TD―LTE系统大气波导远端干扰解决方案研究
时间：2022-09-18 10:41:24
【摘 要】大气波导效应使得通信系统间干扰问题变得极为复杂，影响网络质量，降低了无线用户的感知。通过大气波导远端干扰缓解和自适应协调解决远端干扰问题，分干扰缓解、干扰源检测、自适应协调这三步实现干扰监测与缓解。实测结果表明在平均干扰电平升高的情况下，接通率、切换成功率和掉线指标有较明显提升，有助于提升用户感知。
1 引言
在一定的气象条件下，在大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁波，受大气折射的影响，其传播轨迹弯向地面。当曲率超过地球表面曲率时，电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内，就像电磁波在金属波导管中传播一样，这种现象称为电磁波的大气波导传播，形成的大气薄层称为大气波导层。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，二是增加电场强度。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的电场强度，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。
河南移动TD-LTE网络长期受到大气波导现象所引起的系统内超远干扰的影响，网络指标恶化，临近山东、安徽边界的区域受到的影响最为严重，即豫北、豫东、豫南区域。目前已经商用的TDD系统，均无可靠、便捷的手段来准确定位远距离同频干扰，只能通过实际测试的方法证明TDD系统远距离同频干扰现实存在，过程漫长而且复杂。在TDD规模组网的多小区蜂窝系统中，现有方案也无法简单地确定TDD系统所受的同频干扰是传统意义的同频干扰还是远距离同频干扰，且无法准确定位远距离同频干扰的干扰源。
因此，需要根据TD-LTE系统帧结构的特点和小区间交互信息的可能性，确定TD-LTE系统中近处基站上行受到的干扰是否是远处同频基站下行远距离同频干扰，进而定位干扰源。
本文提出了一种通过大气波导远端干扰缓解和自适应协调方案来解决远端干扰问题的思路，供理论分析参考，实际解决方案，需要结合系统设备能力以及实际干扰的模型，进行进一步研究测试。
2 大气波导干扰特征分析
大气波导干扰又称远距离同频干扰，即在特定的气候、地形及温度环境下，下行信号传播越过GP（Guard Period，保护周期）保护时隙干扰远端基站的上行信号。大气波导环境下，电磁波传播能量损耗衰减极小，传播距离远超现网保护的64 km，干扰远端大面积基站，从时域特征分析，传播距离甚至超过150 km（干扰至上行子帧第7个符号）。同时，多个干扰源的信号在远端进行信号叠加造成干扰电平增强。
通过分析发现，大气波导干扰对2G/3G网络基本无影响，而TD-LTE为同频组网，上下行频率完全一致，在大气波导环境下，下行容易越过保护时隙干扰远端的上行。同时，对大气波导对VoLTE（Voice over LTE，LTE语音解决方案）业务的影响进行了分析，发现当上行底噪低于-110 dBm（日常网络底噪）时，接通率较高，随着网络底噪的抬升，接通率明显下降。现网大面积干扰严重时段底噪为-95 dBm左右，而宏站的室内信号一般低于-100 dBm。用户对语音通话比数据业务更加敏感，全省VoLTE商用后，大面积干扰时段导致的投诉量预计会大幅增长。
本方案通过全面分析大气波导干扰特征，提出了通过大气波导远端干扰缓解和自适应协调方案来解决远端干扰问题，分为干扰缓解、干扰源检测、自适应协调三步实现干扰监测与缓解。
（1）干扰缓解：当受到远端干扰时，根据KPI指标的变化，动态调整上行功控策略，提高上行解调能力，缓解干扰对系统性能的影响。
（2）干扰源定位：受到远端干扰时，在DwPTS（Downlink Pilot Time Slot，下行导频时隙）上发送特征序列，同时在UpPTS（Uplink Pilot Time Slot，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PCI（Physical Cell ID，物理小区标识）信息，通过解析特征序列识别干扰源小区的PCI和距离。
（3）自适应协调：利用大气波导的互易性，假设受到大气波导远端干扰的基站的下行信号也会对远端基站的上行产生干扰。当检测到远端干扰时，在DwPTS上周期性地发送特征序列，并在UpPTS和上行子帧上做特征序列的周期检测。当连续多个周期都检测到特征序列时，自动回退为392，停止DwPTS上的发送，以减少对远端基站的干扰，并通过特征序列解析出干扰源小区的PCI。当连续多个周期都未检测到特征序列时，自动恢复为932，以减少干扰规避对系统性能的损失。
3 干扰缓解
首先，为实现干扰缓解的目的，对河南移动网络KPI下降的原因进行了深入分析，发现KPI指标下降的原因主要是MSG3和MSG5未成功接收造成的。所以提出了通过提高MSG3和MSG5的解调能力来缓解干扰对KPI的影响的方案。
3.1 锁定目标
影响KPI（Key Performance Indicator，关键绩效指标）指标下降的原因分析如下：
（1）RRC（Radio Resource Control，无线链路控制）建立成功率均值处于97%～98%，主要原因是MSG5未收到。
（2）ERAB（E-UTRAN Radio Access Bearer，演进型网络无线接入承载）建立成功率均值约99%，无线层造成ERAB建立失败，SRB达到最大次数。
（3）ERAB掉话率均值处于1.83%左右，HO（Handover，切换）执行后发生的失败，从HO MSG3/MSG2比率看，推测主要是MSG3未成功接收引入HO失败。无线层原因，结合DL/UL BLER（Block Error Rate，误块率）高达5.7%（DL）、16%（UL）以及ARQ重传率，推测主要为DRB/SRB达到最大次数所致。
（4）HO成功率处于70%左右，主要发生在HO执行后，从HO MSG3/MSG2比率看，推测主要是MSG3未成功接收引入HO失败。
从以上分析可以看出，影响KPI指标下降的原因主要是MSG3和MSG5未成功接收造成的。可以考虑从提高MSG3和MSG5的接收可靠性来缓解干扰对KPI的影响。
3.2 MSG3/MSG5解调能力增强
主要从两个方面进行考虑：
（1）优化系统的KPI指标，提升MSG3/MSG1和MSG5/MSG1的值。
（2）提高MSG3和MSG5的接受成功率。
通过提高Preamble（序文）的解调门限来优化KPI指标，通过提高Preamble的解调门限可以使得部分信号的不好的MSG1在解调阶段就被丢弃，这样MSG3/MSG1和MSG5/MSG1的比值就会得到提升，起到干扰缓解的作用。Preamble的解调门限表如表1所示：
通过提高P0UE（用户设备标称功率）的初始功率来提高系统MSG5的接入成功率。P0UE是在MSG4中带下去的，通过提高它的值可以有效提高MSG5的接入成功率，起到干扰缓解的作用。干扰缓解流程图如图1所示。
4 准确定位干扰源小区
要从根本上解决大气波导干扰必须准确定位干扰源。本方案提出了通过特征序列识别干扰源小区PCI。通过分析，发现ZC序列长，正交性好，相关峰值比噪声高30 dB，抵抗干扰和噪声的能力强，所以本方案选用ZC序列作为小区识别的标志。
通过特征序列识别干扰源小区PCI：
各小区在不同的帧号上周期性发送特征序列。
在UpPTS和正常上行子帧上通过特征序列的检测，解析PCI。
采用具有良好相关性的时域ZC（Zadoff-Chu）序列，为了保持序列的连续性，符号7上的CP（Cyclic Prefix，循环前缀）在前面，为2048点特定序列后面的144点，符号8上的CP在后面，为2048点特定序列前面的144点。ZC序列图如图2所示：
根据CellID（小区标识），生成1193点的ZC序列：
5 干扰规避方案
TD-LTE的帧结构设置，使得系统可以通过有效的判断和基站间信息交互的方式，利用TD-LTE系统的协议特点使相关小区实现自动配置，以消除远距离同频干扰或减轻远距离同频干扰带来的影响。本方案即采用改变特殊子帧的子帧配比的方式实现干扰规避。TD-LTE系统的特殊子帧配比由3个特殊域（DwPTS、GP和UpPTS）构成，通过缩短DwPTS数据部分可以增大GP时长，从而加大远距离干扰的保护距离，在保护距离内，不会产生远距离同频干扰。
（1）DwPTS：DwPTS是特殊子帧中的下行时隙。DwPTS最小持续时间为3个OFDM符号，P-SCH（Primary Synchronization Channel，主同步信道）放在DwPTS的第3个符号上。放在第3个符号是因为DwPTS在TD-SCDMA中作下行同步用，P-SCH也是用于下行同步的，所以就把P-SCH放在DwPTS中。同时，放在第3个符号有利于GP的配置。除了同步符号资源之外，其他DwPTS资源可以传输数据、导频和下行控制信号。下行物理控制信道最多占用DwPTS的前2个符号。
（2）UpPTS：UpPTS是特殊子帧中的上行时隙。可以用来作竞争接入，只能支持短Preamble的竞争接入，时间上占两个多符号，所以短RACH（Random Access Channel，随机接入信道）将占用GP的部分时间。由于1个RACH占用6个RB频域带宽，在系统带宽足够的情况下，UpPTS可以同时分配多个PRACH信道（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）。此外，分配RACH后剩余的资源可以传输导频（Sounding，信道探测和解调导频）。在这个时隙里不传输PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道），可以最小化控制开销。
（3）GP：GP是TDD系统特有的保护时间，主要原因在于下行到上行转换时基站和UE间有一个下上行双向传输时延RTD（Round Trip Delay，小区信号往返时延）。特殊子帧中GP开始时，DwPTS信号从eNB（增强型基站）天线空口发送完毕，经过下行传输延迟RTD/2，UE完成DwPTS的接收。UE收发电路从接收转换为发送需要一个时间UERTG。接下来UE开始发送UpPTS信号，经过上行传输延迟RTD/2，传送到eNB的天线空口。由于各UE到基站的距离不同，各UE到基站的双向传输延迟RTD不同，需要通过一个时间调整TA（Timing Advance，时间提前量），保证收发时信号在eNB的天线空口对齐。所以有GP≥RTD/2+UERTG+TA+RTD/2。在上行到下行转换时，同样有一个双向传输延迟，UE提前RTD/2时间将该上行子帧的最后一个符号发送完毕，不同UE的上行信号到达eNB天线空口时恰好在该子帧最后一个符号对齐。接下来eNB转换为下行发送（实际上eNB收发器从上行到下行也有一个很短的转换时间，由于OFDM Symbol间有CP保护，所以对信号收发影响几乎可以忽略），UE延迟RTD/2后开始收到下行信号。GP的大小应大于UE收发保护间隔和双向传输时延（TA=0）之和。UE收发保护间隔通常是在固定范围内，所以在网络规划确定GP时，主要考虑小区覆盖半径决定的双向传输时延。小区半径越大，GP就越大。
协议规定了如表2所示的9种GP配置，单位为Symbol（GP配置能更有效地提高频谱利用率）。GP最大时间为10个OFDM符号（Normal CP），其取值主要影响小区覆盖半径。
通过表2可以看出在保证下行不变的情况下，想要最大限度地减小干扰。应该把9：3：2的配比方式改为3：9：2，这样就可以起到干扰规避的作用。
6 远端干扰自适应协调
大气波导远端干扰自适应协调机制，分3个步骤。首先，系统检测到远端干扰时，在DwPTS（下行导频时隙）上周期性地发送特征序列，并在UpPTS（上行导频时隙）和上行子帧上做特征序列的周期检测，以解析干扰源小区PCI和距离。其次，当连续多个周期都检测到特征序列时，自动回退为392，停止DwPTS上的发送，以减少对远端基站的干扰，并通过特征序列解析出干扰源小区的PCI。最后，当连续多个周期都未检测到特征序列时，自动恢复为932，以减少干扰，规避对系统性能的损失。自适应协调流程图如图3所示，自适应特征序列检测调整图如图4所示。
932不干扰UpPTS的安全距离是64.3 km，不干扰上行子帧的安全距离是107.2 km；
392不干扰UpPTS的安全距离是192.8 km，不干扰上行子帧的安全距离是235.6 km；
大气波导影响范围广、距离远，各厂家站点间存在相互干扰，需各厂家统一采取规避动作。
7 结束语
本文从理论上分析和研究了TD-LTE系统远距离同频干扰问题，包括TD-LTE系统远距离同频干扰原理成因分析和TD-LTE系统远距离同频干扰对抗方法。由于TD-LTE系统的远距离同频干扰发生在相距很远的基站间，在“低空大气波导”效应下，远端基站的下行信号可以实现超视距传输到达近端，从而导致干扰近端基站上行接收。TD-LTE系统对抗远距离同频干扰的协议支持：特殊时隙配比、PRACH配置、上行AMC、上行频选调度等。根据干扰距离的不同，TD-LTE系统准确定位干扰源后，采用不同的特殊时隙配比和PRACH配置，可以基本解决远距离同频干扰。网优、网规方法和基于Sounding的上行AMC和上行频选调度也可以用于干扰对抗。
基于本方案，2015年8月底河南移动信阳公司对20个基站进行了抗大气波导干扰版本升级验证，具体效果如表3所示：
结果显示在升级后平均干扰电平升高的情况下，接通率、切换成功率和掉线指标有较明显提升，其他指标保持稳定。
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