Cải thiện chất lượng tuyến thu trong mạng 5G bằng phương pháp bù pha

Phương pháp thu cơ bản khi sử dụng điều chế OFDM đó là tách tín hiệu từ cao tần, sau đó sử dụng FFT để đưa tín hiệu về miền tần số, thực hiện cân bằng kênh dựa trên tín hiệu hoa tiêu biết trước và đưa dữ liệu sau cân bằng kênh qua bộ giải điều chế để tìm tín hiệu phát.

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