La 5G a mis en lumière les problèmes d'intermodulation passive. Il appartient maintenant aux ingénieurs et aux techniciens d'identifier et d'atténuer la dégradation du signal afin de minimiser les appels interrompus et d'autres problèmes.
By Danny Sleiman, EXFO
Une connexion lâche; un toit en métal; les lignes électriques. Même un boulon rouillé. On estime que les opérateurs de téléphonie mobile dépenseront 1.1 2020 milliards de dollars en dépenses d'investissement entre 2025 et XNUMX, dont une grande partie sera consacrée à la création, à l'amélioration et à la maintenance de leurs réseaux avancés ; un peu de corrosion peut entraîner une baisse des débits de données ou une interruption des appels.
L'interférence d'intermodulation passive (PIM) n'est pas un problème nouveau pour l'industrie mobile, mais elle est en augmentation. Le PIM est devenu un problème pressant en raison du déploiement rapide des nouvelles technologies, de l'utilisation de bandes de fréquences proches les unes des autres particulièrement sensibles à ce problème et du nombre croissant d'abonnés. Ces facteurs se sont combinés pour créer un environnement difficile dans lequel le PIM peut entraîner des perturbations et une dégradation importantes des performances des réseaux sans fil.
Qu'est-ce que le PIM ?
PIM est la génération de signaux parasites causés par des non-linéarités dans les composants passifs d'un réseau sans fil. L'interaction de composants mécaniques - tels que des câbles desserrés, des connexions sales ou corrodées ou des connexions métal sur métal telles que des fixations - peut produire un PIM. Lorsque deux signaux traversent ces composants, les signaux peuvent interférer les uns avec les autres, créant des harmoniques qui tombent directement dans la bande de liaison montante. Les réseaux peuvent transmettre et recevoir des signaux 4G/5G sans jamais rencontrer de problème. Dans les réseaux occupés avec plusieurs bandes de fréquences transmises, cependant, les risques de provoquer des interférences RF augmentent.
Les réseaux mobiles visent à tirer le meilleur parti des fréquences qu'ils autorisent, ce qui signifie que c'est un problème - en particulier dans la bande inférieure bondée de 450 MHz à 1 GHz et dans les bandes à spectre moyen de 1 GHz à 6 GHz utilisées par de nombreux opérateurs pour les services 5G. Des fréquences plus élevées et des réseaux moins encombrés peuvent être moins sujets aux interférences PIM.
La troisième harmonique est souvent la plus forte en PIM car elle est le résultat du mélange non linéaire de second ordre de deux signaux d'entrée, qui génère un produit d'intermodulation à trois fois la fréquence de l'un des signaux d'entrée (voir Figure 1 ainsi que Tableau 1). Le résultat est une augmentation du niveau de bruit affectant les signaux souhaités, entraînant des appels interrompus et une diminution de la capacité. Pour compenser, les niveaux de puissance du site cellulaire augmenteront afin que le signal puisse être séparé du bruit. Ce pic de puissance signale au réseau qu'un problème existe, mais crée également ses propres problèmes.
Tableau 1. Les calculs derrière IMD et PIM montrent
où se produisent les produits de distorsion.
| Commande (IMx) | Fréquences | Ton 1 | Ton 2 | |
| 1er ordre | f1 | f2 | 100 MHz | 101 MHz |
| 2nd ordre | f1 +f2 | f1 - F2 | 201 MHz | 1 MHz |
| 3rd order | 2f1 - F2 | 2f2 - F1 | 99 MHz | 102 MHz |
| 2f1 +f2 | 2f2 +f1 | 301 MHz | 302 MHz | |
| 4ème commande | 2f2 + 2f1 | 2f2 – 2f1 | 402 MHz | 2 MHz |
| 5ème commande | 3f1 – 2f2 | 3f2 – 3f1 | 98 MHz | 103 MHz |
| 3f1 + 2f2 | 3f2 + 2f1 | 502 MHz | 503 MHz | |
| 7ème commande | 4f1 + 3f2 | 4f2 – 3f1 | 97 MHz | 104 MHz |
| 4f1 + 3f2 | 4f2 + 3f1 | 703 MHz | 704 MHz | |
| 9ème commande | 5f1 – 4f2 | 5f2 – 4f1 | 96 MHz | 105 MHz |
| 5f1 + 4f2 | 5f2 – 4f1 | 904 MHz | 905 MHz | |
Le PIM devient plus apparent lorsque les sites cellulaires connaissent des niveaux d'activité élevés avec de nombreux appareils utilisateur connectés au réseau. Lorsque le site tente de surmonter le bruit et les interférences au sein du réseau, il peut être nécessaire d'augmenter les niveaux de puissance, ce qui peut encore exacerber le PIM. Un exemple de compensation du bruit dans un environnement encombré consiste à parler plus fort afin que l'auditeur puisse entendre votre message. Dans les situations où le niveau de bruit est élevé, nous ajustons naturellement notre volume vocal pour nous assurer que notre message est bien communiqué. De même, les sites cellulaires essayant de surmonter les interférences sonores augmentent leurs niveaux de puissance pour compenser, ce qui peut affecter les sites cellulaires à proximité.
