Ăng-ten 5G của giảng viên Bách khoa

Nâng cấp kết nối từ 4G lên 5G

Năm 2017 mạng 5G trên thế giới mới chỉ có khái niệm về mặt lý thuyết, chưa định hình các tiêu chuẩn (về băng thông, tần số, giao thức kết nối...). Lúc đó mới chỉ có một số thử nghiệm sản phẩm dạng nguyên mẫu đơn lẻ.

Mạng 5G có khả năng kết nối cao, nên xử lý tốt với việc gia tăng số lượng lớn các thiết bị với nhau. Internet vạn vật (IoT) sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của thiết bị kết nối, tất cả mọi thứ từ hệ thống an ninh, văn phòng cho đến thiết bị thu phát sóng trên xe cũng sẽ được kết nối. Theo dự báo, năm 2020 có khoảng 34 tỷ thiết bị kết nối Internet trên phạm vi toàn cầu (hơn 4 thiết bị/người có thể online). Mạng 5G có độ trễ siêu thấp, khiến cho các tương tác tiếp cận thời gian thực. Akshay Sharma, một chuyên gia tại hãng phân tích Gartner đánh giá: “5G với tốc độ cao, độ trễ thấp so với các mạng hiện tại sẽ mang đến nền tảng tốt hơn cho các kiến trúc mới mà từ trước tới nay chưa từng có”.

Nhưng đó cũng là thời điểm TS Nguyễn Khắc Kiểm và cộng sự tại Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bắt đầu nghiên cứu phát triển hệ thống ăng-ten MIMO đa búp sóng hỗ trợ người dùng kết nối mạng sau 4G.

Hệ thống này cho phép tăng tốc độ dữ liệu người dùng, giảm nhiễu của hệ thống đồng thời hỗ trợ số lượng kết nối vượt trội so với các hệ thống trước đó.

Sau ba năm nghiên cứu và chế tạo, hệ thống ăng-ten này đã được hoàn thành. Đây cũng là kết quả của sự hợp tác và hỗ trợ bởi các chuyên gia Đại học Bách khoa Turin, Cộng hòa Italy, trong khuôn khổ nhiệm vụ khoa học và công nghệ theo Nghị định thư do Bộ Khoa học và Công nghệ quản lý.

Hệ thống ăng-ten MIMO này cho phép búp sóng di chuyển theo người dùng. Nó giúp tăng tốc độ truyền dẫn và giảm nhiễu khi lượng người dùng tăng. Theo TS Kiểm: “Hệ thống hướng tới những tiêu chuẩn mới của các mạng di động sau 4G, sử dụng công nghệ massive MIMO.

Tức đa cổng vào - đa cổng ra với số lượng phần tử bức xạ rất lớn để cải thiện việc nhận tín hiệu, mở rộng khoảng cách truyền dẫn và tăng thông lượng. Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật điều khiển búp sóng (beamforming) giúp tín hiệu được điều khiển thích nghi với người dùng và truyền tải một cách đảm bảo, hạn chế tối đa nhiễu hệ thống”.

Bộ thiết bị có cấu tạo gồm phân hệ ăng-ten bức xạ, phân hệ xử lý số và tín hiệu, khối chương trình thuật toán điều khiển. Phần ăng-ten bức xạ gồm 64 phần tử thu phát tín hiệu, kích thước khoảng 25cm x 25cm, được thiết kế hoạt động ở tần số 5,8 GHz. Các phần tử bức xạ được chế tạo sử dụng công nghệ mạch in vi dải.

Phân hệ xử lý tín hiệu đảm bảo tốc độ cao và tạo sự đồng bộ cho hoạt động của cả hệ thống. Bộ phận điều khiển búp sóng sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng số trên nền tảng FPGA, kết hợp với các thuật toán được nghiên cứu và tối ưu, giúp thực thi việc định hướng búp sóng tới người sử dụng.

Sẽ hoạt động được ở các dải tần

5G xuất hiện lần đầu tiên vào tháng 4/2008 bởi công nghệ kết nối
(Machine-to-Machine Intelligence-M2Mi) Corp thuộc NASA Research Park, dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown (2). 5G là mạng thông tin di động thế hệ mới nhất, có tốc độ, dữ liệu lớn, dung lượng cao, độ trễ siêu nhỏ, tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp và có khả năng kết nối đa thiết bị. Mạng 5G có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn 10 - 100 lần so với 4G. Tương đương cáp quang, có thể xử lý được tất cả nội dung đa phương tiện và truyền thông ảo với độ phân giải siêu nét, nên có thể coi 5G là “cáp quang mà không có cáp quang”.

Trong hệ thống ăng-ten MIMO, yếu tố quan trọng nhất là việc định hướng búp sóng theo sự di chuyển của người dùng. TS Kiểm cho biết, để đạt yếu tố này, cả ba phân hệ phải thiết kế, chế tạo một cách đồng bộ.

Các thuật toán điều khiển đa búp sóng được thực hiện bắt đầu từ nghiên cứu mô hình lý thuyết. Sau đó kết hợp với kinh nghiệm và hỗ trợ của các chuyên gia từ Italy, nhóm nghiên cứu đã phát triển các bộ code và nạp vào mạch FPGA để thực hiện các chức năng theo yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

Nhờ vậy, hệ thống có khả năng tạo ra các búp sóng có độ phân giải góc quét dưới 10 độ và đặt điểm không tùy ý. Điều này giúp tín hiệu người dùng giảm thiểu sự gián đoạn phục vụ, giảm được nhiễu hệ thống. Từ đó, tăng tốc độ truyền dữ liệu người dùng, đạt tối thiểu 100 Mb/s trong các thử nghiệm ban đầu theo cả hai hướng truyền dẫn.

Thiết bị cũng đã được thử nghiệm tại phòng đo tiêu chuẩn của Đại học Bách khoa Turin về các thông số liên quan tới băng thông, tần số, tốc độ... Theo TS Kiểm, nhóm nghiên cứu đã làm việc với một số doanh nghiệp để lên kế hoạch thử nghiệm trong nước và phát triển hệ thống tương thích với lộ trình triển khai 5G của các nhà cung cấp dịch vụ.

“Sắp tới, nhóm sẽ thiết kế, điều chỉnh hệ thống để hoạt động ở các dải tần đã và sẽ được cấp phép cho hệ thống 5G tại Việt Nam như ở dải tần số 3,5 GHz. Từ đó giúp kết quả đề tài sớm đưa vào thực tiễn, có tiềm năng tạo ra các sản phẩm là các trạm thu phát ngoài trời hoặc trong nhà của mạng 5G”, ông nói.

Theo các chuyên gia, thời đại IoT cùng với sự xuất hiện của công nghệ 5G đã và đang dần ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của con người.

Các thiết bị như: Đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theo dõi sức khỏe, thiết bị cảm biến trên xe hơi, kính thông minh cho đến các cảm biến giám sát an ninh 24/7... là những thiết bị đòi hỏi tính tương tác cao thông qua Internet để kết nối được duy trì liên tục, liền mạch và truyền tải một khối lượng lớn dữ liệu.

IoT cho phép các sự vật “liên lạc” với nhau thông qua trao đổi lượng dữ liệu lớn trong thời gian thực mà không cần sự can thiệp của con người. Nhiều chuyên gia nhận định 5G sẽ trở thành nền tảng cho công nghệ trong tương lai là hoàn toàn có cơ sở.