的驗證，并基于測試結果對優化方案進行改進，探索其他優化方案。

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Research on Propagation Law and Optimization Solutions of Atmospheric Duct Interference for TD-LTE

ZHANG Long1, DENG Wei1, JIANG Tianming1, ZUO Yimin2
(1. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China;2. China Mobile Communications Corporation, Beijing 100032, China)

In order to study the ef fi cient optimization scheme on atmospheric duct interference for TD-LTE, the interference localization results of existing tens of thousands of cells were analyzed firstly. Some interference propagation laws were unveiled, including that the propagation distance of atmospheric duct interference is basically equivalent to the geographical distance and the intensity decreases rapidly with the propagation distance. Then, the comprehensive optimization scheme including algorithm optimization, time-domain optimization, frequency-domain optimization and spatial domain optimization was proposed pertinently. In addition, the key schemes were tested in existing networks. Finally, the effectiveness of this scheme was verified.

TD-LTE atmospheric ductinterference localization propagation lawinterference optimization

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.003

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0016-06

張龍,鄧偉,江天明,等. TD-LTE大氣波導干擾傳播規律及優化方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 16-21.

2017-06-25

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

張龍：工程師，碩士畢業于電信科學技術研究院，現任職于中國移動通信集團公司研究院，主要研究方向為LTE、5G無線技術。

鄧偉：高級工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，主要研究方向為LTE、5G無線技術。

江天明：工程師，碩士畢業于電子科技大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，主要研究方向為LTE、蜂窩物聯網、5G無線技術。