Giữa một bên là thiết bị 5G băng rộng đầy đủ tính năng và một bên là mô-đun NB-IoT tốc độ vài chục kilobit, thị trường còn một khoảng trống lớn: cảm biến công nghiệp, thiết bị đeo theo dõi sức khoẻ, camera giám sát. Những thiết bị này cần nhiều hơn NB-IoT nhưng không cần tới toàn bộ năng lực của một điện thoại 5G. 3GPP Release 17 lấp khoảng trống đó bằng RedCap. Bài viết này đi vào những gì thay đổi về mặt vô tuyến và hệ quả của chúng khi đo kiểm 5G RedCap trong phòng thử.
RedCap cắt giảm những gì
RedCap, viết tắt của Reduced Capability, là một hạng thiết bị NR được định nghĩa lại theo hướng giảm độ phức tạp phần cứng. Ba nhóm cắt giảm chính đều tác động trực tiếp tới phép đo.
Cắt giảm thứ nhất là băng thông. Băng thông tối đa của thiết bị RedCap trong FR1, tức dải dưới 7,125 GHz, là 20 MHz, và trong dải sóng milimét là 100 MHz. Giới hạn 20 MHz áp dụng cả trong lẫn sau giai đoạn truy nhập ban đầu, nghĩa là thiết bị không được phép mở rộng băng thông sau khi kết nối. Đây là điểm khác biệt căn bản so với thiết bị NR thông thường vốn có thể làm việc trên băng thông rộng hơn nhiều.
Cắt giảm thứ hai là số nhánh ăng-ten. Thiết bị RedCap không hỗ trợ quá hai nhánh thu hoặc phát. Cấu hình tối thiểu là một ăng-ten thu trong FR1 và hai ăng-ten thu trong FR2. Keysight mô tả cấu hình điển hình là MIMO 2×2 cho đường xuống và một đầu vào một đầu ra cho đường lên.
Cắt giảm thứ ba là chế độ song công. RedCap hỗ trợ FDD song công đầy đủ, FDD bán song công và TDD. Việc bổ sung FDD bán song công là thay đổi có ảnh hưởng lớn tới giá thành, vì thiết bị bán song công không cần bộ song công đắt tiền mà có thể dùng chuyển mạch. Cùng với việc giảm số ăng-ten và hạ băng thông, đây là ba đòn bẩy chính giúp hạ chi phí mô-đun.
Vì sao cắt giảm ăng-ten ảnh hưởng tới vùng phủ
Đây là chỗ nhiều nhóm thiết kế đánh giá thấp. Giảm băng thông không làm hẹp vùng phủ, thậm chí còn có lợi vì công suất thu gom trong băng hẹp hơn thì mật độ phổ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn ở cùng mức công suất phát. Vấn đề nằm ở số nhánh thu.
Một thiết bị hai nhánh thu có thể ghép tín hiệu từ hai ăng-ten. Với ghép theo tỉ lệ cực đại trong điều kiện lý tưởng, nhân đôi số nhánh thu cho thêm 3 dB tỉ số tín hiệu trên nhiễu, chưa kể lợi ích chống pha-đinh sâu nhờ phân tập không gian. Thiết bị RedCap một nhánh thu trong FR1 mất cả hai phần lợi ích này. Hệ quả là biên liên kết đường xuống hẹp lại, và mép vùng phủ của thiết bị RedCap không trùng với mép vùng phủ của thiết bị NR thông thường trên cùng một trạm gốc.
Chế độ bán song công thêm một lớp ràng buộc nữa. Thiết bị không thu và phát đồng thời được, nên bộ lập lịch phải chừa khe thời gian cho mỗi chiều. Điều này không làm giảm vùng phủ theo nghĩa suy hao đường truyền, nhưng làm giảm thông lượng đạt được và kéo dài độ trễ, đặc biệt trong kịch bản có lưu lượng hai chiều liên tục.
Những phép đo cần làm khi đo kiểm 5G RedCap
Chuỗi đo hợp lý gồm bốn nhóm.
Nhóm thứ nhất là xác nhận năng lực thiết bị. Trước khi đo bất cứ chỉ tiêu nào, phải kiểm tra thiết bị khai báo đúng hạng RedCap và đúng bộ tham số: băng thông tối đa, số nhánh thu, chế độ song công được hỗ trợ. Một thiết bị khai báo sai sẽ khiến mạng cấu hình sai và mọi số đo sau đó đều lệch.
Nhóm thứ hai là đo vô tuyến. Công suất phát, mặt nạ phổ phát, chất lượng điều chế và độ nhạy thu đều phải đo trong ràng buộc băng thông 20 MHz. Với thiết bị một nhánh thu, phép đo độ nhạy đặc biệt quan trọng vì đây chính là chỉ tiêu quyết định mép vùng phủ.
Nhóm thứ ba là đo giao thức và chức năng. Cần kiểm tra thiết bị bám đúng giới hạn băng thông trong suốt vòng đời kết nối, xử lý đúng lịch bán song công, và chuyển trạng thái tiết kiệm năng lượng đúng như khai báo.
Nhóm thứ tư là đo hiệu năng trong kịch bản di động. Vì biên liên kết hẹp hơn, ngưỡng kích hoạt chuyển giao của thiết bị RedCap cần được kiểm tra riêng thay vì tái dùng cấu hình của thiết bị NR đầy đủ. Cách dựng kịch bản và chọn sự kiện đo đã được trình bày trong bài kiểm thử chuyển giao 5G, và toàn bộ logic đó áp dụng được cho RedCap với lưu ý rằng ngưỡng phải đặt lại theo biên liên kết mới.
Cây quyết định khi dựng cấu hình đo
Nếu mục tiêu là kiểm tra tuân thủ giao thức và thiết lập kết nối, cần một bộ mô phỏng mạng có thể đóng vai trạm gốc và điều khiển toàn bộ kịch bản báo hiệu.
Nếu mục tiêu là đo chỉ tiêu phát xạ và chất lượng điều chế với độ chính xác cao, cần thêm một máy phân tích tín hiệu có dải động đủ tốt tại băng làm việc.
Nếu thiết bị nhắm tới FR2, cấu hình phải chuyển sang đo qua không gian, vì thiết bị sóng milimét không có cổng ăng-ten để nối cáp. Khi đó băng thông cần hỗ trợ tăng lên 100 MHz và toàn bộ ngân sách bất định của buồng đo phải được tính vào.
Thiết bị Keysight cho bài toán RedCap
Bộ mô phỏng mạng 5G UXM Keysight E7515B là nền tảng chính. Keysight định vị đây là nền tảng thử nghiệm phần cứng được tối ưu cho RedCap cùng với IoT tế bào và mạng phi mặt đất băng hẹp. Máy hỗ trợ 3GPP 5G NR Release 17, cho phép thiết lập cuộc gọi 5G với thiết bị cần đo rồi thực hiện các phép đo vô tuyến, giao thức, chức năng và hiệu năng. Trong dòng sản phẩm này, Keysight còn có biến thể E7515R xây trên cùng kiến trúc phần cứng, hỗ trợ RedCap trên các chế độ truyền dẫn cùng nhiều tính năng Release 17 khác như truyền dữ liệu nhỏ, cải thiện tiết kiệm năng lượng và tăng cường vùng phủ đường lên.
Về phía phân tích phổ và chất lượng điều chế, máy phân tích tín hiệu PXA Keysight N9030B phù hợp cho phần lớn bài toán FR1, nơi băng thông cần phân tích không vượt quá 20 MHz. Khi phải làm việc ở FR2 với băng thông 100 MHz hoặc cần dải động cao hơn cho phép đo mặt nạ phổ, máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B là lựa chọn hợp lý hơn.
Kết luận
RedCap không phải là 5G bị làm yếu đi một cách tuỳ tiện, mà là một điểm cân bằng được tính toán giữa chi phí phần cứng và năng lực vô tuyến. Ba đòn bẩy cắt giảm gồm băng thông 20 MHz trong FR1, tối đa hai nhánh ăng-ten và chế độ bán song công đều hạ giá thành thiết bị, nhưng đồng thời thu hẹp biên liên kết và ràng buộc lịch truyền. Nhóm đo kiểm nào coi RedCap như một thiết bị NR thông thường với vài tính năng bị tắt sẽ bỏ sót đúng những chỉ tiêu quyết định trải nghiệm thực tế.
Mọi kết luận về vùng phủ đều dựa trên độ chính xác tuyệt đối của phép đo công suất và độ nhạy. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp bộ mô phỏng mạng, máy phân tích tín hiệu và dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo kiểm RedCap hoặc lên lịch hiệu chuẩn thiết bị.
