Mạng vệ tinh cho 5G và kết nối toàn cầu

Năm 1901, Guglielmo Marconi đã gửi tín hiệu vô tuyến đầu tiên xuyên Đại Tây Dương từ Poldhu ở Cornwall, Anh, đến Newfoundland, Canada. Nhưng điều bất ngờ là, đây lại là tín hiệu số thay vì tín hiệu analog. Marconi đã gửi đi một chữ ’S’ bằng mã Morse. Kể từ thành tựu đáng kinh ngạc đó, công nghệ vô tuyến đã tiếp tục kết nối những người ở cách xa nhau. Hãy nghĩ đến thiết bị di động của bạn, mặc dù hoạt động theo nguyên tắc vô tuyến, các trạm gốc 5G (gNB) cung cấp kết nối lại là một hạ tầng trên mặt đất. Bạn sẽ không có dịch vụ bên ngoài vùng phủ sóng. Mạng vệ tinh (NTN) sẽ thay đổi điều này.

Theo chuyên gia Albert Lee đến từ Keysight Technologies, Phiên bản Release 17 của 3GPP (3rd Generation Partnership Project - Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3) cung cấp tiêu chuẩn để các nhà mạng 5G mở rộng dịch vụ của mình vượt qua biên giới của các mạng mặt đất. Nhờ đó, thiết bị di động của bạn sẽ luôn có dịch vụ, bất kể bạn đang ở trong một ngôi làng xa xôi, trong sa mạc hay đi thuyền trên biển. Công nghệ mang tính chuyển đổi này sẽ mở rộng phạm vi tiếp cận của truyền thông số đến các cộng đồng xa xôi, tăng cường tự do và an ninh cá nhân.

Mạng NTN hoạt động như thế nào?

Mạng NTN được xác định như một chùm vệ tinh hoặc các nền tảng hoạt động trên độ cao lớn, có chức năng chuyển tiếp, mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng 5G mặt đất. Các mạng này có tiềm năng cung cấp dịch vụ vô tuyến cho các khu vực xa xôi hoặc chưa được phục vụ đầy đủ, đảm bảo thông tin liên lạc khẩn cấp trong trường hợp thiên tai và hỗ trợ các ứng dụng khác như thiết bị Internet Vạn Vật (IoT).

3GPP Release 17 xác định cách các nhà mạng sử dụng 5G NR cho mạng NTN bằng kiến trúc ống cong. Trong cấu hình này, tín hiệu được mã hóa từ gNB không bị thay đổi trong liên kết feeder và liên kết dịch vụ. Tuy nhiên, các tín hiệu có thể được tăng hoặc giảm tần số. Bởi vì tín hiệu không được tái tạo, chúng ta gọi tín hiệu đó là tải trong suốt.

Ngược lại, tải không trong suốt yêu cầu vệ tinh giải điều chế và điều chế tín hiệu. Lợi ích của tải trong suốt là có thể phát huy nhiều công nghệ NR đã hoàn thiện và đơn giản hóa thiết kế vệ tinh. Hình 1 so sánh hai kiến trúc.

So sánh NTN trong suốt và không trong suốt

Lợi ích của mạng NTN

Lợi ích chính của mạng NTN là mở rộng vùng phủ sóng. Các khu vực xa xôi và chưa được phục vụ đầy đủ như khu vực nông thôn, hải đảo và các cộng đồng bị cô lập có thể được hưởng lợi từ công nghệ này. Mạng NTN cũng có thể cung cấp dịch vụ cho tàu thuyền trên biển và máy bay trên không. Mạng NTN tạo cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ mạng vận hành trong một thị trường chưa được khai thác, và có thể triển khai các dịch vụ cao cấp cho khách hàng có yêu cầu dịch vụ vượt quá khả năng của các mạng mặt đất truyền thống. Các ứng dụng kết nối máy móc với máy móc (M2M), trong các lĩnh vực nông nghiệp, giao thông vận tải, giám sát môi trường và theo dõi tài sản, có thể khai thác mạng NTN để có kết nối Internet phổ quát và đáng tin cậy.

Mạng NTN tăng cường năng lực phục hồi và dự phòng cho mạng 5G hiện có. Trong trường hợp xảy ra thiên tai, xung đột khu vực hoặc mạng ngừng hoạt động, mạng NTN có thể cung cấp kết nối dự phòng để đảm bảo dịch vụ thông tin liên lạc trọng yếu được thông suốt.

Những thách thức trong triển khai mạng NTN

Quá trình triển khai mạng NTN phải đối mặt với rất nhiều thách thức về kỹ thuật và quy định. Ví dụ, khác với các mạng mặt đất nơi trạm gốc cố định, mạng NTN có các vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) di chuyển với tốc độ vài km mỗi giây, tạo ra hiệu ứng dịch chuyển tần số Doppler và thay đổi theo quỹ đạo của vệ tinh. Thiết bị người dùng cần bù đắp giá trị dịch tần này, vì vậy các thiết bị này phải biết về quỹ đạo vệ tinh. Khoảng cách lan truyền của tín hiệu qua bầu khí quyển để đến được người dùng lớn hơn nhiều, làm tăng suy hao đường truyền.

Khoảng cách và suy hao đường truyền còn ảnh hưởng đến hiệu năng mạng, được đo bằng độ trễ và dung lượng. Sự kết hợp của các yếu tố này và tính nhạy cảm cao hơn với nhiễu là một thách thức đối với các kỹ sư thiết kế. Sử dụng phần mềm mô phỏng và bản sao số có thể giúp giảm nhẹ nhiều thách thức.

Ấn định phổ, vị trí của các trạm mặt đất, tuân thủ các quy định quốc gia và quốc tế, và quá trình phê duyệt cấp phép phức tạp cũng tạo ra rào cản đối với việc triển khai mạng NTN ở nhiều quốc gia.

Các nhà khai thác vệ tinh, nhà cung cấp dịch vụ mạng, cơ quan chính phủ và các cơ quan tiêu chuẩn cần hợp tác chặt chẽ để có thể vượt qua các rào cản pháp lý và triển khai thành công mạng NTN.

Phần mềm mô phỏng và thiết kế mạng NTN

Phần mềm mô phỏng rất hữu ích cho bất kỳ thiết kế điện tử nào, đặc biệt đối với thiết kế mạng NTN. Phần mềm mô phỏng giúp các nhà thiết kế tránh được những sai lầm tốn kém trước khi nhà khai thác phóng vệ tinh. Có thể xác nhận hiệu năng hệ thống bằng cách mô hình hóa và mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu đường lên và đường xuống trong các điều kiện khí quyển và quỹ đạo khác nhau.

Mô phỏng cho phép các nhà thiết kế học hỏi từ các tình huống thực tế, chẳng hạn như vị trí vệ tinh, điều kiện khí quyển, hiệu ứng Doppler và nhiễu. Hình 2 biểu diễn quỹ đạo 3D của vệ tinh với các thông số, khoảng cách, độ trễ đường truyền, hiệu ứng doppler và góc ngẩng. Các tính năng của phần mềm mô phỏng bao gồm tạo quỹ đạo, mô hình liên kết vệ tinh, mô hình liên kết mặt đất và mảng ăng-ten.

Không chỉ giai đoạn triển khai, phần mềm mô phỏng còn rất hữu ích cho các hoạt động giám sát, cung cấp và khắc phục sự cố. Khi mạng thay đổi, phần mềm mô phỏng có thể xây dựng các kịch bản nếu-thì.

Phần mềm mô phỏng biểu diễn quỹ đạo vệ tinh

Mô phỏng mạng NTN bằng cách sử dụng bản sao số

Tại Mobile World Congress Barcelona 2023, Keysight đã trình diễn một giải pháp đo kiểm toàn diện cho mạng NTN, trong đó bao gồm phát video trực tiếp qua kết nối 5G NTN. Hình 3 biểu diễn thiết lập trình diễn.

Việc tích hợp các trình giả lập phần cứng sẽ tái tạo tín hiệu thực tế trên đường truyền và trở thành bản sao số của mạng NTN. Các nhà thiết kế có thể sử dụng bản sao số để nhanh chóng đo kiểm bất kỳ thiết bị nào trong hệ thống một cách đáng tin cậy, với khả năng thay đổi linh hoạt các thông số đo kiểm. Một phần trọng yếu của đo kiểm mạng NTN là mô phỏng các tác động của vệ tinh di chuyển, nhiễu tín hiệu và suy hao đường truyền. Trình giả lập kênh PROPSIM của Keysight có thể giả lập những biến dạng tín hiệu này và các biến dạng khác.

Bản sao số của NTN

Mạng NTN có tiềm năng rút ngắn khoảng cách số bằng cách cung cấp các dịch vụ truyền thông phổ biến đến các vùng sâu vùng xa và nông thôn, tạo điều kiện xây dựng các ứng dụng hoàn toàn mới. Không chỉ là những thành tựu kỹ thuật, mạng NTN còn giúp thúc đẩy phát triển kinh tế và trao quyền cho các cá nhân nhờ nâng cao tính bao trùm trong xã hội. Các doanh nghiệp sẽ tìm được các ứng dụng mới để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong quản lý hoạt động hiệu quả. Mạng NTN sẽ là công nghệ xúc tác, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và tăng trưởng trong nhiều ngành nghề.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng