遠距離同頻干擾問題

TDD無線通信系統中，在某種特定的氣候、地形、環境條件下，無線信號的傳輸會形成大氣波導效應，遠端基站下行信號經過長距離傳輸後仍然具有較大的強度，因而對本地基站的上行時隙接收信號產生干擾。這裡的“長距離傳輸”通常指傳輸的時延超過TDD系統上下行保護時隙GP（對於TD-LTE的2個OFDM符號長度的GP而言，約相當於43km的距離）。這就是TDD系統特有的“遠距離同頻干擾”。

基本介紹

• 中文名：遠距離同頻干擾問題

1.定義

在大規模部署的網路中，此類干擾可能出現，並對本地基站的上行用戶隨機接入時隙以及上行業務時隙造成干擾，影響用戶上行隨機接入、切換過程以及上行業務時隙。

本文將從遠距離干擾的基本原理、成因、對網路的影響以及現有TDD系統的解決方案分析入手，給出TD-LTE系統此類干擾的特性、影響以及不同干擾程度下的解決方案建議，並提出對系統設備的特殊要求，為TD-LTE網路大規模部署後，避免和消除遠距離同頻干擾的影響提供理論支持。

2.成因分析

產生遠距離同頻干擾，必然是發生了超過保護間隔以上的超遠距離傳輸。商用TDD系統，如SCDMA（大靈通）和TD-SCDMA均已證實遠距離同頻干擾的存在性。遠距離同頻干擾的發生與信號傳輸環境和基站高度等相關。

2.1主要因素

“低空大氣波導”是一種特殊氣候條件下形成的大氣對電磁波折射的效應。在“低空大氣波導”效應下，電磁波好像在波導中傳播一樣，傳播損耗很小（近似於自由空間傳播），可以繞過地平面，實現超視距傳輸。當遠處基站達到一定的基站高度級別，在存在“低空大氣波導”現象的情況下，遠處基站的大功率下行信號可以產生遠距離傳輸到達近處基站。由於遠距離傳輸時間超過TDD系統的上下行保護間隔，遠處基站的下行信號在近處基站的接收時隙被近處基站收到，從而干擾了近處基站的上行接收，產生TDD系統的遠距離同頻干擾。

“低空大氣波導現象”產生的時間各地分布不同：南海地區春秋冬季出現較多；東部沿海夏秋季出現較多；西北地區春秋冬季出現較多。我國東南部傍晚出現多於早上，西北地區則是早上多於晚上。

2.2輔助因素

基站的發射天線與接收天線高度要求高於周圍的建築物，否則信號很容易被建築物阻擋。當天線高度足夠高時，遠端基站下行信號在“抵抗大氣波導”效應下可能會發生超遠傳輸，干擾近端的上行信號。

由於基站發射功率高，終端發射功率低，因此只有基站發射的下行信號，才有可能經過遠距離傳輸後，干擾近端上行。由於終端發射功率較低，經過遠距離傳輸後，不會對近端基站上行信號產生干擾。經過遠距離傳輸後，遠處基站發射功率對近端基站的下行干擾也可以忽略。

3.產生條件

除了天氣環境需要滿足“低空大氣波導”條件外，超遠距離的傳輸還需要滿足以下各項條件。

（1）地理位置：基本處於平原地帶，以利於無線電磁波的超遠距離傳輸。

（2）發射與接收天線高度：基站的發射天線與接收天線高度高於周圍的建築物，否則信號很容易被建築物阻擋；當天線高度足夠高（高度足以使天線輻射出的電磁波不被城市建築或山丘所阻擋）時，遠端基站下行信號才有可能在“低空大氣波導”效應下發生超遠傳輸，干擾近端的上行信號。而終端的發射與接收天線高度較低，不會產生超遠傳輸；同時基站下行信號發生超遠距離傳輸後，也不會干擾近端終端接收下行信號。

（3）發射天線下傾角：現網的大量網優和試驗數據表明，天線下傾角對此類干擾有一定抑制作用，下傾5°以上將對此類干擾產生一定的抑制作用。

（4）發射功率：終端設備的發射功率是很低的，往往在“低空大氣波導”效應下也不會發生超遠傳輸。而基站發射功率一般較高、天線接收靈敏度也高，因此基站發射的下行信號，經過遠距離傳輸後，就有可能幹擾近端基站的上行接收。

4.遠距離同頻干擾解決方案

遠距離同頻干擾只能通過實際測試的方法證明其存在，過程漫長且複雜，並且干擾源的定位也很困難。因此，需要根據TD-LTE系統幀結構的特點和小區間互動信息的可能性，確定TD-LTE系統中基站上行受到的干擾是否來自於遠處同頻基站下行遠距離同頻干擾，並進而定位干擾源。

如圖1所示，TD-LTE的物理幀結構與其他商用TDD系統類同，單從幀結構上看，與其他商用TDD系統最大的差別在於，特殊時隙的DwPTS與GP長度是可配置的，可支持從1個OFDM符號（約71ms）到10個OFDM符號（約710ms）的GP，從而避免不同距離的干擾；而且其UpPTS也不是上行隨機接入同步碼傳輸的唯一途徑，在UpPTS受擾時，將上行隨機接入信道配置到其他上行子幀，即可保證不影響用戶接入。

圖1 TD-LTE系統幀結構簡圖

當然，幀結構的特性只是TD-LTE系統規避此類干擾的一個方面。要具體定位TD-LTE系統遠距離同頻干擾源，首先需要確定TD-LTE系統中近處基站是否受到遠距離同頻干擾，確定後再進行定位。

4.1TD-LTE近處基站是否受到遠距離同頻干擾

當TD-LTE基站無線幀中特殊時隙UpPTS的非PRACH部分和上行時隙未分配給終端部分的功率高於底噪時，可知該基站上行受到其他小區信號的干擾。基站可以根據以下方法判斷該小區基站上行所受干擾是否為遠距離同頻干擾。

1．方法一：基於受擾基站中心頻率受擾情況的分析

若遠距離同頻干擾距離足夠遠，造成了遠處基站P-SCH（主同步信號）、S-SSH（輔同步信號），甚至PBCH（物理廣播信道）信號對近處基站上行的干擾，根據這些信道信號的特點，可知近處受擾基站中心1.08MHz頻寬的頻率區域將會受到較恆定的干擾。同時，若受擾基站PRACH的頻域本身占據中心1.08MHz，有可能是終端一直在傳送Preamble碼，因此本方法需要同時判斷中心1.08MHz的干擾狀況和為PRACH分配的頻域位置：在受擾基站PRACH不占據中心1.08MHz時，若受擾基站中心1.08MHz頻寬頻率區域功率高於底噪，可以初步判斷受擾基站受到了超遠距離同頻干擾。

2．方法二：基於受擾基站受擾無線資源塊（RB）分析

該方式是根據鄰區同頻干擾和遠距離同頻干擾特性進行區別。若受擾基站上行數據信道（PUSCH）受到相鄰小區的同頻干擾，則由於上行資源分配最小以RB為單位，受擾小區上行受擾RB必然受到鄰小區施擾RB資源上所有子載波和OFDM符號的干擾。

若為遠距離同頻干擾，則受擾小區上行受擾RB在時域上干擾強度情況不同。原因是遠距離信號的傳播到達本地受擾基站的時域位置和距離有關，從統計上看，上行受擾RB的時域OFDM符號未必會全部受到干擾，隨著干擾距離的增加，表現為時域上由左至右（假定向右為時域方向）的OFDM符號依次受到干擾；且由於干擾源往往為多個遠近不一的同頻小區，距離較近的干擾源干擾強度大，從統計上看，干擾強度在時域上有由左至右減弱的趨勢。

對受擾RB中的受擾符號進行具體的分析，若受擾RB在時間上由左至右的OFDM符號依次受到干擾，則可以初步判斷受擾小區受到了遠距離同頻干擾。注意，由於P/S-SCH信道只在一個符號上傳送，故若是干擾源基站的P/S-SCH信道產生的此類干擾，不會表現為多個OFDM符號均被干擾，方法一不再適用，需要採用方法二來確定。

4.2定位TD-LTE系統遠距離同頻干擾源

確認受擾基站受到的是遠距離同頻干擾後，根據受到干擾的最後一個OFDM符號，可以基本得到遠處干擾基站的干擾信號傳輸至受擾基站所需的傳輸時延（由於遠距離同頻干擾多發生在干擾源基站GP配置為較少OFDM符號的情況，考慮以特殊時隙10∶2∶2配置為例，假設干擾到受擾基站UpPTS後第一個上行時隙第N個OFDM符號，那么再加上GP的長度和UpPTS的長度，傳輸時延為N+2+2個OFDM符號的時域長度），通過式（1）可計算出干擾源到受擾基站間的大致距離：

受擾基站距離（m）=傳輸時延（s）×（3×10）（m/s） （1）

受擾基站通過對干擾信號進行相關檢測算法，在干擾源不是很複雜的情況下，可以判斷施擾基站。基站要支持此項功能，需要能解調其他基站下行信號，而基站往往只有一套接收機來解調上行時隙UE的信號，因此必須單獨配置另外一套接收機處理系統才可能實現。在實際處理時，可以參考TD-SCDMA的解決方案，考慮開發具備此項功能的特殊掃頻設備。

根據式（1）計算出的干擾源大致距離以及施擾基站信息，可以選定一些可能的干擾源基站（基站保存一份網內其他基站信息的列表，包括其經緯度、小區ID等信息）。

受擾基站通過擴展的X2接口，獲取可能的干擾源基站的工作頻點、天線高度、下傾角、方位角等信息（這些信息如果受擾基站已知，則不需要進一步的互動來獲取）。在干擾基站（扇區）頻點和受擾基站（扇區）頻點相同的前提下，由於是遠距離同頻干擾，可通過判斷施擾基站的天線高度是否超高（超過普通城區樓宇平均高度則為超高，一般為≥30m）、下傾角是否較小（下傾角≤5°）、方位角是否是受擾基站的方向（遠處基站信號傳輸方向是否符合要求，或者在傳輸過程中是否受到建築物阻擋而無法到達近處基站造成干擾），來確定具體的施擾基站。

如上所述，通過大致範圍的確定和X2接口的信息互動，受擾基站可以定位出遠處干擾源基站或備選的數個基站，從而便於採取措施，消除干擾。

4.3解決遠距離同頻干擾的方案

TD-LTE的幀結構設計，使得系統可以通過有效的判斷，輔以基站間信息互動，實現相關小區自動配置，以消除遠距離同頻干擾或減輕遠距離同頻干擾帶來的影響。下面分別介紹具體的技術方案。

1．方法一：上行傳輸算法

上行受擾時，基於Sounding的上行AMC和上行頻選調度，分配資源時避開受擾部分或採用低階調製和低碼率，可緩解干擾帶來的性能損失。

2．方法二：PRACH自適應

當確定受擾基站受到遠距離同頻干擾後，或者在遠距離同頻干擾多發地區，可以自適應或固定地在非UpPTS時隙傳輸上行PRACH信號（非Format 4格式），將可能受擾基站的PRACH移到不會受到干擾的其他上行時隙（如第2個上行時隙），以避免遠距離同頻干擾對隨機接入的影響。後者，即便是PRACH配置在UpPTS，採用Format 4，也可以配置成與P-SCH在頻域錯開，避免遠端基站主輔同步信道造成的干擾。

