大气波导对TDDLTE网络的影响以及监控优化方法资料下载.pdf
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TDD-LTE;
networkinterference;
framestructure11大气波导产生的原因大气波导产生的原因大气波导是一种特殊大气情况中形成的电磁波折射效应。
在大气的边界层，尤其是近地层中传播的电磁波如果受大气折射率变化的影响,并使其传播轨迹弯向地面,且轨迹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。
图1电磁波在大气层中折射在大气波导现象中，电磁波经过了一个折射系数随海拔高度而增加的大气层结，导致其传播轨迹的曲率增大，进而折回地面并形成大气波导。
大气折射系数与大气的温度和湿度密切相关。
形成大气波导需满足下列条件：
大气温度随海拔高度升高，形成一定厚度的大气逆温层；
或者大气湿度随海拔高度迅速减小，形成大气湿度锐减层。
根据气象学原理，在以下五种主要天气学过程中容易形成大气波导现象：
海表面海水的蒸发；
反气旋性下沉运动；
锋面下沉运动；
陆地上的夜间辐射冷却；
平流运动；
由于大气状况的瞬息万变，大气逆温层和湿度锐减层的产生及其持续的时间都具有较强的偶然性，所以大气波导发生的时间和空间具有较强的偶然性。
22大气波导对大气波导对TDDTDD-LTELTE网络的影响分析网络的影响分析在低空大气波导效应下，电磁波经过大气折射实现超视距传输。
当远距离传输时间超过TDD系统的上下行保护间隔（GP）时，远处基站（施扰基站）的下行信号在近处基站（受扰基站）的上行接收时隙被近处基站收到，从而干扰了近处基站（受扰基站）的上行信号接收。
因此，大气波导对无线通信系统的主要影响就是导致TDD系统远距离同频干扰。
目前TDD-LTE系统在用的频段有D频段（2.6GHz）、F频段（1.9GHz）和E频段（2.3GHz）。
使用E频段的网元均为室分小区，不受大气波导干扰；
D频段电磁波随传播距离衰耗很快，使用D频段的网元之间不会产生远距离干扰。
因此大气波导干扰主要存在于使用F频段的网元之间。
图2TDD系统远距离同频干扰示意图按照现象发生的地理位置不同，大气波导干扰分为发生于沿海地区的海面干扰和发生于内陆地区的内陆干扰。
根据目前的监测结果，内陆波导干扰，多在凌晨发生，逐步增强后在凌晨6-7时左右达到峰值，上午9时突然消失；
海面波导干扰，全天均可存在，干扰增长迅速，干扰持续时间较长。
2017年4月19日至25日，河北省多地连续多日出现大范围的大气波导现象，下图统计数据显示了典型内地区域（邯郸）和典型沿海区域（秦皇岛）在这一时期的每个时段LTE网络中受干扰小区的数量变化。
小区干扰统计是基于100个PRB（physicalresourceblock物理资源块）干扰电平，如果其中任意一个大于-105dbm，即为受干扰小区。
020040060080010001200140019日0时19日4时19日8时19日12时19日16时19日20时20日0时20日4时20日8时20日12时20日16时20日20时21日0时21日4时21日8时21日12时21日16时21日20时22日0时22日4时22日8时22日12时22日16时22日20时23日0时23日4时23日8时23日12时23日16时23日20时24日0时24日4时24日8时24日12时24日16时24日20时25日2时25日6时25日10时25日14时25日18时25日22时邯郸受干扰小区数秦皇岛受干扰小区数图3典型内地和典型沿海地区大气波导发生时间统计此外，大气波导现象引起的网络干扰还体现出以下区别于普通干扰的特征：
性能变化群体性特征：
单个受扰小区的100个PRB上行干扰电平值指标同时升高，且集中于某个数据区间，区别于普通干扰的数据不规则分布；
地理位置群体性特征：
大量受扰小区连片集中同时出现，区别于普通干扰的离散化分布；
时域群体性特征：
受扰区域内的小区性能恶化一般持续数个小时，区别于其他偶发性干扰；
33大气波导干扰的大气波导干扰的监控判别监控判别方法方法常规的网络性能监控方法难以及时发现区别大气波导干扰，难以与普通干扰相区别，也难以实现干扰区域的快速定位。
综合其性能变化群体性特征、地理位置群体性特征、时域群体性特征，本文提出了“三维八步综合判断法”，能够实现对TD-LTE系统大气波导干扰准确高效监控，判别逻辑如下：
输入输入LTELTE小区全天小时粒度干扰性小区全天小时粒度干扰性能数据能数据剔除非剔除非FF频段小区数据频段小区数据地理位置群体性特征地理位置群体性特征判别判别性能变化群体性特征判断性能变化群体性特征判断剔除不满足性能变化群体性特征小区剔除不满足性能变化群体性特征小区输出当日大气波导干扰小区详单输出当日大气波导干扰小区详单tt+112525YESYESYESYES处理处理tt+11时刻数据时刻数据YESYES天粒度数据汇聚天粒度数据汇聚时域群体性特征判定时域群体性特征判定结束结束NONOYESYESNONONONONONO图4三维八步法大气波导干扰小区判别流程第一步第一步：
从网管系统导出全网LTE小区全天小时粒度干扰性能数据，t取值0-23，性能数据需要包括时段、小区名称、归属地市、频段、小区经纬度、100个PRB上行干扰电平值nPRB（99,0n）；
第二步：
针对干扰性能数据，逐一判断小区配置频段，将配置为D频段及E频段的小区进行数据剔除，最终保留F频段小区小时粒度干扰性能数据；
第三步：
针对F频段小区t时刻干扰性能数据中小区逐一进行大气波导干扰小区性能变化群体性特征判断，如果该列表存在被判定为YES小区，则进行第四步，否则返回第三步进行F频段小区t+1时刻干扰性能数据判定。
性能变化群体性特征判定规则：
根据对现网数据的反复试验，以均方差小于4为条件能够准确判别大气波导干扰。
4100/）Aver-.Aver-（100/）.（105）min（299202990PRBPRBsPRBPRBaverdbmPRBn第四步第四步：
汇聚t时刻小区数据，针对F频段小区t时刻干扰性能数据表格剔除不符合大气波导干扰小区性能变化群体性特征，进行第五步数据处理；
第五步第五步：
针对F频段小区t时刻干扰性能数据中小区逐一进行大气波导干扰地理位置群体性特征识别判定，如果该列表存在被判定为YES小区，则进行第六步，否则直接反回第三步，进行t+1时刻数据处理；
大气波导干扰小区地理位置群体性特征判定规则：
按照干扰目标小区的经纬度进行基于密度的DBSCAN聚类算法进行计算小区聚类，设定聚类参数核心半径Eps为10公里，核心点数Epsmin为11个点。
根据输出聚类结果逐一判定F频段小区t时刻干扰性能数据列表中小区是否属于某一聚类，如果该列表存在被判定为YES小区，则进行第六步，否则返回第三步进行F频段小区t+1时刻干扰性能数据处理；
图5河北邯郸受干扰小区聚类结果示例第六步：
第六步：
当t+124时，则返回第三步，开展F频段小区t+1时刻干扰性能数据处理；
否则将第六步接收到的小时粒度的数据集成成一张数据表；
第七步：
针对第六步输出数据受扰小区进行大气波导干扰时域群体性特征判定，如果该列表存在被判定为YES小区，该小区为大气波导干扰小区，否则不是；
大气波导干扰时域群体性特征判定算法：
针对聚类区域时域连续性判定，如果存在t时刻与t+1时刻，同一聚类区域小区一致性大于70%，则认为该聚类区域时域具有连续性，即该干扰区域受干扰时间相对较长，对网络影响较大，认为受到大气波导干扰，否则认为该区域是偶发干扰。
如果小区属于此类时域连续性聚类区域，则判定为YES，否则判定NO。
第八步第八步：
输出当日大气波导干扰小区详单本算法易于在计算机软件系统中实现，可以实现对LTE全网络的日常化7*24小时监控，判别成功率达到90%以上。
55大气波导干扰的优化策略大气波导干扰的优化策略因为大气波导干扰现象的突发性，常规网络优化调整措施难以及时奏效，目前最为有效的办法是优化F频段小区的特殊子帧配置。
TD-LTE系统是时分双工模式，它的无线帧结构长度是10ms，由10个1ms的子帧组成，其中包含8-9个普通子帧和1-2个特殊子帧。
普通子帧的作为数据调度和传输单位。
特殊子帧则包含了3个特殊时隙，即DwPTS（DownlinkPilotTimeSlot下行导频时隙）、GP（GuardPeriod保护时隙）和UpPTS（UplinkPilotTimeSlot上行导频时隙）。
DwPTS用于正常的下行控制信道和下行共享信道的传输；
UpPTS可用于承载上行物理随机接入信道和导频信号；
GP则用于上、下行之间的保护间隔。
特殊时隙总长度一般为14个OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）符号数。
3GPP协议规定9种特殊子帧配置模式，如表1所示。
通过调整特殊子帧配置，增大保护时隙GP的数值可以有效降低TDD-LTE的远距离同频干扰。
表1TDD-LTE特殊子帧配置（单位：
OFDM符号数）模式DwPTSGPUpPTS031011941210313112141211539269327102281112模式5相较于模式0具有更强的UpPTS时隙抗干扰能力，而相较其他7种模式在保护间隔上有较大优势，也就是能够抵抗更大范围的同频干扰。
因此，在大气波导干扰频发地区的LTE网络应该选用模式5，即选择3:
9:
2的特殊子帧配比。
根据河北地区现网实施效果分析，特殊子帧配置3:
2模式可以有效防治干扰源距离在300km以内的远距离同频干扰。
因为DwPTS大于等于9个符号时可以承载下行数据传输。
因此模式5相较于其他7种模式的理论传输速率降低约10%。
但目前TDD-LTE网络平均利用率不高，且容量要求较高的城市区域均已部署D+F双频网络，所以模式5不会用户感知产生不利影响。
66结束语结束语大气波导的突发性使得TDD-LTE网络干扰问题变得极为复杂，严重影响网络质量，降低用户的感知。
本文所提的三维八步综合判定方法能够快速准确地判别大气波导干扰并定位受扰区域和网元，通过优化特殊子帧配比的方法也能有效降低干扰程度。
但是目前仍无有效手段彻底解决大气波导引起的远距离同频干扰问题。
未来仍有待LTE自组织优化技术的进一步改进，使得LTE基站能够及时根据无线环境的变化自动化调整参数，时刻让网络保持最佳状态。
参考文献参考文献1孙方，赵振维，康士峰，王红光.大气波导传播模型及特性分析J.装备环境工程，2009（12）2刘宁.TD-LTE网络大气波导干扰的成因分析和防治措施J.山东通信技术，2015（6）3姚克宇.TD-LTE系统大气波导远端干扰解决方案研究J.移动通信，2016（16）4王迪，张丽杰，谢存智，黄亮，栗永生.大气波导对LTE系统内的远端同频干扰分析J.通讯世界,2016（19）5虎威.TD-LTE特殊子帧配比的优化设计J.移动通信,2014（6）6刘毅，牛海涛，张震刚，孔建坤.TD-LTE大气波导效应导致干扰研究J，移动通信，2017（5）7张育红，姜军君，王迎军.TD-LTE远端同频干扰解决方案研究J,移动通信，2016（4）8杨超，郭立新，李宏强，吴振森.大气波导中电波传播特性的研究J.西安电子科技大学学报自然科学版,2009（6）9张瑜，吴少华.大气波导传播类型及特性分析J.电波科学学报,2009
（1）10任香凝.大气波导传播现象研究及通信应用设想J.无线电通信技术,2014（6）作者简介作者简介华志超：
高级通信工程师，毕业于北京交通大学，硕士研究生学历，现工作于中国移动通信集团河北有限公司网络部，主要从事无线网络规划和优化工作。
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