Đồ án: Nghiên cứu mạng vô tuyến với Bề mặt phản xạ thông minh

Nghiên cứu bề mặt phản xạ thông minh (IRS), công nghệ đột phá cho mạng 6G. Giải pháp tối ưu hiệu suất, cải thiện tín hiệu mạng vô tuyến tương lai.

• Tác giả: Đoàn Nguyễn Duy Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Bề Mặt Phản Xạ Thông Minh: Giải Pháp Cho Mạng Vô Tuyến 6G
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Bề mặt phản xạ thông minh là gì

Bề mặt phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surface - IRS) là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực truyền thông không dây, đại diện cho một bước ngoặt quan trọng trong phát triển mạng 6G. Đây là một bề mặt có khả năng thu thập tín hiệu không dây từ nơi phát và phản xạ chúng đến nơi thu một cách thông minh. Khác với các phương pháp truyền thông truyền thống, bề mặt phản xạ thông minh sử dụng các phần tử siêu bề mặt được kiểm soát điện tử để điều chỉnh pha và biên độ của sóng điện từ. Công nghệ này hứa hẹn sẽ giải quyết các thách thức trong truyền thông không dây, bao gồm việc giảm thiểu suy hao tín hiệu và cải thiện chất lượng dịch vụ. Ứng dụng bề mặt phản xạ thông minh trong mạng 6G mang lại những lợi ích đáng kể như tăng cường phủ sóng, mở rộng băng thông, và cải thiện hiệu suất hệ thống một cách đáng kể.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ

Bề mặt phản xạ thông minh bắt đầu từ khái niệm metasurface vào những năm 2000, được phát triển từ lý thuyết về vật liệu tổng hợp. Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu đã chính thức đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế cho mạng không dây. Sự phát triển này được thúc đẩy bởi nhu cầu nâng cao hiệu suất mạng 5G và chuẩn bị cho thế hệ mạng 6G. Công nghệ IRS đã được chứng minh trong các thí nghiệm lab và bắt đầu thử nghiệm thực địa tại các trạm base station.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Bề mặt phản xạ thông minh hoạt động dựa trên nguyên lý điều phối pha động. Bề mặt này chứa hàng ngàn phần tử siêu bề mặt nhỏ, mỗi phần tử có thể được kiểm soát độc lập để thay đổi pha của sóng điện từ tới. Bằng cách điều chỉnh pha một cách chính xác, bề mặt phản xạ thông minh có thể tập trung năng lượng sóng vào hướng mong muốn. Quá trình này được thực hiện thông qua một bộ điều khiển trung tâm nhận thông tin từ kênh truyền và tính toán các tham số phối cảnh tối ưu.

II. Ứng dụng bề mặt phản xạ thông minh trong mạng 6G

Mạng 6G được xem là thế hệ mạng không dây tiếp theo với các yêu cầu khắt khe về tốc độ, độ trễ, và dung lượng. Bề mặt phản xạ thông minh đóng vai trò then chốt trong việc đạt được những mục tiêu này. Ứng dụng bề mặt phản xạ thông minh trong mạng 6G có thể cải thiện đáng kể chất lượng kênh truyền, đặc biệt là trong các vùng có vật cản. Công nghệ này giúp loại bỏ hoặc giảm thiểu các đường truyền tuyến tính (line-of-sight), cho phép tín hiệu đến được các khu vực khó tiếp cận trước đây. Ngoài ra, bề mặt phản xạ thông minh còn giúp giảm nhu cầu về năng lượng tiêu thụ, từ đó nâng cao hiệu quả năng lượng của toàn hệ thống mạng 6G.

2.1. Cải thiện chất lượng tín hiệu

Việc sử dụng bề mặt phản xạ thông minh trong mạng 6G giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) một cách đáng kể. Bằng cách phản xạ các tín hiệu yếu một cách có chủ đích, bề mặt có thể tập trung năng lượng vào các vùng cần thiết. Điều này dẫn đến việc giảm thiểu xác suất dừng (outage probability) và cải thiện độ tin cậy của kênh truyền. Bề mặt phản xạ thông minh cũng giúp tăng dung lượng Ergodic của hệ thống, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn.

2.2. Mở rộng phạm vi phủ sóng

Bề mặt phản xạ thông minh cung cấp khả năng phủ sóng rộng hơn so với các công nghệ truyền thông truyền thống. Thay vì cần xây dựng nhiều trạm base station, bề mặt này có thể được lắp đặt trên các tòa nhà hiện có để mở rộng phạm vi phủ sóng. Điều này không chỉ giảm chi phí triển khai mà còn cải thiện chất lượng dịch vụ ở các vùng vẫn còn sót lại. Ứng dụng bề mặt phản xạ thông minh để mở rộng phủ sóng là một chiến lược hiệu quả cho sự phát triển mạng 6G.

III. Các chỉ số hiệu suất kỹ thuật của mạng 6G

Để đánh giá hiệu quả của bề mặt phản xạ thông minh trong mạng 6G, cần phải xem xét các chỉ số hiệu suất quan trọng. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là thước đo căn bản cho chất lượng kênh truyền, phản ánh mức độ tín hiệu hữu ích so với tiếng ồn nền. Xác suất dừng (Outage Probability) đo lường khả năng kênh truyền không đáp ứng được yêu cầu tốc độ tối thiểu. Dung lượng Ergodic (Ergodic Capacity) thể hiện tốc độ truyền dữ liệu tối đa mà hệ thống có thể đạt được với xác suất lỗi chấp nhận được. Các chỉ số này là những công cụ đánh giá quan trọng để mô phỏng và kiểm chứng hiệu năng thực tế của mạng được hỗ trợ bởi bề mặt phản xạ thông minh.

3.1. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) được định nghĩa là tỉ số giữa công suất tín hiệu hữu ích và công suất tiếng ồn. SNR càng cao, chất lượng tín hiệu càng tốt. Trong hệ thống sử dụng bề mặt phản xạ thông minh, SNR có thể được cải thiện bởi bề mặt phản xạ thông minh thông qua việc tập trung năng lượng sóng. Việc tối ưu hóa SNR là một trong những mục tiêu chính khi thiết kế hệ thống mạng 6G hiệu quả.

3.2. Xác suất dừng và dung lượng Ergodic

Xác suất dừng (Outage Probability) là xác suất mà tốc độ truyền thực tế thấp hơn tốc độ yêu cầu. Dung lượng Ergodic thể hiện lượng thông tin tối đa có thể truyền trong điều kiện kênh truyền thay đổi theo thời gian. Cả hai chỉ số này đều được cải thiện đáng kể khi áp dụng bề mặt phản xạ thông minh vào hệ thống. Mô phỏng các chỉ số này giúp các kỹ sư xác nhận hiệu suất lý thuyết và thực tế của mạng 6G.

IV. Triển vọng và thách thức của công nghệ này

Bề mặt phản xạ thông minh mở ra những triển vọng lớn cho mạng 6G, nhưng cũng đi kèm với những thách thức kỹ thuật đáng kể. Về mặt triển vọng, công nghệ này có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế và triển khai các mạng viễn thông. Bề mặt phản xạ thông minh có thể giảm chi phí triển khai, giảm tiêu thụ năng lượng, và cải thiện hiệu suất mạng tổng thể. Tuy nhiên, các thách thức bao gồm độ phức tạp trong thiết kế hệ thống điều khiển, yêu cầu về độ chính xác cao trong định vị các phần tử siêu bề mặt, và cần phải phát triển các mô hình toán học chính xác hơn. Ngoài ra, việc tích hợp bề mặt phản xạ thông minh vào cơ sở hạ tầng hiện có cũng là một bài toán kỹ thuật phức tạp.

4.1. Các triển vọng tích cực

Bề mặt phản xạ thông minh hứa hẹn sẽ trở thành một công nghệ then chốt trong mạng 6G và các ứng dụng viễn thông tiếp theo. Công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như truyền thông vệ tinh, truyền thông dưới nước, và các hệ thống IoT quy mô lớn. Khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau làm cho bề mặt phản xạ thông minh trở nên rất linh hoạt. Những tiến bộ trong vật liệu và công nghệ chế tạo vi mô sẽ tiếp tục mở ra những khả năng mới.

4.2. Những thách thức cần vượt qua

Mặc dù triển vọng sáng sủa, bề mặt phản xạ thông minh vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những vấn đề chính là khả năng điều khiển một số lượng lớn các phần tử siêu bề mặt một cách đồng bộ. Ngoài ra, cần phải phát triển các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả để xác định các tham số phối cảnh tối ưu. Chi phí sản xuất và triển khai bề mặt phản xạ thông minh hiện còn cao, đòi hỏi các nỗ lực nghiên cứu và phát triển tiếp tục.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu cho mạng di động băng thông rộng với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Nhờ cải tiến về mặt tốc độ, các điện thoại di động có thể sử dụng được các dịch vụ như điện thoại truyền hình, truy cập internet. Tốc độ mạng 3G đạt 2 Mbps khi không di chuyển và 384 Kbps khi di chuyển trên phương tiện. Sau một vài cải tiến với các công nghệ như HSPA, HSPA+, tốc độ mạng 3G có thể đạt tới 7,2 Mbps [2].

Công nghệ mạng 4G: ứng dụng internet Mạng 4G được giới thiệu vào năm 2008, không chỉ hỗ trợ kết nối internet như mạng 3G mà còn cung cấp các dịch vụ như game online, truyền hình HD, hội nghị truyền hình và các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao khác. Tốc độ lý thuyết của mạng 4G đạt tới 1 Gbps và 100 Mbps khi di động [2]. Công nghệ mạng 5G: internet vạn vật Mạng 5G hiện đang được thử nghiệm giới hạn ở một số nơi trên thế giới. Mạng 5G hứa hẹn rất nhiều cải tiến như tốc độ nhanh hơn, mật độ kết nối cao hơn, độ trễ thấp hơn, tiết kiệm năng lượng [2].

Mạng 6G: Sứ mệnh Mạng 6G hướng tới tốc độ Terabit (Tbps) nhanh hơn cỡ vài trăm đến vài nghìn lần mạng 5G. Tuy nhiên, mục tiêu của mạng 6G không phải chỉ ở tốc độ, mà còn nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại của các thế hệ mạng tiền nhiệm và hướng tới giải quyết các yêu cầu của tương lai. Mục tiêu của mạng 6G là giải quyết các hạn chế của mạng 5G, hướng tới khả năng kết nối không gian - khí quyển - mặt đất - dưới biển. Bốn định hướng chính về BỘ MÔN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT kết nối đang được nghiên cứu là: kết nối thông minh (Intelligent Connectivity), kết nối sâu (Deep Connectivity), kết nối không đồng nhất (Holographic Connectivity) và kết nối khắp nơi (Ubiquitous Connectivity).

Hiện đang có khá nhiều công nghệ tiềm năng, kể cả các công nghệ của tương lai được xem xét đưa vào mạng 6G như truyền thông không dây quang, truyền thông lượng tử, thiết bị bay không người lái, vệ tinh tầng thấp… các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI), phân tích dữ liệu lớn cũng được đưa vào hỗ trợ mạng 6G nhằm đảm bảo các mục tiêu về chất lượng mạng (QoS) [2]. Mạng 6G hứa hẹn sẽ số hoá và kết nối toàn thế giới. Những nước đã sẵn sàng cuộc đua về nghiên cứu triển khai công nghệ mạng 6G [6]. Mạng 6G là công nghệ kết nối di động sẽ thay thế 5G, nhưng hiện tại 6G chưa phải là một công nghệ hoạt động, mà mới trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu.

Tuy nhiên, với tốc độ phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có lẽ 6G sẽ sớm không còn là công nghệ viễn tưởng. Những năm gần đây mạng 5G nổi lên như một nền tảng công nghệ mới của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (4. Đến năm 2019, người dùng đã có thể mua một chiếc smartphone 5G và tận hưởng tất cả những lợi ích của kết nối dữ liệu 5G. Tuy nhiên, tốc độ tăng trưởng của công nghệ có thể lên một tầm cao mới nữa khi thế giới kết nối di động - 6G.

Theo giám đốc công nghệ Ericsson Erik Erurupt: “Mạng 6G có thể làm cho 5G chỉ còn như 2G” [5]. Trong bối cảnh 5G chỉ mới bước đầu thương mại hóa ở một số quốc gia, câu nói trên cho chúng tôi không tránh khỏi cảm giác rùng mình về công nghệ truyền thông không dây trong tương lai.2 Thử thách Tương lai thế hệ mạng không dây thứ 6 sẽ gặp phải nhiều yêu cầu (khả năng truyền dẫn, độ trễ, khả năng truyền dẫn chính xác, hiệu suất năng lượng, kết nối đa phương tiện, độ tin cậy và kết nối thông minh) với mức độ yêu cầu ngày càng tăng cao so với các thế hệ tiền nhiệm trước. Với yêu cầu đặt ra như trên thì nó đã thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu trên chính kiến trúc phần cứng của bộ thu tín hiệu và các khái niệm mới lạ về truyền thông. Một trong những kiến trúc phần cứng có tiềm năng thực hiện là bề mặt phản xạ thông minh (Reconfigurable Intelligent Surfaces).2 Bề mặt phản xạ thông minh 2.1 Tổng quan Phát triển công nghệ cho lớp vật lý đã và đang đóng vai trò quan trọng trong hệ thống mạng không dây trong tương lai (6G).

Việc kết hợp RIS trong hệ thống mạng không dây được xem như là một phát minh mang tính cách mạng trong giới khoa học nói chung và hệ thống thông tin nói riêng. Nó có thể tùy chỉnh, biến đổi môi trường giao tiếp không dây trong không gian. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Về cụ thể, bề mặt phản xạ thông minh (RIS) là một bề mặt cực mỏng bao gồm N phần tử MS như hình 2.2, mỗi phần tử là một bộ phân tán có thể cấu hình lại, nghĩa là nó có thể điều chỉnh môi trường truyền để làm tăng khả năng truyền và nhận của giao tiếp không dây [7]. Các phần tử MS trong RIS được gọi là các đơn vị phản xa (Reflection Unit).

Giữa một cặp đơn vị phản xạ có hai diode biến dung (Varactor Diode). Diode biến dung tên đầy đủ là diode biến đổi điện dung, còn gọi là diode tham số, hay varicap. Đây là một loại diode bán dẫn được chế tạo theo cách thích hợp để hoạt động như một tụ điện có điện dung thay đổi được bằng cách thay đổi điện áp tác dụng vào nó. Nhờ vào ứng dụng điều hướng các máy thu và máy phát sóng tới bước sóng nào đó, RIS có thể được điều chỉnh nhờ vào bộ điều khiển (Microcontroller) để điều chỉnh góc phản xạ hướng đến người nhận là tốt nhất.

Chúng ta có thể điều chỉnh cấu hình các phần tử MS này nhờ vào bộ điều khiển.2 Bề mặt phản xạ có thể cấu hình lại (RIS) với bộ điều khiển Hình 2.3 là hình phóng to của một phần tử trong RIS. Phản ứng giai đoạn có thể được điều khiển bởi nhiều PIN diode với trạng thái đóng/mở. Tần số làm việc của các phần tử này vào khoảng 6Ghz đến hàng THz [8].3 Cấu tạo của một phần tử trong RIS BỘ MÔN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT RIS được trang bị các bề mặt chọn lọc tần số. Các bề mặt này có cấu trúc phẳng và diode PIN được nhúng trên các phần kết nối kim loại của mỗi phần tử bề mặt.

Các diode PIN này được bật và tắt bằng phân cực bên ngoài và cung cấp hai trạng thái khác nhau cho bề mặt phản xạ thông minh. Ở trạng thái đầu tiên (khi diode PIN tắt), thu được một bề mặt gần như trong suốt cho phép năng lượng đi qua. Mặt khác, khi các diode PIN được chuyển sang trạng thái thứ hai, phần lớn năng lượng tới được phản xạ. Nói cách khác, hai chức năng quan trọng (sóng đi qua hoặc bị phản xạ từ bề mặt) được thực hiện bởi một bề mặt phản xạ thông minh [7].4 thể hiện một phần cấu trúc của bề mặt phản xạ thông minh với các phần tử được sắp xếp trật tự.4 Cấu trúc của RIS 2.2 Lịch sử hình thành Ban đầu bề mặt sử dụng một vật liệu có khả năng phân tán lại tín hiệu với một góc độ truyền tải khác.

Tuy có thể đạt được nhất định khả năng phân tán nhưng lại bị hạn chế bởi góc tới và góc phản xạ do trở kháng của vật liệu cố định [9].5 mô tả tấm phản xạ đầu tiên với chất liệu được làm bằng kim loại. Do được cấu thành từ cùng một loại vật liệu cho nên trở kháng ở mọi điểm trong bề mặt bằng nhau dẫn đến góc của tín hiệu truyền đến với tín hiệu phản xạ là một hằng số cố định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5 Sự hình thành ban đầu của bề mặt phản xạ thông minh Dần về sau, bề mặt được phát triển khi vật liệu được dùng cho bề mặt có khả năng thay đổi trở kháng từ đó giúp cho bề mặt có khả năng phân tán sóng với nhiều góc độ khác nhau [9].6 thể hiện bề mặt phản xạ thông minh lý tưởng. Lúc này, tấm phản xả có khả năng thay đổi trở kháng và việc thay đổi này có thể được triển khai ngay trong từng thành phần của bề mặt, nghĩa là một bề mặt có thể có nhiều trở kháng cùng một lúc.

Điều này làm cho bề mặt có thể điều chỉnh hướng truyền của sóng tín hiệu.6 Bề mặt phản xạ thông minh lý tưởng Đồng hành song song cùng với sự phát triển về cấu trúc là sự phát triển về ý tưởng. • Tấm phản xạ cố định (1960). • Bề mặt có thể tự điều chỉnh. • Bề mặt được điều khiển bằng phần mềm.

• Bề mặt được điều khiển bằng phần mềm thời gian thực.3 Công nghệ hứa hẹn của tương lai a. Tại sao chúng ta cần RIS BỘ MÔN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Yếu tố đầu tiên phải kể đến là chi phí thấp. RIS là thiết bị thụ động và không cần hỗ trợ bởi các bộ khuếch đại, ADC hay DAC. Tiếp theo là độ phân giải không gian cao.

RIS tích hợp một số lượng lớn các phần tử ăng-ten vào một không gian nhỏ gọn dưới dạng một khẩu độ điện từ liên tục trong không gian. Điều này làm cho nó có thể tạo ra một chùm tia đến bất kỳ hướng nào mong muốn. Và quan trọng nhất là thực thi thao tác dễ dàng. Bề mặt siêu mỏng giúp RIS linh hoạt trong việc triển khai lắp đặt và mở rộng [8].

Ưu điểm vượt trội so với các công nghệ hiện tại Đây là công nghệ 6G của tương lai nên chắc chắn ngoài sở hữu các tinh túy công nghệ hiện tại, RIS còn được nghiên cứu và phát triển để cải thiện tính ưu việt so với các công nghệ hiện có.7 dưới đây so sánh RIS với các công nghệ tiên tiến gần đây nhất [8]. Các thông số được so sánh bao gồm năm yếu tố. Lần lượt từ trái sang phải là cơ chế hoạt động – trạng thái song công – số lượng đường truyền chuỗi tần số vô tuyến cần thiết – chi phí phần cứng – năng lượng tiêu thụ. Có thể thấy RIS vượt trội so với các đối thủ.