Băng tần millimeter cho hệ thống thông tin di động 5G: Thách thức và giải pháp

Hiện nay, số lượng các thiết bị thông minh đang ngày càng tăng, kéo theo sự gia tăng lưu lượng dữ liệu di động với tốc độ rất nhanh. Theo báo cáo của Cisco (Hình 1) [1], lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp 7 lần từ năm 2017 đến năm 2022 và tốc độ tăng trưởng hàng năm vào khoảng 46% trong giai đoạn này, nghĩa là có thể đạt 77,5 exabytes mỗi tháng vào năm 2022.

Không khó để nhận ra rằng, các mạng băng rộng di động hiện tại sẽ bị quá tải khi phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu nói trên do những giới hạn của phổ tần hiện có trong dải tần viba microwave. Hơn nữa, để triển khai các dịch vụ di động đa dạng, đặc thù và đảm bảo các yêu cầu gắt gao về chất lượng (như là truyền phát video với công nghệ Ultra HD, các dịch vụ dựa trên điện toán đám mây, thực tế ảo tăng cường - AR,…), cho các mạng và thiết bị thế hệ tiếp theo, những yêu cầu và thách thức mới về băng thông, độ trễ, độ tin cậy sẽ được áp dụng cho toàn bộ quá trình thiết kế hệ thống.

Để cung cấp tốc độ dữ liệu cực cao (tức là “multi-gigabit” mỗi giây) ở bất kỳ đâu bất kỳ lúc nào, chúng ta cần phát triển các dịch vụ di động, các thành phần và kiến trúc công nghệ mới, mang tính cách mạng. Tuy nhiên, để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ đòi hỏi phải sử dụng kết hợp các băng tần rời rạc. Điều này gây khó khăn trong thiết kế thiết bị di động, đòi hỏi số lượng kết hợp băng tần phải lớn và có giới hạn về số lượng ăng-ten. Hơn nữa, phổ tần hiện có cho các dịch vụ di động mới đang trở nên quá “chật hẹp”. Trong khi đó, băng tần mmWave (30-300 GHz) cung cấp một lượng lớn phổ tần để sử dụng cho truyền thông di động (Hình 2). Từ những điều trên cho thấy, khi kết hợp với công nghệ Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) và femto cells (tế bào nhỏ), mmWaves có thể là giải pháp chính cho hệ thống thông tin di động 5G trong tương lai. Tuy nhiên, để hệ thống đó trở thành hiện thực, cần phải trả lời một số vấn đề và câu hỏi đặt ra.

Đặc tính và vấn đề hiện tại của giải pháp truyền thông sử dụng băng tần mmWave

Băng tần mmWave từ lâu đã thu hút sự chú ý của cả giới học thuật lẫn các ngành công nghiệp. Đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào đặc tính của các kênh truyền cũng như thiết bị điện tử sử dụng mmWave nhằm tận dụng một cách hiệu quả những đặc tính này để đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Ngoài ra, các tổ chức chuẩn hóa cũng nỗ lực rất lớn để thiết lập tiêu chuẩn cho các ứng dụng giải pháp truyền thông sử dụng băng tần mmWave. Theo đó, các sản phẩm liên quan mmWave đã bắt đầu xuất hiện phổ biến hơn trên thị trường. Những con chips 60GHz do Qualcomm sản xuất là một minh chứng.

Tuy nhiên, bất chấp những nỗ lực đó, trong một thời gian dài, băng tần mmWave vẫn được cho là “thiếu hấp dẫn” và “đầy thách thức” đối với truyền thông di động. Nguyên nhân chính xuất phát từ những đặc tính kênh truyền bất lợi của dải tần mmWave, như: Sự suy hao đường truyền lớn (Path Loss), tác động hấp thụ khí quyển của CO₂, O₂, hay sự suy giảm tín hiệu do mưa, sương mù, tuyết gây ra. Chính những yếu tố này làm giảm đáng kể phạm vi và khả năng cung cấp dịch vụ của mmWave so với các hệ thống di động băng rộng hiện có. Ngoài ra, các kịch bản triển khai của công nghệ mmWave sẽ bị giới hạn trong phạm vi giao tiếp điểm - điểm (point-to-point) ngắn trong điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS - Line-of-Sight) với khả năng di động thấp [5].

Suy hao đường truyền (Path Loss)

Như đã biết, suy hao đường truyền phụ thuộc vào tần số sóng mang f_c. Khi tần số sóng mang tăng lên, kích thước ăng-ten sẽ giảm xuống. Kết quả là khẩu độ hiệu dụng của ăng-ten giảm xuống theo hệ số trong khi suy hao đường truyền tăng lên với hệ số f_c². Do đó, việc tăng tần số sóng mang f_c từ 3 lên 30 GHz sẽ làm mất thêm 20 dB tương ứng bất kể khoảng cách giữa máy phát và máy thu [3]. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng, nếu có thể giữ khẩu độ hiệu dụng của ăng-ten không đổi ở cả hai đầu đường truyền thì có thể giảm một cách đáng kể sự suy hao đó.

Tác động từ blockage và deafness

Blockage đề cập đến những suy giảm rất lớn do vật cản (obstacles) gây ra. Tín hiệu sóng viba microwave thường ít bị ảnh hưởng bởi sự che chắn và vật cản nhưng chúng lại bị suy giảm bởi nhiễu xạ. Ngược lại, mmWave ít bị tác động bởi nhiễu xạ so với tín hiệu microwave, nhưng lại dễ bị “tổn thương” bởi các vật cản che chắn. Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, khi khoảng cách giữa thiết bị truyền và nhận tăng lên thì suy hao đường truyền tăng 20dB/decade theo phương tầm nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight), nhưng giảm đến 40 dB/decade cộng thêm các tổn thất do sự che chắn gây ra vào khoảng 15 – 40 dB nếu không theo tầm nhìn thẳng NLOS (Non Line-of-Sight). Ngoài ra có thể kể đến các suy hao do tín hiệu đi xuyên qua cơ thể người, gạch hay thủy tinh lần lượt là 35 dB, 80 dB và 50 dB. Những mất mát nghiêm trọng này không thể bù đắp lại bằng việc chỉ thêm một vài dB công suất truyền hoặc tăng thêm ăng-ten sử dụng các chùm sóng hẹp. Do đó, sự có mặt của vật cản có thể làm gián đoạn các kết nối đồng thời gây ảnh hưởng trên quy mô lớn mà chúng ta khó có thể khắc phục bằng các biện pháp đối phó dành cho quy mô nhỏ như trước đây.

Deafness đề cập đến trường hợp khi mà chùm sóng chính của thiết bị truyền và thiết bị nhận không thẳng hàng hay không liên kết với nhau dẫn đến không thể thiết lập được liên kết mmWave chất lượng đủ cao. Hơn thế nữa, các cơ chế tránh nhiễu và chống xung đột có thể sẽ là các yếu tố thiết kế thứ cấp (bởi một máy thu chỉ lắng nghe kênh có định hướng cụ thể) và cần có các quy trình căn chỉnh, theo dõi chùm phức tạp để thiết lập và duy trì liên kết mmWave.

Sự hấp thụ khí quyển và mưa

Một trở ngại lớn khác cho truyền thông mmWave là sự suy giảm do mưa, tuyết và hấp thụ khí quyển. Sự suy giảm này có thể lên đến 10 – 20 dB/km hoặc hơn gấp nhiều lần. Ví dụ như trong dải tần 60GHz, sự hấp thụ do không khí và mưa rất đáng chú ý, đặc biệt sự hấp thụ khí O₂ lên đến 15 – 17 dB/km. Tuy nhiên, ta có thể hạn chế vấn đề này bằng cách triển khai các cells có kích thước nhỏ hơn. Hình 4 thể hiện mức độ hấp thụ khí quyển của các sóng điện từ.

Bảng 1 [3] dưới đây tóm tắt các đặc tính lan truyền của mmWave trong các dải tần khác nhau liên quan đến suy hao đường truyền (Path Loss Exponent - PLE) trong các kênh truyền LOS và NLOS, độ suy giảm do mưa ở 200 m và độ hấp thụ oxy ở 200m. Qua đó cho thấy, các băng tần 28 GHz và 38 GHz ở phạm vi 200m bị suy giảm do mưa và hấp thụ oxy thấp, trong khi hiệu ứng của chúng là đáng kể ở các băng tần 60 GHz và 73 GHz. Bên cạnh đó, cũng có thể thấy rằng việc truyền tín hiệu theo NLOS gây ra nhiều tổn thất hơn so với truyền tín hiệu theo LOS ở cả bốn dải băng tần.

Bảng 1 – Đặc tính lan truyền của mmWave trong các dải tần khác nhau

Mối quan tâm từ khía cạnh tiết kiệm năng lượng và chi phí

Để triển khai thành công hệ thống thông tin di động 5G trên cơ sở mmWave, không những cần quan tâm đến các vấn đề kỹ thuật như đã nêu ở trên mà còn cần phải cân nhắc khía cạnh tiết kiệm năng lượng và chi phí. Gần đây, đã có rất nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển tập trung vào truyền thông không dây xanh (Green Wireless Communication) trong mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Và hiển nhiên, trong bối cảnh mạng 5G, vai trò của truyền thông xanh sẽ càng trở nên quan trọng hơn. Từ khía cạnh truyền thông sóng mmWave, các kiến trúc và cơ chế thu phát đa ăng-ten tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm chi phí để tiếp cận các dải tần rộng và liên tục rất đáng được quan tâm. Ngoài ra, việc giảm thiểu chi phí lắp đặt và vận hành cũng cần được đặc biệt lưu ý trong khi triển khai một cách dày đặc các mạng di động mmWave nhỏ trên diện rộng.

Những giải pháp tiềm năng và hướng phát triển

Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, khi kết hợp mmWave với hai công nghệ cộng sinh khác là Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) và femto cells (tế bào nhỏ), chúng ta có thể đạt được các hệ thống tối ưu cho thế hệ di động 5G.

Massive MIMO và công nghệ Beamforming

Công nghệ Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) là nhiều ăngten MIMO cỡ lớn được sử dụng để giao tiếp với nhiều thiết bị không dây khác nhau cùng một lúc làm tăng dung lượng trong dải băng tần, giúp đạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR - Signal to Noise Ratio) cao và đồng đều trong mỗi tế bào (cell). Ngoài ra, các mạng mmWave phải sử dụng ăng-ten định hướng có thể điều khiển bằng điện tử với độ lợi (gain) cao, nghĩa là chúng phải được mã hóa trước hoặc sử dụng công nghệ beamforming (công nghệ tập trung tín hiệu và phát về một hướng cụ thể) với dữ liệu dạng chùm (beam-form data) trên các mảng ăng-ten lớn. Nhờ đó cung cấp đủ độ lợi của ăng-ten giúp vượt qua được suy hao đường truyền và đảm bảo tỉ số SNR cao ở đầu ra.

Mạng dày đặc (dense network) với các tế bào nhỏ (small cells)

Để khắc phục những hệ quả do blockages gây ra và kết hợp với việc sử dụng linh động các mạng có thể điều khiển (Ví dụ: Mạng SDN, SDR, …), mạng mmWave cũng có thể được triển khai một cách dày đặc và hưởng lợi từ xu hướng hiện tại khi chuyển đổi từ hệ thống di động sang cơ sở hạ tầng không đồng nhất. Các tế bào nhỏ hay còn gọi là femto và pico cells cho phép tốc độ tái sử dụng tần số cao hơn ở phạm vi 10 - 200m.

Tổng kết

Nhìn chung, triển khai hệ thống thông tin di động 5G trên cơ sở mmWave đặt ra nhiều thách thức cho các kỹ sư viễn thông nói chung và kỹ sư vô tuyến nói riêng. Điều cần thiết là phải có một mô hình kênh truyền mạnh mẽ cho dải tần mmWave. Massive MIMO, Beamforming là những công nghệ không thể thiếu và đòi hỏi nhiều nỗ lực nghiên cứu hơn nữa để hoàn thiện và triển khai 5G trên thực tế.

Tài liệu tham khảo

1. Cisco, V.N.I., 2018. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Trends, 2017–2022. White Paper.
2. Lawrence, N.P., Ng, B.W.H., Hansen, H.J. and Abbott, D., 2017. 5G Terrestrial Networks: Mobility and Coverage—Solution in Three Dimensions. IEEE Access, 5, pp.8064-8093.
3. Niu, Y., Li, Y., Jin, D., Su, L. and Vasilakos, A., 2015. A survey of milimeter wave (mmwave) communications for 5g: Opportunities and challenges. ArXiv preprint.
4. Widmer, J. and Fischione, C., 2016. Challenges and solutions for networking in the millimeter-wave band.
5. Rolland Zhang, 2017. 5G & Millimeter Wave Band Challenges. [Online]: https://www.lightreading.com/mobile/5g/5g-and-millimeter-wave-band-challenges/a/d-id/735852 (Accessed date: 27.01.2019)