大气波导对5G影响研究

浅议大气湍流对无线光通信系统的影响摘要：当激光波束通过大气湍流时，大气湍流效应造成了光束漂移、强度起伏，光束扩展和像点抖动等现象，导致相干性退化削弱激光通信的质量，从而破坏了激光的相干性。

文章介绍了大气湍流的形成及基本特性，对强度起伏、光束漂移及扩展与到达角起伏进行了分析，并通过研究分析穿过大气湍流后激光波束的变化特征，将会对无线光通信的发展具有十分重要的实际意义。

关键词:大气湍流光束漂移光束扩展强度起伏到达角起伏自激光问世以来，具有保密性好，抗干扰能力强，信息容量大，传输率高，系统尺寸小，重量轻，建造和维护经费低，无需频率许可证等优点。

在通信、雷达、测距、遥感和检测等方面的大量应用有力地促进了无线光通信等方面的研究。

同时，激光特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性诸多特性，使它成为空间通信最理想的载体，因为它增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好，同时容量更大、波束更窄。

然而，在许多使用激光工作的系统，其性能会受到大气的影响，激光的传输介质包含了长距离的大气，如自由空间光通信、激光雷达、激光测距等，其中湍流效应是对激光大气传输影响最大的因素之一。

由于大气湍流引入的相位扰动，光束会产生展宽和漂移，光场的时－空相干性受到干扰甚至破坏；由于大气湍流的存在，当激光穿过其中时，会产生闪烁现象，光场强度分布也会发生起伏，大气折射率会发生微小的起伏。

这些效应会削弱光束质量，本文具体分析了随机大气信道湍流效应的各种影响因素，为避免影响自由空间光通信系统、激光雷达系统、激光测距系统的性能，提出了一些具有实用价值的建议，将会对提高大气光学系统的性能有实际的意义。

1 大气湍流效应大气温度的随机变化引起大气密度的随机变化，人类活动和太阳辐照等因素将引起大气微小温度的随机变化，从而形成大气的湍流，它是大气折射率导致的随机变化。

这些变化使湍流大气中传输光束的波前也将作随机起伏，它们的变化的累积效应导致折射率轮廓的明显不均匀性，由此引起光束漂移和扩展，强度起伏和像点抖动等一系列光传输的大气湍流效应。

A f t ••从修正折射指数 水平距离 海面图1大气波导传播示意经科学研究表明，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必须存在大气波导层。

(2) 电磁波的波长必须小于最大陷获波长（频率高于最低陷获频率）。

(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，且波导必须非常强。

(4) 电磁波的发射仰角必须小于某一临界仰角。

中国联通现有厘米波段满足波导传播形成的频率条件，东部沿海区域基本满足波导传播形成的地理条件，因此5G 网 络有极大概率出现波导传播的现象。

1.2波导干扰原理波导形成的超远传播对现有FDD 网络不造成严重影响， 仅会出现测量到超远信号的现象，但由于终端上行发射功率 和基站侧前导配置限制，导致用户不会接人超远传播的小区，因此对用户实际感知无明显影响。

而5G 网络作为TDD 网络，系统上下行时分复用，需要遵循严格的时间同步，否则下行信号落在上行时隙，会导致严重的上行干扰，影响5G 网络正常使用。

N R 的帧结构与子载波带宽相关，共支持15kHz 、30kHz 、60kHz 、120kHz 、240kHz 五种子载波带宽配置。

NR上下行帧长均为l 〇ms ,分为10个长度为lm s 的子帧，每个时隙固定包含14个OFDM 符号，每个子帧所包含的OFDM 符号数由 |su b fram e ,//_slot vsubframe,pv s y m b 一s y m b slot厌疋。

表1 N R 普通C P 下帧结构\7slo t^vsy m b^fra m e ,/i2" 15 [k H z ]014101151142023021440460314808120414160162405G 天地(2019年度“嘉环杯”获奖论文三等奖）5G 网络大气波导干扰防范研究周奕昕1全诗文2赵煜1张国光11.中国联合网络通信有限公司江苏省分公司；2.中国联合网络通信有限公司南京市分公司摘要：不同于传统4G 网络，5G 网络制式更偏向于TDD 双工，因此在域同步上提出了更高的要求，需提前关注和研究5G 网络特有的干扰问题。

1 引言大气波导现象能够使TDD 下行无线信号超远传播，而如果传播距离超过TDD 系统上下行保护时隙（GP ）的保护距离，将导致远端TDD 下行无线信号干扰到本端上行无线信号。

TD-LTE 受大气波导干扰影响小区主要为F 频段，但也有一定数量的D 频段小区受到影响。

以山东为例，受影响D 频段小区约有2400个，占D 频段小区比例约为1.6%，干扰源9.28%为省内干扰源。

中国移动5G 为TDD 制式，使用2.6GHz 频段，与LTE D 频段基本重合，存在受大气波导干扰的风险。

本文基于4/5G 信号发射特点及当前配置，分析了5G 大气波导干扰来源及特点。

基于TD-LTE 经验，提出5G 大气波导干扰应对建议，以降低干扰影响，提升5G 用户感知。

2 5G大气波导干扰来源大气波导干扰发生在同频段的小区之间。

如图1所示，现阶段5G 小区与LTE D 频共用2.6G 频段组网，短期内会存在未退频的LTE D1/D2频点，所以2.6GHz 频段 5G 网络大气波导干扰可能来自5G 内部及TD-LTE D 频段。

2.6GHz频段5G大气波导干扰研究李常国 李国强 贺庆山东省属于大气波导频发地区，TD-LTE 网络饱受大气波导干扰影响，2.6GHz 5G 为TDD 制式，同样存在大气波导干扰风险。

本文针对2.6GHz 频段5G 网络可能受到的大气波导干扰开展研究，基于5G 无线技术特点分析主要大气波导干扰来源，并提出相应的应对建议。

大气波导 远端干扰 4&5G 干扰协同摘 要：关键词：（中国移动山东公司，济南 250001）大气波导干扰的强度与TDD 系统上下行保护时隙（GP ）紧密相关。

现阶段配置下5G 帧结构与现网TD-LTE D 频帧结构(DDDSU)保持同步，5G 时隙配比8:2，LTE 子帧配比3:1。

如图2所示，该配置下5G 和TD-LTE 具有相同的GP长度。

从频域及时域帧结构上看，5G 和TD-LTE D 频小区有同样的概率造成大气波导干扰影响5G 网络。

5G中大气波导干扰现象本文有两个缩写名词，先熟悉下：RIM Remote Interference Management（远端干扰管理）IoT interference over thermal（热干扰）什么是大气波导现象？英文是：atmospheric ducting phenomenon在某些天气条件下，地球大气中较高高度的低密度会导致折射率降低，使信号向地球反射。

在这种情况下，信号可以在高折射率层（即大气波导）中传播，因为反射和折射是在具有低折射率材料的边界处遇到的。

在这种被称为大气管道的传播模型中，无线电信号的衰减较小，并且传播的距离远大于正常的辐射范围。

这一现象通常发生在内陆地区的春夏过渡期、夏秋过渡期和沿海地区的冬季。

大气波导现象通常影响的频率范围在0.3ghz-30ghz之间。

在上下行链路传输方向相同的TDD网络中，使用间隙（Gap）来避免交叉链路干扰。

然而，当大气波导现象发生时，无线电信号可以传播较长的距离，传播延迟超过了间隙（Gap）。

在这种情况下，如下图所示，攻击者基站的下行链路信号可以传播很长的距离并且干扰远离攻击者的受害者基站的上行链路信号。

这种干扰在这里被称为“远程干扰”（Remote Interference）。

攻击者（Aggressor）对受害者（Victim）的距离越远，受害者的上行链路符号将受到的影响越大。

图1： TDD-LTE远端干扰在TDD-LTE网络中，特殊子帧中的GP只有3个OFDM符号，最大保护距离是64KM。

超过这个距离，远端基站的下行就会落到本地基站的上行中，所以会导致远端干扰。

当发送大气波导现象时，受干扰基站的热噪声干扰呈“倾斜”现象，如下图：图2： TDD-LTE受扰基站的IOT表现从上图可知，越靠近Gap的上行符号，干扰越强。

这背后的原因是，远程干扰是由来自不同距离的多个远程基站的累积信号引起的。

具体地说，如图3所示，侵略者1是与受害者最近的侵略者，它只会在受害者的间隙（Gap）之后对第一个上行链路符号造成干扰。

5G网络中大气波导干扰分析与研究摘要：大气波导效应会致使移动网络通信中TDD系统产生超远距离干扰，更为严重的是影响网络性能指标。

本文将重点研究分析5G网络中大气波导干扰的成因，并且分析大气波导对5G网络性能指标的影响，重点研究参数配置方式规避大气波导受干扰小区，降低大气波导干扰影响，保障5G网络质量。

关键词大气波导干扰 5G网络1、引言在一定气象条件下，在大气边界层尤其是在近地层传播的电磁波，受大气折射的影响，其传播轨迹弯向地面，电磁波部分会被陷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。

大气波导现象能够使得TDD制式4、5G网络的下行无线信号传播很远，由于传播距离超过TDD制式4、5G网络上下行保护时隙（GP）的保护距离，导致这种远端下行无线信号干扰到近端的上行无线信号。

无线信号通过波导传播容易形成远端的大气波导干扰ADI（Atmospheric Duct Interference）。

大气波导问题早TD-LTE阶段就存在，其干扰特点和影响范围也很典型，干扰强度较大，必须要重点、尽快解决。

从中国境内所测大气波导干扰ADI分布状况图上看，大气波导干扰ADI多发生在环渤海湾、海南沿海、华北平原等沿海以及中东部平原地区，通常发生在四月到十月之间。

2、大气波导分类及产生机理大气波导通常分为三类：表面波导、悬空波导和蒸发波导，其中蒸发波导一般发生在海洋大气环境，表面波导和悬空波导在陆地和海洋环境中都存在。

在无线通信中，涉及到大气波导影响的主要是表面波导。

形成表面波导的天气条件主要为晴朗无风或者微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现象；或者雨过天晴之后，也会出现类似的现象。

研究表明影响大气环境中电磁波传播特性的主要因素为大气折射率，对于频率在100GHz以内的电磁波，大气折射率n或大气折射指数n与大气温度T、大气压力P和水汽压e之间的函数关系为：当远距离传输时，考虑地球的曲率对传播的影响。

5G通信中的视距信号大气衰落特性研究*下一代5G 通信网络将频段扩展到1 GHz —100 GHz ，而已有微波传播模型基于经验假设，精细化结构不足，针对这个问题，建立大气精细化模型并定量分析了大气气体、降水、云雾和沙尘导致的视距信号衰落特性。

研究表明，不同相态的降水、水雾和沙尘对高频信号存在强烈衰减，尤其是降水在6 GHz 以下的衰减也不能忽略，可为5G 通信的网络优化、通信基站的功率控制、利用5G 信号衰落反演大气参数等方面提供基本参考。

5G 通信；大气衰落；大气粒子；谱分布（国防科技大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）刘西川，贺彬晟**，印敏，高太长，宋堃doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.09.002 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)09-0009-07引用格式：刘西川,贺彬晟,印敏,等. 5G通信中的视距信号大气衰落特性研究[J]. 移动通信, 2018,42(9): 9-15.【摘 要】【关键词】Research on Atmospheric Fading Characteristics of LOS Signal in5G CommunicationsThe frequency band of the next-generation 5G communication networks expands to 1 GHz—100 GHz. The existing microwave propagation models based on the empirical assumptions are with insuffi cient refi ned structures. According to this problem, the refi ned atmospheric model is established, and then the fading of LOS signals caused by gas, precipitation, cloud and fog, dust are analyzed quantitatively. The results show that the rainfall, snowfall, water fog and sand have a signifi cant infl uence on the high frequency microwave, especially for that the attenuation induced by rainfall below 6GHz. This paper can provide a basic reference to the network optimization of 5G communication, power control of base station, inversion of atmospheric parameters by 5G signals.5G communication; atmospheric fading; atmospheric particles; spectral distribution(College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China)LIU Xichuan, HE Binsheng, YIN Min, GAO Taichang, SONG Kun[Abstract][Key words]1 引言随着第5代移动通信技术（5G ）的发展，利用更大范围的低频和高频频谱资源才能满足移动互联网、物联*基金项目：国家自然科学基金项目（41505135，41475020）；江苏省自然科学基金（BK20150708）**通信作者收稿日期：2017-09-19网等对传输速率越来越高的要求[1]。

大气波导效应与解决方案1 前言对于时分双工模式（TDD）系统，要求基站保持严格的时间同步。

不同基站之间的时间同步包括帧头同步和上下行转换同步。

传统的同频干扰可以通过优化频点配置、干扰白噪化、功率控制、干扰协调、波束赋型等方式来对抗。

同时，由于TDD系统的上行和下行传输共享同样的频率，TDD系统中除存在传统的小区间的干扰外，还存在远端基站的下行信号干扰目标小区上行信号的情形。

TDD系统的远距离同频干扰发生在相距很远的基站间。

随着传播距离的增加，远端发射源的信号经过传播延迟到达近端同频的目标基站后，可能会进入目标基站的其他传输时隙，从而影响近端目标系统的正常工作，如图1所示。

由于基站的发射功率远大于终端的发射功率，因此远距离同频干扰主要表现为远端小区下行信号干扰近端目标基站的上行接收。

2 成因分析产生远距离同频干扰，必然是发生了超过保护间隔以上的超远距离传输。

商用的TDD系统，如SCDMA（大灵通）和TD-SCDMA均已证实远距离同频干扰的存在性。

远距离同频干扰的发生与信号传输环境和基站高度等有关。

主要因素在“低空大气波导”效应下，电磁波好像在波导中传播一样，传播损耗很小（近似于自由空间传播），可以绕过地平面，实现超视距传输。

当远处基站达到一定的基站高度级别时，在存在“低空大气波导”现象的情况下，远处基站的大功率下行信号可以产生远距离传输到达近处基站。

由于远距离传输时间超过TDD系统的上下行保护间隔，远处基站的下行信号在近处基站的接收时隙被近处基站收到，从而干扰了近处基站的上行接收，产生TDD系统的远距离同频干扰。

大气波导是一种特殊天气下形成的大气对电磁波折射效应，各地分布不同：南海地区春秋冬季出现较多；东部沿海夏秋季出现较多；西北地区春秋冬季出现较多。

我国东南部波导出现傍晚多于早上，西北地区则是早上多于晚上。

辅助因素基站的发射天线与接收天线高度要求高于周围的建筑物，否则信号很容易被建筑物阻挡。

当天线高度足够高时，远端基站下行信号在“抵抗大气波导”效应下可能会发生超远传输，干扰近端的上行信号。

5G通信网络优化最佳实践之5G干扰问题分析目录(Contents)5G干扰问题分析 (i)1概述 (3)1.1 5G频谱资源 (3)1.2 5G部署环境 (3)2干扰问题定位指导 (4)2.1 干扰排查方法 (4)2.1.1常见干扰场景说明 (4)2.1.2小区上行干扰评估 (5)2.1.3上行干扰特征快速判断 (5)2.1.4时域类干扰分析 (7)2.1.5下行干扰分析 (11)3湛江处理案例 (12)3.1 邻区SSB波束干扰导致的SSB SINR低 (12)3.2 子帧配比不一致干扰 (14)3.3 广播卫星干扰 (15)3.4 800M模块互调干扰 (17)4扫频指导 (21)4.1 常用仪器设备说明： (21)4.2 扫描步骤介绍 (22)1 概述1.1 5G频谱资源三大运营商已经获得全国范围5G中低频段频率使用许可。

中国电信获得3400MHz-3500MHz共100MHz带宽的5G频率资源；中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz 频段共260MHz的5G频率资源，其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段为新增频段，2575-2635MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE（4G）频段；中国联通获得3500MHz-3600MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源。

中国电信3400MHz-3500MHz，中心频点 630000（3450.000MHz）， 100M带宽下SSB频点=630000-12=629988。

1.2 5G部署环境继许可三大基础电信运营企业5G使用频率之后，为保障我国第五代移动通信系统(5G)健康发展，协调解决5G基站与卫星地球站等其他无线电台(站)的干扰问题，规范协调管理方法，工业和信息化部也印发了《3000-5000MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台(站)干扰协调管理办法》(工信部无〔2018〕266号，以下简称《办法》)。