Il 5G ha portato sotto i riflettori i problemi di intermodulazione passiva. Ora tocca a ingegneri e tecnici identificare e mitigare il degrado del segnale per ridurre al minimo le chiamate perse e altri problemi.
By Danny Sleiman, EXFO
Una connessione allentata; un tetto in metallo; linee elettriche. Anche un bullone arrugginito. Si stima che gli operatori di telefonia mobile spenderanno 1.1 trilioni di dollari in spese in conto capitale tra il 2020 e il 2025, gran parte dei quali destinati alla creazione, al miglioramento e alla manutenzione delle proprie reti avanzate: una piccola corrosione può comportare una riduzione della velocità dei dati o l'interruzione delle chiamate.
L'interferenza dell'intermodulazione passiva (PIM) non è un problema nuovo per il settore della telefonia mobile, ma è in crescita. Il PIM è diventato un problema urgente a causa del rapido dispiegamento di nuove tecnologie, dell'uso di bande di frequenza situate una vicino all'altra particolarmente sensibili a questo problema e del crescente numero di abbonati. Questi fattori si sono combinati per creare un ambiente difficile in cui il PIM può causare notevoli interruzioni e degrado delle prestazioni delle reti wireless.
Cos'è il PIM?
PIM è la generazione di segnali di interferenza causati da non linearità nei componenti passivi di una rete wireless. L'interazione di componenti meccanici, come cavi allentati, connessioni sporche o corrose o connessioni metallo su metallo come dispositivi di fissaggio, può produrre PIM. Quando due segnali passano attraverso questi componenti, i segnali possono interferire tra loro, creando armoniche che cadono direttamente nella banda di uplink. Le reti possono trasmettere e ricevere segnali 4G/5G senza mai riscontrare problemi. Nelle reti trafficate con più bande di frequenza trasmesse, tuttavia, aumentano le possibilità di causare interferenze RF.
Le reti mobili mirano a sfruttare al meglio le frequenze che concedono in licenza, il che significa che questo è un problema, specialmente nelle affollate bande inferiori da 450 MHz a 1 GHz e a medio spettro da 1 GHz a 6 GHz utilizzate da molti operatori per i servizi 5G. Frequenze più elevate e reti meno affollate possono essere meno soggette a interferenze PIM.
La terza armonica è spesso la più forte in PIM perché è il risultato della miscelazione non lineare di secondo ordine di due segnali di ingresso, che genera un prodotto di intermodulazione a tre volte la frequenza di uno dei segnali di ingresso (vedi Figure 1 ed Tabella 1). Il risultato è un aumento del livello di rumore che influisce sui segnali desiderati, con conseguente interruzione delle chiamate e riduzione della capacità. Per compensare, i livelli di potenza del sito cellulare aumenteranno in modo che il segnale possa essere separato dal rumore. Questo picco di potenza è una grande bandiera per la rete che esiste un problema, ma crea anche i propri problemi.
Tabella 1. La matematica dietro IMD e PIM mostra
dove si verificano i prodotti di distorsione.
| Ordine (IMx) | Frequenze | Tono 1 | Tono 2 | |
| 1 ° ordine | f1 | f2 | 100 MHz | 101 MHz |
| 2nd ordine | f1 +f2 | f1 - f2 | 201 MHz | 1 MHz |
| 3rd ordine | 2f1 - f2 | 2f2 - f1 | 99 MHz | 102 MHz |
| 2f1 +f2 | 2f2 +f1 | 301 MHz | 302 MHz | |
| Ordine 4th | 2f2 + 2 segg1 | 2f2 – 2f1 | 402 MHz | 2 MHz |
| Ordine 5th | 3f1 – 2f2 | 3f2 – 3f1 | 98 MHz | 103 MHz |
| 3f1 + 2 segg2 | 3f2 + 2 segg1 | 502 MHz | 503 MHz | |
| Ordine 7th | 4f1 + 3 segg2 | 4f2 – 3f1 | 97 MHz | 104 MHz |
| 4f1 + 3 segg2 | 4f2 + 3 segg1 | 703 MHz | 704 MHz | |
| Ordine 9th | 5f1 – 4f2 | 5f2 – 4f1 | 96 MHz | 105 MHz |
| 5f1 + 4 segg2 | 5f2 – 4f1 | 904 MHz | 905 MHz | |
Il PIM diventa più evidente quando i siti cellulari sperimentano alti livelli di attività con numerosi dispositivi utente connessi alla rete. Poiché il sito tenta di superare il rumore e le interferenze all'interno della rete, potrebbe essere necessario aumentare i livelli di potenza, il che può esacerbare ulteriormente il PIM. Un esempio di compensazione del rumore in un ambiente affollato è parlare più forte in modo che l'ascoltatore possa sentire il tuo messaggio. In situazioni in cui il livello di rumore è elevato, regoliamo naturalmente il volume della nostra voce per assicurarci che il nostro messaggio sia comunicato in modo efficace. Allo stesso modo, i siti cellulari che cercano di superare l'interferenza del rumore aumentano i loro livelli di potenza per compensare, il che può influenzare i siti cellulari vicini.
Rilevamento delle fonti di interferenza PIM
Sapere che esiste un problema di interferenza in una rete può essere semplice. L'aumento del consumo di energia menzionato in precedenza è un grande indizio e molte reti dispongono di software di rilevamento dei guasti che possono indicare dove esistono interferenze. Sfortunatamente, identificare i siti in cui esiste l'interferenza PIM e sapere cosa sta causando l'interferenza in questi siti sono sfide molto diverse. Le origini dell'interferenza PIM possono essere estremamente difficili da individuare.
Figura 1. L'intermodulazione (IMD) crea una distorsione che degrada la qualità del segnale, causando PIM. La terza armonica è solitamente la peggiore.
Innanzitutto, ci sono due tipi di PIM. Il PIM interno è causato dagli elementi RF interni nell'infrastruttura come connettori allentati, cavi e connettori danneggiati ed elementi difettosi nelle antenne. Questi problemi si verificano in genere tra il trasmettitore e l'antenna e il colpevole più comune è un cavo coassiale danneggiato o difettoso. Il PIM esterno è causato da oggetti situati vicino ai siti delle celle. Gli esempi includono oggetti metallici (solitamente arrugginiti) vicino all'antenna, tetti di metallo o persino cartelloni pubblicitari digitali. L'interferenza da uno di questi domini è difficile da identificare.
La gestione del PIM interno può spesso richiedere che un equipaggio specializzato salga su una torre cellulare o acceda a un tetto per cercare la causa del problema. Tali situazioni comportano spese e rischi, in particolare il trasporto di un ingombrante analizzatore PIM. Anche in questo caso, non vi è alcuna garanzia di identificare il problema la prima volta, quindi potrebbero essere necessari più passaggi per trovare e rilevare ogni potenziale fonte di PIM. Sebbene il sospetto più probabile sia un connettore coassiale corroso, ciò non è garantito; il completamento dell'intero processo di individuazione e risoluzione di un problema PIM interno può richiedere settimane. Ciò è dovuto in parte all'analisi richiesta, che può essere uno sforzo prevalentemente manuale piuttosto che automatizzato la tecnologia.
Il PIM esterno può essere ancora più difficile da individuare. I tecnici devono scovare e individuare la fonte (o le fonti) che causano l'interferenza e la soluzione potrebbe non essere facilmente evidente. Un analizzatore di spettro può aiutare a individuare la sorgente e il processo di ricerca delle interferenze è altamente manuale e in genere richiede competenze RF. In circostanze estreme, l'unica soluzione potrebbe essere quella di spostare completamente il sito.
A peggiorare ulteriormente questa brutta situazione, non è immediatamente evidente se il problema è esterno o interno. L'analisi può significare disconnettere il sito dalla rete per la valutazione, il che è tutt'altro che ideale per un operatore che si sforza di mantenere i clienti connessi. I tecnici hanno un breve periodo di tempo per provare a risolvere i problemi in modo che i clienti non subiscano troppe interruzioni.
Ricerca PIM più semplice
La natura dell'interferenza PIM la rende particolarmente problematica per gli operatori, dato che è comune, difficile da definire e risolverla può essere costosa. Inoltre, una caccia prolungata all'interferenza PIM può causare più problemi di quanti ne risolva. Man mano che gli ingegneri cercano il problema e modificano connessioni e hardware, possono finire per introdurre elementi che peggiorano, non migliorano, l'interferenza PIM. Fortunatamente, ci sono modi per mitigare questi problemi.
Analisi RF su Common Public Radio Interface (CPRI)
Può sembrare controintuitivo in una rete mobile che la diagnosi dei problemi PIM possa comportare test RF sia in fibra che over-the-air. Infatti, utilizzando l'analisi dello spettro RF sulla fibra o sul protocollo CPRI, i tecnici possono isolare se il problema è PIM interno o esterno. Per eseguire l'analisi dello spettro RF sulla fibra (o CPRI), i tecnici collegano uno splitter ottico vicino all'unità in banda base nella parte inferiore di una torre dell'antenna per diagnosticare il problema PIM. L'esecuzione di questa analisi da terra evita il tempo e lo sforzo di un tecnico che scala una torre per affrontare le interferenze.
Uno dei principali vantaggi è che l'analisi dello spettro RF sulla fibra è un'applicazione di test passiva, quindi l'unità in banda base e la testina radio remota continueranno a elaborare le chiamate normalmente, consentendo ai tecnici di analizzare lo spettro di uplink durante il normale funzionamento del sito e durante i periodi di punta quando PIM è più attivo.
Questo tipo di analisi richiede apparecchiature specialistiche in quanto deve essere sintonizzato su diversi componenti di rete e le apparecchiature di rete di fornitori diversi o multipli significano che i segnali crittografati lungo la fibra non sono semplici da analizzare. Sono disponibili processi per rilevare automaticamente i segnali proprietari dei fornitori, il che riduce la configurazione applicando intelligenza e automazione.
Figura 2. Le coperture PIM schermano le antenne e altri componenti passivi, il che aiuta a isolare le sorgenti PIM (Immagine: ConcealFab).
Coperte PIM
Un modo per rilevare se un particolare dispositivo di fissaggio o bullone sta causando un'interferenza PIM esterna è ripararlo o sostituirlo. Questo non è sempre l'ideale: se il problema persiste, un ingegnere o un tecnico ha speso tempo e risorse preziose per riparare qualcosa che non ha risolto il problema. Un modo per aggirare questo è abbastanza semplice: getta una coperta PIM sull'oggetto incriminato (Figure 2
). Questi sopprimono il segnale RF, il che significa che non interferisce più con il sito. In questo modo il processo di eliminazione è più veloce e si possono effettuare riparazioni su oggetti che vale davvero la pena riparare.
Analizzatori di spettro
Per le situazioni in cui il PIM interno o esterno non viene prontamente diagnosticato in un determinato sito, gli analizzatori di spettro via etere con caccia alle interferenze collegati a una sonda PIM o a un'antenna direzionale possono consentire a chiunque di scovare le cause dell'interferenza PIM in corso (Figure 3
). Molte soluzioni ai problemi PIM utilizzano più strumenti e sono troppo complesse per essere utilizzate senza competenze avanzate, ma investire in apparecchiature intelligenti significa che i tecnici sul campo possono rilevare i problemi più rapidamente.
Figura 3. Questa configurazione di test utilizza un analizzatore di spettro collegato all'interfaccia ottica CPRI di un sito cellulare per individuare i problemi PIM.
Dato che l'interferenza PIM causa velocità dati più lente e interruzioni delle chiamate, è probabile che qualsiasi cliente che utilizzi regolarmente un sito soffra già di problemi. I tempi di inattività prolungati durante la localizzazione del problema non faranno che peggiorare la situazione, quindi è importante garantire una risoluzione rapida.
PIM non se ne andrà mai
Ovunque abbiamo la tecnologia wireless, abbiamo il PIM perché è impossibile eliminarlo del tutto. Pertanto, è una considerazione che gli operatori devono prendere sul serio. Le reti diventeranno sempre più affollate man mano che le nuove tecnologie aumentano il throughput dei dati e vengono costruiti più siti cellulari per far fronte alla domanda.
Gli operatori devono affrontare questo problema con un approccio proattivo oltre che reattivo. L'approccio reattivo sarà sempre necessario, ovviamente. Molti siti sono stati costruiti per supportare tecnologie precedenti e sono stati aggiornati per LTE e ora 5G. Quando questi aggiornamenti sono stati implementati, i problemi con PIM sono diventati evidenti. Poiché il PIM è spesso il risultato del degrado dell'infrastruttura, la gestione del PIM è semplicemente parte della manutenzione continua.
Ma ci sono passaggi che gli operatori possono adottare per prevenire problemi PIM. Poiché le connessioni metallo su metallo sono spesso un grosso problema, i siti possono utilizzare elementi di fissaggio e connessioni in plastica in modo che questi problemi non si presentino: l'acciaio inossidabile potrebbe essere durevole, ma non importa se sta causando interferenze. Gli operatori possono adottare altre misure per prevenire la corrosione dei materiali. Le potenziali fonti PIM possono essere identificate e mitigate prima che diventino un problema.
Tutta la pianificazione, la costruzione e la manutenzione della rete devono essere eseguite tenendo presente la mitigazione PIM, non solo prendendo in considerazione la tecnologia di oggi, ma anche quella di domani. Il passaggio al 5G ha rivelato alcuni grossi problemi PIM, quindi per quanto riguarda il 6G? O anche oltre? E quando vengono rese disponibili nuove band? È impossibile garantire una protezione completa contro l'interferenza del PIM, ma l'impatto negativo del PIM può essere ridotto con il giusto approccio.