Ăng-ten thông minh và dải tần số mới cho công nghệ di động 5G

Mạng điện thoại di động trong tương lai có thể khai thác băng thông cực lớn trên dải tần millimeter-wave.

Dân bất động sản hay nói đùa rằng chỉ có ba thứ thực sự quan trọng trong việc mua bán nhà cửa: địa điểm, địa điểm, địa điểm. Điều này cũng đúng đối với tần số sóng vô tuyến. Những tần số dùng trong thông tin di động cũng giống như những lô đất nhìn ra bãi biển—rất nhiều người thèm muốn và cực kỳ hiếm. Và cũng như những người đang đấu giá để mua một căn nhà trên bãi biển, các công ty viễn thông phải liên tục chạy đua để mua những tần số này với giá đôi khi lên đến hàng chục tỷ đô-la trong khi chúng chỉ là một mảnh nhỏ của dải tần số điện từ.

Đó là vì ngành công nghiệp di động, trải qua bốn thập kỷ tồn tại, đã phụ thuộc hoàn toàn vào một dải tần số được biết đến dưới tên gọi “sóng siêu cao tần” (ultrahigh frequency band) vốn có băng thông chỉ vào khoảng 1% của toàn bộ dải tần được phép sử dụng. Các kỹ sư vô tuyến đã xem dải tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 3 GHz này là “thiên đường” cho công nghệ mạng di động. Bước sóng ở dải tần này đủ ngắn để có thể dùng những ăng-ten nhỏ nằm gọn trong các thiết bị cầm tay nhưng cũng đủ dài để có thể đi vòng qua hoặc đi xuyên qua những vật cản như nhà cửa và cây cối. Ngay cả khi được phát ở công suất thấp, những tín hiệu này có thể truyền đi một cách đáng tin cậy trên những khoảng cách xa hàng cây số trong hầu như bất cứ môi trường nào, bất kể là trong trung tâm của Tokyo hay trên những cánh đồng ở bang Iowa.

Vấn đề là ở chỗ cho dù các công ty viễn thông có sẵn lòng chi trả đến bao nhiêu đi chăng nữa cho dải tần số này, họ vẫn không khi nào có đủ băng thông để dùng. Việc sử dụng điện thoại thông minh và máy tính bảng đang gia tăng nhanh chóng, còn người sử dụng thì duyệt web, xem phim, và chia sẻ ảnh trong khi di chuyển đã dẫn đến lượng dữ liệu được truyền tải qua sóng vô tuyến trở nên nhiều hơn bao giờ hết. Lưu lượng thông tin di động trên toàn thế giới tăng gấp đôi sau mỗi năm, theo các báo cáo từ Cisco và Ericsson, và việc gia tăng theo cấp số nhân đó sẽ còn tiếp diễn trong tương lai. Đến năm 2020, một người sử dụng thiết bị di động thông thường có thể tải xuống khoảng 1 TB dữ liệu mỗi năm—tương đương với khoảng hơn 1000 bộ phim dài.

Các nhóm xây dựng tiêu chuẩn truyền thông không dây đã làm đủ kiểu để tăng dung lượng cho các mạng di động thế hệ thứ tư (4G) theo chuẩn LTE ngày nay, bao gồm cả những cách như sử dụng nhiều ăng-ten, chia nhỏ các ô thu phát sóng (cell), và phối hợp các thiết bị một cách thông minh hơn. Nhưng những giải pháp này sẽ chẳng thể giải quyết được sự gia tăng lưu lượng dữ liệu sau bốn đến sáu năm nữa. Các chuyên gia trong lĩnh vực này đồng ý rằng công nghệ di động thế hệ thứ năm (5G) sẽ phải có mặt vào cuối thập kỷ này. Và để triển khai những mạng di động mới này, các công ty viễn thông chắc chắn sẽ cần đến những dải tần mới. Nhưng tìm ở đâu bây giờ?

Rất may là có một dải tần cực rộng với tần số trên 3 GHz mà trước giờ không được chú ý. Chúng ta đang nói đến những tần số có bước sóng trong khoảng mili-mét và thường được gọi là millimeter-wave.

Theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), dải tần số millimeter-wave, còn được gọi là dải tần số cực cao, là dải tần số từ 30 đến 300 GHz. Tuy nhiên, khi chúng tôi dùng thuật ngữ này, chúng tôi cũng bao gồm luôn cả phần lớn các tần số nằm trong dải tần số siêu cao, trong khoảng từ 10 đến 30 GHz, bởi vì tín hiệu ở tần số này cũng lan truyền với đặc tính tương tự như tín hiệu millimeter wave. Chúng tôi dự đoán rằng các nhà chức trách có thể sẽ dành đến 100 GHz băng thông trong dải tần này cho thông tin di động—nghĩa là hơn 100 lần so với lượng băng thông mà các mạng di động có được ngày hôm nay. Bằng cách khai thác dải tần mới này, các công ty viễn thông có thể cung cấp cho người tiêu dùng một dung lượng dữ liệu lớn gấp hàng trăm lần so với 4G LTE và cho phép tải dữ liệu xuống với tốc độ hàng chục Gb/s với một mức giá khá thấp.

Nếu bạn nghĩ rằng điều đó thật khó tin thì bạn cũng giống như rất nhiều người khác. Thực sự là cho đến gần đây, hầu hết các chuyên gia trong lĩnh vực không dây cũng đã nhận định như vậy. Về mặt lịch sử, các công ty viễn thông đã không sử dụng dải tần millimeter-wave bởi vì các thiết bị thu phát sóng quá tốn kém và họ cho rằng ở các tần số đó việc truyền tín hiệu giữa các trạm thu phát và thiết bị di động truyền thống sẽ không được tốt. Họ cũng lo ngại rằng tín hiệu millimeter-wave sẽ bị hấp thụ và phân tán do không khí, mưa, và cây cối và không đi xuyên vào bên trong nhà được.

Nhưng những lo ngại đó hiện đang nhanh chóng biến mất. Những kết quả nghiên cứu gần đây đang dần thuyết phục ngành thông tin di động xem xét lại dải tần rộng lớn và chưa được sử dụng này.

Mặc dù công nghệ millimeter-wave mới đi vào lĩnh vực thông tin di động, nó có một lịch sử dài và thú vị. Năm 1895, một năm trước khi nhà tiên phong người Ý trong lĩnh vực truyền tin Guglielmo Marconi gây sửng sốt cho công chúng với việc truyền điện tín không dây, một học giả Ấn Độ tên là Jagadish Chandra Bose đã trình diễn các thiết bị truyền tín hiệu millimeter-wave đầu tiên trên thế giới ở toà thị chính Kolkata. Sử dụng một máy phát tia lửa điện (spark-gap transmitter), ông đã truyền một tín hiệu có tần số 60-GHz xuyên qua ba bức tường và cơ thể của vị tỉnh trưởng đến một ăng-ten hình loa (horn antenna) và một bộ dò tín hiệu nằm cách đó 23 mét. Để chứng minh cho sự truyền đi, tín hiệu đã kích hoạt một cỗ máy đơn giản có nhiệm vụ rung một cái chuông, khai hoả một khẩu súng, và làm nổ một quả mìn nhỏ.

Tuy nhiên, phải mất đến hơn một nửa thế kỷ, những sáng chế của Bose mới ra khỏi phòng thí nghiệm. Các quân nhân và những nhà thiên văn học là những người đầu tiên dùng các thiết bị millimeter-wave này trong radar và kính viễn vọng vô tuyến. Vài thập kỷ sau đó các hãng ô-tô tiếp nối bằng cách sử dụng các tần số millimeter-wave trong điều khiển hành trình (cruise control) và các hệ thống cảnh báo va chạm.

Cộng đồng viễn thông bắt đầu chú ý đến dải tần số này trong giai đoạn bùng nổ dot-com vào cuối những năm 1990. Các công ty khởi nghiệp lắm tiền cho rằng băng thông rộng lớn chưa được sử dụng trong dải tần millimeter-wave có thể là miền đất lý tưởng cho các mạng băng thông rộng cục bộ, và để cung cấp kết nối Internet cho những nơi mà việc lắp đặt dây cáp trở nên quá khó khăn hay tốn kém. Các nhà chức trách khắp thế giới, từ Châu Âu, Hàn Quốc, đến Canada và Mĩ, đã giành ra hay cho đấu giá những dải tần cực lớn trong phổ tần số millimeter-wave cho những mục đích này.

Thế nhưng các sản phẩm dành cho người tiêu dùng vẫn không sớm ra đời. Các công ty nhanh chóng nhận ra rằng các mạch điện RF và các hệ thống ăng-ten ở tần số millimeter-wave là khá tốn kém. Ngành công nghiệp bán dẫn không có khả năng về mặt kỹ thuật cũng như không có đủ nhu cầu từ thị trường để tạo ra các linh kiện điện tử, loại dành cho người tiêu dùng phổ thông, đủ nhanh để hoạt động ở tần số millimeter-wave. Do đó trong gần hai thập kỷ, dải tần khổng lồ này vẫn chưa được sử dụng.

Tuy nhiên, cục diện đang thay đổi. Một phần nhờ vào Luật Moore và sự ngày càng phổ biến của các thiết bị đỗ xe tự động cũng như các thiết bị radar khác trên xe hơi, giờ đây người ta có thể gói ghém toàn bộ một hệ thống vô tuyến millimeter-wave trên chỉ một con chíp CMOS hay silicon-germanium. Vậy là các sản phẩm millimeter-wave cuối dùng đã ra mắt thị trường. Nhiều điện thoại thông minh cao cấp, ti-vi, máy tính xách tay dành cho dân chơi game, chẳng hạn, giờ đây đã tích hợp các chíp không dây hoạt động trên hai chuẩn millimeter-wave cạnh tranh nhau là Wireless High Definition (WirelessHD) và Wireless Gigabit (WiGig)

Những công nghệ này không được thiết kế cho việc truyền tin giữa một điện thoại thông minh và một trạm thu phát sóng. Thay vào đó, chúng được dùng để chuyển một lượng lớn dữ liệu, ví dụ như phim không nén, qua những khoảng cách ngắn mà không cần đến cáp mạng hay cáp HDMI rườm rà. Cả hai hệ thống WirelessHD và WiGig hoạt động ở tần số 60 GHz trên một dải tần rộng khoảng từ 5 đến 7 GHz—xê dịch một vài GHz tuỳ theo từng nước. Băng thông đó lớn gấp nhiều lần lượng băng thông mà các mạng Wi-Fi nhanh nhất sử dụng do đó tốc độ truyền dữ liệu lên đến khoảng 7 Gb/s.

Những nhà sản xuất thiết bị cho mạng di động cũng đang bắt đầu khai thác các dải tần cực rộng trên tần số millimeter-wave. Nhiều nhà cung cấp, bao gồm Ericsson, Huawei, Nokia, và công ty khởi nghiệp BridgeWave, ở Santa Clara, California, hiện đang sử dụng sóng millimeter-wave để tạo các kết nối thẳng (line-of-sight) tốc độ cao giữa các trạm thu phát và mạng lõi (backbone) để khỏi phải dùng đến các kết nối cáp quang đắt tiền.

Mặc dù vậy, ngay cả khi millimeter-wave đã đem đến những ứng dụng không dây mới trong nhà cũng như dịch vụ không dây cố định, nhiều chuyên gia vẫn còn nghi ngờ khả năng dải tần này có thể hỗ trợ các kết nối di động, chẳng hạn như kết nối đến một máy tính bảng trong một chiếc taxi đang chạy qua Times Square. Một mối quan ngại chính là việc các mạng di động trên tần số millimeter-wave sẽ không thể phủ sóng mọi nơi, đặc biệt là đối với các môi trường ngoài trời đông đúc như các thành phố, do ta không thể đảm bảo rằng luôn có một kết nối thẳng (line-of-sight) giữa trạm thu phát và thiết bị di động. Nếu, chẳng hạn, một người sử dụng điện thoại thông minh bất chợt đi qua bên dưới một tàn cây hay một cổng vào có mái che, tín hiệu millimeter-wave rất có thể sẽ không đi xuyên qua những vật này được.

Trong vùng phủ sóng: Một mảng gồm 64 ăng-ten tí hon, mỗi cái có kích thước cỡ viên thuốc aspirin, là bộ phận chủ chốt của bộ thu phát millimeter-wave được dùng trong các phiên bản thử nghiệm công nghệ không dây 5G của Samsung. Tín hiệu từ các ăng-ten được định hướng nhờ các bộ dịch pha (phase shifter) để tạo thành một tia (beam) dữ liệu. Dữ liệu dạng analog được chuyển thành dạng digital để có được khả năng điều khiển một cách chính xác từng phần của mảng ăng-ten và cho phép sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing)—còn được biết dưới tên gọi MIMO (Muiltiple Input Multiple Output)—để phân chia các tia dữ liệu. Điều này đem đến cho các công ty viễn thông khả năng gửi thông tin đồng thời đến nhiều thiết bị hoặc hướng nhiều tia đến một thiết bị để tăng tốc độ tải dữ liệu. (Minh hoạ: relajaelcoco)

Nhưng liệu tín hiệu có thực sự bị chặn lại trong những trường hợp như vậy hay không thì lại là một chuyện khác. Và, như những gì chúng tôi thấy, đó là một chuyện khá thú vị.

Tháng 8 năm 2011, một trong những tác giả của bài báo này, Rappaport—lúc đó đang làm việc ở Đại Học Texas ở Austin (University of Texas at Austin)—bắt đầu làm việc với các sinh viên trong một nghiên cứu sâu rộng về đặc tính của sóng millimeter-wave trong khu vực thành thị đông đúc. Chúng tôi xây dựng một hệ thống truyền tín hiệu băng rộng được gọi là hệ thống đo kênh (channel sounder), cho phép chúng tôi phân tích sự phân tán và phản xạ của một tín hiệu millimeter-wave trên các vật thể nằm trên đường truyền của nó—cũng như sự suy hao năng lượng của các tín hiệu này. Sau đó chúng tôi đặt bốn bộ phát sóng trên sân thượng của trường đại học và đặt nhiều bộ thu sóng rải rác trong khuôn viên trường.

Các kỹ sư của Samsung đang nghiên cứu để đưa những mảng ăng-ten dạng patch ở tần số 28 GHz lên các điện thoại như Galaxy Note II. (Hình: Samsung)

Loại ăng-ten mà chúng tôi dùng trong các thí nghiệm này là ăng-ten hình loa (horn antenna), một dạng cải tiến của loại ăng-ten mà Bose dùng cách đây hơn 100 năm. Giống như một cái loa, nó tập trung năng lượng điện từ vào một hướng, do đó làm tăng độ lợi mà không cần phải tăng công suất thu hay phát. Bằng cách gắn các ăng-ten lên các thiết bị điều khiển tự động có thể xoay được, chúng tôi có thể  phát các tia này theo bất kỳ hướng nào.

Khả năng định hướng này sẽ là một thành phần chủ chốt trong các hệ thống di động sử dụng millimeter-wave trong tương lai, cho cả trạm thu phát lẫn các thiết bị di động. Trong thực tế, các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng sẽ cần có các mảng ăng-ten có khả năng định hướng nhưng với kích thước nhỏ hơn nhiều và tinh vi hơn nhiều so với hệ thống mà chúng tôi sử dụng trong những thử nghiệm của mình. Điều này sẽ được trình bày thêm về sau.

Tổng cộng, chúng tôi đã lấy mẫu hơn 700 vị trí thu-phát khác nhau sử dụng các tần số ở khoảng 38 GHz. Dải tần này là một lựa chọn tốt cho các hệ thống di động do nó đã được hoạch định cho ứng dụng thương mại ở nhiều nơi trên thế giới nhưng cho đến nay vẫn rất ít được sử dụng.

Việc chúng tôi phát hiện ra rằng dải tần millimeter-wave có thể cung cấp độ phủ sóng tốt đã đem lại sự ngạc nhiên lớn cho các đồng nghiệp trong lĩnh vực di động. Chẳng hạn như các đo đạc của chúng tôi cho thấy một thiết bị di động không nhất thiết phải có một đường truyền thẳng (line-of-sight) để kết nối với một trạm thu phát. Tính phản xạ cao của tín hiệu ở tần số này hoá ra lại là một điểm mạnh thay vì là một điểm yếu. Khi bị phản xạ trên các vật liệu đặc như nhà cửa, bảng hiệu, và con người, các tín hiệu lan toả ra khắp không gian, làm tăng cơ hội nhận được tín hiệu cho các máy thu—miễn là bộ thu và bộ phát được hướng theo các hướng thích hợp.

Tất nhiên, cũng như bất kỳ một hệ thống không dây nào khác, khả năng mất kết nối tăng lên khi bộ thu di chuyển ra xa khỏi bộ phát. Chúng tôi đã nhận thấy rằng đối với các tín hiệu millimeter-wave được phát ở công suất thấp, khả năng mất tín hiệu bắt đầu từ khoảng 200 mét. Khoảng cách ngắn này có thể là một vấn đề cho các thế hệ thông tin di động đời đầu với bán kính một ô thu phát sóng thông thường lên đến vài kilomet. Nhưng trong khoảng một thập kỷ vừa qua, các công ty viễn thông đã thu nhỏ các ô thu phát sóng một cách đáng kể để tăng dung lượng. Trong các trung tâm đô thị cực kỳ đông đúc như Seoul, Hàn Quốc, họ đã bắt đầu triển khai các ô thu phát nhỏ—các trạm thu phát cỡ nhỏ có thể lắp đặt được ở các trụ đèn hay các trạm xe buýt—với tầm bao phủ không quá 100 mét.

Và còn có một lý do khác làm cho các ô thu phát nhỏ có thể là hình thức lý tưởng cho thông tin liên lạc trên tần số millimeter-wave. Hầu như ai cũng biết rằng mưa và không khí có thể làm suy hao tín hiệu millimeter-wave truyền qua các khoảng cách xa, làm cho năng lượng của chúng bị giảm đi nhanh hơn so với các tín hiệu có bước sóng dài hơn như tín hiệu trên tần số siêu cao tần đang được sử dụng ngày nay. Nhưng các nghiên cứu trước đó đã cho thấy trên các khoảng cách ngắn cỡ vài trăm mét, những tác nhân tự nhiên này không tác động mạnh đến hầu hết các tần số millimeter-wave, mặc dù cũng có vài trường hợp ngoại lệ.

Để củng cố các dữ liệu đo đạc, chúng tôi đưa hệ thống đo kênh của mình đến New York, một trong những môi trường phức tạp nhất trên thế giới đối với sóng vô tuyến. Và ở đó, trong những năm 2012 và 2013, chúng tôi đã nghiên cứu sự truyền sóng ở tần số 28 và 73 GHz, hai dải tần có thể thương mại hoá, và thu được những kết quả gần như tương đồng với những gì chúng tôi nhận thấy ở Austin. Ngay cả trên những con phố đông đúc của khu Manhattan, bộ thu của chúng tôi vẫn có thể kết nối với một bộ phát nằm cách xa 200 mét trong khoảng 85% thời gian. Bằng cách kết hợp năng lượng từ nhiều đường tín hiệu, các ăng-ten tinh vi hơn có thể mở rộng phạm vi phủ sóng lên đến hơn 300 mét.

Một dải tần số mới: Các mạng di động 5G trong tương lai có thể khai thác dải băng thông rộng lớn nhờ các thiết bị millimeter-wave. Dưới đây là so sánh giữa công nghệ mới này với các hệ thống di động hiện tại.

Chúng tôi cũng thí nghiệm về khả năng các tần số này có thể truyền xuyên qua các vật liệu xây dựng thông dụng và nhận thấy rằng mặc dù chúng có thể truyền qua các bức tường khô ráo và các tấm kính trong suốt mà không mất nhiều năng lượng, chúng hầu như bị chặn lại bởi gạch, bê-tông, và các tấm kính được xử lý chống nắng (tinted glass). Do vậy mặc dù người dùng có thể phần nào nhận được tín hiệu từ phòng này qua phòng khác hay thông qua qua các ô cửa kính trong suốt, các công ty viễn thông sẽ phải lắp các bộ lặp tín hiệu hoặc các điểm truy cập để đưa tín hiệu vào trong nhà.

Được khuyến khích bởi các kết qua đo đạc về sóng millimeter-wave trước đó ở Austin, hai thành viên còn lại trong nhóm của chúng tôi (Roh và Cheun) cùng với các cộng sự ở Samsung Electronics, Suwon, Hàn Quốc, bắt đầu xây dựng một hệ thống thông tin thử nghiệm cho một mạng di động thương mại. Thay vì sử dụng các ăng-ten hình loa cồng kềnh với động cơ để xoay, chúng tôi sử dụng các mảng các miếng kim loại hình chữ nhật được biết dưới cái tên ăng-ten dạng patch (patch antenna). Các ăng-ten này có lợi thế lớn về mặt kích thước. Theo một quy tắc thực tiễn thì kích thước của ăng-ten phải bằng ít nhất một nửa bước sóng tín hiệu. Do chúng tôi thiết kế hệ thống thử nghiệm ở tần số 28 GHz (bước sóng khoảng 1 cm), mỗi ăng-ten có thể rất nhỏ—chỉ khoảng 5 mm, không bằng đường kính của một viên thuốc aspirin.

Một ăng-ten dạng patch đơn lẻ ở tần số 28 GHz sẽ không có nhiều tác dụng đối với việc truyền sóng di động do độ lợi của nó bị giảm đi khi kích thước của nó bị thu nhỏ. Nhưng bằng cách sắp xếp hàng chục các ăng-ten tí hon này với nhau thành một mảng, chúng tôi có thể khuyếch đại năng lượng tổng cộng của chúng lên mà không cần phải tăng công suất phát. Những mảng ăng-ten như vậy đã được dùng từ lâu trong thông tin radar và vũ trụ, và nhiều công ty sản xuất bán dẫn, bao gồm Intel, Qualcomm, và Samsung, hiện đang tích hợp chúng trong các chip WiGig. Giống như một ăng-ten hình loa hay một đĩa ăng-ten vệ tinh, một mảng ăng-ten tăng cường độ lợi bằng cách tập trung sóng vô tuyến vào một hướng. Nhưng do các mảng ăng-ten tạo ra hướng truyền này theo phương thức điện tử, nó có thể nhanh chóng thay đổi hướng truyền để nhanh chóng tìm và duy trì một kết nối di động.

Một mảng ăng-ten có khả năng liên tục hướng theo một mục tiêu di động được gọi là một mảng ăng-ten thích nghi (adaptive antenna array), hay mảng ăng-ten thông minh (smart antenna array). Nó hoạt động như sau: khi các ăng-ten thành phần trong mảng phát tín hiệu (hay thu tín hiệu), sóng điện từ của chúng sẽ kết hợp với nhau để tăng độ lợi trên một hướng và triệt tiêu lẫn nhau trên các hướng khác. Mảng càng lớn thì tia truyền (beam) càng hẹp. Để định hướng tia truyền này, mảng ăng-ten thay đổi biên độ hay pha (hay cả hai) của tín hiệu ở mỗi ăng-ten. Trong một mạng di động, một bộ phát và một bộ thu sẽ kết nối với nhau bằng cách quét các tia truyền của mình thật nhanh, kiểu như quét đèn rọi, cho đến khi chúng tìm được hướng với tín hiệu mạnh nhất. Sau đó chúng sẽ duy trì kết nối bằng cách tính toán các đặc tính của tín hiệu, chẳng hạn như góc tới, và điều chỉnh lại hướng thu phát một cách tương ứng.

Khi thử nghiệm những bộ thu phát millimeter-wave trong thành phố New York đông đúc các sinh viên đã tìm ra rằng sóng ở tần số cao, khoảng 28 GHz và 73 GHz, có thể có ích cho việc truyền và nhận dữ liệu hơn là người ta vẫn tưởng. Hình: Marian Goldman/NYU

Kiểu tạo tia truyền và định hướng này có thể được thực hiện theo một vài cách khác nhau. Nó có thể được thực hiện trên các tầng analog với các bộ dịch pha hay bộ khuyếch đại bằng mạch điện tử, ngay trước khi tín hiệu được phát đi (hay ngay sau khi tín hiệu được thu về). Hoặc nó có thể được thực hiện trên các mạch digital, trước khi tín hiệu được chuyển sang dạng analog (hay sau khi tín hiệu được số hoá). Cả hai cách đều có những ưu và nhược điểm. Kiểu định hướng bằng digital có độ chính xác cao thì cũng phức tạp hơn—và do đó có giá thành cao hơn—bởi nó cần có các thành phần tính toán riêng và các bộ chuyển đổi digital sang analog (hay analog sang digital), vốn tiêu tốn nhiều năng lượng, cho mỗi ăng-ten. Kiểu định hướng dùng kỹ thuật analog thì, trái lại, đơn giản hơn và rẻ hơn, nhưng do nó sử dụng các phần cứng cố định, nó ít linh hoạt hơn.

Để khai thác những điểm mạnh của cả hai kỹ thuật, chúng tôi thiết kế một kiến trúc lai. Chúng tôi sử dụng các bộ dịch pha trên phần analog để hình thành các tia truyền hẹp để giúp tăng tầm liên lạc của các ăng-ten. Rồi chúng tôi sử dụng kỹ thuật xử lý số để điều khiển một cách độc lập các phần khác nhau của mảng ăng-ten. Các ngõ vào digital cho phép chúng tôi thực hiện nhiều kỹ thuật phức tạp, như hướng các tia truyền khác nhau vào nhiều thiết bị di động cùng một lúc, nhờ đó tăng tốc độ download. Những kỹ thuật ghép kênh theo không gian như vậy còn được biết đến dưới tên gọi MIMO (multiple input, multiple output).

Ví dụ như trong hệ thống thử nghiệm 28 GHz của chúng tôi, được Samsung giới thiệu vào tháng 5/2013, chúng tôi trang bị cho bộ phát và bộ thu một mảng gồm 64 ăng-ten có kích thước cỡ như một tờ giấy ghi chú Post-it. Tuy nhiên, chúng tôi dùng kỹ thuật digital để chia mảng này thành hai kênh MIMO với 32 ăng-ten trên mỗi kênh. Mỗi kênh sử dụng một băng thông 500 MHz và có khả năng tạo ra một tia truyền rộng 10 độ. Khi thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng tôi sử dụng hai tia truyền độc lập này để phát dữ liệu với tốc độ hơn 500 Mb/s với tỷ lệ lỗi gần như bằng không đến đồng thời hai thiết bị di động. Trong một thí nghiệm khác, chúng tôi sử dụng cả hai kênh để kết nối với chỉ một thiết bị di động và đạt được tốc độ hơn 1 Gb/s. Trong khi đó tốc độ dữ liệu trung bình của một kết nối 4G LTE ở New York vào khoảng 10 Mb/s và theo lý thuyết thì có thể lên đến 50 Mb/s.

Khi chúng tôi đem mẫu thử nghiệm của mình đến Suwon, một thành phố gần Seoul, chúng tôi đã cho thấy rằng nó có thể đạt được tốc độ dữ liệu tương tự ngay cả khi chúng tôi di chuyển các thiết bị di động theo các hướng ngẫu nhiên với tốc độ lên đến 8 km/giờ—tương đương với tốc độ của một người chạy thể dục nhanh. Chúng tôi cũng kiểm tra tầm hoạt động của hệ thống với công suất phát tương tự như công suất phát của các mạng 4G LTE hiện thời. Ngay cả trong điều kiện không có đường truyền thẳng (non-line-of-sight), chúng tôi nhận thấy rằng một bộ thu di động có thể kết nối một cách ổn định với một bộ phát cách xa đến 300 mét, tương tự như kết quả đo đạc ở Austin và New York. Khi các thiết bị di động có một đường truyền thẳng, khoảng cách liên lạc được tăng lên đến gần 2km. Chúng tôi tin rằng khoảng cách kết nối xa hơn cũng có thể thực hiện được, tuy nhiên giấy phép của chúng tôi không cho phép thực hiện thí nghiệm để kiểm chứng điều đó.

Cũng nên nhớ rằng bản thử nghiệm này chỉ là một hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi của công nghệ. Khi sử dụng những băng thông rộng hơn, tia truyền hẹp hơn, hay nhiều kênh MIMO hơn, các mạng trong thực tế có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn và tầm phủ sóng rộng hơn. Chẳng hạn như các mô phỏng trên máy tính về các mạng giả tưởng sử dụng các ô thu phát nhỏ trên mô hình ba chiều của các thành phố cho thấy các công ty viễn thông có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến nhiều Gb/s.

Ô phát sóng cực nhỏ: Khi các ô phát sóng nhỏ, tầm ngắn với khả năng phủ sóng chỉ vài trăm mét trở nên phổ biến hơn trong các khu vực thành thị, chúng có thể giúp ích cho việc liên lạc bằng sóng millimeter-wave, giống như những hệ thống được thử nghiệm bởi các sinh viên trường Đại Học New York (New York University) trong hình, trở nên khả thi hơn.

Tuy vậy, sẽ khá khó khăn để tìm đủ khoảng trống trong các thiết bị di động và trạm thu phát cho những mảng ăng-ten phức tạp này. Tại Samsung, chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu việc sắp xếp các ăng-ten dạng patch ở tần số 28 GHz vào bên trong Galaxy Note II. Cho đến lúc này chúng tôi nhận thấy rằng có thể đưa được đến 32 ăng-ten vào các cạnh trên và dưới của điện thoại mà vẫn đảm bảo độ bao phủ 360 độ. Chúng tôi hy vọng rằng các trạm thu phát millimeter-wave trong tương lai có thể chứa đến 100 ăng-ten hay nhiều hơn.

Những thí nghiệm phần cứng và các đo đạc ở Austin và New York đã thuyết phục chúng tôi rằng liên lạc di động dùng sóng millimeter-wave không chỉ có tính khả thi mà còn mang tính cách mạng. Tuy nhiên, công việc của cả hai nhóm chúng tôi chỉ mới là bước khởi đầu. Việc xây dựng các mạng millimeter-wave hoàn chỉnh cần đến các mô hình thống kê chi tiết của các kênh truyền millimeter-wave, các giải thuật tạo tia truyền hợp lý, các tiêu chuẩn thông tin vô tuyến tiết kiệm năng lượng, và phải giải quyết nhiều vấn đề thiết kế khó khăn khác. Các cơ quan điều hành chính phủ cũng sẽ phải tham gia để đưa dải tần millimeter-wave vào sử dụng trong các dịch vụ di động.

Trong khi các nhóm công nghiệp trên thế giới bắt đầu xem xét các tiêu chuẩn cho công nghệ 5G, bao gồm cả các mô hình để kiểm soát can nhiễu tốt hơn và các kiến trúc sử dụng ô phát sóng nhỏ, họ đang nhận ra rằng các hệ thống millimeter-wave sẽ là một thành phần quan trọng của giải pháp hỗn hợp này. Đến năm 2020, khi những hệ thống 5G thương mại đầu tiên rất có thể sẽ bắt đầu được triển khai, các dải tần millimeter-wave sẽ không còn là những lô đất xa xôi hẻo lánh trên thị trường bất động sản vô tuyến nữa. Chúng sẽ là những địa điểm sang trọng bậc nhất.

Tác giả: Theodore S. Rappaport là người sáng lập và điều hành trung tâm nghiên cứu công nghệ không dây ở Đại Học New York. Cùng với các đồng tác giả Wonil Roh và Kyungwhoon Cheun, hai phó chủ tịch tại Samsung Electronics, ông đang hỗ trợ để hiện thực hoá các mạng 5G trong tương lai. “Kể từ khi tôi nhận được bằng Ph.D. vào năm 1987, khi mà ngành công nghiệp di động vừa mới khởi động, tôi chưa bao giờ thấy phấn khích về công nghệ này như bây giờ,” Rappaport nói.

• Nguyên bản tiếng Anh: “Smart Antennas Could Open Up New Spectrum For 5G,” Theodore S. Rappaport, Wonil Roh & Kyungwhoon Cheun, IEEE Spectrum Magazine, 28 Aug 2014.
• Người dịch: Tạ Minh Chiến
• Biên tập: Phạm Duy Đông