O 5G trouxe problemas de intermodulação passiva para o centro das atenções. Agora cabe aos engenheiros e técnicos identificar e mitigar a degradação do sinal para minimizar a queda de chamadas e outros problemas.
By Danny Sleiman, EXFO
Uma conexão frouxa; um telhado de metal; linhas de energia. Mesmo um parafuso enferrujado. Estima-se que as operadoras de telefonia móvel gastem US$ 1.1 trilhão em gastos de capital entre 2020 e 2025, grande parte alocado para criar, melhorar e manter suas redes avançadas – um pouco de corrosão pode resultar em taxas de dados reduzidas ou queda de chamadas.
A interferência de intermodulação passiva (PIM) não é um problema novo para a indústria móvel, mas está crescendo. O PIM tornou-se um problema premente devido à rápida implantação de novas tecnologias, ao uso de faixas de frequência localizadas próximas umas das outras que são particularmente suscetíveis a esse problema e ao número crescente de assinantes. Esses fatores se combinaram para criar um ambiente desafiador em que o PIM pode causar interrupções e degradação significativas no desempenho das redes sem fio.
O que é o PIM?
PIM é a geração de sinais de interferência causados por não linearidades nos componentes passivos de uma rede sem fio. A interação de componentes mecânicos - como cabos soltos, conexões sujas ou corroídas ou conexões de metal com metal, como fixadores - pode produzir PIM. Quando dois sinais passam por esses componentes, os sinais podem interferir um no outro, criando harmônicos que caem diretamente na banda de uplink. As redes podem transmitir e receber sinais 4G/5G sem problemas. Em redes ocupadas com múltiplas bandas de frequência transmitidas, no entanto, as chances de causar interferência de RF aumentam.
As redes móveis visam fazer o melhor uso das frequências que licenciam, o que significa que isso é um problema - especialmente nas bandas lotadas de 450 MHz a 1 GHz e de espectro médio de 1 GHz a 6 GHz usadas por muitas operadoras para serviços 5G. Frequências mais altas e redes menos lotadas podem ser menos propensas à interferência do PIM.
O terceiro harmônico geralmente é o mais forte no PIM porque é o resultado da mistura não linear de segunda ordem de dois sinais de entrada, que gera um produto de intermodulação com três vezes a frequência de um dos sinais de entrada (consulte Figura 1 e tabela 1). O resultado é um aumento no nível de ruído que afeta os sinais desejados, levando à queda de chamadas e diminuição da capacidade. Para compensar, os níveis de potência do site celular aumentarão para que o sinal possa ser separado do ruído. Esse pico de energia é um grande sinal para a rede de que existe um problema, mas também cria seus próprios problemas.
Tabela 1. A matemática por trás do IMD e do PIM mostra
onde ocorrem os produtos de distorção.
| Ordem (IMx) | Freqüências | Tom 1 | Tom 2 | |
| 1ª ordem | f1 | f2 | 100 MHz | 101 MHz |
| Ordem 2nd | f1 +f2 | f1 - f2 | 201 MHz | 1 MHz |
| Pedido 3rd | 2f1 - f2 | 2f2 - f1 | 99 MHz | 102 MHz |
| 2f1 +f2 | 2f2 +f1 | 301 MHz | 302 MHz | |
| Ordem 4th | 2f2 + 2f1 | 2f2 – 2f1 | 402 MHz | 2 MHz |
| Ordem 5th | 3f1 – 2f2 | 3f2 – 3f1 | 98 MHz | 103 MHz |
| 3f1 + 2f2 | 3f2 + 2f1 | 502 MHz | 503 MHz | |
| Ordem 7th | 4f1 + 3f2 | 4f2 – 3f1 | 97 MHz | 104 MHz |
| 4f1 + 3f2 | 4f2 + 3f1 | 703 MHz | 704 MHz | |
| Ordem 9th | 5f1 – 4f2 | 5f2 – 4f1 | 96 MHz | 105 MHz |
| 5f1 + 4f2 | 5f2 – 4f1 | 904 MHz | 905 MHz | |
O PIM se torna mais aparente quando os sites de celular experimentam altos níveis de atividade com vários dispositivos de usuário conectados à rede. À medida que o site tenta superar o ruído e a interferência na rede, pode ser necessário aumentar os níveis de energia, o que pode exacerbar ainda mais o PIM. Um exemplo de compensação de ruído em um ambiente lotado é falar mais alto para que o ouvinte possa ouvir sua mensagem. Em situações onde o nível de ruído é alto, ajustamos naturalmente nosso volume vocal para garantir que nossa mensagem seja comunicada de forma eficaz. Da mesma forma, os sites de celular que tentam superar a interferência de ruído aumentam seus níveis de potência para compensar, o que pode afetar os sites de celular próximos.
Detectando as fontes de interferência do PIM
Saber que existe um problema de interferência em uma rede pode ser simples. O aumento do uso de energia mencionado anteriormente é uma grande pista, e muitas redes possuem software de detecção de falhas que pode apontar onde existe interferência. Infelizmente, identificar os locais onde existe interferência do PIM e saber o que está causando a interferência nesses locais são desafios muito diferentes. As origens da interferência do PIM podem ser extremamente difíceis de identificar.
Figura 1. Intermodulação (IMD) cria distorção que degrada a qualidade do sinal, causando PIM. O terceiro harmônico é geralmente o pior ofensor.
Primeiro, existem dois tipos de PIM. O PIM interno é causado pelos elementos internos de RF na infraestrutura, como conectores soltos, cabos e conectores danificados e elementos defeituosos nas antenas. Esses problemas geralmente ocorrem entre o transmissor e a antena, e o culpado mais comum é um cabo coaxial danificado ou com defeito. O PIM externo é causado por objetos localizados próximos aos locais das células. Exemplos incluem objetos metálicos (geralmente enferrujados) próximos à antena, telhados de metal ou até outdoors digitais. A interferência de qualquer um desses domínios é difícil de identificar.
Lidar com PIM interno muitas vezes pode exigir que uma equipe especializada suba em uma torre de celular ou acesse um telhado para procurar o que pode estar causando o problema. Essas situações acarretam despesas e riscos, especialmente carregar um analisador PIM volumoso. Mesmo assim, não há garantia de identificação do problema na primeira vez, portanto, podem ser necessárias várias visitas de caminhão para encontrar e detectar todas as fontes potenciais de PIM. Embora um conector coaxial corroído seja o suspeito mais provável, isso não é garantido; todo o processo de localização e resolução de um problema interno de PIM pode levar semanas para ser concluído. Isto se deve em parte à análise necessária, que pode ser um esforço principalmente manual, em vez de usar análises automatizadas. tecnologia.
O PIM externo pode ser ainda mais difícil de localizar. Os técnicos precisam caçar e identificar a fonte (ou fontes) que está causando a interferência, e a solução pode não ser facilmente aparente. Um analisador de espectro pode ajudar a identificar a fonte, e o processo de busca de interferência é altamente manual e geralmente requer experiência em RF. Em circunstâncias extremas, a única solução pode ser mudar completamente o local.
Para piorar ainda mais essa situação ruim, não é imediatamente óbvio quando o problema é externo ou quando é interno. A análise pode significar desconectar o site da rede para avaliação, o que está longe de ser o ideal para uma operadora que busca manter os clientes conectados. Os técnicos têm uma janela curta para tentar resolver problemas para que os clientes não sofram muitas interrupções.
Caça PIM mais fácil
A natureza da interferência do PIM torna uma dor de cabeça especial para os operadores, já que é comum, difícil de identificar e resolvê-la pode ser cara. Além disso, uma busca prolongada por interferência de PIM pode causar mais problemas do que resolvê-los. À medida que os engenheiros procuram o problema e mudam as conexões e o hardware, eles podem acabar introduzindo elementos que tornam a interferência do PIM pior, não melhor. Felizmente, existem maneiras de mitigar esses problemas.
Análise de RF sobre Common Public Radio Interface (CPRI)
Pode parecer contra-intuitivo em uma rede móvel que o diagnóstico de problemas de PIM possa envolver testes de fibra e RF over-the-air. Na verdade, usando a análise de espectro de RF na fibra ou protocolo CPRI, os técnicos podem isolar se o problema é interno ou externo PIM. Para realizar a análise do espectro de RF na fibra (ou CPRI), os técnicos conectam um divisor óptico próximo à unidade de banda base na parte inferior de uma torre de antena para diagnosticar o problema do PIM. A realização dessa análise a partir do solo evita o tempo e o esforço de um técnico escalando uma torre para lidar com a interferência.
