5G遠端干擾分析與解決方案研究

李玉潔

工程與應用

5G遠端干擾分析與解決方案研究

李玉潔

（中國電信股份有限公司山東分公司，山東 濟南 250101）

遠端干擾主要來源于大氣波導傳播，是造成大氣波導現象高發地區5G NR移動通信網絡性能劣化的原因之一。在分析研究時分雙工無線網絡遠端干擾產生機理的基礎上，針對性地論述了兩類遠端干擾管理的方案。在大氣波導高發地區5G NR網絡中針對靜態增加GP（guard period）方案進行了驗證。網絡運行數據表明，改變無線時隙子幀格式，增加隔離符號可以有效地避免遠端干擾，提升全網性能。

5G NR；遠端干擾管理；熱噪聲干擾；參考信號

0 引言

遠端干擾主要源于低空大氣波導現象造成的電磁波超遠距離傳輸。在一定氣象條件下，大氣近地層中形成具有一定厚度的大氣薄層，電磁波在該層中傳播時衰減小，接收機接收到的信號功率往往比正常情況高數倍[1-2]。時分雙工（time division duplexing，TDD）無線網絡中，上、下行鏈路采用同一載頻，大氣波導現象出現時，遠端基站的下行信號經數十或數百千米的超遠距離傳輸后仍具有較高強度。當該下行信號落入近端基站上行信號接收窗口時，會對近端基站的上行鏈路造成干擾，使上行鏈路的接收信干噪比（signal to interference plus noise ratio，SINR）下降，這就是遠端干擾[3-4]。

遠端干擾是TDD系統特有的現象。早在 2010年，文獻[5]指出TD-LTE（time division-long term evolution）系統會面臨遠端干擾問題，提出了可采用修改隨機接入信道格式、特殊時隙自動配置和調整天線下傾角等方案解決其遠端干擾問題。2017年，文獻[4]探討了大氣波導對TD-LTE網絡的影響，提出可通過提高上行鏈路的質量抑制遠端干擾，改善網絡性能，并選擇3個基站做了驗證。2019年，3GPP針對同步的TDD 5G NR網絡遠端干擾問題，在3GPP Rel-16中提出了遠端干擾管理（remote interference management，RIM）的概念，并給出了TDD 5G NR網絡動態RIM的3類實施建議[6]。2021年，文獻[3]通過仿真實驗，驗證了調整天線下傾角抑制5G NR網絡遠端干擾方案的可行性。同年，文獻[7]給出了如何在5G NR網絡的物理層利用參考信號（reference signal，RS）檢測大氣波導引發的遠端干擾問題。截至2022年，5G NR網絡RIM問題的研究集中在物理層如何準確定位遠端干擾上，如何有效實施RIM，尤其是動態RIM僅有建議，尚未查到現網實施案例和運行數據。

1 5G NR遠端干擾現象和原理

TDD網絡中，為避免上行鏈路符號和下行鏈路符號之間的串擾，會在兩者之間插入保護間隔（guard period，GP），TDD 5G NR網絡遠端干擾原理如圖1所示。當存在大氣波導現象時，遠端基站（也稱施擾站）發出的信號經過超遠距離的傳輸，下行符號落入了近端基站（也稱為受擾站）的上行符號接收窗口內，造成遠端基站的發送信號對近端基站接收信號的干擾，即遠端干擾。

圖1 TDD 5G NR網絡遠端干擾原理

遭受遠端干擾的射頻符號時域波形呈現斜波形狀，稱為斜波狀熱噪聲干擾（interference over thermal noise，IoT）[6]，遠端干擾的網絡測試IoT如圖2所示，根據現網測試數據繪出的無線時隙特殊（S）子幀與其相鄰上行子幀的IoT強度圖?？梢钥闯?，從符號3～10開始遭受遠端干擾，符號3～11和3～12遭受的干擾最大，之后遠端干擾逐漸下降。分析原因，發現受擾站遭受的遠端干擾由不同距離的多個施擾站的干擾信號累積而成，IoT成因如圖3所示。

