Một thiết bị 5G có thể qua hết các bài đo phát và thu trên bàn thử, vậy mà ra mạng thật tốc độ tải xuống vẫn thấp. Các bài đo RF riêng lẻ không cho thấy máy thu xử lý ra sao khi nhiều luồng dữ liệu cùng đi qua kênh bị pha-đinh, trễ đa đường và dịch Doppler. Vì thế, đo MIMO và thông lượng dưới kênh mô phỏng mới là phép thử sát trải nghiệm người dùng.
Bài này tập trung vào phép thử hiệu năng theo 3GPP TS 38.101-4: rank và lớp, cách kênh pha-đinh được chuẩn hoá, cấu hình bài đo, cách đọc ngưỡng SNR và các lỗi hay làm sai kết quả.
Số lớp không gian và rank: vì sao thông lượng là chỉ số cuối cùng
Trạm gốc 5G NR có thể chia dữ liệu PDSCH thành nhiều lớp (layer) song song trên cùng dải tần; máy thu dùng nhiều anten để tách chúng. Số lớp không gian cũng chính là rank của lần truyền. Theo TS 38.211, bảng ánh xạ từ mã sang lớp cho ghép kênh không gian quy định từ 1 đến 4 lớp dùng một từ mã, còn từ 5 đến 8 lớp dùng hai từ mã.
Số lớp kênh chở được không do trạm gốc tự quyết. UE đo CSI-RS rồi báo CQI, PMI và RI (rank indicator). Theo TS 38.214, UE chọn chỉ số CQI cao nhất sao cho khối truyền PDSCH tương ứng có xác suất lỗi không vượt 0,1 (bảng CQI table1, table2, table4-r17) hoặc 0,00001 (table3). Trạm gốc dựa vào đó chọn rank và MCS.
Chuỗi này gồm ước lượng kênh, tách lớp, giải mã, HARQ và báo cáo CSI; chỉ một mắt xích yếu là thông lượng giảm. Vì vậy đo thông lượng là chỉ số cuối cùng, gộp tất cả vào con số người dùng cảm nhận. TS 38.101-4 cũng đặt yêu cầu PDSCH quanh thông lượng, dưới các mô hình kênh, MCS và số lớp MIMO khác nhau.
Mô phỏng kênh pha-đinh theo 3GPP: trải trễ, Doppler và tương quan
Cách một kênh vô tuyến thật được đo đạc và mô tả đã được trình bày trong bài đo đặc tính kênh vô tuyến bằng channel sounding. Ở đây chỉ bàn phần 3GPP đóng gói thành điều kiện thử lặp lại được. Theo Annex B của TS 38.101-4, điều kiện mô phỏng kênh pha-đinh gồm ba phần: một delay profile dạng đường trễ có nhánh (tapped delay line), một phổ Doppler dạng cổ điển với tần số Doppler tối đa, và mô hình riêng cho FR1 (dưới 6 GHz) và FR2 (trên 6 GHz).
Trải trễ: kênh chọn lọc tần số đến mức nào
Các delay profile trong TS 38.101-4 được đơn giản hoá từ mô hình TDL của TR 38.901. Với FR1, TDLA30 có 12 nhánh, trải trễ hiệu dụng 30 ns và các nhánh trải trên 290 ns; TDLB100 có trải trễ 100 ns trên 480 ns; TDLC300 có 300 ns trên tới 2595 ns; TDLD30 có 10 nhánh, 30 ns trên 375 ns. Độ phân giải trễ của cả bốn là 5 ns. TR 38.901 xếp TDL-A, TDL-B, TDL-C vào nhóm không có đường nhìn thẳng (NLOS), còn TDL-D và TDL-E có đường nhìn thẳng, nên nhánh đầu tiên của chúng pha-đinh theo phân bố Rice.
Doppler: kênh thay đổi nhanh đến mức nào
Tên điều kiện thử ghép mô hình với Doppler tối đa, ví dụ TDLA30-10 là TDLA30 với Doppler 10 Hz. Bảng tham số FR1 gồm TDLA30-5, TDLA30-10, TDLB100-400, TDLC300-100, TDLC300-600, TDLC300-1200 và TDLD30-5; FR2 dùng các tổ hợp như TDLA30-35, TDLA30-75, TDLA30-300 và TDLC60-300. TR 38.901 định nghĩa Doppler tối đa fD = v/λ0. Tính nhẩm ở 3,5 GHz (bước sóng khoảng 8,57 cm), 100 Hz tương ứng khoảng 31 km/h, còn 600 Hz vào khoảng 185 km/h.
