RF Requirements¶
Trang này tóm tắt các yêu cầu RF mà 3GPP đặt ra cho trạm gốc NR, tập trung vào TS 38.104. Thứ tự trình bày: các đặc tả liên quan, cách 3GPP phân loại trạm gốc, các yêu cầu phía phát (công suất, chất lượng tín hiệu, phát xạ ngoài ý muốn gồm ACLR), các yêu cầu phía thu, rồi quan hệ giữa yêu cầu tối thiểu và đặc tả kiểm thử. Các khái niệm băng thông dùng trong trang (channel bandwidth, occupied bandwidth, Base Station RF Bandwidth) nằm ở RF Bandwidth.
Về nguồn
Nội dung tổng hợp từ các bản ETSI của TS 38.104, các trang trích dẫn đặc tả và tài liệu kỹ thuật nêu ở cuối trang, chưa đối chiếu từng điều khoản với bản 3GPP mới nhất. Số mục (clause) lấy theo cấu trúc TS 38.104 từ Release 15; con số giới hạn có thể thay đổi theo release và theo band, cần tra bản đặc tả đúng release trước khi dùng cho thiết kế hoặc kiểm thử.
Các đặc tả liên quan¶
Yêu cầu RF được chia thành đặc tả yêu cầu tối thiểu (minimum requirement) và đặc tả kiểm thử hợp chuẩn (conformance test), riêng cho trạm gốc và UE:
| Đặc tả | Đối tượng | Nội dung |
|---|---|---|
| TS 38.104 | Trạm gốc NR | Yêu cầu phát và thu tối thiểu, dẫn (conducted) và bức xạ (radiated) |
| TS 38.141-1, TS 38.141-2 | Trạm gốc NR | Phương pháp kiểm thử và giới hạn kiểm thử, dẫn (-1) và bức xạ (-2) |
| TS 38.101-1, TS 38.101-2 | UE NR | Yêu cầu phát và thu tối thiểu cho FR1 và FR2 |
| TS 38.521-1, TS 38.521-2 | UE NR | Kiểm thử hợp chuẩn tương ứng |
| TS 36.104 | Trạm gốc LTE | Yêu cầu RF của eNB |
| TS 37.104 | Trạm gốc multi-standard radio (MSR) | Yêu cầu RF cho trạm phát đồng thời nhiều công nghệ |
Phân loại trạm gốc¶
TS 38.104 phân loại trạm gốc theo hai trục. Trục thứ nhất là BS type, dựa trên dải tần và nơi đặt điểm đo:
| BS type | Dải tần | Điểm đo yêu cầu |
|---|---|---|
| 1-C | FR1 | Đo dẫn tại antenna connector |
| 1-H | FR1 | Phần lớn yêu cầu đo dẫn tại TAB connector (transceiver array boundary, ranh giới giữa mảng thu phát và mạng anten), một số yêu cầu đo bức xạ (OTA, over-the-air) |
| 1-O | FR1 | Đo bức xạ OTA |
| 2-O | FR2 | Đo bức xạ OTA |
Trục thứ hai là BS class, phản ánh kịch bản triển khai. Với BS type 1-C và 1-H, class được định nghĩa theo suy hao ghép tối thiểu (minimum coupling loss, MCL) giữa trạm và UE. Với 1-O và 2-O, class được định nghĩa theo khoảng cách tối thiểu giữa trạm và UE.
| BS class | MCL (1-C, 1-H) | Khoảng cách tối thiểu (1-O, 2-O) | Giới hạn công suất định mức, BS type 1-C |
|---|---|---|---|
| Wide Area | 70 dB | 35 m | Không giới hạn |
| Medium Range | 53 dB | 5 m | ≤ 38 dBm mỗi antenna connector |
| Local Area | 45 dB | 2 m | ≤ 24 dBm mỗi antenna connector |
Nhiều giới hạn trong các mục dưới khác nhau theo BS class, ví dụ giới hạn phát xạ của trạm Local Area khác của trạm Wide Area.
Yêu cầu phía phát¶
Chương 6 của TS 38.104 đặt yêu cầu phát đo dẫn cho BS type 1-C và 1-H. Chương 9 đặt các yêu cầu tương ứng đo bức xạ cho BS type 1-H (phần OTA), 1-O và 2-O.
| Mục | Yêu cầu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| 6.2 | Base station output power | Công suất phát thực tế so với công suất định mức nhà sản xuất công bố |
| 6.3 | Output power dynamics | Dải điều chỉnh công suất phát |
| 6.4 | Transmit ON/OFF power | Công suất rò khi máy phát tắt và thời gian chuyển trạng thái, quan trọng với TDD |
| 6.5 | Transmitted signal quality | Sai số tần số, chất lượng điều chế (EVM), sai lệch thời gian giữa các nhánh phát |
| 6.6 | Unwanted emissions | Occupied bandwidth, ACLR, operating band unwanted emissions, spurious emissions |
| 6.7 | Transmitter intermodulation | Khả năng máy phát không tạo sản phẩm xuyên điều chế khi có tín hiệu lạ lọt vào cổng anten |
Error Vector Magnitude (EVM)¶
EVM (Error Vector Magnitude) đo độ lệch giữa điểm điều chế thực tế và điểm lý tưởng trên giản đồ chòm sao, tính theo phần trăm biên độ. EVM gộp ảnh hưởng của nhiều nguồn sai lệch: PA phi tuyến, nhiễu pha của bộ dao động, mất cân bằng I/Q, nhiễu lượng tử hóa. Điều chế bậc cao có các điểm sát nhau hơn nên đòi hỏi EVM thấp hơn. Giới hạn cho BS type 1-C và 1-H (TS 38.104, bảng 6.5.2.2-1):
EVM là căn bậc hai của tỉ số giữa công suất trung bình của error vector và công suất trung bình của tín hiệu lý tưởng. 256QAM có các điểm sát nhau hơn QPSK nên chịu được ít sai lệch hơn.
| Điều chế | EVM tối đa |
|---|---|
| QPSK | 17,5% |
| 16QAM | 12,5% |
| 64QAM | 8% |
| 256QAM | 3,5% |
| 1024QAM | 2,5% (≤ 4,2 GHz), 2,8% (> 4,2 GHz) |
Nén dữ liệu IQ trên fronthaul cũng làm tăng EVM, xem Open Fronthaul.
Todo
Bổ sung giới hạn sai số tần số (frequency error) theo BS class. Chưa đối chiếu được con số trong mục 6.5.1 của TS 38.104.
Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR)¶
ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio, tỉ số công suất rò sang kênh kề) là tỉ số giữa công suất trung bình đã lọc, đo tại tần số trung tâm của kênh được cấp, và công suất trung bình đã lọc, đo tại tần số trung tâm của kênh kề. ACLR càng lớn thì máy phát rò càng ít công suất sang kênh bên cạnh. Một số tài liệu dùng tên ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) hoặc viết giới hạn dưới dạng âm theo dBc; các cách viết này tương đương.
ACLR được tính riêng cho kênh kề dưới và kênh kề trên. Hình minh họa, không theo tỷ lệ.
Với trạm gốc NR ở FR1, giới hạn ACLR cơ bản đo dẫn là 45 dB (TS 38.104, mục 6.6.3.2). Theo báo cáo kỹ thuật của 3GPP về NR, con số 45 dB được giữ từ yêu cầu ACLR của E-UTRA cho cả kênh kề thứ nhất (ACLR1) và kênh kề thứ hai (ACLR2), áp dụng cho mọi BS class.
Todo
Bảng 6.6.3.2-1 còn quy định giới hạn tuyệt đối thay thế và cách chọn băng thông đo ở kênh kề (cùng công nghệ NR hoặc khác công nghệ). Chưa đối chiếu được các giá trị này.
Nguồn chính của công suất rò là tính phi tuyến của bộ khuếch đại công suất (PA). Tín hiệu OFDM có PAPR (peak-to-average power ratio, tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) cao, nên khi PA hoạt động gần vùng bão hòa để đạt hiệu suất, các đỉnh tín hiệu bị nén và tạo ra sản phẩm xuyên điều chế trải sang kênh kề. Hai kỹ thuật thường dùng để đạt ACLR mà vẫn giữ hiệu suất PA là CFR (crest factor reduction, giảm hệ số đỉnh) và DPD (digital pre-distortion, tiền méo số). Hai kỹ thuật này đánh đổi với EVM: CFR cắt đỉnh càng mạnh thì ACLR càng tốt nhưng EVM càng xấu. Nguyên nhân PAPR cao của OFDM nằm ở OFDM.
DPD méo trước tín hiệu theo chiều ngược với đặc tuyến nén của PA, nên tín hiệu sau PA gần tuyến tính hơn và phần rò sang kênh kề giảm. Hệ số DPD được cập nhật từ tín hiệu lấy mẫu ở đầu ra PA. Các đường cong là dạng minh họa.
Các vùng phát xạ ngoài ý muốn¶
Mục 6.6 chia phổ quanh sóng mang thành các vùng, mỗi vùng một yêu cầu:
Vùng áp dụng của từng yêu cầu phát xạ quanh một sóng mang. Hình không theo tỷ lệ.
| Yêu cầu | Vùng áp dụng | Cách đặt giới hạn |
|---|---|---|
| Occupied bandwidth | Trong kênh | OBW phải nhỏ hơn channel bandwidth, xem RF Bandwidth |
| ACLR | Kênh kề hai bên sóng mang | Tỉ số công suất, tính bằng dB |
| Operating band unwanted emissions (OBUE) | Từ biên sóng mang tới một khoảng Δf_OBUE ra ngoài operating band | Mặt nạ công suất tuyệt đối theo khoảng cách tần số, khác nhau theo BS class và Category A/B |
| Spurious emissions | Ngoài vùng OBUE | Giới hạn công suất tuyệt đối, cộng thêm yêu cầu bảo vệ các hệ thống khác và đồng tồn tại với trạm đặt cùng vị trí |
Category A và Category B là hai bộ giới hạn phát xạ spurious định nghĩa trong khuyến nghị ITU-R SM.329, tương ứng với các khung quy định khác nhau giữa các khu vực. Nhà sản xuất công bố trạm tuân theo bộ nào.
Yêu cầu phía thu¶
Chương 7 của TS 38.104 đặt yêu cầu thu đo dẫn, chương 10 đặt yêu cầu thu đo bức xạ.
| Mục | Yêu cầu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| 7.2 | Reference sensitivity level | Mức tín hiệu nhỏ nhất mà máy thu vẫn đạt thông lượng yêu cầu |
| 7.3 | Dynamic range | Khả năng thu tín hiệu mong muốn khi có nhiễu nền lớn trong kênh |
| 7.4 | Adjacent channel selectivity (ACS) và narrow-band blocking | Khả năng thu khi có tín hiệu mạnh ở kênh kề hoặc tín hiệu băng hẹp sát kênh |
| 7.5 | Blocking | Khả năng thu khi có tín hiệu mạnh ở xa hơn, trong và ngoài operating band |
| 7.6 | Receiver spurious emissions | Công suất máy thu tự phát ra cổng anten |
| 7.7 | Receiver intermodulation | Khả năng thu khi hai tín hiệu lạ tạo sản phẩm xuyên điều chế rơi vào kênh |
| 7.8 | In-channel selectivity | Khả năng thu tín hiệu yếu khi có tín hiệu mạnh hơn trong cùng kênh |
ACLR và ACS là hai mặt của cùng một bài toán nhiễu kênh kề: ACLR giới hạn lượng công suất máy phát rò sang kênh kề, ACS giới hạn lượng nhiễu từ kênh kề mà máy thu không loại được. Trong các nghiên cứu đồng tồn tại, hai đại lượng được gộp thành ACIR (adjacent channel interference ratio) theo công thức ACIR = 1 / (1/ACLR + 1/ACS), với các đại lượng ở dạng tuyến tính. Đại lượng yếu hơn quyết định ACIR.
Hai đường nhiễu từ máy phát A tới máy thu B ở kênh kề. Ví dụ tính trong hình dùng giá trị giả định, không phải giới hạn của đặc tả.
Todo
Công thức ACIR được dùng rộng rãi trong các báo cáo đồng tồn tại của 3GPP, nhưng chưa đối chiếu với một báo cáo cụ thể (ví dụ TR 38.803).
Yêu cầu tối thiểu và giới hạn kiểm thử¶
TS 38.104 đặt yêu cầu tối thiểu. TS 38.141-1 và TS 38.141-2 mô tả cách đo và đặt giới hạn kiểm thử bằng yêu cầu tối thiểu cộng thêm dung sai kiểm thử (test tolerance), phản ánh sai số của thiết bị đo. Vì vậy giới hạn kiểm thử thường lỏng hơn yêu cầu tối thiểu, ví dụ EVM của QPSK là 17,5% trong TS 38.104 nhưng 18,5% trong TS 38.141-1. Khi đọc báo cáo đo của phòng thí nghiệm, cần biết con số đang so với giới hạn nào.
Liên quan¶
- RF Bandwidth: channel bandwidth, occupied bandwidth và Base Station RF Bandwidth dùng làm mốc cho các yêu cầu trên.
- Frequency Bands: operating band, nơi các yêu cầu OBUE và spurious được đặt theo.
- Carrier Aggregation: MSD, mức giảm độ nhạy thu cho phép với tổ hợp band.
- OFDM: PAPR, nguyên nhân khiến ACLR khó đạt.
- Static Timing Analysis (Chip & SoC): ví dụ ràng buộc timing cho chuỗi IP core DUC, CFR, DPD trên FPGA.
Tài liệu tham khảo¶
- ETSI TS 138 104 V15.2.0: NR, BS radio transmission and reception
- ETSI TS 138 104 V18.6.0: bản Release 18 của cùng đặc tả
- 3GPP TS 38.104, mục 4.4 (iTecSpec): BS class
- 3GPP TS 38.104, mục 6.2.1 (iTecSpec): giới hạn công suất định mức theo BS class
- 3GPP TS 38.104, mục 6.5.2.2 (iTecSpec): giới hạn EVM cho BS type 1-C và 1-H
- 3GPP TS 38.104, mục 6.6.4.2.3 (iTecSpec): giới hạn OBUE cho Medium Range BS, Category A và B
- 3GPP TS 38.104, mục 7.2.2 (iTecSpec): reference sensitivity cho BS type 1-C và 1-H
- 3GPP TS 38.141-1, mục 6.5.3.5 (iTecSpec): giới hạn kiểm thử EVM
- 3GPP TR 38.817-02 V15.8.0 (ATIS): báo cáo kỹ thuật về yêu cầu RF của trạm gốc NR, nguồn gốc giới hạn ACLR 45 dB
- ECC PT1: 5G NR base station classes: tóm tắt BS class, MCL và khoảng cách tối thiểu
- ITU-R SM.329: Unwanted emissions in the spurious domain, định nghĩa Category A và B
- 5G NR Downlink ACLR Measurement (MathWorks): ví dụ đo ACLR theo TS 38.104
- What is ACLR? (RF Essentials)