TDD系统大气波导干扰研究与应对

仇勇，郑英，魏志刚，张强

（中国移动通信集团江苏有限公司，南京 210000）

TDD通信系统易受干扰，且干扰源繁多，涉及网内网外。从现网情况来看，大气波导干扰（远距离同频干扰）影响最为严重。大气波导干扰出现频次高、范围广、影响大，波导期间用户业务感知严重恶化，严重影响客户对移动4G网络认知。由于大气波导干扰无法从根本上消除，本研究的主要目标是降低干扰强度，将对用户的影响降至最低。

本文围绕大气波导的成因，针对干扰理论依据和应对措施两个核心内容开展研究，总结大气波导干扰在时域、频域和空域的应对措施，有效降低波导干扰影响。

1 大气波导干扰的理论依据

目前公开资料关于大气波导的阐述较多，与通信相关的大气波导可分为三种类型：蒸发波导、表面波导和悬空波导。蒸发波导由海面水汽蒸发形成，一般高度在40 m以下；表面波导主要由大气不同层次上的湿度变化形成，一般发生在300 m以下；而悬空波导则由逆温层，也就是气温随高度增加而升高的大气层形成，高度从几百米到3 000 m。

1.1 大气波导的直接成因

大气表面层折射系数随着高度迅速下降而形成的有别于标准大气的异常大气结构，它能够使电波射线向下弯曲的曲率大于地球曲率，从而使电磁能量陷落在波导结构内形成大气波导传播，即陷获折射。简单的说因为陷获折射，使折射变成了反射。

从气象学的角度看，形成表面波导的天气条件包括：在晴朗无风或微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现象；或者雨后造成近地层下层大气又冷又湿的情况，也就是说必须形成逆温层（空中温度高于近地面温度）。

1.2 大气波导对通信系统干扰原理

大气波导对无线电波的影响主要表现在两个方面：一是增加传播的距离，可以达到300 km以上。二是增加电磁场强度，公开资料显示雷达接收可以增强约60 dB。由于波导层使得无线电波来回不断反射，增加了其传播路径中电场强度，从而使其能量衰减大大减缓，因此可使无线电波在波导层进行超长距离传播。由于远距离传输时间超过TDD通信系统的GP（Guard Period, 保护间隔），远处基站的下行信号在近处基站的接收时隙被近处基站接收到，从而干扰了近处基站的上行接收，产生TDD通信的远距离同频干扰。

极限频率：最低陷获频率对应的截止波长λmax计算如公式（1）所示，高于此波长的都将在波导中传播。

其中h为大气波导厚度，z为天线挂高。

大气波导厚度远大于电磁波波长时,才能捕获电磁波形成波导传播。大气波导的厚度愈厚,可形成波导传播的电磁波波长范围的上限愈长； 大气波导的强度愈强,可形成波导传播的电磁波波长范围的上限愈长。公式中给出的是可受大气波导影响而形成波导传播的电磁波最大波长，对应的频率为极限频率（最低陷获频率），波长小于该最大值范围（频率高于该最小值范围）内的电磁波均可受大气波导的影响。

穿透角：如果电磁波发射源位于地面，如图1所示，假设位于大气波导内的电磁波发射源（基站天线）向上以仰角θ1发射的电磁波入射到波导层内某一高度时产生折射（折射角为θ2）,当发射仰角降低到最小临界透射角θc时,可使临界折射角为0，即低于穿透角θc的都将在波导层中进行传输。

图1 电磁波形成波导传播的临界仰角

除此之外，表面波导的类型也很重要，决定了底部的折反射条件。理论上，陷获频率和透射角对波导的底和顶是一致的，类似于光纤传输。同时因为透射角很小，也可以推导出，站间距基本等于波导传输距离。