Ma trận tương quan: các lớp có tách được không
Với MIMO, điều quyết định là các đường anten có giống nhau hay không. TS 38.101-4 định nghĩa ma trận tương quan cho mảng tuyến tính đều bằng hai tham số α và β cho hai phía: mức Low có α = β = 0, Medium có 0,3 và 0,9, Medium A có 0,3 và 0,3874, High có α = β = 0,9. Tương quan càng cao, ma trận kênh càng khó tách thành nhiều lớp độc lập. TR 38.901 ghi mô hình TDL dành cho đánh giá đơn giản hoá, ví dụ không-MIMO, nên bài thử cần thêm ma trận tương quan để có hành vi không gian.
Thiết lập bài đo MIMO và thông lượng dưới kênh pha-đinh
Bài thử thông lượng PDSCH có bốn khối: bộ mô phỏng mạng đóng vai trạm gốc và chọn số lớp, MCS; khối pha-đinh áp TDL, Doppler và tương quan lên từng đường; khối nhiễu đặt SNR; và UE gửi ngược ACK/NACK cùng báo cáo CSI.
Bài đo kiểm thiết bị 5G bằng bộ mô phỏng mạng UXM đã giải thích vì sao một cặp máy phát và máy phân tích tín hiệu không thay được bộ mô phỏng mạng. Với bài đo thông lượng, không có báo hiệu thì không có vòng CQI, RI và HARQ để kiểm tra.
Đo dẫn: đặt SNR ở đâu
Phần lớn yêu cầu PDSCH trong TS 38.101-4 là yêu cầu dẫn (conducted), nối cáp thẳng vào đầu nối anten của UE. Mode 1 có nguồn nhiễu ngoài: tín hiệu mức Es cộng nhiễu trắng mật độ Noc, chọn để đạt SNR mục tiêu; Mode 2 không có nhiễu. Điểm tham chiếu của SNR, Es và Noc là đầu nối anten UE. SNR lấy tổng trên các đầu nối thu và không tính độ lợi precoding.
UE hỗ trợ 2 hoặc 4 cổng thu tuỳ băng; UE chỉ có 2 cổng chạy bài PDSCH mục 5.2.2, UE có 4 cổng chạy mục 5.2.3. Bài bốn lớp cần bốn đường pha-đinh độc lập tới bốn đầu nối của UE.
Kiểm tra vòng thích ứng CQI, RI và MCS
Thông lượng còn phụ thuộc UE báo đúng. Bài RI của TS 38.101-4 so thông lượng khi phát theo rank UE báo với khi cố định một rank. Với UE 2 anten thu ở FDD, kênh TDLA30-5, 10 MHz: ở SNR 0 dB với tương quan Low, thông lượng theo RI báo phải không thấp hơn thông lượng khi cố định rank 2 (tỷ số γ2 ≥ 1,0); ở SNR 20 dB với tương quan Low, phải cao hơn ít nhất 5% so với cố định rank 1 (γ1 ≥ 1,05); ở SNR 20 dB với tương quan High, tỷ số so với rank 1 phải từ 0,9 trở lên.
Bài CQI dưới nhiễu trắng yêu cầu CQI báo cáo nằm trong ±1 quanh trung vị hơn 90% thời gian, và BLER ở CQI trung vị với CQI lân cận nằm đúng hai phía ngưỡng 0,1. Nếu UE báo rank hoặc CQI quá dè dặt, trạm gốc sẽ phát ít hơn khả năng của kênh.
Đọc ngưỡng SNR trong TS 38.101-4 theo số lớp
Mỗi dòng yêu cầu PDSCH ghi kênh tham chiếu, băng thông, điều chế, điều kiện truyền, cấu hình tương quan và anten, rồi tỷ lệ thông lượng tối đa và SNR. Phần lớn dùng mốc 70%; bài kết hợp mềm HARQ (Test 1-4, 2 anten thu) dùng 30%. Các bảng này mang tên hiệu năng tối thiểu: ở mức SNR ghi trong bảng, UE phải đạt ít nhất tỷ lệ thông lượng đó. Theo Annex A, thông lượng tính theo từng từ mã, và khi truyền nhiều từ mã thì con số dùng để so là tổng của tất cả từ mã.
Vài dòng đáng chú ý ở FDD 10 MHz
- Rank 1, 2×2 tương quan Low: QPSK 0,30 trên TDLB100-400 cần −0,8 dB; 256QAM 0,82 trên TDLA30-10 cần 24,6 dB; 1024QAM 0,79 trên TDLD30-5 cần 29,5 dB.
- Rank 2, 64QAM 0,50, TDLA30-10: cấu hình 2×2 cần 19,4 dB, còn 2×4 (UE bốn anten thu) chỉ cần 13,5 dB, thấp hơn 5,9 dB.
- 4×4 tương quan Low, 16QAM 0,48, TDLA30-10: rank 3 cần 11,0 dB, rank 4 cần 15,6 dB, tức thêm một lớp tốn thêm 4,6 dB.
- Cùng kênh tham chiếu rank 3 nhưng tương quan Medium A, với yêu cầu máy thu tăng cường Type 1: 22,3 dB, cao hơn 11,3 dB so với tương quan Low.
Khi so hai UE, chỉ so các dòng cùng kênh tham chiếu, mô hình kênh và cấu hình tương quan.
Những bẫy thường gặp khi đo thông lượng MIMO
Đường cáp không cân bằng
Mỗi đầu nối anten UE là một điểm tham chiếu SNR. Nếu các đường cáp và bộ chia có suy hao khác nhau mà không bù, SNR từng cổng lệch nhau và kết quả trông như UE có nhánh thu yếu. Hãy đo suy hao từng đường tại tần số thử và nhập vào bộ mô phỏng; dùng cáp cùng loại, cùng chiều dài và cố định trong suốt phép đo để các đường giữ ổn định.
Đặt SNR sai tham chiếu
SNR trong tiêu chuẩn tính theo tín hiệu SSS và tổng trên các đầu nối thu, không tính độ lợi precoding. Dùng định nghĩa khác hoặc bỏ qua suy hao đường dẫn thì so sánh với bảng tiêu chuẩn mất ý nghĩa. Nên kiểm tra mức công suất thực ở cổng bằng máy phân tích tín hiệu trước khi chạy.
Nhầm cấu hình tương quan và thời gian đo
Chạy bài rank 3 với tương quan High trong khi tiêu chuẩn ghi Low, hay dùng TDLA30-5 thay cho TDLA30-10, đều cho con số không thể so sánh. Với Doppler thấp như 5 Hz hay 10 Hz, kênh đổi chậm, nên cần đo đủ lâu để kết quả phản ánh thống kê pha-đinh chứ không phải một đoạn kênh tình cờ.
Cây quyết định nhanh
- Thông lượng thấp ở mọi rank: kiểm tra suy hao cáp, định nghĩa SNR và mô hình kênh trước khi nghi máy thu.
- Rank 1 đạt, rank cao không đạt ở tương quan Low: nghi khâu tách lớp hoặc ước lượng kênh; so riêng các dòng 2×2 với 2×4 để xem độ lợi anten thu có đúng kỳ vọng.
- Thông lượng đạt khi cố định rank nhưng thấp khi để UE tự báo: chạy bài RI và CQI để kiểm tra vòng thích ứng.
- Kết quả dẫn đạt nhưng sản phẩm hoàn chỉnh vẫn yếu: đã đến lúc chuyển sang kiểm thử qua không gian, nơi anten và vỏ máy tham gia; phần này được bàn trong bài đo EVM 5G FR2 và kiểm thử OTA.
Chọn thiết bị Keysight cho đo thông lượng MIMO
Keysight E7515B UXM 5G là hệ thống mô phỏng mạng và kiểm thử báo hiệu tích hợp, cho phép đo thông lượng dưới điều kiện pha-đinh với các gói mô hình pha-đinh 5G NR cho FR1 và FR2. Datasheet liệt kê cấu hình anten mô phỏng kênh từ 1×1 tới 8×8, gồm cả 2×2, 2×4, 4×4, cùng 8 kênh tạo nhiễu Gauss độc lập để đặt SNR; dải tần 380 MHz tới 6 GHz. Khi cần nhiều kênh pha-đinh hơn, dòng mô phỏng kênh PROPSIM của Keysight, ví dụ FS16 với 2 tới 1024 kênh, tích hợp được với giải pháp mô phỏng mạng.
Khi phát triển khối RF chưa cần báo hiệu, Keysight M9410A là bộ thu phát vector VXT dạng module PXIe hai khe, 380 MHz tới 6 GHz, băng thông 300 MHz, 600 MHz hoặc 1,2 GHz; option MMO bổ sung đồng bộ định thời cho MIMO.
Để kiểm tra mức tín hiệu thực đi vào UE, Keysight N9042B UXA là máy phân tích tín hiệu 2 Hz tới 26,5, 44 hoặc 50 GHz, băng thông phân tích tuỳ chọn tới 4 GHz (11 GHz với option EDC). Khi cần tín hiệu vi ba hai kênh cho thử máy thu FR2, Keysight M9384B VXG là máy phát độc lập một hoặc hai kênh, 1 MHz tới 44 GHz, băng thông RF 2 GHz, option PCH cho các kênh đồng pha.
Kết luận
Đo MIMO và thông lượng kiểm tra máy thu, bộ tách lớp và vòng CSI trong một con số. Hãy chọn đúng TDL, Doppler và tương quan như tiêu chuẩn, đặt SNR tại đầu nối anten sau khi bù suy hao, và chỉ so các dòng cùng điều kiện. Các ngưỡng trong TS 38.101-4 cho thấy thêm anten thu mang lại vài dB, còn tương quan cao có thể lấy đi hơn chục dB.
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 máy phát, máy phân tích tín hiệu và hệ thống đo vô tuyến. Để được tư vấn cấu hình bài đo thông lượng MIMO hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
