5G rückte Probleme der passiven Intermodulation ins Rampenlicht. Nun liegt es an den Ingenieuren und Technikern, Signalverschlechterungen zu erkennen und zu mildern, um Anrufabbrüche und andere Probleme zu minimieren.
By Danny Sleiman, EXFO
Eine lose Verbindung; ein Metalldach; Stromleitungen. Sogar ein rostiger Bolzen. Es wird geschätzt, dass Mobilfunkbetreiber zwischen 1.1 und 2020 2025 Billionen US-Dollar für Investitionen ausgeben werden, ein Großteil davon für die Schaffung, Verbesserung und Wartung ihrer fortschrittlichen Netzwerke – ein wenig Korrosion kann zu geringeren Datenraten oder unterbrochenen Anrufen führen.
Passive Intermodulationsstörungen (PIM) sind kein neues Problem für die Mobilfunkbranche, aber sie nehmen zu. PIM ist aufgrund der schnellen Verbreitung neuer Technologien, der Nutzung nahe beieinander liegender Frequenzbänder, die für dieses Problem besonders anfällig sind, und der steigenden Anzahl von Teilnehmern zu einem drängenden Problem geworden. Diese Faktoren haben zusammen ein herausforderndes Umfeld geschaffen, in dem PIM zu erheblichen Störungen und Leistungseinbußen in drahtlosen Netzwerken führen kann.
Was ist PIM?
PIM ist die Erzeugung von Störsignalen, die durch Nichtlinearitäten in den passiven Komponenten eines drahtlosen Netzwerks verursacht werden. Das Zusammenspiel mechanischer Komponenten – wie lose Kabel, verschmutzte oder korrodierte Verbindungen oder Metall-auf-Metall-Verbindungen wie Befestigungselemente – kann PIM erzeugen. Wenn zwei Signale diese Komponenten durchlaufen, können sich die Signale gegenseitig stören und Oberwellen erzeugen, die direkt in das Uplink-Band fallen. Netzwerke können 4G/5G-Signale senden und empfangen, ohne dass jemals ein Problem auftritt. In ausgelasteten Netzwerken mit mehreren übertragenen Frequenzbändern steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass es zu HF-Störungen kommt.
Mobilfunknetze zielen darauf ab, die von ihnen lizenzierten Frequenzen optimal zu nutzen, was bedeutet, dass dies ein Problem darstellt – insbesondere im überfüllten unteren Band von 450 MHz bis 1 GHz und im mittleren Spektrum von 1 GHz bis 6 GHz, die von vielen Betreibern für 5G-Dienste genutzt werden. Höhere Frequenzen und weniger überlastete Netzwerke sind möglicherweise weniger anfällig für PIM-Störungen.
Die dritte Harmonische ist bei PIM oft die stärkste, da sie das Ergebnis der nichtlinearen Mischung zweiter Ordnung zweier Eingangssignale ist, die ein Intermodulationsprodukt mit der dreifachen Frequenz eines der Eingangssignale erzeugt (siehe Figure 1 und Tabelle 1). Das Ergebnis ist ein Anstieg des Rauschpegels, der die gewünschten Signale beeinflusst, was zu Anrufabbrüchen und einer verringerten Kapazität führt. Zum Ausgleich werden die Leistungspegel des Mobilfunkstandorts erhöht, sodass das Signal vom Rauschen getrennt werden kann. Dieser Leistungsanstieg ist ein deutliches Signal für das Netzwerk, dass ein Problem vorliegt, schafft aber auch eigene Probleme.
Tabelle 1. Die Mathematik hinter IMD und PIM zeigt
wo Verzerrungsprodukte entstehen.
| Bestellung (IMx) | Frequenzen | Ton 1 | Ton 2 | |
| 1. Bestellung | f1 | f2 | 100 MHz | 101 MHz |
| 2nd Bestellung | f1 +f2 | f1 - f2 | 201 MHz | 1 MHz |
| 3rd Bestellung | 2f1 - f2 | 2f2 - f1 | 99 MHz | 102 MHz |
| 2f1 +f2 | 2f2 +f1 | 301 MHz | 302 MHz | |
| 4. Bestellung | 2f2 + 2f1 | 2f2 – 2f1 | 402 MHz | 2 MHz |
| 5. Bestellung | 3f1 – 2f2 | 3f2 – 3f1 | 98 MHz | 103 MHz |
| 3f1 + 2f2 | 3f2 + 2f1 | 502 MHz | 503 MHz | |
| 7. Bestellung | 4f1 + 3f2 | 4f2 – 3f1 | 97 MHz | 104 MHz |
| 4f1 + 3f2 | 4f2 + 3f1 | 703 MHz | 704 MHz | |
| 9. Bestellung | 5f1 – 4f2 | 5f2 – 4f1 | 96 MHz | 105 MHz |
| 5f1 + 4f2 | 5f2 – 4f1 | 904 MHz | 905 MHz | |
PIM wird deutlicher, wenn Mobilfunkstandorte ein hohes Maß an Aktivität verzeichnen und zahlreiche Benutzergeräte mit dem Netzwerk verbunden sind. Da der Standort versucht, das Rauschen und die Interferenzen innerhalb des Netzwerks zu überwinden, muss er möglicherweise die Leistungspegel erhöhen, was das PIM weiter verschärfen kann. Ein Beispiel für die Kompensation von Lärm in einer überfüllten Umgebung ist das lautere Sprechen, damit der Zuhörer Ihre Botschaft verstehen kann. In Situationen mit hohem Lärmpegel passen wir natürlich unsere Stimmlautstärke an, um sicherzustellen, dass unsere Botschaft effektiv kommuniziert wird. In ähnlicher Weise erhöhen Mobilfunkstandorte, die versuchen, Störgeräusche zu überwinden, zum Ausgleich ihre Leistungspegel, was Auswirkungen auf nahegelegene Mobilfunkstandorte haben kann.
Erkennen der Quellen von PIM-Störungen
Zu wissen, dass in einem Netzwerk ein Interferenzproblem besteht, kann unkompliziert sein. Der zuvor erwähnte erhöhte Stromverbrauch ist ein wichtiger Hinweis, und viele Netzwerke verfügen über Fehlererkennungssoftware, die aufzeigen kann, wo Störungen vorliegen. Leider sind die Identifizierung der Standorte, an denen PIM-Störungen auftreten, und die Ermittlung der Ursache der Störungen an diesen Standorten sehr unterschiedliche Herausforderungen. Es kann äußerst schwierig sein, die Ursachen von PIM-Störungen genau zu bestimmen.
Abbildung 1. Intermodulation (IMD) erzeugt Verzerrungen, die die Signalqualität beeinträchtigen und PIM verursachen. Die dritte Harmonische ist normalerweise der schlimmste Übeltäter.
Erstens gibt es zwei Arten von PIM. Internes PIM wird durch interne HF-Elemente in der Infrastruktur verursacht, wie z. B. lose Anschlüsse, beschädigte Kabel und Anschlüsse sowie fehlerhafte Elemente in den Antennen. Diese Probleme treten typischerweise zwischen dem Sender und der Antenne auf und die häufigste Ursache ist ein beschädigtes oder fehlerhaftes Koaxialkabel. Externes PIM wird durch Objekte verursacht, die sich in der Nähe von Mobilfunkstandorten befinden. Beispiele hierfür sind metallische Gegenstände (normalerweise rostig) in der Nähe der Antenne, Metalldächer oder sogar digitale Werbetafeln. Eine Störung durch einen dieser Bereiche ist schwer zu erkennen.
Der Umgang mit internem PIM kann oft erfordern, dass ein Spezialteam auf einen Mobilfunkmast klettert oder auf ein Dach zugreift, um nach der Ursache des Problems zu suchen. Solche Situationen sind mit Kosten und Risiken verbunden, insbesondere mit dem Tragen eines sperrigen PIM-Analysegeräts. Selbst dann gibt es keine Garantie dafür, dass das Problem beim ersten Mal erkannt wird. Daher sind möglicherweise mehrere LKW-Einsätze erforderlich, um jede potenzielle PIM-Quelle zu finden und zu erkennen. Obwohl ein korrodierter Koaxialstecker der wahrscheinlichste Verdacht ist, kann dies nicht garantiert werden; Der gesamte Prozess der Suche und Lösung eines internen PIM-Problems kann Wochen dauern. Dies ist zum Teil auf die erforderliche Analyse zurückzuführen, die eher ein manueller als ein automatisierter Aufwand sein kann Technologie.
Externes PIM kann noch schwieriger zu finden sein. Techniker müssen die Quelle (oder Quellen), die die Störung verursacht, aufspüren und lokalisieren, und die Lösung ist möglicherweise nicht leicht zu erkennen. Ein Spektrumanalysator kann dabei helfen, die Quelle zu lokalisieren, und der Prozess der Interferenzsuche ist sehr manuell und erfordert in der Regel HF-Kenntnisse. In extremen Fällen besteht die einzige Lösung möglicherweise darin, den Standort vollständig zu verschieben.
Was diese schlimme Situation noch verschlimmert, ist, dass nicht sofort erkennbar ist, ob das Problem äußerlich oder innerlich ist. Die Analyse kann bedeuten, dass der Standort zur Bewertung vom Netzwerk getrennt wird, was für einen Betreiber, der die Verbindung seiner Kunden aufrechterhalten möchte, alles andere als ideal ist. Den Technikern bleibt nur ein kurzes Zeitfenster, um Probleme zu beheben, damit die Kunden nicht zu stark gestört werden.
Einfachere PIM-Suche
Die Art der PIM-Störung bereitet den Betreibern besondere Kopfschmerzen, da sie häufig vorkommt, schwer zu lokalisieren ist und ihre Behebung teuer sein kann. Darüber hinaus kann eine ausgedehnte Suche nach PIM-Störungen mehr Probleme verursachen als lösen. Wenn Ingenieure nach dem Problem suchen und Verbindungen und Hardware ändern, können sie am Ende Elemente einführen, die die PIM-Interferenz verschlimmern und nicht verbessern. Glücklicherweise gibt es Möglichkeiten, diese Probleme zu mildern.
HF-Analyse über Common Public Radio Interface (CPRI)
In einem Mobilfunknetz mag es kontraintuitiv erscheinen, dass die Diagnose von PIM-Problemen sowohl Glasfaser- als auch drahtlose HF-Tests umfassen kann. Tatsächlich können Techniker mithilfe der HF-Spektrumanalyse über das Glasfaser- oder CPRI-Protokoll isolieren, ob es sich bei dem Problem um internes oder externes PIM handelt. Um die HF-Spektrumsanalyse über die Glasfaser (oder CPRI) durchzuführen, befestigen Techniker einen optischen Splitter in der Nähe der Basisbandeinheit am Fuß eines Antennenmastes, um das PIM-Problem zu diagnostizieren. Durch die Durchführung dieser Analyse vom Boden aus entfällt der Zeit- und Arbeitsaufwand eines Technikers, der einen Turm erklimmen muss, um Störungen zu beheben.
Ein großer Vorteil besteht darin, dass die RF-Spektrumsanalyse über die Glasfaser eine passive Testanwendung ist, sodass die Basisbandeinheit und der Remote-Radio-Head weiterhin Anrufe normal verarbeiten, sodass Techniker das Uplink-Spektrum während des normalen Standortbetriebs analysieren können – und während der PIM-Hochsaison ist am aktivsten.
Diese Art der Analyse erfordert spezielle Geräte, da sie auf verschiedene Netzwerkkomponenten abgestimmt sein müssen – und Netzwerkgeräte von verschiedenen oder mehreren Anbietern bedeuten, dass die verschlüsselten Signale entlang der Glasfaser nicht einfach zu analysieren sind. Es stehen Prozesse zur automatischen Erkennung proprietärer Signale von Anbietern zur Verfügung, wodurch die Konfiguration durch den Einsatz von Intelligenz und Automatisierung reduziert wird.
Abbildung 2. PIM-Decken schirmen Antennen und andere passive Komponenten ab und helfen so, PIM-Quellen zu isolieren (Bild: ConcealFab).
PIM-Decken
Eine Möglichkeit zu erkennen, ob ein bestimmtes Befestigungselement oder eine bestimmte Schraube eine externe PIM-Störung verursacht, besteht darin, es zu reparieren oder zu ersetzen. Das ist nicht immer ideal – wenn das Problem weiterhin besteht, hat ein Ingenieur oder Techniker wertvolle Zeit und Ressourcen in die Reparatur eines Problems investiert, das das Problem nicht gelöst hat. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist ganz einfach: Werfen Sie eine PIM-Decke über den störenden Gegenstand (Figure 2). Diese unterdrücken das HF-Signal, sodass es den Standort nicht mehr stört. Auf diese Weise erfolgt die Beseitigung schneller und es können Reparaturen an Gegenständen durchgeführt werden, die tatsächlich eine Reparatur wert sind.
Spektrumanalysatoren
In Situationen, in denen das interne oder externe PIM an einem bestimmten Standort nicht ohne weiteres diagnostiziert werden kann, können Over-the-Air-Spektrumanalysatoren mit Interferenzsuche, die an eine PIM-Sonde oder eine Richtantenne angeschlossen sind, es jedem ermöglichen, die Ursachen anhaltender PIM-Interferenzen aufzuspüren (Figure 3). Viele Lösungen für PIM-Probleme nutzen mehrere Tools und sind zu komplex, um ohne fortgeschrittene Fachkenntnisse verwendet zu werden. Durch die Investition in intelligente Geräte können Außendiensttechniker jedoch Probleme schneller erkennen.
Abbildung 3. Bei diesem Testaufbau wird ein Spektrumanalysator verwendet, der an die optische CPRI-Schnittstelle eines Mobilfunkstandorts angeschlossen ist, um PIM-Probleme aufzuspüren.
Da PIM-Störungen zu langsameren Datenraten und unterbrochenen Anrufen führen, ist es wahrscheinlich, dass jeder Kunde, der eine Website regelmäßig nutzt, bereits unter Problemen leidet. Längere Ausfallzeiten, während das Problem lokalisiert wird, verschlimmern das Problem nur. Daher ist es wichtig, eine schnelle Lösung sicherzustellen.
PIM wird niemals verschwinden
Wo wir drahtlose Technologie haben, haben wir PIM, weil es unmöglich ist, es vollständig zu eliminieren. Daher ist es eine Überlegung, die Betreiber ernst nehmen müssen. Die Netzwerke werden immer überfüllter, da neue Technologien den Datendurchsatz erhöhen und mehr Mobilfunkstandorte gebaut werden, um der Nachfrage gerecht zu werden.
Betreiber müssen dies sowohl proaktiv als auch reaktiv angehen. Der reaktive Ansatz wird natürlich immer notwendig sein. Viele Standorte wurden zur Unterstützung älterer Technologien gebaut und für LTE und jetzt 5G aufgerüstet. Als diese Upgrades durchgeführt wurden, wurden Probleme mit PIM offensichtlich. Da PIM oft das Ergebnis einer Verschlechterung der Infrastruktur ist, ist der Umgang mit PIM einfach Teil der laufenden Wartung.
Es gibt jedoch Maßnahmen, die Betreiber ergreifen können, um PIM-Problemen vorzubeugen. Da Metall-auf-Metall-Verbindungen häufig ein großes Problem darstellen, können an Standorten Kunststoffbefestigungen und -verbindungen verwendet werden, sodass diese Probleme nicht auftreten. Edelstahl mag zwar langlebig sein, aber das spielt keine Rolle, wenn er Störungen verursacht. Betreiber können andere Maßnahmen ergreifen, um die Korrosion von Materialien zu verhindern. Potenzielle PIM-Quellen können identifiziert und entschärft werden, bevor sie zu einem Problem werden.
Die gesamte Netzwerkplanung, der Aufbau und die Wartung müssen unter Berücksichtigung der PIM-Eindämmung durchgeführt werden, wobei nicht nur die Technologie von heute, sondern auch die von morgen berücksichtigt werden muss. Die Umstellung auf 5G hat einige große PIM-Probleme aufgedeckt. Wie sieht es also mit 6G aus? Oder noch weiter? Was ist, wenn neue Bands verfügbar werden? Eine vollständige Zukunftssicherheit gegen PIM-Interferenzen ist unmöglich, aber die negativen Auswirkungen von PIM können mit dem richtigen Ansatz gemindert werden.