Công nghệ truy cập hội tụ quang và không dây hướng tới 6G

Chuyển động ICT - Ngày đăng : 21:35, 20/11/2023

Thế hệ thứ sáu (6G) đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện và rộng hơn nhiều như cung cấp các dịch vụ cho người dùng ở mọi nơi và liền mạch, cung cấp các dịch vụ và ứng dụng thông minh nhận biết ngữ cảnh cho cả người dùng con người và người dùng không phải con người.

Chuyển động ICT

Công nghệ truy cập hội tụ quang và không dây hướng tới 6G

ThS. Đàm Mỹ Hạnh - Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội • 20/11/2023 21:35

“
Tóm tắt:
- Mạng 6G phải hỗ trợ nhiều kịch bản, ứng dụng và dịch vụ nên tương lai sẽ cần một mạng truy nhập gồm đa
công nghệ vô tuyến.
- Xu hướng hội tụ quang và không dây:
+ FiWi - Hệ thống cáp quang/không dây.
+ Fronthaul dựa trên sợi quang được hỗ trợ bởi Học máy - ML.
+ FSO - Truyền dẫn quang trong không gian tự do.
+ VLC - Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy.
+ IMWP - Quang tử vi sóng tích hợp.
+ PoF - Cấp nguồn qua sợi quang.

Để kết nối người dùng một cách liền mạch bằng cách sử dụng các mạng sẵn có (có thể là mạng vệ tinh, quang, có dây hoặc không dây) thì việc tích hợp các kỹ thuật truyền thông không dây với các kỹ thuật truyền dẫn quang sẽ là điều cần thiết. Chúng cho phép các hệ thống di động đáp ứng các nhu cầu cả về dung lượng, độ trễ, phạm vi phủ sóng và định vị địa lý. Bài báo sẽ đưa ra những nghiên cứu mới về công nghệ hội tụ quang và không dây sẽ được áp dụng trong mạng 6G.

Mạng thông tin di động 6G

Sự phát triển của công nghệ 6G vẫn đang ở giai đoạn đầu với một số nỗ lực phát triển công nghệ 6G trên toàn cầu như ITU-R với Working Party 5D (WP5D) 2030, Bắc Mỹ với Next G Alliance (NGA), Liên minh châu Âu với Chương trình 6G Hexa-X... Do mạng 6G phải hỗ trợ nhiều kịch bản, ứng dụng và dịch vụ nên rõ ràng tương lai sẽ cần một mạng truy nhập gồm đa công nghệ vô tuyến (RAN) để đáp ứng tất cả nhu cầu. Hình 1 mô tả dự đoán về các ứng dụng, công nghệ hỗ trợ và yêu cầu chính cho mạng 6G được phân chia theo kích thước ô phủ sóng.

Hình 1. Các kịch bản, công nghệ hỗ trợ và yêu cầu chính cho mạng 6G.

Khi lưu lượng dữ liệu ở các hệ thống phát điện thoại di động ngày càng tăng, việc khai thác các tần số cao hơn là cần thiết như minh họa trong Hình 2. Từ 1G đến 4G, hệ thống thông tin di động đã được phân bổ ở các tần số khác nhau trong khoảng từ 400 MHz đến 2,9 GHz trên toàn thế giới. Mạng 5G là thế hệ thông tin di động đầu tiên sử dụng hai dải tần (FR) khác nhau là FR1 từ 410MHz đến 7.125 MHz và FR2 từ 24,25 MHz đến 52,6 GHz. 5G là mạng đầu tiên sử dụng mmWaves làm giải pháp cho RAN với băng thông lên tới 400 MHz.

Hình 2. Sử dụng phổ tần cho cho các thế hệ thông tin di động.

Việc phân bổ tần số mới này đã làm tăng độ phức tạp của hệ thống, đòi hỏi các thành phần tần số vô tuyến RF có giá thành cao. 6G được kì vọng sẽ là mạng di động đầu tiên phân bổ các băng tần sub-THz và thậm chí THz cho RAN nhằm cung cấp Tbit/s cho mỗi người dùng trong thập kỷ tới.

Xu hướng hội tụ quang và không dây

Kiến trúc RAN đã trải qua nhiều năm phát triển để đáp ứng yêu cầu của mạng di động mà gần đây nhất là các mạng 5G và 6G. Sự phát triển của RAN chỉ ra sự hội tụ giữa các giao diện của hệ thống cáp quang và vô tuyến bao gồm hệ thống cáp quang không dây (FiWi), mạng không đồng nhất (HetNet) và kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến tập trung/đám mây (C-RAN). Ngoài ra, các hệ thống truyền thông không dây quang (OWC) dựa trên truyền dẫn quang qua không gian tự do (FSO) nổi lên như một ứng cử viên đầy triển vọng cho thế hệ RAN tiếp theo, cung cấp băng thông cỡ GHz và hoạt động kết hợp với các công nghệ đã đề cập ở trên.

A. FiWi-Hệ thống cáp quang/không dây

Các hệ thống FiWi đóng một vai trò quan trọng trong các mạng truyền thông di động hiện tại và tương lai vì chúng có thể được sử dụng để hỗ trợ nhiều loại ứng dụng và dịch vụ. Theo dự kiến, các công nghệ 5G sẽ tích hợp hoàn toàn với các hệ thống FiWi. Bảng 1 tóm tắt các công nghệ mới nhất trong các hệ thống FiWi nhằm đáp ứng đa dạng các ứng dụng.

Hình 3 minh họa một hệ thống cáp quang/ không dây trong khuôn khổ C-RAN, trong đó liên kết fronthaul (FH) có thể được triển khai bằng cách sử dụng một loạt công nghệ như: truyền dẫn vô tuyến (RF), vô tuyến qua sợi quang (RoF), quang qua không gian tự do (FSO) hoặc kết hợp các công nghệ trên với nhau. Liên kết quang backhaul (BH) kết nối nhiều văn phòng trung tâm (Central Office – CO) với mạng lõi và cũng có thể kết nối nhiều CO với nhau. Một đơn vị phân phối (DU) có thể được thực hiện như một phần mở rộng của liên kết FH. Trong trường hợp này, một liên kết midhaul (MH) được sử dụng để kết nối CO với DU.

Một thách thức quan trọng đối với các hệ thống FiWi là việc tích hợp vô tuyến và sợi quang, thường đạt được bằng cách áp dụng công nghệ RoF. RoF được phân thành ít nhất là hai loại: vô tuyến số qua sợi quang (D-RoF) và vô tuyến tương tự qua sợi quang (A-RoF). Các sơ đồ D-RoF số hóa tín hiệu RF để đưa chúng vào fronthaul quang sử dụng các giao diện thương mại như giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI), sáng kiến cấu trúc trạm gốc mở (OBSAI) và giao diện thiết bị vô tuyến mở (ORI). Các liên kết D-RoF dựa trên CPRI đã đạt được thành công về mặt thương mại với mạng 4G và nó được kỳ vọng sẽ hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn vô tuyến và sự phân chia chức năng C-RAN trong 5G.

Tuy nhiên, trước các yêu cầu của mạng 5G và 6G, D-Ro phát sinh một số nhược điểm sau: Việc số hóa và chuyển đổi RF ở xa, nhất là ở băng tần mm-wave yêu cầu các phần cứng phức tạp và đắt tiền; tốc độ dữ liệu tổng mà các liên kết D-RoF yêu cầu cao hơn đáng kể so với tốc độ đỉnh đạt được trên giao diện vô tuyến; yêu cầu băng thông cố định lớn cho fronthaul quang; sự gia tăng số lượng bộ thu phát quang để đạt đến tốc độ dữ liệu yêu cầu.

Mặt khác, sơ đồ A-RoF tập trung các chức năng vô tuyến phức tạp nhất tại CO và phân phối tín hiệu vô tuyến ở tần số sóng mang không dây thông qua các sợi quang. Phương pháp này đang dần trở nên hấp dẫn khi thông lượng dự kiến trong không gian tăng lên và ngành viễn thông bắt đầu triển khai truy cập sóng mm-waves.

Các ưu điểm của A-RoF bao gồm: khả năng vận chuyển tín hiệu RF qua sợi quang với độ phức tạp xử lý thấp, tức là không cần số hóa và chuyển đổi RF từ xa; tiết kiệm năng lượng tính toán và băng thông quang do không cần số hóa; Tuy nhiên, nhược điểm của A-RoF là: khả năng tương thích không trực tiếp với các mạng quang thụ động đã được thiết lập; tính nhạy cảm với các hiệu ứng phi tuyến từ các thành phần điện quang; tính nhạy cảm với tán sắc.

