Module NB-IoT hay LTE-M có số liệu đo dẫn rất đẹp, nhưng lắp vào vỏ nhựa với anten in trên mạch, thiết bị vẫn có thể trượt chứng nhận nhà mạng. Lý do: nhà mạng không chấm module mà chấm cả hệ bức xạ gồm module, anten, vỏ và chính phần điện tử xung quanh. Đo TRP và TIS là cách định lượng hệ đó trong một buồng đo không dây. Bài này đi từ định nghĩa tới buồng đo và phân vai thiết bị.
Công suất bức xạ tổng và độ nhạy đẳng hướng tổng là gì
Công suất bức xạ tổng (TRP) theo 3GPP TS 34.114 và TS 37.544 là tích phân EIRP theo mọi hướng trên toàn mặt cầu, cộng hai phân cực trực giao θ và φ rồi chia cho 4π. Nếu chuẩn hoá theo công suất phát, TRP chính là hiệu suất bức xạ toàn phần của thiết bị.
Độ nhạy đẳng hướng tổng (TIS, trong 3GPP gọi là TRS) được xây từ EIS: công suất khả dụng tại đầu ra anten vừa đủ để máy thu đạt ngưỡng độ nhạy, xét riêng từng phân cực. Công thức TS 34.114 lấy 4π chia cho tích phân của 1/EISθ + 1/EISφ trên mặt cầu. TIS là số dBm, càng âm càng tốt.
Hai công thức giống nhau về hình thức nhưng cách lấy trung bình khác hẳn:
- TRP là trung bình tuyến tính của EIRP. Tính cho hai hướng +20 dBm và +10 dBm: trung bình 55 mW, tức +17,4 dBm.
- TIS là trung bình điều hoà của EIS. Tính cho hai hướng −100 dBm và −90 dBm: kết quả −97,4 dBm, không phải −95 dBm như khi lấy trung bình số học theo dB. Hướng nhạy tốt kéo TIS mạnh hơn hướng kém.
Theo Taoglas, TIS phụ thuộc độ nhạy dẫn của máy thu và hiệu suất anten, còn TRP phụ thuộc công suất vào và hiệu suất anten. Tính đơn giản: anten hiệu suất 50% làm mất 3 dB ở cả TRP lẫn TIS. Vì module đã được đặc tính hoá, việc đạt chỉ tiêu nằm ở anten và ở kiểm soát nhiễu trong băng thu.
Lấy mẫu trên mặt cầu: vì sao TRP bước 15°, TIS bước 30°
Thiết bị được xoay theo θ (ngẩng) và φ (phương vị), anten đo ghi hai phân cực tuyến tính ở mỗi điểm. TS 37.544 quy định lưới chuẩn: TRP lấy mẫu với bước 15° theo cả θ và φ, TIS bước 30°. Lưới khác chỉ được dùng nếu đạt độ chính xác bằng hoặc tốt hơn, với số điểm nhiều hơn.
Lấy mẫu thưa được vì vật bức xạ có kích thước hữu hạn, giản đồ khuếch đại không thể đổi tuỳ ý theo góc. Lưới TIS thưa hơn vì mỗi điểm là một phép tìm ngưỡng: hạ dần mức đường xuống tới khi máy thu chạm tiêu chí lỗi. TS 34.114 gọi đây là đánh đổi giữa độ chính xác và thời gian đo.
Tính theo Δθ = π/N, Δφ = 2π/M của TS 37.544:
- Bước 15° (TRP): N = 12, M = 24, tức 288 điểm lưới mỗi phân cực, 576 giá trị EIRP.
- Bước 30° (TIS): N = 6, M = 12, tức 72 điểm, 144 phép tìm EIS cho hai phân cực.
Trọng số sinθ làm các điểm gần cực đóng góp ít, các điểm gần mặt phẳng ngang đóng góp nhiều.
Ba kiểu buồng OTA và khi nào dùng
Cả TS 34.114 và TS 37.544 coi buồng không phản xạ là phương pháp chính, buồng dội là phương pháp thay thế. Thủ tục không gắn với một buồng OTA hay bộ định vị cụ thể nào.
- Buồng không phản xạ (anechoic): đo trường xa từng điểm trên mặt cầu, cho cả giản đồ 3-D nên chỉ ra được hướng yếu. Theo Taoglas, TIS thường được đo trong loại buồng này.
- Buồng dội (reverberation): tạo môi trường fading Rayleigh đẳng hướng, công suất trung bình tỉ lệ với TRP sau khi hiệu chuẩn hàm truyền. Theo 3GPP, 100 mẫu độc lập đủ cho độ chính xác mở rộng tốt hơn 0,5 dB. Đổi lại, kết quả là giá trị tổng, không cho giản đồ theo hướng.
- CATR (compact antenna test range): buồng đo trường xa thu gọn, gắn với các hệ OTA mmWave FR2. Hệ OTA 5G mmWave được CTIA uỷ quyền của Keysight (12/2021) ghép UXM 5G, buồng CATR, RF Conformance Toolset và test case CTIA. Phần FR2 được bàn trong bài đo EVM 5G FR2 và kiểm thử OTA.
Cách gá cũng là một biến: free space cho module nhúng, phantom laptop cho thiết bị cắm USB (TS 34.114), phantom cổ tay hoặc thân cho thiết bị đeo LTE-M (AT&T).
Quy trình đo TRP và TIS cho thiết bị IoT
Trình tự dưới đây theo TS 37.544 cho E-UTRA. Với LTE-M và NB-IoT, chứng nhận nhà mạng đo theo test plan của CTIA, nhưng nguyên tắc ghi EIRP và tìm EIS theo ngưỡng lỗi là như nhau:
- Hiệu chuẩn đường đo. Đo suy hao từ anten đo tới thiết bị đo bằng anten tham chiếu đã biết hệ số; với buồng dội, TS 37.544 dùng VNA và dipole tham chiếu nối máy phân tích phổ.
- Thiết lập kết nối. Bộ mô phỏng trạm gốc (“radio communications tester” trong TS 37.544) gắn thiết bị vào mạng, cấu hình băng, kênh và lệnh điều khiển công suất để thiết bị phát tối đa.
- Đo TRP. Tại mỗi điểm lưới 15°, ghi EIRP hai phân cực. Bộ mô phỏng có thể tự đo mẫu công suất, hoặc dùng máy thu đo hay máy phân tích phổ; sàn nhiễu máy thu không được chen vào kết quả.
- Đo TIS. Tại mỗi điểm lưới 30°, hạ mức đường xuống tới mức nhỏ nhất còn giữ thông lượng lớn hơn hoặc bằng 95% thông lượng tối đa (E-UTRA). Với UTRA, tiêu chí là BER 1%.
- Tích phân. Thay EIRP và EIS vào công thức tổng có trọng số sinθ, ra một giá trị TRP và TIS cho mỗi kênh thấp, giữa, cao.
Độ chính xác mức của bộ mô phỏng trạm gốc đi thẳng vào EIS; phụ lục E của TS 37.544 tính độ chính xác mức tuyệt đối và phi tuyến của thiết bị thu là một thành phần bất định riêng.
Chỉ tiêu nhà mạng, nhiễu tự thân và bẫy sai số
Nhà mạng chấm theo test plan OTA của CTIA. Ví dụ bản yêu cầu IoT v1.5 của AT&T (07/2019) áp dụng cho thiết bị LTE-M, NB-IoT có anten nhúng hoặc anten ngoài nối cáp ngắn hơn 20 cm:
- NB-IoT, băng 2: TRP tối thiểu +20,0 dBm (power class 3), TIS −105 dBm.
- LTE-M, băng 4: TRP +20,0 dBm, TIS −98 dBm.
- Thiết bị nhỏ dưới 107 mm: NB-IoT băng 2 nới còn TRP +12,0 dBm và TIS −97 dBm, tức 8 dB cho mỗi chỉ tiêu.
Chỉ tiêu đổi theo phiên bản; luôn lấy tài liệu hiện hành của nhà mạng mục tiêu.
Bẫy sai số thường gặp
- Nhiễu tự thân (desense): Taoglas lưu ý phát xạ từ chính thiết bị, không nhất thiết từ khối vô tuyến, rơi vào đúng tần số thu làm TIS xấu đi dù độ nhạy dẫn tốt. Nhiễu này không tác động tới TRP, nên TRP đạt mà TIS trượt là gợi ý cần kiểm tra trước tiên.
- Bất định hệ đo: TS 37.544 cho phép tối đa ±1,9 dB với TRP và ±2,3 dB với TIS (UTRA, mức tin cậy 95%). Hai lab lệch 1–2 dB chưa hẳn là lỗi.
- Lưới thưa hơn chuẩn: phụ lục E của TS 37.544 có thành phần bất định riêng cho lưới lấy mẫu thô; không tự ý giãn bước để đo nhanh.
- Đa anten: thiết bị nhiều cổng thu phải đo với tất cả anten hoạt động đồng thời.
Chọn thiết bị Keysight cho đo TRP và TIS
Buồng, bộ định vị và phần mềm điều khiển do nhà tích hợp hệ OTA cung cấp; phần đo vô tuyến do máy Keysight đảm nhận:
- Bộ mô phỏng mạng 5G UXM Keysight E7515B: đóng vai trạm gốc cho 5G NR, LTE, RedCap, NB-IoT, CAT-M. Datasheet (Option 506, 380 MHz – 6 GHz) ghi độ chính xác mức ra ±0,4 dB typical từ −100 đến +3 dBm dưới 4,2 GHz, bước đặt mức 0,1 dB, phù hợp vòng tìm EIS. Keysight nêu khả năng kiểm chứng hiệu năng OTA với buồng thiết kế cho từng loại test.
- Bộ công cụ S8705A: nền tảng test hợp chuẩn được GCF và PTCRB phê duyệt, có phủ test plan CTIA FR2 SISO OTA. Cần khi phải chạy test case hợp chuẩn, không chỉ đo đặc tính trên UXM E7515B.
- Máy phân tích tín hiệu Keysight N9020B: 10 Hz tới 50 GHz tuỳ cấu hình, băng thông phân tích tới 160 MHz, độ chính xác biên độ ±0,33 dB tại 50 MHz. Làm máy thu đo khi hiệu chuẩn đường đo và săn nhiễu tự thân trong băng thu khi TIS trượt. Dòng X-Series có ứng dụng N9080EM3E đo NB-IoT/eMTC FDD theo TS 36.521.
- Máy phân tích tín hiệu Keysight N9010B: tới 44 GHz, băng thông phân tích 40 MHz, DANL −165 dBm tại 1 GHz. Phù hợp bàn gỡ lỗi desense và kiểm tra suy hao cáp, nơi không cần băng thông rộng.
Kết luận
Đo TRP và TIS chấm điểm cả thiết bị chứ không riêng module: công suất bức xạ tổng là trung bình tuyến tính của EIRP trên lưới 15°, độ nhạy đẳng hướng tổng là trung bình điều hoà của EIS trên lưới 30°. Chọn đúng buồng OTA, giữ bất định đường đo trong ngân sách và săn nhiễu tự thân sớm quyết định thiết bị IoT có qua chứng nhận nhà mạng.
Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tín hiệu và tư vấn cấu hình đo vô tuyến cho thiết bị IoT. Liên hệ hotline 0908 173 345.
