摘要：大气波导是一种由于对流层中存在逆温或水汽随高度急剧变小的层次，在该层中超短电波形成超折传播，使得大部分电磁波被限获在这一层内传播的现象，发生大气波导传播以后，使TD-LTE网络超出了TDD系统的上下行保护间隔致使产生远距离同频干扰，造成用户不能与系统实现同步，导致用户注册不成功或者用户掉线，严重影响客户感知，本文对大气波导现象形成进行了分析，以及对TD-LTE的干扰特性进行说明，介绍了几种规避方案，并进行优劣对比。
关键词：大气波导；超折射传播；保护间隔；同频干扰
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0018-03
1 引言
大气折射受到温度、大气压、湿度变化的影响，随着一天内时间的变化，当温度递减远弱于标准大气而湿度递减远大于标准大气的时候，位于大气边界层尤其是在近地层传播的电磁波，会被限获在一定厚度的大气薄层内，其传播轨迹弯向地面，就像电磁波在金属波导管中传播一样，传播损耗很小，实现超视距传输，这种现象称为电磁波的大气波导传播。
近两年来，随着TD-LTE网络建设和运营的不断扩大，大气波导传播现象带来的干扰造成对TD-LTE网络的运行指标恶化，严重时候使用户无法接入或业务异常中断，因此，解决TD-LTE大气波导干扰，是当下TD-LTE网络优化讨论的一个课题。本文介绍了大气波导效应的形成原因、分类、规律及其对TD-LTE网络的影响，重点从缓解方面阐述了大气波导的预防措施。
2 大气波导形成
大气是一种不均匀的介质，无线电波在大气层中传播时，由于在其中的传播速度变化而产生的效应称为大气折射，它对通信、雷达定位、多普勒测速、导航都有影响。
大气折射指数分布受到大气压强、温度、水分含量、二氧化碳等其它成分含量的影响而不同，按照球面斯涅耳定律，射线在空间弯曲的方向和程度也有所不同，可分为正折射（P/R0>0）、负折射（P/R0<0）、标准折射（P/R0=4）和超折射（P/R0<1）（射线曲率半径为P（弯向地面为正，背向地面为负），地球半径为R0）。无线电波在对流层和下电离层（其电子密度小于电离层电子密度最大值）中传播时通常产生正折射；而在上电离层中传播时产生负折射；正折射和超折射会增加通信距离，负折射则会降低通信传输距离，其随大气折射率的传播差异如图1所示。
此时如果dN/dH<-0.157甚至越小，大气就呈现出限获折射条件，导致电磁波射线曲率远小于地球半径，就会被限获在大气层内，经地面反射后再继续向前传播，周而复始地传播一段距离，形成大气波导现象。
3 大气波导的分类
对流层的大气波导现象通常分为三种：蒸发波导、表面波导和抬升波导。前者主要形成于海洋上空，后兩种陆地和海洋均有发生。
（1）蒸发波导：蒸发波导是海洋大气环境中常出现的一种特殊表面波导，它是由于海面水汽蒸发是近海面小范围内大气湿度随高度锐减而形成的。蒸发波导随地理纬度、季节和一天内的时间不同有关，通常发生在低纬度海域的夏季白天。
（2）抬升波导：悬空波导是指大气层的下边界处于悬空状态，此时就会产生一个悬空大气波导，通常发生于一个3000m的高度下。
（3）表面波导：表面波导发生于日常大气环境中，比如在一个天气晴好的稳定环境中，底层大气通常具有重要的稳定逆温层，此时这个逆温层就会随着湿度增加逐渐减少，发生表面波导，通过统计发现，高度低于300米的边界层大气中容易发生表面波导。
目前对TD-LTE来说，产生干扰的主要原因是表面波导。形成该表面波导的气候条件主要是低层大气存在较稳定的逆温层，且湿度随高度递减；或者雨后造成近地层下层大气又冷又湿的情况。
4 大气波导传播形成的基本条件
电磁波在大气中传播，当遇到大气波导现象时候不一定就能产生大气波导传播效应，因为在特定气象条件下产生的大气波导能否将大气中传播的电磁波捕获到波导层中形成波导传播，还取决于该电磁波的波长、发射源以及波导所处的相对位置以及发射源的发射角度等。
4.1 电磁波波长对产生大气波导传播的影响
