Truyền thông vệ tinh, truyền thông 3D trong mạng 5G, 6G - TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Truyền thông vệ tinh đã đã trở thành một phương tiện truyền thông rất phổ biến và đa dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu, lưu lượng thoại lớn và các chương trình truyền hình cùng với vệ tinh Internet cho phép kết nối Internet đến mọi vùng trên trái đất.

Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tinh có thể cho phép nối mạng nhiều trạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất. Các vệ tinh đảm bảo đường truyền truyền thông cho các vùng dân cư xa xôi hẻo lánh khi mà các phương tiện truyền thông khác khó đảm bảo.

Đến nay, nhiều hệ thống truyền thông vệ tinh đã được thiết lập với các quỹ đạo vệ tinh khác nhau, trong đó chỉ có một vài hệ thống truyền thông vệ tinh sử dụng quỹ đạo elip, chẳng hạn vệ tinh Molnya của Liên Xô cũ, còn các vệ tinh còn lại đều sử dụng quỹ đạo tròn. Hiện nay không chỉ có các hệ thống truyền thông vệ tinh cho các đối tượng cố định mà các hệ thống truyền thông vệ tinh di động cũng đã được thiết lập và đưa vào khai thác. Ngày càng có xu thế tích hợp truyền thông vệ tinh với truyền thông mặt đất.

Hệ thống truyền thông di động mặt đất 5G đã và đang được triển khai trên toàn thế giới. Hệ thống 5G có khả năng cung cấp lưu lượng số liệu cao, trễ thấp, chất lượng trải nghiệm người dùng cao và giảm tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra hệ thống này cũng cho phép kết nối hàng tỉ các thiết bị thông minh IoT.

Các ứng dụng mới trong thập kỷ tới đây và đòi hỏi dịch vụ mọi nơi, mọi thời điểm sẽ cần có các công nghệ hỗ trợ các dịch vụ truyền thông 3D theo yêu cầu hơn là các dịch vụ truyền thông 2D hiện nay. Tích hợp các mạng mặt đất với mạng không gian không trung với tên gọi là NTN (Non Terrestrial Network: mạng không phải mặt đất) để nâng cao dịch vụ truyền thông 2D tiến tới dịch vụ truyền thông 3D nhằm cung cấp kết nối theo yêu cầu cùng với trí tuệ biên để hỗ trợ các dịch vụ truyền thông 3D nằm trong lộ trình tiến tới truyền thông 3D hướng đến 6G. Kiến trúc mạng phân cấp 3D tương lai trong đó các thiết bị bay đa dạng cung cấp các mức di động, phủ sóng và dịch vụ khác nhau sẽ hỗ trợ kết nối mới theo yêu cầu mang tính cách mạng.

Sự phát triển của các công nghệ viễn thông, yêu cầu không ngừng tăng đối với các dịch vụ mới cùng với sự bùng phát của các thiết bị thông minh dẫn đến sự phát triển mạng không gian không trung NTN như là một giải pháp hiệu quả bổ trợ cho các mạng mặt đất để cung cấp các dịch vụ trên các vùng địa lý chưa được phục vụ hoặc phục vụ thấp. Mạng không phải mặt đất NTN là thuật ngữ bao trùm cho tất cả mọi mạng chứa các đối tượng bay. Theo định nghĩa của 3GPP, NTN là một mạng trong đó các phương tiện bay không gian (Spaceborne Vehicle) hay các phương tiện bay không trung (Airborne Vehicle) hoạt động như là một nút chuyển tiếp hay như là một trạm gốc giống như các kiến trúc vệ tinh trong suốt (transparent) và tái sinh (regenerative).

Các thiết bị không gian bao gồm các vệ tinh GEO, MEO, LEO; còn các thiết bị không trung bao gồm HAPS (High Altitude Platform System: hệ thống nền tảng độ cao cao) và UAS (Unmanned Aircraft System: hệ thống bay không người lái), trong đó UAS bao gồm UAS nối dây (TUA: Tethered UAS), UAS nhẹ hơn không khí (LUA: Lighter than Air UAS) và UAS nặng hơn không khí (HUA: Heavier than Air UAS).

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) là các phương tiện bay không có người lái, chủ yếu được điều khiển và quản lý từ xa hoặc bởi chương trình tự chủ được nhúng. UAV cũng thường được gọi là Drone. Các UAV được kỳ vọng sẽ trở thành một bộ phận quan trọng của các mạng không dây với tiềm năng rất lớn trong việc hỗ trợ phát quảng bá vô tuyến và truyền dẫn tốc độ cao. Truyền thông UAV cũng đóng vai trò quan trọng khi kết nối các thiết bị IoT qua mạng 5G. So với truyền thông bằng các hạ tầng cố định, UAV có rất nhiều ưu điểm như: triển khai linh hoạt, các liên kết tầm nhìn thẳng (LoS), và có thêm các độ tự do thiết kế với di động được điều khiển. UAV có thể đóng vai trò trung tâm khi khôi phục các dịch vụ mạng trong một vùng bị thiên tai, thảm họa, tăng cường các mạng an toàn công cộng hoặc xử lý các tình trạng khẩn cấp khác khi yêu cầu có dịch vụ URLLC. eMBB với sự hỗ trợ UAV có thể được coi như là một bổ trợ quan trọng cho các mạng di động 5G. Vì thế UAV được nhận định như là một phần tử quan trọng của 5G/B5G. Các UAV robot với tiềm năng vô cùng rộng lớn là một mô hình mới nổi sẽ hỗ trợ các ứng dụng mới trong các lĩnh vực và các cơ hội kinh doanh khác nhau. Thị trường UAV đã đạt giá trị 20,68 tỷ USD năm 2017 và dự báo sẽ đạt giá trị 59,82 tỷ USD vào năm 2026.

Truyền thông không gian và không trung sẽ là tính năng hỗ trợ hứa hẹn không chỉ cho 5G mà cho cả công nghệ không dây 6G. Tích hợp các nền tảng không gian và không trung vào các mạng mặt đất sẽ đạt được nhiều thành công hơn trong 6G. Trong các nền tảng NTN, UAV sẽ chủ yếu được khai thác bổ sung cho phủ sóng mặt đất để đảm bảo phủ sóng cho các vùng nóng và các kịch bản của các vùng có tín hiệu mặt đất yếu. Ngoài ra, các vệ tinh sẽ hỗ trợ các UAV và các gNB mặt đất để kết nối tuyến sau và mở rộng phủ sóng.

Các mạng NTN và mặt đất tích hợp sẽ đảm bảo phủ sóng tốt hơn, mở rộng tầm nhìn thẳng và thông lượng truyền dẫn cao. NTN được hỗ trợ bởi 6G sẽ tiếp nhận các công nghệ mới như sóng laser-mm (Laser-mm Wave), truyền thông kiểu quang và holographic (đa chiều), vô tuyến nhận thức, photonics (quang tử), học máy để đạt được truyền dẫn không gian - mặt đất trễ thấp và tin cậy cao nâng cao.

Kỳ vọng truyền thông không gian, không trung có thể đưa ra các tính năng hỗ trợ 6G sau đây:

- Vô tuyến holographic để điều khiển không gian vật lý sở hữu bề mặt trí tuệ lớn (LIS: Large Intelligence Surface) bằng cách cải thiện hiệu suất phổ và dung lượng mạng;

- Tần số THz để bù trừ méo bước sóng do hiện tượng khí quyển, đảm bảo trễ cực thấp và tin cậy cao;

- Trí truệ nhân tạo (Artificial Intelligence) cho phép các quyết định vệ tinh thời gian thực và các hoạt động tự lập.

Trong công nghệ không dây 6G, truyền thông NTN có thể đảm bảo tính linh hoạt và tích hợp các mạng mặt đất vệ tinh cực tốt. 6G NTN cũng được kỳ vọng hỗ trợ các trường hợp sử dụng quan trọng (chẳng hạn dự đoán thảm họa) và đạt được kết nối toàn cầu với truy nhập mạng liền mạch trong các kịch bản hàng hải và miền núi.

3GPP đã hoàn thành tiêu chuẩn hóa công nghệ không dây thế hệ 5 (5G) đầu tiên bằng việc đánh dấu phát hành chính thức tiêu chuẩn R15 vào giữa năm 2018. Bước phát triển tiếp theo của hệ thống 5G được kết thúc trong phát hành tiêu chuẩn R16 và 3GPP tiếp tục nghiên cứu phát triển tiếp hệ thống 5G trong các phát hành tiếp theo hướng đến 6G. Cho phép hệ thống 5G hỗ trợ các mạng không phải mặt đất (NTN) là một hướng nghiên cứu đang được thực hiện trong 3GPP.

Cuốn sách này có mục đích cung cấp các khái niệm cơ bản về các vấn đề như: truyền thông vệ tinh, tích hợp mạng không gian không trung và 5G mặt đất, quản lý di động trong 5G NTN vệ tinh, truyền thông UAV trong mạng tích hợp UAV, vệ tinh và 5G tổ ong mặt đất và tầm nhìn hướng tới 6G 3D.

Cuốn sách bao gồm 8 chương, trong đó 3 chương đầu dành cho các kiến thức cơ bản về truyền thông vệ tinh, 5 chương còn lại dành cho các vấn đề: tích hợp mạng không gian không trung vào mạng 5G mặt đất, quản lý di động trong 5G NTN vệ tinh, truyền thông UAV trong mạng tích hợp UAV, vệ tinh và 5G tổ ong mặt đất và tầm nhìn hướng tới 6G 3D.

Cuốn sách sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các trường đại học, các chuyên gia và kỹ thuật viên trong lĩnh vực viễn thông và các bạn đọc quan tâm.