大气波导效应与解决方案

1 前言

对于时分双工模式（TDD）系统，要求基站保持严格的时间同步。不同基站之间的时间同步包括帧头同步和上下行转换同步。传统的同频干扰可以通过优化频点配置、干扰白噪化、功率控制、干扰协调、波束赋型等方式来对抗。同时，由于TDD系统的上行和下行传输共享同样的频率，TDD系统中除存在传统的小区间的干扰外，还存在远端基站的下行信号干扰目标小区上行信号的情形。

TDD系统的远距离同频干扰发生在相距很远的基站间。随着传播距离的增加，远端发射源的信号经过传播延迟到达近端同频的目标基站后，可能会进入目标基站的其他传输时隙，从而影响近端目标系统的正常工作，如图1所示。由于基站的发射功率远大于终端的发射功率，因此远距离同频干扰主要表现为远端小区下行信号干扰近端目标基站的上行接收。

2 成因分析

产生远距离同频干扰，必然是发生了超过保护间隔以上的超远距离传输。商用的TDD系统，如SCDMA（大灵通）和TD-SCDMA均已证实远距离同频干扰的存在性。远距离同频干扰的发生与信号传输环境和基站高度等有关。

2.1 主要因素

在 “低空大气波导”效应下，电磁波好像在波导中传播一样，传播损耗很小（近似于自由空间传播），可以绕过地平面，实现超视距传输。当远处基站达到一定的基站高度级别时，在存在“低空大气波导”现象的情况下，远处基站的大功率下行信号可以产生远距离传输到达近处基站。由于远距离传输时间超过TDD系统的上下行保护间隔，远处基站的下行信号在近处基站的接收时隙被近处基站收到，从而干扰了近处基站的上行接收，产生TDD系统的远距离同频干扰。

大气波导是一种特殊天气下形成的大气对电磁波折射效应，各地分布不同：南海地区春秋冬季出现较多；东部沿海夏秋季出现较多；西北地区春秋冬季出现较多。我国东南部波导出现傍晚多于早上，西北地区则是早上多于晚上。

2.2 辅助因素

基站的发射天线与接收天线高度要求高于周围的建筑物，否则信号很容易被建筑物阻挡。当天线高度足够高时，远端基站下行信号在“抵抗大气波导”效应下可能会发生超远传输，干扰近端的上行信号。

由于基站发射功率高，终端发射功率低，因此只有基站发射的下行信号，才有可能经过远距离传输后，干扰近端上行。由于终端发射功率较低，经过远距离传输后，不会对近端基站上行信号产生干扰。经过远距离传输后，远处基站发射功率对近端基站的下行干扰也可以忽略。

3 TDD商用系统干扰实例及解决方案参考

商用的SCDMA系统和TD-SCDMA系统针对远距离同频干扰采取了相应的对抗措施，对TD-LTE系统对抗干扰具有参考意义。

3.1 SCDMA系统（大灵通）

SCDMA系统帧结构如图2所示。商用的SCDMA系统上下行GP可以保护约117公里以内的远距离干扰，然而事实证明，在实际网络中，超过这个距离的远距离传输在某种气候及地形条件下很容易产生，大部分干扰为200公里左右的远距离传输造成。

大灵通网络采用了如下方案对抗干扰：

（1）频点规划：采用频点整体规划的方法，在几百公里的大网范围内，将可能产生干扰的频点分组，以避免相互干扰。升级后，本地可用频点减少，近距离同频干扰增加，网络质量反而下降；而由于波导效应作用距离远大于频点调整范围可控的距离，甚至发现过300公里以外的干扰，对抗远距离同频干扰作用不大。此外，频点规划还导致网优变得复杂，在频点较少的网络内，没有应用的可操作性。

（2）网络优化：通过调整站高、天线方向、倾角等因素来降低干扰。效果有限，复杂度较高。TD-LTE可以借鉴。

（3）协议优化：包括优化接入及检测机制，下行传输格式，同步调整机制等。TD-LTE系统可以借鉴，但是考虑到TD-LTE已有帧结构的设计已经有很多特性可以用作对抗此类干扰，协议优化对TD-LTE系统作用有限。

（4）零陷算法：在上行受干扰时隙增加智能天线多点零陷技术处理，以消除干扰信号。零陷算法作用明显，但要求干扰强度低、干扰源单一、干扰稳定。大规模商用网络站点众多，信号复杂，近端目标基站往往同时受到众多远端基站的高强度干扰，干扰信号不稳定，不符合此类算法的上述条件。因此TD-LTE系统设备需要开发特有的干扰抵消算法。

3.2 TD-SCDMA系统

TD-SCDMA系统帧结构如图3所示。TD-SCDMA的上下行保护间隔很短（GP时间为75μs），仅能支持22.5km的远距离传输，用户的上行接入时隙（UpPTS）很容易被DwPTS干扰，如果传输距离加大（也只需超过60km），还会干扰到第一个上行时隙，从而影响业务质量。商用的TD-SCDMA 系统采用了UpShifting方案对抗干扰。

UpShifting方案，将受干扰基站的UpPTS位置后移，以支持更大的远距传输距离，消除该传输距离内用户上行接入时隙所受的远距离同频干扰。UpShifting会损失小区的容量，且在系统帧上下行配比为UL:DL=2:4情况下，主频点没有可用的上行时隙，整体容量损失为10%~20%。

TD-LTE系统已经考虑了UpShifting的类似方案，用于随机接入的PRACH时隙可以灵活配置，但是同样会导致一定的容量损失。

4 TD-LTE系统远距离同频干扰及解决方案

上文所述表明，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，现有方案也无法很简单的确定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，并进而定位干扰源。

本章提出了一些解决此类干扰问题的思路，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。

4.1 定位远距离同频干扰源的方法

下面具体介绍定位TD-LTE系统远距离同频干扰源的两个步骤。

■确定TD-LTE系统中近处基站是否受到远距离同频干扰

当TD-LTE基站无线帧中特殊时隙UpPTS的非PRACH部分和上行时隙未分配给终端部分的功率高于底噪时，可知该基站上行受到其他小区信号的干扰。基站可以根据以下方法进行判断该小区基站上行所受干扰是否为远距离同频干扰。

方法一：基于受扰基站受扰RB分析

根据传统同频干扰和远距离同频干扰特性的区别，可知若受扰基站（PUSCH受干扰）上行若是受到相邻小区的同频干扰，则由于上行资源分配最小以RB为单位，受扰小区上行受扰RB必然受到邻小区施扰RB资源上所有子载波和OFDM符号的干扰；而若为远距离同频干扰，则由于远距离信号的传播到达本地受扰基站的时域位置和距离有关，因此上行受扰RB的时域OFDM符号未必会全部受到干扰，随着干扰距离的增加，表现为时域上自左向右的OFDM符号依次受到干扰，且干扰强度有由左至右减弱的趋势。

通过对受扰RB中的受扰符号进行具体的分析，若受扰RB为自左向右的OFDM符号依次受到干扰，则可以初步判断受扰小区受到了远距离同频干扰。（由于P/S-SCH信道只在一个符号上发送，故若是干扰源基站的P/S-SCH信道产生的此类干扰，不会表现为多个 OFDM符号均被干扰，不适用方法一，需要采用方法三确定）

方法二：基于邻基站PRACH和上行调度信息的交互

通过X2接口（X2接口需要有扩展的可能），受扰小区可以与邻小区交互各自基站的PRACH和上行调度信息。

若受扰小区通过X2接口的信息交互得知邻小区基站没有在其受扰时隙分配该频段的资源，则表明邻基站并未对受扰小区的受扰时隙产生干扰，则可以初步判断其所受的干扰为远距离同频干扰。

由于基站动态调度变化太快，本方法的真正生效可能存在较多的约束与限制条件，需要在实际算法的应用时考虑可操作性。

方法三：基于受扰基站中心频率受扰情况的分析

若远距离同频干扰距离足够远，造成了远处基站P-SCH（主同步信号）、S-SSH（辅同步信号），甚至PBCH（物理广播信道）信号对近处基站上行的干扰，根据这些信道信号的特点，可知近处受扰基站中心1.08MHz带宽的频率区域将会受到较恒定的干扰。同时，若受扰基站PRACH的频域本身占据中心 1.08MHz，有可能是终端一直在发送preamble码，因此本方法需要同时判断中心1.08MHz的干扰状况和为PRACH分配的频域位置。

在受扰基站PRACH不占据中心1.08MHz时，对受扰基站的信号进行分析，若受扰基站中心1.08MHz带宽频率区域受到恒定干扰，可以初步判断受扰基站受到了超远距离同频干扰。

■定位TD-LTE系统远距离同频干扰源

确认受扰基站受到的是远距离同频干扰后：

根据受到干扰的最后一个OFDM符号，可以基本得到远处干扰基站的干扰信号传输至受扰基站所需的传输时延（由于远距离同频干扰多发生在干扰源基站GP配置为 2个OFDM符号的情况，因此假设干扰到受扰基站UpPTS后第一个下行时隙第N个OFDM符号，那么再加上GP的长度和UpPTS的长度，传输时延为 N+2+2个OFDM符号的时域长度），通过下式可计算出干扰源到受扰基站间的大致距离：受扰基站距离（m） = 传输时延（s）×（3×108）（m/s）。

受扰基站通过对干扰信号进行相关检测算法，在干扰源不是很复杂的情况下，可以判断施扰基站下行信号所用扰码。根据上式计算出的干扰源大致距离以及施扰基站扰码信息，可以选定一些可能的干扰源基站（基站保存一份网内其他基站信息的列表，包括其经纬度、小区ID及扰码等信息）。

受扰基站通过扩展的X2接口，获取可能的干扰源基站的工作频点、天线高度、下倾角、方位角等信息（这些信息如果受扰基站已知，则不需要进一步的交互来获取）。在干扰基站（扇区）频点和受扰基站（扇区）频点相同的前提下，由于是远距离同频干扰，通过判断施扰基站的天线高度是否超高（超过普通城区楼宇平均高度则为超高，一般为≥30米）、下倾角是否较小（下倾角≤5度）、方位角是否是受扰基站的方向（否则远处基站信号传输方向不符合要求，或者在传输过程中会受到建筑物阻挡而无法到达近处基站造成干扰），来确定具体的施扰基站。

如上所述，通过大致范围的确定和X2接口的信息交互（这些信息如果受扰基站已知，则不需要进一步的交互来获取），受扰基站可以定位出远处干扰源基站或备选的数个基站，从而便于采取措施，消除干扰。

4.2 远距离同频干扰的消除方法

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。

根据配置方式的不同，下面分别介绍具体的技术方案。

（一）PRACH自适应

当确定了受扰基站是受到远距离同频干扰后，受扰基站PRACH自动改为非Format 4格式，避免随机接入受扰，使得上行性能损失较小。

在远距离同频干扰多发地区，也可以固定在非UpPTS时隙传输上行PRACH信号（非Format 4格式），将可能受扰基站的PRACH移到不会受到干扰的其他上行时隙（例如第2个上行时隙），以避免远距离同频干扰的发生。

（二）时隙自动配置

在确定存在远距离同频干扰时，可以分别实现如下的施扰基站和受扰基站自动配置。

施扰基站：定位出施扰基站后，对施扰基站系统帧的下行时隙部分进行处理。施扰基站的特殊时隙配比如果是DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2或其他 GP较短的配置，那么可以改成3:9:2或其他GP较大的配置。或不更改特殊时隙配比，根据干扰情况将其特殊时隙DwPTS后面的数据部分，自右向左闭锁某些OFDM符号（不分配给用户，不发送RS），从而消除远距离同频干扰，通过闭锁施扰基站DwPTS时隙部分OFDM符号可以精细地调整避免远距离同频干扰的能力。

受扰基站：在远距离干扰易发生地区，如果网络需要上下行时隙配比配置成DL:UL=3:1，那么特殊时隙自动调成3:9:2 或其他GP较大的配置，以消除同频干扰的影响。因为当上下行时隙配比UL:DL=3:1时，由于上行时隙少，一旦上行被干扰，上行受限会很严重，因此采用较大GP，以保证上行时隙的性能。

（三）下倾角自动调整

采用较大下倾角（5度以上），施扰基站的信号无法有效向远距离空间传播，受扰基站无法有效接收到远距离信号，可以消除干扰。TD-LTE系统由受扰基站定位出施扰基站后，如果通过X2接口信息交互确认为施扰基站下倾角设置的问题，可通过X2接口通知施扰基站自动调整下倾角，加大施扰基站的下倾角角度。同时，受扰基站的下倾角，如果设置过小，可以自适应的调整使其角度变大，以消除远距离同频干扰。

下倾角自动调整以消除远距离同频干扰的方法，不仅适用于TD-LTE系统，同样适用于其他TDD系统。

以上方案，根据TD-LTE系统的可用资源和TD-LTE的帧结构特点提出，TD-LTE远距离同频干扰消除的自适应配置方法具体方案，具有易实现性，且不更改已有系统结构。

4.3 小节

根据干扰距离的不同，系统准确定位干扰源后（定位干扰源的方式，目前尚未成熟，需要结合理论研究、设备实现以及实际测试，作进一步的验证），采用不同的配置手段可以基本解决远距离同频干扰问题，如表1所示。

特殊配置造成的理论吞吐量损失估算：

施扰基站：特殊时隙3:9:2配置，在上下行时隙比2:2情况下，比特殊时隙10:2:2配置下行理论吞吐量损失20%。

受扰基站：PRACH配置为非Format 4，20MHz载波带宽，上下行时隙比2:2情况下，PRACH配置为Format 4上行理论吞吐量损失1.5%。

除时隙和PRACH配置外（如果考虑与TD-SCDMA邻频共存，则上述时隙配置方式在保证与TD-SCDMA的时隙对齐的原则下进行），以下方法也可以用于远距离同频干扰的对抗。

（1）特殊时隙配比和普通时隙配置可以调整。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。但是下行吞吐量有一定损失。

（2）PRACH（物理随机接入信道）的配置可选。可以在UpPTS之外的时隙配置PRACH，从而可以避免远距离同频干扰对用户上行接入的影响。即便是PRACH配置在 UpPTS，采用Format 4，也可以配置成与P-SCH在频域错开，避免远端基站主辅同步信道造成的干扰。

（3）上行受扰时，基于Sounding的上行AMC和上行频选调度，使分配资源时可避开受扰部分或采用低阶调制和低码率，可缓解干扰带来的性能损失。

（4）通过网规网优方法。尽量限制站高，采用较大下倾角（5度以上），由于TD-LTE频点少，某些地区可能会干扰更严重，则需要10度或更大下倾角；初期重点部署室内等措施，都可有效缓解干扰。

以下是基于本文所建议的方案，在网络设备不具备自动化消除远距离同频干扰能力时，规避远距离同频干扰，可能采取配置建议：（仅为参考方案，且仅针对波导效应明显的地区）

●PRACH配置：

建议配置为非Format 4方式，可避免随机接入受扰，且上行吞吐量损失较小。

●时隙配置：

若上下行时隙配比为DL:UL=3:1，上行只有1个时隙，一旦被干扰，上行受限严重，须采用较大GP配置，虽损失半个下行时隙，但此时下行尚有3个时隙。

（配置为：DL:UL=3:1 + DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2）如果要配成3:1，特殊时隙必须配成3:9:2，以保证上行吞吐量。

若上下行时隙配比为DL:UL=2:2，上行有2个时隙，被干扰后上行尚存1.5个“纯净”时隙，可采用10:2:2的配置，在2:2时，用DwPTS补偿一部分下行吞吐量。

（配置为：DL:UL=2:2 + DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2）

5 总结

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TDD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 TDD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包括：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。

参考文献

[1] 3GPP TS36.211, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation, v9.1.0

[2] TD-SCDMA 第三代移动通信系统，李世鹤，杨运年，人民邮电出版社

[3] TD-SCDMA移动通信系统, 彭木根等，机械工业出版社

[4] 3GPP TS 36.211 V9.0.0

[5] 3GPP TS 36.212 V9.0.0[6] 3GPP TS 36.213 V9.0.0