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LTE-传说中的大气波导效应
2017-03-29 23:24:45   来源:   评论:0 点击:

在无线通信中,干扰的影响从来都不容小觑,引起干扰的原因也是多种多样。一位授业恩师对于干扰问题曾经点拨过十八哥几句,这里呈现一句:任何

  在无线通信中,干扰的影响从来都不容小觑,引起干扰的原因也是多种多样。一位授业恩师对于干扰问题曾经点拨过十八哥几句,这里呈现一句:任何干扰归更到底其实都是同频干扰。这句话十八哥品味良久,越发觉得有道理。各位看家可自行分析,既可相互印证,融会贯通;也可引经据典,一笑置之。所谓,天下之大,然则殊途同归,技术之路,任重而道远。

  近些年,TDD系统伴随着LTE技术的大规模商用,席卷华夏大地。在这个背景下,大气波导效应导致的干扰也是一次次甚嚣尘上。今天,十八哥借助通信大视野这个平台,对大气波导效应的基本概念、现象和解决办法进行一次分析和讨论。本文为了说明问题,构造的场景相对简单,然而实际网络远非寥寥几笔可以描述,基于本文解决现场问题,请结合具体场景进行分析,谋定而动。

 
 
大气波导效应的基本概念

  大气波导效应,英文全称tropospheric ducting。它是一个发生在大气对流层的效应,也就是说,大气形成的波导与地面的距离并不高。大家日常生活中,见到、听到或是感受到的自然现象对本效应都是有一定影响的(比如冷热空气的对流,雾,霾,海面水汽的蒸发等等)。

1、本文基础知识点之一:大气波导效应的产生需要很多因素,其中最本质的因素是电磁波传播的波粒二象性。当然,此时主要是电磁波传播的波动特性在起作用。什么是电磁波传播的波动特性呢?简单的说,就是电磁波在传播过程中,表现出的反射、折射、绕射、散射和衍射等传播方式。电磁波在传播的过程中,传播的方向会发生改变,同时能量的大小也会发生改变。鉴于电磁波传播遇到的介质密度有差异,电磁波的传播方向发生改变的程度也有所不同(也就是说,入射角与折射角大小的变化与入射介质的密度和折射介质的密度有直接关系,密度差越大,差异越大)。原理如下图所示:

2、本文基础知识点之二:电磁波是有能量的,衡量能量的大小通常用功率表示,在移动通信系统中通常描述为dBm。其实,本质上讲,功率与能量并不对等,二者之间联系的桥梁是时间。电磁波传播过程中,随着传播距离的增加,单位面积内电磁波的能量越来越少。通常,对于自由空间,使用自由空间损耗公式对上述特性进行描述。然而,实际的传播环境并非理想的自由空间,传播过程中还可能遭遇障碍物的阻挡。电磁波穿透障碍物,也会有损耗,具体损耗值依材质不同有较大差异。同时,由于波动性的影响(主要考虑电磁波的相干现象),导致电磁波传播过程中的能量变化表现出相当的复杂性。

3、本文基础知识点之三:大气压强、温度和湿度随着地理高度的变化而变化。即使是同一个地理位置,由于空气在垂直距离上的差异性,大气密度随着垂直高度的变化也会有较大的差异。这些参数相互作用,共同作用出一个参数——大气折射率。这样,电磁波传到空中,当折射形成的电磁波射线的绝对曲率大于或等于地球表面的绝对曲率时,就形成了超折射(这个定义请多关注)。在超折射的情况下,电磁波传播方向将被弯向地面,经地面反射后,继续向前传播。这个过程可能会有多次重复。使电磁波产生超折射的大气层称为大气波导层。同时,电磁波也可能会被陷获在大气波导层中,在大气波导层中传播。在这种情况下,电磁波传播遇到的损耗会很小,信号经过传输之后剩余的能量依旧会很高,这是最终形成干扰的主要原因之一。

4、本文基础知识点之四:子帧配比和特殊子帧配比的相关概念需要明确。关于LTE的子帧配比,因为内容比较基础,这里不再赘述。对于特殊子帧配比有必要描述一下:众所周知,TD-LTE的特殊子帧由DwPTS、Gp和UpPTS三部分构成,三者的配比有多种形式,这里不再赘述。以现网经常使用的常规CP为例,写出一组参数如下:子帧长度=1ms;一个子帧包含2个时隙,时隙长度=0.5ms;对于常规CP,一个子帧包括14个符号,14个CP;每个符号的长度约等于66.67微秒,CP(每个时隙第一个)的长度约等于5.21微秒,CP(每个时隙中,除第一个外,其余6个)的长度约等于4.69微秒。此时,假如特殊子帧的配比为10:2:2,那么Gp的长度=66.67微秒*2+4.69微秒*2=142.72微秒;假如特殊子帧的配比为3:9:2,那么Gp的长度=66.67微秒*9+4.69微秒*8+5.21微秒=642.76微秒。以上概念,请各位务必熟记于心,这与干扰的形成条件密切相关。

结合以上四个知识点,对大气波导效应产生干扰的因素进行概括,如下所示:

1、电磁波的波动特性(对应基础点2);

2、存在这样一个区域,在这个区域内空气密度在层与层之间存在明显地变化(冷热空气导致的密度差、水汽蒸发、雾、霾等等,对应基础点3);

3、由于某种原因,电磁波被指向高空。电磁波在高空中传播,传播模型接近自由空间,传播损耗非常小;

4、形成干扰的电磁波的功率足够高。足够高的功率才能对抗损耗,传播更远的距离,最终才能干扰其他系统。对于LTE系统,基于本条原因,进一步的解释:由于基站的发射功率远远大于终端的发射功率,基站的发射功率虽然经过远距离传输,但是较之于手机的发射功率依旧很大。

5、下行方向的电磁波,经过大气波导的传播,产生一个时延。经过这个时延之后,下行方向的电磁波刚好落进上行时隙,假如该信号的强度又满足条件4,那么对上行的干扰就形成了;

6、系统是同频组网的TDD系统,这里面有两个关键点:a、同频组网(开篇的那句话);b、系统的双工方式是TDD(因为FDD,上行和下行是异频);

7、具备形成超折射的条件。

将以上因素聚合到一起,形成一张大气波导全景图,如下图所示:

  结合上图和大气波导效应产生的7个原因,将他们串联到一起,旨在描述由于大气波导导致干扰形成的过程。具体描述如下所示:

1、eNodeB-1与eNodeB-2、eNodeB-3是同频组网,均属于TDD系统(以TD-LTE为例);

2、eNodeB-1将信号发出来,由于某种原因(电磁波的反射,基站过高,天线下倾角过小等),存在一路或是多路信号指向天空;

3、指向天空的电磁波信号由于空气密度的差异,形成超折射;

4、由于电磁波信号在空中传播,没有任何阻挡物,传播模型类似于自由空间,能量损失很小;

5、信号传播到eNodeB-3,此时其的功率强度依旧高于高斯白噪声,导致了eNodeB-3底噪的抬升;这个底噪抬升对下行的影响可以接受,但是对上行的影响是致命的。

6、步骤5中,对于这个底噪抬升,是否会对上行信号造成影响呢?此时就需要考虑eNodeB-1的信号传播到eNodeB-3的时延问题了。这个时延如果大于Gp一定的值,导致传播过来的下行信号落到了上行时隙之内(例如eNodeB-1的DwPTS信号经过传播,历时152微秒,如果特殊子帧的配比是10:2:2,那么此时DwPTS信号刚好落在eNodeB-3的UpPTS接收时隙内,因为此时Gp=142.72微秒;但是对于特殊子帧的配比是3:9:2这种情况,则没有关系,因为此时Gp=642.76微秒)。请结合基础点4,将这个问题搞明白。

7、对于步骤6的补充,不难想明白,信号传播历时越长,传播的距离越远,信号衰落(损耗)越大(在自由空间的传播模型下,传播距离与损耗的关系是:传播距离增加一倍,损耗增加6dB,这个6dB的增长,对于底噪的影响相当可观)。当信号强度低于高斯白噪声时,我们认为它对通信系统就没有影响了。通过修改特殊子帧配比(主要是修改Gp的长度),形成时间错位,对干扰的降低是有帮助的,但是这个方法付出的代价是降低了基站的下行容量和峰值速率,这个后边详细分析。

 
 
大气波导干扰的现象及规律

  大气波导干扰的现象:上行子帧被干扰的符号数不确定(为什么呢?结合上文,是否有通达之感。因为传播的路径不确定,所以传播时延的大小是无法准确计算的。当这个干扰落在相对比较重要的时隙上,那干扰的影响就尤其明显了。所以,究竟干扰什么时候到达被干扰小区,这个存在时变性。同时,假如时间确定,干扰也可能来自于多个干扰源,不同干扰源的传播路径不同,所以到达受扰小区的时间也有差异,以上结果,最终导致上行子帧被干扰符号数的不确定);不同符号上的干扰大小不一致(为什么呢?根据大气波导干扰形成的过程,发现电磁波信号的传播环境是不稳定的,是时时变化的,所以干扰到达被干扰区时,形成的干扰在不同符号上,影响不具备规律性。同时,由于施扰基站可能是多个,多个施扰基站的信号到达被干扰小区的时间也不同,功率有的强,有的弱。所以,不同符号上的干扰大小不一致。在做现网研究时,各位大虾切记不要以偏概全);对于不同厂家的设备,大气波导干扰呈现相同的表现,即同一个区域,A厂家的设备受到干扰的表现与B厂家的设备受到干扰的表现相同(这个可以作为一个判断大气波导效应导致干扰的依据)。

 大气波导干扰的规律:

1、从干扰范围看,农村及城郊受影响小区数明显多于城区(为什么呢?结合上文,大气波导干扰形成的条件之一是存在一路或是多路信号指向天空;这个条件的形成,地势相对空旷的区域(农村或是郊区)较之于地势复杂的区域(市区)要容易很多;同时干扰信号达到受干扰小区,高大建筑物的遮挡有助于干扰信号的减弱);2、干扰小区随着时间的推移可能会逐渐流动(原因同上,无线传播环境在变化,进而对超折射的形成有较大影响);3、从时间维度看,干扰一般发生在晚上9点到早上9点之间,9点之后自动消失(这个现象并不普适,不同区域存在一定的差异);4、干扰直接对业务指标造成影响,且影响十分明显(主要是降低了上行信道的信噪比,与此相关的业务过程均会受到影响);5、大气波导目前只出现在TDD系统中,对FDD系统暂无影响;6、该干扰在多个厂家的覆盖区域均有出现,且表现相同。

 
 
大气波导干扰的应对策略及分析

  接下来十八哥将从理论层面对解决大气波导干扰有助力的方法进行描述和分析,其中有些方法目前还没有实现,本文也写出来,作为技术探前瞻,各位看客可自行研究,分析。当然,也欢迎大家来信与通信大视野进行探讨和切磋。

1、依靠功率控制解决这个问题。针对前文原因4和步骤6考虑解决办法,具体内容是当出现大气波导干扰影响UpPTS时,提高UpPTS的功率。目的是提高解调信噪比,进而提高解调性能。但是这样做,相当于提高了LTE总体的功率值;同时,不利于接收功率的均衡;再者,如果此时用户处于小区边缘,没有功率提升的空间,这个方法没有兼顾到;最后,小区间的干扰问题会因此加剧,ICIC(小区间干扰协调)的负担会加重。

2、增大Gp的时间长度(例如,前文描述过的将特殊子帧配比由10:2:2修改为3:9:2),针对原因4和步骤6考虑解决办法,如前文所述,这样相当于增加了干扰生效的传输距离,可使干扰的功率值进一步减小,同时构造时间错位,使干扰信号落在Gp时间之内。这个思路没从本质上抑制干扰,只是利用了距离的作用减少干扰的功率值或是使干扰落在保护时隙之内。但是这样做,会对基站下行小区的峰值速率和小区容量造成影响。

3、20MHz和10MHz插花组网。针对原因5和步骤1考虑解决办法,这个策略的目的是构造异频组网,因为大气波导干扰的本质还是基于同频干扰下的时隙交叉干扰,所以从根本上破坏这个链条有助于问题解决。但是,一线兄弟可能会有体会,客户的网络不是你想调就能调的。另,该方法对于其他优化工作的影响可想而知,异频组网,改变频率规划,会动摇当前优化工作的基础,可能会带来很多问题。所以这个策略,需要有选择的使用。

4、调整天线的下倾角。针对原因3和步骤2考虑解决办法,这个策略是从本质上对电磁波的入射角度进行了改变,换句话说这是改变了形成超折射的输入条件。但是环境也是在变化的,也就是说大气压强、温度和湿度等因素也是在相应变化的。我们知道,两个变量相互作用,在不附加条件的情况下,没有办法得出唯一的结果。所以釜底抽薪这一招,看似美好,实则“水中月”,只是解决一时的问题。另外,现在没有严密的公式计算下倾角的调整与大气波导的形成有确定的数学关系,因为电磁波的传播环境非常复杂,我们做规划选择传播模型时,也仅仅是大体估算。同时,对于不支持电调的天线,人力成本的投入以及该方法的及时性,也是需要考虑的问题。综上,这个方法的使用,需谨慎;而且就算冒险一试,也有可能是拆了东墙补西墙,或是今朝有酒今朝醉。

5、降低基站高度。针对原因3和步骤2考虑解决办法,这个方法理论上可行,但是对于一个已经使用的网络,我们知道,这是在“逗着玩”。而且现在“基闹”现象层出不穷,基站选址的困难已经不是技术层面要考虑的内容,基站建设成本的增加更是一次次刷出G点,所以对于这个方法,我们只能微笑、默叹了。

6、Upshifting,上行偏移,简单的说就是在Gp和UpPTS之间,预留出一段时间,目的类似于方法2,只不过这个方法是在尽可能的维系下行。同样的,这个方法付出的代价是牺牲了小区峰值速率和小区容量。

7、开启时隙自动配置功能,目前,一些厂家的设备支持这个功能,判决条件、生效条件有点复杂,这里涉密,不能展开说,而且过程也过于复杂。原理与第二条基本类似,但是不同之处在于人家是“自动” 。这个“自动”如何实现呢?其通过自右向左依次闭锁DwPTS的符号实现。这个方法有点意思,但是其基本上继承了方法2的优缺点。我个人认为,这个方法值的考虑,推荐一下。

8、下倾角自动调整。这个方法类似于方法4,优缺点也大体相同。其是基于X2接口的信息交互,自动对下倾角进行调整,其解决了人工成本的问题。但是方法4提到的问题——下倾角如何调整的问题,该方法没有解决。

9、开发特定的干扰抵消算法消除干扰,新技术的使用(例如多天线带来的空分复用,在保证速率的同时,将资源分配从时间维度转化到空间维度),超密集组网(降低基站的发射功率),异构网络的使用等等。这些思路值得期待,我认为这是真正治本的方法。

  文章到此为止了,要说再见了,就到这里吧。十八哥有时候会想,技术无边,回头是岸。每念及此,总是回眸一望,可惜离岸以远,真乃路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。在这条路上,大家共勉。

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