大氣波導(dǎo)效應(yīng)對LTE網(wǎng)絡(luò)影響

1、大氣波導(dǎo)效應(yīng)與解決方案1 前言對于時分雙工模式（TDD）系統(tǒng)，要求基站保持嚴格的時間同步。不同基站之間的時間同步包括幀頭同步和上下行轉(zhuǎn)換同步。傳統(tǒng)的同頻干擾可以通過優(yōu)化頻點配置、干擾白噪化、功率控制、干擾協(xié)調(diào)、波束賦型等方式來對抗。同時，由于TDD系統(tǒng)的上行和下行傳輸共享同樣的頻率，TDD系統(tǒng)中除存在傳統(tǒng)的小區(qū)間的干擾外，還存在遠端基站的下行信號干擾目標(biāo)小區(qū)上行信號的情形。TDD系統(tǒng)的遠距離同頻干擾發(fā)生在相距很遠的基站間。隨著傳播距離的增加，遠端發(fā)射源的信號經(jīng)過傳播延遲到達近端同頻的目標(biāo)基站后，可能會進入目標(biāo)基站的其他傳輸時隙，從而影響近端目標(biāo)系統(tǒng)的正常工作，如圖1所示。由于基站的發(fā)射功率遠大

2、于終端的發(fā)射功率，因此遠距離同頻干擾主要表現(xiàn)為遠端小區(qū)下行信號干擾近端目標(biāo)基站的上行接收。2 成因分析產(chǎn)生遠距離同頻干擾，必然是發(fā)生了超過保護間隔以上的超遠距離傳輸。商用的TDD系統(tǒng)，如SCDMA（大靈通）和TD-SCDMA均已證實遠距離同頻干擾的存在性。遠距離同頻干擾的發(fā)生與信號傳輸環(huán)境和基站高度等有關(guān)。2.1 主要因素在 “低空大氣波導(dǎo)”效應(yīng)下，電磁波好像在波導(dǎo)中傳播一樣，傳播損耗很?。ń朴谧杂煽臻g傳播），可以繞過地平面，實現(xiàn)超視距傳輸。當(dāng)遠處基站達到一定的基站高度級別時，在存在“低空大氣波導(dǎo)”現(xiàn)象的情況下，遠處基站的大功率下行信號可以產(chǎn)生遠距離傳輸?shù)竭_近處基站。由于遠距離傳輸時間超過T

3、DD系統(tǒng)的上下行保護間隔，遠處基站的下行信號在近處基站的接收時隙被近處基站收到，從而干擾了近處基站的上行接收，產(chǎn)生TDD系統(tǒng)的遠距離同頻干擾。大氣波導(dǎo)是一種特殊天氣下形成的大氣對電磁波折射效應(yīng)，各地分布不同：南海地區(qū)春秋冬季出現(xiàn)較多；東部沿海夏秋季出現(xiàn)較多；西北地區(qū)春秋冬季出現(xiàn)較多。我國東南部波導(dǎo)出現(xiàn)傍晚多于早上，西北地區(qū)則是早上多于晚上。2.2 輔助因素基站的發(fā)射天線與接收天線高度要求高于周圍的建筑物，否則信號很容易被建筑物阻擋。當(dāng)天線高度足夠高時，遠端基站下行信號在“抵抗大氣波導(dǎo)”效應(yīng)下可能會發(fā)生超遠傳輸，干擾近端的上行信號。由于基站發(fā)射功率高，終端發(fā)射功率低，因此只有基站發(fā)射的下行信號，

4、才有可能經(jīng)過遠距離傳輸后，干擾近端上行。由于終端發(fā)射功率較低，經(jīng)過遠距離傳輸后，不會對近端基站上行信號產(chǎn)生干擾。經(jīng)過遠距離傳輸后，遠處基站發(fā)射功率對近端基站的下行干擾也可以忽略。3 TDD商用系統(tǒng)干擾實例及解決方案參考商用的SCDMA系統(tǒng)和TD-SCDMA系統(tǒng)針對遠距離同頻干擾采取了相應(yīng)的對抗措施，對TD-LTE系統(tǒng)對抗干擾具有參考意義。3.1 SCDMA系統(tǒng)（大靈通）SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。商用的SCDMA系統(tǒng)上下行GP可以保護約117公里以內(nèi)的遠距離干擾，然而事實證明，在實際網(wǎng)絡(luò)中，超過這個距離的遠距離傳輸在某種氣候及地形條件下很容易產(chǎn)生，大部分干擾為200公里左右的遠距離傳輸造成

5、。大靈通網(wǎng)絡(luò)采用了如下方案對抗干擾：（1）頻點規(guī)劃：采用頻點整體規(guī)劃的方法，在幾百公里的大網(wǎng)范圍內(nèi)，將可能產(chǎn)生干擾的頻點分組，以避免相互干擾。升級后，本地可用頻點減少，近距離同頻干擾增加，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量反而下降；而由于波導(dǎo)效應(yīng)作用距離遠大于頻點調(diào)整范圍可控的距離，甚至發(fā)現(xiàn)過300公里以外的干擾，對抗遠距離同頻干擾作用不大。此外，頻點規(guī)劃還導(dǎo)致網(wǎng)優(yōu)變得復(fù)雜，在頻點較少的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，沒有應(yīng)用的可操作性。（2）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：通過調(diào)整站高、天線方向、傾角等因素來降低干擾。效果有限，復(fù)雜度較高。TD-LTE可以借鑒。（3）協(xié)議優(yōu)化：包括優(yōu)化接入及檢測機制，下行傳輸格式，同步調(diào)整機制等。TD-LTE系統(tǒng)可以借鑒，但是考

6、慮到TD-LTE已有幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)有很多特性可以用作對抗此類干擾，協(xié)議優(yōu)化對TD-LTE系統(tǒng)作用有限。（4）零陷算法：在上行受干擾時隙增加智能天線多點零陷技術(shù)處理，以消除干擾信號。零陷算法作用明顯，但要求干擾強度低、干擾源單一、干擾穩(wěn)定。大規(guī)模商用網(wǎng)絡(luò)站點眾多，信號復(fù)雜，近端目標(biāo)基站往往同時受到眾多遠端基站的高強度干擾，干擾信號不穩(wěn)定，不符合此類算法的上述條件。因此TD-LTE系統(tǒng)設(shè)備需要開發(fā)特有的干擾抵消算法。3.2 TD-SCDMA系統(tǒng)TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。TD-SCDMA的上下行保護間隔很短（GP時間為75s），僅能支持22.5km的遠距離傳輸，用戶的上行接入時隙（Up

7、PTS）很容易被DwPTS干擾，如果傳輸距離加大（也只需超過60km），還會干擾到第一個上行時隙，從而影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。商用的TD-SCDMA 系統(tǒng)采用了UpShifting方案對抗干擾。UpShifting方案，將受干擾基站的UpPTS位置后移，以支持更大的遠距傳輸距離，消除該傳輸距離內(nèi)用戶上行接入時隙所受的遠距離同頻干擾。UpShifting會損失小區(qū)的容量，且在系統(tǒng)幀上下行配比為UL:DL=2:4情況下，主頻點沒有可用的上行時隙，整體容量損失為10%20%。TD-LTE系統(tǒng)已經(jīng)考慮了UpShifting的類似方案，用于隨機接入的PRACH時隙可以靈活配置，但是同樣會導(dǎo)致一定的容量損失。4 T

8、D-LTE系統(tǒng)遠距離同頻干擾及解決方案上文所述表明，目前已經(jīng)商用的TDD系統(tǒng)，均無可靠、便捷的手段來準(zhǔn)確定位遠距離同頻干擾，只能通過實際測試的方法證明TDD系統(tǒng)遠距離同頻干擾現(xiàn)實存在，過程漫長而且復(fù)雜。在TDD規(guī)模組網(wǎng)的多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中，現(xiàn)有方案也無法很簡單的確定TDD系統(tǒng)所受的同頻干擾是傳統(tǒng)意義的同頻干擾還是遠距離同頻干擾，且無法準(zhǔn)確定位遠距離同頻干擾干擾源。因此，需要根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的特點和小區(qū)間交互信息的可能性，確定TD-LTE系統(tǒng)中近處基站上行受到的干擾是否是遠處同頻基站下行遠距離同頻干擾，并進而定位干擾源。本章提出了一些解決此類干擾問題的思路，供理論分析參考，實際解決方案，

9、需要結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備能力以及實際干擾的模型，進行進一步研究測試。4.1 定位遠距離同頻干擾源的方法下面具體介紹定位TD-LTE系統(tǒng)遠距離同頻干擾源的兩個步驟。確定TD-LTE系統(tǒng)中近處基站是否受到遠距離同頻干擾當(dāng)TD-LTE基站無線幀中特殊時隙UpPTS的非PRACH部分和上行時隙未分配給終端部分的功率高于底噪時，可知該基站上行受到其他小區(qū)信號的干擾。基站可以根據(jù)以下方法進行判斷該小區(qū)基站上行所受干擾是否為遠距離同頻干擾。方法一：基于受擾基站受擾RB分析根據(jù)傳統(tǒng)同頻干擾和遠距離同頻干擾特性的區(qū)別，可知若受擾基站（PUSCH受干擾）上行若是受到相鄰小區(qū)的同頻干擾，則由于上行資源分配最小以RB為單位，

10、受擾小區(qū)上行受擾RB必然受到鄰小區(qū)施擾RB資源上所有子載波和OFDM符號的干擾；而若為遠距離同頻干擾，則由于遠距離信號的傳播到達本地受擾基站的時域位置和距離有關(guān)，因此上行受擾RB的時域OFDM符號未必會全部受到干擾，隨著干擾距離的增加，表現(xiàn)為時域上自左向右的OFDM符號依次受到干擾，且干擾強度有由左至右減弱的趨勢。通過對受擾RB中的受擾符號進行具體的分析，若受擾RB為自左向右的OFDM符號依次受到干擾，則可以初步判斷受擾小區(qū)受到了遠距離同頻干擾。（由于P/S-SCH信道只在一個符號上發(fā)送，故若是干擾源基站的P/S-SCH信道產(chǎn)生的此類干擾，不會表現(xiàn)為多個 OFDM符號均被干擾，不適用方法一，需

11、要采用方法三確定）方法二：基于鄰基站PRACH和上行調(diào)度信息的交互通過X2接口（X2接口需要有擴展的可能），受擾小區(qū)可以與鄰小區(qū)交互各自基站的PRACH和上行調(diào)度信息。若受擾小區(qū)通過X2接口的信息交互得知鄰小區(qū)基站沒有在其受擾時隙分配該頻段的資源，則表明鄰基站并未對受擾小區(qū)的受擾時隙產(chǎn)生干擾，則可以初步判斷其所受的干擾為遠距離同頻干擾。由于基站動態(tài)調(diào)度變化太快，本方法的真正生效可能存在較多的約束與限制條件，需要在實際算法的應(yīng)用時考慮可操作性。方法三：基于受擾基站中心頻率受擾情況的分析若遠距離同頻干擾距離足夠遠，造成了遠處基站P-SCH（主同步信號）、S-SSH（輔同步信號），甚至PBCH（物理

12、廣播信道）信號對近處基站上行的干擾，根據(jù)這些信道信號的特點，可知近處受擾基站中心1.08MHz帶寬的頻率區(qū)域?qū)艿捷^恒定的干擾。同時，若受擾基站PRACH的頻域本身占據(jù)中心 1.08MHz，有可能是終端一直在發(fā)送preamble碼，因此本方法需要同時判斷中心1.08MHz的干擾狀況和為PRACH分配的頻域位置。在受擾基站PRACH不占據(jù)中心1.08MHz時，對受擾基站的信號進行分析，若受擾基站中心1.08MHz帶寬頻率區(qū)域受到恒定干擾，可以初步判斷受擾基站受到了超遠距離同頻干擾。定位TD-LTE系統(tǒng)遠距離同頻干擾源確認受擾基站受到的是遠距離同頻干擾后：根據(jù)受到干擾的最后一個OFDM符號，可以

13、基本得到遠處干擾基站的干擾信號傳輸至受擾基站所需的傳輸時延（由于遠距離同頻干擾多發(fā)生在干擾源基站GP配置為 2個OFDM符號的情況，因此假設(shè)干擾到受擾基站UpPTS后第一個下行時隙第N個OFDM符號，那么再加上GP的長度和UpPTS的長度，傳輸時延為 N+2+2個OFDM符號的時域長度），通過下式可計算出干擾源到受擾基站間的大致距離：受擾基站距離（m） = 傳輸時延（s）（3108）（m/s）。受擾基站通過對干擾信號進行相關(guān)檢測算法，在干擾源不是很復(fù)雜的情況下，可以判斷施擾基站下行信號所用擾碼。根據(jù)上式計算出的干擾源大致距離以及施擾基站擾碼信息，可以選定一些可能的干擾源基站（基站保存一份網(wǎng)內(nèi)其

14、他基站信息的列表，包括其經(jīng)緯度、小區(qū)ID及擾碼等信息）。受擾基站通過擴展的X2接口，獲取可能的干擾源基站的工作頻點、天線高度、下傾角、方位角等信息（這些信息如果受擾基站已知，則不需要進一步的交互來獲?。Ｔ诟蓴_基站（扇區(qū)）頻點和受擾基站（扇區(qū)）頻點相同的前提下，由于是遠距離同頻干擾，通過判斷施擾基站的天線高度是否超高（超過普通城區(qū)樓宇平均高度則為超高，一般為30米）、下傾角是否較?。ㄏ聝A角5度）、方位角是否是受擾基站的方向（否則遠處基站信號傳輸方向不符合要求，或者在傳輸過程中會受到建筑物阻擋而無法到達近處基站造成干擾），來確定具體的施擾基站。如上所述，通過大致范圍的確定和X2接口的信息交互（這

15、些信息如果受擾基站已知，則不需要進一步的交互來獲?。?，受擾基站可以定位出遠處干擾源基站或備選的數(shù)個基站，從而便于采取措施，消除干擾。4.2 遠距離同頻干擾的消除方法TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)設(shè)置，使得系統(tǒng)可以通過有效的判斷和基站間信息交互的方式，利用TD-LTE系統(tǒng)的協(xié)議特點使相關(guān)小區(qū)實現(xiàn)自動配置，以消除遠距離同頻干擾或減輕遠距離同頻干擾帶來的影響。根據(jù)配置方式的不同，下面分別介紹具體的技術(shù)方案。（一） PRACH自適應(yīng)當(dāng)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Format 4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(fā)地區(qū)，也可以固定在非UpPTS時

16、隙傳輸上行PRACH信號（非Format 4格式），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(fā)生。（二） 時隙自動配置在確定存在遠距離同頻干擾時，可以分別實現(xiàn)如下的施擾基站和受擾基站自動配置。施擾基站：定位出施擾基站后，對施擾基站系統(tǒng)幀的下行時隙部分進行處理。施擾基站的特殊時隙配比如果是DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2或其他 GP較短的配置，那么可以改成3:9:2或其他GP較大的配置?；虿桓奶厥鈺r隙配比，根據(jù)干擾情況將其特殊時隙DwPTS后面的數(shù)據(jù)部分，自右向左閉鎖某些OFDM符號（不分配給用戶，不發(fā)送RS），從而消除遠

