大气波导对5G影响研究

大气波导对5G影响研究
1、导语
随着5G网络基站规模的逐渐扩大，以及5G终端渗透率的增加。

5G网络下的干扰研究势必成为未来研究的热点话题。

本文对5G网络2.6GHz 频段下的大气波导干扰成因进行了深入理论分析，并给出了切实可行的干扰解决办法，进而从根本上解决大气波导对5G网络的影响。

2、研究背景
在一定的气象条件下，比如当大气中某些区域的层结(温度与湿度随高度的分布状况)满足一定条件时，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，电磁波就会部分的传播在一定厚度的大气薄层内，这种现象称为电磁波的大气波导传播。

低空大气波导的出现，可使电磁波以较小的损耗沿大气波导传播，所以会对通信系统和探测系统造成严重影响。

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。

大气波导传播示意图如图1所示。

图1 大气波导传播示意图
海南省海口市TD-LTE网络长期受大气波导干扰，主要受到来自广东湛江以及广西北海的TD-LTE网络F频段和D频段产生的时隙交叉干扰，大气波导干扰出现期间对用户业务感知严重恶化，具体情况如1所示。

表1 海口受干扰小区数量（红色字体表示受大气波导干扰小区数量）
3 、2.6GHz频段大气波导形成的条件
边界层大气中的电磁波若要形成波导传播必须满足4个基本条件。

（1）近地层或边界层某一高度处必须存在大气波导。

（2）电磁波的波长必须小于最大陷获波长。

（3）电磁波发射源必须位于大气波导层内。

对于抬升波导，有时电磁波发射源位于波导底下方时也可形成波导传播，但此时发射源必须距波导底不远，并且波导强度必须非常强。

（4）电磁波的发射仰角必须小于某一临界仰角。

根据理论分析最容易受波导影响而形成波导传播的是分米波(电磁波长10~100cm,频率0.3~3GHz)和厘米波(电磁波长1~10cm,频率3~30GHz)。

如图2所示，目前中国移动使用5G网络的2.6GHz频段
2515~2615MHz正好和4G网络2.6GHz频段部分重叠，且属于易容易形成波导的频段。

鉴于当前4G网络的2.6GHz频段受扰情况，未来大规模5G网络组网后不可避免的产生大气波导干扰。

图2 5G和LTE频段配置
4 、大气波导对5G网络干扰分析
大气波导干扰形成的主要原因为大气波导的环境中，超远距离同频信号所造成的交叉时隙干扰。

在5G网络下大气波导环境中，传播损耗比较小，下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GP，如图3所示。

图3 大气波导远距离干扰示意图
鉴于5G目前使用μ=1，即30 kHz的子载波间隔。

同时采用SS54时隙配比，即每个5ms周期的时隙配比为7:1:2（DDDDDDDSUU），特殊时隙符号配比6:4:4（DDDDDDGGGGUUUU）。

根据上述配置情况，5G网络的SS54配置下特殊子帧的GAP符号个数为4个，参考电磁波传输速率，5G网络的最大保护距离=保护时延（s）*（3×10^8）（m/s），保护时延为4个OFDM符号时域长度。

根据上述公式计算，保护距离=（0.5/14*4/1000）*（3*10^8/1000）=42.85km。

则5G的远距离同频干扰最大保护距离仅为42.85km。

因此，当5G下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GAP，就造成了交叉时隙干扰。

大气波导影响会造成全频段的底噪整体抬升，降低
PRACH信道的接入性能，降低PUCCH信道的链路适配和预编码选择的性能以及降低PUSCH信道数据传输速率，增加时延。

江距离海口约150km，电磁波由湛江到海口有0.5ms时延，即14个OFDM符号。

北海距离海口约180km，电磁波又北海到海口有0.6ms 时延，即17个OFDM符号。

根据电磁波传播时延情况，在大气波导发生的情况下海口共计10个上行符号受到湛江或者北海的2.6GHz频段5G网络大气波导干扰，如图4所示。

图4 3个城市5G网络上行符号位受扰分析
5、5G网络未来大气波导干扰优化建议
5.1 5G采用SS56时隙配比
SS56配置下的每个5ms周期的时隙配置子帧配比为7:1:2（DDDDDDDSUU），特殊时隙配比4:6:4（DDDDGGGGGGUUUU），由于SS56配置下的GAP保护间隔增加了2个符号，因此保护距离可以扩大至64.28km，可以避免部分5G下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GAP造成的交叉时隙干扰。

5.2 禁用特殊子帧的上行符号功能
基于SS56子帧配比的特殊子帧有4个符号是用于传输SRS信号。

禁止该4个上行符号的SRS信号后，SRS信号也可以选择在普通上行时隙进行发送，而且不会影响上行链路质量。

因此为了增大保护距离可以禁止使用特殊子帧的4个上行符号,加上GAP的6个符号共计有10个符号可作为保护距离，因此保护距离扩大至107km，可以避免大部分的5G下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GAP造成的交叉时隙干扰。

5.3 禁用特殊子帧的下行符号功能
基于SS56子帧配比的特殊子帧有4个符号是用于下行数据传输。

为了增大保护距离在牺牲一定下行容量的前提下可以禁止使用特殊子帧的4个下行符号,加上GAP的6个符号共计有10个符号可作为保护距离，因此保护距离扩大至107km，可以避免大部分的5G下行信号的传输时延超出了配置的保护间隔GAP造成的交叉时隙干扰。

5.4 采用上下行解耦方式降低干扰
目前5G网络的锚点主要是FDD1800。

引入SUL后，上行数据传输可以通过FDD1800辅助上行链路承载。

由于FDD网络是频分复用，因此远距离传输时不会产生大气波导干扰。

进而可以完全解决5G网络上行受扰问题。

5.5 特殊序列干扰检测协同网络结构调整
开发基于5G的特征序列识别干扰源小区PCI。

受到远端干扰时，在DwPTS上发送特征序列，同时在UpPTS和上行子帧上进行特征序列的检测。

特征序列中包含PCI信息，通过解析特征序列识别干扰源小区的PCI和距离，进而调整施扰小区功率以及下倾角。

5.6 大气波导干扰应对总结
结合海南TD-LTE系统的大气波导干扰整治经验，本文从理论上分析和研究了近海地区大气波导基本成因原理、特征和TDD系统大气波导干扰产生的原因，包括为了5G系统远距离同频干扰原理成因分析和5G系统远距离同频干扰对抗方法。

由于5G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。

大气波导干扰优化存在干扰源不明确、技术标准待完善、优化方案不全面和实施不协同等问题，需开展专项攻关。

本文从时域、频域、空域和结构等多维度阐述分析了大气波导干扰的规律，探索出多种规避策略。

各种规避策略实际应用效果上来看，适用不同场景，各有优劣，对比情况如2所示。

表2 5种规避策略优劣势对比
6 、结束语
要从根本上解决大气波导干扰必须准确定位干扰源。

总而言之，大气波导干扰的解决之道在于在精确定位干扰源的前提下，施扰方和受扰方开展协同优化。