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.

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

viễn thông trên thế giới đều phát triển mạng di động 5G

dựa trên bản chuẩn hóa vô tuyến thế hệ mới (NR - New

Radio) được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP Bản chuẩn

hóa này kế thừa và phát triển dựa trên chuẩn LTE cho

thế hệ mạng di động 4G, trong đó điều chế đa sóng mang

trực giao (OFDM) là phương thức điều chế dữ liệu cơ

bản 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 Tuy nhiên trong chuẩn 5G NR, pha của tín hiệu

phát phụ thuộc vào thứ tự ký tự OFDM trong khung dữ

liệu Dẫn đến dữ liệu thu sẽ bị xoay pha và không thể

khôi phục ở những ký tự OFDM không có tín hiệu hoa

tiêu đi kèm Dựa trên chuẩn 5G NR, chúng tôi mô hình

hóa và tính toán mức xoay pha của tín hiệu thu, từ đó đề

xuất phương pháp bù pha ngược lại để tín hiệu không bị

xoay trước khi đưa vào bộ giải điều chế Chúng tôi triển

khai và đánh giá mức độ hiệu quả của phương pháp dựa

trên hệ thống phần cứng testbed, sử dụng máy phát tín

hiệu 5G chuẩn đã được thương mại hóa Kết quả cho

thấy với phương pháp này, chất lượng tín hiệu thu được

cải thiện đáng kể so với phương pháp thu truyền thống

Keywords- Mạng 5G, tuyến thu, truyền thông không

dây, bù pha tín hiệu

I GIỚI THIỆU Hiện nay liên minh viễn thông thế giới (ITU) đã

công bố kết quả đánh giá và khuyến nghị về công nghệ

mạng di động hệ thứ 5 (5G) [1] Trong đó khuyến nghị

công nghệ dựa trên bản chuẩn hóa vô tuyến thế hệ mới

New Radio (NR) do tổ chức 3GPP phát triển là một

trong các công nghệ chủ đạo cho 5G Thực tế hiện nay

trên thế giới, hầu hết các hãng viễn thông lớn trên thế

giới (như Nokia, Huawei, Ericsson) đều phát triển thiết

bị thu phát vô tuyến cho mạng 5G dựa trên chuẩn NR

của 3GPP Thực chất bản chuẩn hóa này được kế thừa

và phát triển dựa trên chuẩn LTE dành cho thế hệ mạng

di động 4G, được chuẩn hóa bởi 3GPP và đã được triển

khai rất rộng rãi trên toàn thế giới

Kế thừa từ LTE, trong bản chuẩn hóa 5G NR, điều

chế đa sóng mang trực giao (OFDM) là phương thức

truyền nhận tín hiệu cơ bản Với điều chế OFDM,

phương thức thu cơ bản đó là tách tín hiệu băng gốc từ tín hiệu cao tần, sau đó tín hiệu được lấy mẫu thành các mẫu IQ tốc độ cao, các mẫu IQ này sau đó được cho qua một bộ FFT để chuyển tín hiệu về miền tần số, sau

đó thực hiện tách tín hiệu hoa tiêu để thực hiện ước lượng kênh và thực hiện cân bằng kênh dựa trên đáp ứng kênh tìm được Dữ liệu sau cân bằng kênh được đưa vào bộ giải điều chế để tìm tín hiệu phát

Tuy nhiên theo chuẩn 5G NR, pha của tín hiệu phát phụ thuộc vào thứ tự ký tự OFDM trong khung dữ liệu

Do đó khi xử lý tín hiệu thu theo phương pháp truyền thống, việc biến đổi pha của tín hiệu phát theo ký tự OFDM sẽ dẫn đến dữ liệu thu được sẽ bị xoay pha theo

ký tự OFDM thu được Ở phía thu với những ký tự OFDM có tín hiệu hoa tiêu đi kèm, lượng pha phía phát

áp dụng vào có thể tính toán và bù lại được Tuy nhiên với những ký tự OFDM không có tín hiệu hoa tiêu đi kèm, dữ liệu thu sẽ bị xoay pha và không thể khôi phục được

