5G đã đưa các vấn đề xuyên điều chế thụ động trở thành tâm điểm chú ý. Giờ đây, các kỹ sư và kỹ thuật viên có nhiệm vụ xác định và giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu để giảm thiểu các cuộc gọi bị gián đoạn và các sự cố khác.
By Danny Sleiman, EXFO
Một kết nối lỏng lẻo; một mái nhà bằng kim loại; đường dây điện. Ngay cả một cái bu-lông rỉ sét. Người ta ước tính rằng các nhà khai thác di động sẽ chi 1.1 nghìn tỷ đô la cho chi tiêu vốn từ năm 2020 đến năm 2025, phần lớn trong số đó được phân bổ để tạo, cải thiện và duy trì các mạng tiên tiến của họ — một chút ăn mòn có thể dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu hoặc cuộc gọi bị gián đoạn.
Nhiễu xuyên điều chế thụ động (PIM) không phải là một vấn đề mới đối với ngành công nghiệp di động, nhưng nó đang phát triển. PIM đã trở thành một vấn đề cấp bách do việc triển khai nhanh chóng các công nghệ mới, việc sử dụng các dải tần nằm gần nhau đặc biệt dễ gặp phải vấn đề này và số lượng người đăng ký ngày càng tăng. Các yếu tố này đã kết hợp để tạo ra một môi trường đầy thách thức, nơi PIM có thể gây ra sự gián đoạn và suy giảm đáng kể về hiệu suất của các mạng không dây.
PIM là gì?
PIM là việc tạo ra các tín hiệu gây nhiễu do tính chất phi tuyến tính trong các thành phần thụ động của mạng không dây. Sự tương tác của các thành phần cơ học — chẳng hạn như dây cáp bị lỏng, các kết nối bị bẩn hoặc bị ăn mòn hoặc các kết nối giữa kim loại với kim loại như ốc vít — có thể tạo ra PIM. Khi hai tín hiệu đi qua các thành phần này, các tín hiệu có thể giao thoa với nhau, tạo ra sóng hài rơi trực tiếp vào dải đường lên. Các mạng có thể truyền và nhận tín hiệu 4G/5G mà không gặp sự cố. Tuy nhiên, trong các mạng bận rộn với nhiều băng tần được truyền, khả năng gây nhiễu RF tăng lên.
Các mạng di động nhằm mục đích sử dụng tốt nhất các tần số mà họ cấp phép, nghĩa là đây là một vấn đề — đặc biệt là ở băng tần đông đúc từ 450 MHz đến 1 GHz và băng tần trung bình từ 1 GHz đến 6 GHz được nhiều nhà khai thác sử dụng cho các dịch vụ 5G. Tần số cao hơn và mạng ít đông đúc hơn có thể ít bị nhiễu PIM hơn.
Sóng hài thứ ba thường mạnh nhất trong PIM vì nó là kết quả của sự trộn phi tuyến bậc hai của hai tín hiệu đầu vào, tạo ra sản phẩm xuyên điều chế với tần số gấp ba lần tần số của một trong các tín hiệu đầu vào (xem Hình 1 và Bảng 1). Kết quả là độ ồn tăng lên, ảnh hưởng đến các tín hiệu mong muốn, dẫn đến rớt cuộc gọi và giảm dung lượng. Để bù lại, mức năng lượng của trang web di động sẽ tăng lên để tín hiệu có thể được tách ra khỏi nhiễu. Sức mạnh tăng đột biến này là một dấu hiệu lớn cho thấy mạng đang tồn tại một vấn đề, nhưng cũng tạo ra các vấn đề của chính nó.
Bảng 1. Phép toán đằng sau các chương trình IMD và PIM
nơi sản phẩm biến dạng xảy ra.
