大氣波導干擾對5G NR的影響預研和應對措施探討

許國平（中國聯合網絡通信集團有限公司，北京100033）

1 大氣波導的成因

大氣波導干擾實際上是遠距離同頻干擾，即在特定的氣候、地形及溫度環境下，電磁波能量在大氣波導層結中的傳播損耗衰減極小，對遠端接收機所造成的干擾。大氣波導現象使雷達有可能觀測到數倍于正常探測距離處的目標，但是對于TD-LTE移動通信系統來說，則會造成較強的同頻干擾。

從原理和實踐情況看，大氣波導干擾不會對FDD制式的2G、3G、4G系統產生影響，主要影響TDD系統。TDD系統干擾形成的主要原因是施擾基站的下行信號傳輸超出了受擾基站上行信號的保護時隙，從而影響到受擾基站的上行接收，如圖1所示。多個干擾源的信號在受擾基站信號疊加還會造成干擾電平增強。大氣波導干擾傳播距離甚至可以超過200 km，可能對TDD系統產生大面積干擾，嚴重時會將底噪抬升至-95 dBm，影響RRC建立成功率、eRAB建立成功率、VoLTE接通率、數據業務掉線率、VoLTE掉話率、切換成功率等KPI指標。

2 大氣波導干擾的類型

根據實踐經驗，影響移動通信系統的大氣波導干擾的成因主要分為2種類型，海面蒸發波導與內陸表面波導。

圖1 TD-LTE系統大氣波導干擾形成原因

2.1 海面蒸發波導

沿海地（市）主要受海面蒸發波導的影響。圖2給出了處于環渤海區域的城市A和城市B所受到的該類型大氣波導干擾的時間變化趨勢：出現早，消退慢，持續時間長，全天均有可能存在。從前期實踐情況看，該類型干擾主要集中在環渤海區域和瓊州海峽周邊區域。

圖2 海面蒸發波導影響規律

圖3 內陸表面波導影響規律

2.2 內陸表面波導

內陸地（市）主要受陸地表面波導影響。圖3給出了處于內陸區域的城市C和城市D所受的該類型大氣波導干擾的時間變化趨勢：出現快，消失快（夜間發生，早上08：00—09：00快速消失），干擾持續時間短，干擾范圍大，干擾源范圍廣，幅度變化大。

3 大氣波導干擾的特征和識別

大氣波導干擾問題影響范圍廣，具有跨廠家、跨本地網、跨省的特點。

3.1 空間特性

受擾基站一般連片集中同時出現，而普通的系統內外干擾往往是獨立的、離散化分布的。

從宏觀角度看，大氣波導干擾主要發生在華北/中/東平原、江漢平原、東北平原、海南島沿岸、渤海灣沿岸。發生的場景一般屬于平原農村或建筑物稀少的郊區和沿海地區。

從微觀角度看，一般情況下，大氣波導干擾具有明顯的方向性，如圖4所示，大氣波導的干擾源來自西南方向。

3.2 頻域特性

受擾基站的全部或大部分PRB的底噪同時抬升，而且空閑PRB的干擾強度與非空閑PRB相差不大。由于施擾基站主同步信號（PSS）及輔同步信號（SSS）的影響，受擾基站中間的PRB所受干擾可能較為嚴重。

3.3 時域特性

隨著時間的變化，受干擾的區域和強度會發生變化。干擾多在凌晨出現，白天減弱并消失。從物理層的符號級別分析，雖然被干擾的符號數量不固定，每符號上的干擾大小不一致，但是大體上呈現遞減趨勢（見圖5）。由于初期的技術方案無法直接識別施擾基站，只能結合受擾基站的方向估算干擾源大致位置。

圖4 大氣波導干擾的方向性

圖5 大氣波導干擾隨符號時序遞減趨勢

4 大氣波導對5G NR的影響分析

3.5 GHz NR類似TD-LTE系統，同樣也是TDD收發雙工、同頻組網、上下行頻率完全一致，“上下行收發轉換”通過特殊時隙的GP進行隔離。從原理上看，5G NR也可能會出現與TD-LTE現網類似的大氣波導干擾問題。

基于TD-LTE系統和5G NR系統的各自特性來分析，二者的大氣波導問題還可能存在以下聯系和區別。

4.1 地形的影響

根據前期TD-LTE部署經驗，大氣波導干擾主要發生在平原農村或建筑物稀少的郊區和沿海地區，城區沒有出現嚴重的大氣波導干擾。起初大氣波導干擾主要發生在1.9 GHz頻段，即該時期郊區和農村區域TD-LTE業務的主要承載頻段。后來隨著2.6 GHz頻段在郊區和農村區域的擴容，逐漸發現了該頻段的大氣波導干擾現象。

預計中國聯通3.5 GHz的5G NR初期主要部署在城區，這時3.5 GHz頻段上發生大氣波導干擾的條件可以類比2.6 GHz頻段上的TD-LTE系統，出現嚴重大氣波導干擾的可能性小。若中后期無人機大規模應用，會要求基站波束上仰發射，此時城區3.5 GHz NR連續部署造成大氣波導干擾的可能性會有所增加。

4.2 頻率的影響

大氣波導的信號傳播發生在大氣的對流層，損耗非常小，不能用自由空間傳播模型來評估（不同于自由空間的20倍對數距離）。因此，根據3.5 GHz頻段比1.9 GHz頻段損耗大5.3 dB，得出5G NR比TD-LTE發生大氣波導干擾的概率小的結論并不嚴謹。

4.3 Massive MIMO技術的影響

TD-LTE的小區參考信號（CRS）是全頻譜、全時隙發射，接近10%的RE占用，而且使用的是寬垂直面的廣播波束，下行持續發射的CRS是造成大氣波導周期內持續存在的一個主要因素。從前期友商的實踐經驗來看，受擾基站更換高增益天線之后，在大氣波導干擾期間，相比普通天線對于大氣波導的抑制性能可提升2~3 dB。5G NR的關鍵技術包括Massive MIMO，該技術相對于普通天線來說，具有波束窄、方向性強等特點，其信噪比性能優于普通天線。NR的大部分業務信道有明確的波束賦型（垂直波瓣非常窄），上仰角的概率低（除了特殊場景應用）；而廣播信道雖然有較寬的垂直波瓣，但是發射的頻域和時域占比較小。因此從天線角度考慮，5G NR抑制大氣波導的條件較好，但是還有待后續天線功能的實現、完善，以及現網的效果驗證。

4.4 幀格式的影響

4.4.1 干擾距離推算和GP的最大保護距離

針對TD-LTE系統的大氣波導問題，友商在多省同步采取了調整特殊時隙的方案，即通過擴大GP保護符號、規避干擾。將多省的特殊時隙由9∶3∶2同步調整為3∶9∶2后，大氣波導遠端干擾發生頻次和強度明顯降低。

TDD系統的被干擾符號數和干擾距離（施擾站和受擾站之間的距離）計算公式如下：

干擾距離=T×c=［（被干擾的符號數/14）/1 000］×3×108/1 000（km）

式中：

T——被干擾的符號數對應的時長

c——光速

如果被干擾的符號正好位于GP范圍之內，那么系統的上行信號傳輸就不會受到干擾，因此GP的最大長度代表了系統此時最大的保護距離。如TD-LTE系統特殊時隙配比為3∶9∶2時，GP最大保護距離=［（9/14）/1 000］×3×108/1 000=192.9 km，即TD-LTE系統在該時隙配比條件下，對大氣波導的最大保護距離為192.9 km。

5G NR和TD-LTE的干擾距離計算方法以及一定時隙配比條件下GP的最大保護距離計算方法一致，唯一的差別是TD-LTE的時隙是1 ms，而5G NR的時隙采用0.5 ms（本文以5G采取30 kHz子載波帶寬配置為例，在其他子載波帶寬配置條件下，時隙要做相應的調整），所以相同時隙配比情況下，5G NR的最大保護距離減半。表1給出了TD-LTE系統和NR系統被干擾的符號數與干擾距離的關系。

表1 被干擾符號數與干擾距離的關系

4.4.2 5G NR幀結構的考慮

對于5G NR，特殊時隙配比與2.5 ms單和2.5 ms雙等幀格式沒有特別的關系，2種幀格式可供選擇的特殊時隙配比是一樣的。從前述內容可以得到，5G NR中GP的每個符號可以提供的干擾保護距離是10.7 km，那么就容易得到每一種時隙配比條件下GP的最大保護距離，例如選擇10∶2∶2的時隙配比，GP占用2個符號，可以規避最大21 km距離的大氣波導干擾；而6∶4∶4的時隙配比，可以規避最大約42 km的大氣波導干擾。

系統能夠檢測到的最大干擾距離大于GP的最大保護距離，這是因為如果大氣波導干擾超越GP的保護影響到后續的上行符號時，系統一樣可以進行干擾距離的檢測。就這一點而言，2.5 ms單雙周期的配置是有區別的，2.5 ms雙的第2個周期上行的時隙較多，因此能夠在更多的上行符號上檢測到更遠距離的干擾信號，即能夠識別更遠的施擾基站。例如，在6∶4∶4的時隙配比下，2.5 ms雙的第1周期共22個符號可以檢測遠端235 km以內施擾基站，第2個周期36個符號可以檢測遠端380 km以內施擾站點。

5 5G NR大氣波導干擾的應對措施

5.1 5G NR大氣波導干擾消除的技術框架

為了將大氣波導干擾消除功能改進為自適應的過程，減少人工排查，3GPP正在針對5G NR開展基于參考信號的大氣波導遠端干擾檢測與規避的研究工作（3GPP TR 38.866 V16.1.0）。3GPP預計于2020年的R16凍結相關標準，目前待討論的問題包括參考信號設計、頻分發送、沖突解決、帶寬部分重疊解決等。

3GPP所設計的架構分為集中式和分布式2種，集中式架構依賴于發揮統一調度作用的網元節點，能夠收集施擾和受擾基站的信息。在大氣波導發生時，產生并實施正確的干擾規避策略。分布式架構下，施擾和受擾基站兩兩之間直接交互信息，實施既定的干擾規避算法。所設計的技術框架主要為以下3種。

a）Framework-0。它是一種集中式的架構。該架構需要統一的網管系統（OAM）進行調度，基站檢測到大氣波導干擾后，可以周期性上報大氣波導干擾檢測結果信息，遠端干擾規避完全由OAM配置決定。該種方案系統建設和調度復雜，時間上難以滿足現網大氣波導干擾高度動態的處理要求。

b）Framework-1（見圖6）。它是一種基于基站之間空口信號傳輸而實現自適應干擾規避的框架，結構較為簡單。受擾和施擾基站之間能夠交互的信息有限，但是由于其對網絡改動的要求比較低，目前看是較好的選擇。Framework-1與友商TD-LTE現網的方案較為相似，根據之前現網驗證結果，能夠滿足現網要求。

c）Framework-2.1。它是一種空口和Backhaul混合的自適應規避干擾框架，需要Backhaul傳遞施擾站和受擾站信息，對Backhaul沖擊較大且協議需要增加基站與核心網之間的信令流程，預計對現網改動較大，方案實施的代價和難度較大，不推薦。Framework-2.2相比Framework-2.1，增加了受擾站的反饋機制，方案實施的代價和難度更大。

這3種方案是并列的，不需要同時支持，運營商和廠商可以協商選擇一種架構，從目前來看Framework-0更合適。

圖6 5G NR大氣波導干擾消除技術框架1（Framework-1）

5.2 5G NR大氣波導干擾消除技術方案

如前文所述，大氣波導受到氣候、地形等環境影響，有較大突發性和隨機性。大氣波導發生時，施擾基站和受擾基站需要進行臨時優化調整。隨著時間的變化，大氣波導效應可能又逐漸消失，此時，系統必須能夠及時將相關調整恢復，確保系統的容量和效率。

友商的特殊時隙配比調整方案簡單且有效，結合精確定位施擾基站，及時調整時隙結構，合理降低干擾，響應速度快而且成本較低。但時隙調整后，下行容量會有一定損失，如特殊時隙配比可設為3∶9∶2，相比10∶2∶2時隙配比，下行容量損失約為16%。但該種方案實施時，受擾基站覆蓋范圍能夠保持不變，因此該方案適用于用戶負荷較少的廣域場景。

根據前文所述5G NR大氣波導問題的相關特征和5G的技術特性，解決該類型干擾問題的具體思路有以下幾種，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。

