（2019 年度“嘉環杯”獲獎論文三等獎）5G 網絡大氣波導干擾防范研究

周奕昕 全詩文 趙 煜 張國光

1. 中國聯合網絡通信有限公司江蘇省分公司；2. 中國聯合網絡通信有限公司南京市分公司

1 大氣波導干擾

1.1 大氣波導形成

大氣波導是一種在特定氣象、地理條件下發生的自然現象。由于對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層，在該層中電波形成超折射傳播，大部分電波輻射被限制在這一層內，類似于在波導中傳播。無線信號在大氣波導中傳播損耗很小，可實現超遠距離傳播，傳播損耗最小可以實現1dB/20km。

圖1 大氣波導傳播示意

經科學研究表明，電磁波若要形成波導傳播，必須滿足4個基本條件：

（1）近地層或邊界層某一高度必須存在大氣波導層。

（2）電磁波的波長必須小于最大陷獲波長（頻率高于最低陷獲頻率）。

（3）電磁波發射源必須位于大氣波導層內。對于抬升波導，有時電磁波發射源位于波導底下方時，也可形成波導傳播，但此時發射源必須距波導底不遠，且波導必須非常強。

（4）電磁波的發射仰角必須小于某一臨界仰角。

中國聯通現有厘米波段滿足波導傳播形成的頻率條件，東部沿海區域基本滿足波導傳播形成的地理條件，因此5G 網絡有極大概率出現波導傳播的現象。

1.2 波導干擾原理

波導形成的超遠傳播對現有FDD 網絡不造成嚴重影響，僅會出現測量到超遠信號的現象，但由于終端上行發射功率和基站側前導配置限制，導致用戶不會接入超遠傳播的小區，因此對用戶實際感知無明顯影響。

而5G 網絡作為TDD 網絡，系統上下行時分復用，需要遵循嚴格的時間同步，否則下行信號落在上行時隙，會導致嚴重的上行干擾，影響5G 網絡正常使用。

NR 的幀結構與子載波帶寬相關，共支持15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz 五種子載波帶寬配置。 NR上下行幀長均為10ms，分為10 個長度為1ms 的子幀，每個時隙固定包含14 個OFDM 符號，每個子幀所包含的OFDM符號數由決定。

NR 在特殊時隙中設置GP 符號用于非對齊時間保護，按現網5G 基站常用配置進行計算，載波間隔30kHz 的情況下，上下行配比7:3，特殊時隙配比10:2:2，GP 占用2 個符號。此時的單時隙長度為0.5ms，單符號長度為1/28ms，按電磁波無損傳播速度3*108m/s 進行計算，GP 可以提供的保護距離約為

即超遠傳播距離超過21.4km，站點信號下行時隙將落在本地站點的上行時隙，形成大氣波導干擾，同時根據傳播距離不同，干擾影響位置有一定程度的差異。

圖2 大氣波導干擾示意

干擾在時域上呈現明顯的斜坡特征，其中時域上的干擾特征可以作為大氣波導干擾判決的根據。

1.3 波導干擾范圍

大氣波導廣泛分布于中國東部等平原地區，具體包括華北/中/東平原、江漢平原、東北平原、海南島沿岸、渤海灣沿岸。其中華北/中/東平原最嚴重。江蘇地區中，揚州、徐州、淮安、鹽城、連云港、泰州、無錫、蘇州、南通為干擾嚴重區域。

圖3 大氣波導時頻域干擾范圍示意

2 波導干擾溯源

根據干擾范圍判斷，影響省內的通常是跨市甚至是跨省的干擾，需要通過協同優化解決，因此波導干擾溯源尤為重要。

波導干擾溯源工作廠家建議在DWPTS 上采用特征序列方式進行唯一標識，通過3/7 子幀分別發送不同特征序列拼接，在源側通過3/4/7/8 四個子幀上行符號的檢測，實現干擾源的準確定位。

在特殊時隙，DWPTS 不用于下行數據傳輸的情況下，發送特征序列無明顯影響；在特殊時隙，，DWPTS 用于下行輸出傳輸下，特殊序列會占用約6bit 資源，影響正常業務。

因此波導溯源工作建議集團公司統一分配全國特征需求，僅在波導干擾期間開啟數輪干擾溯源分析，確保干擾溯源結果可靠性。

圖4 干擾源檢測示意

3 波導干擾抑制

結合波導強度和TDD 干擾特征，建議波導干擾抑制從時域、頻域、空域及無線參數優化幾個維度實施。

3.1 時域方案

波導干擾從原理上說是因為GP 長度不夠導致的超遠干擾，為了規避TDD 網絡系統內干擾問題，從時域角度可以通過修改子幀配比和特殊時隙配比增加GP 長度，從而實現近距離干擾消除。

表2 NR 特殊時隙配比

5G規范的特殊時隙配比中包括大氣波導特殊時隙配比，但要求NR 子幀配比中必須包括連續2 個或2 個以上特殊時隙。TDD 要求時域對齊，當前全國聯通網絡的子幀配比均已統一規范為7:3，自行修改子幀配比會造成嚴重的系統內干擾。同時，修改小區子幀配比需進行去激活或激活操作，影響范圍較大，因此不建議進行子幀配比的修改和配置大氣波導特殊時隙配比。

在協議范圍和廠家現有配置允許下，基于現網30kHz 帶寬及7:3 子幀配比，可以將特殊時隙配比由10:2:2 修改為6:6:2，通過犧牲特殊子幀下行業務效能，在不影響UL 符號的同時，增加GP 長度，保護距離由原有21.4km 增加200%達到64.2km，基本可以消除60km 內波導干擾。

3.2 頻域方案

波導干擾從原理上說仍屬于同頻干擾，在不需要進行大帶寬業務的區域，可以考慮通過頻域優化執行干擾抑制。建議通過主要干擾源小區的識別，針對少量站點進行縮頻處理。如存在地市間穩定的、大面積的波導干擾，需協調地市公司錯頻組網，多地協作實施，降低干擾影響的程度。

3.3 空域方案

從發生條件來說，波導干擾一般發生在大氣較穩定的晴好天氣，此時底層大氣存在逆溫層，濕度隨高度遞減，即在越低的場景下電磁波越不容易進行波導傳播。除在建設期間關注超高站外，在干擾發生期間也可以從空域進行干擾抑制，基于5G 設備相關特性，可通過后臺調整，收縮廣播波束的垂直波瓣角，增加天線電下傾等方式，抑制上波瓣進入波導層傳播。

3.4 無線參數優化

波導干擾對用戶影響與一般干擾相同，均為基站側底噪增高，導致出現接入和業務丟包問題，可以通過無線參數進行系列優化，保障用戶基礎感知，主要分為下面三種。

接入感知：通過抬升PUCCH 標稱P0 值、PUSCH 標稱P0 值、Msg3 功率偏置等相關參數，拒絕遠端用戶接入，避免出現信號無法上網的情況。

語音感知：在現有網絡情況下，語音通過VoLTE 承載在4G，因此波導干擾不影響現有語音感知。在VONR 的情況下，建議通過基于上行質量的算法讓語音切換至4G 進行承載。

數據感知：建議通過基于上行質量的算法，將中遠點用戶數據業務在4G 上進行承載。

在TDD 干擾特別嚴重的情況下，建議關閉錨點，臨時采用4G 網絡進行全網數據和語音業務地承載。

4 波導干擾防范自動化

波導干擾防范自動化需要三個階段分布進行，干擾監控和抑制方案實時采用機器人和幾種指令平臺形式，全自動化執行，實現波導干擾的快速發現、高效抑制。

圖5 大氣波導干擾防范自動化階段

第一個階段：干擾發現。依賴江蘇聯通自主研發的搖光機器人以及指令平臺，通過小區級干擾抬升情況、是否有區域性及符號級干擾情況、是否有斜坡特征判斷干擾類型、是否為大氣波導，來確認干擾影響程度和范圍，確定本次干擾影響級別。

第二個階段：干擾抑制。本階段區分客戶層面安撫及優化層面抑制，依托搖光機器人推送波導干擾信息至省內各部門，由客服準備應答口徑和主動安撫手段。同時依托省內指令平臺，根據不同的干擾級別，下發干擾抑制方案。

第三個階段：方案回退。根據搖光機器人的監控成果，省內大氣波導干擾消除后進行相關干擾回退措施，保證用戶相關感知。

5 總結

大氣波導干擾作為TDD 特有干擾，在NSA 組網和5G初期不會出現明顯影響，但在SA 組網及5G 成熟期將成為影響用戶感知的重要因素。目前江蘇聯通在大氣波導干擾方面已經率先實現應對方案研究和干擾抑制能力預埋。隨著5G 商用進程的發展，我們應持續關注波導干擾對用戶的影響，協同省內外深入進行波導抑制消除的研究，不斷提升聯通5G 網絡競爭力。