3．方法三：網規網優措施

儘量限制站高，採用較大下傾角，施擾基站的信號無法有效地向遠距離空間傳播，可以一定程度上降低甚至消除干擾。如果系統支持電調天線，可採用自動調整方式：系統由受擾基站定位出施擾基站後，如果通過X2接口信息互動確認為施擾基站下傾角設定的問題，可通過X2接口通知施擾基站（或網管系統）自動調整下傾角，加大施擾基站的下傾角角度。同時，受擾基站的下傾角，如果設定過小，可調整變大，以消除遠距離同頻干擾。下傾角自動調整以消除遠距離同頻干擾的方法，不僅適用於TD-LTE系統，同樣適用於其他TDD系統，但可能影響單個小區的邊緣覆蓋。

4．方法四：特殊時隙自動配置

通過縮短DwPTS數據部分可以增大GP時長，從而加大遠距離同頻干擾的保護距離。在保護距離內，不會產生遠距離同頻干擾，但是下行吞吐量有一定損失。具體實施包括施擾基站和受擾基站的自動配置。

（1）施擾基站：對於GP較短的配置，如DwPTS∶GP∶UpPTS=10∶2∶2，可以改成3∶9∶2或其他GP較大的配置。如果不能更改特殊時隙配比，可根據干擾情況將其特殊時隙DwPTS後面的數據部分，自右向左閉鎖某些OFDM符號（不分配給用戶，不傳送RS），從而消除可能產生的遠距離同頻干擾，精細地調整避免遠距離同頻干擾的能力。

（2）受擾基站：在遠距離干擾易發生地區，特殊時隙自動調成3∶9∶2或其他GP較大配置，以避免遠距離同頻干擾的影響。若不能更改特殊時隙配比，可針對受擾基站採用上行傳輸算法最佳化和PRACH自適應解決。

以上4種方案，都是根據TD-LTE系統的可用資源和TD-LTE的幀結構特點提出，具有易實現性，且不需要更改已有系統結構。其中第一種方法並不直接針對此類干擾消除，僅能緩解干擾帶來的影響；第二種方法不會影響任何系統性能，但僅能解決PRACH受擾問題；第三種方法會在一定程度上影響網路覆蓋範圍，但套用得當可以消除此類干擾；第四種方法會造成下行時隙資源減少，雖然可以基本完全消除干擾的產生，但對準確定位施擾基站要求較高。在實際套用中，建議結合干擾強度與網路實際狀況選擇性使用。

不同干擾距離下的時隙和PRACH配置方案總結見表1。

表1 TD-LTE在不同干擾距離時的配置方案

干擾距離	配置手段（均為可能的配置示例）
小於2 Symbol（42.86km）	可考慮常規配置，沒有任何容量損失： — 施擾基站：特殊時隙10∶2∶2配置； — 受擾基站：PRACH配置為Format 4。; 此時用戶上行隨機接入和上行數據均不受影響
大於2 Symbol（42.86km）; 小於3 Symbol（64.3km）	— 受擾基站：PRACH配置為非Format 4； — 施擾基站：特殊時隙3∶9∶2配置。; 此時用戶上行隨機接入和上行數據均不受影響
大於3 Symbol（64.3km）; 小於10 Symbol（214.3km）	— 施擾基站：特殊時隙3∶9∶2配置； — 受擾基站：PRACH配置為非Format 4。; 此時用戶上行隨機接入和上行數據均不受影響
大於10 Symbol（214.3km）	— 受擾基站：PRACH配置為非Format 4； — 施擾基站：特殊時隙3∶9∶2配置。; 此時用戶上行隨機接入不受影響，但是上行數據部分受到干擾，由AMC和頻選調度機制可部分解決

特殊配置造成的理論吞吐量損失估算如下：

（1）施擾基站：在上下行時隙比2∶2，下行業務時隙配置3個符號的PDCCH情況下，特殊時隙3∶9∶2配置比10∶2∶2配置，下行理論吞吐量損失約為24%。

（2）受擾基站：在20MHz載波頻寬，上下行時隙比2∶2情況下，PRACH配置為非Format 4（例如Format 0），相比Format 4上行理論吞吐量損失1.5%。