Các tiêu chuẩn cho mạng 5G phi mặt đất

Nancy Friedrich Nhằm giúp độc giả hiểu rõ hơn về mạng phi mặt đất/không gian (NTN), tạp chí Điện tử và Ứng dụng xin giới thiệu bài viết của Nancy Friedrich, Giám đốc Tiếp Thị tại Keysight Technologies, phân tích chi tiết các tiêu chuẩn cho mạng 5G phi mặt đất (NTN) - từ những cải tiến của 3GPP Release 17 đến những nâng cấp hiệu năng trong Release 18 và 19. Giúp hiểu rõ cơ hội kết nối qua vệ tinh, ứng dụng đa dạng cho IoT, M2M, và các dịch vụ tiên tiến như truyền hình kỹ thuật số và metaverse.

Bằng cách mở rộng khả năng truyền và nhận thông tin qua vệ tinh để liên lạc và truyền dữ liệu, NTN tạo ra các tính năng mới trong các ứng dụng kết nối máy móc với máy móc (M2M) như nông nghiệp, giao thông vận tải, giám sát môi trường và theo dõi tài sản.

Trong lĩnh vực mạng di động tế bào, việc tích hợp vệ tinh hỗ trợ kết nối các tính năng và dịch vụ trực tiếp đến thiết bị. Trong bối cảnh NTN kết nối trái đất với không gian xuyên suốt các cộng đồng dân cư, các tiêu chuẩn ngành đóng vai trò thiết lập các tiền lệ về hiệu năng và khả năng tương tác cho kết nối quốc tế. Thông qua kết hợp các nỗ lực phát triển và triển khai, các tiêu chuẩn này giúp đẩy nhanh quá trình áp dụng và tận dụng các lợi thế của NTN.

Sự ra đời của 5G NTN đã phá vỡ kiến trúc mạng mặt đất 5G truyền thống

Các mạng NTN theo tiêu chuẩn 5G thừa hưởng nhiều tính năng từ các mạng 5G mặt đất và phải đối mặt với nhiều thách thức tương tự, nhưng được kỳ vọng có độ tin cậy cao hơn so với các mạng SatCom (thông tin vệ tinh) trước đó. Các trạm gốc, thường là một mạng lưới các cột ăng ten trên mặt đất, sẽ được đưa lên bầu khí quyển và không gian. Mạng lõi 5G được gọi là mạng lõi thế hệ tiếp theo (NGC). Một mạng 5G NTN bao gồm thiết bị người dùng (UE), là các thiết bị di động như điện thoại di động hoặc cảm biến. Khi cần, UE liên lạc với các trạm gốc, mỗi trạm được gọi là gNodeB.

Sự ra đời của 5G NTN đã phá vỡ kiến trúc mạng mặt đất 5G truyền thống. Có nhiều lựa chọn thay thế cho các vệ tinh và hệ thống nền tảng tầm cao (HAPS) tham gia vào các miền gNodeB và mạng truy cập vô tuyến (RAN), một số có nhiều vệ tinh tạo thành chuỗi dài nhiều km.

Không phải tất cả các giải pháp và dịch vụ NTN đều vận hành theo tiêu chuẩn của Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) (Hình 1). Nhiều nhà cung cấp ngoài chuẩn 3GPP đã dựa vào các dạng sóng riêng, với số lượng ngày càng nhiều hơn. Ví dụ, DVB-S2X đề xuất các giải pháp khác cho việc truyền dữ liệu băng thông rộng qua NTN.

Hình 1: Các lĩnh vực ứng dụng của hệ thống vệ tinh trực tiếp NTN

Truyền hình

Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn Truyền hình kỹ thuật số (DVB) quy định phát sóng truyền hình số bằng cách sử dụng vệ tinh DVB, cáp và cơ sở hạ tầng phát thanh truyền hình mặt đất. Các thông số kỹ thuật này đã được chuẩn hóa, chủ yếu bởi Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) để áp dụng và sử dụng quốc tế:

● Cấu trúc khung tín hiệu vệ tinh tiêu chuẩn Digital Video Broadcasting-Satellite (DVB-S), mã hóa kênh và điều chế. Tiêu chuẩn này hỗ trợ cho một luồng truyền tải MPEG đơn cho tín hiệu TV chuẩn.

● DVB vệ tinh thế hệ hai (DVB-S2) được thiết kế cho truyền hình tiêu chuẩn và truyền hình độ nét cao (HDTV) và các dịch vụ tương tác bao gồm truy cập internet.

● Chuẩn Kênh DVB-Return qua vệ tinh (DVB-RCS) là tiêu chuẩn đầu tiên hỗ trợ truyền tải dữ liệu ngoài 4G và liên lạc vệ tinh tương tác hai chiều. Thế hệ thứ hai có thêm một số cải tiến, bao gồm hiệu suất băng thông.

● Chuẩn DVB vệ tinh thế hệ thứ hai mở rộng (DVB-S2X) mở rộng công nghệ thế hệ thứ hai trực tiếp đến hộ gia đình (DTH), các thiết bị đầu cuối khẩu độ siêu nhỏ (VSAT) và tác nghiệp truyền hình qua vệ tinh kỹ thuật số (DSNG)]. Chuẩn này cũng mở rộng phạm vi ứng dụng tại các thị trường mới nổi, chẳng hạn như các phương án sử dụng cho di động, tương tác và băng thông rộng.

Các tiêu chuẩn về khả năng tương tác

DIFI Consortium cung cấp một tiêu chuẩn mở, có khả năng tương tác về tần số vô tuyến / tần số trung gian kỹ thuật số (IF/RF) để kết nối trên các hệ thống mặt đất. Khác với tần số analog IF, số lượng cách thức mã hóa các bit IF kỹ thuật số thành một gói IP tiêu chuẩn gần như vô hạn.

Các tiêu chuẩn mạng di động

Một trong những lý do chính để đưa NTN vào các tiêu chuẩn của Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP) là khả năng truy cập mạng vệ tinh bằng các thiết bị theo chuẩn 5G và LTE hiện có, chưa sửa đổi. 3GPP coi LTE NTN tương đương với IoT NTN. Các chuẩn NTN IoT băng hẹp (NB-IoT) và và kết nối máy móc nâng cao (eMTC) đều là các tập hợp con của IoT NTN. 3GPP ban đầu xác định NTN cho 5G trước IoT NTN, vì chuẩn này đơn giản hơn. Theo thời gian, 4G NTN xuất hiện cùng 5G, vì đó là một phần bổ sung sau này cho chuẩn 4G 3GPP.

3GPP Release 17: Làn sóng đầu tiên

Bản Release 17 là bản phát hành đầu tiên đưa các mạng mặt đất và nền tảng NTN vào 5G hoặc mọi thông số kỹ thuật di động 3GPP trước đó. Các nền tảng NTN này bao gồm hệ thống vệ tinh quỹ đạo không đồng bộ mặt đất (NGSO) và quỹ đạo đồng bộ mặt đất (GSO, bao gồm quỹ đạo địa tĩnh, GEO). Ban đầu, 3GPP sử dụng thuật ngữ LEO và GEO, nhưng sau đó đã chọn khái quát hóa thành NGSO và GSO. Như được thể hiện trong Hình 2, đó là những phần tử mạng NTN được 3GPP xác định, nhưng các chuẩn NTN riêng, ngoài 3GPP còn bao gồm HAPS và các phương tiện bay không người lái.

Hệ sinh thái mạng phi mặt đất NTN, minh họa các hoạt động tiêu chuẩn hóa của 3GPP. (Hình ảnh được 3GPP cung cấp)

Bản Release 17 đã bổ sung hỗ trợ cho vô tuyến 5G mới (NR), IoT băng hẹp (NB-IoT) và eMTC. 5G NR NT hỗ trợ truy cập mạng vệ tinh cho các thiết bị cầm tay trong băng Dải tần 1 (FR1) cho các phương án sử dụng như truyền thoại và dữ liệu trong các khu vực không có mạng mặt đất. NB-IoT NTN hỗ trợ truy cập vào các thiết bị IoT trực tiếp từ vệ tinh, phục vụ nông nghiệp, giao thông vận tải và các ứng dụng khác.

Các bản cập nhật tiêu chuẩn mạng NTN xử lý các rào cản kỹ thuật vốn có trong giao tiếp giữa thiết bị cầm tay, thiết bị IoT và vệ tinh để hỗ trợ NTN. Những thách thức này bao gồm độ trễ đường truyền, dịch chuyển Doppler và những khó khăn trong thông tin vệ tinh.

3GPP Release 18: Nâng cao hiệu năng

Các tính năng cải tiến trong LTE NTN của Bản Release 18 tập trung vào quản lý di động, thông lượng, tiết kiệm năng lượng và cải tiến vùng phủ sóng không liên tục. Ví dụ, cải thiện tính năng di động của NTN bao gồm việc tích hợp các điều kiện kích hoạt đo lường theo thời gian và vị trí để thiết bị người dùng UE có thể bắt đầu các phép đo tế bào lân cận trước khi UE mất vùng phủ sóng do lỗi liên kết vô tuyến.

Các tính năng cải tiến của Bản Release 18 cho NR NTN bao gồm vùng phủ sóng đường lên và các cải tiến về tính di động và tính liên tục của dịch vụ NTN-TN (kết nối mạng không gian - mặt đất) và NTN-NTN (kết nối giữa các mạng NTN). Phiên bản này cho phép mạng xác minh vị trí UE theo yêu cầu pháp lý và mở rộng tần số lên trên 10 GHz.

3GPP Release 19: Tăng công suất

3GPP hiện đang phát triển Bản Release 19, dự kiến sẽ hoàn thiện vào cuối năm 2025. Thị trường thông tin vệ tinh đang tập trung vào khả năng kết nối trực tiếp đến thiết bị cầm tay. Một số đề xuất sau đang được xem xét:

Bổ sung các băng tần C vào trong băng tần Ku cho NR NTN. Các nhà cung cấp vệ tinh đang thúc đẩy bổ sung các băng tần C trong băng tần Ku cho NR NTN để tối ưu hóa phổ, mặc dù còn phải tiếp tục làm rõ một số chi tiết như kết hợp sóng mang. Bản Release 19 còn bao gồm các cải tiến bổ sung về dung lượng, chẳng hạn như cho phép ghép kênh nhiều UE trong một sóng mang con đơn nhất.

Khi các mạng NTN và các dịch vụ nhiều lên, các tiêu chuẩn sẽ tiếp tục phát triển để đảm bảo khả năng tương tác, tuân thủ và hiệu năng. Khi các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông triển khai NTN, để mở rộng cơ sở hạ tầng trên mặt đất, họ sẽ tạo điều kiện cho các dịch vụ chìm đắm như metaverse đồng thời chuyển đổi các ngành nghề, từ lĩnh vực sản xuất tới giám sát khí hậu sang ngành y tế.