Détection des sources d'interférences PIM
Savoir qu'un problème d'interférence existe dans un réseau peut être simple. L'augmentation de la consommation d'énergie mentionnée précédemment est un indice important, et de nombreux réseaux disposent d'un logiciel de détection de pannes qui peut indiquer où se trouvent les interférences. Malheureusement, identifier les sites où des interférences PIM existent et savoir ce qui cause ces interférences sur ces sites sont des défis très différents. Les origines des interférences PIM peuvent être extrêmement difficiles à identifier.
Figure 1. L'intermodulation (IMD) crée une distorsion qui dégrade la qualité du signal, provoquant la PIM. Le troisième harmonique est généralement le pire contrevenant.
Tout d'abord, il existe deux types de PIM. Le PIM interne est causé par les éléments RF internes de l'infrastructure tels que les connecteurs desserrés, les câbles et connecteurs endommagés et les éléments défectueux des antennes. Ces problèmes surviennent généralement entre l'émetteur et l'antenne, et le coupable le plus courant est un câble coaxial endommagé ou défectueux. Le PIM externe est causé par des objets situés à proximité des sites cellulaires. Les exemples incluent des objets métalliques (généralement rouillés) à proximité de l'antenne, des toits métalliques ou même des panneaux d'affichage numériques. L'interférence de l'un ou l'autre de ces domaines est difficile à identifier.
La gestion du PIM interne peut souvent nécessiter qu'une équipe spécialisée grimpe sur une tour de téléphonie cellulaire ou accède à un toit pour rechercher la cause possible du problème. Ces situations entraînent des dépenses et des risques, notamment le transport d'un analyseur PIM encombrant. Même dans ce cas, il n'y a aucune garantie d'identifier le problème du premier coup, donc plusieurs déplacements de camion peuvent être nécessaires pour trouver et détecter chaque source potentielle de PIM. Bien qu'un connecteur coaxial corrodé soit le suspect le plus probable, cela n'est pas garanti ; l'ensemble du processus de recherche et de résolution d'un problème PIM interne peut prendre des semaines. Cela est dû en partie à l'analyse requise, qui peut être un effort essentiellement manuel plutôt que automatisé. sans souci.
Le PIM externe peut être encore plus difficile à localiser. Les techniciens doivent rechercher et identifier la source (ou les sources) à l'origine de l'interférence, et la solution peut ne pas être facilement apparente. Un analyseur de spectre peut aider à identifier la source, et le processus de chasse aux interférences est très manuel et nécessite généralement une expertise RF. Dans des circonstances extrêmes, la seule solution peut être de déplacer complètement le site.
Pour aggraver encore cette mauvaise situation, il n'est pas immédiatement évident de savoir si le problème est externe ou interne. L'analyse peut signifier déconnecter le site du réseau pour l'évaluation, ce qui est loin d'être idéal pour un opérateur qui s'efforce de maintenir les clients connectés. Les techniciens disposent d'un court laps de temps pour essayer de résoudre les problèmes afin que les clients ne subissent pas trop de perturbations.
Chasse aux PIM simplifiée
La nature des interférences PIM en fait un casse-tête particulier pour les opérateurs, étant donné qu'elles sont courantes, difficiles à cerner et que leur résolution peut être coûteuse. De plus, une chasse prolongée aux interférences PIM peut causer plus de problèmes qu'elle n'en résout. Lorsque les ingénieurs recherchent le problème et modifient les connexions et le matériel, ils peuvent finir par introduire des éléments qui aggravent l'interférence PIM, et non l'améliorent. Heureusement, il existe des moyens d'atténuer ces problèmes.
Analyse RF sur l'interface radio publique commune (CPRI)
Il peut sembler contre-intuitif dans un réseau mobile que le diagnostic des problèmes PIM puisse impliquer à la fois des tests RF sur fibre et en direct. En fait, en utilisant l'analyse du spectre RF sur la fibre ou le protocole CPRI, les techniciens peuvent déterminer si le problème est PIM interne ou externe. Pour effectuer l'analyse du spectre RF sur la fibre (ou CPRI), les techniciens attachent un séparateur optique près de l'unité de bande de base au bas d'une tour d'antenne pour diagnostiquer le problème PIM. L'exécution de cette analyse à partir du sol évite le temps et les efforts d'un technicien qui escalade une tour pour traiter les interférences.
Un avantage majeur est que l'analyse du spectre RF sur la fibre est une application de test passive, de sorte que l'unité de bande de base et la tête radio distante continueront à traiter les appels normalement, permettant aux techniciens d'analyser le spectre de liaison montante pendant le fonctionnement normal du site - et pendant les périodes de pointe lorsque PIM est le plus actif.
Ce type d'analyse nécessite un équipement spécialisé car il doit être adapté aux différents composants du réseau - et l'équipement réseau de différents ou de plusieurs fournisseurs signifie que les signaux cryptés le long de la fibre ne sont pas simples à analyser. Des processus sont disponibles pour détecter automatiquement les signaux propriétaires des fournisseurs, ce qui réduit la configuration en appliquant l'intelligence et l'automatisation.
Figure 2. Les couvertures PIM protègent les antennes et autres composants passifs, ce qui aide à isoler les sources PIM (Image : ConcealFab).
Couvertures PIM
Une façon de détecter si une fixation ou un boulon particulier provoque une interférence PIM externe est de le réparer ou de le remplacer. Ce n'est pas toujours idéal - si le problème persiste, un ingénieur ou un technicien a consacré un temps et des ressources précieux à réparer quelque chose qui n'a pas résolu le problème. Une façon de contourner cela est assez simple : jetez une couverture PIM sur l'élément incriminé (Figure 2). Ceux-ci suppriment le signal RF, ce qui signifie qu'il n'interfère plus avec le site. De cette façon, le processus d'élimination est plus rapide et des réparations peuvent être effectuées sur des éléments qui valent réellement la peine d'être réparés.
Analyseurs de spectre
Pour les situations où le PIM interne ou externe n'est pas facilement diagnostiqué sur un site particulier, des analyseurs de spectre en direct avec chasse aux interférences connectés à une sonde PIM ou à une antenne directionnelle peuvent permettre à quiconque de rechercher les causes des interférences PIM en cours (Figure 3). De nombreuses solutions aux problèmes PIM utilisent plusieurs outils et sont trop complexes à utiliser sans expertise avancée, mais investir dans un équipement intelligent signifie que les techniciens de terrain peuvent détecter les problèmes plus rapidement.
Figure 3. Cette configuration de test utilise un analyseur de spectre connecté à l'interface optique CPRI d'un site cellulaire pour rechercher les problèmes PIM.
Étant donné que les interférences PIM entraînent des débits de données plus lents et des appels interrompus, tout client utilisant régulièrement un site est susceptible de déjà souffrir de problèmes. Un temps d'arrêt prolongé pendant que le problème est localisé ne fera qu'aggraver la situation, il est donc important de garantir une résolution rapide.
PIM ne disparaîtra jamais
Partout où nous avons la technologie sans fil, nous avons le PIM car il est impossible de l'éliminer complètement. C'est donc une considération que les opérateurs doivent prendre au sérieux. Les réseaux ne feront que devenir plus encombrés à mesure que les nouvelles technologies augmentent le débit de données et que davantage de sites cellulaires sont construits pour faire face à la demande.
Les opérateurs doivent aborder cela avec une approche proactive et réactive. L'approche réactive sera toujours nécessaire, bien sûr. De nombreux sites ont été construits pour prendre en charge des technologies plus anciennes et ont été mis à niveau pour LTE et maintenant 5G. Lorsque ces mises à niveau ont été mises en place, des problèmes avec PIM sont devenus apparents. Comme le PIM est souvent le résultat d'une dégradation de l'infrastructure, la gestion du PIM fait simplement partie de la maintenance continue.
Mais il existe des mesures que les opérateurs peuvent prendre pour éviter les problèmes PIM. Comme les connexions métal sur métal sont souvent un gros problème, les sites peuvent utiliser des attaches et des connexions en plastique pour que ces problèmes ne se posent pas - l'acier inoxydable peut être durable, mais cela n'a pas d'importance s'il cause des interférences. Les opérateurs peuvent prendre d'autres mesures pour empêcher la corrosion des matériaux. Les sources potentielles de PIM peuvent être identifiées et atténuées avant qu'elles ne deviennent un problème.
Toute la planification, la construction et la maintenance du réseau doivent être effectuées en gardant à l'esprit l'atténuation PIM, en tenant compte non seulement de la technologie d'aujourd'hui, mais également de celle de demain. Le passage à la 5G a révélé de gros problèmes de PIM, alors qu'en est-il de la 6G ? Ou même plus loin ? Qu'en est-il lorsque de nouveaux groupes sont disponibles ? Une protection complète contre les interférences PIM est impossible, mais l'impact négatif du PIM peut être atténué avec la bonne approche.