17、距離同頻干擾，通過閉鎖施擾基站DwPTS時隙部分OFDM符號可以精細地調(diào)整避免遠距離同頻干擾的能力。受擾基站：在遠距離干擾易發(fā)生地區(qū)，如果網(wǎng)絡(luò)需要上下行時隙配比配置成DL:UL=3:1，那么特殊時隙自動調(diào)成3:9:2 或其他GP較大的配置，以消除同頻干擾的影響。因為當(dāng)上下行時隙配比UL:DL=3:1時，由于上行時隙少，一旦上行被干擾，上行受限會很嚴重，因此采用較大GP，以保證上行時隙的性能。（三） 下傾角自動調(diào)整采用較大下傾角（5度以上），施擾基站的信號無法有效向遠距離空間傳播，受擾基站無法有效接收到遠距離信號，可以消除干擾。TD-LTE系統(tǒng)由受擾基站定位出施擾基站后，如果通過X2接口信息交互

18、確認為施擾基站下傾角設(shè)置的問題，可通過X2接口通知施擾基站自動調(diào)整下傾角，加大施擾基站的下傾角角度。同時，受擾基站的下傾角，如果設(shè)置過小，可以自適應(yīng)的調(diào)整使其角度變大，以消除遠距離同頻干擾。下傾角自動調(diào)整以消除遠距離同頻干擾的方法，不僅適用于TD-LTE系統(tǒng)，同樣適用于其他TDD系統(tǒng)。以上方案，根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)的可用資源和TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)特點提出，TD-LTE遠距離同頻干擾消除的自適應(yīng)配置方法具體方案，具有易實現(xiàn)性，且不更改已有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4.3 小節(jié)根據(jù)干擾距離的不同，系統(tǒng)準(zhǔn)確定位干擾源后（定位干擾源的方式，目前尚未成熟，需要結(jié)合理論研究、設(shè)備實現(xiàn)以及實際測試，作進一步的驗證），采用不

19、同的配置手段可以基本解決遠距離同頻干擾問題，如表1所示。特殊配置造成的理論吞吐量損失估算：施擾基站：特殊時隙3:9:2配置，在上下行時隙比2:2情況下，比特殊時隙10:2:2配置下行理論吞吐量損失20%。受擾基站：PRACH配置為非Format 4，20MHz載波帶寬，上下行時隙比2:2情況下，PRACH配置為Format 4上行理論吞吐量損失1.5%。除時隙和PRACH配置外（如果考慮與TD-SCDMA鄰頻共存，則上述時隙配置方式在保證與TD-SCDMA的時隙對齊的原則下進行），以下方法也可以用于遠距離同頻干擾的對抗。（1）特殊時隙配比和普通時隙配置可以調(diào)整。通過縮短DwPTS數(shù)據(jù)部分可以增

20、大GP時長，從而加大遠距離干擾的保護距離，在保護距離內(nèi)，不會產(chǎn)生遠距離同頻干擾。但是下行吞吐量有一定損失。（2）PRACH（物理隨機接入信道）的配置可選?？梢栽赨pPTS之外的時隙配置PRACH，從而可以避免遠距離同頻干擾對用戶上行接入的影響。即便是PRACH配置在 UpPTS，采用Format 4，也可以配置成與P-SCH在頻域錯開，避免遠端基站主輔同步信道造成的干擾。（3）上行受擾時，基于Sounding的上行AMC和上行頻選調(diào)度，使分配資源時可避開受擾部分或采用低階調(diào)制和低碼率，可緩解干擾帶來的性能損失。（4）通過網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)方法。盡量限制站高，采用較大下傾角（5度以上），由于TD-LTE頻

21、點少，某些地區(qū)可能會干擾更嚴重，則需要10度或更大下傾角；初期重點部署室內(nèi)等措施，都可有效緩解干擾。以下是基于本文所建議的方案，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不具備自動化消除遠距離同頻干擾能力時，規(guī)避遠距離同頻干擾，可能采取配置建議：（僅為參考方案，且僅針對波導(dǎo)效應(yīng)明顯的地區(qū)）PRACH配置：建議配置為非Format 4方式，可避免隨機接入受擾，且上行吞吐量損失較小。時隙配置：若上下行時隙配比為DL:UL=3:1，上行只有1個時隙，一旦被干擾，上行受限嚴重，須采用較大GP配置，雖損失半個下行時隙，但此時下行尚有3個時隙。（配置為：DL:UL=3:1 + DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2）如果要配成3:1，特殊時隙必