Mọi mô phỏng hệ thống vô tuyến đều đứng trên một giả định: kênh truyền hành xử như mô hình. Channel sounding là phép đo cung cấp bằng chứng cho giả định đó — đo trực tiếp môi trường truyền sóng thật để rút ra đáp ứng của kênh, rồi đối chiếu hoặc hiệu chỉnh mô hình. Không có phép đo này, mọi con số dung lượng và vùng phủ trong tài liệu thiết kế chỉ là ngoại suy.
Bài viết đi qua bốn phần: kênh vô tuyến được mô tả bằng đại lượng gì, nguyên lý đo tương quan băng rộng, số học quyết định độ phân giải, và cấu hình thiết bị. Phía thu băng rộng và giải điều chế vector đã được bàn trong bài phân tích tín hiệu radar SAR: băng thông rộng và giải điều chế vector.
Kênh vô tuyến được mô tả bằng gì
Đại lượng gốc là đáp ứng xung kênh — mô tả một xung lý tưởng phát đi sẽ tới máy thu thành bao nhiêu bản sao, mỗi bản sao trễ bao lâu, biên độ và pha ra sao. Mỗi bản sao ứng với một đường truyền: đường thẳng, phản xạ từ mặt tường, tán xạ từ tán cây.
Lấy bình phương biên độ của đáp ứng xung kênh và trung bình theo thời gian, ta có hồ sơ trễ công suất (power delay profile). Từ hồ sơ này rút ra trải trễ — mô men trung tâm bậc hai của hồ sơ trễ công suất, tức độ “dàn trải” của năng lượng theo trục thời gian.
Trải trễ là tham số có hệ quả thiết kế trực tiếp. Nó quyết định độ dài tiền tố vòng cần thiết trong hệ OFDM: tiền tố vòng ngắn hơn trải trễ thì các ký hiệu chồng lấn và nhiễu liên ký hiệu xuất hiện. Nó cũng quyết định băng thông kết hợp — dải tần trong đó kênh coi như phẳng — theo quan hệ nghịch đảo với trải trễ.
Ngoài trục thời gian, phép đo hiện đại còn lấy thông tin không gian: góc tới (AoA) và góc đi (AoD) của từng chùm, cần thiết cho mọi thiết kế MIMO và tạo chùm.
Mô hình kênh 3GPP và chỗ phép đo còn thiếu
Tài liệu tham chiếu của ngành là 3GPP TR 38.901, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz”, được ETSI công bố song song dưới mã TR 138 901. Tài liệu định nghĩa các kịch bản chuẩn: UMi phố hẻm, UMa macro đô thị, RMa macro nông thôn, InH văn phòng trong nhà và InF nhà máy trong nhà.
Điểm đáng lưu ý cho ai đang làm 6G: hơn 80% dữ liệu dùng để xây dựng mô hình kênh 3GPP trong TR 38.901 đến từ băng dưới 6 GHz và băng trên 24 GHz. Dải 7–24 GHz — chính là dải FR3 đang được quan tâm cho 5G-Advanced và 6G — bị thiếu dữ liệu đo một cách rõ rệt, và đây là lý do 3GPP mở nghiên cứu bổ sung trong Release 19. Nói cách khác, nhu cầu đo kênh hiện nay không phải để xác nhận lại điều đã biết, mà để lấp một khoảng trống thật trong dữ liệu chuẩn.
Nguyên lý channel sounding bằng tương quan băng rộng
Kỹ thuật băng gốc mà giải pháp tham chiếu của Keysight sử dụng là tương quan băng rộng. Cách làm gồm ba bước:
Bước 1 — phát. Một máy phát dạng sóng tuỳ ý dựng chuỗi mã đã biết trước và cấp tín hiệu I/Q, sau đó được nâng tần lên tần số cần khảo sát rồi phát ra qua từng phần tử ăng ten theo trình tự chuyển mạch.
Bước 2 — thu. Bộ hạ tần nhiều kênh đưa tín hiệu thu về băng gốc, rồi bộ số hoá nhiều kênh lấy mẫu song song. Thu song song nhiều kênh là điều kiện để tính được góc tới.
Bước 3 — xử lý. Tương quan tín hiệu thu với chuỗi mã đã biết. Vì chuỗi được thiết kế có hàm tự tương quan nhọn, kết quả tương quan chính là đáp ứng xung kênh: mỗi đỉnh là một đường truyền, vị trí đỉnh là độ trễ, độ cao đỉnh là biên độ. Phép tương quan còn cho lợi ích xử lý, giúp tách được các đường yếu khỏi nền nhiễu.
Giải pháp tham chiếu của Keysight đo được đáp ứng tần số gồm biên độ, pha và trễ nhóm; suy hao đường tuyệt đối và hồ sơ trễ công suất; cùng góc tới và góc đi. Tài liệu nhấn mạnh một điểm mà các nhóm mới làm hay bỏ qua: hiệu chuẩn và đồng bộ là yếu tố then chốt để đo được trễ tuyệt đối — nếu chỉ cần trễ tương đối giữa các đường thì yêu cầu nhẹ hơn nhiều. Cấu hình tham chiếu dùng đồng hồ rubidi cho tham chiếu 10 MHz vì lý do này.
Số học: băng thông quyết định độ phân giải trễ
Quan hệ nền tảng của mọi phép đo kênh: độ phân giải trễ xấp xỉ nghịch đảo băng thông chiếm dụng, Δτ ≈ 1/B. Hai đường truyền có độ trễ chênh nhau ít hơn Δτ sẽ hợp thành một đỉnh và không tách được.
Đổi sang quãng đường bằng cách nhân với tốc độ ánh sáng, ta có bảng số học sau:
- B = 100 MHz → Δτ = 10 ns → chênh lệch quãng đường tối thiểu phân biệt được là 3 m.
- B = 1 GHz → Δτ = 1 ns → 30 cm.
- B = 2 GHz → Δτ = 0,5 ns → 15 cm.
Đây là lý do phép đo kênh trong nhà đòi hỏi băng thông lớn hơn hẳn phép đo macro ngoài trời: trong một phòng làm việc, chênh lệch quãng đường giữa đường thẳng và đường phản xạ từ trần có thể chỉ vài chục centimét, và một máy đo băng 100 MHz sẽ gộp tất cả thành một đỉnh duy nhất.
Chiều còn lại của bài toán là độ trễ tối đa đo được không nhập nhằng, do chu kỳ lặp của chuỗi mã quyết định: chuỗi phải đủ dài để bản sao trễ nhất còn nằm trong một chu kỳ, nếu không nó sẽ quấn vòng và xuất hiện như một đường có trễ ngắn. Chọn chuỗi vì thế là bài toán cân giữa độ phân giải (băng thông) và tầm trễ (độ dài chuỗi) — cùng dạng đánh đổi như khi chọn dải quét và số điểm trong phép đo miền khoảng cách.
Giải pháp tham chiếu Keysight công bố cấu hình kích thích 2 GHz với băng phân tích 1 GHz, dải tần tới 44 GHz và tới 8 kênh, mở rộng được bằng cách bổ sung bộ hạ tần và bộ số hoá.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo kênh
Xin nói rõ phạm vi: bộ số hoá nhiều kênh chuyên dụng và đồng hồ rubidi trong cấu hình tham chiếu không nằm trong danh mục phân phối của Techmaster. Ba thiết bị dưới đây đảm nhiệm các vai trò phát, thu và thu-phát tích hợp:
- Máy phát sóng tùy ý Keysight M8195A — tới 65 GSa/s, băng thông trên 20 GHz, tới 4 kênh trên nền AXIe. Dùng để dựng trực tiếp chuỗi mã băng rộng; tốc độ lấy mẫu cao cho phép tạo tín hiệu có băng thông chiếm dụng lớn, tức độ phân giải trễ mịn.
- Máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B — 2 Hz đến 50 GHz với tuỳ chọn tới 110 GHz, băng phân tích hiệu chỉnh tới 4 GHz. Đây là máy thu cho các phép đo mmWave, nơi băng phân tích rộng là điều kiện bắt buộc.
- Bộ thu-phát vector VXT PXIe Keysight M9410A — tới 6 GHz, băng thông tức thời tới 1,2 GHz, tích hợp cả phát và thu trong mô-đun PXIe hai khe. Phù hợp cho phép đo dưới 6 GHz và cho các cấu hình nhiều kênh, vì mật độ kênh trên mỗi khung PXIe cao hơn hẳn máy để bàn.
Cây quyết định gọn: dải làm việc dưới 6 GHz và cần nhiều kênh thì ưu tiên nền PXIe tích hợp; cần lên mmWave thì bắt buộc dùng máy thu có băng phân tích rộng; còn phía phát, chọn theo băng thông chiếm dụng cần có, suy ra từ độ phân giải trễ mục tiêu.
Kết luận
Một chiến dịch đo kênh chỉ có giá trị khi ba con số được chốt trước: băng thông chiếm dụng suy ra từ độ phân giải trễ mục tiêu, độ dài chuỗi mã suy ra từ trễ tối đa dự kiến, và mức đồng bộ cần thiết tuỳ theo có cần trễ tuyệt đối hay không. Với dải 7–24 GHz đang thiếu dữ liệu chuẩn, đây cũng là mảng mà một phòng đo trong nước có thể đóng góp dữ liệu thật thay vì chỉ tiêu thụ mô hình.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo điện – điện tử. Để được tư vấn cấu hình hệ đo kênh vô tuyến hoặc đặt lịch hiệu chuẩn máy phát và máy phân tích tín hiệu, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
Phép đo đặc tính kênh cần máy phát và máy thu khoá pha với nhau. Bộ thu-phát vector VXT làm việc đó trong một mô-đun, với độ lệch thời gian MIMO ≤ 200 ps — xem bài chọn M9410A, M9411A hay M9415A.