| Đặt hàng (IMx) | Tần số | Giai điệu 1 | Giai điệu 2 | |
| Đơn hàng đầu tiên | f1 | f2 | 100 MHz | 101 MHz |
| Đặt hàng 2nd | f1 +f2 | f1 - f2 | 201 MHz | 1 MHz |
| Đơn hàng 3rd | 2f1 - f2 | 2f2 - f1 | 99 MHz | 102 MHz |
| 2f1 +f2 | 2f2 +f1 | 301 MHz | 302 MHz | |
| Đơn hàng 4th | 2f2 + 2f1 | 2f2 – 2f1 | 402 MHz | 2 MHz |
| Đơn hàng 5th | 3f1 – 2f2 | 3f2 – 3f1 | 98 MHz | 103 MHz |
| 3f1 + 2f2 | 3f2 + 2f1 | 502 MHz | 503 MHz | |
| Đơn hàng 7th | 4f1 + 3f2 | 4f2 – 3f1 | 97 MHz | 104 MHz |
| 4f1 + 3f2 | 4f2 + 3f1 | 703 MHz | 704 MHz | |
| Đơn hàng 9th | 5f1 – 4f2 | 5f2 – 4f1 | 96 MHz | 105 MHz |
| 5f1 + 4f2 | 5f2 – 4f1 | 904 MHz | 905 MHz | |
PIM trở nên rõ ràng hơn khi các trang web di động có mức độ hoạt động cao với nhiều thiết bị người dùng được kết nối với mạng. Khi trang web cố gắng khắc phục tiếng ồn và nhiễu trong mạng, nó có thể cần phải tăng mức công suất, điều này có thể làm trầm trọng thêm PIM. Một ví dụ về bù tiếng ồn trong môi trường đông đúc là nói to hơn để người nghe có thể nghe thấy thông điệp của bạn. Trong những tình huống có mức độ tiếng ồn cao, chúng tôi điều chỉnh âm lượng giọng nói của mình một cách tự nhiên để đảm bảo rằng thông điệp của chúng tôi được truyền đạt một cách hiệu quả. Tương tự, các trạm di động đang cố gắng khắc phục nhiễu nhiễu sẽ tăng mức công suất của chúng để bù lại, điều này có thể ảnh hưởng đến các trạm di động lân cận.
Phát hiện các nguồn gây nhiễu PIM
Biết rằng một vấn đề can thiệp tồn tại trong một mạng có thể đơn giản. Việc sử dụng năng lượng tăng lên đã đề cập trước đây là một manh mối lớn và nhiều mạng có phần mềm phát hiện lỗi có thể chỉ ra nơi có nhiễu. Thật không may, việc xác định các trang web tồn tại nhiễu PIM và biết nguyên nhân gây ra nhiễu tại các trang này là những thách thức rất khác nhau. Nguồn gốc của nhiễu PIM có thể cực kỳ khó xác định.
Hình 1. Xuyên điều chế (IMD) tạo ra méo làm giảm chất lượng tín hiệu, gây ra PIM. Điều hòa thứ ba thường là kẻ phạm tội tồi tệ nhất.
Đầu tiên, có hai loại PIM. PIM bên trong là do các phần tử RF bên trong trong cơ sở hạ tầng, chẳng hạn như đầu nối bị lỏng, cáp và đầu nối bị hỏng cũng như các phần tử bị lỗi trong ăng-ten. Những sự cố này thường xảy ra giữa bộ phát và ăng-ten và thủ phạm phổ biến nhất là cáp đồng trục bị hỏng hoặc bị lỗi. PIM bên ngoài được gây ra bởi các đối tượng nằm gần các trang web di động. Ví dụ bao gồm các vật bằng kim loại (thường bị gỉ) ở gần ăng-ten, mái nhà bằng kim loại hoặc thậm chí là biển quảng cáo kỹ thuật số. Sự can thiệp từ một trong hai miền này rất khó xác định.
Việc xử lý PIM nội bộ thường có thể yêu cầu một đội chuyên gia leo lên tháp di động hoặc truy cập vào sân thượng để tìm kiếm nguyên nhân có thể gây ra sự cố. Những tình huống đó kéo theo chi phí và rủi ro, đặc biệt là phải mang theo một máy phân tích PIM cồng kềnh. Ngay cả khi đó, không có gì đảm bảo sẽ xác định được vấn đề ngay lần đầu tiên, vì vậy có thể cần phải lăn nhiều xe để tìm và phát hiện mọi nguồn PIM tiềm ẩn. Mặc dù đầu nối đồng trục bị ăn mòn là nguyên nhân có nhiều khả năng xảy ra nhất nhưng điều này không được đảm bảo; toàn bộ quá trình tìm kiếm và giải quyết vấn đề PIM nội bộ có thể mất vài tuần để hoàn thành. Điều này một phần là do yêu cầu phân tích, có thể chủ yếu là nỗ lực thủ công thay vì sử dụng tự động công nghệ.
PIM bên ngoài thậm chí còn khó xác định hơn. Các kỹ thuật viên cần tìm kiếm và xác định chính xác nguồn (hoặc nhiều nguồn) gây ra nhiễu và giải pháp có thể không dễ thấy. Máy phân tích quang phổ có thể giúp xác định chính xác nguồn và quá trình tìm kiếm nhiễu rất thủ công và thường yêu cầu chuyên môn về RF. Trong trường hợp cực đoan, giải pháp duy nhất có thể là di chuyển trang web hoàn toàn.
Làm cho tình huống tồi tệ này trở nên tồi tệ hơn, nó không rõ ràng ngay lập tức khi vấn đề là bên ngoài hay khi nó là bên trong. Phân tích có thể có nghĩa là ngắt kết nối trang web khỏi mạng để đánh giá, điều này không lý tưởng đối với một nhà điều hành cố gắng giữ cho khách hàng được kết nối. Các kỹ thuật viên có một khoảng thời gian ngắn để thử và giải quyết sự cố để khách hàng không bị gián đoạn quá nhiều.
Săn PIM dễ dàng hơn
Bản chất của nhiễu PIM khiến các nhà khai thác đặc biệt đau đầu vì nó phổ biến, khó xác định và giải quyết nó có thể tốn kém. Ngoài ra, việc tìm kiếm can thiệp PIM mở rộng có thể gây ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết. Khi các kỹ sư tìm kiếm vấn đề và thay đổi các kết nối cũng như phần cứng, cuối cùng họ có thể đưa ra các yếu tố khiến nhiễu PIM trở nên tồi tệ hơn chứ không phải tốt hơn. May mắn thay, có nhiều cách để giảm thiểu những vấn đề này.
Phân tích RF qua Giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI)
Có vẻ như phản trực giác trong một mạng di động chẩn đoán các sự cố PIM có thể liên quan đến cả thử nghiệm RF trên sợi quang và qua vô tuyến. Trên thực tế, bằng cách sử dụng phân tích phổ RF qua sợi quang hoặc giao thức CPRI, các kỹ thuật viên có thể tách biệt xem sự cố là PIM bên trong hay bên ngoài. Để thực hiện phân tích phổ RF trên sợi quang (hoặc CPRI), các kỹ thuật viên gắn bộ tách quang gần bộ phận băng gốc ở dưới cùng của tháp ăng ten để chẩn đoán sự cố PIM. Thực hiện phân tích này từ mặt đất sẽ tránh được thời gian và công sức của kỹ thuật viên mở rộng tháp để giải quyết nhiễu.
Một lợi ích chính là phân tích phổ RF trên sợi quang là một ứng dụng kiểm tra thụ động, vì vậy thiết bị băng tần cơ sở và đầu vô tuyến từ xa sẽ tiếp tục xử lý các cuộc gọi bình thường, cho phép các kỹ thuật viên phân tích phổ đường lên trong quá trình vận hành trang web bình thường — và trong các khoảng thời gian bận rộn khi PIM là tích cực nhất.
Loại phân tích này yêu cầu thiết bị chuyên dụng vì nó phải được điều chỉnh phù hợp với các thành phần mạng khác nhau — và thiết bị mạng từ nhiều nhà cung cấp khác nhau có nghĩa là tín hiệu được mã hóa dọc theo sợi quang không đơn giản để phân tích. Các quy trình có sẵn để tự động phát hiện các tín hiệu độc quyền của nhà cung cấp, giúp giảm cấu hình bằng cách áp dụng trí thông minh và tự động hóa.
Hình 2. Chăn PIM che chắn ăng-ten và các thành phần thụ động khác, giúp cách ly các nguồn PIM (Ảnh: ConcealFab).
chăn PIM
Một cách để phát hiện xem một chốt hoặc chốt cụ thể có gây nhiễu PIM bên ngoài hay không là sửa chữa hoặc thay thế nó. Điều này không phải lúc nào cũng lý tưởng — nếu sự cố vẫn còn thì kỹ sư hoặc kỹ thuật viên đã dành thời gian quý báu và nguồn lực để sửa chữa thứ gì đó chưa giải quyết được sự cố. Một cách giải quyết vấn đề này khá đơn giản: ném một tấm chăn PIM lên vật phẩm vi phạm (Hình 2). Những thứ này triệt tiêu tín hiệu RF, nghĩa là nó không còn can thiệp vào trang web nữa. Bằng cách này, quá trình loại bỏ diễn ra nhanh hơn và việc sửa chữa có thể được tiến hành đối với những hạng mục thực sự đáng sửa.
Máy phân tích phổ
Đối với các tình huống mà PIM bên trong hoặc bên ngoài không được chẩn đoán dễ dàng tại một vị trí cụ thể, các máy phân tích phổ vô tuyến có khả năng tìm nhiễu được kết nối với đầu dò PIM hoặc ăng-ten định hướng có thể cho phép mọi người tìm ra nguyên nhân gây nhiễu PIM đang diễn ra (Hình 3). Nhiều giải pháp cho vấn đề PIM sử dụng nhiều công cụ và quá phức tạp để sử dụng nếu không có chuyên môn nâng cao, nhưng đầu tư vào thiết bị thông minh có nghĩa là các kỹ thuật viên hiện trường có thể phát hiện vấn đề nhanh hơn.
Hình 3. Thiết lập thử nghiệm này sử dụng máy phân tích quang phổ được kết nối với giao diện quang CPRI của trang web di động để tìm kiếm các sự cố PIM.
Cho rằng sự can thiệp của PIM gây ra tốc độ dữ liệu chậm hơn và các cuộc gọi bị gián đoạn, bất kỳ khách hàng nào thường xuyên sử dụng một trang web đều có thể đã gặp sự cố. Thời gian ngừng hoạt động kéo dài trong khi vấn đề được xác định sẽ chỉ khiến vấn đề trở nên tồi tệ hơn, vì vậy việc đảm bảo giải quyết nhanh chóng là rất quan trọng.
PIM sẽ không bao giờ biến mất
Bất cứ nơi nào chúng tôi có công nghệ không dây, chúng tôi có PIM vì không thể loại bỏ hoàn toàn. Vì vậy, đó là một cân nhắc mà các nhà khai thác cần phải thực hiện nghiêm túc. Các mạng sẽ chỉ trở nên đông đúc hơn khi các công nghệ mới tăng thông lượng dữ liệu và nhiều trang web di động hơn được xây dựng để đáp ứng nhu cầu.
Các nhà khai thác cần tiếp cận vấn đề này với cách tiếp cận chủ động cũng như phản ứng. Tất nhiên, cách tiếp cận phản ứng sẽ luôn cần thiết. Nhiều địa điểm được xây dựng để hỗ trợ các công nghệ cũ hơn và đã được nâng cấp lên LTE và giờ là 5G. Khi những nâng cấp này được thực hiện, các vấn đề với PIM trở nên rõ ràng. Vì PIM thường là kết quả của sự xuống cấp của cơ sở hạ tầng, nên việc xử lý PIM chỉ đơn giản là một phần của việc bảo trì liên tục.
Nhưng có những bước mà người vận hành có thể thực hiện để ngăn chặn các sự cố PIM. Vì các kết nối kim loại trên kim loại thường là một vấn đề lớn nên các địa điểm có thể sử dụng các chốt và kết nối bằng nhựa để không phát sinh các vấn đề này — thép không gỉ có thể bền, nhưng điều đó không thành vấn đề nếu nó gây nhiễu. Người vận hành có thể thực hiện các bước khác để ngăn chặn sự ăn mòn của vật liệu. Các nguồn PIM tiềm ẩn có thể được xác định và giảm thiểu trước khi chúng trở thành vấn đề.
Tất cả việc lập kế hoạch, xây dựng và bảo trì mạng cần phải được thực hiện với lưu ý giảm thiểu PIM, không chỉ xem xét công nghệ ngày nay mà cả ngày mai. Việc chuyển sang 5G đã bộc lộ một số vấn đề lớn về PIM, vậy còn 6G thì sao? Hoặc thậm chí xa hơn? Còn khi các ban nhạc mới được cung cấp thì sao? Không thể hoàn toàn chống lại sự can thiệp của PIM trong tương lai, nhưng tác động tiêu cực của PIM có thể được giảm bớt bằng cách tiếp cận phù hợp.