Bild: Anritsu; iStock, Morfous

Mobilfunknetze Auf der Suche nach Störsignalen

09.05.2017

Bisher mussten Techniker auf Mobilfunkmasten klettern, um Störsignale zu lokalisieren. Mit einer CPRI-Verbindung an der Basisstation ist das nicht mehr nötig. Ein Handheld-Gerät reicht aus, um mit dem empfangenen Spektrum eine Schnelldiagnose durchzuführen.

Mobilfunknetzbetreiber möchten die Kosten des Netzausbaus gering halten und dennoch gleichzeitig eine möglichst hohe Netzabdeckung erreichen. Darüber hinaus soll die Übertragungsqualität steigen. Ein großes Problem dafür sind Beeinträchtigung der Empfangsqualität durch Störungen. Diese können zu Verbindungsabbrüchen führen, die Netzabdeckung verringern, die Datenübertragungsrate durch Erhöhung der Bitfehlerrate senken und letztendlich zu einer schlechteren Übertragung zwischen dem Handy und dem Netz führen.

Heutige Mobilfunksysteme, insbesondere LTE, sind empfindlich gegenüber Störungen, wenn sie in der Mitte des Kanalspektrums auftreten. Um sie zu beseitigen, müssen Ingenieure sämtliche Probleme lokalisieren und die Ursache der Störung visualisieren können.

Mit dem Einführen von zentralisierten Funkzugangsnetzen (Centralised Radio Access Networks, C-RAN), ist es bei Mobilfunksystemen zu einer großen Veränderung gekommen. Mit C-RAN wird die Architektur der Verbindung des Mobilfunk-Fronthauls mit Hilfe zentralisierter Basisbandgeräte (BBUs) konfiguriert, die mehrere verteilte Remote Radio Heads (RRH Units, RRHs) an Antennenstandorten steuern. Die RRHs sind auf Mobilfunkmasten befestigt, während sich die BBUs am Boden befinden.

Glasfaser statt Koaxialkabel

In der Vergangenheit wurden die BBUs und RRHs über Koaxialkabel miteinander verbunden. Diese Kabel waren empfindlich gegenüber Leistungsverlusten, Alterung, Korrosion und Intermodulation. Um die meisten dieser Effekte zu vermeiden, wurde von der überwiegenden Anzahl der Netzinfrastruktur-Anbieter ein neuer gemeinsamer Standard, der CPRI (Common Public Radio Interface), übernommen.

An Stelle der Koaxial- nutzt dieser Standard Glasfaserkabel. Mit der Glasfasertechnik lassen sich außerdem die Montagekosten und der Wartungsbedarf der einzelnen Basisstationen reduzieren. Für Messtechniker bieten die CPRI-Verbindungen deutliche Vorteile. Mit Hilfe geeigneter Handheld-Messgeräte ist etwa eine exakte und schnelle Analyse für die Fehlersuche im Mobilnetz möglich, ohne das der Techniker auf den Funkmast klettern muss.

Im Prinzip wandelt die CPRI-Technologie Radiofrequenzsignale vom elektrischen in den optischen Bereich um. Diese Aufgabe übernimmt der Remote Radio Head (RRH) auf dem Funkmast, der HF-Signale, zum Beispiel W-CDMA für die 3G-Technologie oder LTE für die 4G-Technologie, empfängt. Anschließend werden sie an das am Boden befindliche BBU gesendet. Das BBU wandelt die Information wieder von optischen zu elektrischen Signalen, damit sie im Backhaul-Abschnitt des Netzes weitergeleitet werden können.

Glasfaserkabel weisen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber von außen einwirkende Verzerrungs- oder Interferenzeffekte auf. Das löst allerdings nicht das Problem, dass von der Antenne eintreffende Daten durch zusätzlich auf das Signal aufgesetztes Rauschen beschädigt sind oder sich zusätzliche unerwünschte Frequenzen innerhalb des Signalbandes befinden. Externe Störungen gelangen weiterhin von der Antenne über den RRH und die optische Verbindung zum BBU.

Uplink Analyse zeigt die Art der Störung

Um die CPRI-Verbindung vor Ort mit einem Handheld-Messgerät zu analysieren, müssen die übertragenen HF-IQ-Daten vom RRH zum BBU über den Uplink-Kanal und vom BBU zum RRH über den Downlink-Kanal dekodiert werden. Damit hat der Techniker Zugriff auf die Darstellung des HF-Kanalspektrums, das im Glasfaserkabel transportiert wird. Indem sich Techniker vor allem den Uplink anschauen, können sie die Art der Störung, die das Netz beeinträchtigt, leichter verstehen.

Beim CPRI handelt es sich um einen gut definierten Standard, der von fast allen großen Infrastruktur-Anbietern übernommen wurde. Der Einbau einer CPRI-Platine in einen Handheld-Analysator ermöglicht dem Anwender, die beiden Hauptprotokollschichten des Mobilfunkstandards zu entschlüsseln und zu analysieren. Damit kann er zusätzlich zum physischen Transport der Daten nach Alarmen und Fehlern suchen. Die Funkausrüstungssteuerung, die an einem gut zugänglichen Ort untergebracht ist, umfasst die Funkfunktionen des digitalen Basisband-Bereichs. Wohingegen die Funkausrüstung nahe an der Antenne, die analogen HF-Funktionen umfasst.

Das Grundprinzip eines CPRI-Handheld-Analysators besteht darin, dass er eine kleine Menge der optischen Signalstärke erfasst, während der RRH noch immer mit dem BBU kommuniziert und Mobiltelefone noch immer Verbindung zum Live-Netz haben. Um den CPRI-Tester zwischen RRH und BBU einzufügen, ist ein optischer Verteiler (Kopplers) notwendig. Der Anritsu MT8220T BTS Master kann zum Beispiel optional auch eine CPRI-Platine beinhalten, um dem Techniker den Feldeinsatz zu ermöglichen. Dadurch sind Diagnosen über die Art des Spektrums möglich, welches der BBU über den RRH und das Glasfaserkabel von der Antenne erhält.

Das Nutzerschema für den CPRI-Standard legt einen weiteren wichtigen Parameter fest: den Antennenträger, normalerweise mit AxC bezeichnet. Dieser Parameter enthält die IQ-Daten, die entweder zum Empfangen oder zum Senden nur eines Trägers an einem eigenständigen Antennenelement benötigt werden. Er muss den Technikern bekannt sein, damit sie die richtige Antenne zum Analysieren des CPRI-Signals vom Boden aus auswählen können. Die meisten Funktechniker sind mit HF-Spektrum-Messungen vertraut. Da sich die Mensch-Maschine-Schnittstellen des MT8220T BTS Master für CPRI-Spektrum-Messungen und für standardmäßige HF-Spektrum-Messungen sehr ähneln, können Techniker meist intuitiv erkennen, was an der optischen Verbindung vor sich geht.

Schnelldiagnose mit
Spektrogramm

Oft reicht ihnen deshalb bereits ein Blick auf die Form eines HF-Signal-Spektrums, um mit einer Schnelldiagnose festzustellen, ob alles in Ordnung ist. Die Funktion des Geräts, das Verhalten des Störers über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg mit der Spektrogrammdarstellung zu beobachten, erlaubt es dem Techniker zudem, die Frequenz- und Amplitudenstabilität des Störsignals besser hervorzuheben. Die Farbkodierung der Amplitudenhöhe zeigt auf einen Blick, was genau in dem gewählten Frequenzträger und Kanalband geschieht.

Sobald der Störer vom Boden aus entdeckt und die Frequenz mit Hilfe von Markern auf der Grafik erfasst wurden, kann der Techniker einen herkömmlichen HF-Spektrumanalysator verwenden, um den Ort des Störers aufzuspüren. Die Amplitude des Störers wird höher, je mehr sich der Analysator der Störquelle nähert. Da Störer jedoch zufällig auftreten können, lassen sie sich in Ballungsgebieten nicht immer einfach und schnell lokalisieren. In diesem Fall kann es zuweilen nützlich sein, zu einer benachbarten Basisstation zu fahren, um festzustellen, ob dieser Standort in stärkerem Maße vom gleichen Störer beeinflusst wird oder nicht.

CPRI-Tests werden wichtiger

Mobilfunkkunden erwarten eine gute Übertragungsqualität von ihrem Netzbetreiber. Die Grundlage davon ist die Möglichkeit, sich überall und jederzeit mit dem Netz verbinden zu können. Durch den Einsatz der CPRI-Technik sind Netzbetreiber in der Lage, Verbindungsabbrüche beziehungsweise -fehler leichter zu verhindern, die durch Störungen innerhalb des Systems auftreten.

CPRI-Tests nehmen deshalb in ihrer Bedeutung stetig zu. Mit Hilfe von Handheld-Messgeräten lassen sich im Feld Interferenzprobleme untersuchen und Test-
ergebnisse darstellen.

Bildergalerie

  • Die Architektur der Basisstationen hat sich von einer Ausführung mit Koaxialkabel (links) zu einem verteilten Antennensystem mit Glasfaser (rechts) entwickelt.

    Bild: Anritsu

  • Spektrogramm eines 10-MHz-Kanals in LTE, links ohne und rechts mit Zoomfunktion, die das Verhalten eines Störers hervorhebt

    Bild: Anritsu

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