Đo kiểm định vị: mô phỏng GNSS và ảnh hưởng đa đường

Một chiếc điện thoại bắt được vị trí trong ba giây ở bãi đất trống và mất bốn mươi giây giữa phố có nhà cao tầng. Phần cứng không đổi; cái đổi là môi trường truyền sóng: mức tín hiệu tụt xuống, và tín hiệu phản xạ từ mặt kính toà nhà đến sau tín hiệu trực tiếp, làm bộ bám mã trượt khỏi đỉnh tương quan. Muốn tái hiện cả hai tình huống ấy một cách lặp lại được, cần một phép đo kiểm GNSS đúng kịch bản chuẩn.

Dưới đây là các kịch bản mà 3GPP TS 38.171 quy định cho thiết bị 5G NR, ý nghĩa vật lý của từng con số, và cấu hình thiết bị cần có.

Vì sao đo kiểm GNSS phải mô phỏng thay vì thu tín hiệu thật

Thu tín hiệu vệ tinh thật qua ăng ten trên mái nhà là cách dễ nhất và cũng vô dụng nhất cho nghiệm thu:

• Không lặp lại được. Chòm sao thay đổi từng phút, tầng điện ly từng giờ, nên hai phép đo cách nhau nửa tiếng không so sánh được.
• Không đặt được mức tín hiệu. Bài đo độ nhạy đòi hỏi công suất chính xác tới từng dB tại chân ăng ten; trời thật không có núm chỉnh.
• Không dựng được tình huống hiếm. Không thể chờ có đúng sáu vệ tinh chênh nhau 18 dB để thử chống tương quan chéo.

Vì vậy 3GPP định nghĩa toàn bộ chỉ tiêu tối thiểu của A-GNSS trên nền tín hiệu mô phỏng, với điều kiện truyền sóng khai báo tường minh; với thiết bị 5G NR, tài liệu là TS 38.171. Điểm mấu chốt của A-GNSS là mạng di động cung cấp trước dữ liệu hỗ trợ — lịch thiên văn, thời gian thô hoặc tinh — nên bài đo phải chạy trên hệ có cả mô phỏng mạng lẫn mô phỏng vệ tinh.

Bốn kịch bản tĩnh và ý nghĩa của từng con số

Với thiết bị chỉ hỗ trợ A-GPS L1 C/A, TS 38.171 định nghĩa các bài sau, tất cả trên kênh AWGN, sai số hỗ trợ thời gian thô 2 giây:

• Độ nhạy, hỗ trợ thời gian thô — 8 vệ tinh, HDOP 1,1 đến 1,6; một vệ tinh ở −142 dBm, còn lại ở −147 dBm. Yêu cầu 95%, sai số vị trí hai chiều 100 m, đáp ứng tối đa 20 giây.
• Độ nhạy, hỗ trợ thời gian tinh — 8 vệ tinh, tất cả ở −147 dBm; vẫn 95%, 100 m, 20 giây.
• Độ chính xác danh định — 8 vệ tinh, tất cả ở −130 dBm; siết còn 95%, 30 m, 20 giây.
• Dải động — 6 vệ tinh, HDOP 1,4 đến 2,1, mức lần lượt −129, −135, −141, −147, −147 và −147 dBm; 95%, 100 m, 20 giây.

Mức −147 dBm là khắc nghiệt nhất trong bộ chỉ tiêu, tương ứng tình huống trong nhà hoặc dưới tán cây dày. Bài dải động thì bảo đảm máy thu vẫn chạy tốt khi các vệ tinh có mức rất khác nhau, vì vệ tinh mạnh dễ làm hỏng việc bắt vệ tinh yếu do sản phẩm tương quan chéo.

Đa đường được mô hình hoá thế nào trong đo kiểm GNSS

Kịch bản đa đường kiểm khả năng chịu phản xạ mà vẫn giữ bố trí đo đơn giản: 5 vệ tinh, HDOP từ 1,8 đến 2,5. Hai vệ tinh đầu có kênh một tia, tầm nhìn thẳng, ở −130 dBm. Ba vệ tinh còn lại có kênh hai tia: tia thứ nhất tầm nhìn thẳng ở −130 dBm, tia thứ hai phản xạ và suy hao ở −136 dBm. Yêu cầu: 95%, 100 m, 20 giây.

Chi tiết quan trọng nằm ở Phụ lục C.2. Tia trực tiếp có trễ tương đối 0 m, Doppler sóng mang F_d, Doppler mã F_d/N và công suất tương đối 0 dB. Tia phản xạ có trễ tương đối X mét, Doppler sóng mang F_d − 0,1 Hz, Doppler mã (F_d − 0,1)/N và công suất tương đối Y dB, trong đó N là tỉ số giữa tần số sóng mang phát và tốc độ chip:

• GPS L1 C/A: X = 150 m, Y = −6 dB, N = 1540. GPS L1C: X = 125 m, Y = −4,5 dB, N = 1540.
• GPS L2C: X = 150 m, Y = −6 dB, N = 1200; GPS L5: X = 15 m, Y = −6 dB, N = 115.
• Galileo E1: X = 125 m, Y = −4,5 dB, N = 1540; E5a: X = 15 m, Y = −6 dB, N = 115; E5b: X = 15 m, Y = −6 dB, N = 118.
• GLONASS G1 và G2: X = 275 m, Y = −12,5 dB. BeiDou B1I và B1C: X = 75 m, Y = −4,5 dB, N lần lượt 763 và 770.

