Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Cải Thiện Chất Lượng Tuyến Thu Trong Mạng
5G Bằng Phương Pháp Bù Pha
Nguyễn Hoàng Hiệp, Nguyễn Tiến Sáng và Nguyễn Trung Tiến
Phòng giải pháp và xử lý tín hiệu,
Tổng Công ty Công Nghiệp Công Nghệ Cao Viettel
Email: hiepnh20@viettel.com.vn, sangnt@viettel.com.vn, tiennt12@viettel.com.vn
Abstract— Hiện nay hầu hết các nhà cung cấp thiết bị phương thức thu cơ bản đó là tách tín hiệu băng gốc từ
viễn thông trên thế giới đều phát triển mạng di động 5G tín hiệu cao tần, sau đó tín hiệu được lấy mẫu thành các
dựa trên bản chuẩn hóa vô tuyến thế hệ mới (NR - New mẫu IQ tốc độ cao, các mẫu IQ này sau đó được cho
Radio) được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. Bản chuẩn qua một bộ FFT để chuyển tín hiệu về miền tần số, sau
hóa này kế thừa và phát triển dựa trên chuẩn LTE cho
đó thực hiện tách tín hiệu hoa tiêu để thực hiện ước
thế hệ mạng di động 4G, trong đó điều chế đa sóng mang
trực giao (OFDM) là phương thức điều chế dữ liệu cơ lượng kênh và thực hiện cân bằng kênh dựa trên đáp
bản. Phương pháp thu cơ bản khi sử dụng điều chế ứng kênh tìm được. Dữ liệu sau cân bằng kênh được
OFDM đó là tách tín hiệu từ cao tần, sau đó sử dụng đưa vào bộ giải điều chế để tìm tín hiệu phát.
FFT để đưa tín hiệu về miền tần số, thực hiện cân bằng Tuy nhiên theo chuẩn 5G NR, pha của tín hiệu phát
kênh dựa trên tín hiệu hoa tiêu biết trước và đưa dữ liệu phụ thuộc vào thứ tự ký tự OFDM trong khung dữ liệu.
sau cân bằng kênh qua bộ giải điều chế để tìm tín hiệu Do đó khi xử lý tín hiệu thu theo phương pháp truyền
phát. Tuy nhiên trong chuẩn 5G NR, pha của tín hiệu thống, việc biến đổi pha của tín hiệu phát theo ký tự
phát phụ thuộc vào thứ tự ký tự OFDM trong khung dữ OFDM sẽ dẫn đến dữ liệu thu được sẽ bị xoay pha theo
liệu. Dẫn đến dữ liệu thu sẽ bị xoay pha và không thể
ký tự OFDM thu được. Ở phía thu với những ký tự
khôi phục ở những ký tự OFDM không có tín hiệu hoa
tiêu đi kèm. Dựa trên chuẩn 5G NR, chúng tôi mô hình OFDM có tín hiệu hoa tiêu đi kèm, lượng pha phía phát
hóa và tính toán mức xoay pha của tín hiệu thu, từ đó đề áp dụng vào có thể tính toán và bù lại được. Tuy nhiên
xuất phương pháp bù pha ngược lại để tín hiệu không bị với những ký tự OFDM không có tín hiệu hoa tiêu đi
xoay trước khi đưa vào bộ giải điều chế. Chúng tôi triển kèm, dữ liệu thu sẽ bị xoay pha và không thể khôi phục
khai và đánh giá mức độ hiệu quả của phương pháp dựa được.
trên hệ thống phần cứng testbed, sử dụng máy phát tín Dựa trên chuẩn 5G NR, chúng tôi mô hình hóa hệ
hiệu 5G chuẩn đã được thương mại hóa. Kết quả cho thống thu phát và tính toán mức xoay pha của tín hiệu
thấy với phương pháp này, chất lượng tín hiệu thu được thu dựa trên tín hiệu phát được mô tả trong bản chuẩn
cải thiện đáng kể so với phương pháp thu truyền thống.
hóa [2]. Từ đó chúng tôi đề xuất phương pháp bù pha
Keywords- Mạng 5G, tuyến thu, truyền thông không ngược lại để tín hiệu không bị xoay trước khi đưa vào
dây, bù pha tín hiệu. bộ giải điều chế. Chúng tôi triển khai và đánh giá mức
độ hiệu quả của phương pháp đề xuất trên hệ thống
I. GIỚI THIỆU phần cứng testbed. Trong đó phần bù pha được thực
hiện bằng FPGA để bảo đảm các yêu cầu về thời gian
Hiện nay liên minh viễn thông thế giới (ITU) đã thực của hệ thống. Tín hiệu phát được tạo ra bằng máy
công bố kết quả đánh giá và khuyến nghị về công nghệ phát tín hiệu theo chuẩn 5G NR đã được thương mại
mạng di động hệ thứ 5 (5G) [1]. Trong đó khuyến nghị hóa. Kết quả cho thấy khi không bù pha vào tín hiệu
công nghệ dựa trên bản chuẩn hóa vô tuyến thế hệ mới thu, chòm sao tín hiệu thu được sẽ bị xoay và không
New Radio (NR) do tổ chức 3GPP phát triển là một thể giải mã được tín hiệu phát. Ngược lại nếu có bù pha
trong các công nghệ chủ đạo cho 5G. Thực tế hiện nay trước khi đưa vào bộ giải điều chế, chòm sao tín hiệu
trên thế giới, hầu hết các hãng viễn thông lớn trên thế thu sẽ không bị xoay và tín hiệu phát có thể phục hồi
giới (như Nokia, Huawei, Ericsson) đều phát triển thiết lại được ở phía thu.
bị thu phát vô tuyến cho mạng 5G dựa trên chuẩn NR Phần còn lại của bài báo này được trình bày như
của 3GPP. Thực chất bản chuẩn hóa này được kế thừa sau. Phần II chúng tôi trình bày cấu trúc khung dữ liệu
và phát triển dựa trên chuẩn LTE dành cho thế hệ mạng theo chuẩn 5G NR, mô hình thu phát và tính toán
di động 4G, được chuẩn hóa bởi 3GPP và đã được triển lượng pha bị xoay ở phía thu, từ đó đề xuất phương
khai rất rộng rãi trên toàn thế giới. pháp bù lại để triệt tiêu hiện tượng xoay pha này. Phần
Kế thừa từ LTE, trong bản chuẩn hóa 5G NR, điều III chúng tôi trình bày mô hình phần cứng testbed để
chế đa sóng mang trực giao (OFDM) là phương thức đánh giá phương pháp đề xuất và báo cáo kết quả thử
truyền nhận tín hiệu cơ bản. Với điều chế OFDM, nghiệm. Phần IV chúng tôi trình bày kết luận bài báo.
ISBN 978-604-80-5958-3 28
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Khe dữ liệu đường lên đường lên còn được phân bổ cho kênh PRACH
(Physical Random Access Channel), là phân vùng UE
thực hiện gửi tín hiệu mào đầu (preamble) trong thủ
tục truy nhập ngẫu nhiên khi UE muốn truy nhập vào
mạng [3]. Ngoài ra UE còn có thể được cấu hình để
truyền thêm tín hiệu SRS (Sounding Reference Signal)
giúp trạm gốc có thêm thông tin đánh giá kênh được
chính xác hơn.
Tần số
Hình 2. Mô hình hệ thống thu phát cho đường lên
Thời gian Ký tự OFDM (uplink) trong mạng 5G
PUSCH PUCCH SRS
PUSCH-DMRS PUCCH-DMRS PRACH B. Bù pha tín hiệu OFDM
Hình 1. Cấu trúc khe dữ liệu đường lên Trong phần này, chúng tôi trình bày mô hình thu
phát và tính toán lượng pha bị xoay của tín hiệu thu.
Chúng tôi phân tích một mô hình bao gồm một trạm
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG gốc và một thiết bị đầu cuối 5G như trong Hình 2. Để
Trong phần này, đầu tiên chúng tôi trình bày tổng đơn giản hóa việc phân tích mà không làm mất đi tính
quan về mô hình khung dữ liệu và tín hiệu OFDM tổng quát, chúng tôi giả sử trạm phát gốc và thiết bị
phía phát theo chuẩn NR [2]. Sau đó chúng tôi trình đầu cuối sử dụng 1 thiết bị ăng ten thu phát. Tại phía
bày mô hình thu phát, tính toán lượng pha bị xoay ở thiết bị đầu cuối, giả sử d k ,l là dữ liệu người dùng sau
phía thu và phương pháp bù pha giúp triệt tiêu lượng
xoay pha này. khối điều chế rong đó k và l là chỉ số sóng mang con
và ký tự OFDM tương ứng, chúng được ánh xạ sang
A. Cấu trúc khung dữ liệu đường lên trong chuẩn NR các giá trị đầu vào khối biến đổi Fourier nghịch đảo
Trong NR, cấu trúc khung dữ liệu trong miền thời (IFFT) để tạo tín hiệu miền thời gian, sau đó tín hiệu
gian được chia thành các khe (slot), mỗi khe (slot) dữ này được chuyển thành tín hiệu tương tự cao tần ở tần
liệu đường lên bao gồm 14 ký tự OFDM với độ dài số vô tuyến ftx . Tại đầu thu (trạm gốc), dữ liệu được
tiền tố thường (normal Cyclic Prefix – CP) hoặc 12 ký
tự OFDM với độ dài tiền tố mở rộng (extended CP) tách từ cao tần ở tần số f rx , lấy mẫu và đưa qua bộ
[2]. Độ dài của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào độ biến đổi Fourier nhanh (FFT) để đưa dữ liệu về miền
rộng giữa các sóng mang con như mô tả trong [2]. tần số, tách tín hiệu DMRS để tìm đáp ứng kênh, thực
Trong miền tần số, băng thông hệ thống được chia hiện cân bằng kênh với đáp ứng kênh thu được và dữ
liệu sau cân bằng kênh ( dˆk ,l ) được đưa vào khối giải
thành các sóng mang con, số lượng sóng mang con
phụ thuộc vào băng thông tín hiệu và khoảng cách
giữa các sóng mang con. Mỗi một sóng mang con điều chế để tìm tín hiệu phát. Giả sử sl (t ) là tín hiệu
được gọi là một đơn vị tài nguyên (Resource Element miền thời gian (sau bộ IFFT) ở phía phát, khi đó theo
– RE), là tài nguyên nhỏ nhất có thể cấp cho các kênh
hoặc tín hiệu vật lý. Mỗi một RE mang thông tin của [2] sl (t ) được tính theo công thức
sl (t ) k ak ,l e
người dùng có thể được điều chế bằng QPSK, j 2 k f ( t TCP ,l )
. (1)
16QAM, 64QAM hoặc 256QAM như được mô tả
trong [2]. Trong cấu trúc khung dữ liệu đường lên, các Trong đó TCP ,l là độ dài tiền tố vòng của ký tự OFDM
kênh và tín hiệu vật lý cùng chia sẻ tài nguyên và được
phân bố như trên Hình 1. Trong đó kênh PUSCH là thứ l .
kênh mang thông tin người dùng (User Equipment – Tín hiệu cao tần truyền qua giao diện vô tuyến trên
UE), kênh PUCCH là kênh mang thông tin điều khiển, đường lên được mô tả theo công thức [2]
bao gồm các thông tin về trạng thái kênh đường xuống xl (t )
(Channel State Indication – CSI). Hai kênh này được j 2 ftx ( t tstart ,l TCP ,l ) j 2 ftx ( t tx tstart ,l TCP ,l )
gán tín hiệu hoa tiêu giải mã đi kèm (De-Modulation sl (t )e e (2)
Reference Signal – DMRS) giúp phía thu thực hiện
ước lượng và cân bằng kênh [4]. Ngoài ra tài nguyên sl (t )e j 2 ftx (t tx )
ISBN 978-604-80-5958-3 29
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Trong đó tx là pha ban đầu của khối dao động nội tại hiệu, đó là phía thu sẽ áp dụng một lượng pha được
tính theo công thức
phía phát, t start ,l là thời gian bắt đầu ký tự OFDM thứ j 2 f rx ( tstart ,l TCP ,l )
l , được tính theo công thức [2]
e (7)
Khi đó lượng xoay pha (mà giá trị phụ thuộc vào thứ
0 l 0 tự ký tự OFDM trong khung dữ liệu) trong (5), sẽ bị
tstart,l (3)
tstart,l 1 N NCP,l 1 Tc
triệt tiêu lẫn nhau, do đó các ký tự OFDM không có
otherwise
tín hiệu hoa tiêu đi kèm có thể khôi phục được. Sơ đồ
Trong đó N là độ dài của ký tự OFDM, NCP ,l 1 là độ khối của phương pháp này được trình bày ngắn gọn
như trong Hình 3. Chúng tôi lưu ý phần bù pha có thể
dài tiền tố vòng (CP) của ký tự thứ l 1 , giá trị của cả được thực hiện ở miền thời gian (trước bộ FFT), hoặc
hai tham số phụ thuộc vào độ rộng sóng mang con sử ở miền tần số sau bộ FFT, trước bộ cân bằng kênh.
dụng, Tc là độ dài một mẫu nhỏ nhất quy định trong
chuẩn NR [2]. Ước lượng
Khối tạo hệ số
Để đơn giản mà không mất tính tổng quát, trong phân
DMRS
kênh
tích này chúng tôi không xét đến ảnh hưởng của môi bù pha
trường vô tuyến lên mô hình thu phát (trong thực tế
ảnh hưởng của môi trường sẽ được bù lại ở phần cân IQ Cân bằng
bằng kênh). Tại trạm gốc, tín hiệu băng gốc được tách samples
x FFT
PUSCH kênh
từ tín hiệu cao tần theo công thức
j 2 f rx ( t tstart ,l TCP ,l ) rx Bộ nhân
rl (t ) yl (t )e Hình 3. Sơ đồ khối luồng xử lý khi có bù pha tín hiệu
j 2 f rx ( t tstart ,l TCP ,l ) rx
xl (t )e (4) Server BBU xử
lý tín hiệu băng
j 2 f ( t T
sl (t )e e(tx rx )
rx start ,l CP ,l ) Máy phát tín hiệu 5G chuẩn
gốc
Trong đó rl (t ) là tín hiệu cao tần nhận được tại ăng
ten thu, sau đó tín hiệu thu được cho qua bộ FFT để
CPRI (9.8Gbps)
Trigger
Tín hiệu mẫu
Khối thực hiện bù
thu được tín hiệu ở miền tần số theo phương trình sau:
pha và xử lý FFT
dˆk ,l
s (t )e
j 2 f rx ( tstart ,l TCP ,l ) (tx rx ) j 2 k f ( t TCP ,l )
e e l l
(5)
Xoay pha
FPGA Kit RFIC
e j d k ,l Khối xử lý cao tần RRU
Hình 4. Mô hình phần cứng testbed
Theo phương trình trên có thể thấy tín hiệu băng gốc
sau bộ FFT ở phía thu bị xoay pha một lượng bằng III. MÔ HÌNH TRIỂN KHAI VÀ KẾT QUẢ THỬ
2 f rx (tstart ,l TCP,l ) (tx rx ). (6) NGHIỆM TRÊN TESTBED
Chúng tôi triển khai và thử nghiệm phươn pháp đề
Dựa vào công thức này chúng ta thấy lượng pha bị
xuất trên hệ thống phần cứng testbed. Hệ thống này
xoay ở phía thu phụ thuộc vào hai thành phần chính,
được mô tả tổng quan như trong Hình 4, trong đó bao
một là pha ban đầu của bộ dao động nội phía phát và
gồm ba khối chính, một là khối xử lý băng gốc (Base
phía thu ( tx và rx ), hai là thứ tự OFDM thứ l trong Band Unit - BBU) chạy trên nền tảng Server Intel x86,
khe dữ liệu. Trong đó thành phần thứ nhất là không hai là khối xử lý xử lý số và khuếch đại cao tần
đổi theo thời gian và có thể bù lại được trong quá trình (Remote Radio Unit - RRU), cuối cùng là máy tạo tín
thực hiện cân bằng kênh. Thành phần xoay pha thứ hai hiệu theo chuẩn 5G NR đã được thương mại hóa
do phụ thuộc vào tần số RF phía thu f rx và thứ tự ký (Keysight N7631C Signal Studio Pro [5]). Khối RRU
bao gổm hai thành phần chính, một là card RFIC cho
tự OFDM trong khung dữ liệu nên sẽ không thể khôi xử lý tín hiệu cao tần tương tự, hai là Kit FPGA thực
phục bằng cân bằng kênh thông thường nếu không có hiện các tác vụ xử lý FFT/IFFT và bù pha tín hiệu.
tín hiệu giải mã hoa tiêu DMRS đi kèm (như trong Cấu trúc khung dữ liệu được sử dụng là DDDSU,
Hình 1). Do đó chúng tôi đề xuất giải pháp bù lại trong đó D là khe dữ liệu đường xuống, U là khe thời
lượng pha này trước khi dữ liệu đi vào bộ cân bằng gian đường lên, S đóng vai trò là khe thời gian bảo vệ
kênh như sau. cho việc thay đổi đường lên – đường xuống ở thiết bị
Từ công thức lượng xoay pha như trong (6), chúng tôi thu phát, khung dữ liệu này được lặp lại sau mỗi 2.5ms
đề xuất một phương pháp đơn giản để triệt tiêu lượng (ứng với độ rộng sóng mang con sử dụng là 30 Khz),
pha bị xoay trước khi thực hiện cân bằng kênh tín
ISBN 978-604-80-5958-3 30
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
lưu ý trên thực tế hầu hết các mạng 5G theo chuẩn NR
đều sử dụng cấu trúc khung dữ liệu này. Luồng hoạt
động của hệ thống được mô tả vắn tắt như sau. Dựa
vào cấu trúc khung DDDSU, khối xử lý cao tần RRU
sẽ tạo ra các xung kích hoạt đến máy phát tín hiệu để
xác định thời điểm bắt đầu phát tín hiệu mẫu ra. Tín
hiệu mẫu được cấu hình với băng thông là 100 Mhz,
loại điều chế sử dụng là 16 QAM. Tín hiệu này được
truyền đến khối cao tần thông qua cáp để đảm bảo
không bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài. Trong khối
RRU, sau khi tín hiệu tương tự được tách từ cao tần
bởi card RFIC, lấy mẫu thành luồng dữ liệu IQ tốc độ
cao, sau đó luồng dữ liệu này sẽ được nhân hệ số bù
pha như tính toán trong (7) cho từng mẫu IQ trước khi
được đưa vào bộ FFT để đưa dữ liệu về miền tần số,
sau đó dữ liệu này được đưa về khối BBU thông qua Hình 6. Tín hiệu thu sau cân bằng kênh khi có bù pha,
một giao diện CPRI với tốc độ 9.8 Gbps. Tại BBU, tín sửu dụng điều chế 16QAM.
hiệu hoa tiêu giải mã DMRS được tách từ luồng dữ
liệu IQ để thực hiện ước lượng kênh bằng phương
pháp bình phương tối thiểu (least square), sau đó dữ IV. KẾT LUẬN
liệu người dùng được thực hiện cân bằng kênh sử dụng Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương
bộ cân bằng trùng bình bình phương tối thiểu pháp bù pha tín hiệu đơn giản giúp cải thiện chất lượng
(MMSE). tuyến thu trong mạng 5G theo chuẩn NR. Dựa vào
Hình 5 là biểu đồ chòm sao tín hiệu thu nhận được khi phương thức chuẩn hóa tín hiệu phát, chúng tôi mô
thực hiện xử lý tín hiệu thu theo phương pháp truyền hình hóa hệ thống và chứng minh rằng tín hiệu thu bị
thống (tức không có bộ bù pha trong Hình 3) trong bộ xoay pha nếu sử dụng phương pháp xử lý thu tín hiệu
giải điều chế (tức sau khi thực hiện cân bằng kênh), có OFDM như truyền thống, do đó có thể sẽ không khôi
thể thấy tín hiệu thu bị xoay pha rất mạnh dẫn đến phục được dữ liệu nếu không có phương pháp bù lại
không thể khôi phục được tín hiệu phát, điều này phù lượng pha bị xoay này. Chúng tôi mô hình hóa và tính
hợp với phân tích lý thuyết đã được trình bày trong toán chính xác lượng pha bù vào để triệt tiêu hiện
Phần II của bài báo, với độ xoay pha được tính theo tượng này, dẫn đến việc khôi phục dữ liệu được chính
công thức (6). Ở Hình 6 là biểu đồ chòm sao tín hiệu xác hơn. Chúng tôi thực hiện triển khai và đánh giá
thu trong bộ giải điều chế khi thực hiện bù pha tín hiệu mức độ hiệu quả của phương pháp đề xuất trên phần
theo công thức (7), có thể thấy chất lượng tín hiệu thu cứng testbed, sử dụng máy phát tín hiệu chuẩn 5G NR
được cải thiện rất nhiều và có thể khôi phục lại được đã được thương mại hóa. Kết quả cho thấy chất lượng
tín hiệu gốc. Thực tế khi sử dụng phương pháp bù pha tín hiệu thu được cải thiện rõ rệt khi sử dụng bù pha tín
tín hiệu thì hệ thống của chúng tôi mới đạt được độ hiệu. Hướng phát triển tiếp theo của chúng tôi là đánh
nhạy thu cần thiết theo quy định của 3GPP [6]. giá tính hiệu quả của phương pháp với thiết bị người
dùng thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ITU, “ITU Completes Evaluation for Global Affirmation ò
IMT-2020 Technologies,” ITU, Nov. 2020, url:
https://www.itu.int/en/mediacentre/Pages/pr26-2020-
evaluation-global-affirmation-imt-2020-5g.aspx.
[2] 3GPP, “TS 38.211; NR, Physical channels and modulation
(v15.4.0, Release 15),” 3GPP, Tech. Spec., 2019.
[3] 3GPP, “TS 38.213; NR, Physical layer procedure for control
(v15.4.0, Release 15),” 3GPP, Tech. Spec., 2019.
[4] 3GPP, “TS 38.213; NR, Physical layer procedure for data
(v15.4.0, Release 15),” 3GPP, Tech. Spec., 2019.
[5] Keysight, “N7631C Signal Studio Pro for 5G NR 2020,”.
[6] 3GPP, “TS 38.104; NR, Base Station radio transmission and
reception, (v15.4.0, Release 15),” 3GPP, Tech. Spec., 2019.
Hình 5. Tín hiệu thu sau cân bằng kênh khi không có
bù pha, sử dụng điều chế 16QAM.
ISBN 978-604-80-5958-3 31
nguon tai.lieu . vn