5.2.1 頻域方案

頻域調整方案實施較為簡單、成本低、反應速度快。可以在施擾站和受擾站，或者兩端同時應用。頻域方案一般不會影響覆蓋，但是對系統容量有影響。

a）受擾基站可以停止調度受到強烈干擾的RB，這個方法不需要修改技術規范。

b）基于受擾基站的測量反饋，施擾基站可以在產生干擾的頻帶上保持靜默。

c）施擾基站的下行和受擾基站的上行可靜態或者半靜態的配置為頻域正交，甚至直接考慮配置在不重疊的連續帶寬上。該種方法頻譜效率損失較大，目前5G是在3.5 GHz頻段上連續100 MHz部署，不利于實施分頻調度，一般不建議使用。

5.2.2 空域方案

空域方案可以在施擾、受擾或者兩端實施。

a）降低施擾基站天線高度，這是一種靜態方案，會犧牲覆蓋能力。

b）可以考慮在施擾端預定義若干種與干擾程度相關聯的天線下傾角下壓模式，施擾基站按照模式要求降低下傾角，這樣會犧牲覆蓋能力。該方案反應速度快，但在電調天線可見可控的條件下才能實現，成本較高。而且只適用于用戶負荷較多，且距離基站較遠用戶較少的場景。

c）在5G Massive MIMO技術體制下，施擾基站在鄰近GP的資源上調度干擾效應最低的波束方向，可以通過大氣波導干擾的互易性來判斷哪些波束方向是合適的。受擾基站可以通過實施波束零陷或者波束選擇，壓制干擾。

5.2.3 時域方案

時域方案實施比較靈活，可以在施擾、受擾或者兩端實施。

a）施擾端停止調度產生干擾的下行符號，但是施擾端必須精確知道受擾端到底有多少符號受到了干擾。這對受擾端的信息反饋要求較高。

b）受擾端停止調度受到干擾的上行符號，這樣會降低上行吞吐量，但是這種方法不需要修改技術標準。

c）施擾端和受擾端可以靜態或者動態調整上下行保護間隔的長度，規避干擾，而且這種設置往往需要同步調整施擾和受擾基站周圍若干基站的特殊子幀配比，主要是為了防止區域性的干擾。GP設置過長會導致大量基站的下行吞吐量受損。

5.2.4 功率域方案

功率域的技術方案可以考慮降低施擾基站的發射功率，或者提升受擾基站的上行發射功率。降低施擾基站在導致干擾的符號位置的下行發射功率，但是這樣會影響基站的覆蓋，而且是否真正減少了對受擾基站的影響還有待確認。提高受擾基站終端發射功率的目的是提高解調信噪比，進而改善解調性能，但會對鄰近基站產生干擾，抬升終端的功率消耗。

6 總結和建議

第5.2節所述的大部分技術手段并不需要3GPP層面的技術創新，基本上都是現有技術的靈活應用。由于跨區域之間異廠家設備部署的可能性比較大，不論是哪一種架構，異廠家設備的協同是必不可少的。因此中國聯通應當盡早對方案進行研究和確定，在集采設備時做出統一規定，由主設備商具體實現，并支持免費升級自適應的大氣波干擾規避。

從方案實時性、復雜度、系統效率和干擾規避效果綜合考慮，有以下建議：當大氣波導發生時，設備要有檢測干擾屬性、干擾程度和確定干擾源的能力，受擾站基于干擾功率特征初步判斷是否存在大氣波導干擾，若受擾，則開始在特殊時隙發送并檢測特征序列。按照干擾的嚴重程度和干擾的消除難度逐級提升規避技術的強度，在干擾規避效果和系統能力犧牲方面做到較好的平衡。

a）優先考慮受擾側被動規避緩解，但一般大氣波導干擾具有互易性，在必要時，啟動施擾側和受擾側的聯合規避，比如在施擾和受擾側，從時頻兩域基于RB進行調度規避。

b）如果上述規避效果不佳，可考慮在施擾側設置下行符號靜默進行規避，還可考慮綜合應用功率回退等其他技術方案。進一步還可考慮在兩端同時調整時隙結構。

c）施擾和受擾站（互易性情況下）連續一段時間檢測不到特征序列且干擾功率小于門限則認為大氣波導消除，退出規避流程。