综合起来，大气中的电磁波若要形成波导传播必须满足4个基本条件：

（1）近地层或边界层某一高度处必须存在大气波导。

（2）电磁波的频率必须高于极限频率，即波长必须小于最低陷获频率对应的截止波长。

（3）电磁波发射源必须位于大气波导层内。

（4）电磁波的发射仰角必须小于穿透角θc。

2 大气波导干扰应对方案

根据上述的理论依据，可以得出：由于TDD通信系统收发同频，系统的优化和建设确实与FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）通信系统存在差异。为有效应对大气波导干扰的影响，建议分干扰查找、干扰对抗（时域、频域和空域）来分阶段实施。

2.1 干扰查找与定位

干扰查找的目的是查找和定位干扰源，从源头上减少（而不是完全消灭）干扰（从前面理论分析可知），目前有两个方案。

ANR（Automatic Neighbour Relation，自动邻区关联）检测（间接）：结合ANR（自动邻区规划）工具分析发现日常和波导期间上报的超远邻区，将超远覆盖的小区列为疑似波导干扰源，对日常多次上报距离大于20 km的小区进行天馈调整，严控超远覆盖。

干扰源检测（直接）：目前部分厂家的新版本在检测到远端干扰时，在DwPTS（下行导频时隙）上发送特征序列，同时在UpPTS（上行导频时隙）和上行子帧上进行特征序列的检测，特征序列中包含eNode B ID（基站编号）信息，通过解析特征序列识别干扰源小区的eNode B ID。

为明确并持续监测各地市间的干扰关系，中国移动集团公司统一规划11省市开启大气波导干扰源定位功能的基站，其中江苏开启436个站点，从近期干扰检测数据上看，开启大气波导干扰检测的站点基本都已检测到特征序列，如表1所示。

表1 不同地市的干扰检测数据

以地市4为例，分析干扰较强时段的干扰数据，地市4试点共检测到213个施扰站点，其中临沂90个，盐城53个，南通16个，邯郸16个，其他地市较少。临沂检测到干扰次数最多，达79 338次，占总干扰次数的98.1%，具体干扰情况如表2所示。

此外，大气波导干扰在时频空域具有明显的特征，利于快速识别干扰。

时域：呈明显的功率斜坡特征，GP开始受到干扰，直至上行子帧的最后一个符号干扰逐渐减弱。

频域： 100个PRB均受扰中间6个PRB受扰更严重，主要是主辅同步、MIB等引起。

表2 不同地市的具体干扰情况

空域：天线挂高40 m以上干扰小区比例显著增多。倾角小于8°，干扰强度抬升明显。

2.2 干扰应对策略

根据波导干扰的原理，从时域、频域和空域3个方面进行对抗，减少波导干扰的影响，避免批量投诉。

2.2.1 时域

特殊子帧配比调整（施扰方方案）：将全网F频段的特殊子帧配比统一由9:3:2调整至3:9:2，增加上下行保护时隙，理论保护距离由64 km提升至190 km。能减小全网的波导干扰水平，但对自身无明显改善。

子帧部分关断（施扰方方案）：广播消息和占用频域中心的6个RB（Resource Block， 资源块），在出现超远距离干扰时（如强于-105 dBm），时隙0和时隙1仅保留广播消息信道，关闭其余业务信道（时隙0、时隙1、时隙5、时隙6的子帧关断 ）减少干扰。子帧关断后，保护距离达556 km，干扰强度会有效降低，即使仍存在干扰也仅影响100个RB的中间6个，基本不影响用户接入和业务使用。

2.2.2 频域

双层网组网（受扰方方案）：大气波导干扰为远距离同频干扰，利用频率上的差异可有效缓解干扰的影响，但目前F频段资源短缺，仅有30 MHz，建议后续在受扰严重区域部署双层网，采用F+D或F+E的差异化异频方案组网，在干扰时段利用参数优化推动用户驻留在双层网的D/E频段上。

功控参数调整（受扰方方案）：针对上行 PRACH、PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道）及PUSCH(Physical Uplink Shared Channel， 物理上行共享信道)信道，通过调整期望电平值及步长，抬升终端发射功率，可有效缓解干扰的影响，但对于上行干扰电平大于-95 dBm的强干扰改善不明显，对日常网络底噪也会略有抬升。

2.2.3 空域

规范农村区域高站的功率以及配合干扰期间降功率（施扰方方案）：由于大气波导主要影响农村及乡镇区域，针对这些区域内的F频段高站（天线挂高超过40 m），统一规范其功率不超过80 W。同时在波导干扰期间，统一对F频段高站下调功率（目前降至10 W内），但大幅度降功率覆盖收缩严重且对自身改善不大（功率略降有利于提升功控效果）。

持续开展天馈调整（施扰与受扰互利）：从数据来看，随着天线挂高增大，农村及乡镇的高干扰小区数明显增多，其中45～50 m区间的高干扰小区占比最高，达到83.56%，干扰强度达到-95 dBm。挑选具备电调天线的两个站点在波导干扰时段进行天馈调整，发现下倾角下压至8°～10°时效果最优，测试效果如图2所示。

由于波导干扰主要影响农村及乡镇等开阔的平原地区，利于无线信号传播，后续将重点针对农村及乡镇场景的高站进行天馈调整，高于45 m的基站需调整至不低于10°，45 m及以下的基站不低于8°。

图2 天馈调整与干扰电平关系

远程电调天线动态调整（施扰与受扰互利）：农村基站批量更换F/A远程电调天线，在波导期间下压下倾角，在波导干扰时段远程调整天线下倾，干扰结束后恢复至日常值保证小区覆盖。具体实施策略为先脚本自动执行，后期推动厂家做进版本里。

总结各项应对措施的优缺点情况见表3所示。

2.3 部署智能调度

根据干扰强度制定不同举措，并部署智能动态调整快速相应，快速实施，最大程度降低干扰对于网络以及用户的影响。现阶段依托网优平台实现在线调整脚本的自动调度执行，后续推动厂家将动态调度功能内置于版本中，做到完全无需人工干预。

表3 大气波导干扰各项应对措施总结

3 大气波导应对效果

3.1 干扰方向性由省内转向省外

通过特殊子帧配比修改、10 MHz异频组网策略落实，省内地市之间干扰明显得到抑制，最强干扰扇区方向性主要指向省外。

3.2 用户接入能力大幅提升

通过功控参数修改、双层网参数调整落实，大幅提升干扰时段的用户接入能力。干扰时段用户接入性明显提升，在修改区域干扰电平高于未修改区域5 dB的情况下，无线接通率均维持在95%以上，而未修改区域降至70%以下，如图3所示，改善明显。

3.3 干扰强度降低

通过高站功率回调、俯仰角控制，积极部署远程电调天线，干扰电平平均改善4 dB。通过空域各项举措落实，大气波导时段干扰强度明显降低，已通过优化的干扰小区调整前后干扰电平改善5～6 dB。

3.4 投诉改善明显

在波导干扰应对措施落实后，与2015年同时期相比，2016年6-7月中旬波导时段最大干扰小区占比由30%下降至14%，大气波导干扰次数由19次降至7次且未出现批量投诉，如图4所示。

4 小结

根据前述理论分析并综合各类方案实施效果、实施难度和时效性的评估，建议如下：

4.1 现阶段缓解干扰

（1）继续大规模控制基站俯仰角，降低整体底噪和干扰时的影响。

（2）大规模干扰期间，继续功控调整和适度降功率（不建议大幅度降）。

（3）协调省际间协同将特殊子帧配比调整成392，并控制功率和覆盖。

4.2 近阶段兼顾缓解干扰和保障覆盖效果

（1）尽快立项实施农村远程电调天线替换，推动厂家版本开发，实施动态控制。即有干扰时压天线，无干扰时恢复正常覆盖。在厂家版本实现前，先脚本执行。

图3 天线接通率大幅提升

图4 投诉改善明显

（2）针对部分重点和投诉高发农村，启动异频双层网建设。

4.3 后期解决干扰

联合相关部门，推动厂家尽快实现子帧关断、干扰源监测、权值优化，调整PRACH位置等功能实现，从根本上解决TDD通信系统的制式缺陷。