Đo công suất phát cực đại của UE 5G NR: lớp công suất, MPR và A-MPR

Một mẫu điện thoại 5G đo ra 21,2 dBm ở băng n1 có trượt bài thử công suất không? Câu trả lời phụ thuộc vào lớp công suất khai báo, dạng sóng, vị trí khối tài nguyên được cấp và cả giá trị báo hiệu mà mạng gửi xuống. Đo công suất phát cực đại của UE 5G NR vì thế không chỉ là đọc một con số dBm: kỹ sư phải biết thiết bị được phép giảm bao nhiêu (MPR, A-MPR), cửa sổ đạt/trượt rộng bao nhiêu, và sai số của chính hệ đo chiếm bao nhiêu phần trong cửa sổ đó. Bài viết này đi qua các yêu cầu trong 3GPP TS 38.101-1 Rel-19 (v19.6.0) và bài thử tương ứng trong TS 38.521-1 (v19.5.1), rồi bàn cách dựng hệ đo bằng thiết bị Keysight.

Đo công suất phát cực đại: lớp công suất UE quy định gì

Mục 6.2.1 của TS 38.101-1 định nghĩa các lớp công suất UE là công suất ra tối đa cho mọi băng thông truyền nằm trong băng thông kênh NR. Thời gian đo phải kéo dài ít nhất một subframe (1 ms). Bảng 6.2.1-1 có bốn lớp:

• Power class 1: 31 dBm, dung sai +2/−3 dB. Ghi chú của bảng nói rõ PC1 nhìn chung không nhắm tới điện thoại.
• Power class 1.5: 29 dBm, +2/−3 dB, đạt được bằng phân tập phát (Tx diversity).
• Power class 2: 26 dBm, +2/−3 dB.
• Power class 3: 23 dBm, là lớp mặc định nếu không nói khác.

Dung sai của PC3 không giống nhau ở mọi băng. Ở n1 là ±2 dB; ở n48, n77, n78 và n79 là +2/−3 dB; ở n28, n71, n83 là +2/−2,5 dB. Ngoài ra ghi chú 3 của bảng nới giới hạn dưới thêm 1,5 dB khi băng thông truyền nằm trong khoảng 4 MHz sát mép dưới hoặc mép trên của băng uplink. Một kết quả 21,2 dBm ở giữa băng n1 vẫn nằm trong 23 dBm ±2 dB, nhưng nếu con số đó rơi vào 20,8 dBm thì phải xem cấp phát có nằm ở mép băng hay không trước khi kết luận.

Các lớp công suất cao (HPUE) còn gắn với chu kỳ làm việc. Nếu UE hỗ trợ lớp cao hơn mặc định nhưng không báo trường năng lực maxUplinkDutyCycle-PC2-FR1 và tỉ lệ ký hiệu uplink vượt 50 %, hoặc mạng báo P-Max ≤ 23 dBm, UE áp toàn bộ yêu cầu của PC3. Với PC1.5, ngưỡng tương ứng là 25 % để lùi về yêu cầu PC2. Đây là lý do một máy PC2 đo trong cấu hình TDD nhiều slot uplink có thể cho ra đúng mức 23 dBm mà vẫn hợp lệ.

MPR: vì sao điều chế bậc cao được phép phát thấp hơn

Bộ khuếch đại công suất phải lùi khỏi điểm nén khi tín hiệu có tỉ số công suất đỉnh trên trung bình cao, nếu không phát xạ ngoài kênh và EVM sẽ vượt giới hạn. Mục 6.2.2 cho phép UE giảm công suất tối đa theo điều chế và cấu hình băng thông truyền, gọi là MPR (Maximum Power Reduction). Bảng 6.2.2-1 cho PC3, theo thứ tự cấp phát Edge / Outer / Inner:

• DFT-s-OFDM QPSK: ≤ 1 / ≤ 1 / 0 dB.
• DFT-s-OFDM 16QAM: ≤ 2 / ≤ 2 / ≤ 1 dB.
• DFT-s-OFDM 64QAM: ≤ 2,5 dB; 256QAM: ≤ 4,5 dB cho cả ba vùng.
• CP-OFDM QPSK: ≤ 3 / ≤ 3 / ≤ 1,5 dB; 16QAM: ≤ 3 / ≤ 3 / ≤ 2 dB.
• CP-OFDM 64QAM: ≤ 3,5 dB; 256QAM: ≤ 6,5 dB cho cả ba vùng.

Ba vùng cấp phát được định nghĩa chặt chẽ. Cấp phát Inner có vị trí khởi đầu nằm giữa RB_Start,Low = max(1, floor(L_CRB/2)) và RB_Start,High = N_RB − RB_Start,Low − L_CRB, đồng thời độ dài không quá nửa số RB của kênh. Cấp phát Edge là tối đa 2 RB nằm ở mép dưới cùng hoặc trên cùng của kênh. Mọi trường hợp còn lại là Outer. Cùng một máy, chuyển từ DFT-s-OFDM QPSK cấp phát inner sang CP-OFDM 256QAM có thể hợp lệ phát thấp hơn tới 6,5 dB.

Chữ “≤” quan trọng: MPR là mức giảm được phép tối đa, không phải mức giảm bắt buộc. Một UE giảm ít hơn vẫn đạt. Với một số băng thông kênh rộng tương đối so với băng tần, Bảng 6.2.2-3 cộng thêm ΔMPR, ví dụ 0,5 dB cho n28 kênh 30 và 40 MHz, 1 dB cho n40 kênh 100 MHz.

MPR và A-MPR: khi mạng yêu cầu thêm

Ở một số băng, phát xạ của UE có thể lọt vào dịch vụ lân cận. Mạng khi đó báo một giá trị NS (network signalling) qua trường additionalSpectrumEmission, và UE phải đáp ứng yêu cầu phát xạ bổ sung, đổi lại được phép giảm thêm công suất gọi là A-MPR. NS_01 là mặc định, không có yêu cầu bổ sung. Các giá trị khác gắn với băng cụ thể: NS_03 cho n2, n25, n66, n70; NS_04 cho n41 và n90; NS_05 cho n1, n65, n84.

Điểm hay bị hiểu sai là MPR và A-MPR không cộng dồn. Mục 6.2.3.1 viết rõ mức giảm tổng là max(MPR + ΔMPR, A-MPR). Riêng NS_04, tiêu chuẩn còn yêu cầu đặt MPR bằng 0 trong phương trình P_CMAX để tránh tính hai lần, và A-MPR = max(MPR, A-MPR’). A-MPR’ phụ thuộc vị trí cấp phát so với mép dưới băng: với PC3, trong vùng méo xuyên điều chế bậc ba, CP-OFDM QPSK được giảm tới ≤ 5,5 dB và CP-OFDM 256QAM tới ≤ 8 dB, so với ≤ 3 dB và ≤ 6,5 dB của MPR thông thường. Khi đo máy ở n41 mà quên cấu hình NS đúng, kết quả sẽ không so được với giới hạn nào.

Công suất cấu hình P_CMAX: ghép mọi thứ thành một cửa sổ

Mục 6.2.4 gom lớp công suất, MPR, A-MPR và giới hạn do mạng đặt (P_EMAX) thành công suất cấu hình P_CMAX, nằm giữa hai cận. Theo bản v19.6.0:

• P_{CMAX_H} = MIN{P_EMAX, P_PowerClass − ΔP_PowerClass + ΔP_PowerBoost}
• P_{CMAX_L} = MIN{P_EMAX − ΔT_C, (P_PowerClass − ΔP_PowerClass + ΔP_PowerBoost) − MAX(MAX(MPR + ΔMPR, A-MPR) + ΔT_IB + ΔT_C + ΔT_RxSRS, P-MPR)}

ΔT_C bằng 1,5 dB khi ghi chú mép băng áp dụng, còn lại bằng 0. ΔP_PowerClass bằng 3 dB cho PC2 (6 dB cho PC1.5) khi mạng giới hạn P-Max ≤ 23 dBm hoặc khi vượt chu kỳ làm việc. P-MPR dùng cho tuân thủ phơi nhiễm trường điện từ khi thiết bị ở gần cơ thể, và bằng 0 dB trong thử hợp chuẩn đo dẫn. Công suất đo được phải nằm trong [P_{CMAX_L} − dung sai; P_{CMAX_H} + dung sai], với dung sai theo Bảng 6.2.4-1: 2,0 dB khi P_CMAX từ 21 tới 33 dBm, rồi nới dần 2,5 / 3,5 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0 dB khi công suất cấu hình giảm xuống. Nghĩa là càng giảm sâu vì MPR, cửa sổ chấp nhận càng rộng.

Bài thử 6.2.1 theo TS 38.521-1: quy trình và dung sai thử

Bài thử hợp chuẩn công suất tối đa (TS 38.521-1 mục 6.2.1) cố ý loại MPR ra khỏi phép đo. Sáu cấu hình thử chỉ dùng DFT-s-OFDM π/2 BPSK và QPSK với cấp phát inner: toàn phần, 1 RB trái và 1 RB phải, nên MPR bằng 0 dB và kết quả phản ánh đúng P_PowerClass. Với băng có ΔMPR > 0, bài thử đổi băng thông kênh để giữ MPR bằng 0. Phép đo lặp ở tần số thấp, giữa, cao, băng thông kênh nhỏ nhất, giữa và lớn nhất, cùng các góc nhiệt độ và điện áp.

Trình tự rút gọn:

1. Hệ mô phỏng mạng lập lịch uplink bằng DCI 0_1, UE gửi dữ liệu đệm.
2. Gửi liên tục lệnh điều khiển công suất “tăng” trong mọi bản tin lập lịch, chờ ít nhất 200 ms để UE lên tới P_UMAX.
3. Đo công suất trung bình trong băng thông kênh, trên ít nhất một subframe hoạt động liên tục (1 ms), chỉ trong các ký hiệu uplink.
4. Lặp lại với P-Max = 23 dBm: UE PC2 hoặc PC1 phải lùi về mức PC3.

Giới hạn thử bằng giới hạn tối thiểu nới thêm dung sai thử TT (Bảng 6.2.1.5-3): 0,7 dB khi tần số ≤ 3 GHz và băng thông ≤ 40 MHz, còn lại 1,0 dB. Ví dụ UE PC3 ở n78 (3,3–3,8 GHz), kênh 100 MHz: 23 dBm, +2 + 1,0 / −3 − 1,0 dB, tức cửa sổ 19,0 tới 26,0 dBm (giá trị tính từ bảng). TT không phải lúc nào cũng bằng độ không đảm bảo đo tối đa cho phép của hệ thử ở Phụ lục F: với f ≤ 3 GHz, kênh rộng hơn 40 MHz, MU cho phép là ±1,4 dB trong khi TT chỉ 1,0 dB. Khoảng chênh đó là rủi ro của phòng thử, không phải của UE.

Nguồn sai số: dung sai công suất và tổn hao tuyến

Phụ lục F của TS 38.521-1 nêu rõ các giá trị độ không đảm bảo ở F.1 áp dụng cho hệ thử làm việc trên tải 50 Ω danh định và không bao gồm ảnh hưởng do mất phối hợp trở kháng giữa UE và hệ thử. Trong thực tế R&D, phần lớn sai lệch khi đo công suất phát cực đại đến từ những thứ nằm ngoài máy đo: cáp RF, đầu nối, bộ chia, bộ suy hao và đồ gá. Tổn hao cáp tăng theo tần số và thay đổi theo từng đoạn cáp; giả sử offset nhập vào máy đo lệch 0,5 dB so với tổn hao thật thì riêng sai lệch đó đã chiếm một nửa dung sai thử 1,0 dB.

Quy trình tối thiểu nên có:

• Đo tổn hao từng tuyến bằng nguồn CW và cảm biến công suất tại chính tần số thử, không dùng giá trị trên nhãn cáp.
• Nhập offset theo tần số vào hệ mô phỏng mạng hoặc máy phân tích tín hiệu, rồi kiểm tra lại bằng một mức chuẩn.
• Giữ nguyên cáp và đầu nối giữa lúc đo tổn hao và lúc thử; siết đúng mô-men xoắn.
• Ghi lại dung sai công suất của từng thiết bị trong chuỗi và cộng vào ngân sách sai số, vì TS 38.521-1 yêu cầu độ không đảm bảo thực tế của hệ thống phải được ghi trong báo cáo và không vượt giá trị ở Phụ lục F.

Bài viết về đo độ nhạy thu REFSENS của UE 5G NR dùng cùng tuyến kết nối này; hiệu chuẩn tuyến một lần phục vụ được cả bài thử phát lẫn thu.

Chọn thiết bị Keysight để đo công suất phát cực đại

Hệ đo cần hai chức năng: một thiết bị đóng vai trạm gốc để điều khiển UE lên công suất tối đa, và một phép đo công suất có độ chính xác biết trước.

• Bộ mô phỏng mạng 5G UXM Keysight E7515B: 380 MHz – 15 GHz, 8 cổng RF, 8 sóng mang thành phần downlink và 4 uplink 2×2, NSA và SA. UXM báo hiệu, gửi lệnh TPC và đo công suất UE ngay trên nền tảng. Để chạy test case hợp chuẩn TS 38.521-1 dạng GCF/PTCRB, Keysight cung cấp bộ công cụ S8705A chạy trên chính E7515B; một mình UXM là nền tảng báo hiệu và đo tham số RF cho R&D.
• Máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B: băng thông phân tích cấu hình được tới 4 GHz, độ chính xác biên độ tuyệt đối ±0,12 dB danh định tại 50 MHz. Phù hợp khi cần đo chéo công suất kênh và phổ ngoài kênh ở băng thông rộng.
• Máy phân tích tín hiệu MXA Keysight N9020B: băng phân tích tối đa 160 MHz, độ chính xác biên độ tuyệt đối ±0,33 dB tại 50 MHz (±0,23 dB ở mức phân vị 95 từ 10 MHz tới 3,6 GHz). Cùng ứng dụng đo 5G NR N9085EM0E có công suất kênh, công suất bật/tắt phát và công suất theo slot/ký hiệu.
• Cảm biến công suất Keysight U2049XA: 10 MHz – 33 GHz, chế độ trung bình −70 tới +20 dBm, độ chính xác cơ bản ≤ ±0,23 dB từ 30 MHz tới 26,5 GHz, kết nối LAN/PoE không cần máy đo công suất. Dùng để đo tổn hao tuyến trước khi nhập offset. Vì giới hạn trên +20 dBm, khi đo trực tiếp UE 23 hoặc 26 dBm cần thêm bộ suy hao.

Cách phối hợp hợp lý: dùng U2049XA đo tổn hao tuyến, nhập offset vào UXM, đo công suất tối đa trên UXM, rồi kiểm chứng định kỳ một điểm bằng máy phân tích tín hiệu để phát hiện trôi của tuyến.

Kết luận

Đo công suất phát cực đại của UE 5G NR đúng nghĩa là đọc con số dBm trong bối cảnh: lớp công suất và dung sai theo băng, MPR theo dạng sóng và vùng cấp phát, A-MPR khi mạng báo NS, và cửa sổ P_CMAX với dung sai nới dần. Bài thử hợp chuẩn tránh MPR bằng cấp phát inner và điều chế thấp, nên kết quả phản ánh trực tiếp lớp công suất. Phần còn lại, và thường là phần lớn nhất, là sai số của tuyến đo mà tiêu chuẩn không tính hộ.

Máy phân tích, cảm biến công suất và hệ mô phỏng mạng chỉ cho kết quả so được với giới hạn 3GPP khi còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích tín hiệu và cảm biến công suất theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo máy phát 5G NR và lịch hiệu chuẩn.

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