5 thách thức đe dọa thành công của mạng vệ tinh

Để nâng cao khả năng liên lạc và cải thiện nhận thức tình huống, các cơ quan quân sự và chính phủ đang ngày càng tận dụng các công nghệ phát triển từ lĩnh vực thương mại. Nhiều đơn vị đang có kế hoạch tăng cường khả năng kết nối của mình thông qua mạng vệ tinh (NTN) thế hệ thứ năm (5G).

Theo Nancy Friedrich, Tiếp thị Giải pháp Công nghiệp cho Hàng không Vũ trụ và Quốc phòng, Keysight Technologies cho biết: Mạng NTN là một mạng kết hợp, áp dụng công nghệ truyền thông vệ tinh (SATCOM) để mở rộng khả năng của công nghệ 5G hiện có.

Mạng NTN 5G kế thừa nhiều tính năng từ mạng 5G mặt đất và phải đối mặt với nhiều thách thức tương tự, điều này làm tăng kỳ vọng về độ tin cậy cao hơn cho dịch vụ NTN 5G so với các mạng SATCOM trước đây. Để đảm bảo hiệu suất triển khai mạng NTN 5G, các công nghệ mô phỏng ảo, giả lập và song sinh số sử dụng khoa học đo lường hệ thống tần số vô tuyến (RF) nhằm mang lại kết quả vượt trội hơn nhiều so với chỉ dựa vào thử nghiệm vật lý.

Ngoài các kỳ vọng cao về khả năng thương mại của mạng NTN 5G, công nghệ này cũng hứa hẹn sẽ thay đổi đáng kể khả năng của ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng. Các trường hợp sử dụng tiềm năng của NTN 5G cho quân đội và chính phủ bao gồm cung cấp phạm vi phủ sóng cho các chiến trường tiền phương hoặc các chiến dịch đặc biệt. Mạng NTN cũng sẽ có thể cung cấp vùng phủ sóng để khôi phục liên lạc trong các khu vực thiên tai bị mất điện hạ tầng trên diện rộng. Trong lĩnh vực vận tải, mạng NTN sẽ hỗ trợ theo dõi quá trình hậu cần cho các tuyến vận tải đường dài, đường sắt và vận tải hàng hải.

NĂM THÁCH THỨC MẠNG NTN PHẢI ĐỐI MẶT

Nhiều dữ liệu hơn, phổ tần đông đúc hơn

Mạng NTN 5G kết hợp mang lại cả những lợi thế và thách thức rõ rệt. Thiết bị người dùng cầm tay hoặc gắn xe thường yêu cầu khối lượng dữ liệu lớn cho các dịch vụ video và bản đồ. Bên cạnh đó, các ứng dụng cảm biến có thể sẽ kết nối thiết bị người dùng với tốc độ dữ liệu thấp hơn. Việc cung cấp khối lượng dữ liệu cần thiết đòi hỏi phải tận dụng các nền tảng cơ bản về tín hiệu 5G cho mạng NTN 5G, bao gồm tần số sóng mang mmWave và khả năng điều chế phức tạp ở băng thông rộng.

Phổ tần 5G đã được phân bổ chặt chẽ trong các mạng trên mặt đất, và sự gia tăng của hàng chục nghìn vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp (LEO), quỹ đạo trái đất địa tĩnh (GEO), quỹ đạo trái đất trung bình (MEO) và các nền tảng hệ thống nền tảng tầm cao (HAPS) hoạt động trên mạng NTN 5G sẽ làm tăng thêm tình trạng đông đúc phổ tần.

Môi trường không gian

Không gian là thách thức hàng đầu đối với mạng NTN. Sau khi triển khai, chúng ta sẽ không thể tiếp cận thiết bị được nữa. Ngoài ra, hệ thống phải hoạt động trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt với nhiệt độ và bức xạ cực cao. Để thực hiện thành công, các hệ thống cũng cần cung cấp khả năng phát và lưu trữ điện ổn định. Bởi thế, các nhà cung cấp hệ thống vệ tinh cần cân bằng giữa rủi ro và chi phí trong suốt thời gian vận hành.

Kích thước, trọng lượng, công suất và giá thành

Một mối lo ngại khác là các giới hạn vật lý khi đặt tài nguyên điện toán và tần số RF cao trên bầu trời. Kích thước, trọng lượng, công suất và chi phí (SWaP-C) trở thành vấn đề lớn khi chuyển từ các vệ tinh GEO nặng 20 tấn sang các vệ tinh LEO và nền tảng HAPS nhỏ gọn hơn, đồng thời dữ liệu được truyền đi (payload) phải được điều chỉnh phù hợp. Tuy nhiên, một điểm tích cực là việc triển khai nhiều vệ tinh với payload nhỏ hơn và vòng đời ngắn hơn hiện đã trở nên khả thi và tiết kiệm chi phí. Một mạng NTN 5G có thể bao gồm một tập hợp các vệ tinh hoạt động cùng nhau trên nhiều quỹ đạo khác nhau.

Kết nối trong chuyển động

Mạng NTN 5G khiến nhiều, thậm chí tất cả thành phần trong mạng lưới luôn ở trạng thái chuyển động liên tục. Chuyển động của vệ tinh và HAPS ảnh hưởng đến việc thiết lập kết nối, chất lượng tín hiệu và chuyển giao. Các phiên bản gNodeB và các bộ phận của RAN bay trên cao sẽ làm tăng tính di động của bất kỳ UE nào trên bề mặt. Các tham số cố định hoặc giới hạn trong phạm vi nhỏ của mạng 5G mặt đất trước đây, sẽ trở thành các biến số động trên phạm vi rộng của mạng NTN 5G. Các yếu tố như khu vực theo dõi, độ trễ lớn, dịch chuyển Doppler, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và nhiều yếu tố khác sẽ đều có đặc điểm động.

Câu hỏi về payload

Sự ra đời của mạng NTN 5G đã phá vỡ kiến trúc mạng 5G mặt đất truyền thống và mở ra một sự thay đổi mô hình trong kết nối. Hiện đã có nhiều lựa chọn thay thế cho các vệ tinh và HAPS tham gia vào các miền gNodeB và RAN, một số bao gồm nhiều vệ tinh nằm rải rác trên bầu trời. Việc lựa chọn giữa dữ liệu payload trong suốt hoặc tái tạo có thể thay đổi hoàn toàn cách tổ chức mạng và định tuyến tín hiệu. Với các vệ tinh LEO đang chuyển động, cần nhớ rằng tất cả các mối quan hệ thời gian đều linh hoạt. Điều này có thể ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng về chất lượng dịch vụ (QoS), chủ yếu do độ trễ thay đổi và chuyển giao phức tạp dẫn đến mất kết nối.

Động học nền tảng khiến hoạt động của kênh NTN 5G biến đổi nhanh chóng, do đó việc định vị các nền tảng chuyển động nhanh theo hướng thích hợp đủ lâu để thu thập các phép đo vật lý chi tiết là không khả thi. Tuy nhiên, công nghệ mô phỏng có thể giải quyết các đường quỹ đạo phức tạp và phân tích chuyển động thời gian thực để đưa ra các chi tiết chính xác thông qua phân tích tương quan thời gian.

Nancy Friedrich, Tiếp thị Giải pháp Công nghiệp cho Hàng không Vũ trụ và Quốc phòng, Keysight Technologies.

THÚC ĐẨY LÀN SÓNG NTN TIẾP THEO

Mô phỏng đa miền chính xác của một liên kết mạng NTN 5G phụ thuộc vào bốn yếu tố: mô phỏng xác thực điều chế kỹ thuật số phức tạp ở dạng sóng 5G với các hiệu ứng trong thế giới thực, một mô hình hoàn chỉnh về động học vệ tinh, một mô hình mạnh mẽ về xử lý tín hiệu hệ thống RF và một cái nhìn tương quan về giải mã giao thức 5G theo thời gian. Mục tiêu quan trọng là xác nhận hiệu suất trong mô phỏng trước khi triển khai phần cứng quỹ đạo.

Để hiểu cách các nhà phát triển áp dụng các phương pháp kỹ thuật dựa trên mô hình NTN 5G nhằm giúp hệ thống của họ hoạt động nhanh hơn và ít rủi ro hơn, mời xem sách trắng của chúng tôi, "Khoa học đo lường hệ thống tần số vô tuyến là nền tảng cho NTN 5G".

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng