TD—LTE大气波导效应导致干扰研究

刘毅+牛海涛+张振刚+孔建坤

【摘 要】为了研究如何解决TD-LTE大气波导导致的干扰问题，通过性能关联分析、定位干扰源距离与方向对问题进行定位分析，并通过抑制干扰和启用远端干扰自适应协调等方案，利用优化参数修改方式，改善了基站由于受大气波导影响造成的通话质量差等问题。

【关键词】TD-LTE 大气波导 自适应协调 降低干扰

[Abstract]In order to deal with interference resulting from TD-LTE atmospheric duct， the performance association analysis， the distance and direction localization of interference source were analyzed. The interference suppression and remote interference adaptive coordination were used. Combined with the revision of optimized parameters， the impact of bad voice quality on base station led by atmospheric duct was improved.

[Key words]TD-LTE atmospheric duct adaptive coordination interference reduction

1 引言

隨着4G网络覆盖范围越来越广，用户量发展迅速，而用户对4G网络的性能质量要求越来越高。2015年夏季开始，山东移动在维护TD-LTE网络4G业务时发现多地不同程度地出现指标波动的异常情况，主要表现为凌晨时刻，气温由低温状态进入高温状态时，LTE的性能各项指标明显降低，又在早晨日出前后约7点到8点指标恢复正常。

通过对指标变化区域的检测观察，发现该区域不定期就会发生类似指标波动情况，通过问题区域站点异常时段的日志分析，未发现设备告警，分析邻区频点等配置也未发现异常，因该问题出现时间段集中，通过外部区域信号测量，发现该类现象与外部强干扰表现相似，结合近期天气情况，初步怀疑与大气波导现象有关系，因此，本文接下来将研究大气波导对TD-LTE网络的影响并提出相应的解决措施。

2 大气波导及其对TD-LTE网络的影响

2.1 大气波导现象

在某些天气状态下会发生大气波导现象，电磁波在近地层传播时，由于大气边缘层组成复杂，会对电磁波产生较强的折射影响，使其传播轨迹向地面发生一定程度的弯曲，曲率半径随之不断增加直到大于地球表面曲率，此时大气薄层可能会捕获部分电磁波，如同电磁波进入金属质地导管内进行传播一样，我们称这种现象为大气波导效应，其传播模型如图1所示：

大气波导现象会延长电磁波的传播距离，使之产生数倍于正常传播时的距离，所以会出现通信系统中提到的远距离同频干扰，干扰模拟图如图2所示：

2.2 大气波导对TD-LTE的影响

接下来将分析大气波导现象为何对移动公司TD-LTE网络4G业务感知影响较大，从理论角度上看，TD-LTE网络采用TDD双工方式，即在相同的频带内完成信号的接收与发送，通过在相同时间轴的不同时段分别发送上行信号和下行信号。在TD-LTE帧结构中存在三种子帧结构，分别是上行子帧、下行子帧以及特殊子帧，其中特殊子帧是由DwPTS（下行时隙）、GP（保护间隔）、UpPTS（上行时隙）组成。GP只负责为上下行提供保护间隔，防止其出现“交叉干扰”，不用做传送任何形式的信号。在协议3GPP 36.211中提到以（NTA+NTAoffset）×Ts作为上行发送时间，其中NTAoffset固定为624个Ts，带入公式可得上行发送时间为1/30720×624=20.3125μs。

GP1=GP时间-GP2，考虑到一个特殊子帧共包含14个符号，而且一个特殊子帧的总长度为1 ms，如果特殊子帧配比GP符号数为x时，则可计算GP1最小的传输时间为t=（x/14）×1000-20.3125，单位为μs。

换算成基站间距S=t×C={1000（x/14）-20.3125}×C（C为光速，C=（299792.50±0.10） km/s，一般取300 000 km/s）。因此，TD-LTE下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GP，就造成了交叉时隙干扰。大气波导影响会造成全频段的底噪整体抬升，将严重影响系统的接入、切换及掉线等KPI，用户感知极差。

总体来说，较远处基站的特殊时隙DwPTS（下行时隙），因大气波导传输后超过保护时隙GP，落在近处基站UpPTS，造成上行干扰（影响MSG3与MSG5等与上行相关的信令等信息），从受影响时隙来看，大气波导主要严重影响上行业务（接通、掉线等指标）。

接下来本文将深入分析大气波导影响特性，通过特征序列定位干扰源等技术手段对大气波导规避做相关探索实践，以期待能降低大气波导对系统性能及用户感知的影响。

3 大气波导干扰特性分析

通过分析大气波导现象影响，发现大气波导具有一定的地域、时段及方向特性。

3.1 地域性

从统计到的干扰区域来看，受干扰站点主要集中分布在农村以及建筑物稀少的郊区，受干扰站点周围无遮挡物，较为空旷。

从地势来看，受干扰区域大部分为平原地区，受到超远距离的干扰可能性大。疑似干扰源区域呈现如图3所示：

3.2 时间性

从大气波导干扰出现的时间段来看，干扰集中在凌晨到早晨10点左右，干扰每次出现维持的时长与强度不同，且干扰并不是每天都出现。由此可见，大气波导波导的强度、厚度、发生时间无明显规律。

从图4可见，对干扰区域当日3点、5点、7点、9点的干扰程度渲染，发现干扰为多区域多地点，统一时刻底噪抬升，不存在小区域或者单一站点强干扰源的情况。大气波导干扰前期主要集中在南面的三个区域，随时间的推移向北移动，10点前后北面的两个地区干扰最为强烈，10点半之后所有区域干扰逐渐消失，且15分钟内全境的干扰全部退去。

3.3 方向性

从反向频谱数据解析，被干扰小区整个上行子帧干扰电平均在-110以上，假设干扰源特殊子帧配置为9：3：2，则干扰源可能分布在距离被干扰区域64 km～

407 km之间的区域。

受干扰小区主要为1和2小区，1小区受干扰较为严重，2小区受干扰较少，这说明了干扰传播具有方向性，干扰小区渲染结果如图5所示。

而此类气温异常导致的大气波导现象影响区域除山东外，也包括江苏淮安周边等区域。

4 大气波导现象应对方法探究

针对大气波导所具有的地域性、时间性、方向性的特征，可以从两个方向进行应对和规避，即顺应干扰改变时隙配比和提升上行质量。

顺应改变时隙配比是指在受到干扰后将特殊时隙配比9：3：2时隙改为3：9：2（F频段时隙配比改变，各载波不会产生内部干扰），但是前提是设备实现干扰检测。提升上行质量是指当远端收到干扰后，通过功率控制等方式增加手机上行功率，间接提升上行质量来规避干扰。

经与集团研究院及厂家专家交流，目前第一方向需各厂家均实现干扰检测，集团正在立项研究，暂时无法实现。第二个方向可通过优化参数修改或信道特殊位增加分发来实现。

所以根据现有的条件，结合该指标出现的频次及处理的紧急程度，决定先从第二个方向入手进行大气波导干扰问题处理。

提高上行质量的有效方式，经研究分析主要有三种，分别是改变功率门限降低干扰影响、定位干扰源降低干扰强度和干扰自适应提升基站解调能力，下面对这三种方法进行深入探讨。

4.1 改变功率门限降低干扰影响

影响性能指标下降的原因主要是MSG3和MSG5未成功接收。可以考虑从提高MSG3和MSG5的接收可靠性来缓解干扰对性能的影响。

通过参数尽量提升Ue发射功率实现，或通过MSG1解调门限提高限制差点用户的接入来实现，在干扰为-99 dBm时，MSG3接入次数约为无干扰时的80%。

4.2 定位干扰源降低干扰强度

当受到远端干扰时，根据性能指标的变化，动态调整上行功控策略，提高上行解调能力，缓解干扰对系统性能的影响。

受到远端干扰时，在DwPTS上发送特征序列，同时在UpPTS和上行子帧上进行特征序列的檢测，特征序列中包含PCI信息，通过解析特征序列识别干扰源小区的PCI和距离。

各小区在不同帧号上周期发送特征序列，在UpPTS和正常上行子帧上通过特征序列的检测，解析PCI，采用具有良好相关性的时域ZC序列，为了保持序列的连续性，符号7上的CP在前面，为2048点特定序列后面的144点；符号8上的CP在后面，为2048点特定序列前面的144点，具体如图6所示：

通过制定1193的特征序列，对移位个数和相关性进行分析，1193的ZC序列长度正交性好，相关峰值比噪声高30 dB，抵抗干扰和噪声的能力强。

现场效果验证如下：

在受干扰区域内选取了三个受大气波导影响严重的LTE站点，通过加入远端干扰抑制和规避测试位码，来解决大气波导干扰问题。

参数修改完成后，提取修改前9月26日～10月9日的指标，与修改后10月10日～10月15日指标进行对比，发现重度干扰下，各项指标均得到很好的提升，满足预期需求。在中度和轻度干扰情况下，掉线率改善明显，其他指标受影响程度较差，无改善需求，故也得以满足，具体对比效果如表1所示。

4.3 干扰自适应提升基站解

调能力

利用大气波导的互易性，远端基站的上行信号会受到来自大气波导远端干扰基站的下行信号影响。

当检测到受到远端干扰时，在DwPTS上周期性地发送特征序列，并周期检测特征序列上上行子帧和上行时序，当多个连续的周期都检测到特征序列时，自动回退为3：9：2，停止DwPTS上的发送，以减少对远端基站的干扰，并通过特征序列解析出干扰源小区的PCI。

如果检测到连续多个周期都未出现特征序列时，则特殊子帧配比自动恢复为9：3：2，从而减少3：9：2配比下对系统性能的损失，远端干扰自适应流程图如图7所示：

特殊子帧设置为9：3：2时，不干扰UPPTS的理论安全距离为64.3 km，而不干扰上行子帧的理论安全距离为107.2 km；特殊子帧设置为3：9：2时，不干扰UPPTS的理论安全距离为192.8 km，不干扰上行子帧的理论安全距离为235.6 km。

大气波导干扰由于其形成的特殊性导致其影响范围特别广、距离特别远，存在叠加干扰等情况，且各设备站点间存在相互干扰，需各站点统一采取规避动作。

现场效果验证如下：

检测到强干扰后，基站自动对上行信令及反馈的调度进行UL MCS，根据信噪比选阶后适当降阶，降阶后在保证强干扰的情况下，提升上行解调能力，提升信令的健壮性，对接入/掉话性能有提升。

阶数越低，会占用更多RB，干扰多为凌晨出现，用户较少，根据干扰强度自动执行与退出该方案，影响可控。只针对上行信令进行降阶，不影响数据资源的调度。

参数修改后出现三次大范围干扰，从改善度看，无线掉线率满足预期要求，无线接通率在重度、中度干扰下满足要求，在轻度干扰时，由于本身指标较好（99.75%，全网平均水平），因此改善有限。具体数值如表2所示：

5 结束语

本文通过对指标性能关联、干扰源距离与方向分析等方法对问题进行定位，最终确认为大气波导效应导致通话干扰问题，通过定位干扰源抑制干扰和远端干扰自适应协调两个维度，利用优化参数或者版本集中修改参数来解决大气波导干扰问题，提升了基站调节能力，降低了基站侧的干扰强度，改善了基站由于受大气波导问题造成的不良影响。

通过这一系列的措施，使得山东移动全省性能在升级之后保持一个健康值，提升了用户感知度，进而保障了用户黏性。

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