圖3中，施擾站#1距離受擾站最遠，傳播時延最大，其下行信號影響受擾站的上行符號數最多；而施擾站#3距離受擾站最近，其下行信號僅干擾了受擾站的2個GP。

圖2 遠端干擾的網絡測試IoT

圖3 IoT成因

分析現網運行數據得出結論，可在5G NR網管系統中檢測最后一個GP功率（單位為dBm）輔助判斷是否存在遠端干擾。當最后一個GP功率大于?107 dBm時，即可判定發生遠端干擾。

根據文獻[1-2, 8-9]，大氣波導的出現與大氣溫度和濕度密切相關。常常出現在內陸地區的春夏和夏秋過渡期以及沿海地區的海洋大氣環境中。一旦出現，僅持續幾小時，從而造成位于該環境中的網絡性能時好時壞。因此如何有效地實施RIM，消除或規避遠端干擾，確保網絡的魯棒性，引起了廣泛研究興趣，也被寫進了3GPP 5G NR的標準中[6]。

通過分析青島市5G NR網絡（3.5 GHz TDD系統）數據，發現當站點天線過高、天線下傾角過小時，易導致信號在大氣波導中超遠距離傳播。青島市獨特地理位置，瀕臨黃海，海岸線長，部分區域無高山阻擋，大氣波導現象經常出現，TDD移動網絡易發生遠端干擾。

2 遠端干擾對網絡的影響

遠端干擾導致近端基站接收SINR下降，造成掉線、接入失敗、低速率等一系列影響用戶體驗的問題。遠端干擾越強，最后一個GP功率越高，掉線率、速率等用戶感知指標越差。青島市電信5G NR網絡2021年8月的遠端干擾與網絡數據見表1，可以看出，隨著干擾水平的下降，掉線率、無線接入失敗率下降，上、下行感知速率上升。極端情況下，當干擾水平≥?80 dBm時，掉線率高達37.77%、無線接入失敗率為4.51%、下行感知速率為63.25 Mbit/s，上行感知速率為0.32 Mbit/s；而干擾水平降至?110 dBm以下，上述4個指標分別為2.22%、0.88%、206.47 Mbit/s和3.48 Mbit/s，分別提高大約17、5、3和10倍以上。

表1 遠端干擾與網絡數據

3 5G NR遠端干擾管理方案

RIM方案分為靜態方案和動態方案兩類。靜態方案包括：

●修改無線幀格式，增加GP以避免遠端基站下行符號干擾近端基站上行符號；

●降低天線高度和射頻發送功率，并調整天線下傾角。

動態方案也稱為自適應遠端干擾規避，是5G NR網管系統實時觀測GP的功率，或者通過發送RS判斷遠端干擾是否出現，進而采用適當的遠端干擾消除方案，以達到規避遠端干擾的目的。

3.1 靜態RIM方案

（1）增加GP以提升近端基站抗遠端干擾能力

從圖1遠端干擾產生的原因可以看出，若施擾站發出信號的傳播時延小于GP的時間，即可克服遠端干擾。

5G NR無線幀格式如圖4所示，圖4（a）是5G NR網絡（3.5 GHz TDD）無線幀格式，其中，D表示傳輸下行信號的子幀，U表示傳輸上行信號的子幀，S表示特殊子幀，作用是完成下行子幀和上行子幀的轉換和隔離。圖4（b）是S子幀的時隙格式，由連續10個D、接著2個GP、最后2個U構成。

這種方法的缺點是D:GP:U=8:4:2的時隙符號配比不是3GPP規定的標準模式，某些廠商的設備不支持。

（2）避免信號通過大氣波導傳播，以減少干擾源

統計發現，現網施擾站一般為超高基站、大功率基站和下傾角較小基站等。這樣的基站存在大氣波導的環境中，極易造成信號沿大氣波導傳輸，成為可超遠覆蓋的站點。文獻[3]詳細研究了利用5G NR大規模天線陣列調整天線下傾角的RIM方案，并以瓊海海峽大氣環境為背景，通過軟件仿真驗證了該方案的有效性。

3.2 動態RIM方案

靜態增加GP可以有效地解決遠端干擾問題。但是增加GP會占用下行（或上行）鏈路資源，影響網絡傳輸效率。另外，大氣波導現象并非一直存在。在沒有大氣波導時采用具有多個GP的子幀必然造成資源浪費。動態RIM試圖解決這一問題。

2019年3月，3GPP在5G NR Rel-16中給出了宏蜂窩同步TDD 5G NR網絡動態RIM的3類實施方案的建議[6]。這些方案需要借助RS。方案規定RS的收/發必須位于圖1中的下行發送邊界之后和上行接收邊界之前。受擾站發出RS_1給施擾站，聲明自己遭受了遠端干擾并輔助施擾站判斷大氣波導是否仍存在；施擾站發送RS_2給受擾站，協助受擾站判斷大氣波導是否仍然存在。動態RIM的基本實施流程如下（動態RIM流程如圖6所示）。

圖4 5G NR 無線幀格式

圖5 增加GP以提高抗干擾能力示意圖

●大氣波導現象發生，受擾站開始遭受遠端干擾。

●受擾站觀測斜波狀IoT超過某一閾值（如最后一個GP功率>?107 dBm或其他指標），判定遭受遠端干擾，開始定期發送RS_1給施擾站，并啟動RS_2的檢測。施擾站檢測斜波狀IoT后，開始啟動RS_1監視。

●施擾站收到RS_1后，根據RS_1判斷大氣波導造成的時延，啟動遠端干擾消除方案，如改變S子幀的時隙符號配比，根據時延大小將若干下行符號改為GP等；同時利用GP周期發送RS_2。

●若受擾站檢測到RS_2，則繼續發送RS_1，同時檢測IoT強度。一旦發現RS_2停止發送且IoT回到正常水平，即可判斷大氣波導現象消失，已無遠端干擾，停止發送RS_1。

●施擾站持續接收到RS_1期間保持遠端干擾消除方案。一旦發現RS_1消失（IoT回歸正常），則停止運行遠端干擾消除方案，恢復到遠端干擾消除之前的網絡配置狀態。

事實上，大氣波導發生時，會有大量基站既為施擾站又為受擾站，且斜波狀IoT是多個施擾站的干擾信號疊加形成的。因此動態RIM能否成功實施，RIM RS信號尤為重要。區別于5G NR網絡中用于用戶設備解調和測量的RS，RIM RS必須應對較大的傳輸時延，因此需具備如下基本功能：

●能夠提供大氣波導是否存在的信息；

●能夠為施擾站提供受擾站有多少個上行符號受到遠端干擾的影響；

●最好能攜帶施擾站的標識。

3GPP建議采用長度為31的Gold序列（偽隨機序列）作為RIMRS，以梳狀方式插入兩個正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號中。仿真實驗表明，這種方案檢測遠端干擾，正確檢測概率達90%以上。

動態RIM還有很多問題亟待解決。文獻[7]僅研究了在物理層如何檢測遠端干擾的算法，但是一旦檢測到遠端干擾發生或消失，如何傳遞啟動或停止遠端干擾消除的信令、采用什么樣的消除方案并確保指令的執行，則需要操作維護管理（operation administration and maintenance，OAM）系統的協調和調度。2019年至今，現網中如何實現動態RIM，未見報道。

動態RIM的實施，需要無線電接入網（radio access network，RAN）、接入和移動管理功能（access and mobility management function，AMF）以及OAM的協同工作才能完成。協調網絡資源、修改相關網元的功能，升級軟件版本，單靠運營商是無法實現的。

3.3 遠端干擾解決方案驗證效果評估

2021年9月，在山東省青島市對方案進行了現網驗證。分析青島5G NR現網數據，發現青島地區大氣波導現象發生時，遠端干擾的影響距離在30～40 km。因此，將青島全網S子幀的時隙符號配比從D:GP:U=10:2:2修改為D:GP:U=8:4:2，即增加2個GP，從而遠端干擾抵抗距離從21.4 km提升至42.8 km。因為減少了2個下行符號，理論上下行峰值速率會下降，下降幅度為4/90=4.4%，即峰值速率下降到50Mbit/s左右。

圖6 動態RIM流程

S子幀修改后青島電信網絡總體KPI改善明顯，S時隙結構調整后的KPI變化如圖7所示。可以看出，數據流建立的成功率和無線接通率明顯提高，掉線率顯著下降。

本次調整S子幀前后，專門對青島所有區域進行了測試，修改時隙配比后全網小區干擾水平變化見表2。可以看出，修改前，干擾水平大于?105 dBm的小區高達6 163個，而修改后，僅剩462個。而且干擾大于?100 dBm的小區從4 928個降至101個，表明遠端干擾得到了很好的抑制。

表2 修改時隙配比后全網小區干擾水平變化

另外，對青島市3個區調整S子幀前后下行速率進行了測試，符號配比調整后平均下行速率變化結果見表3?？梢钥闯鋈W平均下行速率提升90 Mbit/s，用戶感知改善明顯。理論上，S子幀的時隙符號配比改變后，下行符號數減少，下行峰值速率應下降50 Mbit/s左右。但是由于空口質量變好，全網下行速率反而改善較多。其中，黃島區提升最大，達到125 Mbit/s。分析原因，發現黃島大氣波導現象最嚴重，調整之前受遠端干擾影響的小區最多。調整后，各小區遠端干擾下降明顯，因而速率提升最大。

圖7 S時隙結構調整后的KPI變化

表3 符號配比調整后平均下行速率變化/（Mbit·s?1）

3.4 動態RIM性能預測與展望

盡管青島的靜態RIM方案效果良好，但是在沒有遠端干擾期間，這種增加GP的方案勢必會影響5G NR網絡的下行速率。青島電信聯盟5G NR網絡修改S子幀時隙配比正常運行半年后，本文選取山東省濰坊市奎文區和諸城市的網絡運行數據與青島市黃島區和膠州市進行了對比。奎文區與黃島區、諸城市與膠州市單位面積內5G NR（3.5 GHz頻段）基站的數量相當，但是因濰坊的兩區市是內陸地區，極少發生遠端干擾，故S子幀的時隙配比仍然采用D:GP:U=10:2:2。兩個地區2022年3月的用戶感知速率對比見表4，可以看出濰坊兩區市的用戶下行感知速率明顯高于青島兩區市。奎文區比黃島區高21.73%，諸城市比膠州市高29.63%。假設青島市一年內發生大氣波導的時間累計4個月，若采用動態改變時隙配比的RIM方案，青島兩區市的用戶下行感知速率應能提高15%左右。

表4 用戶感知速率對比

4 結束語

本文分析了TDD 5G NR網絡遠端干擾產生的原因，提出解決方案，并在山東省青島市電信5G網中進行了修改特殊子幀符號配比的優化驗證。結果表明，通過減少下行符號增加GP，能夠在不影響下行速率的情況，有效地抑制遠端干擾，提升全網性能。

在實驗過程中發現，青島全網修改S子幀后，遠端干擾下降顯著。與青島比鄰的濰坊高密市、日照等城市，由于仍然采用原符號配比方案，總干擾水平上升明顯。因此，此方法的使用與推廣要考慮全省乃至全國的一致性，以確保全網干擾最優。

可以預見，采用動態RIM可以更好地克服遠端干擾，提升全網性能。因此，今后將致力于實踐5G NR網絡動態RIM的解決方案，聯合電信研究院和設備制造商將動態RIM的各種方案移植到現網中，進行驗證測試，以期盡快找到具有指導性的實施方案。

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Research on remote interference analysis and solution for 5G

LI Yujie

Shandong Branch of China Telecom Co., Ltd., Jinna 250101, China

Remote interference mainly comes from the atmospheric ducting transmission. It is one of the reasons for the deterioration of the fifth-generation new radio (5G NR) mobile networks. Based on the analysis of the generation mechanism for the remote interference, two solution schemes were accordingly described for the remote interference management. The static increase GP (guard period) scheme was verified in the 5G NR network in areas with high atmospheric wares. Network operation data shows that the increasing guard period could avoid remote interference efficiently and thus improve the quality of the fifth-generation new radio networks.

5G NR, remote interference management, interference over thermal noise, reference signal

TN011

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022143

2022?02?25；

2022?06?01

李玉潔（1969? ），男，中國電信股份有限公司山東分公司高級工程師，主要研究方向為LTE和5G移動網絡的工程實現與優化。