无线电干扰监测：TDD网络的无线电监测和干扰排查方法探究

无线电干扰监测：TDD网络的无线电监测和干扰排查方法探究TDD网络中，上行信号与下行信号采用了完全相同的频段，较强的基站下行信号会完全掩盖上行信号及存在的任何其他信号(如干扰信号)。另外一方面，移动通信中TDD信号往往带宽较宽，4G的TDD信号带宽通常可达20MHz，5G NR更可高达100MHz，如图3。通常移动终端发出的上行信号功率较弱，极易被外界信号干扰，造成终端无法与基站建立连接。而往往高功率的基站下行信号又会完全覆盖干扰信号。监测人员如果采用传统基于频域的无线电监测方法，极难在较宽的TDD频段内侦测和追踪定位干扰信号。FDD技术过去凭借无需时钟同步，同功率下覆盖面积更广的优势而得到广泛应用。TDD技术则由于无需频谱成对占用，带宽灵活可调。近年，随着频谱资源愈发紧张，提高频谱利用率需求逐渐增长，TDD技术节约频谱的优势开始凸显。目前，根据3GPP组织（第三代合作伙伴计划，国际无线标准权威机构）的标准以及工信部的对于5G NR频率的规划情

随着通信技术对频谱带宽利用率以及速率的要求逐渐提高，时分双工技术（Time-division duplexing，简称TDD）凭借其满足非对称业务的需求以及节约频谱资源的优势得到了通信行业的广泛认可，最为典型的应用就是移动通信3G标准中的TD-SCDMA、4G标准中的TDD-LTE、5G NR标准中的TDD模式、WIFI以及蓝牙等。

TDD信号由于其技术特性，不仅信号载波带宽较宽，而且上行与下行信号在频谱上完全重叠。以往监测人员通过监测接收机关注频谱和瀑布图的方式来区分正常信号和干扰信号，这在TDD网络中将会非常困难。本文结合移动通信TDD技术原理探究常用便携式接收机以及频谱仪的三种排查方法，可供无线电监测工作者在TDD网络内侦测和定位干扰信号。

1.TDD技术浅析

时分复用(Time Division Multiplexing，简称TDM)技术中多路信号在同一频率信道的不同时隙中进行传输。时分双工TDD技术是TDM技术的应用，其接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载。由于频谱的稀缺性和较高的成本，TDD技术凭借其频谱节约的特性逐渐在移动通信系统中得到广泛应用。移动通信中TDD信号在频谱上往往表现为连续占用，但在示波器或者零跨度等时域分析工具中可以清晰的发现其在时间上是逐帧间隔发射的，如图1。

图1 TDD信号的频域结构（左）与时域结构（右）

频分双工（Frequency Division Duplex，简称FDD）技术是移动通信中另一种主要模式，往往采用两个独立的信道分别向下和向上传送信息。FDD信号在频谱上其特征为上下行信号分别在不同频率发射，在时间维度上是连续的，如图2。FDD技术通常需要更多的频谱资源，一般情况下是TDD技术的两倍。此外，对发送和接收信道之间必须进行适当的频谱分离。这种所谓的“保护间隔”将无法使用，导致了频谱浪费。考虑到频谱资源的稀缺性和昂贵成本，这是FDD技术的一大缺陷。

图2 FDD信号的频域结构（左）与时域结构（右）

FDD技术过去凭借无需时钟同步，同功率下覆盖面积更广的优势而得到广泛应用。TDD技术则由于无需频谱成对占用，带宽灵活可调。近年，随着频谱资源愈发紧张，提高频谱利用率需求逐渐增长，TDD技术节约频谱的优势开始凸显。目前，根据3GPP组织（第三代合作伙伴计划，国际无线标准权威机构）的标准以及工信部的对于5G NR频率的规划情况来看，5G NR频段大部分采用了TDD技术。尽管FDD技术依然得到广泛应用，但是从整体来看，目前频谱趋向紧张，成本也越来越高，采用TDD技术将会是大势所趋，未来频谱再分配也会得到更多应用。相应的，无线电管理工作者也将会面对越来越多TDD网络内的无线电干扰出现，探讨如何在正常TDD宽频信号中分离出干扰信号并追踪定位，及时且非常有必要。

TDD网络中，上行信号与下行信号采用了完全相同的频段，较强的基站下行信号会完全掩盖上行信号及存在的任何其他信号(如干扰信号)。另外一方面，移动通信中TDD信号往往带宽较宽，4G的TDD信号带宽通常可达20MHz，5G NR更可高达100MHz，如图3。通常移动终端发出的上行信号功率较弱，极易被外界信号干扰，造成终端无法与基站建立连接。而往往高功率的基站下行信号又会完全覆盖干扰信号。监测人员如果采用传统基于频域的无线电监测方法，极难在较宽的TDD频段内侦测和追踪定位干扰信号。

图3 5G NR中的TDD信号，带宽100MHz

2.门控触发频谱法

部分手持式频谱仪或便携式接收机（例如R&S FPH、R&S PR200）支持门控触发频谱和零跨度功能，可有效地从时域上查看TDD信号中的上行帧和下行帧。移动通信TDD技术中（包括3G、4G、5G NR），每个TDD信号无线帧（时长10ms）分为10个子帧（每个子帧时长1ms），上下行子帧配比可以动态分配。较为常见的配比结构是2个子帧用作移动终端上行、8个子帧用作基站下行。当在时域模式（零跨度）中设置合适的解调带宽和扫描周期，监测人员可以清晰的查看到TDD信号的上下行子帧，如图4。

图4 时域模式(零跨度)中可以清晰查看TDD信号的上下行子帧，并设置门触发窗口

此时，监测人员可以继续使用门控触发功能来分离上下行信号，消除基站的持续下行信号带来的影响。首先，定义一个时间门触发窗口（GATE），设置合适的触发时长（门宽）。对于监测移动通信TDD信号的干扰，可以将门触发窗口移动至一个上行子帧位置，并设置对应的时长1ms，如图4。由于TDD上行信号往往较弱，发射占用较少，上行频谱通常显示为噪底。如有干扰信号，将明显的存在于频谱中，不再会被持续的下行信号所淹没。通过这种方式查看频谱，仪表将不再显示基站下行信号，而是清晰地显示该上行子帧所对应的频谱，干扰信号得以发现，如图5。

图5 激活门控触发功能之后，频谱仅显示上行子帧的频谱，干扰信号得以发现（对比图3）

3.包络检波器最小峰值检波法

监测人员可以通过包络检波器采用最小峰值检波的方式来抑制TDD信号，仅显示长发的干扰信号。在数字系统中，测量会产生大量采样数据，仪表需要决定对于每个显示像素数据点，应该用什么样的值来显示，现代接收机或者频谱分析仪使用包络FFT检波器将中频信号转换为视频信号。每个显示像素点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔内出现的信号，这过程好似先将某个时间段的采样数据都放到一个信号收集单元 (bucket数据桶) 内，然后运用某一种数学检波运算从这个数据桶内提取想要的信息。随后这些数据被放入存储器再被写到显示频谱上。

举例来说，在一定时间间隔内，假设每一个数据桶（像素点）会产生5个FFT采样点，如图6。在仪表的像素点使用哪个数据取决于监测人员使用何种检波器。常用的检波器包括有实时采样(Sample)、最大峰值（Max Peak）、最小峰值（Min Peak）、均值检波（Average）、均方根值检波（RMS）等。

图6使用不同的检波器显示的不同采样结果

（上半图为采样点，下半图为采用不同检波器在该像素点生成不同的样化结果）

最小峰值检波器会计算每个像素点所有采样点中的最小值，然后输出显示。图6中，每个数据桶中存在5个采样点，最小峰值检波器会提取这5个采样点中最小值（绿色），输出至像素点显示。因此，最小峰值检波器能够有效抑制脉冲信号，特别适用于侦测长发信号或者长驻留信号。移动通信中，尽管TDD基站下行子帧持续高功率发射，但由于存在上行子帧，下行子帧在时域上是断开的，并非完全连续。当采用最小峰值检波的方式监测TDD信号时，可以”借助”空闲上行子帧来抑制下行信号。通过这种方法尤其适用于监测追踪长发的干扰信号，监测人员能够在频谱以及瀑布图上较好的观察到干扰信号。此外，当使用最小值峰值检波法来追踪干扰信号时，需要设置一定的测量时间，并缓慢旋转方向型天线使得检波器有足够的时间在频谱上刷新显示。

典型操作以常用的便携式监测接收机R&S PR100为例，设置包络检波器为最小峰值检波只需要在PR100中频显示范围（DISP-F2）中将迹线显示模式修改为“最小值保持”即可，如图7。

图7 迹线包络显示模式修改为“最小值保持”

此外，需要设置适当的测量时间来改变最小峰值检波器的充电时长并避免偶发的上行信号影响抑制效果，建议设置20-50ms，如图8。

图8测量时间模式修改为手动，50ms

当开启最小包络检波和设置适当的测量时间后，对比设置先后的频谱和瀑布图可以清晰的发现TDD信号已经被最小峰值检波器抑制，残留的即为长发干扰信号，如图9、图10。

图9 干扰信号被TDD基站下行信号完全覆盖

图10 开启最小包络检波和设置适当的测量时间后，可清晰识别干扰信号

4.多彩频谱法

多彩频谱技术可以协助监测人员在同一个频谱上分辨两个及以上的脉冲信号。重叠信号和脉冲信号带来的困难在于它们同时在相同频率出现，并且可能电平也类似。为了区分这种复杂信号情况，接收机分析各个信号的发生频率，用颜色编码堆积图的方式显示频率随时间变化的结果。红色显示的信号（例如噪底）代表比以绿色或蓝色显示的信号更为频繁出现，频繁程度的门限可由用户通过接收机上的”100%切片时间”参数预先定义。多彩频谱对信号分离非常有用，例如查看同一频谱上叠加在有用脉冲信号 (GSM、TDD) 上的干扰信号。

该技术也可适用于同时侦测TDD信号和干扰信号。监测人员追踪干扰的同时，该技术也能够保持观测整个信号场景。当使用使用多彩频谱时，建议缓慢旋转方向型天线使得仪表有足够的时间在频谱上更新信号电平的色彩。以便携式监测接收机R&S PR200为例，打开多彩频谱功能，微调100%切片时间以获得更好的TDD信号与干扰信号的可视对比度，建议4-15ms，这样便有机会在40MHz中频带宽内发现干扰信号，如图11。

图11 多彩频谱下可清晰识别TDD信号中的干扰信号

5.总结

TDD网络中，上行和下行信号在时间上是重叠复用的，使用常规监测手段（如瀑布图）试图分辨干扰信号是一件极为困难的任务（几乎不可能）。通过最小峰值检波法和多彩频谱法能够探测发现干扰信号，但需要预知重叠信号中至少一种信号的时间特征，例如在移动通信中TDD信号的帧长10ms。此外，对于测量时间、100%切片时间等设置也需要一些时间来尝试和微调。对于门控频谱功能，则可以从根本上解决这些问题， 为TDD网络中的干扰监测和定位带来巨大便利，TDD网络干扰不再像最开始那般高不可及。

本文探讨了三种通过常用仪表实现侦测TDD网络干扰的方法，当可疑信号的包络、电平以及带宽能够清晰地被识别的时候，通过连接手持式方向性天线，借助电平变化以及啸叫音等方法，监测人员搜寻和定位干扰源就如同定位黑广播一般简单高效。