Dựa trên chuẩn 5G NR, chúng tôi mô hình hóa hệ thống thu phát và tính toán mức xoay pha của tín hiệu thu dựa trên tín hiệu phát được mô tả trong bản chuẩn hóa [2] Từ đó chúng tôi đề xuất phương pháp bù pha ngược lại để tín hiệu không bị xoay trước khi đưa vào

bộ giải điều chế Chúng tôi triển khai và đánh giá mức

độ hiệu quả của phương pháp đề xuất trên hệ thống phần cứng testbed Trong đó phần bù pha được thực hiện bằng FPGA để bảo đảm các yêu cầu về thời gian thực của hệ thống Tín hiệu phát được tạo ra bằng máy phát tín hiệu theo chuẩn 5G NR đã được thương mại hóa Kết quả cho thấy khi không bù pha vào tín hiệu thu, chòm sao tín hiệu thu được sẽ bị xoay và không thể giải mã được tín hiệu phát Ngược lại nếu có bù pha trước khi đưa vào bộ giải điều chế, chòm sao tín hiệu thu sẽ không bị xoay và tín hiệu phát có thể phục hồi lại được ở phía thu

Phần còn lại của bài báo này được trình bày như sau Phần II chúng tôi trình bày cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn 5G NR, mô hình thu phát và tính toán lượng pha bị xoay ở phía thu, từ đó đề xuất phương pháp bù lại để triệt tiêu hiện tượng xoay pha này Phần III chúng tôi trình bày mô hình phần cứng testbed để đánh giá phương pháp đề xuất và báo cáo kết quả thử nghiệm Phần IV chúng tôi trình bày kết luận bài báo

Thời gian

Ký tự OFDM Khe dữ liệu đường lên

PUSCH

PUSCH-DMRS

PUCCH PUCCH-DMRS

SRS PRACH

Hình 1 Cấu trúc khe dữ liệu đường lên

II MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Trong phần này, đầu tiên chúng tôi trình bày tổng

quan về mô hình khung dữ liệu và tín hiệu OFDM

phía phát theo chuẩn NR [2] Sau đó chúng tôi trình

bày mô hình thu phát, tính toán lượng pha bị xoay ở

phía thu và phương pháp bù pha giúp triệt tiêu lượng

xoay pha này

A Cấu trúc khung dữ liệu đường lên trong chuẩn NR

Trong NR, cấu trúc khung dữ liệu trong miền thời

gian được chia thành các khe (slot), mỗi khe (slot) dữ

liệu đường lên bao gồm 14 ký tự OFDM với độ dài

tiền tố thường (normal Cyclic Prefix – CP) hoặc 12 ký

tự OFDM với độ dài tiền tố mở rộng (extended CP)

[2] Độ dài của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào độ

rộng giữa các sóng mang con như mô tả trong [2]

Trong miền tần số, băng thông hệ thống được chia

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

được gọi là một đơn vị tài nguyên (Resource Element

– RE), là tài nguyên nhỏ nhất có thể cấp cho các kênh

hoặc tín hiệu vật lý Mỗi một RE mang thông tin của

người dùng có thể được điều chế bằng QPSK,

16QAM, 64QAM hoặc 256QAM như được mô tả

trong [2] Trong cấu trúc khung dữ liệu đường lên, các

kênh và tín hiệu vật lý cùng chia sẻ tài nguyên và được

phân bố như trên Hình 1 Trong đó kênh PUSCH là

kênh mang thông tin người dùng (User Equipment –

UE), kênh PUCCH là kênh mang thông tin điều khiển,

bao gồm các thông tin về trạng thái kênh đường xuống

(Channel State Indication – CSI) Hai kênh này được

gán tín hiệu hoa tiêu giải mã đi kèm (De-Modulation

Reference Signal – DMRS) giúp phía thu thực hiện

ước lượng và cân bằng kênh [4] Ngoài ra tài nguyên

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

Hình 2 Mô hình hệ thống thu phát cho đường lên (uplink) trong mạng 5G

B Bù pha tín hiệu OFDM

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 gốc và một thiết bị đầu cuối 5G như trong Hình 2 Để đơn giản hóa việc phân tích mà không làm mất đi tính tổng quát, chúng tôi giả sử trạm phát gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng 1 thiết bị ăng ten thu phát Tại phía thiết bị đầu cuối, giả sử dk l, là dữ liệu người dùng sau 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 các giá trị đầu vào khối biến đổi Fourier nghịch đảo (IFFT) để tạo tín hiệu miền thời gian, sau đó tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu tương tự cao tần ở tần

số vô tuyến ftx Tại đầu thu (trạm gốc), dữ liệu được tách từ cao tần ở tần số frx , lấy mẫu và đưa qua bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT) để đưa dữ liệu về miền tần số, tách tín hiệu DMRS để tìm đáp ứng kênh, thực hiện cân bằng kênh với đáp ứng kênh thu được và dữ liệu sau cân bằng kênh ( ˆ ,

k l

d ) được đưa vào khối giải điều chế để tìm tín hiệu phát Giả sử s tl( ) là tín hiệu miền thời gian (sau bộ IFFT) ở phía phát, khi đó theo [2]s tl( ) được tính theo công thức

,

,

Trong đó TCP l, là độ dài tiền tố vòng của ký tự OFDM thứ l

Tín hiệu cao tần truyền qua giao diện vô tuyến trên đường lên được mô tả theo công thức [2]

2 ( )

( ) ( ) ( )

tx start l CP l tx tx start l CP l

tx tx

l

l

j f t l

x t

s t e







(2)

Trong đó txlà pha ban đầu của khối dao động nội tại

phía phát, tstart l, là thời gian bắt đầu ký tự OFDM thứ

l, được tính theo công thức [2]

start,

otherwise

l

l t





    

Trong đó Nlà độ dài của ký tự OFDM, NCP l,1 là độ

dài tiền tố vòng (CP) của ký tự thứ l  1, giá trị của cả

hai tham số phụ thuộc vào độ rộng sóng mang con sử

dụng,

c

T là độ dài một mẫu nhỏ nhất quy định trong

chuẩn NR [2]

Để đơn giản mà không mất tính tổng quát, trong phân

tích này chúng tôi không xét đến ảnh hưởng của môi

trường vô tuyến lên mô hình thu phát (trong thực tế

ảnh hưởng của môi trường sẽ được bù lại ở phần cân

bằng kênh) Tại trạm gốc, tín hiệu băng gốc được tách

từ tín hiệu cao tần theo công thức

, ,

, ,

, ,

( ) ( )

rx start l CP l rx

rx start l CP l rx

rx start l CP l tx rx

l

l

r t y t e

x t e







(4)

Trong đó r tl( ) là tín hiệu cao tần nhận được tại ăng

ten thu, sau đó tín hiệu thu được cho qua bộ FFT để

thu được tín hiệu ở miền tần số theo phương trình sau:

,

Xoay pha

,

ˆ

( )

k l

l l j

k l

d

e d







Theo phương trình trên có thể thấy tín hiệu băng gốc

sau bộ FFT ở phía thu bị xoay pha một lượng bằng

   2  frx( tstart l,  TCP l, ) (  tx rx). (6)

Dựa vào công thức này chúng ta thấy lượng pha bị

xoay ở phía thu phụ thuộc vào hai thành phần chính,

một là pha ban đầu của bộ dao động nội phía phát và

phía thu (tx và rx), hai là thứ tự OFDM thứ l trong

khe dữ liệu Trong đó thành phần thứ nhất là không

đổi theo thời gian và có thể bù lại được trong quá trình

thực hiện cân bằng kênh Thành phần xoay pha thứ hai

do phụ thuộc vào tần số RF phía thu frx và thứ tự ký

tự OFDM trong khung dữ liệu nên sẽ không thể khôi

phục bằng cân bằng kênh thông thường nếu không có

tín hiệu giải mã hoa tiêu DMRS đi kèm (như trong

Hình 1) Do đó chúng tôi đề xuất giải pháp bù lại

lượng pha này trước khi dữ liệu đi vào bộ cân bằng

kênh như sau

Từ công thức lượng xoay pha như trong (6), chúng tôi

đề xuất một phương pháp đơn giản để triệt tiêu lượng

pha bị xoay trước khi thực hiện cân bằng kênh tín

hiệu, đó là phía thu sẽ áp dụng một lượng pha được tính theo công thức

, ,

2 rx(start l CP l)

j f t T

Khi đó lượng xoay pha (mà giá trị phụ thuộc vào thứ

tự ký tự OFDM trong khung dữ liệu) trong (5), sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau, do đó các ký tự OFDM không có tín hiệu hoa tiêu đi kèm có thể khôi phục được Sơ đồ khối của phương pháp này được trình bày ngắn gọn như trong Hình 3 Chúng tôi lưu ý phần bù pha có thể được thực hiện ở miền thời gian (trước bộ FFT), hoặc

ở miền tần số sau bộ FFT, trước bộ cân bằng kênh

FFT

Ước lượng kênh

PUSCH

IQ samples

Khối tạo hệ số

bù pha

Bộ nhân

Hình 3 Sơ đồ khối luồng xử lý khi có bù pha tín hiệu

RFIC FPGA Kit

Máy phát tín hiệu 5G chuẩn

Server BBU xử

lý tín hiệu băng gốc

Khối thực hiện bù pha và xử lý FFT Tgge

Khối xử lý cao tần RRU

Hình 4 Mô hình phần cứng testbed

III MÔ HÌNH TRIỂN KHAI VÀ KẾT QUẢ THỬ

NGHIỆM TRÊN TESTBED Chúng tôi triển khai và thử nghiệm phươn pháp đề xuất trên hệ thống phần cứng testbed Hệ thống này được mô tả tổng quan như trong Hình 4, trong đó bao gồm ba khối chính, một là khối xử lý băng gốc (Base Band Unit - BBU) chạy trên nền tảng Server Intel x86, hai là khối xử lý xử lý số và khuếch đại cao tần (Remote Radio Unit - RRU), cuối cùng là máy tạo tín hiệu theo chuẩn 5G NR đã được thương mại hóa (Keysight N7631C Signal Studio Pro [5]) Khối RRU bao gổm hai thành phần chính, một là card RFIC cho

xử lý tín hiệu cao tần tương tự, hai là Kit FPGA thực hiện các tác vụ xử lý FFT/IFFT và bù pha tín hiệu Cấu trúc khung dữ liệu được sử dụng là DDDSU, trong đó D là khe dữ liệu đường xuống, U là khe thời gian đường lên, S đóng vai trò là khe thời gian bảo vệ cho việc thay đổi đường lên – đường xuống ở thiết bị thu phát, khung dữ liệu này được lặp lại sau mỗi 2.5ms (ứng với độ rộng sóng mang con sử dụng là 30 Khz),

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

một giao diện CPRI với tốc độ 9.8 Gbps Tại BBU, tín

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

liệu người dùng được thực hiện cân bằng kênh sử dụng

bộ cân bằng trùng bình bình phương tối thiểu

(MMSE)

Hình 5 là biểu đồ chòm sao tín hiệu thu nhận được khi

thực hiện xử lý tín hiệu thu theo phương pháp truyền

thống (tức không có bộ bù pha trong Hình 3) trong bộ

giải điều chế (tức sau khi thực hiện cân bằng kênh), có

thể thấy tín hiệu thu bị xoay pha rất mạnh dẫn đến

không thể khôi phục được tín hiệu phát, điều này phù

hợp với phân tích lý thuyết đã được trình bày trong

Phần II của bài báo, với độ xoay pha được tính theo

công thức (6) Ở Hình 6 là biểu đồ chòm sao tín hiệu

thu trong bộ giải điều chế khi thực hiện bù pha tín hiệu

theo công thức (7), có thể thấy chất lượng tín hiệu thu

được cải thiện rất nhiều và có thể khôi phục lại được

tín hiệu gốc Thực tế khi sử dụng phương pháp bù pha

tín hiệu thì hệ thống của chúng tôi mới đạt được độ

nhạy thu cần thiết theo quy định của 3GPP [6]

Hình 5 Tín hiệu thu sau cân bằng kênh khi không có

bù pha, sử dụng điều chế 16QAM

Hình 6 Tín hiệu thu sau cân bằng kênh khi có bù pha, sửu dụng điều chế 16QAM

IV KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương pháp bù pha tín hiệu đơn giản giúp cải thiện chất lượng tuyến thu trong mạng 5G theo chuẩn NR Dựa vào phương thức chuẩn hóa tín hiệu phát, chúng tôi mô hình hóa hệ thống và chứng minh rằng tín hiệu thu bị xoay pha nếu sử dụng phương pháp xử lý thu tín hiệu OFDM như truyền thống, do đó có thể sẽ không khôi phục được dữ liệu nếu không có phương pháp bù lại lượng pha bị xoay này Chúng tôi mô hình hóa và tính toán chính xác lượng pha bù vào để triệt tiêu hiện tượng này, dẫn đến việc khôi phục dữ liệu được chính xác hơn Chúng tôi thực hiện triển khai và đánh giá mức độ hiệu quả của phương pháp đề xuất trên phần cứng testbed, sử dụng máy phát tín hiệu chuẩn 5G NR

đã được thương mại hóa Kết quả cho thấy chất lượng tín hiệu thu được cải thiện rõ rệt khi sử dụng bù pha tín hiệu Hướng phát triển tiếp theo của chúng tôi là đánh 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.