针对干扰和PIM的5G网络故障排除
针对干扰和PIM的5G网络故障排除
5G网络的快速发展带来了前所未有的数据传输速度和容量，但同时也面临着无源互调（PIM）和干扰等技术挑战。本文深入探讨了5G网络中PIM和干扰问题的产生机制、影响以及解决方案，为射频工程师提供了有价值的参考。
5G技术的出现代表着电信业的重大发展。它的特点是前所未有的数据传输速度、大大降低的延迟和更大的容量，能够同时支持大量连接设备。然而，5G网络的稳健部署和性能受到PIM和各种干扰问题的严重挑战，这些问题会严重降低网络质量。图1显示了无线网络使用的塔的示例。不难看出，多个天线和与这些天线通信的设备会产生干扰。
图1塔上安装的天线。
当多个信号频率干扰天线和电缆等非线性无源元件时，就会产生PIM。这些频率会产生干扰接收器解码所需信号能力的杂散信号。此外，频率分配也起着至关重要的作用；确保精心规划信号传输，避免使用会加剧PIM效应的频率至关重要。
5G网络在密集的信号环境和更高的频谱中运行。除PIM外，其他电子设备也会干扰这些网络，而TDD网络中的同地定位和缺乏同步会加剧这些挑战。PIM和干扰的潜在后果非常严重，包括通话掉线增加、数据吞吐量降低和整体网络容量减小。
有效管理PIM和干扰对保持5G网络的性能完整性至关重要。这需要精细的工程设计，通过改进组件设计、精确安装和持续网络维护来减少PIM。有效解决PIM和干扰问题可增强网络的可靠性并扩大功能范围。这使得这些网络成为从物联网到对自动驾驶汽车和先进工业自动化至关重要的超可靠低延迟通信等众多应用的基石。
5G网络频段
与前几代网络不同，5G网络涵盖广泛的频率，并利用先进技术实现卓越的网络效率和性能。5G网络在三个主要频段上运行，每个频段都能为不同的用例提供独特的优势：
**低频段（< 1 GHz）：**该频谱包括600 MHz、700 MHz和850 MHz等频率。低频段频谱以其广泛的覆盖范围和深入的室内穿透力而著称，对于广泛的区域覆盖（包括农村地区）至关重要。虽然低频段频谱可确保良好的覆盖和连接，但其数据传输速度相对较低，带宽容量有限，可能无法支持密集城市环境中的高速需求。
中频段（1 至 6 GHz）：中频段频谱包括AWS、PCS、WCS、2.3 GHz、2.5 GHz、CBRS（3.5 GHz）和3.7至4.2 GHz频段，在覆盖范围和容量之间取得了平衡。它比低频段频率速度更快、延迟更低，是城市和郊区的理想选择。中频段频谱广泛用于普通移动连接，可有效处理更高的数据需求。
高频段或毫米波（24 GHz及以上）：高频段频谱包括28 GHz、37 GHz和39 GHz等频率。它可以支持极高的数据传输速度和超低的延迟。它适用于需要大量实时数据传输的高需求应用，如虚拟现实或高清直播流媒体。不过，由于高频段频谱的传输距离较短，且更容易受到物理障碍物的影响，因此需要密集部署小型基站，以确保有效覆盖。
技术规格
带宽：不同频段的5G可用带宽差异很大：
低频段：每个通道约10至20 MHz
中波段：通常每个通道50至100 MHz
高频段：从400 MHz到800 MHz或更高。
输出功率：功率水平也因频段而异：
低频段：一般来说，每个通道约40至60瓦，以覆盖更大的区域
中波段：通常每个通道20至30 W
高频段：由于传输距离较短，每个信道的功率约为1至3 W。
调制技术：5G NR采用QPSK、16-QAM、64-QAM和256-QAM等调制技术，以最大限度地提高频谱效率
双工技术：
FDD：主要用于较低频段，适用于稳定、连续的通信。
TDD：常用于中高频段，提供灵活性，可管理非对称数据流并动态适应不同的流量条件。
5G技术以其高数据传输速率、更大的容量和显著降低的延迟为电信领域树立了新的标杆。然而，这些网络改进带来了复杂的干扰挑战，特别是PIM，会严重影响网络的效率和可靠性。了解和缓解这些干扰机制对于保持最佳网络性能至关重要。虽然5G网络部署在不同的频段，但本文将重点关注C波段（3700至3980 MHz）、CBRS（3550至3700 MHz）、DoD（3450至3550 MHz）、ESR（4000至4200 MHz）和FAA（4200至4400 MHz）频率范围内的干扰和PIM缓解。
什么是PIM？
当两个或多个信号在天线、电缆或连接器等无源元件中发生非线性混合时，就会产生不需要的杂散信号，即所谓的无源互调产物。这些产物通常被称为IM2（二阶）、IM3（三阶）、IM5（五阶）等。IM3通常是问题最大的信号，主要是因为这种信号很可能出现在FDD网络的接收频段内，其强度足以严重干扰接收器对目标信号的解码能力。图2举例说明了下行链路中间隔很近的两个信号以及混合产物如何干扰预期信号。
图2两个间隔很近的信号产生的互调产物。
PIM的根本原因包括金属接触不良、接合面腐蚀或机械连接松动。这些缺陷会像非线性元件一样，混合信号产生PIM。由Kaelus提供的图3a至图3f举例说明了潜在的PIM源。
图3a松动的金属部件。
图3b金属屑
图3c油桶顶部生锈的金属和松动的螺丝。
图3d金属生锈，金属与金属接触不良。
图3e金属与金属接触不良。
图3f金属链与电线杆间歇接触。
在多个频率和技术共存的单个塔杆上，这一挑战更加严峻。在这种情况下，每个额外的信号都会增加PIM干扰的概率。这种情况被称为跨频段PIM，当来自不同频率或无线电的各种发射信号在外部混合时，会在接收频段内产生严重干扰，从而成为一个重大问题。这种干扰有多种可能性。例如，当700 MHz（频段12）、850 MHz（频段5）和PCS（频段2）天线共置时，三阶互调产物可能产生属于CBRS频段的互调产物。另一个例子涉及700 MHz（频段12）和AWS（频段4）的搭配，有可能在CBRS频段内产生PIM。
虽然最初认为TDD由于具有不同的发射和接收时隙而不易受PIM影响，但多个TDD和FDD系统的同地部署表明，PIM仍会造成严重问题。来自附近TDD和FDD发射机的信号会混合产生PIM，影响附近的接收机。图4显示了图2中加入附近TDD信号后的互调曲线。这一问题凸显了在各种信号类型密集的环境中管理PIM的复杂性。它强调了精心规划和部署策略的必要性，以减轻PIM对网络性能的不利影响。
图4TDD和FDD信号的互调产物。
有效管理PIM需要良好的设计和安装，以尽量减少非线性源。此外，还需要持续监控和维护，以确保潜在的PIM源不会随着时间的推移而增加。在单个基站上引入多种频率和多样化技术可能会造成"PIM梦魇"，因此需要复杂的解决方案和精心的工程设计，以保持最佳的网络性能。
TDD网络的同步
在5G网络中，TDD同步也会导致严重干扰。TDD系统上行和下行通信共享一个频段，需要精确的定时，以防止信号重叠和随后的干扰。时隙不对齐（通常称为定时问题）会造成信号重叠，导致网络效率严重下降。多个运营商或技术的共用会加剧这些同步挑战，并导致配置错误，从而造成网络中断。由于这些复杂性，有必要采用先进的故障诊断和同步技术，以确保在密集、动态的5G环境中实现最佳的网络性能和可靠性。
其他干扰
除了PIM和同步挑战，5G网络还容易受到其他各种干扰源的影响。这些干扰源包括来自其他电子设备的辐射、因监管标准不同而可能出现信号重叠的国家边界的干扰问题，甚至还有可能反射或扭曲信号的大气条件或地形特征造成的干扰。这些干扰源都会使网络运行复杂化，需要复杂的故障排除技术来有效识别和减轻不利影响，确保网络性能稳定。
要有效检测3.5 GHz频谱中的干扰，需要滤除相邻频段并放大信号，以检测微弱但有问题的干扰或PIM信号。例如，在对装有CBRS无线电设备和C波段设备的站点进行故障诊断时，需要使用特定的滤波器来通过CBRS信号并衰减C波段信号。这种方法可确保只分析相关频率，从而提高干扰检测的准确性和有效性。
行业趋势
PIM检测方法
传统的PIM测试根据IEC 62037标准使用两个CW音调。这使射频技术人员能够按照规范验证元件的PIM水平。虽然这种方法很有效，但并不适合跨频段和多音调PIM测试，这可能会限制其在复杂情况下的适用性。一种新出现的替代方法是监控CPRI链路，以发现上行链路中增加的本底噪声和潜在的PIM信号。虽然这种方法可以检测到干扰的存在，但对解决根本问题却没有什么帮助，因此给全面的故障排除带来了挑战。
5G趋势
5G向不同频段、不同调制技术（TDD与FDD）以及从模块化系统到集成系统的演进，都对干扰管理方式产生了影响。这些趋势要求不断调整干扰缓解策略。
解决方案
虽然看似简单，但识别和分析干扰是减少或消除网络干扰的第一步。简单测量系统的框图如图5所示。如图3所示，PIM干扰会受到部署环境的影响，因此要在现场而不是实验室环境中测量信号。图5中的系统采用电池操作，以适应现场测试。
图5干扰检测和测量系统
为满足这些要求，MCV专门定制了一套解决方案，为检测和分析网络干扰提供了一套全面、便携、通用的工具。图5所示系统依赖于MCV不提供的频谱监测仪。该套件中的组件针对C波段、CBRS、美国国防部、ESR和FAA波段的应用。MCV提供的该套件如图6所示。
图6MCV的干扰检测和监控工具集。
要最大限度地提高这种干扰检测方法的效果，必须正确选择各个组件：
滤波器：每个滤波器都必须针对所关注的频段进行定制。必须保持低插入损耗，以尽量减少信号衰减，并在频带边缘保持高抑制电平。尖锐的截止特性可将所需信号频带与相邻信道干扰隔离开来，并确保只分析所需的频率。这就降低了带外信号产生混叠的可能性。这些滤波器还应该轻巧坚固，适合现场的各种环境。
低噪声放大器：如上所述，互调产物会出现在测试信号频率范围的上方和下方，因此低噪声放大器的工作频率范围应能捕捉到相关的干扰信号。这可能会导致低噪声放大器在高频率和宽频带下工作。低噪声放大器增益还必须以最小的信号失真大幅提高信号强度，以放大通常在高路径损耗区域丢失的微弱信号。LNA还必须具有较低的噪声系数，以最大限度地提高系统的动态范围和信号完整性。
天线：天线的频率范围与低噪声放大器相同。它的工作频率必须足够高，带宽必须足够大，以便捕捉到所有相关的互调信号。它还必须具有足够的增益，以确保这些相关信号具有足够的信号强度。天线还应具有足够的前后比，以提高定向灵敏度，并尽量减少来自背面的干扰。这还将提高定向精度，使干扰源能够在人口稠密的网络环境中更精确地被定位。
结论
5G网络的发展虽然有益，但也带来了巨大的干扰挑战，可能会破坏网络性能。虽然5G网络的频段、调制和双工方案更多，要求塔上的无线电设备之间的距离更近，但在日益拥挤的频谱环境中，干扰对所有网络的影响尤为明显。本文展示了其他电子设备产生的互调产品和PIM效应如何导致干扰，从而降低系统性能。文章还介绍了一个简单的系统，以及可用于检测和分析干扰源的系统组件的重要属性。