Mạng đa lớp đa kết nối tích hợp các hệ thống vệ tinh, mặt đất

“

Tóm tắt nội dung:
- Đa lớp: kiến trúc hệ thống có nhiều lớp và mỗi lớp bao gồm một hoặc nhiều trạm/thiết bị liên lạc; Đa kết nối: các công nghệ cung cấp giao tiếp/kết nối mạng giữa các lớp bao gồm các trạm/thiết bị trong mỗi lớp.

- Các nền tảng có thể hình thành mạng đa lớp: các vệ tinh GSO, MEO, LEO; HAPS; Máy bay không người lái; mạng mặt đất; đài trái đất.

- Các trường hợp sử dụng kết nối trong mạng đa lớp qua hệ thống vệ tinh: truy cập Internet băng thông rộng toàn cầu qua vệ tinh; hoạt động cảnh báo sớm và cứu trợ; kết nối ôtô; di chuyển trên không (drone, UAV); khả năng di chuyển đường dài (tàu biển, máy bay, v.v..); năng lượng ngoài khơi; vận chuyển thương mại; khai thác mỏ; kết nối băng thông rộng cho các sứ mệnh không gian.

- Viễn cảnh một mạng viễn thông tích hợp tất cả các mạng vệ tinh, di động, mạng mặt đất thành một thể thống nhất kết nối mọi thiết bị, mọi vật không còn xa.

Giới thiệu

Nhu cầu về mạng đa lớp đa kết nối tích hợp các hệ thống vệ tinh với các hệ thống thông tin mặt đất khác cũng ngày càng tăng, thu hút sự chú ý của cộng đồng như một công nghệ then chốt để tích hợp các hệ thống vệ tinh vào các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo (5G/6G). Công nghệ này sẽ không chỉ bổ sung cho các khu vực đã phát triển cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc trên mặt đất, mà còn được sử dụng ở những khu vực mà các dịch vụ thông tin liên lạc chưa được cung cấp đầy đủ (tàu, máy bay, vệ tinh quan sát trái đất, v.v..).

Đa lớp có nghĩa là kiến trúc hệ thống có nhiều lớp và mỗi lớp bao gồm một hoặc nhiều trạm/thiết bị liên lạc. Đa kết nối có nghĩa là các công nghệ cung cấp giao tiếp/kết nối mạng giữa các lớp bao gồm các trạm/thiết bị trong mỗi lớp.

Hệ thống thông tin vệ tinh và thông tin di động được thiết kế và vận hành theo truyền thống như các hệ thống riêng. Tuy nhiên, từ hệ thống thông tin di động 3G đã có những nghiên cứu bước đầu tiên hướng tới sự hội tụ của các hệ thống vệ tinh và mặt đất. Với 4G, các hệ thống vệ tinh đã được sử dụng để cho phép chuyển vùng toàn cầu ở những nơi không thể lắp đặt mạng 4G hoặc ở nhưng nới chi phí lắp đặt mạng 4G quá đắt. Với 5G, tiến trình vẫn đang tiếp tục và có những hứa hẹn thực sự về việc sử dụng rộng rãi các hệ thống tích hợp đa mạng đa kết nối.

Khi các trạm gốc trên mặt đất (gNB) truyền tín hiệu đến thiết bị người dùng (UE) bằng công nghệ 5G, phạm vi liên lạc trong không trung thường bị giới hạn ở độ cao 120m. Để khắc phục hạn chế và cho phép liên lạc ở mọi nơi trên thế giới, việc nghiên cứu tích hợp hệ thống vệ tinh vào mạng thông tin liên lạc mặt đất đang được tích cực thực hiện. 3GPP (tổ chức tiêu chuẩn hóa các công nghệ mạng di động) đã tiến hành nghiên cứu và lựa chọn công nghệ mạng phi mặt đất (NTN- Non-Terrestrial Network) để tích hợp mạng vệ tinh/mặt đất làm mục tiêu nghiên cứu trong các phiên bản Rel.15 (tháng 9 năm 2018), phiên bản Rel.16 (tháng 12 năm 2019). Sau đó, tiêu chuẩn đầu tiên của NTN được thiết lập, công bố trong phiên bản Rel.17 (tháng 5 năm 2022).

Với 6G, các công nghệ NTN cũng đã được thảo luận sôi nổi để tích hợp hệ thống vệ tinh vào hệ thống thông tin mặt đất. Thông qua đó, trong kỷ nguyên 6G sẽ có thể cung cấp một dịch vụ đa kết nối, kết nối tất cả nhân loại và vật thể trên thế giới mà không bị giới hạn về thời gian và không gian.

Thực tế hiện nay những lợi ích của kết nối vệ tinh nhiều lớp đã được triển khai. Ví dụ: các nhà khai thác vệ tinh đang triển khai tích hợp vệ tinh GSO với hệ thống vệ tinh MEO (vệ tinh phi địa tĩnh quỹ đạo tầm trung) từ năm 2019 và sau đó với hệ thống vệ tinh LEO đáp ứng yêu cầu dung lượng vệ tinh cho các kết nối trên bộ, trên biển và trên không. Các nhà khai thác mạng di động cũng đang sử dụng hệ thống vệ tinh tích hợp GSO và NGSO để mở rộng vùng phủ sóng 4G và 5G, kết nối đám mây và khả năng phục hồi của mạng.

Kết nối dựa trên mạng đa lớp

Khái niệm về các hệ thống thông tin di động trên mặt đất thông thường đã được mở rộng trong không gian vật lý. 5G cũng như các hệ thống khác sẽ được kết hợp. Hình 1 cho thấy một hình ảnh ví dụ về mạng đa lớp.

Các nền tảng có thể hình thành mạng đa lớp như sau:

- Vệ tinh GSO: nền tảng này là các vệ tinh nằm trên quỹ đạo địa tĩnh có độ cao khoảng 36.000km;

- Vệ tinh MEO: nền tảng này là các vệ tinh NGSO có độ cao điển hình từ 8.000 đến 20.000km;

- Vệ tinh LEO: nền tảng này là các vệ tinh NGSO có độ cao điển hình từ 400 đến 2.000km;

- HAPS: Các đài trái đất đặt trên phương tiện trên cao nằm trong tầng bình lưu có độ cao điển hình từ 20 đến 50 km;

- Máy bay không người lái (UAV): nền tảng này thường bay ở độ cao thấp hơn gần bề mặt trái đất;

- Mạng mặt đất: nền tảng này là các mạng mặt đất như mạng di động, mạng cáp quang;

- Đài trái đất: đài vô tuyến liên lạc với vệ tinh nằm trên trái đất có thể là cố định hoặc di động trên đất liền, trên biển hoặc trên không.

Mỗi nền tảng có các đặc điểm cụ thể (độ cao, tính di động,..) được kết nối để tạo thành mạng đa lớp với các đặc điểm liên kết, phân bổ nghiệp vụ tuân theo quy định Thể lệ vô tuyến điện quốc tế (Radio Regulations - ITU). Kịch bản sử dụng thông thường sẽ khác nhau tùy thuộc vào sự kết hợp của các nền tảng. Chẳng hạn kết nối giữa mạng vệ tinh và mạng mặt đất. Loại kết nối này bao gồm liên kết giữa vệ tinh và mạng mặt đất, được phân thành hai loại tùy thuộc vào việc mạng vệ tinh được sử dụng làm backhaul hay fronthaul mặt đất:

- Mạng vệ tinh được sử dụng làm backhaul mặt đất: Trong loại kết nối này, kết nối vệ tinh được thiết lập ở giữa trạm gốc và mạng lõi của mạng mặt đất. Vì tín hiệu vô tuyến nói chung là khác nhau giữa mạng vệ tinh và mạng mặt đất, tín hiệu vô tuyến cần được chuyển đổi tại điểm kết nối của mạng vệ tinh và mạng mặt đất. Điển hình của loại liên kết này là kết nối backhaul của mạng mặt đất ở vùng sâu vùng xa và các đài trái đất đặt trên các phương tiện di động (ESIM - Earth stations in motion).

- Mạng vệ tinh được sử dụng làm fronthaul mặt đất: Trong loại kết nối này, kết nối vệ tinh được thiếp lập giữa thiết bị đầu cuối người dùng và trạm gốc của mạng mặt đất hoặc chức năng trạm gốc được trang bị trên vệ tinh. Trong cả hai trường hợp, tín hiệu vô tuyến của thiết bị đầu cuối người dùng được truyền dẫn trực tiếp qua kết nối vệ tinh. Điển hình của loại liên kết này là điện thoại di động vệ tinh.

Các trường hợp sử dụng kết nối trong mạng nhiều lớp qua hệ thống vệ tinh, có thể là:

- Truy cập Internet băng thông rộng toàn cầu qua vệ tinh;

- Hoạt động cảnh báo sớm và cứu trợ;

- Kết nối ôtô;

- Di chuyển trên không (drone, UAV);

- Khả năng di chuyển đường dài (tàu biển, máy bay, v.v..);

- Năng lượng ngoài khơi;

- Vận chuyển thương mại;

- Khai thác mỏ;

- Kết nối băng thông rộng cho các sứ mệnh không gian.

Ví dụ kết nối băng thông rộng cho các sứ mệnh không gian: Mạng thông tin không gian đa quỹ đạo nhiều lớp có thể cung cấp kết nối băng thông rộng liên tục tốc độ cao cho các nhiệm vụ không gian (được thực hiển bởi các vệ tinh nano).

Khái niệm này đã được thúc đẩy bởi sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vệ tinh nhỏ và tên lửa phóng có thể tái sử dụng cũng như số lượng ngày càng tăng của các chùm vệ tinh nano ở quỹ đạo thấp cho các ứng dụng như quan sát trái đất, viễn thám, IoT. Cụ thể, các mạng vệ tinh Starlink, OneWeb và SES O3b có thể được sử dụng để kết nối băng thông rộng trực tiếp đến/từ các vệ tinh nano, cho phép mức độ kết nối lớn hơn trong cấu trúc liên kết mạng không gian.

Trong thực tế tại khu vực châu Á đã có những thử nghiệm đối với mạng đa lớp, đa kết nối. Nhật Bản kết hợp với châu Âu thử nghiệm tích hợp các liên kết vệ tinh trong mạng 5G kết nối Nhật Bản - châu Âu. Trong thử nghiệm này, các kết nối vệ tinh GEO của khu vực Nhật Bản đã được sử dụng làm kết nối đường trục của mạng 5G truyền dẫn video 4K và dữ liệu IoT vào tháng 1 và tháng 2 năm 2022 tại Nhật Bản.

Thử nghiệm đã được xây dựng kết nối vệ tinh băng tần Ku (tần số băng tần 12GHz/14GHz), các hệ thống 5G cục bộ và JGN, mạng lưới R&D tốc độ cao để thử nghiệm phát triển công nghệ ICT.

Hàn Quốc cũng đã tiến hành phát triển mạng đa lớp, đang phát triển một nền tảng mô phỏng để ước tính và hiểu được hiệu suất mạng có thể đạt được trong một mạng đa lớp.

Nền tảng mô phỏng này bao gồm hai mô-đun, một mô-đun để mô phỏng sơ đồ chuyển giao giữa gNB (gNodeB) sử dụng NR (New Radio) và mô-đun còn lại để quản lý tính di động của các vệ tinh LEO. Mô-đun chuyển giao trong nền tảng mô phỏng hỗ trợ các chức năng chuyển giao giữa các gNB dựa trên 3GPP Rel.17 và một số phần của Rel.18 liên quan đến chuyển giao NTN.

Kết luận

Mạng đa lớp đa kết nối tích hợp các hệ thống vệ tinh, mặt đất đã và đang là được nghiên cứu tích cực. Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin vệ tinh, thông tin di động 5G/6G, viễn cảnh một mạng viễn thông tích hợp tất cả các mạng vệ tinh, di động, mạng mặt đất thành một thể thống nhất kết nối mọi thiết bị, mọi vật không còn xa./.

“

Tài liệu tham khảo:
1. Resolutions 122, 145, 165, 166, 167, 168, “Final acts of the WRC-19”, October - November 2019.

2. APT/AWG/REP-116, “APT Report on the current status and future plan on regulations and usage of HAPS in the fixed service in APT countries”, March 2022.

3. 3GPP TR 38.821 v16.1.0, “Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) (Release 16)”, May 2021.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 6 tháng 6/2023)