Hai chiếc điện thoại dùng cùng chipset, cùng dung lượng pin, có thể cho thời lượng pin khác nhau rõ rệt chỉ vì chạy trên hai cấu hình mạng khác nhau. Lý do là phần lớn thời gian ở chế độ kết nối, thiết bị không truyền dữ liệu mà chỉ chờ. Nó chờ hiệu quả hay không phụ thuộc vào các tham số do mạng cấu hình, trong đó quan trọng nhất là chu kỳ nhận không liên tục DRX.
Vì vậy đo tiêu thụ năng lượng thiết bị 5G không thể chỉ là đọc một con số dòng trung bình trên đồng hồ. Phải tái tạo được kịch bản mạng, bắt được những xung dòng chỉ kéo dài vài mili giây, và hiểu con số đo được tương ứng với trạng thái nào của modem.
Chu kỳ DRX quyết định dạng sóng dòng tiêu thụ
Ở chế độ kết nối RRC_CONNECTED, DRX cho phép thiết bị tắt máy thu phần lớn thời gian và chỉ thức dậy định kỳ để nghe kênh điều khiển PDCCH. Hành vi đó được điều khiển bởi một nhóm bộ định thời trong cấu hình DRX-Config của 3GPP TS 38.331:
- drx-onDurationTimer: thời gian thức nghe PDCCH đầu mỗi chu kỳ, cấu hình từ 1/32 ms tới 31/32 ms theo bước 1/32 ms, hoặc từ 1 ms tới 1600 ms.
- drx-InactivityTimer: sau mỗi lần được lập lịch, thiết bị thức thêm trong thời gian này, từ 0 tới 2560 ms.
- drx-LongCycle: chu kỳ lặp khi không có lưu lượng, từ 10 ms tới 10.240 ms.
- drx-ShortCycle và drx-ShortCycleTimer: chu kỳ dày hơn áp dụng ngay sau lưu lượng, từ 2 ms tới 640 ms, kéo dài từ 1 tới 16 lần chu kỳ ngắn trước khi quay lại chu kỳ dài.
Ở chế độ nghỉ RRC_IDLE, thiết bị chỉ nghe tìm gọi theo chu kỳ paging, cấu hình từ rf32 tới rf256, tương ứng 320 ms tới 2,56 giây. Với thiết bị RedCap trong Release 17, theo các bài tổng quan về chuẩn, DRX mở rộng eDRX cho phép chu kỳ tới 10.485,76 giây (khoảng 3 giờ) ở chế độ nghỉ và tới 10,24 giây ở chế độ không hoạt động.
Mỗi tổ hợp tham số tạo ra một dạng sóng dòng khác nhau. onDuration dài giúp giảm độ trễ khi có dữ liệu đến nhưng làm tăng dòng nền; chu kỳ DRX dài tiết kiệm pin nhưng làm dữ liệu phải chờ lâu hơn. Blog kỹ thuật của Keysight về phân tích tiêu hao pin nhận xét rằng các thiết lập C-DRX có thể dẫn tới mức tiêu hao dòng lớn, tức chính cấu hình mạng là một biến số phải kiểm soát trong phép đo.
Mô hình công suất của 3GPP TR 38.840
Để đánh giá các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng, 3GPP thực hiện nghiên cứu TR 38.840 “Study on User Equipment (UE) power saving in NR”, phiên bản 16.0.0 phát hành tháng 6/2019 trong Release 16. Nghiên cứu này dùng một mô hình công suất tương đối cho thiết bị. Theo các đóng góp kỹ thuật dẫn lại mô hình (ví dụ tài liệu R1-2003667 của MediaTek), ngủ sâu có công suất tương đối bằng 1, ngủ nhẹ bằng 20, ngủ vi mô bằng 45. Chỉ nghe PDCCH bằng 100 và nghe PDCCH kèm nhận PDSCH bằng 300 ở băng thông tham chiếu 100 MHz, giảm còn 50 và 120 khi quy về 20 MHz.
Chi tiết đáng giá nhất của mô hình là chi phí chuyển trạng thái. Vào và ra ngủ sâu mất 20 ms và tiêu tốn 450 đơn vị năng lượng; ngủ nhẹ chỉ mất 6 ms và 100 đơn vị; ngủ vi mô không tốn gì. Làm một phép tính minh hoạ từ các giá trị này: ngủ sâu tiết kiệm 19 đơn vị mỗi mili giây so với ngủ nhẹ nhưng tốn thêm 350 đơn vị để chuyển trạng thái, nên khoảng nghỉ phải dài hơn khoảng 18 ms thì ngủ sâu mới có lợi. Đây là lý do một chu kỳ DRX ngắn có thể không tiết kiệm được như kỳ vọng: modem không kịp vào giấc ngủ sâu.
Từ nghiên cứu này, Release 16 đưa vào nhiều cơ chế tiết kiệm năng lượng: tín hiệu đánh thức cho C-DRX (cấu hình DCP-Config với DCI định dạng 2_6), lập lịch khe chéo với độ lệch K0 tối thiểu, thích ứng phần băng thông BWP và số lớp MIMO, trạng thái ngủ của ô phụ SCell, nới lỏng đo RRM, và thông tin hỗ trợ từ thiết bị để đề xuất cấu hình DRX ưa thích. Mỗi cơ chế là một kịch bản cần được đo để chứng minh hiệu quả thật.
Đo dòng tiêu thụ động của thiết bị
Đo dòng tiêu thụ động của modem 5G khó ở hai điểm cùng lúc. Dải động rất rộng: từ mức ngủ tới xung đỉnh khi truyền, blog của Keysight mô tả dòng trải trên tám tới chín bậc độ lớn. Và các xung rất ngắn: một lần thức nghe PDCCH chỉ kéo dài vài mili giây, thậm chí dưới một mili giây, nên đồng hồ vạn năng lấy trung bình chậm sẽ bỏ sót hoàn toàn.
Cấu hình đo chuẩn gồm ba phần. Thứ nhất, một bộ mô phỏng mạng thay cho mạng thật, để mỗi lần chạy chỉ đổi đúng một tham số và kết quả lặp lại được. Thứ hai, một bộ nguồn-đo hai góc phần tư thay cho pin. Hai góc phần tư nghĩa là vừa cấp vừa hút được dòng, nên nó mô phỏng được cả pin đang xả lẫn pin đang sạc; điện trở ra lập trình được giúp tái tạo nội trở của pin, để sụt áp khi có xung dòng giống thực tế. Khi cần đo với pin thật, chế độ ampe kế sẽ đặt thiết bị nối tiếp như một điện trở shunt không gây sụt áp, đồng thời một kênh đo điện áp phụ ghi lại điện áp pin. Thứ ba, phần mềm phân tích dạng sóng dòng, dòng trung bình, dòng đỉnh và phân bố CCDF trên nhiều chu kỳ.
Từ dòng trung bình tới thời lượng pin
Quan hệ cơ bản mà kỹ sư dùng là thời lượng pin xấp xỉ bằng dung lượng chia cho dòng trung bình. Ví dụ minh hoạ: pin 4.000 mAh với dòng trung bình 25 mA cho khoảng 160 giờ. Phép tính đó chỉ đúng khi dòng trung bình được đo trên một kịch bản đại diện và đủ dài để bao trùm nhiều chu kỳ DRX.
Trong thực tế, cần trừ hao cho những yếu tố mà phép chia đơn giản bỏ qua: dung lượng khả dụng giảm khi xả dòng cao và khi nhiệt độ thấp, thiết bị tắt ở điện áp ngắt trước khi pin cạn hẳn, và pin lão hoá theo số chu kỳ sạc. Vì những lý do đó, thời lượng pin ước tính từ phép đo nên được trình bày dưới dạng so sánh tương đối giữa các cấu hình DRX, ví dụ “cấu hình B giảm dòng trung bình 18% so với cấu hình A”, thay vì một số giờ tuyệt đối. Các bước giả lập pin theo mô hình nội trở và kịch bản xả được trình bày trong bài giả lập pin IoT: mô hình trở kháng trong và kịch bản xả.
Chọn thiết bị Keysight để đo tiêu thụ năng lượng thiết bị 5G
Nền tảng kiểm thử vô tuyến Keysight E7515B UXM 5G là bộ mô phỏng mạng có báo hiệu, hỗ trợ cả kiến trúc NSA lẫn SA. Máy hỗ trợ tổng băng thông NR tới 800 MHz với 8 sóng mang thành phần đường xuống và 4 sóng mang đường lên, phần RF tích hợp từ 380 MHz tới 6 GHz, còn dải mmWave FR2 dùng khối giao tiếp chung và đầu vô tuyến từ xa. Các định dạng hỗ trợ gồm NR, LTE, RedCap, NB-IoT và CAT-M, nên cùng một hệ đo phục vụ được cả điện thoại lẫn thiết bị IoT tế bào.
Mô-đun nguồn-đo hai góc phần tư Keysight N6781A được thiết kế cho phân tích tiêu hao pin: đầu ra +20 V / ±1 A hoặc +6 V / ±3 A, công suất 20 W, điện trở ra lập trình từ −40 mΩ tới +1 Ω. Máy có bốn dải đo dòng 3 A, 100 mA, 1 mA và 10 µA; chế độ chuyển dải liền mạch trên ba dải cao cho độ phân giải hiệu dụng khoảng 28 bit, đủ để thấy dòng từ nA tới A trong một lần ghi. Digitizer 18 bit lấy mẫu mỗi khoảng 5 µs (200 kHz), còn độ chính xác ở dải 10 µA là 0,025% + 8 nA.
Với thiết bị có xung dòng lớn hơn, Keysight N6785A nâng công suất lên 80 W, cấp tới ±8 A ở 6 V hoặc ±4 A ở 20 V, với các dải đo dòng 8 A, 100 mA và 1 mA cùng chức năng mô phỏng pin. Cả hai mô-đun lắp trong khung phân tích nguồn DC N6705C 4 khe, 600 W, có chức năng dao động ký lấy mẫu tới 200 kHz và ghi dữ liệu với chu kỳ từ 20 µs.
Kết luận
Muốn đo tiêu thụ năng lượng thiết bị 5G có ý nghĩa, hãy coi cấu hình mạng là một phần của mẫu thử: cố định kịch bản bằng bộ mô phỏng mạng, đổi từng tham số DRX một, cấp nguồn bằng bộ mô phỏng pin có nội trở thật, và lấy mẫu đủ nhanh để bắt được mọi lần thức nghe PDCCH. Khi đó dòng trung bình mới phản ánh đúng thời lượng pin, và kỹ sư biết chính xác cơ chế tiết kiệm năng lượng nào đang có tác dụng.
Phép đo dòng ở mức µA chỉ đáng tin khi thiết bị đo còn trong dung sai. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ hiệu chuẩn bộ nguồn-đo, bộ phân tích nguồn DC cùng thiết bị kiểm thử vô tuyến. Để được tư vấn cấu hình đo tiêu hao pin hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
