消費者對網路需求與日遽增，3G網路已不敷使用，電信業者紛紛轉向布建4G LTE。然而，因站體共構與共用天線衍生的被動式交互調變干擾易降低網路速度，因此，須先克服此一挑戰，才可有效建置4G LTE網路架構。
隨著網際網路的使用者、應用服務與APP的增加，3G網路速度已不敷廣大民眾使用，2014年底眾多電信業者紛紛投入大量資金取得4G LTE FDD頻段的執照許可，各家電信業者已在2015年底完成了階段性的4G LTE建設。
然而，隨著4G LTE網路架設與架構的變更，包含在車站、百貨商場的站體共構與共用天線等衍生而來的新問題，被動式交互調變(Passive Intermodulation)將造成該區的網路速度大幅下降，從而降低使者網路服務的感受。本文主要說明被動式互調的起源與如何預防與問題解決。
被動式交互調變之定義
隨著無線通訊產業不斷使用新的技術，被動互調干擾(Passive Intermodulation Interference)成了限制系統流量的因素之一。舉例而言，更高的射頻傳輸功率與多種不同頻率的訊號、使用相同的天線進行多頻運作，或在接收器頻段中接收寬頻訊號，都很可能產生被動式交互調變。
被動式交互調變一般常見於被動式元件包含接頭、連接器、分配器天線等，當兩個以上的高功率訊號源經過上述被動式元件而產生的第三階，第五階或是更高的交互調變。
被動式交互調變主要形成的因素在於非線性化，而被動元件的製程、結構設計與材質，甚至外部的環境皆可能造成被動元件的被動式交互調變。譬如採用鍍鎳的元件或是帶有磁性的材料，可能造成被動式互調(PIM)測試結果高於-107dBm；若採用鍍金鍍銀或是部份合金鍍層則會遠低於-107dBm；兩者測試差距可達30dBm以上。
被動式交互調變易干擾行動網路
被動式交互調變可以視為一種干擾源，與主動式干擾源不同點在於，當基地台啟動電源發射兩個以上的主頻訊號所產生新的頻率點(IM3)落在有使用的上行頻帶時，即會造成該業者的干擾。此干擾將造成數據傳輸不穩定與通話中斷等問題，但只須將基站電源關閉干擾即會消失，故稱此為被動式干擾。
舉例而言，F1=1,930MHz，F2=1,990MHz經過計算IM3會落在1,870MHz；假設該IM3頻率點為A電信業者所使用的Uplink頻帶，同時測試PIM得到的結果≧-107dBm(圖1)，則會造成使用者在當地上網速度緩慢，與通話中斷等問題；但如果 IM3頻率點落在無法使用的Guard Band，則不會造成服務的影響。
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| 圖1 假設F1=1,930MHz，F2=1,990MHz之PIM計算結果。 |
被動式交互調變所產生的新頻率點，如落在使用中的上行頻帶將造成嚴重的干擾(圖2)，圖2的頻譜圖來看正常的上行頻帶的訊號呈現如中間的5MHz，而左邊的5MHz頻帶則是受到了被動式交互調變所產生的結果。
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| 圖2 新頻率點落在使用中的上行頻帶將造成嚴重干擾。 |
被動式交互調變標準
基地台天線系統內部由多種射頻元件組成，而PIM最常見的問題在於初始安裝的元件品質，或因長時間使用而老化的現象與天線外部的環境所造成。隨著蜂巢式通訊技術進步，此類的問題逐漸顯現。早在4G開始布建前，基地台設備商如諾基亞(Nokia)和阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)已將此列入標準測試，並訂立測試的功率為2×46dBm(2×40W)來進行高質量的射頻設備測試以符合現場環境的需求。
在以往的基地台供裝或天線架設發射與接收是分開的，彼此之間會有隔離度的設計，然而因應空間環境與供裝方式的逐漸改變成多業者共用天線或是共構機房的設計方式，則會大幅度的增加被動式交互調變的問題，尤其是在車站、百貨商場或公共場合最為明顯，由表1的數據可知台灣共構與共站的基地台數越來越多(表1)。
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| 表1 共構與共站台數逐漸增加 |
然而，基地台的供裝測試驗證上，並沒有國際標準規範。目前採用量測的標準是參考IEC62037來定義的，該標準成立目的在於協助射頻元件製造商評估非線性問題的方法，透過至少輸出2×20W的功率至待測物，以進行該元件非線性度的評估；目前在基地台量測上主要是參考該標準以進行天線系統的驗證。
在共構的天線系統量測可參考圖3所示的室內天線分布系統(圖3)，在輸入端輸入2×20W功率進行量測，終端再接入天線或是Low PIM的負載將殘餘能量吸收，而測試的過程中可能會因內部材質或外部環境所產生的High PIM的現象則會收到後呈現在儀器上。
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| 圖3 室內天線分布系統示意圖 |
不同頻率將產生不同量測結果
在被動式交互調變的量測裡，不同頻率將造成測試結果不相同。在實驗室或是產品出貨驗證時可以選擇使用700/850/900/1,800/2,100/2,600MHz等頻率分別對待測物進行產品驗證，然而在現場的環境裡並無法這樣做，這就衍生了一個問題，在現場環境裡有哪些頻率是一定要測試的？
以安立知(Anritsu)為例，該公司位於Morgan Hill的工廠為此做了一個實驗，藉以確認現場須具備那些頻帶的儀器進行測試以滿足大部份的需求。
在圖4的測試環境裡採用了700/850/1,900/2,600 LTE常見的頻帶，目的在於模擬在實際的環境裡各頻帶實際受到的影響程度，測試的過程裡，測試儀器直接接入室內分布天線再由測試人員手拿天線繞場進行環境測試，使測試的三個重點在於頻帶、時間與功率。
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| 圖4 以常見的頻帶模擬被動式交互調變受實際環境之影響程度。 |
由圖5可以看到在長達120秒的時間內進行不同功率與不同頻率所得到的結果，在2,600MHz頻帶不論功率大小結果皆是通過的，反觀在700MHz與850MHz在高功率的量測通過率非常低。
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| 圖5 不同頻率之測試結果。 |
在前面提到PIM產生的來源可能來自內部被動元件的問題，也有可能是外部環境造成PIM的干擾。圖4的測試結果主要是驗證在低頻的時候非常容易檢測到來自於外部環境而造成的被動式交互調變干擾。要解決此問題最有效的方式在於降低該點的輸出功率，或進行外部環境的處理，而內部被動式元件的干擾則是採用高頻帶的方式來進行驗證。
被動式交互調變問題之驗證與解決方式
在現有的天線系統上會進行電壓駐波比(VSWR)與回波損耗(Return Loss)量測，再針對有問題的站體使用DTF(Distance To Fault)進行量測，以確定問題點出現的距離，而PIM的量測則是建構在原來的測試架構上(圖6)。
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| 圖6 PIM量測架構圖 |
一般來說在驗證被動式交互調變(PIM)可採用靜態測試、動態測試與故障點距離幾種方法：
依待測物的屬性來決定是否要在無響室(Chamber)或是戶外的環境進行測試。以天線為例，如為天線製造商來看則必需在無響室進行產品質量的驗證，而以供裝完成的基地台天線則要在戶外進行測試。
跟靜態測試略有不同，在產品運送過程中可能導致待測物的結構或物理特性的改變。為避免這方面的問題層出不窮，在製程或出貨階段則會依照IEC62037規範的建議進行適當的動態敲擊測試以驗證結構的完整性。在時間長度固定的測試裡，對待測物施以不同應力敲擊時，品質較高的產品，其訊號品質應變化不大，而品質異常的產品，其訊號品質則會因不同時間、不同應力而有所改變。
在行動電信業者是最為重要的一項測試，該測試可以有效確認發生被動式交互調變的元件或是外部環境位置，有效節省工程師障礙排除的時間。
選擇合適頻帶/方式 降低被動式干擾
在現今共站共構的環境裡，被動式的干擾非常容易產生且不易進行查測，選擇適合的頻帶及測試方式將可以有效降低問題排除的時間。根據上述說明，可以確信在外部環境的測試裡，高低頻帶各選一個頻帶進行測試可大幅的降低電信商的採購成本並且可以解決絕大多數的干擾問題。
(本文作者為安立知資深應用工程師)