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 Hồng Hiệp, Nguyễn Tiến Sáng và Nguyễn Trung Tiến
Phịng giải pháp và xử lý tín hiệu,
Tổng Cơng ty Cơng Nghiệp Công Nghệ Cao Viettel
Email: , ,
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 tốn 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 tơi mơ hình hóa hệ
thống thu phát và tính tốn mức xoay pha của tín hiệu
thu dựa trên tín hiệu phát được mơ tả trong bản chuẩn
hóa [2]. Từ đó chúng tơi đề xuất phương pháp bù pha

ngược lại để tín hiệu khơng 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 khơng bù pha vào tín hiệu
thu, chịm sao tín hiệu thu được sẽ bị xoay và khơng
thể giải mã được tín hiệu phát. Ngược lại nếu có bù pha
trước khi đưa vào bộ giải điều chế, chịm sao tín hiệu
thu sẽ khơng bị xoay và tín hiệu phát có thể phục hồi
lại được ở phía thu.
Phần cịn lại của bài báo này được trình bày như
sau. Phần II chúng tơi trình bày cấu trúc khung dữ liệu
theo chuẩn 5G NR, mô hình thu phát và tính tốn
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 mơ hình phần cứng testbed để
đánh giá phương pháp đề xuất và báo cáo kết quả thử
nghiệm. Phần IV chúng tơi trình bày kết luận bài báo.

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 vơ 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 khơng có tín hiệu hoa
tiêu đi kèm. Dựa trên chuẩn 5G NR, chúng tơi mơ hình
hóa và tính tốn mức xoay pha của tín hiệu thu, từ đó đề
xuất phương pháp bù pha ngược lại để tín hiệu khơng 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 thơng 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
cơng nghệ dựa trên bản chuẩn hóa vơ 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,

ISBN 978-604-80-5958-3

28


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)

đường lên cịn 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]. Ngồi ra UE cịn có thể được cấu hình để
truyền thêm tín hiệu SRS (Sounding Reference Signal)
giúp trạm gốc có thêm thơng tin đánh giá kênh được
chính xác hơn.

Tần số

Khe dữ liệu đường lên


Thời gian

Hình 2. Mơ hình hệ thống thu phát cho đường lên
(uplink) trong 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 và tính tốn lượng pha bị xoay của tín hiệu thu.
Chúng tơi phân tích một mơ 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 khơng làm mất đi tính
tổng qt, chúng tơi 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 d k ,l là dữ liệu người dùng sau


Hình 1. Cấu trúc khe dữ liệu đường lên
II.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Trong phần này, đầu tiên chúng tơi trình bày tổng
quan về mơ hình khung dữ liệu và tín hiệu OFDM
phía phát theo chuẩn NR [2]. Sau đó chúng tơi trình
bày mơ hình thu phát, tính tốn lượng pha bị xoay ở
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
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

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 mơ tả trong [2].
Trong miền tần số, băng thơng hệ thống được chia
thành các sóng mang con, số lượng sóng mang con
phụ thuộc vào băng thơng 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 thơng 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 thơng 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

ISBN 978-604-80-5958-3

tách từ cao tần ở tần số

f rx , 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 ( dˆk ,l ) được đưa vào khối giải
điều chế để tìm tín hiệu phát. Giả sử

sl (t ) là tín hiệu


miền thời gian (sau bộ IFFT) ở phía phát, khi đó theo
[2] sl (t ) được tính theo cơng thức

sl (t )   k ak ,l e

Trong đó

 j 2 k f ( t TCP ,l )

.

(1)

TCP ,l là độ dài tiền tố vịng 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]

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 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

t start ,l là thời gian bắt đầu ký tự OFDM thứ

e

l , được tính theo cơng thức [2]
l 0


0
tstart,l  

tstart,l 1   N  NCP,l 1   Tc

otherwise

(3)

Trong đó

N là 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, Tc là độ dài một mẫu nhỏ nhất quy định trong
chuẩn NR [2].
Để đơn giản mà khơng mất tính tổng qt, trong phân
tích này chúng tơi khơng xét đến ảnh hưởng của mơi
trường vơ tuyến lên mơ 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 cơng 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 đó rl (t ) là tín hiệu cao tần nhận được tại ăng

)

CPRI (9.8Gbps)

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:

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 bằng
kênh

Máy phát tín hiệu 5G chuẩn

Khối thực hiện bù
pha và xử lý FFT

FPGA Kit

 e j d k ,l

RFIC
Khối xử lý cao tần RRU

Hình 4. Mơ 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
  2 f rx (tstart ,l  TCP,l )  (tx  rx ). (6)

III.

MƠ 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 trị 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),

Dựa vào cơng 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 khơng
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 f rx và thứ tự ký
tự OFDM trong khung dữ liệu nên sẽ không thể khôi
phục bằng cân bằng kênh thơng thường nếu khơng có
tín hiệu giải mã hoa tiêu DMRS đi kèm (như trong
Hình 1). Do đó chúng tơi 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

ISBN 978-604-80-5958-3

FFT

Bộ nhân
Hình 3. Sơ đồ khối luồng xử lý khi 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, đó là phía thu sẽ áp dụng một lượng pha được
tính theo cơng thức
j 2 f rx ( tstart ,l TCP ,l )
(7)
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 khơng có

tín hiệu hoa tiêu đi kèm có thể khơi phục được. Sơ đồ
khối của phương pháp này được trình bày ngắn gọn
như trong Hình 3. Chúng tơi 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.

Trigger

tx là pha ban đầu của khối dao động nội tại

DMRS

Trong đó

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 thơng qua cáp để đảm bảo
không bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngồi. 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 chịm sao tín hiệu thu nhận được khi
thực hiện xử lý tín hiệu thu theo phương pháp truyền
thống (tức khơng 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
khơng thể khơi 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
cơng thức (6). Ở Hình 6 là biểu đồ chịm sao tín hiệu
thu trong bộ giải điều chế khi thực hiện bù pha tín hiệu
theo cơng thức (7), có thể thấy chất lượng tín hiệu thu
được cải thiện rất nhiều và có thể khơi phục lại được
tín hiệu gốc. Thực tế khi sử dụng phương pháp bù pha
tín hiệu thì hệ thống của chúng tơi mới đạt được độ
nhạy thu cần thiết theo quy định của 3GPP [6].

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 tơi mơ
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 khơng khơi
phục được dữ liệu nếu khơng có phương pháp bù lại
lượng pha bị xoay này. Chúng tơi mơ hình hóa và tính
tốn chính xác lượng pha bù vào để triệt tiêu hiện
tượng này, dẫn đến việc khơi 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 tơi là đánh
giá tính hiệu quả của phương pháp với thiết bị người
dùng thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]
[3]
[4]
[5]

[6]

Hình 5. Tín hiệu thu sau cân bằng kênh khi 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:
/>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.