多模設(shè)備PIM 干擾和消除方案的分析和應(yīng)用

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司山東省分公司 馬丹 張巾瑩

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)的規(guī)模建設(shè)部署，為節(jié)省設(shè)備費(fèi)用、設(shè)備安裝和天面空間等，采用UNL 多模設(shè)備對(duì)原有3G、4G 站點(diǎn)的替換工作逐步展開(kāi)，各地市UNL 設(shè)備越來(lái)越多，在多模共設(shè)備場(chǎng)景下，會(huì)存在一定的無(wú)源互調(diào)干擾的可能性。本文以PIM 產(chǎn)生的理論研究入手，通過(guò)在設(shè)備內(nèi)在PIM 消除上的方案分析，介紹了適用于PIM消除的實(shí)現(xiàn)原理、關(guān)鍵技術(shù)等，并在山東菏澤聯(lián)通進(jìn)行了實(shí)際的PIM 消除方案的驗(yàn)證測(cè)試，這為后續(xù)多模設(shè)備的性能提升提供了有力指導(dǎo)。

1 多模設(shè)備PIM 消除需求背景

多模設(shè)備PIM 是指在同一設(shè)備內(nèi)開(kāi)啟如NR、LTE、UMTS 多種模式、多種頻點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)部互調(diào)干擾，隨著開(kāi)通模式的不同、頻點(diǎn)的不同，產(chǎn)生的互調(diào)干擾也不盡相同，但從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，PIM 消除技術(shù)對(duì)于各類場(chǎng)景都是適用的，只是對(duì)于不同運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)不同的無(wú)線制式、無(wú)線頻點(diǎn)頻段對(duì)互調(diào)產(chǎn)物存在影響，所以存在細(xì)微差異但不影響PIM 消除方案的普適性。下面以聯(lián)通常見(jiàn)ULN 共模設(shè)備開(kāi)通小區(qū)的制式、頻點(diǎn)頻段配置為主要介紹對(duì)象。山東聯(lián)通一直致力于用戶感知的研究和提升，為了消除設(shè)備內(nèi)PIM，做了大量理論分析，積累了豐富的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

2 多模設(shè)備PIM 分析和消除方案

多模設(shè)備在開(kāi)啟多制式、多頻點(diǎn)情況下，設(shè)備內(nèi)部自身會(huì)產(chǎn)生一定的互調(diào)干擾，從理論來(lái)說(shuō)，需要一種可行的理論方案實(shí)現(xiàn)在設(shè)備內(nèi)部消除互調(diào)干擾的目的。

2.1 PIM 產(chǎn)生根因分析

PIM（無(wú)源互調(diào)）是指兩個(gè)或更多信號(hào)通過(guò)一個(gè)具有非線性特性的無(wú)源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的根因是天饋系統(tǒng)存在非線性。對(duì)于一個(gè)線性的系統(tǒng)，輸入2 個(gè)信號(hào)，輸出也是2 個(gè)信號(hào)，不會(huì)有新的頻率分量出現(xiàn)；但若系統(tǒng)存在非線性，則輸入2 個(gè)信號(hào)后在系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，叫做“無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物”。若互調(diào)產(chǎn)物落入了接收帶并導(dǎo)致上行干擾帶抬升就是“無(wú)源互調(diào)干擾”。輸入f1 和f2 兩個(gè)信號(hào)，若通道存在非線性，則在通道內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生出2×f1-f2、2×f2-f1這兩個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物(紅色)。五階互調(diào)公式是3f1-2f2，或者3f2-2f1。調(diào)制信號(hào)的互調(diào)產(chǎn)物帶寬將被展寬，原因輸入信號(hào)的頻譜也有一定的帶寬，從而形成一定帶寬的干擾信號(hào)，當(dāng)該干擾信號(hào)恰好于某個(gè)上行頻段重合時(shí)，則明顯影響用戶的上行業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.2 多模設(shè)備PIM 三階互調(diào)分析

根據(jù)上述無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的根因，當(dāng)使用多模RRU配置多種制式小區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)干擾信號(hào)，從而導(dǎo)致對(duì)用戶造成干擾，影響用戶體驗(yàn)。下面以當(dāng)前聯(lián)通常見(jiàn)的GUL 三模設(shè)備的頻點(diǎn)和帶寬配置，說(shuō)明多模小區(qū)在同一RRU 內(nèi)是如何產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)干擾。如表1 所示為標(biāo)準(zhǔn)的UNL 三模頻段和天線端口配置。

表1 聯(lián)通常用UNL 多模設(shè)備頻點(diǎn)和天線端口配置Tab.1 Commonly used UNL multimode equipment frequency and antenna port configuration

PA1：該端口配置了B4、B66 兩個(gè)20M 帶寬的LTE 小區(qū)和一個(gè)B2 頻段5M 帶寬的UMTS 小區(qū)，B2&B4 和B2&B66兩個(gè)非線性信號(hào)分別產(chǎn)生以下兩個(gè)無(wú)源互調(diào)干擾。B2&B4 兩個(gè)非線性信號(hào)產(chǎn)生的干擾信號(hào)帶寬（1751.8 ～1780.2）與B66 上行頻段（1760 ～1780）重合。B2&B66 兩個(gè)非線性信號(hào)產(chǎn)生的干擾信號(hào)帶寬（1701.8 ～1730.2）與B4 上行頻段（1710 ～1730）重合。同理，可以分別算出其他PA在B4 和B66 兩個(gè)上行頻段的PIM3 干擾，從理論結(jié)果看，B66 的干擾要比B4 干擾更嚴(yán)重。來(lái)規(guī)避無(wú)源互調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生，但隨著通信帶寬的增加以及多天線技術(shù)的應(yīng)用，這種方法越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，寬頻多模設(shè)備從設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就反其道行之，所以對(duì)寬頻多模設(shè)備無(wú)法從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面解決該問(wèn)題；（2）硬件設(shè)計(jì)層面，可選擇不易產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)信號(hào)的材料，比如盡可能避免使用鐵磁性材料，或者從設(shè)計(jì)上以及提高加工工藝來(lái)降低無(wú)源互調(diào)信號(hào)產(chǎn)生的可能性，但隨之也會(huì)帶來(lái)硬件成本的提高；（3）軟件設(shè)計(jì)層面，有兩個(gè)方向可供選擇：1）利用基站內(nèi)部強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)無(wú)源互調(diào)干擾信號(hào)進(jìn)行預(yù)估進(jìn)而進(jìn)行實(shí)時(shí)抵消；2）基站可通過(guò)對(duì)上下行信號(hào)的靈活調(diào)度來(lái)減弱無(wú)源互調(diào)對(duì)上行信號(hào)的干擾。從軟件設(shè)計(jì)層面，解決PIM 的可能性更高，所以PIM 消除的具體方案應(yīng)著手在RRU 內(nèi)部對(duì)上行接收信號(hào)中的無(wú)源互調(diào)干擾進(jìn)行抵消。

基于上述分析，最終方案是通過(guò)RRU 內(nèi)部增加實(shí)時(shí)工作的PIMC 模塊實(shí)現(xiàn)PIM 消除方案。通過(guò)PIMC 不僅可以消除單/雙/三頻帶產(chǎn)生的PIM 干擾，還可提高接收靈敏度。

2.3 PIM 消除方案原理

3 多模設(shè)備PIM 消除方案應(yīng)用驗(yàn)證

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的就是如何降低無(wú)源互調(diào)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。當(dāng)前主要有三個(gè)方向：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，可通過(guò)收發(fā)隔離或者頻率規(guī)劃

為了檢驗(yàn)PIM 消除方案效果，2022 年1 月山東聯(lián)通攜手中興通訊，在山東菏澤使用PIMC 功能模塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了聯(lián)通共模條件開(kāi)極限多頻點(diǎn)時(shí)上行干擾改善情況，與理論分析比較。這為后續(xù)多模設(shè)備采用PIMC 功能商用實(shí)施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.1 測(cè)試采用的多模站點(diǎn)和設(shè)備

本次測(cè)試站點(diǎn)是菏澤市定陶交警考場(chǎng)東基站，位于菏澤市定陶縣。本次測(cè)試站點(diǎn)使用的RRU 設(shè)備是ZXRAN R9224H M1821 寬頻RRU，該產(chǎn)品是當(dāng)前山東聯(lián)通采用較多的支持UNL 的共模設(shè)備，該RRU 具有幾點(diǎn)特點(diǎn)：（1）支持UMTS/LTE/NR 多模配置；（2）1800MHz 和2100MHz 超帶寬；（3）支持4T4R，支持4×4 MIMO；（4）支持4×120W 大功率輸出功率。

3.2 85MHz 帶寬測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果

85MHz 帶寬配置信息：1.8G 使用40M(L20/L20)+2.1G 使用45M(NR/L20/L5)。

各制式和頻點(diǎn)信息（MHz）：NR 2100 SSB：2114.65；NR2100 POINTA：2110.66；NR2100 中心頻點(diǎn)：1930.2/2120.2；LTE1800 20M 中心頻點(diǎn)：1755/1850；LTE1800 20M 中心頻點(diǎn)：1775/1870；LTE2100 20M 中心頻點(diǎn)：1950/2140；LTE2100 5M 中心頻點(diǎn)：1962.5/2152.5。

模擬加載100%情況下各頻點(diǎn)小區(qū)開(kāi)啟PIMC 功能前后的上行干擾測(cè)試結(jié)果如圖1 ～圖5 所示。

圖1 NR2100 干擾變化圖Fig.1 NR2100 interference change chart

圖2 L1800 的1850MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)干擾變化圖Fig.2 1850MHz center frequency cell interference change diagram of L1800

圖3 L1800 的1870MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)干擾變化圖Fig.3 1870MHz center frequency cell interference change diagram of L1800

圖4 L2100 的2140MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)干擾變化圖Fig.4 2140MHz center frequency cell interference change diagram of L2100

圖5 L2100 的2152.5MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)干擾變化圖Fig.5 2152.5MHz center frequency cell interference change diagram of L2100

3.3 測(cè)試總結(jié)

從以上測(cè)試結(jié)果看，在使用PIMC 功能后，模擬100%加載情況下，L1800 的1850MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)、L2100 的2140MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)、L2100 的2152.5MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)上行干擾明顯下降，L1800 的1870MHz 中心頻點(diǎn)小區(qū)的上行干擾基本呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明降低PIM 有效果，NR2100 小區(qū)的上行干擾前后整體變化不大，和理論分析一致，而統(tǒng)計(jì)開(kāi)啟PIMC 前后的基站KPI 指標(biāo)情況看，也保持了穩(wěn)定，說(shuō)明PIMC 功能對(duì)用戶感知無(wú)負(fù)面影響。整體效果看PIMC 功能達(dá)到了降低PIM 三階互調(diào)干擾的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模建設(shè)部署，UNL 多模設(shè)備在城區(qū)、縣城、農(nóng)村不斷拓展增加，對(duì)多模設(shè)備內(nèi)部的PIM干擾消除技術(shù)的需要也越來(lái)越迫切。本文對(duì)多模設(shè)備的PIM 生成和消除進(jìn)行了研究分析，并基于消除技術(shù)的理論分析也給出了在山東菏澤的實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際為多模設(shè)備PIM 消除提供了有效的可實(shí)施方案，使得運(yùn)營(yíng)商可以利用較少的資源和投資就可以實(shí)現(xiàn)多模站點(diǎn)共模設(shè)備的替換，節(jié)省大量建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，起到提效作用。接下來(lái)山東聯(lián)通愿與合作伙伴一起用5G為國(guó)家無(wú)線通信技術(shù)振興戰(zhàn)略添磚加瓦。

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