Störsignale in Mobilfunknetzen erkennen und gezielt auffinden

| Autor / Redakteur: Cyril Noger * / Hendrik Härter

Den Störer finden: Die an den Interference Hunter angebrachte Richtantenne lokalisiert eine mögliche Störquelle.
Den Störer finden: Die an den Interference Hunter angebrachte Richtantenne lokalisiert eine mögliche Störquelle. (Bild: Anritsu)

Störsignale aufzuspüren ist keine einfache Aufgabe. Neben einer guten Planung sollten HF-Techniker auf die richtigen Werkzeuge setzen. Doch allein die Technik reicht nicht aus.

Überall dort, wo für die Kommunikation keine Kabel verlegt werden können oder es einfach nicht sinnvoll ist, lässt sich eine drahtlose Kommunikation über Funk aufbauen. Doch bei Funk ist die Gefahr von Störern sehr hoch. Sind es vor allem Mobilfunkbetreiber und die staatlichen Stellen, welche Interesse daran haben, Störquellen zu lokalisieren und zu identifizieren.

Doch bevor eine mögliche Ursache im Feld lokalisiert werden kann, sollte man auf einige Punkte achten. Dazu gehört es, genau zu Wissen, wonach man sucht. Wer eine Störquelle sucht, weiß, dass es sich hier um kein leichtes Unterfangen handelt. Man sollte sorgfältig mögliche Störquellen eingrenzen. Denn Störer in Mobilfunknetzen sind oft sehr komplex und man würde ohne gründliche Vorbereitung und der entsprechenden Hardware im Feld keinen Erfolg haben.

Mit dem Spektrumanalysator die Störquelle finden

Einige Mobilfunkanbieter haben speziell geschultes Personal, um mögliche Störquellen zu identifizieren. Sie suchen nach illegalen oder unerwünschten Signalen. Auch der Staat hat die Aufgabe, Störquellen aufzuspüren. Gemäß Definition wird ein Störer normalerweise in einem Kommunikationssystem als Problem auf der Empfängerseite betrachtet. Allerdings bedeutet das nicht, es kommt niemals zu Problemen im Frequenzband des Senders. Diese Probleme werden jedoch normalerweise von Seiten der Betreiber bearbeitet, wenn diese ihre Infrastruktur nach Fehlern absuchen.

Das Frequenzband des Empfängers wird mit höherer Wahrscheinlichkeit durch von außen kommende Signale bzw. durch höhere Rauschpegel beeinträchtigt, die die Empfänger unempfindlich machen und dazu führen können, dass Mobiltelefone sich nicht mit der Basisstation verbinden können. Nachdem der Entwickler die Beeinträchtigung des Störers im spektralen Band erkannt hat, muss er versuchen, diese zu verstehen. Hier unterstützt ihn ein Spektrumanalysator, mit dem sich das beeinträchtigte Frequenzband im Zeitablauf abbilden lässt: Gemessen wird sinnvollerweise in Erdbodennähe zusammen mit einer Rundstrahlantenne.

Der potenzielle Störer lässt sich charakterisieren, indem man Bandbreite, Form, Frequenzstabilität oder Drift der Störquelle misst und dabei über Stunden oder Tage hinweg das zeitabhängige Auftreten charakterisiert. Darüber sollte man bestimmen, ob die Störquelle dauerhaft vorhanden ist, gepulst, moduliert oder nicht moduliert ist sowie ob sie ihre Amplitude ändert.

Dazu hat der Messtechniker mit einem Spektrumanalysator ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Störquelle zu charakterisieren. Mit der sogenannten Max-Hold-Funktion des Analysators bekommt man beispielsweise einen Überblick über die gesamte Bandbreite, die im zeitlichen Verlauf von einem Störer beeinträchtigt wird. Außerdem lassen sich Masken ereignisbezogen speichern. Dazu werden sämtliche Ereignisse gespeichert, in denen der Störer die voreingestellte Hüllkurven-Maske der Amplitude überschreitet. Vor allem dann, wenn der Störer periodisch oder zufällig auftritt. Hat der Messtechnik die Daten erfasst und gespeichert, muss man sich die Messdaten genauer anschauen und abklären, woher die potenzielle Störquelle stammt.

Die Jagd nach dem möglichen Störer beginnt

Die Analyse der Störquelle ist ein sehr komplexes Verfahren. Es nützt dem Messtechniker nicht, sich ausschließlich auf die Auswertesoftware zu verlassen. Vielmehr ist ein hohes fachliches Wissen und Erfahrung gefragt. Über die Kanalleistungsfunktion lässt sich die Amplitude des Signals quantifizieren. Wichtig ist, dass man diesen Wert im Spektrumanalysator entsprechend gut eingestellt hat. Weist der Störer beispielsweise Frequenzdrifts auf, muss die Kanalleistungsbandbreite höher sein als die Bandbreite des Signals als solches. Das in Bild 1 dargestellte Spektogramm, oder auch als Wasserfallanzeige bekannt, ist ein sehr nützliches Werkzeug, um alle Messdurchläufe im Frequenzband durch Farbkodierung der Amplituden von Trägern aufzuzeichnen.

Bild 1: Das Spektrogramm oder auch Wasserfall-Diagramm zeigt den Frequenzdrift eines Trägers.
Bild 1: Das Spektrogramm oder auch Wasserfall-Diagramm zeigt den Frequenzdrift eines Trägers. (Bild: Anritsu)

Das Spektrogramm liefert Informationen zu Periodizität oder Frequenzdrift. Um eine maximale Wirksamkeit zu erreichen, sollten bevorzugt Filter zum Einsatz kommen, welche die Störfrequenz im Spektrumanalysator isolieren. Damit soll verhindert werden, dass zu viele Signale den Spektrumanalysator über dessen Eingang erreichen. Außerdem soll erreicht werden, dass unerwünschte benachbarte Signale nicht sortiert werden müssen. Wenn das Störsignal in Erdbodennähe festgestellt wurde, helfen Softwaretools wie der Mobile Interference Hunter von Anritsu. Dazu wird die entsprechende Erfassungsantenne und die dazugehörigen Messgeräte so aufgebaut, dass der Benutzer das Signal unter Feldeinsatzbedingungen schnell und effizient lokalisieren kann. Obwohl die Software die Suche nach einem Störern automatisiert und damit erleichtert, sollte der Anwender sich im Vorfeld auf die Messung gut vorbereiten.

Die Verbindungen zwischen HF-/GPS-Antennen und des Spektrumanalysators mit dem Laptop/Tablet.
Die Verbindungen zwischen HF-/GPS-Antennen und des Spektrumanalysators mit dem Laptop/Tablet. (Bild: Anritsu)

Mit der Software ist der Anwender in der Lage, große Datenmengen zusammenzutragen, während er ein Gebiet durchfährt. Im Gegensatz dazu wird bei der Triangulation eine mögliche Störfrequenz von verschiedenen Orten aus mithilfe einer Richtantenne und einem angeschlossenen Spektrumanalysator punktgenau lokalisiert. Dabei kommen typisch Yagi- oder logarithmisch-periodische Antennen zum Einsatz. Die während der Fahrt gesammelten Daten liefern ein besseres Verständnis der HF-Abdeckung der Störquelle und der Störer lässt sich schneller aufspüren. Bevor die Ortung eines Störers beginnt, muss der Techniker eine Karte des geographischen Gebietes erstellen. So lässt sich über Open-Street-Map eine Karte in die Software des mobilen Interference Hunter laden. Sie visualisiert den Anwender, welches Gebiet untersucht werden sollte. Anschließend wird der Spektrumanalysator über USB, Ethernet oder WLAN an Laptop/Tablet angeschlossen, womit sich alle benötigten Amplitudenwerte des lokalisierten Signals anzeigen lassen.

Mit handgeführter Richtantenne für die letzten Meter

TDOA- (Time Difference of Arrival-)Plot von drei angeschlossenen Spektrumanalysatoren, um eine Signalquelle zu lokalisieren.
TDOA- (Time Difference of Arrival-)Plot von drei angeschlossenen Spektrumanalysatoren, um eine Signalquelle zu lokalisieren. (Bild: Anritsu)

Ein entscheidender Punkt ist, eine geeignete Rundstrahlantenne auf dem Dach des Fahrzeugs zu installieren. Der Mobile Interference Hunter unterstützt beliebige Standard-Rundstrahlantennen ohne Frequenzbeschränkung. Weitere hilfreiche Tools sind feststehende Sonden, um das Frequenzband zu untersuchen. Zusammen mit der entsprechenden Software sind diese Geräte (Spektrumanalysatoren) in der Lage, eine Signalquelle exakt zu lokalisieren. Hier kommt das TDOA = Time-Difference-of-Arrival-Triangulationsverfahren zur Anwendung. Dabei werden drei zeitsynchronisierte Sonden genutzt, die die Ergebnisse in den mobilen Interference Hunter einspeisen. Wurde die Störquelle eingekreist, dann erfolgt im letzten Schritt die Triangulation zu Fuß. Hierzu benötigt man eine erstellte und auf einen Laptop lokal gespeicherte Karte.

Im Fahrmodus Scan zeigt die Software an, wohin der Fahrer fahren sollte, um die Messdaten aufzunehmen.
Im Fahrmodus Scan zeigt die Software an, wohin der Fahrer fahren sollte, um die Messdaten aufzunehmen. (Bild: Anritsu)

Der Laptop ist mit dem Internet über eine Mapping-Software verbunden, die später im Spektrumanalysator zum Feststellen des Ortes verwendet wird, an dem sich der Störer befindet. Jetzt beginnt die Lokalisierung des Störers im Feld: Dazu muss der Handheld-Spektrumanalysator über einen WLAN-Mini-Router oder über ein Ethernetkabel an einem PC/Tablet angeschlossen werden. Der HF-Anschluss des Spektrumanalysators ist mit der Rundstrahl-Dachantenne und dem GPS-Empfänger-Anschluss zur GPS-Antenne auf dem Dach des Fahrzeugs verbunden. Je nach Umgebung muss der Fahrer in der Software festlegen, ob er sich in einem unbewohnten Gebiet, in der Stadt oder in einem Ballungsraum befindet. Ein spezieller Algorithmus für die Empfindlichkeit berücksichtigt den Mehrwegempfang des Signals, das von Gebäuden und Bäumen reflektiert werden könnte.

Im Fahrmodus Spot des Mobile Interference Hunters zeigt eine Heatmap, wo sich die Signalquelle befinden könnte.
Im Fahrmodus Spot des Mobile Interference Hunters zeigt eine Heatmap, wo sich die Signalquelle befinden könnte. (Bild: Anritsu)

Zusammen mit dem mobilen Interference Hunter folgt der Fahrer den von der Software vorgegebenen Fahranweisungen, um sich der geschätzten Position der Störquelle zu nähern. Die Software schaltet in den Modus Spot, der eine Heatmap auf dem Display darstellt. Dazu müssen alle Messungen in der Nähe des Bodens erfolgen. Es ist zu beachten, dass sich ein Störer auch auf einem Hügel oder in einem Gebäude befinden könnte.

In unwegsamen Gelände sollte der Messtechniker ein ergänzendes Messverfahren anwenden: die Richtungsfindung. Der Spektrumanalysator wird mit einer handgeführten Richtantenne sowie mit einer Reihe von Hilfsgeräten verbunden. So enthält der handgeführte Interference Hunter des Typs MA2700A einen GPS-Empfänger, damit die Antenne korrekt ausgerichtet wird. Dazu sind ein Vorverstärker und ein Trigger zum seichern von Vektoren notwendig. Gemessen wird mit dem Spektrumanalysator die Leistung des Trägers der Störfrequenz.

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* Cyril Noger arbeitet als HF- und Wireless-Produkt-Spezialist bei Anritsu in Frankreich.

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