Để áp dụng D-RoF nhiều hơn trong các mạng 5G/6G, các giải pháp kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật số hiệu quả về băng thông đã được đề xuất như nén dữ liệu, phân chia chức năng mới và thiết kế giao diện CPRI nâng cao. Bộ thu phát quang tốc độ cao (hàng trăm Gbit/s) cũng đã được thiết kế để xử lý thông lượng dự kiến trong liên kết quang.

Đồng thời, các kỹ thuật bù tán sắc và chống pha đinh công suất giúp A-RoF tiếp tục được sử dụng trong 5G/6G. Khả năng sử dụng A-RoF trong tô pô WDM cũng đã được nhấn mạnh như một giải pháp thay thế để tích hợp với PON. Khi chưa có tiêu chuẩn cho sơ đồ truyền tải 5G/6G, giải pháp tối ưu được đề xuất là giải pháp lai kết hợp giữa D-RoF và A-RoF.

B. Fronthaul dựa trên sợi quang được hỗ trợ bởi Học máy ML

Như được chỉ ra trong Hình 3, liên kết FH có thể được triển khai bằng các công nghệ riêng biệt, bao gồm cả sợi quang. Trong trường hợp này, cả D-RoF và A-RoF đều được xét đến. Mặc dù D-RoF có một số vấn đề về khả năng mở rộng vì các tín hiệu vô tuyến được lấy mẫu và số hóa trực tiếp thành dữ liệu băng cơ sở tại Đầu vô tuyến xa (Remote Radio Head - RRH), nhưng nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong liên kết FH. Lúc này, các hệ thống 5G và 6G hoạt động ở dải sóng mm và sóng THz sẽ yêu cầu các thành phần chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) tốc độ cực cao vốn không sẵn có.

Để khắc phục vấn đề trên, A-RoF trở nên hấp dẫn, vì nó cho phép hiệu quả phổ cao hơn và đơn giản hóa thiết bị vô tuyến từ xa khi so sánh với cấu hình D-RoF. Ngoài ra, việc giảm thiểu xử lý tín hiệu trong A-RoF giúp giảm độ trễ. Trong kiến trúc FH dựa trên A-RoF, việc phân phối tín hiệu liền mạch đạt được bằng cách sử dụng các kỹ thuật tuyến tính. Hình 4 minh họa A-RoF được hỗ trợ bởi các kỹ thuật tuyến tính. Những kỹ thuật này dựa trên các giải pháp xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) bao gồm tiền méo số (DPD) và cân bằng.

Gần đây, các kỹ thuật Học máy ML được sử dụng để triển khai các khối xử lý DPD và bộ cân bằng vì chúng có khả năng thực hiện các tác vụ tính toán phức tạp mà không cần nỗ lực tính toán quá mức. Tuy nhiên, có một vài thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua. Thứ nhất, nó liên quan đến yêu cầu về tập dữ liệu đại diện cho mạng nơ ron được đào tạo.

Thứ hai, các hệ thống thông tin di động gần đây bao gồm nhiều dịch vụ và ứng dụng mới, làm tăng nhu cầu về khả năng xử lý và lưu trữ của máy tính.

Thứ ba, phản hồi của các thiết bị cấu thành FH dựa trên A-RoF thay đổi theo thời gian, nên cần thiết phải sử dụng thuật toán tuyến tính không hiệu chỉnh lại. Nếu không, sẽ cần phải đào tạo lại thuật toán tuyến tính, điều này sẽ tạo ra chi phí đáng kể, vì phải tắt hệ thống liên lạc để đào tạo lại, khiến khách hàng không được phủ sóng.

Hình 4. Sơ đồ khối của A-RoF được hỗ trợ bởi các kỹ thuật tuyến tính

C. FSO - Truyền dẫn quang trong không gian tự do

Các hệ thống thông tin liên lạc không dây của FSO đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng và phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ qua. Một số ưu điểm chính của công nghệ FSO là băng thông lớn, khả năng chống nhiễu điện từ, không cần cấp phép phổ tần và tốc độ dữ liệu cao.

Tuy nhiên, chùm tia FSO rất dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết như nhiễu loạn khí quyển, mưa, sương mù, sương nhẹ và bụi, điều này sẽ làm suy giảm chùm sáng hoặc thậm chí phá vỡ toàn bộ liên kết đường truyền. Do đó, hệ thống FSO nên được tính toán kỹ lưỡng trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, để đảm bảo rằng công suất quang nhận được cao hơn độ nhạy của máy thu, nhằm cho phép xử lý tín hiệu.

Các hệ thống FSO hoạt động trong môi trường không dây nên có thể khá thường hay mất sự chỉnh thẳng. Việc chỉnh thẳng chính xác trong hệ thống FSO có thể đạt được tốt khi các bộ thu phát hoạt động theo tầm nhìn thẳng LOS mà không có chướng ngại vật vật lý nào cản trở đường truyền của chùm tia quang học.

Trong hệ thống FSO thực tế, lý do chính dẫn đến sai lệch là do chuyển động cơ sở (sự lắc lư của tòa nhà) trong các tòa nhà, đặc biệt là đối với các hệ thống FSO được lắp đặt trên các tòa nhà chọc trời, nơi chịu sự lắc lư nặng nề. Để giảm thiểu tổn thất do sự lệch hướng, một hệ thống theo dõi và chỉ điểm tự động có thể được tích hợp vào thiết bị FSO, theo cách đó, hệ thống theo dõi này sẽ điều chỉnh nhất quán các bộ thu phát để có được sự đặt theo đúng đường thẳng tối ưu.

Để giảm thiểu tổn thất do điều kiện thời tiết bất lợi, một trong những phương pháp chính là tính toán quỹ đường truyền. Nó dự đoán mức độ dư thừa hoặc công suất bổ sung cần thiết trên đường truyền trong bất kỳ điều kiện hoạt động cụ thể nào. Biên độ sau đó được tích hợp với một mô hình suy hao khí quyển để tính toán suy hao dự kiến của cả hai: tán xạ và nhấp nháy. Thông thường, quỹ đường truyền FSO bao gồm các đầu vào cho công suất quang truyền đi, độ nhạy thu, suy hao căn chỉnh, hình học và đường truyền.

Các hệ thống FSO có thể được sử dụng để liên lạc với tốc độ dữ liệu cao giữa hai điểm cố định trong khoảng cách từ hàng trăm mét đến vài km. Bảng 4 tóm tắt một số cấu hình dựa trên FSO dành cho các liên kết có khả năng truyền dẫn cao.

Bảng 2. Các giải pháp FSO tiên tiến nhất dành cho Mobile Fronthaul

D. VLC-Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy dựa trên đi-ốt phát quang (LED) đã nổi lên như là một công nghệ truy cập không dây an toàn, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí giúp giải quyết các yêu cầu của mạng 6G trong tương lai. Trong kỹ thuật này, cơ sở hạ tầng ánh sáng có thể được khai thác để cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ không dây cho văn phòng, máy bay, nhà ở và bệnh viện, cũng như các ứng dụng dành cho xe cộ như phương tiện đến phương tiện (V2V) và phương tiện đến cơ sở hạ tầng (V2I).

So với các hệ thống RF thông thường, hệ thống VLC có một số ưu điểm như không cần cấp phép phổ tần và miễn nhiễm với nhiễu điện từ, cho phép truy cập vào các khu vực bị hạn chế đối với RF và tái sử dụng tần số. Ngoài ra, các hệ thống VLC cung cấp một lượng lớn băng thông khả dụng (BW) để điều chế, tăng cường bảo mật và quyền riêng tư trong nhà. Vì những lý do này, công nghệ VLC là một giải pháp thay thế hấp dẫn cho truyền thông không dây RF. Sóng mang trong dải bước sóng ánh sáng nhìn thấy (380-780 nm) cho phép băng thông lớn hơn tới 1000 lần so với truyền thông RF, cho phép thông lượng dữ liệu cao, tầm Gbit/s.

Ngoài ra, việc sử dụng phổ ánh sáng nhìn thấy không cần cấp phép phổ tần cho phép giảm chi phí triển khai công nghệ VLC.

Mặc dù các hệ thống VLC có những ưu điểm vượt trội so với các liên kết không dây truyền thống nhưng có một số rào cản cần phải vượt qua để triển khai hệ thống VLC thương mại với tất cả các tính năng cần thiết.

