47-5G中大气波导干扰

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KM。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。而对于远离受害者的攻击者4，其下行链路信号将传播更长的距离并影响受害者的更多上行链路符号。

1） 如图3所示，受害者的第一上行链路符号受到攻击者1~4的干扰，而第五上行链路符号仅受到攻击者4的干扰。因此，与远离间隙的上行链路符号相比，那些靠近间隙的符号受到更多侵略者造成的累积干扰，从而在时域上产生倾斜的IoT。

2） 由于侵略者1离受害者较近，因此侵略者1的下行链路信号将以比侵略者2～4更高的功率到达受害者。因此，在靠近间隙的上行链路符号处的干扰应高于在远离间隙的上行链路符号处的干扰。

图3： TDD-LTE受扰基站的IOT形成示意图

那么远程干扰（大气波导）一般影响的距离是多少呢？

根据TD-LTE网络的现场试验结果，得到了内陆地区远程干扰可能影响距离的概率密度函数（PDF），如图4所示。可见，受害者与侵略者之间的距离在公里至400公里之间，其中很大一部分样本在150公里以内。

图4： TDD-LTE远程干扰距离PDF图

那么，在5G网络中会受大气波导多大的影响呢？

图5： 上下行传输周期内上下行传输边界

NR现网是下行发送边界全网统一（第一参考点），上行接收边界也是全网统一的（图中第二参考点）。

●边界需要考虑RS设计；

●第一参考点位置在第二参考的之前。

gNB不期望在DL传输边界之前接收RS，也不期望在UL接收边界之后发送RS。

所以，在5G中可以部署RIM，那RIM的架构和机制是怎样的？

RIM被分为两类，分别是静态RIM（static RIM）和自适应RMI（adaptive RIM）

●静态RIM依赖于网络规划，因此对RI具有内在的健壮性

●自适应RIM依赖于检测RI的存在并调整其配置，可以进一步分为集中式、分布式或局部式（centralized, distributed or localized）。

●集中式RIM依赖一个集中式协调器来收集侵略者和受害者gNB的输入，并基于这些输入，为每个gNB决定适当的RIM操作，并指示gNB应用此操作。

●在分布式RIM中，攻击者和受害者在没有集中节点参与的情况下交换信息/协调，即每对gNB仅基于彼此之间的信息交换来决定RI缓解方案。

●局部RIM不涉及参考信号的传输或任何形式的协调。

在现有的TD-LTE网络中，大气波导现象在一定时间内发生。图6所示的远程干扰管理（RIM）用于处理远程干扰。

图6： TD-LTE中RIM架构

如图6所示，目前的RIM框架不是自适应的。RS传输的停止、RS监控的触发和停止、远程干扰缓解方案的触发和停止应用都依赖于OAM的人工干预。在此框架下，RIM的启动和停止以及相应的远程干扰抑制方案不能及时发生，导致网络性能和效率的下降。

为了尽可能减少或消除RIM过程中的人工干预，提高RIM的有效性和效率，如SI目标所述，应在NR-RIM框架中研究gNB启动和终止参考信号传输/检测的机制。该框架应明确相应参考信号的功能和要求，以便对参考信号进行相应的分析和设计。

NR-RIM的潜在框架和工作流程

图7：RIM Framework-0

Framework-0的工作流

第0步：出现大气波导现象，出现远距离干扰

步骤1：

●受害者经历了IOT增加和启动RS传输等“倾斜”

●攻击者开始监视OAM配置的RS

步骤2：当接收到RS时，攻击者将检测到的RS报告给OAM

步骤3：OAM向攻击者发送远程干扰缓解方案

步骤4：攻击者应用远程干扰缓解方案

步骤5:OAM停止RS监视并恢复原始配置。在攻击侧和受害者侧停止RS传输。

图8: RIM Framework-1

框架1的工作流程如下：

第0步：出现大气波导现象，出现远距离干扰

步骤1：

●受害者体验“倾斜”，如IOT增加和启动RS传输/监控

●此标记为RS-1的RS用于帮助攻击者识别它们正在对受害者造成远程干扰，并检测/推断受害者有多少UL资源受到攻击者的影响。

●攻击者开始监控OAM配置的RS，或者当它遇到“倾斜”IOT增加的远程干扰时。

第2步：在接收到RS-1后，攻击者启动远程干扰缓解解决方案，例如使一些DL传输符号静音，并发送RS来通知受害者大气管道现象仍然存在

●这个标记为RS-2的RS用来帮助受害者判断大气波导现象是否仍然存在。

●这并不排除在进一步研究之前将RS-2用于其他目的的可能性。

步骤3：如果检测到RS-2，受害者将继续RS-1传输。如果没有检测到RS-2并且物联网恢复到一定水平，受害者可能会停止RS-1传输。

步骤4：攻击者在接收RS-1时继续远程干扰缓解。当RS-1“消失”时，攻击者在RS-1“消失”时恢复原始配置。

注：虽然RS-1和RS-2具有不同的功能，但实现RS-1和RS-2的通用设计可能是有益的。

图9: RIM Framework-2.1

框架工作流程-2.1

第0步：出现大气波导现象，出现远距离干扰

步骤1：

●受害者经历了物联网增加和启动RS传输等“倾斜”

●一组gNB可能使用相同的RS，该RS可以携带SET ID。

●攻击者开始监控OAM配置的RS，或者当它遇到“倾斜”IOT增加的远程干扰时。

步骤2：当接收到RS时，攻击者通过回程通知受害者gNB集合接收RS并应用干扰缓解方案

步骤2中的消息交换可能包括其他信息，有待进一步研究。

步骤3：当RS“消失”时，攻击者通过回程通知受害者gNB集合RS的“消失”并恢复原始配置。

步骤4：通过回程接收“RS消失”信息时，受害者停止RS传输

图10: RIM Framework-2.2

Framework-2.2的工作流程如下：

第0步：出现大气波导现象，出现远距离干扰

步骤1：

●受害者经历了物联网增加和启动RS传输等“倾斜”

●一组gNB可能使用相同的RS，该RS可以携带SET ID。

●攻击者开始监控OAM配置的RS，或者当它遇到“倾斜”IOT增加的远程干扰时。

步骤2：在接收到RS时，侵略者通过回程通知受害者gNB集接收RS

步骤3：在回程中接收到“接收RS”信息后，受害者发送信息以协助RIM协调

步骤4：攻击者应用远程干扰缓解方案

第5步：当RS“消失”时，攻击者通过回程通知受害者RS“消失”。

步骤6：通过回程接收“RS消失”信息时，受害者停止RS传输

要实现RIM，就需对潜在的RS进行设计