Một đồng hồ nước thông minh hay một thiết bị định vị tài sản chạy NB-IoT được kỳ vọng dùng một viên pin trong nhiều năm, ở những vị trí sóng yếu như tầng hầm. Hai yêu cầu đó kéo theo hai nhóm phép đo khác hẳn điện thoại di động. Nhóm thứ nhất là dòng tiêu thụ ở mức microampe trong các chế độ ngủ. Nhóm thứ hai là độ nhạy thu khi mạng phải lặp lại dữ liệu hàng trăm lần để vươn tới thiết bị. Bài viết trình bày cách đo kiểm NB-IoT và LTE-M theo 3GPP: thông số lớp vật lý, cơ chế tiết kiệm năng lượng, cơ chế tăng cường vùng phủ, và cách dựng băng thử bằng thiết bị Keysight.
NB-IoT và LTE-M khác LTE thông thường ở đâu
Cả hai công nghệ được 3GPP đưa vào từ Release 13 cho thiết bị IoT di động. Chúng đi hai hướng khác nhau:
- NB-IoT (Category NB1, NB2): theo TS 36.101 mục 5.6F, băng thông kênh là 200 kHz. Băng thông truyền dẫn là 1 khối tài nguyên, tức 180 kHz: 12 sóng mang con 15 kHz, hoặc 48 sóng mang con 3,75 kHz ở đường lên. Đường lên còn cho phép truyền đơn âm (single-tone). Các kênh tham chiếu đường lên trong TS 36.101 gồm 1 âm ở 3,75 kHz và 1/3/6/12 âm ở 15 kHz.
- LTE-M (Cat-M1, eMTC): dùng 6 khối tài nguyên, tức 1,4 MHz. LTE-M gần LTE hơn, hỗ trợ di động và thoại, tốc độ cao hơn NB-IoT.
NB-IoT có ba chế độ triển khai theo TS 36.101. Độc lập (stand-alone) dùng phổ riêng, ví dụ thay sóng mang GSM. Dải bảo vệ (guard-band) dùng khối tài nguyên trống trong dải bảo vệ của sóng mang LTE. Trong băng (in-band) dùng khối tài nguyên nằm trong sóng mang LTE, hoặc trong sóng mang NR. Chế độ triển khai ảnh hưởng tới phép đo phát xạ, vì NB-IoT trong băng phải cùng tồn tại với sóng mang LTE bên cạnh.
Về công suất phát, bảng 6.2.2F-1 của TS 36.101 định nghĩa ba lớp cho NB1/NB2: lớp 3 là 23 dBm ±2 dB, lớp 5 là 20 dBm ±2 dB, lớp 6 là 14 dBm ±2,5 dB. Lớp 14 dBm dành cho thiết bị dùng pin nhỏ, không chịu được dòng đỉnh lớn khi phát.
Chế độ PSM và eDRX: đo kiểm NB-IoT phần tiết kiệm năng lượng
Thiết bị IoT sống lâu nhờ ngủ gần như toàn thời gian. 3GPP cung cấp hai cơ chế, được thoả thuận giữa thiết bị và mạng qua báo hiệu NAS (TS 24.301, TS 24.008).
PSM — chế độ tiết kiệm năng lượng
Sau khi truyền xong, thiết bị giữ trạng thái nghe được tìm gọi trong thời gian của bộ định thời T3324 (active timer). Hết T3324, thiết bị vào PSM: vẫn đăng ký với mạng nhưng tắt gần hết phần vô tuyến và không thể liên lạc tới. Thiết bị thức dậy khi có dữ liệu cần gửi, hoặc khi tới hạn cập nhật vùng định vị định kỳ theo T3412 mở rộng. Theo TS 24.008 mục 10.5.7.4a, T3412 mở rộng mã hoá 5 bit giá trị với đơn vị lớn nhất 320 giờ. Giá trị tối đa vì vậy là 31 × 320 giờ = 9 920 giờ, khoảng 413 ngày.
eDRX — chu kỳ nhận gián đoạn mở rộng
Với eDRX, thiết bị vẫn nghe được tìm gọi nhưng kéo giãn chu kỳ nghe. Theo TS 24.008 mục 10.5.5.32:
- LTE-M: chu kỳ eDRX từ 5,12 s tới 2 621,44 s (khoảng 43,7 phút); cửa sổ thời gian tìm gọi (PTW) 1,28–20,48 s.
- NB-IoT: chu kỳ eDRX tới 10 485,76 s (khoảng 2,91 giờ); PTW 2,56–40,96 s.
Chọn giữa chế độ PSM và eDRX là bài toán đánh đổi giữa độ trễ phản hồi và tuổi thọ pin. Chỉ đo thực tế mới trả lời được, vì dòng trung bình phụ thuộc vào cấu hình mạng. Ví dụ, bản đặc tả mô-đun Nordic nRF9160 (v2.2, ở 3,7 V) ghi dòng đáy PSM 2,7 µA. Ở eDRX chu kỳ 81,92 s, dòng trung bình là 18 µA với Cat-M1 và 37 µA với Cat-NB1. Đây là số của một mô-đun cụ thể, không phải giá trị trong tiêu chuẩn. Nhưng nó cho thấy dải động mà hệ đo phải xử lý: dòng ngủ vài microampe xen với các xung phát cao hơn nhiều bậc, chỉ kéo dài vài mili giây.
Đo dòng trong PSM và eDRX: bốn yêu cầu với hệ đo
- Chuyển dải liền mạch: dòng nhảy từ µA lên mức phát trong vài micro giây. Hệ đo chuyển dải có khoảng chết sẽ mất đúng phần năng lượng quan trọng nhất.
- Lấy mẫu đủ nhanh để bắt xung phát và các lần thức dậy nghe tìm gọi.
- Ghi dài đủ nhiều chu kỳ eDRX hoặc nhiều lần cập nhật định kỳ để lấy trung bình có nghĩa.
- Mô phỏng pin: điện trở trong của pin làm sụt áp khi phát. Nguồn lý tưởng sẽ cho kết quả lạc quan hơn thực tế.
Phép đo này chỉ có ý nghĩa khi mạng thực sự cấp cho thiết bị các giá trị T3324, T3412 và eDRX mong muốn. Vì vậy phải đo trên bộ mô phỏng mạng, nơi kỹ sư tự đặt bộ định thời, thay vì trên mạng thương mại.
Tăng cường vùng phủ: lặp lại và độ nhạy thu
NB-IoT được thiết kế cho suy hao ghép tối thiểu (MCL) 164 dB. Theo Ericsson, con số này tốt hơn LTE thông thường 20 dB. Cơ chế chính để tăng cường vùng phủ là lặp lại. Theo TS 36.213, NPDSCH được lặp tới 2 048 lần (bảng 16.4.1.3-2) và NPUSCH tới 128 lần (bảng 16.5.1.1-3). LTE-M có hai chế độ tăng cường vùng phủ. Chế độ CE A lặp PDSCH tới 32 lần. Chế độ CE B lặp tới 2 048 lần (bảng 7.1.11-1 và 7.1.11-2).
Lặp lại có giá: mỗi lần lặp là thêm thời gian phát, tức thêm năng lượng. Thiết bị ở vùng phủ kém có thể tốn pin gấp nhiều lần thiết bị cùng loại đặt gần trạm. Vì vậy đo kiểm NB-IoT nên chạy phép đo dòng ở vài mức suy hao đường truyền khác nhau, không chỉ ở điều kiện sóng tốt.
Độ nhạy tham chiếu theo TS 36.101
- NB1/NB2 (mục 7.3.1F.1): REFSENS = −108,2 dBm cho mọi băng. Điều kiện: thông lượng ≥95 %, kênh tham chiếu bảng A.3.2-1c (HD-FDD, độc lập), 200 kHz, QPSK tỉ lệ mã 1/3, TBS 88 bit, không lặp NPDSCH.
- Cat-M1 FD-FDD (bảng 7.3.1E-3): băng 1 −102,2 dBm, băng 3 −99,2 dBm, băng 8 và 20 −99,7 dBm, băng 28 −100,7 dBm. Bản HD-FDD (bảng 7.3.1E-4) tốt hơn khoảng 0,8 dB.
REFSENS đo ở điều kiện không lặp. Khả năng thu ở vùng phủ sâu là phép thử riêng, với số lần lặp do bộ mô phỏng cấu hình. Bài đo kiểm 5G RedCap phân tích cùng bài toán vùng phủ cho thiết bị NR băng hẹp, nơi mất mát đến từ việc cắt giảm ăng-ten thay vì dựa vào lặp lại.
Dựng băng thử đo kiểm NB-IoT và LTE-M
Băng thử đầy đủ gồm ba khối, mỗi khối trả lời một câu hỏi:
| Khối | Câu hỏi | Phép đo chính |
|---|---|---|
| Bộ mô phỏng mạng | Thiết bị có kết nối, ngủ và thức đúng cấu hình? | Báo hiệu PSM/eDRX, mức CE, số lần lặp, thông lượng, độ nhạy |
| Nguồn–đo phân tích tiêu hao pin | Thiết bị tốn bao nhiêu năng lượng? | Dạng dòng theo thời gian, dòng trung bình, điện tích mỗi chu kỳ |
| Máy phân tích tín hiệu | Máy phát có đạt chỉ tiêu RF? | Công suất, EVM, phát xạ ngoài băng, ACLR |
Trình tự nên theo từ ngoài vào trong. Trước hết kiểm tra RF phát ở vài mức công suất. Tiếp theo xác nhận kết nối và độ nhạy trên bộ mô phỏng mạng. Sau cùng mới đo năng lượng ở từng cấu hình PSM/eDRX và từng mức suy hao. Làm ngược lại, một lỗi RF sẽ trông giống một lỗi tiêu hao pin.
Thiết bị Keysight cho đo kiểm NB-IoT và LTE-M
Bộ mô phỏng mạng E7515B UXM 5G
Trang sản phẩm Keysight liệt kê các chuẩn được bộ mô phỏng mạng Keysight E7515B UXM 5G hỗ trợ: 5G NR, LTE, RedCap, NB-IoT, CAT-M, W-CDMA, GSM, C-V2X và WLAN. Trang cũng nêu khả năng báo hiệu eMTC và thử chức năng/KPI cho NB-IoT và NB-NTN. Một nền tảng vì vậy phủ cả thiết bị IoT lẫn điện thoại 5G. Cấu hình phần mềm và giấy phép cụ thể cho NB-IoT/Cat-M cần xác nhận với Keysight khi báo giá.
Mô-đun nguồn–đo N6781A cho phân tích tiêu hao pin
Mô-đun SMU hai góc phần tư Keysight N6781A (20 V/±1 A hoặc 6 V/±3 A, 20 W) được thiết kế cho phép đo này. Theo datasheet dòng N6780, mô-đun có bốn dải đo dòng: 3 A, 100 mA, 1 mA và 10 µA. Ba dải trên chuyển liền mạch, không có khoảng chết khi dòng nhảy từ ngủ sang phát. Bộ số hoá 18 bit, 200 kHz, lấy mẫu nhanh nhất 5 µs một điểm. Mô-đun có chế độ mô phỏng pin với điện trở ra lập trình từ −40 mΩ tới +1 Ω, và ngõ vào phụ để đo điện áp khi xả pin thật. N6781A lắp trong khung N6705C và làm việc với phần mềm phân tích tiêu hao pin 14585A để ghi dài và tính điện tích.
Máy phân tích tín hiệu N9020B MXA
Cho phép đo phát, máy phân tích tín hiệu Keysight N9020B MXA phủ 10 Hz tới 50 GHz (các cấu hình 3,6/26,5/44/50 GHz), băng thông phân tích tới 160 MHz. Ứng dụng đo N9080EM3E “NB-IoT and eMTC FDD” dành riêng cho hai công nghệ này, theo Release 13. Nó hỗ trợ cả ba chế độ triển khai và giải điều chế NPUSCH, NPRACH, NPBCH. Lưu ý: N9080EM0E là ứng dụng LTE/LTE-A FDD, không thay được N9080EM3E.
Kết luận
Đo kiểm NB-IoT xoay quanh ba câu hỏi: máy phát có đạt chỉ tiêu RF, thiết bị có kết nối được ở vùng phủ sâu, và pin thực sự kéo dài bao lâu. Câu hỏi thứ ba khó nhất. Nó đòi hỏi bộ mô phỏng mạng đặt được T3324, T3412 mở rộng và chu kỳ eDRX, cùng một hệ đo dòng chuyển dải liền mạch từ microampe tới ampe. LTE-M đi cùng khung đo đó, chỉ khác băng thông, mức CE và dải eDRX.
Khi dòng ngủ chỉ vài microampe, sai số dải thấp của nguồn–đo quyết định dự báo tuổi thọ pin sai lệch bao nhiêu tháng. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn nguồn DC, SMU và máy phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình băng thử và lịch hiệu chuẩn.