Thứ nhất, VLC có băng thông có sẵn lớn nhưng băng thông 3 dB của đèn LED thương mại bị hạn chế, chỉ đạt vài MHz. Vì lý do này, một số kỹ thuật đã được đề xuất để khắc phục giới hạn băng thông LED. Một cách tiếp cận đơn giản và chi phí thấp là đặt một bộ lọc quang học màu xanh lam ở đầu thu để tăng cường băng thông 3 dB, tuy nhiên, thông lượng vẫn thấp so với băng thông có sẵn. Đi-ốt laser cũng đã được sử dụng như một máy phát VLC, cho phép băng thông cao hơn.

Thứ hai là liên quan đến đường lên trong VLC. Các liên kết VLC trong môi trường trong nhà tập trung vào việc sử dụng các đặc tính phát sóng LED trắng để chiếu sáng và truyền thông, điển hình là đường xuống. Để truyền thông hai chiều, cần thiết lập đường lên. Việc triển khai kết nối đường lên bằng VLC không phải là một giải pháp có thể lựa chọn vì các thiết bị được kết nối có thể có nhiều đèn LED chỉ theo các hướng ngẫu nhiên, làm tăng chi phí và có thể gây khó chịu cho mắt người dùng. Trong bối cảnh này, giải pháp kết hợp phải được sử dụng trong truyền thông VLC hai chiều đó là VLC cung cấp đường xuống thông lượng cao, trong khi giao tiếp RF hoặc hồng ngoại dùng cho đường lên nhằm kết hợp các ưu điểm của từng công nghệ.

E. IMWP-Quang tử vi sóng tích hợp

Quang tử vi sóng tích hợp (IMWP) có thể hỗ trợ rộng rãi các ứng dụng trong lĩnh vực radar, mạng truy cập không dây băng thông rộng, xử lý quang, cũng như trong các lĩnh vực mới nổi như hội tụ FiWi, hệ thống Terahertz cho hình ảnh y tế, mạng khu vực cá nhân (không dây- cơ thể). Mặc dù một số ứng dụng có thể được thực hiện bằng quang tử vi sóng thông thường (MWP) nhưng một số ứng dụng bị hạn chế bởi chi phí cao và độ phức tạp của nó, vốn thiết lập các phạm vi điển hình về kích thước, trọng lượng và công suất (SWaP) theo thứ tự lần lượt là 0,04– 0,2 m2, 1,5–10kg,và15–20W.

Các giá trị như vậy gây bất lợi cho các ứng dụng thực tế và không khả thi cho sản xuất quy mô lớn. Do đó, các phương pháp tiếp cận dựa trên quang học tích hợp đã xuất hiện, nhằm giảm chi phí nghiên cứu, phát triển và tạo mẫu, cũng như thời gian xử lý mạch tích hợp quang tử (PIC).

Một thách thức lớn trong quang tử vi sóng liên quan đến việc giảm các đặc tính SWaP của các thiết bị, hệ thống con và hệ thống của nó. Tuy nhiên, tích hợp nền tảng tất cả trong một cũng là một thách thức đối với công nghệ này. Quang tử tích hợp có khả năng mở rộng quy mô của các hệ thống băng thông rộng thông qua lựa chọn kiến trúc phù hợp, kết hợp quang tử với thiết bị điện tử để tối ưu hóa hiệu suất, công suất và chi phí.

Lợi ích dễ thấy nhất của việc tích hợp là giảm đáng kể không gian, trọng lượng và độ phức tạp. Công nghệ này cho phép tích hợp thành một tập hoàn chỉnh các thành phần quang và các thành phần sóng vi ba như nguồn sáng, mạch xử lý tín hiệu tương tự và số, bộ dò ánh sáng, mạch điều khiển quang và các mạch RF khác, nền tảng tất cả trong một tạo nên đường truyền tín hiệu quang pha trộn với hiệu suất cao và chi phí thấp.

Các công nghệ và nền tảng tích hợp sẵn có cho IMWP có thể được phân loại thành nguyên khối, không đồng nhất và lai. Phương pháp nguyên khối yêu cầu một hệ thống vật liệu duy nhất hoặc triển khai trên một con chip. Phương pháp không đồng nhất có thể được thực hiện bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều công nghệ vật liệu vào một PIC đơn nhất. Trong khi đó, phương pháp lai là một quy trình sử dụng hai hoặc nhiều PIC, thường là từ các công nghệ vật liệu khác nhau, vào một gói đơn nhất.

Các thành phần điển hình được sản xuất trong quang học tích hợp bao gồm laser, bộ điều chế, bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ lọc quang và các thành phần thụ động như bộ ghép, bộ tách, đường dây. Các đặc tính thực thi của từng thành phần tích hợp khác nhau tùy theo nền tảng công nghệ được sử dụng. Trong số các nền tảng tích hợp có sẵn khác nhau, năm nền tảng phổ biến nhất là những nền tảng dựa trên indium phosphide (InP), Silicon Photonics (SiPh), Silicon Nitride (Si3N4), Lithium Niobate (LiNbO3)và polyme như minh họa trong Hình 5.

Hình 5. Các thành phần tích hợp trong nền tảng mạch tích hợp quang tử.

Các nền tảng InP cho phép tạo ra các bộ điều chế, đi-ốt quang, bộ khuếch đại quang và laser băng thông rộng mang đến một lộ trình tích hợp nguyên khối quang điện tử với độ tin cậy cao. SiPh tận dụng công nghệ xử lý chất bán dẫn kim loại–oxit bù (CMOS) hiện có, do đó mang lại hiệu quả triển khai lớn hơn về chi phí và dấu chân nhỏ gọn hơn. Nền tảng Si3N4, cho suy hao đường truyền rất thấp, suy hao mối ghép sợi quang thấp, cho phép các ứng dụng lọc và định dạng chùm tia với chi phí tiềm năng thấp.

Công nghệ LiNbO3 cung cấp hiệu ứng E/O mạnh và suy hao tương đối thấp, phù hợp với các bộ điều chế băng thông rộng bằng cách tận dụng lợi thế của một cơ sở công nghệ sẵn có. Công nghệ polyme điện quang (EO) có ưu điểm như hệ số EO lớn, hằng số điện môi và tổn hao nhỏ, cũng như khả năng tương thích tuyệt vời với các hệ thống vật liệu khác.

F. PoF-Cấp nguồn qua sợi quang

Công nghệ PoF đã trở thành một giải pháp hấp dẫn để vận chuyển năng lượng điện đến các địa điểm xa xôi. Công nghệ này truyền năng lượng bằng sợi quang, cung cấp khả năng cách ly và miễn nhiễm điện tuyệt vời với RF, từ trường, tia lửa và nhiễu. Các tính năng khác bao gồm cách ly điện, giảm trọng lượng và khả năng chống ăn mòn, độ ẩm và nhiệt độ khắc nghiệt. Trong bối cảnh này, PoF có thể được coi là một giải pháp thay thế để tăng độ an toàn và độ tin cậy của một số ứng dụng bằng cách thay thế nguồn điện, cáp kim loại và pin thông thường.

Các hệ thống PoF thường sử dụng ba thành phần chính: đi-ốt laser công suất cao (HPLD) chịu trách nhiệm tạo ra công suất quang cao; một sợi quang làm phương tiện truyền dẫn ánh sáng; một bộ chuyển đổi năng lượng quang điện (PPC) thực hiện chuyển đổi quang thành điện (O/E).

Một trong những thước đo hiệu suất chính trong hệ thống PoF là hiệu suất truyền tải điện (PTE) được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất đầu ra của HPLD và tổng công suất điện do PPC cung cấp. Khi việc truyền tải điện và dữ liệu đồng thời đã trở nên khả thi và mức công suất được phân phối đã đạt tới hơn 40 W, PoF đã được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả 5G và các mạng di động trong tương lai.

Tăng mật độ ô phủ sóng (tăng mật độ tế bào) là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để đáp ứng các yêu cầu về phạm vi phủ sóng và dung lượng của các mạng 6G trong tương lai. Một cách hiệu quả để đạt được quá trình tăng mật độ cần thiết là giảm kích thước ô và tăng số lượng trạm gốc BS được triển khai.

Tuy nhiên, BS thường tiêu thụ khoảng 60% tổng năng lượng khả dụng của hệ thống di động, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tăng đáng kể. Do đó, điều quan trọng là phải có các giải pháp cung cấp một cách thích hợp nguồn điện cần thiết cho các BS, đảm bảo hoạt động của mạng ổn định, an toàn và mạnh mẽ.

Trong bối cảnh này, PoF có thể được coi là một cách tiếp cận tiềm năng để cấp nguồn cho các BS trong các mạng không dây trong tương lai. Hình 6 mô tả một hệ thống FiWi dựa trên kiến trúc C-RAN sử dụng các công nghệ PoF và RoF. Việc triển khai này bao gồm một CO mà từ đó nguồn công suất và dữ liệu được truyền đồng thời qua cáp quang, có thể bao gồm các sợi đa mode (MMF), các sợi đơn mode (SMF) hoặc sợi đa lõi (MCF). Mặc dù công nghệ PoF thường cung cấp PTE thấp hơn so với các đường dây điện thông thường, nhưng nó vẫn có thể cực kỳ hiệu quả, do đó góp phần làm tăng đáng kể số lượng BS cần thiết trên mạng 5G và 6G.

Hình 6. Hệ thống FiWi được cấp nguồn qua sợi quang tới mạng di động 6G.

Một trong những vấn đề cần quan tâm là có thể truyền nguồn công suất qua sợi quang đi bao xa. Như ở Hình 6, dữ liệu và nguồn công suất truyền đồng thời trên một sợi quang đơn lẻ, các liên kết truyền fronthaul đường dài không khả thi do ở các bước sóng ngắn hơn thì suy hao lớn hơn, ví dụ: ở bước sóng 808 nm và 980 nm, giới hạn khoảng cách truyền tải điện trong phạm vi vài km.

Trong trường hợp dữ liệu và tín hiệu công suất cao được truyền qua các sợi quang riêng rẽ, một trạm cung cấp điện tập trung (CPSS) có thể được triển khai để phân phối điện cho từng RRU bằng đường truyền PoF riêng và giới hạn khoảng cách đường truyền PoF sẽ không có bất kỳ tác động nào đối với khoảng cách liên kết fronthaul.

Khả năng cung cấp năng lượng cao của hệ thống PoF cũng rất quan trọng. Theo một số nghiên cứu, công suất điện tối đa do hệ thống PoF cung cấp là 43,7W (ở một hệ thống có công suất quang là 150W, truyền trên độ dài 300m và PTE là 30%). Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện năng tối đa điển hình của một địa điểm 5G hiện cao hơn 11 kW. Do đó, các hệ thống PoF hiện tại sẽ không cung cấp đủ năng lượng để cung cấp cho RRU trong các site 5G.

Tuy nhiên, các hệ thống PoF có thể được sử dụng để kích hoạt các ô kích thước nhỏ công suất thấp. Chẳng hạn, một femtocell thương mại thường tiêu thụ tới 24 W. Ngoài ra, các trạm cơ sở hoạt động ở chế độ ngủ tiết kiệm tới 60% năng lượng trong mạng và cho phép tích hợp PoF. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi của PPC dự kiến sẽ được cải thiện khi công nghệ hoàn thiện, tăng khả năng cung cấp điện trong các hệ thống PoF.

“
Tài liệu tham khảo:
1. Hugo Rodrigues Dias Filgueiras, Eduardo Saia Lima, Matheus
Sêda Borsato Cunha, Celso Henrique De Souza Lopes, Letícia
Carneiro De Souza, Ramon Maia Borges, Ramon Maia Borges,
Luiz Augusto Melo Pereira, Tiago Henrique Brandão, Tomás
Powell Villena Andrade, Luciano Camilo Alexandre, Geraldo
Neto, Agostinho Linhares, Luciano Leonel Mendes, Murilo
Araujo Romero, Arismar Cerqueira S, Wireless and Optical
Convergent Access Technologies Toward 6G, IEEE Access
VOLUME 11, 2023
2. Qian Li, Zongrui Ding, Xiaopeng Tong, Geng Wu, Saso
Stojanovski, Thomas Luetzenkirchen, Abhijeet Kolekar,
Sangeetha Bangolae, Sudeep Palat, 6G Cloud-Native System:
Vision, Challenges, Architecture Framework and Enabling
Technologies, IEEE Access VOLUME 10, 2022
3. Motoharu Matsuura, Recent Advancement in Power-over-
Fiber Technologies, Photonics 2021

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 10 tháng 10/2023)

ThS. Đàm Mỹ Hạnh - Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội