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【5G无线每日问答】虚无缥缈的大气波导—“你是谁,你在哪里,你都干了什么”?

张巍巍 发表于 2021-9-13 16:34:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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问:虚无缥缈的大气波导,”你是谁,你在哪里,你都干了什么”?

答:大气波导的研究最早可以追溯到20世纪30年代,由于当时雷达技术的发展和逐步使用,雷达军事探测飞机经常发现一些奇怪的超视距现象,逐渐引发了各国的重视,后来证明这些奇怪的超视距现象是由大气波导引起的。

大气波导效应是一种发生在大气对流层的效应,如图一所示。对流层中,由于水汽随海拔高度增加而急剧变小或温度的变化使得大气层存在层次变化,形成一大气薄层,在其中传输的电磁波会被限制在这一层中,类似电磁波在金属波导中传播。这种现象称为电磁波的大气波导传播,形成的大气薄层称为大气波导层。

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图一:大气波导效应示意图

在数学上的解释为大气的修正折射率存在负梯度,使得电磁波传播轨迹的曲率半径小于等于地球半径(6371km)的现象。由于传播的电磁波能量主要集中在大气波导层内,因此在波导层内的接收天线接收的信号强度远高于自由空间情况下的信号强度。

大气波导通常分为3类:表面波导、抬升波导和蒸发波导,其中蒸发波导一般发生在海洋大气环境,表面波导和抬升波导在陆地和海洋环境中都存在。

       1. 表面波导一般出现在大气较稳定的晴好天气里,此时低层大气往往有一个比较稳定的逆温层,并且湿度一般随高度递减。

       2. 抬升波导是下边界悬空的大气波导,一般发生在3000m高度以下的对流层低层大气中,它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成。抬升波导的下边界高度一般距地面数十米或数百米,在此高度之上一般出现一层逆温层结。

       3. 蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导,它是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成的。蒸发波导一般发生在海洋大气环境40m高度以下的近海面大气中,它由一个较薄的陷获层组成。

大气波导造成的干扰与季节、日夜交替、地形、距离以及通信波段等有关。一般来说,在内陆地区的春夏过渡期和夏秋过渡期,以及沿海地区的冬季较易产生,夏季的发生概率远高于冬季;晚间20时至早间8时,大气波导造成的干扰较为严重;空旷的地带更容易发生,海边或湖边的空旷地带发生干扰的概率较大;干扰的距离远,可达200km以上;通信的频段越高,无线信号越容易被波导层所陷获,产生大气波导干扰的概率也越大。当水汽或温度达不到条件时,大气波导现象就会消失。通常受这种现象影响的频率范围约为0.3GHz~30GHz。

2019年度的“嘉环杯”获奖论文《5G网络大气波导干扰防范研究》中给出了中国区大气波导分布的地域性特点,如图二所示。

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图二:大气波导时频域干扰范围示意

同时大气波导也有一定的季节性特点。如下图三所示。

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图三:大气波导季节性干扰示意

国内某省份曾基于“受干扰小区数量、编码效率、丢包率以及容量”四个维度统计分析大气波导对5G网络质量的影响。

受干扰小区数量:全省NR干扰小区数由637增加至2325个,增幅达264.99%,干扰占比从0.99%上升到3.51%,占比恶化2.52PP;

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图四:大气波导对受干扰小区数量的影响

 编码效率:上行256QAM比例从56.96%下降到53.75%,比例下降3.21PP;下行256QAM比例从15.94%下降到14.83%,比例下降1.11PP;

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图五:大气波导对编码效率的影响

丢包率:全省NR小区RLC层下行丢包率从0.29%抬升至0.32%,恶化了0.03%。

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图六:大气波导对丢包率的影响

容量:全省NR小区流量从395.66TB下降到391.69TB,流量减少了3963GB。

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图七:大气波导对网络容量的影响

从以上的数据可以看出,大气波导对网络质量的影响很大。为了能够及时发现和降低大气波导对网络的影响,某些省份通过大气波导预测网站对大气波导现象进行跟踪监控。监控网址:http://www.dxinfocentre.com/tropo.html。

监控网站可预测未来一周内是否存在大气波导。在最初的30小时内,每隔3小时做一次预测,30个小时之后每6个小时做一次预测。

下图八到图十一为连续12小时干扰预测图,代表了从大气波导出现前直到大气波导干扰消失的全过程。图中红框区域为国内某地市,不同颜色代表不同的大气波导强度等级。 

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  图八:大气波导出现前

                            图九.png                            

 图九:大气波导出现时

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                               图十:大气波导持续时                             

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图十一:大气波导消失

       预测网站对大气波导干扰等级进行分类,不同颜色代表不同干扰强度:

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图十二:大气波导干扰强度指示

在上下行时隙配比相同的TDD系统中,小区使用GP来避免上下行干扰。当大气波导现象发生时,无线电信号可以传播较长的距离,传播时间可能会超过GP。如图十三所示,施扰端的信号远距离传输至受扰端,当传输时间超过GP时,施扰端的下行信号在受扰端的上行时隙被接收,干扰了受扰端的上行,这就由于大气波导效应引起的干扰,通常也会被称为远端干扰

图十三.png


图十三:远端干扰示意图

大气波导造成的干扰除了上文说的地域性,季节性,还有以下特点:

1. 大气波导引发的干扰是一种远距离的同频干扰。

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图十四:施扰端与受扰端频域重叠示意图

若两小区带宽频域存在重叠,那么受扰端中重叠的部分才会受到远端干扰,其他频域位置不会受到远端干扰;若两小区带宽不存在重叠,那么它们之间不存在远端干扰。因为FDD系统中上行和下行使用不同的频段,不存在重叠部分,故不存在远端干扰。

  2. 施扰端与受扰端gNodeB距离越远,受到干扰的上行符号数越多。

       以NR TDD网络为例,如图十五所示,特殊时隙中GP占用4个OFDM符号,此时最大保护距离为42Km。若实际传输距离超过这个距离(如传输距离=8符号和14符号),施扰基站的下行就会落到受扰基站的上行中,导致远端干扰。

图十五.png

图十五:NR TDD远端干扰示意图

 3. 大气波导的互易性

远端干扰是由信号在大气波导层传输引起,施扰端的下行信号通过大气波导层传输至受扰端,那么受扰端的下行信号同样也可通过大气波导层传输至施扰端,对施扰端造成远端干扰,此时受扰端变成了施扰端,施扰端变成了受扰端,如图十六中红色内容所示。因此在存在大气波导现象的区域中,基站之间往往是彼此互相干扰的,上述特征称为远端干扰的互易性。

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图十六:远端干扰的互易性

 4. 大气波导的斜坡特征

当大气波导现象发生时,受扰端上行符号上的IoT(interference over thermal)呈“斜坡”现象,如图十七所示,即越靠近GP的上行符号,干扰越强,称为远端干扰的斜坡特征。

图十七.png

图十七:远端干扰的斜坡特征

远端干扰的斜坡特征由不同距离的多个施扰端的累积干扰引起。以如图十八所示的场景为例,对受扰端gNodeB而言,gNodeB1~gNodeB4均为其施扰端。其中施扰端gNodeB1与受扰端gNodeB最近,只干扰受扰端gNodeB的GP后的第一个UL符号;而对于施扰端gNodeB4来说,其传播距离更长,将干扰受扰端gNodeB的GP后更多的UL符号。

受扰端gNodeB的GP后的第一个UL符号同时会受到施扰端gNodeB1~gNodeB4的干扰,而第5个UL符号仅收到施扰端gNodeB4的干扰。因此,受扰端越靠近GP的UL符号受到的累积干扰越多。

由于施扰端gNodeB1与受扰端gNodeB最近,因此相比施扰端gNodeB2~gNodeB4,施扰端gNodeB1的DL信号会以更高的功率到达受扰端。因此,受扰端越靠近GP的UL符号受到的干扰强度越高。

以上两点原因使得受扰端上行符号IoT呈现斜坡特征。

图十八.png

图十八:受干扰符号IoT形成示意图

大气波导是一种自然现象,它的发生基本无法控制,仅能从网络侧缓解远端干扰带来的影响,因此3GPP 38.866协议提供了一系列远端干扰解决思路,其中包括一系列RIM(remote interference management)流程框架以及远端干扰规避关键技术。网络设备供应商可以使用其中一种流程框架,在此基础上实现具体的远端干扰规避方案。

另外协议引入了统一的RIM-RS(remote interference management reference signal),主要用于检测远端干扰是否存在以及远端干扰强度和受干扰符号个数等。

下面以华为目前支持的远端干扰流程架构为例,介绍如何规避远端干扰。华为的远端干扰流程架构提高远端干扰管理的自适应程度,能够自适应的进行RIM-RS发送/检测/停止以及远端干扰规避技术的生效/退出。为了保证RIM流程的自适应效果,流程框架根据发送方的不同将RIM-RS分为了两类:RIM-RS-1和RIM-RS-2。

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图十九:远端干扰流程架构

  Step 0:出现大气波导现象,施扰端对受扰端产生远端干扰;

  Step 1:

  • 受扰端检测到IoT抬升,且干扰呈现斜坡特征,表示受到远端干扰,此时受扰端开始发送RIM-RS-1,并开始检测RIM-RS-2;

  • 施扰端开始检测RIM-RS-1;

 Step 2:施扰端在检测到RIM-RS-1后,生效远端干扰规避技术,并开始发送RIM-RS-2;

 Step 3:若施扰端未检测到RIM-RS-1,表示远端干扰消失,停止远端干扰规避技术,恢复正常的收发行为,并停止发送RIM-RS-2。

 Step 4:若受扰端检测到RIM-RS-2,表示大气波导现象仍然存在,则继续发送RIM-RS-1;如果未检测到RIM-RS-2,且IoT降低,说明大气波导现象消失,受扰端可停止发送RIM-RS-1;

华为目前支持的远端干扰流程架构是纯空口的实现方案,引入了RIM-RS-2参考信号。如果没有RIM-RS-2,当施扰端采取远端干扰规避技术后,受扰端发现IoT回落。如果这时受扰端决定停止发送RIM-RS-1,则施扰端将随即停止生效远端干扰规避技术。如果大气波导现象尚未消失,则受扰端将重新发现IoT抬升,并触发新一轮RIM流程。上述过程被称为大气波导的“乒乓效应”。

引入RIM-RS-2后,可以辅助受扰端判断大气波导现象是否仍然存在,以避免“乒乓效应”。在施扰端生效远端干扰规避技术后,受扰端IoT回落,但若此时大气波导仍然存在,受扰端仍然会检测到施扰端发送的RIM-RS-2,此时受扰端将继续发送RIM-RS-1,RIM流程并不会结束。

依据协议给出的NR TDD RIM流程框架,施扰端在检测到受扰端发送的RIM-RS后,需要采取一定的远端干扰规避技术,以避免对受扰端持续产生干扰。施扰端的远端干扰规避技术依赖于RIM-RS的检测,若受扰端与施扰端对于RIM-RS的配置不统一,则无法进行RIM-RS的互检,因此协议还提供了不需要进行RIM-RS检测的远端干扰规避技术:受扰端在发现受到远端干扰时,主动采取一定的回避机制,降低干扰影响;由于这种方案不需要进行RIM-RS检测,因此仅在受扰端生效即可,不需要使用前面提到的流程框架。

表一从时域、频域、空间域和功率域四个方面,简单列举了施扰端和受扰端可以采用的远端干扰规避技术。

表一:远端干扰规避技术

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上面干扰规避技术在有效减少远端干扰的同时,也会对施扰端和受扰端的上下行吞吐率和小区覆盖性能造成负面影响。

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11.png【5G无线每日问答】2021期发布与汇总!!!


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