Trong khi 5G đang dần được thương mại hóa rộng rãi trên khắp thế giới với những lợi ích và sự trải nghiệm tuyệt vời vượt bật so với những công nghệ truyền thông trước đó thì bên cạnh đó
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Quá trình phát triển của các thế hệ mạng thông tin vô tuyến
Hình 1: Quá trình phát triển và chức năng chính của mạng không dây qua từng thế hệ
Hệ thống mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) xuất hiện vào cuối thế kỷ 19 và được thương mại hóa lần đầu tại Nhật Bản vào năm 1979, được xem là mạng di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới 1G hoạt động dựa trên tín hiệu analog, cho phép người dùng nghe gọi dễ dàng Tuy nhiên, khi ứng dụng rộng rãi và số lượng người dùng tăng nhanh, hệ thống gặp phải những thách thức về khả năng mở rộng, như tăng số lượng kết nối cuộc gọi cùng lúc và dung lượng mạng Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu số hóa các hệ thống mạng không dây, mở đường cho sự phát triển của mạng di động thế hệ thứ hai (2G).
Hệ thống mạng di động thế hệ thứ hai (2G) khác biệt rõ ràng so với 1G, hoàn toàn sử dụng tín hiệu số thay cho tín hiệu tương tự Công nghệ 2G mang lại nhiều lợi ích nổi bật như chất lượng cuộc gọi được cải thiện, khả năng bảo mật cao hơn và khả năng gửi tin nhắn văn bản SMS nhanh chóng Sự phát triển của 2G đã mở ra bước tiến lớn cho ngành viễn thông, giúp tăng cường hiệu suất và trải nghiệm người dùng trên các thiết bị di động.
4 ưu điểm nổi bật của công nghệ so với 1G bao gồm việc các cuộc gọi thoại được mã hóa bằng kỹ thuật số, giúp tối đa hóa hiệu quả sử dụng phổ tần và cho phép nhiều người dùng cùng lúc trên cùng một tần số Tín hiệu số còn có khả năng nén dữ liệu để truyền tải dễ dàng hơn, giảm nhiễu đáng kể và mở rộng khả năng kết nối qua các kênh truyền băng thông rộng Ngoài ra, công nghệ này còn hỗ trợ truyền dữ liệu văn bản, hình ảnh như tin nhắn, email và hình ảnh chất lượng cao, nâng cao trải nghiệm người dùng.
SMS (Short Message Service) và MMS (Multimedia Messaging Service) là các phương thức gửi tin nhắn được mã hóa và truyền tải đến người nhận Công nghệ 2G sử dụng hệ thống số hóa giúp giảm thiểu công suất phát so với 1G, từ đó tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn Các tiêu chuẩn công nghệ chính của 2G như TDMA (Time Division Multiple Access) đã đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu và tối ưu hoá hoạt động của mạng di động.
Access technology encompasses multiple access methods, with CDMA (Code Division Multiple Access) being a code-based multiple access technology GSM (Global System for Mobile Communications), primarily based on TDMA (Time Division Multiple Access), is a key technology in 2G networks Additionally, standards such as IS-95 and IS-136 utilize CDMA and TDMA technologies, respectively, for efficient communication.
Sau 2G, thế hệ di động thứ ba (3G) ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu, hình ảnh, âm thanh chất lượng cao hơn so với công nghệ trước đó 3G mang lại dịch vụ đa phương tiện như âm nhạc, video, truyền hình số, games online, email và dịch vụ định vị toàn cầu như GPS, giúp người dùng truy cập internet tốc độ cao khi di chuyển Gọi thoại video trở nên phổ biến, cho phép người dùng trò chuyện trực tiếp và nhìn thấy nhau qua các ứng dụng như Zalo, Viber, Skype Ngoài ra, người dùng có thể nghe nhạc, xem phim từ các tệp đã tải xuống trên điện thoại Hai công nghệ chính của 3G là UMTS (Universal Mobile Telephone System) và CDMA2000, đã mở rộng trải nghiệm di động đa dạng và tiện ích.
Mạng di động tiếp theo nối tiếp 3G được gọi là mạng di động thế hệ thứ tư
4G LTE (Long-Term Evolution) là tiêu chuẩn tối ưu cho các thiết bị không dây, mang lại tốc độ truy cập internet vượt trội so với 3G, đạt tới Gigabit, giúp người dùng dễ dàng truyền tải và tải xuống video, hình ảnh chất lượng cao Công nghệ 4G cung cấp trải nghiệm internet tốc độ cao, băng thông rộng hơn, hỗ trợ các dịch vụ như truyền hình trực tuyến, game online cao cấp, xem phim HD và duyệt web nhanh chóng 4G LTE sử dụng chuyển mạch gói dựa trên mạng IP, đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu cao, ổn định Hiện nay, mạng 4G vẫn đang được sử dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, khẳng định vai trò quan trọng trong kết nối di động hiện đại.
Mạng di động thế hệ thứ năm (5G) với tốc độ truy cập internet nhanh gấp 100 lần so với 4G mở ra kỷ nguyên của vạn vật kết nối Internet (IoT), nơi tất cả thiết bị xung quanh chúng ta như nhà cửa, đèn chiếu sáng, quạt đều trở nên thông minh 5G không chỉ nâng cao tốc độ truyền dữ liệu mà còn đảm bảo sự ổn định của mạng để phát triển các công nghệ hiện đại như thực tế ảo (VR), tăng cường trải nghiệm người dùng và hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp Với 5G, các thành phố thông minh, nhà thông minh và các ứng dụng IoT nâng cao cuộc sống của con người một cách vượt trội.
Công nghệ 5G mang lại trải nghiệm tuyệt vời, như VR cho phép người dùng cảm nhận thực tế theo từng góc nhìn, tạo cảm giác chân thực như thật Với tốc độ xử lý dữ liệu cao của 5G, việc xây dựng trạm tín hiệu điều khiển xe ô tô không người lái trở nên dễ dàng hơn, thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị tự động Công nghệ này mở ra bước ngoặt trong nhiều ngành kinh tế, như phẫu thuật từ xa được điều khiển bằng robot, nâng cao hiệu quả và độ chính xác 5G cũng là thế hệ di động đầu tiên hỗ trợ nhiều dải tần số, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các thế hệ trước.
5G hoạt động ở tần số cao như sóng milimet, lên đến hơn 10 GHz, mang lại tốc độ dữ liệu cực cao và mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ truyền thông Các công nghệ cốt lõi trong 5G như Massive MIMO, Beamforming, NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) và MRN (Motor Racing Network) góp phần nâng cao hiệu suất mạng Hiện nay, 5G đã được thương mại hóa rộng rãi tại một số quốc gia phát triển, trong khi nhiều nước khác vẫn đang nghiên cứu và thử nghiệm Việt Nam đang trong quá trình thử nghiệm và dự kiến sẽ thương mại hóa rộng rãi trong năm nay 5G đã rút ngắn chu kỳ phát triển của một thế hệ mạng di động chỉ còn vài năm thay vì 10 năm như trước, đưa cả thế giới vào kỷ nguyên công nghệ mới Đây là công nghệ có sức hút lớn, được xem là đòn bẩy hỗ trợ phát triển các ngành công nghiệp và xã hội trong tương lai.
Tiềm năng trong tương lai và một số công nghệ mới trong 6G
Mạng 6G dự kiến đạt tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến hàng Terabit trên giây (Tbps), nhanh gấp hàng nghìn lần so với tốc độ tối đa của mạng 5G là 20 Gbps Không chỉ vượt trội về tốc độ, 6G còn hướng tới khắc phục các hạn chế của 5G, đáp ứng tốt hơn nhu cầu kết nối của tương lai.
6G ra đời nhằm khắc phục hạn chế của 5G về khả năng phủ sóng ở độ cao, độ sâu dưới mặt đất và dưới biển, mở rộng kết nối từ mặt đất đến không gian và khí quyển Công nghệ 6G sẽ mang lại độ tin cậy cực cao, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong phạm vi rộng, nâng cao khả năng kết nối từ xa, cảm biến và định vị chính xác, nhanh chóng, cùng chức năng dò tìm thiết bị hiệu quả Ngoài ra, 6G hướng tới tiêu thụ điện năng cực thấp và giảm thiểu chi phí, hỗ trợ các thiết bị không cần sạc pin truyền thống, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững và tiện lợi trong mạng lưới kết nối toàn cầu.
6G sẽ sử dụng tín hiệu vô tuyến để truyền thông giữa các vệ tinh, cho phép liên kết trực tiếp giữa các vệ tinh và nâng cao khả năng kết nối liên tục trên không gian vũ trụ Mục tiêu của 6G là tích hợp các mạng vệ tinh hình ảnh trái đất, mạng vệ tinh viễn thông và mạng vệ tinh định vị nhằm cung cấp dịch vụ xác định vị trí chính xác, nhanh chóng, cũng như các dịch vụ đa phương tiện, kết nối mạng và thông báo thời tiết cho người dùng di động Với sự ra đời của công nghệ 6G, nhân loại có thể tiếp cận các nền văn minh trên trái đất và vũ trụ một cách dễ dàng hơn, mở ra kỷ nguyên mới của phát triển công nghệ 6G dự kiến sẽ thúc đẩy mạnh mẽ trí tuệ nhân tạo (AI) khi tích hợp AI vào toàn bộ hệ thống mạng, từ các thiết bị vật lý, xử lý dữ liệu, tín hiệu cho đến quản lý tài nguyên và dịch vụ, qua đó nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý mạng Nhờ những ưu điểm vượt trội này, 6G sẽ tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển toàn diện của các ngành công nghệ 4.0, số hóa mọi khía cạnh đời sống và mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng tiềm năng như Internet vạn vật (IoT), truyền thông thông minh, dịch vụ chăm sóc sức khỏe từ xa và các hệ thống tự động hóa tiên tiến.
Trong tương lai, xã hội siêu thông minh (Super-Smart society) sẽ phát triển các mô hình nhà ở thông minh với thiết bị kết nối, điều khiển từ xa nhằm mang lại tiện nghi tối đa cho cuộc sống hàng ngày Thành phố thông minh sẽ được xây dựng với hệ thống điều khiển và giám sát tối ưu, nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân Hệ thống giao thông thông minh như ô tô tự lái và xe tự hành sẽ đáp ứng nhu cầu đi lại hiện đại, giảm thiểu tai nạn và tăng tính an toàn cho phương tiện di chuyển trong đô thị tương lai.
Thực tế ảo mở rộng (XR) là bước phát triển tiếp theo của công nghệ thực tế ảo như VR, AR, MR, mang lại lợi thế về băng thông rộng, tốc độ cao, độ ổn định và độ trễ thấp Với mục tiêu phát triển mạng 6G có độ trễ tối đa chỉ 1ms, những tiến bộ này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực mô phỏng 3D điều khiển bởi AI, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều ngành công nghiệp.
8K mang đến trải nghiệm hình ảnh 3D sắc nét, video chân thật, game online 3D đỉnh cao, hứa hẹn mang lại cảm giác thực tế bằng cách kích hoạt tất cả 5 giác quan người dùng thông qua công nghệ cảm biến cao cấp, nâng cao trải nghiệm thị giác và cảm xúc của người chơi.
Mạng 6G sẽ mở ra kỷ nguyên Internet của mọi vật (IoE), đảm bảo kết nối liên tục và ổn định cho hàng tỷ thiết bị thông minh như máy tính, điện thoại, và các thiết bị vật lý khác IoE tích hợp dữ liệu, thiết bị, quy trình hoạt động và con người trong một hệ sinh thái thống nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ngành công nghiệp thông minh như y tế, sản xuất, giao thông và xã hội thông minh Với dự báo rộng rãi về triển khai 6G, thế giới sẽ trở thành nơi mọi người và hàng hóa đều có thể truy cập bất cứ đâu, bất cứ lúc nào trong trạng thái siêu thực, loại bỏ mọi khoảng cách về địa lý và thời gian Điều này góp phần xóa bỏ sự chênh lệch giữa nông thôn và thành thị, thúc đẩy sự phát triển đồng đều của xã hội toàn cầu.
Giao diện não bộ máy tính BCI (Brain-Computer Interface) hoạt động bằng cách tiếp nhận tín hiệu từ não bộ, sau đó số hóa, phân tích và chuyển đổi thành các lệnh điều khiển thiết bị thông minh Công nghệ BCI giúp người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong nhà hoặc thiết bị y tế một cách dễ dàng mà không cần tiếp xúc vật lý.
Dự kiến ra mắt vào năm 2030, công nghệ 6G sẽ thay đổi hầu hết mọi mặt của thế giới nhờ những ưu điểm vượt trội 6G mở ra một kỷ nguyên mới, nơi mọi thứ đều trở nên “thông minh”, và các ứng dụng cùng thiết bị hiện đại mà trước đây chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng sẽ trở thành hiện thực.
KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN HỖ TRỢ BỞI UAV
Tổng quan UAV
UAV (Unmanned Aerial Vehicles) hay còn gọi là “Phương tiện bay không người lái” được xem là giải pháp thay thế hiệu quả để hỗ trợ hệ thống mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo UAV mang lại nhiều lợi thế so với các trạm gốc cố định trên mặt đất, như khả năng mở rộng mạng nhanh chóng và linh hoạt hơn Chính nhờ vào đặc điểm này, UAV có thể tích hợp như một trạm gốc bay nhằm cung cấp quyền truy cập mạng thuận tiện và tin cậy hơn cho nhiều dịch vụ Ngoài ra, UAV còn đóng vai trò quan trọng trong hỗ trợ các thiết bị IoT (Internet of Things), giúp nâng cao khả năng kết nối và mở rộng mạng lưới IoT trong các ứng dụng đa dạng.
UAV cần được trang bị các mô-đun thu năng lượng để thực hiện chức năng sạc pin cho nhiều thiết bị IoT khi chúng hết năng lượng Trong nghiên cứu [3], đã hướng tới giải quyết các vấn đề liên quan đến thu thập dữ liệu bằng cách phát triển UAV hoạt động thông minh, vừa thu thập dữ liệu từ các thiết bị IoT, vừa khai thác các tín hiệu RF để tối ưu hóa quá trình truyền tải và sạc năng lượng.
Các thiết bị IoT sử dụng công nghệ Frequency để trích xuất và thu hoạch năng lượng tự thân, giúp tối ưu hóa hoạt động của chúng Các nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp cân bằng giữa thời gian thu hoạch năng lượng của UAV và thời gian sạc pin cho các thiết bị IoT, đồng thời nghiên cứu các quỹ đạo tối ưu nhằm đảm bảo UAV hoàn thành hành trình trong thời gian ngắn nhất, giảm tiêu hao năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng UAV mang lại nhiều lợi thế cho mạng vô tuyến, đặc biệt là trong giảm thiểu thiệt hại hạ tầng truyền thông khi xảy ra thiên tai như động đất, lũ lụt, sóng thần hay núi lửa Ngoài ra, tính di động của UAV còn giúp giải quyết các tình huống khẩn cấp một cách nhanh chóng, vượt xa khả năng của các thiết bị cố định mặt đất.
Trên thực tế, có nhiều loại UAV khác nhau mà chưa có tiêu chuẩn phân loại chính thức, khiến việc phân biệt trở nên phức tạp Các UAV thường được phân loại dựa trên các tiêu chí như trọng lượng, kích thước, độ bền, kiểu cấu tạo cánh, phương pháp cung cấp năng lượng, tốc độ tối đa, phạm vi bay, độ cao bay và phương pháp điều khiển Những yếu tố này giúp xác định đặc điểm và ứng dụng của từng loại UAV khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau.
Dựa vào độ cao hoạt động, UAVđược chia làm hai loại chính:
Nền tảng độ cao tầm cao HAP (High Altitude Platforms) hoạt động ở độ cao trên 10Km, tương đương với các vệ tinh ở độ cao thấp, giúp cung cấp vùng phủ sóng lớn với băng thông rộng Chúng có độ bền lâu hơn, thiết kế để duy trì hoạt động liên tục trong nhiều tháng HAP thường được ưu tiên để mở rộng mạng không dây phủ sóng rộng lớn cho các khu vực địa lý rộng, mặc dù chi phí và thời gian triển khai của hệ thống này cao hơn so với các giải pháp LAP.
Nền tảng độ cao thấp LAP (Low Altitude Platforms) hoạt động ở độ cao thấp hơn, có khả năng bao phủ các khu vực rộng lớn và tối ưu hóa sử dụng phổ tần cùng năng lượng LAP hoạt động giống như các trạm gốc bay, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng và cải thiện dịch vụ di động trên mặt đất Nhờ tính di động, LAP dễ dàng thu thập và cung cấp thông tin từ các nơi khó tiếp cận, bao gồm cả dữ liệu cảm biến từ các thiết bị IoT ở dưới nước, trên không trung hoặc trong lòng đất Ngoài ra, LAP có thể sạc lại pin hoặc thay thế khi cần, và duy trì hoạt động trong vài giờ để đảm bảo liên tục dịch vụ.
Dựa vào cấu tạo cánh, UAV được chia làm hai loại chính là:
UAV cánh cố định, như các máy bay nhỏ, cần có đường băng hoặc bệ phóng để có thể cất cánh và hạ cánh do đặc điểm cấu tạo cánh của chúng Những loại UAV này thích hợp cho các nhiệm vụ cần bay xa và lâu dài nhờ khả năng bay ổn định trên không trung Việc sử dụng UAV cánh cố định đòi hỏi hạ tầng phù hợp để đảm bảo hiệu quả hoạt động, đồng thời giúp tăng cường khả năng thu thập dữ liệu và giám sát từ xa.
12 cố định nên việc lơ lửng ở một vị trí nhất định trên không là không thể
Thời gian bay của loại UAV này chỉ kéo dài trong vài giờ, nhưng nhờ khả năng đạt tốc độ cao hơn và quãng đường bay xa hơn, nó có thể thực hiện các nhiệm vụ vận chuyển hoặc khảo sát quy mô lớn hơn UAV cánh quạt truyền thống Ngoài ra, UAV này còn có khả năng mang tải trọng lớn hơn, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp, quân sự và nghiên cứu.
UAV cánh quay, như máy bay trực thăng không người lái, nổi bật với khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng ở bất kỳ đâu, giúp đảm bảo tính tiện lợi cao trong nhiều tình huống Dù có tốc độ thấp hơn, công năng ít hơn và năng lượng hạn chế so với UAV cố định, nhưng khả năng bay lơ lửng tại một vị trí cố định trên không của UAV cánh quay mang lại lợi ích lớn cho các nhiệm vụ giám sát, quay phim hoặc vận chuyển nhỏ Thời gian bay của UAV cánh quay thường không quá một giờ, phù hợp với các hoạt động ngắn hạn và cần độ linh hoạt cao.
Các UAV thường được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau một cách hiệu quả, phù hợp với đặc điểm và cấu tạo của từng loại Hiện nay, các UAV thương mại thường trang bị pin lithium và lithium-ion, cho phép hoạt động liên tục từ 20 đến 40 phút, nhưng đối với nhiệm vụ như trạm vô tuyến trong hệ thống 6G, nguồn năng lượng này chưa đủ để hoàn thành toàn bộ chu kỳ hoạt động Trong khi đó, công nghệ UAV thế hệ mới đòi hỏi phải sạc lại các thiết bị IoT trong vùng hoạt động, gây ra giới hạn về thời gian hoạt động do nguồn pin hạn chế Do đó, các giải pháp thu hoạch năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, cùng với công nghệ thu thập năng lượng từ tín hiệu RF đã được đề xuất để kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo UAV có thể hoạt động liên tục trong suốt ngày dài Nguồn năng lượng mặt trời có thể được khai thác qua các tấm pin mặt trời để chuyển đổi thành năng lượng sử dụng cho UAV.
Các UAV hiện nay chủ yếu sử dụng pin nạp điện, nhưng năng lượng mặt trời chỉ hoạt động hiệu quả vào ban ngày, gây giới hạn cho hoạt động liên tục của UAV, đặc biệt là vào ban đêm Để đảm bảo UAV có thể hoạt động xuyên suốt 24/7, cần có giải pháp để thu thập nguồn năng lượng từ môi trường xung quanh, trong đó tín hiệu RF (RF-EH) được quan tâm như một nguồn năng lượng thay thế phù hợp cả ngày lẫn đêm Các nguồn năng lượng này nhằm mục đích duy trì hoạt động liên tục của UAV, tránh tình trạng ngắt nguồn điện đột ngột, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hoạt động UAV trong các nhiệm vụ khác nhau.
Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV
UAV có thể được sử dụng để đảm nhiệm các nhiệm vụ tương ứng trong các mô hình truyền thông như:
Hình 2: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-BS
UAV-BS (đài phát sóng di động bằng UAV) sở hữu các chức năng thiết yếu của một trạm BTS thông thường nhưng hoạt động ở độ cao lớn hơn và linh hoạt hơn Thiết bị này được ứng dụng để hỗ trợ phủ sóng không dây trong các khu vực vùng sâu, vùng xa, giúp giảm thiểu các điểm vùng không có sóng và nâng cao khả năng kết nối mạng UAV-BS là giải pháp tối ưu cho việc mở rộng mạng lưới di động ở những khu vực khó tiếp cận, đem lại hiệu quả trong công tác duy trì liên lạc trong các tình huống khẩn cấp hoặc thiên tai.
14 tải lưu lượng tạm thời ở các địa điểm phát sóng di động, khôi phục dịch vụ sau thảm họa, thiên tai
Hình 3: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-relay[6]
UAV-relay hoạt động như các nút trung gian trên không để thiết lập và nâng cao khả năng kết nối không dây giữa người dùng hoặc nhóm người dùng cách xa nhau trên mặt đất Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong việc mở rộng phạm vi phủ sóng di động, truyền dữ liệu lớn, cũng như trong các hoạt động ứng phó khẩn cấp và hoạt động quân sự Việc sử dụng UAV như các máy phát sóng di động trên không giúp tăng cường khả năng liên lạc trong các tình huống đòi hỏi phạm vi phủ sóng rộng và độ trễ thấp.
Hình 4: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi thiết bị IoT
UAV đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và phát tán thông tin, bằng cách hoạt động như các điểm truy cập trên không (AP) để phát sóng hoặc thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến trên mặt đất Ứng dụng này rất phổ biến trong các mạng lưới truyền thông IoT và các hệ thống cảm biến không dây, hỗ trợ bởi UAV nhằm tăng cường khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Hình 5: Phân loại UAV dựa trên trạng thái di chuyển: a) UAV bán tĩnh; b)
UAV được phân thành hai loại dựa trên cách thức hoạt động: bán tĩnh và di động UAV bán tĩnh thường được triển khai tại một vị trí cố định trong thời gian dài, mang lại ưu thế về khả năng hoạt động liên tục và hiệu quả Loại này thường được gắn kết với các phương tiện trên mặt đất, giúp tối ưu hóa quá trình giám sát và ứng dụng trong các lĩnh vực như an ninh, quốc phòng và nông nghiệp.
UAV di động trên không mang lại độ ổn định cao và cung cấp năng lượng dễ dàng hơn cho các hoạt động liên lạc Chúng linh hoạt trong việc triển khai và di chuyển để phục vụ người dùng trên mặt đất, phù hợp với nhiều tình huống khác nhau Tuy nhiên, UAV gặp một số thách thức nhất định như tối ưu hóa quỹ đạo bay và nguồn cung cấp năng lượng nhằm tăng hiệu quả hoạt động dài hạn.
Việc lựa chọn loại UAV phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng và nhu cầu cụ thể Trong thiết kế hệ thống và xác định vị trí triển khai UAV tĩnh, quan trọng là tối ưu hóa vị trí đặt UAV để đạt hiệu suất liên lạc cao nhất UAV-BS có thể được triển khai ở độ cao linh hoạt khác với các hệ thống truyền thống, tuy nhiên, độ cao tối ưu phụ thuộc vào môi trường lan truyền và loại anten trang bị Tìm ra độ cao tối ưu cho UAV rất khó khăn vì khi tăng độ cao, các chướng ngại vật ít đi nhưng liên kết LoS lại bị ảnh hưởng nhiều hơn do các yếu tố gây suy hao tín hiệu Mặc dù liên kết LoS mạnh mang lại lợi ích rõ rệt, nhưng không thể bù đắp cho sự suy hao đường dẫn khi khoảng cách liên kết tăng Các nền tảng UAV di động cung cấp thêm khả năng tối ưu hóa quỹ đạo, giúp cải thiện hiệu suất liên lạc qua việc duy trì liên kết LoS chất lượng cao Các liên kết truyền thông trên mặt đất của UAV thường có khả năng liên kết LoS mạnh, điều này giúp dự đoán kênh tốt hơn và thuận lợi cho tối ưu hóa quỹ đạo ngoài tuyến.
Trong tương lai, để mở rộng khả năng liên lạc không dây băng thông rộng trên các khu vực lớn, các UAV sẽ được kết nối thành mạng ad-hoc bay FANETs (Flying Ad Hoc Network), thiết lập liên kết mạng linh hoạt với các thiết bị trên mặt đất Truyền thông UAV thể hiện các thuộc tính như độ linh hoạt cao, khả năng mở rộng mạng nhanh chóng và khả năng duy trì liên lạc liên tục trong điều kiện thay đổi môi trường Công nghệ FANET giúp nâng cao hiệu quả liên lạc trong các ứng dụng quân sự, cứu hộ và nông nghiệp, đảm bảo kết nối bền vững trên phạm vi rộng lớn.
Mạng bầy đàn UAV là tập hợp các máy bay không người lái hoạt động phối hợp, tạo thành mạng đa UAV mở rộng kết nối cho người dùng trên mặt đất Nhờ tính linh hoạt cao và khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng, mạng đa UAV đang trở thành giải pháp tối ưu cho các ứng dụng cung cấp internet, truyền dữ liệu và hỗ trợ liên lạc trong các tình huống khẩn cấp Mô hình này giúp nâng cao khả năng phủ sóng, giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng mở rộng của hệ thống kết nối không dây.
17 một trong những giải pháp hiệu quả nhằm khôi phục kết nối dịch vụ khi xảy ra sự cố hoặc mở rộng liên lạc
UAV có khả năng triển khai động nhờ tính linh hoạt cao, giúp đáp ứng nhanh chóng và hiệu quả các nhu cầu tác chiến trong mọi điều kiện môi trường Việc UAV được triển khai trên không giúp giảm thiểu khó khăn trong việc lựa chọn và thuê địa điểm, đồng thời cắt giảm đáng kể chi phí xây dựng tháp dẫn sóng và cáp kết nối Nhờ đó, UAV nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm tối đa ngân sách cho các hoạt động quân sự.
Liên kết tầm nhìn (LoS) của các UAV trên không giúp kết nối đáng tin cậy giữa người dùng mặt đất và UAV, cho phép duy trì truyền tin hiệu quả ở khoảng cách xa bằng cách điều chỉnh tọa độ và vị trí bay của UAV Tuy nhiên, UAV bị giới hạn bởi kích thước, trọng lượng và công suất, ảnh hưởng đến độ cao hoạt động, khả năng liên lạc, phạm vi phủ sóng và mức tiêu thụ năng lượng Trong tương lai, các mạng không dây 5G và 6G dự kiến sẽ tích hợp các cơ sở hạ tầng phân tán, nhằm cung cấp dịch vụ đa dạng và kết nối số lượng lớn thiết bị Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào kỹ thuật truyền thông đa dạng như MIMO, mmWave, NOMA, CR, và D2D để cải thiện hiệu suất mạng, giảm tiêu hao năng lượng và nâng cao trải nghiệm người dùng.
UAV t ích hợp mạng không gian - trên không - mặt đất
Để đáp ứng các dịch vụ IoT đa dạng với yêu cầu chất lượng khác nhau trên các khu vực khác nhau, các mạng mặt đất được triển khai dày đặc nhằm hỗ trợ truyền thông tốc độ cao trong khi các mạng vệ tinh cung cấp phạm vi phủ sóng rộng và kết nối liền mạch đến các khu vực xa xôi, hẻo lánh Kiến trúc tổng thể của mạng IoT thường dựa trên mô hình ba lớp, bao gồm lớp cảm biến, lớp kết nối, và lớp xử lý dữ liệu, nhằm đảm bảo hiệu quả và đa dạng hóa dịch vụ IoT trên toàn cầu.
Trong hệ thống không gian và mặt đất, các UAV được triển khai để thiết lập mạng lưới đa tầng, phục vụ các phân đoạn khác nhau có đặc điểm riêng biệt Các phân đoạn này sử dụng các thiết bị mạng đa dạng với chức năng phong phú, tích hợp các tiêu chuẩn truyền thông khác nhau phù hợp với từng giai đoạn hoạt động Ngoài ra, giao diện điều khiển và giao tiếp của các bộ điều khiển SDN (Software-Defined Networking) cũng được tùy chỉnh phù hợp, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong quản lý mạng lưới UAV nhiều tầng.
Trung Tâm Điều Khiển SDN
Hình 6 trình bày hệ thống UAV tích hợp mạng không gian, trên không và mặt đất, tạo thành mạng lưới liên kết toàn cầu Trong mạng không gian, các vệ tinh ở các quỹ đạo có thể hình thành mạng toàn cầu dựa trên liên kết giữa các vệ tinh, sử dụng kỹ thuật truyền qua nhiều đường hoặc sóng phát để tăng cường dung lượng mạng Các kết nối giữa vệ tinh, UAV và mặt đất giúp xây dựng mạng lưới phủ sóng rộng khắp, hỗ trợ các dịch vụ như cứu hộ khẩn cấp, quan sát, điều hướng, định vị và liên lạc Trong tương lai, trái đất dự kiến sẽ được bao quanh bởi một lượng lớn vệ tinh khi thế hệ mạng mới được triển khai, góp phần nâng cao khả năng liên lạc toàn cầu.
Liên kết giữa vệ tinh và mặt đất chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các yếu tố như mất đường truyền do khoảng cách xa, không gian lớn và sự suy giảm tầng đối lưu, khiến việc duy trì liên lạc trở nên khó khăn Để khắc phục, cần sử dụng các băng tần cao như băng tần Ka nhằm đảm bảo dịch vụ độ trễ thấp và chất lượng cao Ngoài ra, liên kết giữa vệ tinh và UAV đóng vai trò then chốt trong xây dựng mạng lưới tích hợp, chủ yếu dựa vào liên kết LoS, tuy nhiên, hiệu quả của liên kết này giảm rõ rệt khi sử dụng các băng tần cao UAV có khả năng giao tiếp với vệ tinh qua các quỹ đạo khác nhau nhờ quá trình điều hướng liên tục, nhưng điều này làm ảnh hưởng đến chùm tia hướng tới liên kết vệ tinh-UAV Trong mạng trên không, UAV và khinh khí cầu hoạt động ở các độ cao khác nhau, nhưng bị giới hạn bởi các ràng buộc về SWAP Mỗi UAV được trang bị bộ thu phát để cung cấp truy cập internet linh hoạt cho các thiết bị mặt đất trong một vùng phủ sóng gọi là cell, kích thước của cell phụ thuộc vào độ cao, công suất truyền và vị trí của UAV Các UAV còn có thể kết nối với nhau qua các liên kết hợp tác để trao đổi dữ liệu điều khiển, tránh va chạm, tính toán đường bay và gửi dữ liệu đến thiết bị di động Mỗi UAV đều trang bị các giao diện vô tuyến không đồng nhất, cho phép chúng giao tiếp với vệ tinh hoặc các mạng khác, tăng cường khả năng liên kết và mở rộng mạng lưới tích hợp.
Mạng truy cập vô tuyến không đồng nhất trên mặt đất gồm các cell lớn và nhỏ phục vụ các thiết bị như điện thoại di động, phương tiện giao thông tự lái và thiết bị IoT, tạo ra một hệ thống đa công nghệ đầy tiềm năng Các công nghệ đột phá như băng tần mmWave, thu năng lượng, truyền NOMA và truyền thông D2D đang cùng tồn tại để nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu và kết nối Đồng thời, khả năng tính toán ngày càng thông minh của các thiết bị di động góp phần hình thành điện toán biên, thúc đẩy các dịch vụ kết nối thông minh và tối ưu hóa mạng lưới trong tương lai.
Mạng di động MEC (Mobile Edge Computing) giúp các UAV thực hiện các tác vụ tính toán một cách hiệu quả, giảm thiểu tải cho các bo mạch chủ và nâng cao hiệu suất hoạt động Công nghệ MEC cho phép xử lý dữ liệu gần như tức thì tại các điểm biên, từ đó giúp các UAV hoàn thành nhiệm vụ nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng Ứng dụng của MEC trong điều hành UAV mang lại khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực, cải thiện độ tin cậy và tối ưu hóa hiệu suất chung của hệ thống.
Trong kết nối giữa trên không và mặt đất, có hai loại kênh truyền dẫn chính là liên kết dữ liệu LoS và liên kết dữ liệu vệ tinh Liên kết dữ liệu LoS (Line of Sight) cho phép truyền trực tiếp dữ liệu từ UAV về trạm điều khiển mặt đất GCS một cách nhanh chóng và ổn định Trong khi đó, liên kết dữ liệu vệ tinh cung cấp khả năng truyền dữ liệu qua khoảng cách xa hơn, đảm bảo liên lạc liên tục ngay cả khi UAV ở vị trí xa hoặc gặp trở ngại Các loại kênh truyền dẫn này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát UAV, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của quá trình truyền dữ liệu.
Những kỹ thuật sử dụng trong truyền thông hỗ trợ bởi UAV
Khu vực đông đúc / cần trợ giúp
Khu vực đông đúc / cần trợ giúp
Hình 7 trình bày mô hình truyền thông sử dụng UAV-BS được trang bị bộ thu phát không dây, giúp các drone này có thể giao tiếp với nhau cũng như với người dùng mặt đất một cách hiệu quả Mô hình này nâng cao khả năng kết nối liên tục và đáng tin cậy trong các hệ thống liên lạc không dây bằng UAV Việc trang bị bộ thu phát không dây trên UAV-BS mở ra khả năng mở rộng mạng lưới truyền thông linh hoạt và linh hoạt hơn trong các môi trường phức tạp Các UAV-BS tạo thành một hệ thống truyền thông linh hoạt, hỗ trợ việc truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định giữa các thiết bị và người dùng mặt đất.
Hình 7 mô tả mô hình hệ thống truyền thông sử dụng UAV hoạt động như trạm gốc bay (UAV-BS), được trang bị đa dạng trọng tải để nhận, xử lý và truyền tín hiệu Các UAV này bổ sung chức năng cho các hệ thống vô tuyến hiện có bằng cách cung cấp thêm dung lượng tại các điểm phát sóng trong các sự kiện hoặc khu vực đông người Ngoài ra, UAV còn đóng vai trò củng cố hạ tầng mạng trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi hệ thống mạng trên mặt đất gặp sự cố hoặc bị tê liệt hoàn toàn Các kỹ thuật vật lý như băng tần mmWave, mạng truyền dẫn NOMA và mạng UAV nhận thức đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền thông dựa trên UAV.
Các kỹ thuật lớp mạng như HetNets, truyền thông Device-to-Device (D2D) và kiến trúc Software-Defined Networking (SDN) đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng cải thiện hiệu suất hệ thống mạng vô tuyến trong tương lai, góp phần nâng cao tốc độ kết nối, mở rộng khả năng quản lý mạng và tối ưu hóa tài nguyên mạng.
2.4.1 Truyền thông mmWave sử dụng UAV
Truyền thông mmWave (millimeter-Wave) tận dụng nguồn tài nguyên phổ không dây chưa được cấp phép ở dải tần 30-300GHz, giúp UAV xử lý lượng lớn dữ liệu như video, hình ảnh và tệp tin lớn với tốc độ cao Mạng di động mmWave hỗ trợ bởi UAV có lợi thế di động so với mạng cố định, nhưng gặp thách thức trong xác định vị trí UAV so với người dùng và tối ưu hóa định dạng chùm tia trong môi trường di chuyển Việc sử dụng đa truy nhập phân chia theo vùng không gian mmWave nhằm nâng cao dung lượng mạng là một giải pháp tiềm năng Trong hệ thống liên lạc mmWave tần số ngắn, UAV đóng vai trò làm relay di động quan trọng, tuy nhiên, tự động xác định vị trí relay tối ưu vẫn là thử thách lớn trong thực tế Để khắc phục, các phương pháp chuyển tiếp UAV mới đã được đề xuất, trong đó UAV liên tục đo lường chất lượng liên kết và vị trí theo thời gian thực để tối ưu hóa hiệu quả liên lạc Một số kỹ thuật khác như theo dõi kênh mô hình hệ thống liên lạc mmWave UAV MIMO 3D giúp xây dựng hệ thống thông tin trạng thái chuyển động của UAV, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong truyền dẫn.
2.4.2 Truyền thông NOMA hỗ trợ bởi UAV
Hình 8: Mô hình Truyền thông NOMA hỗ trợ bởi UAV
NOMA đạt được hiệu suất phổ cao thông qua quá trình kết hợp mã hóa chồng chất tại các máy phát với khả năng khử nhiễu liên tiếp - Successive
NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) cho phép UAV có thể phục vụ khối lượng lớn người dùng với các mẫu lưu lượng đa dạng mà không gây nhiễu chồng chéo, nhờ vào kỹ thuật interference cancellation (SIC) ở máy thu Nhờ NOMA, UAV-BS có thể cùng lúc phục vụ nhiều người dùng hoạt động đồng thời, tối ưu hóa khả năng đáp ứng yêu cầu sử dụng lớn qua các mức công suất khác nhau Một điểm quan trọng là xác định độ cao tối ưu của UAV-BS để cân bằng giữa tỷ lệ người dùng và hiệu quả truyền tải, đặc biệt trong mô hình NOMA hai người dùng, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu xác suất dừng truyền Trong các nghiên cứu như [8], UAV cánh cố định đã được sử dụng để phục vụ hai người dùng trên mặt đất, áp dụng kỹ thuật NOMA đường xuống để tối ưu hóa chế độ truyền, xác suất dừng được tính toán nhằm nâng cao hiệu quả vận hành Với trường hợp NOMA đa người dùng, UAV-BS cần tối ưu hóa các tham số để phục vụ hiệu quả lượng lớn người dùng cùng lúc, nâng cao năng lực của hệ thống không dây.
Các hoạt động trên tần số mmWave rộng lớn cho phép phục vụ nhiều người dùng cùng lúc, nhờ vào chiến lược phân bổ công suất tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất tổng tỷ lệ ngừng hoạt động Nghiên cứu cho thấy hai mô hình chính là sử dụng kỹ thuật UAV-BS với NOMA đơn anten để phục vụ nhiều người dùng đồng thời và kỹ thuật UAV-BS đa anten giao tiếp với nhiều người dùng, trong đó hệ thống MIMO-NOMA hỗ trợ mạnh mẽ cho các UAV.
NOMA rất linh hoạt và hiệu quả khi được hỗ trợ bởi UAV, tuy nhiên để vận hành thành công hệ thống này trong thực tế còn đối mặt với nhiều thách thức như kỹ thuật SIC phức tạp tại máy thu, khó khăn trong ước lượng chính xác thông tin trạng thái kênh ở cả hai đầu thu phát trong hệ thống có UAV hỗ trợ, cũng như việc ghép kênh NOMA đa người dùng trong miền công suất gây ra nhiều nhiễu Bên cạnh đó, việc loại bỏ nhiễu đòi hỏi nỗ lực lớn hơn, và sự thay đổi vị trí liên tục của UAV so với người dùng trên mặt đất gây ra khó khăn trong xác định thứ tự giải mã SIC chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Hiện nay, các nhà mạng không dây sử dụng UAV đang đối mặt với thách thức về sự khan hiếm phổ tần vô tuyến do sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị trên mặt đất và sự cạnh tranh trong việc sử dụng các dải tần số Các mạng không dây như Bluetooth, WiFi, LTE và các mạng di động cùng tồn tại trên cùng nhiều dải phổ, gây áp lực lớn lên không gian truyền dẫn của UAV Vì vậy, truyền thông UAV cần khai thác hiệu quả hơn các dải tần hiện có để đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định Giải pháp tiềm năng là kết hợp hệ thống liên lạc Cognitive Radio (CR) với UAV, hình thành mạng truyền thông UAV nhận thức có khả năng tăng cường phổ tần và cho phép UAV cùng các thiết bị mặt đất hoạt động trên cùng một dải tần, mở ra triển vọng phát triển các mạng không dây linh hoạt, hiệu quả hơn.
Các thiết bị mặt đất phải chịu ảnh hưởng đáng kể từ UAV, đặc biệt khi UAV có liên kết LoS mạnh hơn Nghiên cứu cũng tập trung vào tối ưu hóa quỹ đạo và phân bổ công suất truyền của UAV nhằm đạt hiệu suất truyền thông tối đa, hạn chế nhiễu tại các máy thu trong mức chấp nhận được Một phương pháp khác là tích hợp Công nghệ chọn tần số phân cực (CR) vào hệ thống UAV, nơi UAV đóng vai trò như một thiết bị phát thứ cấp chia sẻ phổ chính, nhằm tối đa hóa hiệu quả năng lượng và đảm bảo hoạt động lâu dài và hiệu quả của UAV.
2.4.4 HetNets được hỗ trợ bởi UAV
Các nhà mạng cần cung cấp dịch vụ đa dạng với dữ liệu tốc độ cao trên mạng truyền thông băng thông rộng, đòi hỏi chi phí hoạt động cao Trong đó, triển khai các cell nhỏ đã được đề xuất, nhưng không khả thi trên thực tế Giải pháp tiềm năng hơn là sử dụng drone-cell (tế bào bay không người lái) để hỗ trợ mạng ở khu vực thất thường, nâng cao tốc độ và tính di động cho người dùng Công nghệ triển khai UAV tối ưu và kỹ thuật điều phối nhiễu giúp giảm thiểu nhiễu giữa các cell trong mạng HetNet hai tầng mặt đất và trên không Mạng di động không đồng nhất kết hợp UAV làm Base Station bay và các Base Station mặt đất nhằm cung cấp dịch vụ vô tuyến theo nhu cầu của nhóm người dùng HetNets hỗ trợ UAV giúp cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của người dùng, đáp ứng các yêu cầu cao về tốc độ và tính di động.
Trong tương lai, kiến trúc mạng không dây hướng tới sự linh hoạt, khả năng thích ứng nhanh chóng và phục hồi năng lượng Công nghệ SDN đã được giới thiệu để lập trình mạng dễ dàng hơn thông qua bộ điều khiển trung tâm, giúp kiểm soát và cấu hình lại mạng một cách hiệu quả hơn so với mạng truyền thống SDN mang lại lợi ích lớn trong việc quản lý hạ tầng và tài nguyên mạng không dây nhờ vào khả năng kiểm soát tập trung của bộ điều khiển Dựa trên kiến trúc SDN, các UAV có thể hoạt động như các chuyển mạch SDN trên mặt phẳng dữ liệu để thu thập thông tin một cách linh hoạt, hiệu quả.
SDN cho phép xem ở chế độ mạng toàn cầu, giúp phân bổ tài nguyên mạng lưới UAV hiệu quả hơn Điều này giảm thiểu độ trễ hoạt động và tiêu thụ năng lượng bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng các máy chủ, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ Thuật toán định tuyến đa đường linh hoạt cho mạng UAV đã được đề xuất nhằm giảm xác suất dừng từ đầu đến cuối, trong đó SDN với bộ điều khiển trung tâm giúp xác định các tuyến đường ít bị nhiễu, cải thiện độ tin cậy của mạng UAV.
KIẾN TRÚC MẠNG ARAN 6G
Kết nối băng thông rộng và các công nghệ mới trong 6G
Mục tiêu của công nghệ 6G trong tương lai là cung cấp kết nối băng thông rộng với dung lượng tối đa lên tới 1 Tbps và đảm bảo dịch vụ ổn định cho các phương tiện di chuyển với tốc độ đến 1000 km/h Để đạt được điều này, các nghiên cứu đã đề cập đến việc phát triển hạ tầng, phổ tần, giao thức và thuật toán tối ưu, đồng thời tích hợp mạng vệ tinh để mở rộng phạm vi phủ sóng 6G dự kiến sẽ sử dụng công nghệ mới như mạng truyền dẫn tiên tiến, công nghệ cloud-RAN, tần số sóng mang cao, mmWave, và dải ánh sáng nhìn thấy, nhằm cung cấp các liên kết điểm-điểm dung lượng cao và mở rộng phạm vi phủ sóng Ngoài ra, các dịch vụ mới sẽ được phát triển dựa trên phân chia mạng và điện toán biên để đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao, đồng thời UAV và mạng vệ tinh LEO sẽ giúp lấp đầy các lỗ hổng phủ sóng và hỗ trợ mạng trong các tình huống khẩn cấp Các nghiên cứu trong [10] cũng đề cập đến các trường hợp sử dụng băng thông rộng quan trọng trong 6G, đặc biệt là trong lớp vật lý (PHY) và lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) nhằm đảm bảo kết nối tốc độ cao phù hợp với yêu cầu của các dịch vụ mới.
Điểm phát sóng nâng cao yêu cầu một đường xuống tốc độ cao từ điểm truy cập (AP) đến thiết bị người dùng, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh và ổn định Công nghệ này đáp ứng các yêu cầu phức tạp của máy thu, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn như video trực tuyến độ phân giải cao Ngoài ra, điểm phát sóng nâng cao hỗ trợ mạng WLAN nâng cao, nâng cao hiệu suất mạng không dây và cung cấp trải nghiệm người dùng mượt mà.
Mở rộng trải nghiệm đa giác quan qua công nghệ AR/VR/MR cung cấp các tương tác thời gian thực với tốc độ dữ liệu Gbps và độ trễ cực thấp, nhằm mang lại trải nghiệm mượt mà và chân thực nhất cho người dùng Công nghệ truyền thông ba chiều giúp kết nối và tương tác từ xa, đồng thời tích hợp tất cả các giác quan của con người để tạo ra môi trường kỹ thuật số sống động và hấp dẫn.
Giao thông thông minh tự động nâng cao hiệu quả quản lý, đảm bảo an toàn và cải thiện trải nghiệm người dùng Các phương tiện tự hành kết nối với độ tin cậy cao và độ trễ cực thấp dưới 1ms ngay cả khi di chuyển với tốc độ hàng nghìn km/h Hệ thống được trang bị nhiều cảm biến để hỗ trợ tự hành, giám sát và cứu hộ kịp thời trong trường hợp tai nạn.
Các trường hợp nổi bật được chú trọng bao gồm cung cấp truy cập Internet trên máy bay để nâng cao trải nghiệm bay, kết nối băng thông rộng bên trong trung tâm dữ liệu nhằm đảm bảo xử lý dữ liệu nhanh chóng và liên tục, cùng với sự phát triển của liên lạc nội bộ sử dụng thiết bị nano cấy ghép và cảm biến nano giúp cải thiện quản lý và giám sát hệ thống một cách chính xác, hiệu quả hơn.
Các công nghệ mới trong 6G kể đến như:
Truyền thông Terahertz hoạt động trong khoảng từ 100 Gbps đến 10 THz, mang lại tiềm năng vượt trội so với công nghệ mmWave nhờ khả năng cung cấp kết nối tần số cao và tốc độ dữ liệu hàng trăm Gbps, đáp ứng các yêu cầu khắt khe nhất của mạng 6G Tuy nhiên, dải tần này đối mặt với hạn chế về mức độ suy hao lan truyền lớn do ảnh hưởng của quá trình hấp thụ phân tử, đòi hỏi các giải pháp phần cứng tiên tiến để tối ưu hiệu suất truyền dẫn.
Trong lĩnh vực truyền thông không dây, việc tối đa hóa hiệu suất của các anten và mạch tần số vô tuyến là vô cùng quan trọng Một giải pháp hiệu quả là hoạt động ở dải tần THz, nơi tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi quá trình hấp thụ phân tử, giúp nâng cao độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liệu Sử dụng công nghệ này có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho các hệ thống truyền thông triển vọng trong tương lai.
Truyền thông không dây quang học (OWC) hoạt động chủ yếu trong các vùng hồng ngoại (bước sóng 750-1600nm), ánh sáng thấy được (390-750nm) và các dải phổ cực tím (200-280nm), nhằm mục đích cung cấp kết nối băng thông rộng Các hệ thống này nổi bật với khả năng bảo mật cao, khả năng chống nhiễu điện từ, hạn chế về mặt không gian, băng thông cực lớn và khai thác các vùng phổ chưa được cấp phép, mở ra nhiều cơ hội mới cho truyền thông không dây tốc độ cao.
Truyền thông quang học trong không gian tự do - Free-Space Optical
Hệ thống Communication (FSO) hoạt động trong dải tần hồng ngoại, là công nghệ truyền dẫn dữ liệu không dây thể hiện hiệu quả cao FSO được sử dụng rộng rãi trong các liên kết điểm-điểm tầm xa với tốc độ truyền dữ liệu cao, phù hợp cho các ứng dụng backhaul không dây băng tần siêu rộng Ngoài ra, công nghệ này còn thích hợp cho truyền thông nội bộ trong nhà, đảm bảo kết nối nhanh chóng, ổn định và an toàn.
Truyền thông ánh sáng nhìn thấy - Visible Light Communication
VLC (Visible Light Communication) là công nghệ tiềm năng để cung cấp kết nối băng thông rộng cục bộ Công nghệ này thực hiện xử lý băng tần cơ sở tại cả máy phát và máy thu trong miền điện, sử dụng diode phát sáng (LED) hoặc diode lazer (LD) với trường nhìn lớn (FoV) FoV giúp mã hóa và truyền dữ liệu qua các kênh quang học LoS hoặc NLoS, trong đó máy thu được trang bị bộ tách sóng mang để chuyển đổi ánh sáng mang dữ liệu thành tín hiệu điện, giúp xử lý dữ liệu hiệu quả hơn.
Loại truyền thông này có thể mang lại hiệu suất thông lượng lên đến
Với các bộ thu phát quang học đơn giản và các bộ phận sẵn có, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mbps có thể dễ dàng được đạt được Ngoài ra, công nghệ còn cho phép nâng cao tốc độ dữ liệu lên đến Gbps, đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng cao trong các hệ thống mạng hiện đại.
VLC đã được chứng minh qua các phòng thí nghiệm là công nghệ tiềm năng với chi phí thấp nhờ các thành phần quang học chính dễ chế tạo và sử dụng để bổ sung các hệ thống hiện có Ứng dụng của VLC rất đa dạng, từ cung cấp dịch vụ dữ liệu thông thường cho người dùng đến hỗ trợ phát triển các nền tảng công nghệ mới như thành phố thông minh, nhà thông minh, tự động hóa công nghiệp, hệ thống giao thông thông minh và Internet vạn vật (IoT) Ngoài ra, VLC còn cho phép các thiết bị IoT khai thác năng lượng từ ánh sáng, giúp truyền thông hiệu quả trong các môi trường RF kém như trên máy bay, dưới mặt nước, góp phần mở rộng khả năng kết nối Tuy nhiên, VLC vẫn gặp phải nhiều thách thức thực tế do các ràng buộc về môi trường và công nghệ, và một giải pháp tiềm năng là phát triển các mạng không dây quang học – vô tuyến lai để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
Các kỹ thuật ước tính kênh mới đóng vai trò quan trọng trong truyền thông định hướng của hệ thống 6G, đặc biệt là trong các băng tần mmWave và THz, nơi mà việc ước tính kênh gặp nhiều thách thức do yêu cầu xử lý nhiều dải tần và băng thông lớn Các phương pháp ước tính ngoài băng tần cung cấp khả năng cải thiện quản lý chùm tia bằng cách sử dụng các kênh truyền đa hướng của tín hiệu dưới 6GHz để ước tính kênh cho tần số cao hơn Ngoài ra, việc khai thác cảm biến nén giúp ước tính kênh hiệu quả hơn bằng cách giảm số lượng mẫu cần thiết, nâng cao hiệu suất và độ chính xác của quá trình ước lượng.
Truyền thông ngăn xếp song công toàn phần giúp các bộ thu phát có thể đồng thời thu và phát tín hiệu cùng lúc, nâng cao hiệu quả truyền dẫn Để triển khai công nghệ này, cần đổi mới trong thiết kế anten và mạch để giảm thiểu nhiễu xuyên âm do điện trường hoặc từ trường gây ảnh hưởng giữa các mạch trong thiết bị Việc giảm nhiễu xuyên âm là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu và hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền thông không dây.
Hiện tại, có khoảng 30 thông số kỹ thuật di động quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất mạng Tuy nhiên, với các tiến bộ công nghệ trong tương lai, khả năng truyền đồng thời cả dữ liệu xuống và lên sẽ được nâng cao, giúp tăng khả năng ghép kênh và tổng thông lượng của hệ thống Những cải tiến này sẽ không yêu cầu mở rộng băng thông, góp phần tối ưu hóa hiệu suất mạng di động và đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng ngày càng tăng.
Những kỹ thuật và xu hướng triển khai trong hệ thống vệ tinh
Các trường hợp sử dụng 5G dựa trên vệ tinh chia làm ba nhóm chính đó là:
Băng thông di động rộng và nâng cao eMBB (enhanced Mobile Broadband)
Truyền thông kiểu máy lớn mMTC (massive Machine Type Communications)
Truyền thông siêu đáng tin cậy với độ trễ thấp uRLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng mạng 5G dựa trên vệ tinh, đặc biệt là trong các trường hợp sử dụng như Backhauling And Tower Feed (BATF), nơi vệ tinh điều chỉnh lưu lượng truy nhập và truyền tải thông tin từ xa để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống mạng 5G Vệ tinh còn đảm bảo kết nối trực tiếp đến các khu vực vùng sâu vùng xa qua Trunking and Headend Feed (THEF), đồng thời hỗ trợ truyền thông khi di chuyển (COOM) cho các nền tảng như tàu, máy bay, tàu hoả Trong lĩnh vực mMTC và IoT, vệ tinh giúp giảm tải mạng đất liền, cung cấp chức năng liên tục và kết nối các thiết bị giá rẻ, đặc biệt trong các tình huống mạng không thể truy cập Vệ tinh còn giám sát hạ tầng, quản lý giao thông, hỗ trợ nông nghiệp, chăn nuôi và thu thập dữ liệu cục bộ cho các hệ thống đo lường nâng cao, góp phần nâng cao hiệu quả của truyền thông di động và các dịch vụ IoT diện rộng Cuối cùng, vệ tinh dành cho uRLLC hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ cực thấp, đảm bảo truyền tải dữ liệu nhanh chóng và tin cậy trong các liên kết quan trọng.
32 truyền thông thấp hơn 1m/s và độ tin cậy đặt lên hàng đầu như là lái xe tự động, phẫu thuật từ xa, tự động hoá nhà máy, …
Trong các hệ thống vệ tinh, việc tái sử dụng tần số tối đa có thể giúp tối ưu hóa băng thông, nhưng điều này gây ra nhiễu đồng kênh cao, đòi hỏi các phương pháp giảm thiểu nhiễu phù hợp Một giải pháp linh hoạt là sử dụng nguyên tắc cụm nhóm trên vệ tinh, điều chỉnh chúng theo thời gian thực bằng các đề xuất nhận biết khung tăng dung lượng vệ tinh, hoặc áp dụng cơ chế điều khiển công suất thích ứng tại các thiết bị đầu cuối để giảm nhiễu có hại Kết hợp cảm biến thông minh tại các thiết bị đầu cuối cũng giúp phát hiện nhiễu nội tuyến trong chế độ nhận, nâng cao hiệu quả quản lý mạng vệ tinh Trong bối cảnh mạng 5G tích hợp vệ tinh, quy mô và độ phức tạp của hệ thống tăng cao do sử dụng đa dạng các thiết bị di động không đồng bộ và truy cập từ mạng không dây, đặt ra nhiều thách thức trong mô hình hóa và quản lý do môi trường phức tạp Hiệu suất mạng có thể giảm sút và chi phí đầu tư, vận hành tăng lên, trong khi các phương pháp kiểm tra, xác minh truyền thống gặp nhiều khó khăn Phát triển mô hình mạng vệ tinh mặt đất để hỗ trợ quản lý dịch vụ đầu cuối trong môi trường chung, sử dụng mạng hội tụ duy nhất giúp các dịch vụ linh hoạt, tùy chỉnh và tích hợp liền mạch trong các mạng vệ tinh 5G khác nhau Tuy nhiên, cần thiết lập các thuật toán phân chia cấu hình mạng phù hợp với chuyển động của vệ tinh LEO và MEO, đồng thời quản lý lưu trữ, tính toán và điều phối nguồn tài nguyên vệ tinh theo thời gian thực, thúc đẩy xu hướng hợp tác nguồn lực vệ tinh hiệu quả hơn.
Hệ thống liên lạc trong truyền thông vô tuyến sử dụng công nghệ SDR (Software Defined Radio) đã thúc đẩy sự phát triển các mô hình kiến trúc mạng tương lai, giúp tăng tốc triển khai dịch vụ và dễ dàng quản lý cơ sở hạ tầng Một trong những ưu điểm nổi bật của SDR là khả năng thích ứng linh hoạt, đặc biệt phù hợp với các hệ thống vệ tinh băng thông rộng trong tương lai Bằng cách thay thế phần lớn thiết bị phần cứng bằng phần mềm, công nghệ SDR giúp cung cấp các kết nối đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng với chi phí hợp lý Khả năng lập trình lại các nhóm tần số và phân bổ năng lượng linh hoạt khiến công nghệ SDR trở thành giải pháp hấp dẫn trong bối cảnh an toàn dữ liệu trên thị trường hiện nay còn nhiều thách thức.
Phân phối khoá lượng tử qua Satcom quang học ngày càng phát triển nhờ khả năng vượt qua các trở ngại trong truyền dẫn, giúp thiết lập liên kết quang học ổn định vượt xa mạng cáp quang truyền thống Công nghệ QKD (Quantum Key Distribution) cung cấp khả năng tạo ra các khoá mã hoá riêng tư và tự động giữa hai điểm, phù hợp cho các ứng dụng tầm xa nhờ khả năng chia sẻ khoá mã thông qua mạng quang học Tuy nhiên, truyền QKD qua cáp quang đối mặt với vấn đề suy hao tín hiệu theo cấp số nhân theo khoảng cách, dẫn đến sự ưu tiên trong việc phát triển QKD qua vệ tinh Các dự án vệ tinh trong lĩnh vực này nhằm thúc đẩy khả năng thiết lập liên kết quang học bền vững, đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ lỗi bit lượng tử tối thiểu (QBER) và giảm nhiễu trong quá trình truyền dẫn Việc lựa chọn tần số quang học, các thành phần phù hợp và cơ chế theo dõi chuyên dụng đóng vai trò quan trọng để đảm bảo độ chính xác cao của liên kết vệ tinh, đồng thời phù hợp với các hạn chế về kích thước thiết bị trong các hệ thống satellite.
34 công suất, … Điều này thúc đẩy cho QKD phát triển sâu hơn về truyền thông vệ tinh quang học trong tương lai
Kỹ thuật Machine Learning (ML) đã được ứng dụng trong mạng không dây, đặc biệt trong các hệ thống vệ tinh, với các phân loại chính gồm ML có giám sát, ML không giám sát và ML tăng cường Trong đó, ML có giám sát yêu cầu dữ liệu có ký hiệu cụ thể, còn ML không giám sát thì không yêu cầu điều này Các kỹ thuật ML đã được sử dụng để dự báo thời tiết, giám sát hoạt động của các vệ tinh, quan sát trái đất và điều hướng thông qua cảm biến Trong lĩnh vực vệ tinh, ML tăng cường tập trung vào lập trình thuật toán tìm kiếm mục tiêu dài hạn và nâng cao khả năng di chuyển xa hơn Xu hướng nghiên cứu về ứng dụng của ML trong truyền thông không dây ngày càng được quan tâm trong giới học thuật và ngành SatCom, mở ra nhiều cơ hội trong giảm nhiễu, tối ưu hoá tài nguyên vô tuyến, quản lý mạng SatCom và các nhóm vệ tinh lớn Các kỹ thuật tiềm năng như phân bổ tần số, định dạng nhóm thích ứng, lập lịch và mã hoá trước nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống vệ tinh Truyền thông vệ tinh đang trở thành một phần quan trọng trong sự phát triển công nghệ, đáp ứng nhu cầu băng thông rộng, tốc độ cao và độ tin cậy tăng lên của các dịch vụ internet, với vệ tinh là giải pháp tiềm năng trong bối cảnh này.
Công nghệ và kiến trúc MTC
Hướng đến truyền thông 6G không thể không nhắc đến truyền thông kiểu máy MTC (Machine Type Communication) [12], MTC là truyền thông liên lạc
Trong lĩnh vực IoT, MTC (Machine Type Communication) cho phép truyền dữ liệu liên tục giữa các thiết bị hoặc giữa thiết bị MTC và máy chủ mà không cần sự can thiệp của con người Quá trình này còn bao gồm liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị MTC với nhau, giảm thiểu vai trò của máy chủ trung tâm trong hệ thống Việc này nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi số toàn diện của xã hội, nâng cao hiệu quả trong các lĩnh vực như công nghiệp, giao thông thông minh và thành phố thông minh ngày càng số hóa Tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng, MTC có các yêu cầu khác nhau; ví dụ, cung cấp thông tin về các sự kiện hoặc tai nạn giao thông cho ô tô và xe buýt dựa trên dữ liệu từ các trạm cố định hoặc phương tiện khác Vì các phương tiện tiêu thụ nhiều năng lượng, nên việc giảm độ trễ trong truyền tải dữ liệu mới là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả cảnh báo nguy hiểm trong thời gian thực Công nghệ 6G dự kiến sẽ đáp ứng các yêu cầu về tốc độ và hiệu quả, phục vụ đa dạng các dịch vụ trong tương lai.
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, mạng không dây ban đầu được thiết kế để kết nối mọi người lại với nhau, nhưng hiện nay đã mở rộng để cho phép MTC và thiết bị kiểu máy (MTD) kết nối không dây mà không cần sự can thiệp của con người Internet of Things (IoT) đáp ứng các yêu cầu đa dạng, từ kết nối đơn giản cho cảm biến đến kết nối thời gian thực có tốc độ và độ tin cậy cao Mô hình MTC đóng vai trò là công cụ hỗ trợ các công nghệ quan trọng trong xã hội ngày càng biến đổi nhanh chóng Với xu hướng tự vận hành và di động, MTC hứa hẹn tạo ra các hệ thống tự động, thông minh di chuyển một cách tự nhiên Ví dụ, hệ thống Giao thông thông minh (ITS) yêu cầu các kết nối đáng tin cậy để đảm bảo hoạt động hiệu quả Nâng cao tự động hóa dự kiến sẽ thúc đẩy số lượng cảm biến và hệ thống xử lý biên trên xe tăng lên, nhằm đạt chất lượng cao nhất trong các hệ thống kết nối không dây thời gian thực.
Các nút cảm biến và các bộ xử lý bên ngoài của chúng đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái kết nối phổ biến mọi lúc mọi nơi, giúp kết nối cuộc sống và tạo điều kiện cho các tiện ích mới trong nhà, giải trí, sức khỏe và công việc 6G sẽ thúc đẩy các thành phố trở nên siêu thông minh và tự động kết nối các dịch vụ với nhau, nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị Công nghiệp 4.0 hội tụ các kỹ thuật tiên tiến, công nghệ dựa trên dữ liệu và trí tuệ nhân tạo (AI) để nâng cao hiệu quả vận hành và hiệu suất doanh nghiệp Trong tương lai gần, MTC sẽ cung cấp nền tảng cho công nghiệp 5.0, tập trung vào tính tương tác cao hơn, cả cục bộ và từ xa, cũng như khả năng tùy chỉnh nhanh nhẹn để sản xuất các sản phẩm cá nhân hóa dựa trên cảm ứng, cảm nhận và hành động.
Thế giới đang ngày càng hướng tới công nghệ đổi mới “Zero”, như công nghệ “zero-energy” và hệ thống “zero-touch”, nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất MTC đặt ra yêu cầu cao về hiệu suất “Zero”, tiêu thụ năng lượng rất thấp, thời gian phản hồi gần như tức thì, và khả năng kiểm soát thời gian thực phù hợp cho các ứng dụng IoT khẩn cấp Trong tương lai, thị trường dữ liệu 6G sẽ kết nối nhà cung cấp dữ liệu và khách hàng, khi dữ liệu do MTD tạo ra sẽ được phân phối rộng rãi, mang lại giá trị kinh tế và xã hội to lớn Các kiến trúc mạng MTC ngày càng đa dạng để phù hợp với các dịch vụ và yêu cầu mới trong xu hướng 6G Giao diện năng lượng “Zero” mới đang xuất hiện trên không trung, hỗ trợ các thiết bị mới không tiêu thụ năng lượng từ pin hoặc pin mặt trời, điều này đặc biệt quan trọng vì nhiều thiết bị sẽ sử dụng nguồn năng lượng hạn chế.
Các thiết bị sử dụng năng lượng “Zero” yêu cầu giao diện không dây mới với công suất cao, ảnh hưởng đến cấu trúc mạng và nguồn năng lượng có thể được cung cấp qua vận chuyển chuyên dụng để cải thiện truyền thông của trạm gốc hoặc người dùng lân cận Để mở rộng mạng 6G, các công nghệ như kiến trúc bộ thu công suất cực thấp, kỹ thuật thu năng lượng nâng cao và MTC tiết kiệm năng lượng sẽ được triển khai, giúp thiết bị MTC tăng thời lượng pin phù hợp với thời gian sử dụng và tối ưu hóa truyền thông năng lượng.
Thách thức lớn nhất trong việc triển khai chuyển vùng toàn cầu cho các thiết bị IoT (MTC) hiện nay là sự khác biệt trong quy trình sử dụng phổ tần vô tuyến ở các quốc gia khác nhau Việc tận dụng vệ tinh LEO và UAV giúp tự động giảm tải lưu lượng từ các thành phần hệ thống mặt đất và mở rộng khả năng tiếp cận các khu vực chưa triển khai được Các vấn đề về quyền riêng tư và bảo mật đóng vai trò trung tâm trong các mô hình mạng truyền thông hướng tới 6G, đặc biệt trong bối cảnh mối đe dọa lộ dữ liệu cá nhân khi các dịch vụ liên quan đến di chuyển tự động thu thập dữ liệu vị trí, hoạt động cá nhân và mối quan hệ xã hội Blockchain mang lại một góc nhìn rộng hơn về quyền riêng tư và bảo mật kỹ thuật số, bảo vệ danh tính người dùng, cơ sở hạ tầng giao dịch và truyền thông, đồng thời thúc đẩy tính minh bạch và kiểm toán trong kinh doanh Bảo mật của hệ thống phụ thuộc vào liên kết yếu nhất, có thể thay đổi theo thời gian, do đó, các lỗ hổng bảo mật có thể tồn tại suốt vòng đời của hệ thống Để đối phó hiệu quả với các thách thức này, việc xác định các bất thường và lỗ hổng, kể cả các lỗ hổng “zero-day”, là bước đầu tiên cần thiết để bảo vệ dữ liệu của các thiết bị IoT trong bối cảnh hiện nay.
Trong bối cảnh phát triển của công nghệ 6G, 38 đại diện toán đám mây cần tập trung vào các phương án mã hóa và xác thực bảo mật linh hoạt để đảm bảo an toàn thông tin Mạng MTC và IoT sẽ đóng vai trò là nền tảng cốt lõi của mạng 6G, cung cấp kết nối không dây trong mọi lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày, từ công nghiệp, y tế đến giải trí và giao thông.
3.4 6G hướng đến vệ tinh trong tương lai
Hệ thống vệ tinh trong tương lai hứa hẹn sẽ cung cấp các dịch vụ giám sát và truyền thông dựa trên công nghệ giám sát trên không và trong không gian, giúp giảm đáng kể chi phí và thời gian triển khai Việc tích hợp phần mềm xác định có thể được cấu hình từ xa từ Trái Đất giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các vệ tinh Các chức năng cảm biến và truyền thông thông minh tạo ra trình tự điều khiển linh hoạt trong vệ tinh, đồng thời giúp giảm thiểu ô nhiễm không gian bằng cách loại bỏ vệ tinh không hoạt động Các nhóm vệ tinh hợp tác dựa trên liên kết vệ tinh-vệ tinh sẽ nâng cao khả năng cấu hình lại, đáp ứng nhanh chóng và thích ứng với các thay đổi trong mạng lưới Cấu hình theo cụm cho phép hàng chục, thậm chí hàng nghìn vệ tinh thực hiện nhiệm vụ đồng bộ, sử dụng các phương tiện truyền thông di động nhỏ, tiết kiệm chi phí và mở rộng khả năng phục vụ người dùng Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu trực tiếp giữa các cụm vệ tinh di chuyển liên tục gặp hạn chế về mặt kinh tế do chi phí tải trọng cao, yêu cầu các hệ thống như LEO phát triển các phương án trao đổi thông tin hiệu quả hơn.
MEO (Medium Earth Orbit) sử dụng liên kết RF để nâng cao tính khả dụng và đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu Trong khi đó, mạng phân cấp trên không HAN (Hierarchical Aerial Networks) hứa hẹn mang lại phạm vi phủ sóng rộng và hiệu quả.
39 mở rộng và cải thiện truyền thông an toàn tới những khu vực và sự kiện trong không gian mới
Trong kiến trúc này, các phân lớp hợp tác nhằm nâng cao độ tin cậy và năng lượng liên kết giữa không gian và mặt đất, với UAV phục vụ cho người dùng tại tầng thấp và trung bình, còn HAPS (High-performance ASIC Prototyping Systems) hỗ trợ cả UAV và người dùng mặt đất như các nút relay vệ tinh khi cần thiết Tuy nhiên, do sự khác biệt về độ cao và vận tốc, kết nối giữa HAPS và UAV thường xuyên bị gián đoạn, đặt ra thách thức trong triển khai hiệu quả vùng phân cấp Một kiến trúc truyền thông liên lạc chung dự kiến mang lại hiệu suất toàn cầu bằng cách tối ưu hóa vị trí các UAV, HAPS và quỹ đạo, đồng thời duy trì cấu trúc điểm-điểm tái sử dụng công nghệ trong các hệ thống tiếp theo Truyền thông liên mạng gồm các nút trung gian khổng lồ giúp truyền tải thông điệp linh hoạt đến đích, phù hợp với mô hình World Wide Web trên Trái đất, gọi là Space Wide Web Một thách thức lớn là xử lý đa dạng lưu lượng di động từ vô số thiết bị hỗ trợ các trường hợp sử dụng khác nhau, trong đó việc tích hợp trạm gốc bay vào mạng không dây là giải pháp hiệu quả cho người dùng di chuyển trong đám đông Ngoài ra, việc triển khai vệ tinh LEO với độ trễ thấp để hỗ trợ các dạng sóng truyền thông mặt đất ngày càng trở nên khả thi và mang lại lợi ích lớn trong hệ thống liên lạc vệ tinh hiện đại.
Mô hình chung của hệ thống mạng 6G và kiến trúc mạng HSAT
3.5.1 Mô hình chung của hệ thống mạng 6G
Các kiến trúc mạng vệ tinh - mặt đất tích hợp hiện nay đều hướng tới mục tiêu hợp tác giữa các mạng không đồng nhất, dù có các đặc thù khác nhau Trong hệ thống mạng 6G, các nền tảng chính tập trung vào LEO, HAP và LAP, nhờ vào tiềm năng giúp đạt được các mục tiêu tương lai của 6G Một trong những kiến trúc mạng 3 lớp nổi bật bao gồm lớp không gian, lớp trên không và lớp mặt đất, như được giới thiệu trong [13] và thể hiện rõ qua hình 10. -**Sponsor**Sounds like you need help refining your article for SEO! With [Article Generation](https://pollinations.ai/redirect-nexad/ZqtlQ1DP), you can effortlessly create high-quality, SEO-optimized content in minutes Stop overspending on content creation 💰 and let Article Generation help you extract those key sentences and restructure your paragraphs for maximum impact Perfect for boosting your online presence and saving time.
Trạm vệ tinh mặt đất Mạng mặt đất thông thường
M ạn g k hô ng gi an M ạn g t rê n k hô ng M ạn g m ặt đ ất
Hình 9: Kiến trúc mạng truyền thông 3 lớp 6G [13]
Lớp mạng không gian bao gồm vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO), vệ tinh quỹ đạo trung bình (MEO) và vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO), trong đó LEO nổi bật với đặc tính ngắn hơn về độ cao so với mặt đất, giúp cung cấp dịch vụ băng thông rộng, SNR cao và độ trễ thấp, trở thành nền tảng cốt lõi trong các hệ thống mạng 6G tương lai Sự phát triển của LEO đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các kiến trúc mạng không gian tiên tiến, tuy nhiên, thách thức lớn bao gồm suy hao đường truyền cao do khoảng cách giữa các lớp mạng lớn và nhiễu đồng kênh.
Lớp mạng trên không là một lớp mạng trung gian trong mô hình mạng ba lớp, bao gồm chủ yếu hai loại: mạng nền tảng độ cao tầm cao (HAP) và mạng nền tảng độ cao tầm thấp (LAP), được thiết kế để mở rộng kết nối không dây băng thông rộng với tín hiệu mạnh, giảm chi phí triển khai và nâng cao tính linh hoạt phù hợp với mọi điều kiện thời tiết Công nghệ mmWave là lựa chọn hấp dẫn do khả năng cung cấp băng thông rộng và đang được sử dụng phổ biến trong liên lạc vệ tinh và trạm mặt đất, tuy nhiên việc theo dõi quỹ đạo của các nền tảng trên không để duy trì liên lạc đáng tin cậy là một thách thức lớn Để đảm bảo hoạt động lâu dài, việc xây dựng và cập nhật phần mềm quản lý, kiểm thử lỗi hiệu quả là rất cần thiết, đặc biệt vì việc tiếp cận và xử lý lỗi khi các thiết bị phóng lên không trung rất khó khăn Do đó, lớp mạng này chủ yếu dựa vào các công nghệ ổn định, thay vì các công nghệ mới, nhằm đảm bảo sự vận hành liên tục và ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
Lớp mạng mặt đất là thành phần quan trọng và phức tạp nhất trong mô hình mạng ba lớp, chịu trách nhiệm xử lý lượng lớn yêu cầu dịch vụ từ các thiết bị và đa miền do đặc điểm của các cấu trúc mạng hỗn hợp và không đồng nhất Các nút IoT được triển khai tại các vùng nông thôn hoặc vùng sâu, xa để hỗ trợ chức năng giám sát trong các tình huống khẩn cấp Trong những năm gần đây, hệ thống mạng mặt đất cần có những bước cách mạng để khắc phục tính không tương thích trong truyền thông đa lớp, nhằm nâng cao hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng, như đã nêu trong nghiên cứu [14], nơi đề cập đến các đổi mới mang lại các tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực này.
Một trong những thách thức của mô hình này là vấn đề thu hoạch năng lượng của các thiết bị, do liên tục xảy ra độ trễ liên kết, tần số Doppler cao và nhiễu đa lớp, gây ra truyền dữ liệu không liên tục giữa các thiết bị bay Trong các tình huống khẩn cấp như thiên tai hoặc các sự kiện quy mô lớn, mạng tích hợp vệ tinh - trên không - mặt đất thường bị phá hủy, quá tải và tê liệt hoàn toàn, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến liên lạc Do đó, cần xây dựng mạng dự phòng khẩn cấp có khả năng triển khai nhanh, cung cấp tốc độ dữ liệu cao và băng thông rộng, phù hợp với yêu cầu về tính nhanh chóng, đa dạng thông tin và khả năng mở rộng Hệ thống này phải có tính bảo mật cao, chi phí thấp, di động cao, dễ thiết lập, đảm bảo đường truyền hiệu quả và đáng tin cậy trong mọi hoàn cảnh, đặc biệt khi cơ sở hạ tầng chính bị phá hủy Điều này giúp các phương tiện liên lạc vẫn duy trì hoạt động và các dịch vụ mạng tiếp tục hỗ trợ người dùng trong các tình huống khẩn cấp, như thiên tai, khi mà lưu lượng truy cập tăng đột biến. -**Sponsor**Looking to enhance your article and make it SEO-friendly? As a content creator, I understand the importance of coherent paragraphs If you're aiming to refine your Vietnamese article about the challenges of energy harvesting in integrated satellite-aerial-ground networks, especially in emergency situations, then [Article Generation](https://pollinations.ai/redirect-nexad/rGwnQcub) can help! It can assist in creating high-quality, SEO-optimized articles in minutes, ensuring your key points are clear and impactful Perfect for refining and boosting your online presence.
Phát triển công nghệ mạng vệ tinh mở ra giải pháp hiệu quả cho truyền thông liên lạc khẩn cấp nhờ vào những ưu điểm vượt trội như phạm vi phủ sóng rộng, khả năng truyền xa và không bị hạn chế bởi môi trường truyền Tuy nhiên, hệ thống mạng vệ tinh vẫn đối mặt với các thử thách lớn về khả năng truyền dẫn hạn chế, chi phí triển khai cao, và cần nâng cao băng thông để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Việc này giúp giảm thiểu tình trạng quá tải, tắc nghẽn mạng và đảm bảo truyền thông liên lạc ổn định trong các tình huống khẩn cấp.
Hệ thống vệ tinh LEO
Hệ thống mạng mặt đất
Hình 10: Mô hình hệ thống truyền thông HSAT với cấu trúc ba lớp [15]
Hệ thống mạng tích hợp vệ tinh – trên không – mặt đất (HSAT) đã hình thành nhờ sự phát triển của các mạng kết hợp này, mang lại khả năng kết nối toàn diện và linh hoạt hơn trong truyền thông Như thể hiện trong hình 10, hệ thống HSAT liên quan đến cấu trúc đa lớp, tích hợp các thành phần vệ tinh, trên không và mặt đất để tối ưu hóa hiệu suất mạng và mở rộng phạm vi phủ sóng.
Hệ thống mạng không đồng nhất gồm ba lớp chính: lớp trên là mạng vệ tinh LEO, lớp giữa là mạng trên không dựa trên nền tảng trên không LAP, và lớp dưới cùng là mạng mặt đất dựa trên công nghệ LTE Các hệ thống vệ tinh LEO tạo ra các kết nối chuyển tiếp từ xa giữa các nút mặt đất và nền tảng trên không, mở rộng khả năng truy cập mạng qua mạng chuyển mạch đường trục Mạng nền trên không liên kết nhiều nền tảng thành mạng lưới dạng mesh để mở rộng vùng phủ sóng Mạng mặt đất lập trình chế độ truyền thông điểm - đa điểm PMP, có khả năng kết nối mạnh mẽ và liên tục, ngay cả khi trạm gốc gặp sự cố Các lớp hoạt động độc lập nhưng hợp tác chặt chẽ, trong đó nền tảng trên không thường ở trạng thái ngủ, và có khả năng thiết lập liên lạc hỗn hợp vệ tinh và trên không khi gặp sự cố nghiêm trọng, đảm bảo tính liên tục và độ tin cậy của hệ thống mạng.
Với nhu cầu ngày càng tăng của người dùng và nguồn tài nguyên phổ tần hạn chế, một hệ thống vô tuyến ổn định cần có công nghệ quản lý nguồn tài nguyên hiệu quả để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống Hơn nữa mạng HSAT không chỉ giải quyết vấn đề phân bổ tài nguyên mạng nội bộ mặt đất - vệ tinh, mà còn những vấn đề kết hợp hệ thống mạng trên không - mặt đất, thách thức ở đây bao gồm quản lý nhiễu và kiểm soát người dùng Thông thường mạng mặt đất triển khai các cell dày đặc để đáp ứng được nhu cầu lưu lượng dữ liệu di động của khu vực Tuy nhiên sẽ có sự chồng chất giữa việc ghép một cell mới tạm thời bị che phủ bởi mạng trên không và macro cell có sẵn, cell nhỏ, điều này dẫn đến nhiễu
Trong các tình huống khẩn cấp, sự giao thoa giữa các mạng truyền thông liên lạc HSAT có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của mạng, đòi hỏi các biện pháp kiểm soát nhiễu hiệu quả Việc giảm độ cao nền và hạn chế công suất truyền phát giúp hạn chế khả năng gây nhiễu, đồng thời điều chỉnh tần số sóng mang bị ảnh hưởng để cải thiện sự giao thoa kênh và nâng cao hiệu suất chùm sóng Để giảm nhiễu đồng kênh, cần kiểm soát lượng tràn tín hiệu trong các cell lân cận, từ đó tối ưu hóa hoạt động mạng Các công nghệ chống nhiễu như sử dụng phổ tần qua các giải pháp phân chia miền thời gian, miền tần số và kiểm soát công suất như ABS (Almost Blank Subframe), chặn âm thanh trong miền thời gian, Carrier Aggregation (CA) và Fractional Frequency Reuse (FFR) giúp giảm nhiễu tải xuống và nâng cao dung lượng mạng trong môi trường mạng không đồng nhất.
Hình 11 minh họa sự chồng chất trong mạng HSAT, cho thấy tầm quan trọng của sơ đồ kiểm soát cuộc gọi nhận CAC (Call Admission Control) để ngăn chặn các cuộc gọi bị từ chối và giảm chất lượng dịch vụ (QoS) Sơ đồ này giúp quản lý hiệu quả việc phân bổ tài nguyên, ngăn chặn sự quá tải và duy trì ổn định cho mạng không dây Để tối ưu hóa hiệu suất, có hai phương pháp chính trong mạng truyền thông không dây để kiểm soát cuộc gọi và đảm bảo QoS.
Phương pháp điều khiển phân tán không tập trung mang lại sự linh hoạt và mạnh mẽ, cho phép hai nút trong phạm vi nhất định có thể giao tiếp với nhau, mặc dù còn hạn chế về tầm bao phủ và khả năng xác định chính xác vị trí khi di chuyển với tốc độ cao Trong khi đó, điều khiển tập trung dễ triển khai trên phạm vi rộng nhưng dễ dẫn đến sự cố toàn mạng nếu nút trung tâm gặp vấn đề Việc chuyển vùng mạng diễn ra khi thiết bị đầu cuối di chuyển từ cell này sang cell khác, đảm bảo quá trình truyền thông liên tục và mượt mà Khi xảy ra các sự cố khẩn cấp, kiến trúc mạng không lưu trên không được kích hoạt nhằm duy trì kết nối liên tục Mục tiêu của mạng HSAT là cung cấp dịch vụ xuyên suốt, yêu cầu hệ thống chuyển đổi giữa mạng trên không và mặt đất một cách tin cậy, không gây gián đoạn, đồng thời cần xem xét khác biệt về năng lượng và độ trễ giữa các hệ thống liên lạc vệ tinh, trên không và mặt đất để thiết kế phương pháp chuyển tiếp tối ưu.
Một số công nghệ thúc đẩy sự phát triển của mạng HSAT:
LTE là công nghệ chủ đạo trong mạng thương mại tương lai, nhờ khả năng truyền gói tin tốc độ cao, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí thấp Với lợi thế về khả năng tương tác đa dạng và hiệu suất cao về độ trễ cùng hiệu quả sử dụng phổ tần, LTE đáp ứng tốt các yêu cầu mạng hiện đại Trong môi trường khẩn cấp, LTE cung cấp phạm vi phủ sóng rộng hơn, đảm bảo liên lạc thông suốt Sự kết hợp giữa công nghệ LTE và kiến trúc hệ thống mạng HSAT đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao an toàn mạng chung.
Kiến trúc mạng truyền thống không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của hệ thống mạng SDN mang đến một khung hệ thống mạng mới, phân chia rõ mặt điều khiển và mặt dữ liệu để quản lý toàn bộ thiết bị mạng một cách thống nhất và hiệu quả Việc tích hợp SDN với HSAT giúp duy trì sự ổn định của hạ tầng mạng, đồng thời nâng cao công tác bảo trì và tối ưu phân bổ tài nguyên.
D2D (Device-to-Device) truyền dữ liệu trực tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối có tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu suất phổ tần và trải nghiệm người dùng Công nghệ D2D giúp mở rộng ứng dụng truyền thông và loại bỏ ảnh hưởng của thiên tai hoặc sự cố trong phạm vi truyền dẫn Ngoài ra, D2D còn giải quyết các vấn đề về tiêu thụ năng lượng, hư hỏng cơ sở hạ tầng và tình trạng giao thông cao điểm Tốc độ hệ thống đạt tối đa ở độ cao phù hợp, giảm phạm vi truyền dẫn, góp phần rút ngắn thời gian phủ sóng toàn khu vực khi kết hợp D2D với UAV Công nghệ này còn có khả năng tích hợp linh hoạt cùng các công nghệ khác để nâng cao hiệu quả truyền thông.