按照对流层折射理论，要形成波导传播，电磁波与相应的频率、波导厚度以及大气折射指数M三者之间存在关系，对表面波导来说，假设大气在地面的折射率为1，由地面发射的电磁波形成波导传播的最大波长Ahmax与波导厚度d、大气修正折射垂直梯度dM/dH之间的关系为：Ahmax=25*103*（-dM/dH）1/2*d3/2。
由此可以看出，大气波导的厚度和强度越大，则形成波导传播的波长上限越大，这时，当波导厚度远大于波长时，才能形成波导传播。
4.2 电磁波发射角对产生大气波导传播的影响
当波长足够短的时候，电磁波传播可以用射线理论来近似。当电磁波的入射俯仰角远大于穿透角的时候，就不会发生波导传播，电磁波形成波导传播的临时角示意如图2所示。
对于表面波导，如果电磁波发射源位于地面，并在波导顶处发生全反射，当波导层内厚度很薄时，发生全反射时发射源临界俯仰角θc与波导强度、波导的厚度h的关系如下：
θc2=-2*106*h*（dM/dH）=2*106*（波导强度）
由此可以看出，当波导强度和波导层的厚度越大，其对应的电磁波全发射的角度的上限越大，显而易见，如果当发射仰角小于了该临界角，则就会产生波导传播。
4.3 大气波导传播形成的条件
综上所述，要产生大气波导传播，必须遵循以下几个条件才能实现。
（1）对流层中大气空间一定满足大气波导存在的2个基本条件；（2）对流层中发生大气波导的厚度要远远大于在其传播电磁波的波长；（3）电磁波的发射仰角小于在波导层内发生全反射时的角度。
5 大气波导传播干扰TD-LTE原因分析
由于TD-LTE系统采用时分双工的工作方式，上行和下行频率对称，在TD-LTE的帧结构中，引入了特殊子帧的概念，特殊子帧分为下行时隙、上行时隙和保护间隔。保护间隔的目的就是为了TDD时分双工系统的特殊设计，不传送任何信号，避免在非设定的时隙中发送或接收信号。
由于传输时延的原因，当发生波导传播而引起基站超远距离传输时，远端基站的下行无线信号容易造成本端基站上行无线信号的干扰，也就是说，传输时延超出了配置的保护间隔GP，结果是远处基站的下行信号落到了近处基站的上行时隙范围内，造成TDD系统的交叉时隙干扰。
6 大气波导传播对TD-LTE系统的干扰特征
一般来说，由于海洋大气环境的水平均匀性较好，容易形成大气波导的天气条件，因此大气波导现象经常出现在海洋大气環境中。在陆地上，由于受到地形的影响，大气的水平均匀性经常受到破坏，只有在平坦荒芜地区或沙漠地区才会容易出现大气波导现象。
就目前TD-LTE受到干扰的区域来看，临海的省份与与临海省份毗邻的省份都受到了不同程度的干扰，但是，受干扰的时长和强度不尽不同，主要是由于大气波导的强度、厚度、发生时间无明显规律，随机性较大造成，这对精确定位干扰源造成了很大的难度。
7 大气波导传播干扰优化方案分析
大气波导受到气候、地形等环境影响，突发性和随机性较大，目前确定干扰源的方法只能是通过网优监测，并没有一个行之有效及时消除大气波导干扰的方法，只能根据受干扰的情况，对干扰基站和受干扰基站进行临时优化调整参数进行避免；随着时间的变化，大气波导效应又逐渐消失，此时，必须根据网络负荷情况，将参数进行恢复，具体的解决思路有以下几种，需要根据基站所处的环境不同、业务量以及覆盖情况进行合理选择。
（1）通过功率控制进行优化调整：当出现大气波导干扰时，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，会不利于接收功率的均衡；再者，如果此时用户处于小区边缘，就会导致基站没有功率提升的空间，这样一来不但没有起到规避大气波导干扰的作用，反而会加重小区间干扰协调ICIC的负担，进一步加剧小区间的干扰。
（2）调整上下行保护间隔的长度，规避干扰：TD-LTE中保护间隔GP保护间隔设置越大，交叉干扰越小，从而可以规避大气波导效应干扰，目前，TD-LTE系统中为了保证下行速率，特殊子帧配比多数为9：3：2，这个时候如果将特殊子帧配比修改为3：9：2，则可以将保护距离增加192.8公里，但是由于GP设置过长，不仅会对资源造成浪费，也会对基站下行小区的峰值速率和小区容量造成影响，同时，由于波导干扰也会引起叠加干扰，要及时调整受干扰和受干扰周围若干基站的特殊子帧配比，优化工作量增加，也会周边乃至相邻业务区的基站性能产生影响。
（3）PRACH自适应规避干扰：当确定了受扰基站是受到远距离同频干扰后，受扰基站PRACH自动改为非Format4格式，避免随机接入受扰，使得上行性能损失较小，在远距离同频干扰多发地区，也可以将PRACH信号固定在非UpPTS的上行时隙，将可能受扰基站的PRACH移到不会受到干扰的其他上行时隙（例如第2个上行时隙），以避免远距离同频干扰的发生。
（4）LTE多频组网，规避干扰：众所周知，TDD系统的同频组网和特殊子帧的配置是大气波导干扰的主要原因，如果在干扰区域适当采用20MHz和10MHz插花组网。既可以规避到频干扰下的时隙交叉干扰，所以从根本上有助于问题解决。但是，这是一种理想情况，目前TD-LTE已经大规模同频组网运营五年以来，是不可能随便进行调整的，不仅会增加网络优化工作的难度也可能会带来很多问题。所以这个策略，需要谨慎使用，在现有情况下，不会贸然使用。
（5）调整天线的下倾角来规避干扰：这个策略是从本质上对电磁波的入射角度进行了改变，也就是说改变了形成超折射的输入条件。但是大气压强、温度和湿度等因素也会随着环境的变化而变化，发生大气波导的厚度也是随之而变化，很难精确求得临界角。除此之外，由于受到电磁波传播环境的影响，我们只是根据自由空间下的倾角计算来粗略估算天线下倾角，当出现波导传播现象的时候，只能在日常优化中进行电调或手动加大发射角，并根据不同的结果再进行网络路测来确保调整后的天线倾角不会对现有覆盖造成弱覆盖，相应的人力成本投入势必会增加，因此，这个方法只能是暂时得到了解决，却容易产生覆盖空洞而造成新的网络问题。
（6）降低基站高度来规避干扰：根据大气波导产生的干扰原理可以看出，天线挂高对大气波导干扰有一定的抑制作用，是一种看似十分合理的方案，但是，在目前4G网络建设已经进入一站址难求的今天，降低天线挂高对增加网络投资成本有很大的影响，因此，这种方法只能在那种广大农村区域，用户量不大的情况下，适当考虑使用，但是，并及时注意天线挂高变化后对覆盖区域的变化，并及时做好网络投诉问题处理。
（7）增加零限天线或替换高增益天线来规避干扰：为了规避波导传播干扰，在接收端实施工程改造，设计一个专用的无线信号屏蔽罩，在数据垂直面上设置专业的屏蔽罩，这样就可以为屏蔽罩增加一个“零限”天线，这个天线能够利用3DMIMO中实现垂直的操作，更好的降低大气波导为TD-LTE系统带来的干扰。
除此之外，对干扰源进行替换高增益天线，相对于普通天线来说，具有方向性更强、波束窄、信噪比增强等特点，其信噪比可提升6dBm，从而可降低大气波导的干扰。
（8）引入FDD弥补大气波导干扰带来的影响：考虑到LTEFDD系统自身对大气波导干扰规避能力，同时考虑到以上几种规避措施并不是十分有效，建议TD-LTE运营商积极探索FDD建设模式，加强物联网NB-IOT建设力度，尽早实现网络转型，并加强与政府的协商，尽早给予FDD网络建设许可，充分利用现有站址资源，叠加FDDLTE网络，补充由于大气波导干扰造成的TD-LTE网络性能的缺失，或者从业务量、大气波导干扰较为严重的区域优先考虑FDD网络建设，建成以后的FDDLTE网络在网络分流上也起到一定的作用。
8 结语
大气波导干扰发生于不同的时段和区域，受到季节气候、土地资源、河流湖泊、山地丘陵等影响，大气波导具有较强的不确定性和差异性，对TD-LTE通信具有许多的不利影响。本文针对大气波导传播产生的原理进行分析，从TD-LTE帧结构时隙以及工程角度提出了几种规避干扰的方法，虽然并不能从根本上消除大气波导干扰现象，但是对解决大气波导干扰具有积极的意义，对提高TD-LTE运营质量有一定的帮助，同时，尽快获得FDD牌照也是对TD-LTE网络的一种弥补。
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