Hai điều đáng rút ra. Trễ đa đường quy định cho tín hiệu băng rộng nhỏ hơn hẳn — 15 m cho L5, E5a và E5b so với 150 m cho L1 C/A — vì tốc độ chip cao hơn cho đỉnh tương quan hẹp hơn, nên phải đặt tia phản xạ gần hơn mới thực sự thách thức bộ bám mã. Và chênh lệch Doppler 0,1 Hz khiến hai tia trôi pha tương đối theo thời gian, tạo giao thoa tăng cường rồi triệt tiêu luân phiên, thay vì một tổ hợp tĩnh mà máy thu có thể “quen” được.

Kịch bản chuyển động và cập nhật định kỳ

Bài đo tĩnh không nói lên khả năng bám. TS 38.171 vì vậy thêm kịch bản chuyển động: 5 vệ tinh ở −130 dBm, HDOP từ 1,8 đến 2,5, kênh AWGN, thiết bị báo cáo định kỳ chu kỳ 2 giây; bài này không tính là bài đo thời gian định vị lần đầu.

Quỹ đạo là hình chữ nhật 940 m × 1 440 m với góc bo tròn, mô phỏng đường phố đô thị: tăng tốc đến 100 km/h trong 250 m, giữ tốc độ đó 400 m, giảm còn 25 km/h trong 250 m, rẽ 90 độ với bán kính quay 20 m ở 25 km/h, rồi lại tăng lên 100 km/h trong 250 m; đoạn dài của hình chữ nhật là 900 m chạy ở 100 km/h.

Ý nghĩa kỹ thuật: gia tốc và đổi hướng làm Doppler thay đổi nhanh, buộc vòng bám sóng mang có băng thông đủ rộng, nhưng băng thông rộng lại kéo thêm nhiễu vào vòng bám. Với dịch vụ đòi hỏi định vị chính xác liên tục, đây là bài đo phân biệt rõ nhất giữa hai bản firmware chạy trên cùng một chip.

Cấu hình thiết bị: chia đúng vai giữa mô phỏng mạng và mô phỏng vệ tinh

Đây là điểm hay bị hiểu sai khi lập cấu hình. Bài đo A-GNSS cần hai phần việc khác nhau:

• Phía mạng di động — thiết lập kết nối 5G NR, truyền dữ liệu hỗ trợ, yêu cầu vị trí và thu báo cáo. Việc của bộ mô phỏng mạng.
• Phía RF vệ tinh — sinh chòm sao, đặt mức từng vệ tinh, dựng kênh hai tia theo Phụ lục C. Việc của bộ mô phỏng GNSS chuyên dụng.

Keysight giải bài toán này bằng bộ công cụ S8705A: bộ công cụ dùng nền Keysight E7515B UXM 5G kết hợp với một bộ mô phỏng GNSS được khuyến nghị để thực hiện bài đo dịch vụ dựa trên vị trí. Người dùng sẵn có giải pháp đo thiết bị 5G của Keysight đáp ứng được yêu cầu tuân thủ giao thức 3GPP liên quan tới GNSS và yêu cầu nghiệm thu của nhà mạng bằng cách nâng cấp phần mềm trên E7515B rồi ghép với bộ mô phỏng GNSS bên ngoài. Bản thân E7515B hỗ trợ đo 5G NR, LTE và Wi-Fi trong một khối gọn.

Nói cách khác: E7515B không tự sinh tín hiệu vệ tinh — cần xác nhận sớm khi lập dự toán, vì bỏ sót bộ mô phỏng GNSS nghĩa là hệ không chạy được bài đo nào ở trên.

Ngoài hai khối chính, cần một máy phân tích tín hiệu để nghiệm thu chính hệ đo: kiểm mức tuyệt đối tại chân ăng ten, soát tín hiệu giả trong băng GNSS, xác nhận suy hao cáp. Keysight N9042B UXA phù hợp với mức nhiễu nền hiển thị khi bật LNA đạt −163 dBm ở dải trên 500 MHz đến 2,5 GHz trên toàn dải nhiệt độ và −168 dBm điển hình, đo ở băng thông phân giải 1 Hz — thấp hơn nhiều so với mức −147 dBm cần kiểm. Với hệ PXI gọn hơn cần cả thu và phát, Keysight M9410A VXT là lựa chọn dạng mô-đun; nguyên tắc kiểm nhiễu nền và tín hiệu giả trong băng cũng giống bài toán đo kiểm băng 6 GHz cho Wi-Fi 6E/7.

Chọn thiết bị Keysight cho phép đo kiểm GNSS

• Mô phỏng mạng và giao thức A-GNSS cho thiết bị 5G: E7515B UXM 5G kèm bộ công cụ S8705A, ghép với bộ mô phỏng GNSS bên ngoài.
• Nghiệm thu mức và soát tín hiệu giả: N9042B UXA.
• Hệ mô-đun, cần cả thu và phát trong một khối PXIe: M9410A VXT.

Kết luận

Đo kiểm GNSS trong phòng lab đứng vững được là nhờ mọi điều kiện đều khai báo bằng số: mức từng vệ tinh, dải HDOP, trễ và Doppler của tia phản xạ, quỹ đạo và tốc độ. Các bài của TS 38.171 tách bạch từng năng lực — độ nhạy, độ chính xác, chống tương quan chéo, chịu đa đường và khả năng bám — nên khi một bài trượt, bạn biết ngay phải sửa khối nào. Về cấu hình, hãy nhớ nguyên tắc chia vai.

Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tín hiệu và bộ thu-phát vector. Tư vấn cấu hình hệ đo kiểm định vị cho thiết bị 5G, xin liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.