Khám phá phổ tần 6G

Ảnh minh họa: Pixabay.

Hiện chưa rõ phổ tần mới nào sẽ được sử dụng cho 6G, tuy nhiên hiện có ba phổ tần đang được xem xét: băng trung cao (còn được gọi là băng trung hay không chính thức là FR3) từ 7-24 GHz, các băng tần sub-THz trong dải 90 GHz đến 300 GHz, và phổ tần tối đa dưới 7 GHz nhờ sắp xếp lại tần số, ấn định các băng tần mới và nâng cao hiệu suất phổ.

Theo bà Sarah LaSelva, Giám đốc Tiếp thị 6G, Keysight Technologies, cho biết sự phân bổ phổ tần theo thế hệ công nghệ, bao gồm các băng tần tiềm năng cho 6G (Hình 1). Dưới đây, chúng ta xem xét các lợi ích và hạn chế của từng băng tần được đề xuất.

Hình 1: Phân bổ tần số trong từng thế hệ thông tin di động.

Băng trung cao (7-24 GHz)

Phổ tần từ 7-24 GHz này là phổ tần mới hấp dẫn nhất đối với các hệ thống 6G đầu tiên. (Hình 2) là giản đồ phân bổ băng tần cho truy cập vô tuyến di động và cố định từ 7-24 GHz. Dải tần 7-15 GHz rất hấp dẫn vì có đặc tính lan truyền tương tự như của các băng tần ngay dưới 7 GHz. Tín hiệu ở các tần số này có suy hao lan truyền thấp hơn so với FR2, có thể xuyên tốt hơn qua các tòa nhà và các công trình khác để tạo vùng phủ sóng trong nhà. Nhờ đó, các nhà khai thác có thể tăng dung lượng mạng với số trạm gốc nhỏ hơn so với sử dụng mmWave FR2 để mở rộng vùng phủ.

Quy chế chính sách là thách thức chính đối với việc sử dụng phổ tần này. Hiện đang có rất nhiều tổ chức, bao gồm các tổ chức chính phủ và dân sự, đang cùng sử dụng phổ tần này cho các ứng dụng ngoài truy cập vô tuyến di động, chẳng hạn như khí tượng, thiên văn vô tuyến và hoa tiêu hàng hải. Nhiều đơn vị trong số đó có thể gặp khó khăn hoặc không thể dịch chuyển tần số vì đó là các tổ chức của chính phủ hoặc các nhà cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh - khi vệ tinh đã lên quỹ đạo, việc thay đổi tần số là rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được.

Thậm chí trong trường hợp các cơ quan quản lý nhà nước có thể đạt được đồng thuận về sự khả dụng của phổ tần và các hình thức cấp phép, thách thức kỹ thuật lớn nhất cần vượt qua là sử dụng chung dải tần này như thế nào để không làm gián đoạn những người dùng khác.

Hình 2: Giản đồ phân bổ phổ tần 7-24 GHz cho các ứng dụng di động/cố định^[1].

Băng tần Sub-THz (90-300 GHz)

Các tần số Sub-THz cung cấp các khối phổ tần lớn, liền kề có thể được phân bổ cho 6G. Với băng thông lên đến 20 GHz, các tần số này có thể sử dụng được cho 6G mặc dù còn nhiều vấn đề lớn về kỹ thuật cần giải quyết. Tới nay, chúng ta đã có thể dự báo về các ứng dụng yêu cầu thông lượng dữ liệu cực cao, lớn hơn 100 Gbps. Với hiệu suất phổ tần hiện tại, 6G sẽ cần các khối băng thông liền kề lớn hơn so với băng thông có sẵn trong các dải tần số thấp hơn.

Dù có nhiều khó khăn kỹ thuật, nhưng  các băng tần này vẫn nên được tiếp tục nghiên cứu thêm bởi tiềm năng giải quyết các bài toán khó như liên kết không gian với Trái đất, thông tin nghe nhìn đa chiều, và các ứng dụng cảm biến và truyền thông tiên tiến của chúng.

Tần số sử dụng trong băng sub-THz tiếp tục là câu hỏi chưa có đáp án. Dải tần 90-110 GHz (băng tần W) có nhiều phân đoạn với băng thông liền kề hợp lý được phân bổ cho vô tuyến di động hoặc cố định và có băng thông liền kề lớn hơn so với băng tần D 110-170 GHz, như được thể trong (Hình 3).

Hình 3: Giản đồ phân bổ tần số di động / tần số cố định toàn cầu, băng tần 92-175 GHz.¹

Trong các băng G và H trên 200 GHZ cũng có các băng tần khác được phân bổ cho các dịch vụ di động và cố định, như thể hiện trong (Hình 4), nhưng trong tương lai, các tần số này sẽ được sử dụng cho truyền thông thương mại sau băng tần W hoặc D.

Hình 4: Giản đồ phân bổ tần số 92-175 GHz cho các ứng dụng di động/cố định toàn cầu.¹

Băng W và D là các băng tần sub-THz có khả năng được sử dụng đầu tiên do hệ sinh thái ở các tần số đã tương đối phát triển và có đặc tính lan truyền thuận lợi hơn. Tần số càng cao, suy hao trong không gian tự do càng lớn. Suy hao này còn tăng lên do các đỉnh hấp thụ phân tử trong bầu khí quyển của chúng ta như được thể hiện dưới đây trong (Hình 5).

Có thể sử dụng các công nghệ như định hướng búp sóng, bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (RIS) và các loại ăng-ten mới để khắc phục suy hao đường truyền tần số sub-THz. Tuy nhiên, kể cả khi đã có các công nghệ và kỹ thuật nói trên thì suy hao đường truyền trong dải tần sub-THz vẫn là quá lớn để có thể ứng dụng trong thông tin di động truyền thống trong tương lai gần.

Hình 5: Suy hao khí quyển theo tần số. Liên minh mmWave cung cấp.^[2]

Băng tần thấp (Dưới 7 GHz)

Các băng tần từ 600 MHz đến 900 MHz sẽ tiếp tục là nền tảng chính để phủ sóng trên diện rộng. Những tần số này có thể bao phủ khoảng cách xa và có mật độ phủ sóng trong nhà và ngoài trời cao. Các băng tần này sẽ tiếp tục là các băng tần quan trọng cho triển khai ở khu vực nông thôn và là những băng tần tốt nhất để phủ sóng vùng biên cell. Các băng tần này không thể cung cấp băng thông rộng hơn, kể cả khi được phân bổ nhiều phổ tần liền kề hơn. Ngay cả khi không có phổ mới trong băng tần 6G này, các băng tần thấp này vẫn sẽ tiếp tục có vai trò quan trọng.

Trong 5 tới 10 năm tới, sẽ có các phổ tần mới từ 1-7 GHz dành cho vô tuyến di động và cố định, giúp đáp ứng nhu cầu thông lượng của 5G. Mọi phổ tần mới được phân bổ trong dải này đều có thể được sử dụng cho 6G. WRC-23 có thể sẽ xem xét một số băng tần mới -3.3-3.4 GHz, 3.6-3.8 GHz, 6.425-7.025 GHz, và 7.025-7.125 GHz, trong đó 7.025-7.125 GHz là băng tần duy nhất được xác định để sử dụng toàn cầu^[3].

Có thể lấy được băng thông rộng hơn trong dải tần dưới 7 GHz, như băng C trong 5G, thông quađánh giá lại cách thức sử dụng tần số trong băng này và sắp xếp lại cho các thế hệ sau. Phổ tần trong dải này là tài nguyên hữu hạn và khan hiếm, do đó cần phải được sử dụng một cách thông minh và hiệu quả nhất có thể.

Thời biểu triển khai phổ tần

Hiện chưa rõ tần số nào sẽ được sử dụng cho 6G. ITU phân bổ phổ tần cho tiêu chuẩn International Mobile Telecommunications (IMT) tại Hội nghị Vô tuyến Thế giới, WRC, được tổ chức bốn năm một lần. WRC sẽ xác định các dải tần có thể sử dụng trên phạm vi quốc tế cho IMT nhằm đạt được sự hài hòa phổ tần toàn cầu, đồng thời cân đối nhu cầu bảo vệ những người sử dụng hiện tại trong các băng tần đang được xem xét.

Phổ tần nên được hài hòa trên toàn cầu, vì nó tạo điều kiện để các thành phần đạt được quy mô kinh tế và hạn chế số lượng băng tần mà thiết bị người dùng cần hỗ trợ^[4].

Hình 6: Mốc thời gian triển khai 6G.

Sau khi các băng tần IMT được xác định, cơ quan quản lý của các nước phải phân bổ các băng tần cho dịch vụ di động trong khu vực của mình. Trong quá trình này, một số băng tần cụ thể có thể được dự phòng hoặc phân bổ lại. Có nhiều cơ chế ấn định băng tần - bao gồm nhưng không giới hạn - đấu giá, đấu thầu và cấp phép trực tiếp.

Cuối mỗi kỳ họp WRC, chương trình nghị sự cho WRC tiếp theo được thiết lập, bao gồm danh sách các tần số có tiềm năng phân bổ. Sau khi chương trình nghị sự của WC27 được thiết lập, mặc dù không được bảo đảm chắc chắn, nhưng chúng ta sẽ biết rõ hơn liệu các băng tần được đề xuất có phải thực sự là các băng tần được sử dụng cho triển khai 6G hay không. Hình 6 cho thấy thời điểm diễn ra các cuộc họp liên quan đến chu kỳ phát hành tiêu chuẩn 3GPP và triển khai 6G.

Kết luận

Căn cứ trên xu hướng thị trường hiện tại, 6G có thể sử dụng nhiều băng tần khác nhau. Băng tần 7-15 GHz là ứng cử viên tiềm năng nhất cho việc triển khai 6G ban đầu, nhưng 6G phải tận dụng phổ tần đã được phân bổ dưới 7 GHz. Những tính năng cải tiến trong chia sẻ động phổ tần yếu tố cần thiết để khai thác tất cả các băng tần với hiệu quả cao nhất. Các băng tần sub-THz, mặc dù không phải là mục tiêu triển khai vào năm 2030, vẫn là các băng tần nhiều tiềm năng. Các băng này được coi là mục tiêu cho giai đoạn triển khai sau của 6G, có thể vào khoảng những năm 2035-2040.

Băng thông rộng trong băng tần này là điều kiện cần để hỗ trợ một số ứng dụng và phương án sử dụng mới của 6G. Sử dụng các phổ tần khác nhau như công cụ để đạt được các mục tiêu hiệu năng khác nhau, 6G sẽ có thể đáp ứng nhu cầu và kỳ vọng ngày càng tăng đối với thông tin di động.

^[1] http://handle.itu.int/11.1002/pub/814b0c44-en

^[2] https://mmwavecoalition.org/

^[3] https://www.itu.int/md/S20-CL-C-0069/en

^[4] https://www.itu.int/wrs-22/wp-content/uploads/sites/25/2022/10/IMT_gener...

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng