大氣波導通信技術對TD—LTE產生的干擾及優化方案研究

楊波

摘要：大氣波導是一種由于對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層次，在該層中超短電波形成超折傳播，使得大部分電磁波被限獲在這一層內傳播的現象，發生大氣波導傳播以后，使TD-LTE網絡超出了TDD系統的上下行保護間隔致使產生遠距離同頻干擾，造成用戶不能與系統實現同步，導致用戶注冊不成功或者用戶掉線，嚴重影響客戶感知，本文對大氣波導現象形成進行了分析，以及對TD-LTE的干擾特性進行說明，介紹了幾種規避方案，并進行優劣對比。

關鍵詞：大氣波導；超折射傳播；保護間隔；同頻干擾

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0018-03

1 引言

大氣折射受到溫度、大氣壓、濕度變化的影響，隨著一天內時間的變化，當溫度遞減遠弱于標準大氣而濕度遞減遠大于標準大氣的時候，位于大氣邊界層尤其是在近地層傳播的電磁波，會被限獲在一定厚度的大氣薄層內，其傳播軌跡彎向地面，就像電磁波在金屬波導管中傳播一樣，傳播損耗很小，實現超視距傳輸，這種現象稱為電磁波的大氣波導傳播。

近兩年來，隨著TD-LTE網絡建設和運營的不斷擴大，大氣波導傳播現象帶來的干擾造成對TD-LTE網絡的運行指標惡化，嚴重時候使用戶無法接入或業務異常中斷，因此，解決TD-LTE大氣波導干擾，是當下TD-LTE網絡優化討論的一個課題。本文介紹了大氣波導效應的形成原因、分類、規律及其對TD-LTE網絡的影響，重點從緩解方面闡述了大氣波導的預防措施。

2 大氣波導形成

大氣是一種不均勻的介質，無線電波在大氣層中傳播時，由于在其中的傳播速度變化而產生的效應稱為大氣折射，它對通信、雷達定位、多普勒測速、導航都有影響。

大氣折射指數分布受到大氣壓強、溫度、水分含量、二氧化碳等其它成分含量的影響而不同，按照球面斯涅耳定律，射線在空間彎曲的方向和程度也有所不同，可分為正折射（P/R0>0）、負折射（P/R0<0）、標準折射（P/R0=4）和超折射（P/R0<1）（射線曲率半徑為P（彎向地面為正，背向地面為負），地球半徑為R0）。無線電波在對流層和下電離層（其電子密度小于電離層電子密度最大值）中傳播時通常產生正折射；而在上電離層中傳播時產生負折射；正折射和超折射會增加通信距離，負折射則會降低通信傳輸距離，其隨大氣折射率的傳播差異如圖1所示。

此時如果dN/dH<-0.157甚至越小，大氣就呈現出限獲折射條件，導致電磁波射線曲率遠小于地球半徑，就會被限獲在大氣層內，經地面反射后再繼續向前傳播，周而復始地傳播一段距離，形成大氣波導現象。

3 大氣波導的分類

對流層的大氣波導現象通常分為三種：蒸發波導、表面波導和抬升波導。前者主要形成于海洋上空，后兩種陸地和海洋均有發生。

（1）蒸發波導：蒸發波導是海洋大氣環境中常出現的一種特殊表面波導，它是由于海面水汽蒸發是近海面小范圍內大氣濕度隨高度銳減而形成的。蒸發波導隨地理緯度、季節和一天內的時間不同有關，通常發生在低緯度海域的夏季白天。

（2）抬升波導：懸空波導是指大氣層的下邊界處于懸空狀態，此時就會產生一個懸空大氣波導，通常發生于一個3000m的高度下。

（3）表面波導：表面波導發生于日常大氣環境中，比如在一個天氣晴好的穩定環境中，底層大氣通常具有重要的穩定逆溫層，此時這個逆溫層就會隨著濕度增加逐漸減少，發生表面波導，通過統計發現，高度低于300米的邊界層大氣中容易發生表面波導。

目前對TD-LTE來說，產生干擾的主要原因是表面波導。形成該表面波導的氣候條件主要是低層大氣存在較穩定的逆溫層，且濕度隨高度遞減；或者雨后造成近地層下層大氣又冷又濕的情況。

4 大氣波導傳播形成的基本條件

電磁波在大氣中傳播，當遇到大氣波導現象時候不一定就能產生大氣波導傳播效應，因為在特定氣象條件下產生的大氣波導能否將大氣中傳播的電磁波捕獲到波導層中形成波導傳播，還取決于該電磁波的波長、發射源以及波導所處的相對位置以及發射源的發射角度等。

4.1 電磁波波長對產生大氣波導傳播的影響

按照對流層折射理論，要形成波導傳播，電磁波與相應的頻率、波導厚度以及大氣折射指數M三者之間存在關系，對表面波導來說，假設大氣在地面的折射率為1，由地面發射的電磁波形成波導傳播的最大波長Ahmax與波導厚度d、大氣修正折射垂直梯度dM/dH之間的關系為：Ahmax=25*103*（-dM/dH）1/2*d3/2。

由此可以看出，大氣波導的厚度和強度越大，則形成波導傳播的波長上限越大，這時，當波導厚度遠大于波長時，才能形成波導傳播。

4.2 電磁波發射角對產生大氣波導傳播的影響

當波長足夠短的時候，電磁波傳播可以用射線理論來近似。當電磁波的入射俯仰角遠大于穿透角的時候，就不會發生波導傳播，電磁波形成波導傳播的臨時角示意如圖2所示。

對于表面波導，如果電磁波發射源位于地面，并在波導頂處發生全反射，當波導層內厚度很薄時，發生全反射時發射源臨界俯仰角θc與波導強度、波導的厚度h的關系如下：

θc2=-2*106*h*（dM/dH）=2*106*（波導強度）

由此可以看出，當波導強度和波導層的厚度越大，其對應的電磁波全發射的角度的上限越大，顯而易見，如果當發射仰角小于了該臨界角，則就會產生波導傳播。

4.3 大氣波導傳播形成的條件

綜上所述，要產生大氣波導傳播，必須遵循以下幾個條件才能實現。

（1）對流層中大氣空間一定滿足大氣波導存在的2個基本條件；（2）對流層中發生大氣波導的厚度要遠遠大于在其傳播電磁波的波長；（3）電磁波的發射仰角小于在波導層內發生全反射時的角度。

5 大氣波導傳播干擾TD-LTE原因分析

由于TD-LTE系統采用時分雙工的工作方式，上行和下行頻率對稱，在TD-LTE的幀結構中，引入了特殊子幀的概念，特殊子幀分為下行時隙、上行時隙和保護間隔。保護間隔的目的就是為了TDD時分雙工系統的特殊設計，不傳送任何信號，避免在非設定的時隙中發送或接收信號。

由于傳輸時延的原因，當發生波導傳播而引起基站超遠距離傳輸時，遠端基站的下行無線信號容易造成本端基站上行無線信號的干擾，也就是說，傳輸時延超出了配置的保護間隔GP，結果是遠處基站的下行信號落到了近處基站的上行時隙范圍內，造成TDD系統的交叉時隙干擾。

6 大氣波導傳播對TD-LTE系統的干擾特征

一般來說，由于海洋大氣環境的水平均勻性較好，容易形成大氣波導的天氣條件，因此大氣波導現象經常出現在海洋大氣環境中。在陸地上，由于受到地形的影響，大氣的水平均勻性經常受到破壞，只有在平坦荒蕪地區或沙漠地區才會容易出現大氣波導現象。

就目前TD-LTE受到干擾的區域來看，臨海的省份與與臨海省份毗鄰的省份都受到了不同程度的干擾，但是，受干擾的時長和強度不盡不同，主要是由于大氣波導的強度、厚度、發生時間無明顯規律，隨機性較大造成，這對精確定位干擾源造成了很大的難度。

7 大氣波導傳播干擾優化方案分析

大氣波導受到氣候、地形等環境影響，突發性和隨機性較大，目前確定干擾源的方法只能是通過網優監測，并沒有一個行之有效及時消除大氣波導干擾的方法，只能根據受干擾的情況，對干擾基站和受干擾基站進行臨時優化調整參數進行避免；隨著時間的變化，大氣波導效應又逐漸消失，此時，必須根據網絡負荷情況，將參數進行恢復，具體的解決思路有以下幾種，需要根據基站所處的環境不同、業務量以及覆蓋情況進行合理選擇。

（1）通過功率控制進行優化調整：當出現大氣波導干擾時，提高UpPTS的功率。目的是提高解調信噪比，進而提高解調性能。但是這樣做，相當于提高了LTE總體的功率值，會不利于接收功率的均衡；再者，如果此時用戶處于小區邊緣，就會導致基站沒有功率提升的空間，這樣一來不但沒有起到規避大氣波導干擾的作用，反而會加重小區間干擾協調ICIC的負擔，進一步加劇小區間的干擾。

（2）調整上下行保護間隔的長度，規避干擾：TD-LTE中保護間隔GP保護間隔設置越大，交叉干擾越小，從而可以規避大氣波導效應干擾，目前，TD-LTE系統中為了保證下行速率，特殊子幀配比多數為9：3：2，這個時候如果將特殊子幀配比修改為3：9：2，則可以將保護距離增加192.8公里，但是由于GP設置過長，不僅會對資源造成浪費，也會對基站下行小區的峰值速率和小區容量造成影響，同時，由于波導干擾也會引起疊加干擾，要及時調整受干擾和受干擾周圍若干基站的特殊子幀配比，優化工作量增加，也會周邊乃至相鄰業務區的基站性能產生影響。

（3）PRACH自適應規避干擾：當確定了受擾基站是受到遠距離同頻干擾后，受擾基站PRACH自動改為非Format4格式，避免隨機接入受擾，使得上行性能損失較小，在遠距離同頻干擾多發地區，也可以將PRACH信號固定在非UpPTS的上行時隙，將可能受擾基站的PRACH移到不會受到干擾的其他上行時隙（例如第2個上行時隙），以避免遠距離同頻干擾的發生。

（4）LTE多頻組網，規避干擾：眾所周知，TDD系統的同頻組網和特殊子幀的配置是大氣波導干擾的主要原因，如果在干擾區域適當采用20MHz和10MHz插花組網。既可以規避到頻干擾下的時隙交叉干擾，所以從根本上有助于問題解決。但是，這是一種理想情況，目前TD-LTE已經大規模同頻組網運營五年以來，是不可能隨便進行調整的，不僅會增加網絡優化工作的難度也可能會帶來很多問題。所以這個策略，需要謹慎使用，在現有情況下，不會貿然使用。

（5）調整天線的下傾角來規避干擾：這個策略是從本質上對電磁波的入射角度進行了改變，也就是說改變了形成超折射的輸入條件。但是大氣壓強、溫度和濕度等因素也會隨著環境的變化而變化，發生大氣波導的厚度也是隨之而變化，很難精確求得臨界角。除此之外，由于受到電磁波傳播環境的影響，我們只是根據自由空間下的傾角計算來粗略估算天線下傾角，當出現波導傳播現象的時候，只能在日常優化中進行電調或手動加大發射角，并根據不同的結果再進行網絡路測來確保調整后的天線傾角不會對現有覆蓋造成弱覆蓋，相應的人力成本投入勢必會增加，因此，這個方法只能是暫時得到了解決，卻容易產生覆蓋空洞而造成新的網絡問題。

（6）降低基站高度來規避干擾：根據大氣波導產生的干擾原理可以看出，天線掛高對大氣波導干擾有一定的抑制作用，是一種看似十分合理的方案，但是，在目前4G網絡建設已經進入一站址難求的今天，降低天線掛高對增加網絡投資成本有很大的影響，因此，這種方法只能在那種廣大農村區域，用戶量不大的情況下，適當考慮使用，但是，并及時注意天線掛高變化后對覆蓋區域的變化，并及時做好網絡投訴問題處理。

（7）增加零限天線或替換高增益天線來規避干擾：為了規避波導傳播干擾，在接收端實施工程改造，設計一個專用的無線信號屏蔽罩，在數據垂直面上設置專業的屏蔽罩，這樣就可以為屏蔽罩增加一個“零限”天線，這個天線能夠利用3DMIMO中實現垂直的操作，更好的降低大氣波導為TD-LTE系統帶來的干擾。

除此之外，對干擾源進行替換高增益天線，相對于普通天線來說，具有方向性更強、波束窄、信噪比增強等特點，其信噪比可提升6dBm，從而可降低大氣波導的干擾。

（8）引入FDD彌補大氣波導干擾帶來的影響：考慮到LTEFDD系統自身對大氣波導干擾規避能力，同時考慮到以上幾種規避措施并不是十分有效，建議TD-LTE運營商積極探索FDD建設模式，加強物聯網NB-IOT建設力度，盡早實現網絡轉型，并加強與政府的協商，盡早給予FDD網絡建設許可，充分利用現有站址資源，疊加FDDLTE網絡，補充由于大氣波導干擾造成的TD-LTE網絡性能的缺失，或者從業務量、大氣波導干擾較為嚴重的區域優先考慮FDD網絡建設，建成以后的FDDLTE網絡在網絡分流上也起到一定的作用。

8 結語

大氣波導干擾發生于不同的時段和區域，受到季節氣候、土地資源、河流湖泊、山地丘陵等影響，大氣波導具有較強的不確定性和差異性，對TD-LTE通信具有許多的不利影響。本文針對大氣波導傳播產生的原理進行分析，從TD-LTE幀結構時隙以及工程角度提出了幾種規避干擾的方法，雖然并不能從根本上消除大氣波導干擾現象，但是對解決大氣波導干擾具有積極的意義，對提高TD-LTE運營質量有一定的幫助，同時，盡快獲得FDD牌照也是對TD-LTE網絡的一種彌補。

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