Um grande benefício é que a análise do espectro de RF na fibra é um aplicativo de teste passivo, de modo que a unidade de banda base e o cabeçote de rádio remoto continuarão processando as chamadas normalmente, permitindo que os técnicos analisem o espectro de uplink durante a operação normal do site - e durante os períodos de maior movimento quando o PIM é o mais ativo.
Esse tipo de análise requer equipamento especializado, pois deve estar sintonizado com diferentes componentes de rede — e equipamentos de rede de fornecedores diferentes ou múltiplos significam que os sinais criptografados ao longo da fibra não são simples de analisar. Os processos estão disponíveis para detectar automaticamente os sinais proprietários dos fornecedores, o que reduz a configuração ao aplicar inteligência e automação.
Figura 2. Os cobertores PIM protegem as antenas e outros componentes passivos, o que ajuda a isolar as fontes PIM (Imagem: ConcealFab).
cobertores PIM
Uma maneira de detectar se um determinado fixador ou parafuso está causando interferência externa do PIM é consertá-lo ou substituí-lo. Isso nem sempre é o ideal - se o problema persistir, um engenheiro ou técnico gastou tempo e recursos valiosos consertando algo que não resolveu o problema. Uma maneira de contornar isso é bastante simples: jogue um cobertor PIM sobre o item ofensivo (Figura 2). Eles suprimem o sinal de RF, o que significa que ele não interfere mais no site. Dessa forma, o processo de eliminação é mais rápido e os reparos podem ser feitos em itens que realmente valem a pena consertar.
Analisadores de espectro
Para situações em que o PIM interno ou externo não é prontamente diagnosticado em um determinado local, os analisadores de espectro over-the-air com busca de interferência conectados a uma sonda PIM ou uma antena direcional podem permitir que qualquer pessoa procure as causas da interferência contínua do PIM (Figura 3). Muitas soluções para problemas de PIM usam várias ferramentas e são muito complexas para serem usadas sem experiência avançada, mas investir em equipamentos inteligentes significa que os técnicos de campo podem detectar problemas mais rapidamente.
Figura 3. Esta configuração de teste usa um analisador de espectro conectado à interface óptica CPRI de uma célula para detectar problemas de PIM.
Dado que a interferência do PIM causa taxas de dados mais lentas e queda de chamadas, qualquer cliente que faça uso regular de um site provavelmente já está sofrendo de problemas. O tempo de inatividade prolongado enquanto o problema está localizado só piorará a situação, portanto, garantir uma resolução rápida é importante.
PIM nunca vai embora
Onde quer que tenhamos tecnologia sem fio, temos PIM porque é impossível eliminá-la totalmente. Portanto, é uma consideração que os operadores precisam levar a sério. As redes só vão se tornar mais lotadas à medida que novas tecnologias aumentam a taxa de transferência de dados e mais locais de celular são construídos para lidar com a demanda.
Os operadores precisam abordar isso com uma abordagem proativa e reativa. A abordagem reativa sempre será necessária, é claro. Muitos sites foram construídos para suportar tecnologias mais antigas e foram atualizados para LTE e agora 5G. Quando essas atualizações foram implementadas, os problemas com o PIM tornaram-se aparentes. Como o PIM geralmente é resultado da degradação da infraestrutura, lidar com o PIM é simplesmente parte da manutenção contínua.
Mas há etapas que os operadores podem seguir para evitar problemas de PIM. Como as conexões de metal com metal costumam ser um grande problema, os sites podem usar fixadores e conexões de plástico para que esses problemas não surjam - o aço inoxidável pode ser durável, mas isso não importa se estiver causando interferência. Os operadores podem tomar outras medidas para evitar a corrosão dos materiais. Fontes potenciais de PIM podem ser identificadas e mitigadas antes que se tornem um problema.
Todo o planejamento, construção e manutenção da rede precisam ser executados com a mitigação do PIM em mente, não apenas levando em consideração a tecnologia de hoje, mas também a de amanhã. A mudança para 5G revelou alguns grandes problemas de PIM, e quanto ao 6G? Ou ainda mais longe? E quando novas bandas forem disponibilizadas? A proteção total contra a interferência do PIM é impossível, mas o impacto negativo do PIM pode ser reduzido com a abordagem correta.