Hướng tới những đột phá tiếp theo về công nghệ vô tuyến

Trong khi truyền thông tế bào (cellular communcation) đang dịch chuyển từ 4G sang 5G để triển khai các kết nối dữ liệu siêu băng thông, các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông vệ tinh (satellite communication) đang xây dựng các mạng lưới trong không gian để cung cấp kết nối truyền thông tốc độ cao từ bất cứ nơi nào trên thế giới.

Các kỹ sư vô tuyến đang tìm kiếm các công nghệ đột phá để tăng tối đa băng thông hệ thống, các đường liên kết vững chắc và năng lực xử lý dữ liệu. Những thành phần công nghệ then chốt của lớp vật lý của hệ thống vô tuyến bao gồm băng thông rộng hơn, phương thức điều chế cao hơn (higher-order modulation) và sử dụng các kỹ thuật đa ăng-ten trong các hệ thống vô tuyến.

Wi-Fi 7 giúp nâng tốc độ dữ liệu lên 50 Gbps.

Băng thông tín hiệu rộng hơn

Các tổ chức phát triển tiêu chuẩn mong muốn có băng thông rộng hơn ở các băng tần cao hơn vì hạn chế trong ấn định tần số. Chẳng hạn, tiêu chuẩn 5G New Radio (NR) Release 15 xác định dải tần 2 (FR2) từ 24,25 GHz tới 52,6 GHz và băng thông kênh lớn nhất tới 400 MHz. Release 16 đưa băng tần không cần cấp phép vào các dải tần 5 GHz và 6 GHz. Tới giữa năm 2022, Tiêu chuẩn 3GPP Release 17 sẽ mở rộng dải phổ tần lên tới 71 GHz cho các băng tần không cần cấp phép.

Truyền thông vệ tinh cung cấp kết nối cho các dịch vụ truyền hình, điện thoại, internet băng rộng khác nhau, cũng như truyền thông trong quân đội. Các vệ tinh hoạt động trong nhiều băng tần, từ băng L tới băng Ka. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) ấn định phân khúc tần số 71 đến 76 GHz / 81 đến 86 GHz của băng W cho các dịch vụ vệ tinh.

Các phân khúc tần số này ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khai thác vệ tinh thương mại đối với băng thông rộng hơn. Ngày 30/6/2021, một vệ tinh được trang bị máy phát vô tuyến băng W đã được phóng thành công; các dự án thương mại khác trong băng W sẽ được triển khai trong một tương lai không xa.

Các băng tần sóng milimet cung cấp nhiều băng thông khả dụng hơn. Băng thông rộng hơn hỗ trợ thông lượng dữ liệu cao và độ trễ thấp, tuy nhiên băng thông rộng hơn cũng làm phát sinh nhiễu nhiều hơn và làm suy giảm hiệu năng hệ thống. Các kỹ sư vô tuyến cần xử lý bài toán nhiễu cho truyền thông băng rộng.

Ngoài việc tạo ra nhiễu hệ thống cao hơn, băng thông rộng hơn ở tần số cao hơn cũng mang đến những khó khăn thách thức khác về thiết kế và đo kiểm, chẳng hạn như suy hao đường truyền, đáp ứng tần số và nhiễu pha.

Eric Hsu, Giám đốc Marketing sản phẩm - Keysight Technologies, Inc.

Các phương thức điều chế bậc cao hơn

Các phương thức điều chế cao hơn cho tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn mà không cần tăng băng thông tín hiệu, nhưng lại yêu cầu khoảng cách giữa các ký hiệu gần hơn khiến các phương thức này nhạy cảm hơn với nhiễu. Các thiết bị cần chất lượng điều chế tốt hơn khi mật độ điều chế tăng lên.

Bảng 1 thể hiện yêu cầu về biên độ vectơ lỗi (EVM) đối với các trạm gốc 5G NR được định nghĩa trong chỉ tiêu kỹ thuật 38.141 của tiêu chuẩn 3GPP Release 16. Phương thức điều chế 1.024 QAM, đòi hỏi sai số thiết kế và đo kiểm chặt chẽ hơn, hiện đang được xem xét đưa vào tiêu chuẩn 3GPP.

Bảng 1. Yêu cầu về chất lượng điều chế cho đo kiểm máy phát của trạm gốc 5G NR.

Băng thông tín hiệu rộng hơn và các phương thức điều chế bậc cao hơn đều làm tăng thông lượng. Tuy nhiên, dung lượng hệ thống có thể không tỷ lệ thuận với băng tần. Ta cần chú ý thêm tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) trong hệ thống thông tin liên lạc. Tỷ số SNR thích hợp là điều kiện thiết yếu để duy trì đường truyền thông tin.

Băng thông cao hơn làm tăng nhiễu hệ thống, các phương thức điều chế cao hơn nhạy cảm hơn với nhiễu. Bạn cần truyền tín hiệu công suất cao hơn mà không bị biến dạng và giảm nhiễu hệ thống để duy trì đường truyền tín hiệu. Để kiểm thử thiết kế, bạn cần xác định đặc điểm của từng linh kiện và hệ thống phụ (subsystem), như được thể hiện trong hình 1.

Hình 2. Thiết lập cho các bài đo hiệu năng trạm gốc 5G NR sử dụng bộ tạo tín hiệu 4 kênh.

Các kỹ thuật đa ăng ten

Hầu hết các hệ thống vô tuyến, bất kể được ứng dụng trong thương mại, ngành hàng không vũ trụ hay trong quốc phòng, đều sử dụng các kỹ thuật đa ăng-ten tại máy thu, máy phát hay cả hai để cải thiện hiệu năng chung của hệ thống.

Các kỹ thuật này bao gồm phân tập không gian, ghép kênh không gian và tạo búp sóng. Các kỹ sư sử dụng kỹ thuật đa ăng-ten để tạo phân tập, ghép kênh hoặc nâng cao độ tăng ích của ăng-ten. Do ăng-ten được cải thiện độ tăng ích, các hệ thống vô tuyến có thể tăng thông lượng dữ liệu của máy thu và SNR.

Chẳng hạn, 5G NR sử dụng tám luồng không gian cho FR1 để cải thiện hiệu suất phổ tần mà không cần tăng băng thông tín hiệu. Từ đó, 3GPP định nghĩa các phép đo hiệu năng với nhiều luồng không gian cho các trạm gốc 5G NR trong Chỉ tiêu kỹ thuật (TS) 38.141-1.

Các phép đo này cần tối đa hai ăng-ten phát và tám ăng-ten thu, và mỗi bài đo có điều kiện lan truyền sóng, ma trận tương quan và SNR đặc thù. Hình 2 cho thấy cấu hình đo hiệu năng trạm gốc 5G nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) dành cho hai ăng-ten phát và bốn ăng-ten thu với hồi tiếp tự động lặp lại yêu cầu kết hợp (HAQR).

So với IEEE 802.11ax, tiêu chuẩn Wi-Fi thế hệ sau, IEEE 802.11be (Wi-Fi 7), cho băng thông tín hiệu rộng gấp đôi, 16 luồng không gian, tăng mật độ phương thức điều chế lên bốn lần. Những cải tiến này giúp nâng tốc độ dữ liệu lên 40 Gbps. Bảng 2 minh họa những thay đổi đáng kể trong lớp vật lý của IEEE 802.11.

Bảng 2. Tiêu chuẩn IEEE 802.11.

Việc đo kiểm các hệ thống đa ăng-ten sử dụng phân tập không gian, ghép kênh không gian và nhiều mảng ăng-ten yêu cầu một hệ thống đo kiểm có khả năng cung cấp các tín hiệu đa kênh được liên kết pha ổn định với nhau. Tuy nhiên, máy tạo tín hiệu có khối tổng hợp độc lập để nâng tín hiệu tần số trung gian (IF) lên tín hiệu RF.

Hệ thống đo kiểm cần cung cấp đồng bộ định thời chính xác giữa các kênh để mô phỏng các tín hiệu đo đa kênh. Cần đồng pha và kiểm soát được pha của các tín hiệu đo kiểm. Hình 3 minh hoạ một giải pháp tạo tín hiệu tích hợp, hiệu chuẩn và đồng bộ và giải pháp phân tích có thể giúp giảm thiểu tối đa độ không đảm bảo đo trong các bài đo nhiều ăng-ten.

Hình 3. Giải pháp đo kiểm đa kênh với bộ tạo tín hiệu vector 4 kênh M9484C VXG và máy hiện sóng 4 cổng của Keysight.

Tổng kết

Các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới như 5G, vệ tinh và Wi-Fi đòi hỏi tần số cao hơn, băng thông rộng hơn, điều chế phức tạp hơn và thiết kế đa ăng-ten. Các tính năng này sẽ giúp bạn có thể vượt qua các thách thức mới về thiết kế và đo kiểm, bao gồm độ phức tạp và độ không đảm bảo đo của các bài đo cao hơn, suy hao đường truyền quá mức và nhiễu, tác động không tốt đến hiệu năng của thiết bị.

Cần giải pháp đo có khả năng mở rộng, hỗ trợ một cách chính xác các dải tần số cao hơn, băng tần rộng hơn và các ứng dụng đa kênh để có thể vượt qua những khó khăn thách thức này. Một giải pháp tích hợp hoàn toàn, được hiệu chuẩn và đồng bộ sẽ cho phép bạn giảm độ phức tạp khi đo kiểm và nhanh chóng thu được kết quả chính xác và khả lặp.

Eric Hsu, Giám đốc Marketing sản phẩm – Keysight Technologies, Inc.