CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này trình bày tổng quan về trạm thu phát gốc, công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền và các phương pháp phân bố công suất cho mảng ăng-ten tuyến tính.1 Xu hướng phát triển trạm thu phát gốc 1.1 Lịch sử phát triển của ăng-ten trong các trạm thu phát sóng Với nhu cầu sử dụng mạng tốc độ cao và dung lượng ngày càng tăng nhanh, nhu cầu tăng hiệu suất truyền nhận đối với người dùng tiếp tục tăng yêu cầu các trạm thu phát sóng phải có những công nghệ để tăng phạm vi phủ sóng, dung lượng và thông lượng cho người dùng. Công nghệ vô tuyến mới thế hệ thứ năm - 5th Generation New Radio (5G NR) được phát triển nhằm đáp ứng những nhu cầu trên. Ngoài ra, công nghệ 5G còn cung cấp các loại dịch vụ mới, cụ thể là băng thông rộng di động nâng cao (eMBB- enhanced Mobile Broadband), truyền thông siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp (URLLC- Ultra-reliable low-latency communication) và truyền thông kiểu máy lớn (mMTC- massive Machine Type Communications).
Trong số này, eMBB dự kiến sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu đặc biệt nhanh để tạo điều kiện cho các dịch vụ có yêu cầu thông lượng cao như truyền video độ nét cao, thực tế ảo và thực tế tăng cường. Mục tiêu của eMBB không chỉ là cung cấp tốc độ truyền nhanh hơn khi người dùng ở gần trạm gốc, mà còn mang đến trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng cuối ở những khu vực đông đúc như sân bay hoặc sân vận động thể thao, do đó cho phép người dùng tận hưởng truyền trực tuyến chất lượng cao liền mạch dịch vụ, bất kể vị trí của họ.1 Quá trình phát triển của mảng ăng-ten trong trạm thu phát gốc[1] [2] Để có thể đạt được tốc độ vượt trội và khả năng truyền tải đồng thời nhiều đối tượng như thế, công nghệ 5G đã kế thừa những điểm nổi trội trước đó của công nghệ 4G như các công nghệ để tăng tính đa dạng đường truyền nhằm tăng tính tin cậy của bản tin như đa dạng về thời gian truyền tải hay đa dạng về phân cực. Tuy nhiên, sự khác biệt rõ ràng của công nghệ 5G so với các thế hệ trước đó là công 1 nghệ Định dạng búp sóng – Beamforming. Đây là công nghệ sử dụng mảng ăng- ten với số lượng phần tử lớn để có thể định dạng được chùm tia bằng cách kích thích các ăng-ten phần tử (hoặc các mảng con) một cách độc lập về pha và biên độ.2 Sử dụng lượng lớn ăng-ten để định dạng chùm tia và tăng độ lợi [3] Đối với cấu hình ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động, có thể tóm tắt giai đoạn phát triển thành 5 giai đoạn chính: Thế hệ thứ nhất chỉ sử dụng một mảng ăng-ten tuyến tính với đồ thị bức xạ cố định, đặc tính phân cực chưa được quan tâm nhiều, hầu hết các ăng-ten được thiết kế cho trạm thu phát gốc thế hệ này đều có mục tiêu là độ lợi cao, đồ thị bức xạ ổn định.
Thế hệ thứ hai vẫn sử dụng cấu trúc mảng tuyến tính, tuy nhiên đã phát triển thêm công nghệ phân cực kép, để có thể tăng dung lượng kênh, truyền phát đồng thời nhiều hơn một hướng. Đồng thời sử dụng bộ dịch pha dạng tương tự để có thể điều chỉnh búp sóng theo hai góc khác nhau trong mặt phẳng ngang, gọi là kỹ thuật điều búp sóng (beam-steering). Đây là công nghệ mảng ăng-ten được sử dụng tương đối phổ biến trong các trạm thu phát gốc công nghệ 4G. Thế hệ thứ ba của mảng ăng-ten trong trạm đánh dấu bằng việc sử dụng số lượng phần tử ăng-ten lớn, nhờ đó, tăng tối đa được độ lợi, giảm được yêu cầu về mức công suất đầu vào cung cấp cho mảng, nhờ đó phần RRU (Remote Radio Unit) có thể tích hợp trong một trạm thu phát, được gọi là Intergrated Antenna.
Thế hệ thứ tư với hệ thống mảng ăng-ten lớn, nhiều đầu vào ra. Do đó có thể kích thích độc lập (pha và biên độ khác nhau) đến từng phần tử (hoặc từng mảng nhỏ). Nhờ đó có thể định dạng được chùm tia theo yêu cầu mong muốn, điều khiển được búp sóng trong cả hai mặt phẳng đứng và ngang với độ rộng búp sóng hẹp, 2 độ lợi cao, rất phù hợp với nơi có mật độ dân cư cao, số lượng người truy cập đồng thời lớn. Thế hệ thứ năm hay công nghệ 5G tiếp tục triển khai việc khai thác ở các tần số cao hơn bao gồm hai dải tần số chính là dải tần số dưới 6 GHz (gọi là sub-6G) và dải tần số siêu cao tần (milimeterwave, từ 28 GHz -39 GHz) vừa để tăng tốc độ truyền nhận còn giảm kích thước ăng-ten.
Cấu trúc ăng-ten được sử dụng cho trạm thu phát gốc 5G vẫn duy trì một số công nghệ như phân cực kép, độ cách ly giữa các cổng đầu ra cao để giảm tác dụng phụ của việc làm mờ đa đường đồng thời có thể tăng dung lượng kênh.2 Xu hướng phát triển của trạm thu phát gốc Các quy hoạch về chỉ tiêu kỹ thuật cho 5G của tổ chức viễn thông quốc tế được ban hành (theo tài liệu ITU-R IMT-2020 (5G) [4]) được tóm tắt trong Hình 1. Mục tiêu của các chỉ tiêu kỹ thuật này nhằm đáp ứng các nhu cầu của các công nghệ mới được đề cập phía trên, điều mà 4G chưa thể đáp ứng được. Tốc độ kết nối cao lên tới 20Gb/s sẽ đáp ứng cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn. Độ trễ thấp của mạng 5G (cỡ 1ms) sẽ cho phép các ứng dụng có độ phản hồi gần với thời gian thực.
Mật độ kết nối khả dụng lên tới cả nghìn thiết bị/ km2 sẽ hỗ trợ cho việc triển khai các thiết bị IoT và cảm biến không dây. Với những chỉ tiêu kỹ thuật đó, liên minh viễn thông thế giới IUT đã ủy quyền cho tổ chức 3GPP để định nghĩa nên tiêu chuẩn kỹ thuật toàn cầu cho 5G.3 Minh họa tóm tắt các chỉ tiêu kỹ thuật cho 5G quy định bởi IUT [4] Những tiêu chuẩn đã được hoàn chỉnh và chuyển sang giai đoạn nghiên cứu và phát triển mạng viễn thông 5G. Đây là khi các nhà nghiên cứu bắt đầu giải quyết các vấn đề về kỹ thuật đã được đặt ra. Vấn đề đầu tiên đó chính là việc tăng tốc độ kết nối lên tới hơn 100 lần (so với tốc độ trung bình hiện tại của 4G là 10Mbps).
Đề đáp ứng yêu cầu đó, các nhà nghiên cứu cần tìm ra một công nghệ kết nối, truyền thông không dây phù hợp và giải pháp được đồng thuận nhất hiên nay đó chính là công nghệ mili-mét [1]. Bằng công nghệ này, chúng ta có thể sử dụng các vùng băng tần tiềm năng ở dải cận 300GHz cho việc kết nối không dây các thiết bị với các trạm thu phát của mạng 5G, đem lại băng thông rộng cùng tốc độ truyền tải dữ liệu cao.4 Các công nghệ cốt lõi cấu thành nên 5G [5] Việc triển khai hệ thống mạng 5G với công nghệ mili-mét cùng các vấn đề về độ trễ, lượng truy nhập lớn yêu cầu các nhà nghiên cứu phải kết hợp áp dụng thêm nhiêu công nghệ khác nhau và nổi bật nhất là small cell, massive MIMO, full duplex và định dạng búp sóng [5]. Cùng với nhau, 5 công nghệ này sẽ góp phần xây dựng mạng viễn thông 5G-nền tảng cần thiết mà những ứng dụng như AR, VR, streaming game, xe tự lái hay IoT sẽ sử dụng để vận hành trong tương lai. Công nghệ mmWave Vấn đề với mạng viễn thông 5G và các kết nối không dây ngày này đó chính là có quá nhiều thiết bị, công nghệ không dây sử dụng chung dải tần kênh truyền vô tuyến (từ dải 3kHz tới cận 6GHz) cho việc kết nối.
Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có ít băng thông hơn cho mỗi thiết bị và tốc độ kết truyền tải dữ liệu cũng sẽ giảm đi. Một trong những cách giải quyết được rất nhiều nhà phát 5G triển ủng hộ đó chính là sử dụng một phổ tần số mới cho việc truyền tải dữ liệu không dây- phổ tần số sóng milimet. Đây là dải tần số từ 30 tới 300GHz (bước sóng từ 1 tới 10mm), có tần số cao hơn nhiều so với các băng tần cho truyền thông di động vốn được sử dụng trước đây. Tần số cao hơn và dải tần mới chưa từng được sử dụng đồng nghĩa với việc tốc độ kết nối và băng thông sẽ cao hơn [5].5 Phổ tần số của các ứng dụng kết nối vô tuyến hiện nay [Ofcom] Dải tần này hiện mới chỉ được sử dụng cho liên lạc vệ tinh và radar vì vậy việc triển khai ứng dụng kết nối thiết bị di động mặt đất sẽ là một hướng tiếp cận mới.
Công nghệ Smallcell Một trong những nhược điểm lớn của mili-mét đó chính là chúng khó có thể truyền qua các vật cản như các tòa nhà, cây cối hay bị hấp thụ nhiều bởi sương mù 4 và mưa – những điều kiện vốn rất phổ biến trong môi trường thành thị. Đó chính là lý do tại sao công nghệ small cell ra đời.6 Vấn đề vật cản hấp thụ sóng mili-mét trong đô thị [5] Small cell là các là các trạm thu phát gốc (BTS) cỡ nhỏ, hoạt động với công suất thấp. Chúng được đặt cách nhau 250 mét hoặc xa hơn. Việc thiết đặt và triển khai hằng nghìn trạm BTS smallcell như thế này trên khắp thành phố như một mạng dày đặc sẽ có thể ngăn tín hiệu kết nối giữa thiết bị và trạm khỏi bị ngắt quãng vì những lý do trên.
Chúng sẽ hoạt động như các trạm chuyển tiếp tín hiệu, nhận tín hiệu từ người dùng và chuyển tời các trạm thu phát gốc khác [4].7 Minh họa triển khai các trạm smallcell cho mili-mét 5G [5] 1. Công nghệ định dạng búp sóng Việc ứng dụng các công nghệ như mili-mét cho việc truyền phát tín hiệu không dây làm nảy sinh các vấn đề về việc sử dụng hiệu quả công suất phát cho trạm. Do việc sử dụng các ăng-ten phát sóng đẳng hướng thông thường (công suất bức xạ mọi hướng là như nhau) làm lãng phí công suất hoạt động. Cùng với đó, số lượng ăng-ten lớn và mật độ số trạm tăng (small cell và masive MIMO) sẽ khiến cho việc sử dụng các ăng-ten truyền sóng truyền thống trở nên không hiệu quả và gây ra hiện tượng chồng lấn, nhiễu tín hiệu giữa các trạm thu phát gần nhau.8 Minh họa công nghệ định hình búp sóng – Beamforming [6] Công nghệ định dạng búp sóng sẽ giải quyết được vấn đề đó.