Mạng vệ tinh thúc đẩy di động 5G phát triển

Kiến trúc của mạng 5G vệ tinh

Theo ông Dylan McGrath, Bộ phận Giải pháp công nghiệp 5G, Keysight Technologies chia sử, mạng 5G NTN đang có khả năng được cải thiện đáng kể khả năng kết nối toàn cầu. Hình dưới biểu diễn mạng viễn thông 5G mặt đất điển hình. 

Mạng này bao gồm:

• Thiết bị người dùng (UE):UE là các thiết bị của bạn kết nối với mạng 5G, như điện thoại thông minh hoặc bộ định tuyến Wi-Fi 5G.
• Mạng truy cập vô tuyến (RAN):Để nhận cuộc gọi hoặc dữ liệu, các UE kết nối với mạng RAN 5G, một mạng vô tuyến gồm các thiết bị thu phát vô tuyến (được gọi là trạm gốc, gNodeB hoặc gNB) được lắp đặt trên cột tháp tại những khu vực cần phủ sóng 5G. Tiêu chuẩn 5G New Radio, hay 5G NR, xác định tần số vô tuyến mà các thiết bị này có thể sử dụng, dưới 6 GHz (được gọi là FR1) hoặc trong phạm vi 28-60 GHz (được gọi là mmWave hoặc FR2). Thông thường, RAN cũng hỗ trợ các tiêu chuẩn cũ hơn như 4G Long-Term Evolution (LTE) và 3G.
• Mạng lõi 5G:Đây chính là não bộ của mạng 5G. RAN có chức năng chuyển tín hiệu thoại và dữ liệu từ các UE đến mạng lõi 5G và ngược lại. Mạng lõi bao gồm các thiết bị mạng và hệ thống phần mềm để hỗ trợ tất cả các chức năng thiết yếu của mạng di động như cung cấp cuộc gọi thoại, tin nhắn văn bản, kết nối internet và các tính năng khác.

Các mạng 5G vệ tinh, như được quy định trong tiêu chuẩn 3GPP 5G NR Release 17, khắc phục những hạn chế đó bằng cách sử dụng vệ tinh hoặc phương tiện bay trên không làm thiết bị thu phát vô tuyến trong hệ thống RAN của mình. Nhờ đó phạm vi phủ sóng của mạng 5G được mở rộng đáng kể đến hầu hết các nơi trên hành tinh. Cấu hình cơ bản của 5G NTN như sau:

Một mạng NTN sử dụng vệ tinh bao gồm các thành phần sau:

• Mạng vệ tinh:Một chùm vệ tinh tạo thành phần không gian của mạng 5G RAN.
• NTN gateways:Đây là các trạm mặt đất để chuyển tiếp dữ liệu giữa các vệ tinh và cơ sở hạ tầng mặt đất 5G.
• Tải NTN :Tải NTN bao gồm các cấu phần được lắp đặt trong từng vệ tinh để cung cấp chức năng 5G theo vai trò của vệ tinh.
• Liên kết dịch vụ:Liên kết vô tuyến được thiết lập giữa UE và vệ tinh được gọi là liên kết dịch vụ.
• Liên kết phi-đơ:Kết nối đường xuống vô tuyến giữa vệ tinh và trạm mặt đất được gọi là liên kết phi-đơ. 

Trong kiến trúc 5G, vệ tinh cũng có vai trò tương tự, như rơle trong suốt, trạm gốc hoặc đường truyền backhaul. 

Minh họa các phần tử phi mặt đất | Đưa Internet SM lên chùm vệ tinh.

Vận hành của mạng 5G không gian

Các phần tử không gian của mạng NTN dự kiến sẽ vận hành như các phần tử mặt đất tương đương của chúng. Điều này có thể mang lại các kết quả như sau:

• Chuyển giao liền mạch:Ngay cả khi người dùng di chuyển nhanh, các cuộc gọi thoại và liên kết dữ liệu cần được duy trì và chuyển giao liền mạch giữa các tế bào mạng. Khác với RAN mặt đất, các vệ tinh hoặc phương tiện bay trên không cũng có thể di chuyển ở tốc độ cao.
• Độ trễ thấp:Người dùng kỳ vọng hiệu năng tương tự như mạng mặt đất.
• Băng thông cao:Băng thông của mạng không gian phải tương đương với băng thông của mạng mặt đất. 

Các phương án sử dụng băng rộng của mạng 5G không gian 

Dịch vụ 5G hàng hải. Các nhà du hành trong thời gian dài trên biển có thể giữ liên lạc với gia đình hoặc nơi làm việc mà không cần bất kỳ thiết bị đặc biệt nào.   

Liên lạc trực tiếp giữa mặt đất và không gian (DA2GC) cho các hãng hàng không. Phi hành đoàn và hành khách có thể kết nối với mọi người trên mặt đất và truy cập internet trong chuyến bay. 

Ngành ô tô. Khi ô tô, xe tải và xe chở hàng phát triển theo hướng tự lái và ứng dụng trí tuệ nhân tạo, bổ sung tính năng lái xe hợp tác với công nghệ phương tiện kết nối vạn vật, giám sát liên tục các chỉ số hiệu năng của phương tiện và ghi lại camera hành trình cho mục đích bảo mật và bảo hiểm thì kết nối ngày càng có vai trò quan trọng. 

Mạng 5G NTN có thể đảm bảo vận hành trơn tru của các tính năng này nhờ cung cấp băng thông rộng tới cả những vùng sâu xa. 

Ứng phó thảm họa. Cuộc gọi thoại và truy cập dữ liệu đáng tin cậy là vô cùng cần thiết khi xảy ra các thảm họa như lũ lụt, cháy rừng và động đất.   

An ninh quốc phòng. Vì điều kiện hoạt động tại các vùng sâu xa, các ngành công nghiệp quốc phòng và an ninh quốc gia có thể mở rộng mạng 5G riêng của mình bằng mạng 5G không gian để có kết nối tốt hơn và nâng  hiệu quả làm việc. 

Phát thanh truyền hình. Vệ tinh đặc biệt thích hợp để phát thông tin trên các khu vực rộng đến nhiều thiết bị ở xa.   

Các ứng dụng IoT của mạng 5G không gian

Các ứng dụng IoT thường vận hành ở tốc độ dữ liệu thấp và thực hiện truyền dữ liệu định kỳ. Điều này có nghĩa là băng thông vô tuyến và các yêu cầu khác đối với mạng 5G thấp hơn nhiều so với các phương án sử dụng băng rộng. 

3GPP quy định nhiều tiêu chuẩn IoT, bao gồm:

• IoT băng hẹp (NB-IoT):NB-IoT sử dụng rất ít băng thông, chi phí thấp, đảm bảo tuổi thọ pin dài và phù hợp với vùng phủ sóng trong nhà.
• Kết nối dạng máy tăng cường (eMTC): Đây là một phần của tiêu chuẩn Kết nối LTE dạng máy (LTE-M) cho các ứng dụng giữa máy với máy và IoT. Kết nối này sử dụng nhiều băng thông hơn, nhanh hơn NB-IoT và phù hợp cho thường xuyên, liên tục.
• Tiêu chuẩn giảm thiểu (RedCap):Còn được gọi là NR-Lite, RedCap là phiên bản đơn giản của tiêu chuẩn 5G cho các phương án sử dụng không cần độ trễ cực thấp nhưng thông lượng hợp lý.

Một số phương án sử dụng công nghiệp của 5G IoT, bao gồm: 

Theo dõi tài sản theo thời gian thực. Các doanh nghiệp có thể liên tục theo dõi tài sản của họ, chẳng hạn như container vận chuyển hoặc xe tải, trên khắp hành tinh trong thời gian thực. 

Nông nghiệp. Nông dân có thể sử dụng mạng 5G NTN để vận hành máy kéo không người lái hoặc giám sát gia súc ở các vùng nông thôn xa xôi.

Giám sát thiết bị. Các cảm biến và thiết bị theo dõi ở các vị trí từ xa như giàn khoan dầu có thể được giám sát liên tục.

Những thách thức của mạng 5G không gian?

Mạng 5G NTN phải đối mặt với một số thách thức khác biệt so với mạng 5G mặt đất. Một số khó khăn thách thức về kỹ thuật như độ trễ tương đối cao hơn, đặc biệt là với thông tin vệ tinh do độ cao của của vệ tinh; hiệu ứng doppler thay đổi tần số vô tuyến do tốc độ bay nhanh của vệ tinh và các nền tảng khí động học như máy bay và máy bay không người lái, và quá trình handover phức tạp vì người dùng và vệ tinh hoặc máy bay đang di chuyển đồng thời.

Tương lai của các mạng không gian

Trong tương lai, các mạng mặt đất và không gian có thể được hội tụ liền mạch, tạo ra một cuộc cách mạng truyền thông với kết nối 24/7 khắp mọi nơi trên thế giới.

Những tính năng cải tiến đã được dự kiến cho các mạng không gian bao gồm tích hợp sâu hơn các mạng 5G mặt đất và không gian để mang lại trải nghiệm liền mạch cho người dùng, định dạng búp sóng mảng pha để nâng tốc độ dữ liệu, các dạng sóng và kỹ thuật truyền dẫn hiệu quả để cải thiện vùng phủ sóng, giảm tổn thất truyền dẫn và chia sẻ phổ tốt hơn với các mạng mặt đất.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng