Để đạt được điều đó, các nhà khai thác di động sẽ cần phải sử dụng băng thông lớn hơn so với băng thông được sử dụng cho các hệ thống thông tin di động trước đây và phổ tần số trong băng tần mmWave sẽ đáp ứng được yêu cầu đó.
Như chúng ta đã biết, phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên hữu hạn và ngày càng trở nên quý hiếm. Nhận thức được những lợi ích kinh tế và xã hội mà phổ tần số mang lại, chính phủ và cơ quan quản lý các nước trên thế giới đã có những nỗ lực phối hợp để giải phóng càng nhiều phổ tần càng tốt.
Do đó, các nước đang ngày càng quan tâm đến những băng tần mà trước đây được coi là không phù hợp với mạng di động, băng tần mmWave là băng tần nằm trong số đó. Tuy nhiên, trước khi các cơ quan quản lý nhận ra tầm quan trọng của nó cho hệ thống thông tin di động thì nhiều đoạn băng tần trong băng tần mmWave đã được phân bổ để sử dụng cho các nhóm người dùng khác nhau, chẳng hạn như trong quân sự hoặc sự kiện công cộng.
Phổ tần số mmWave là gì?
Mặc dù các băng tần thấp chẳng hạn như băng 700 MHz có thể rất hữu ích trong việc phủ sóng 5G đến các khu vực nông thôn, nhưng nó không phù hợp để cung cấp kết nối đáng tin cậy ở các khu vực đô thị, nơi có mật độ kết nối cao.
Các băng tần mmWave chỉ phủ sóng 5G trên một khu vực địa lý hạn chế. Vì vậy, nó chính là chìa khóa để triển khai 5G ở các khu vực thành phố đông đúc, nơi cần dung lượng cao hay nói cách khác là những khu vực có rất nhiều thiết bị đầu cuối được sử dụng.
Tuy nhiên, băng tần mmWave không phải là không có những thách thức của nó. Bên cạnh việc bị hạn chế về vùng phủ sóng thì nó còn dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết như mưa, tuyết,...
Về mặt kỹ thuật, thuật ngữ mmWave dùng để chỉ các tần số nằm trong khoảng từ 24 GHz đến 300 GHz, nằm giữa sóng vi ba và tia hồng ngoại. Khoảng băng tần này hiện được sử dụng cho những việc như nghiên cứu khoa học, hệ thống vũ khí và thậm chí cả súng bắn tốc độ của cảnh sát. Trong đó, đoạn băng tần từ 24 GHz đến 100 GHz mang lại cơ hội lớn nhất cho các mạng di động.
Băng tần mmWave có thể cung cấp cho các nhà khai thác di động một lợi thế cạnh tranh quan trọng để giải quyết sự gia tăng về nhu cầu dữ liệu di động và mở rộng mạng 5G sang các ứng dụng vô tuyến cố định, doanh nghiệp và công nghiệp.
Ngành công nghiệp di động đã phân chia sóng vô tuyến hiện tại cho các hệ thống di động thành hai loại chính: tần số dưới 6 GHz và tần số trên 6 GHz. Các tần số trong các băng tần dưới 6 GHz là những tần số được sử dụng để triển khai các hệ thống di động 2G, 3G, 4G và cả cho mạng 5G, thường chúng nằm trong khoảng từ 600 MHz đến các tần số trong băng tần trung (khoảng từ 2,5 GHz-4 GHz). Các tần số không cần cấp phép ở băng tần 5 GHz - 6 GHz cũng có thể được sử dụng cho mạng di động để hỗ trợ cho các băng tần được cấp phép nhằm mang lại hiệu suất cao hơn cho người dùng di động.
Một số đặc điểm của băng tần mmWave
- Các tần số trên 6 GHz thường được gọi chung là băng tần mmWave, nhưng trong thực tế băng tần mmWave được các quốc gia xem xét cấp phép sử dụng cho các mạng 5G chỉ sử dụng các tần số bắt đầu từ 24 GHz, trong đó chủ yếu là ở các băng tần 24 GHz, 26 GHz, 28 GHz, 37 GHz, 39 GHz và 47 GHz.
- Băng tần mmWave có một số đặc tính truyền sóng khiến việc sử dụng trở nên khó khăn. Trong thực tế, tần số càng cao thì suy hao đường truyền càng lớn và do đó, phạm vi phủ sóng của mỗi trạm gốc di động sẽ bị thu hẹp lại. Mặc dù, băng tần mmWave đã được thử nghiệm trong thực tế và đạt được phạm vi truyền sóng xa nhất lên tới hơn 5 km khi sử dụng trong mạng truy cập vô tuyến cố định (FWA: Fixed Wireless Access) nhưng khi thử nghiệm trong các tình huống di động ngoài trời đã cho thấy phạm vi phủ sóng tối đa của trạm gốc chỉ khoảng 600m.
- Tín hiệu trong băng tần mmWave hoạt động tốt nhất khi thiết bị có kết nối trong tầm nhìn thẳng với trạm gốc. Tín hiệu trong băng tần mmWave có tính định hướng cao và có thể bị phản xạ bởi các tòa nhà ở môi trường ngoài trời hoặc bởi các cửa sổ và màn hình trong môi trường trong nhà, nhưng chúng lại không thể “uốn cong” hoặc nhiễu xạ như ở các băng tần số thấp hơn.
- Ở môi trường ngoài trời, tín hiệu trong băng tần mmWave có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, bao gồm tuyết, mưa và thậm chí cả sương mù. Tín hiệu trong băng tần này có thể bị ảnh hưởng bởi các chướng ngại vật nằm giữa đường kết nối của thiết bị với trạm gốc, chẳng hạn như có một vật thể, một người hoặc nhiều người đi qua thì nó cũng có thể làm gián đoạn kết nối.
- Để bù đắp cho những suy hao lớn hơn trên đường truyền dẫn và phạm vi phủ sóng hẹp hơn, các hệ thống 5G sử dụng băng tần mmWave sẽ sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng hẹp (beamforming). Việc sử dụng kỹ thuật beamforming cho các ăng-ten nhằm hướng chùm tia có độ lợi cao đến thiết bị của người dùng, kỹ thuật này có thể giúp tập trung tín hiệu vào mục tiêu cụ thể cần truyền đến thay vì phát sóng đi mọi hướng. Tuy nhiên, khi sử dụng beamforming, yếu tố góc tới (góc mà chùm tia truyền tới thiết bị) và việc bố trí các ăng-ten trong thiết bị của người dùng là rất quan trọng.
Do hạn chế về khả năng truyền sóng đi xa nên việc triển khai lắp đặt đúng cách là yếu tố rất quan trọng trong việc triển khai 5G ở băng tần mmWave. Bên cạnh đó, kết quả thử nghiệm của Công ty Nghiên cứu Signals Research Group của Mỹ cũng cho thấy, hiệu suất của thiết bị cầm tay hỗ trợ băng tần mmWave có sự khác biệt đáng kể khi cầm thiết bị ở tay phải so với tay trái (tùy thuộc vào hướng của người dùng đến các trạm gốc gần nhất) hoặc đặt thiết bị ở chế độ dọc so với chế độ ngang.
Giá trị của băng tần mmWave
Hội nghị Vô tuyến thế giới 2019 (WRC-19) do Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) tổ chức vào năm 2019 đã xác định một số băng tần mmWave có thể được sử dụng cho mạng 5G bao gồm 24,25-27,5 GHz, 37-43,5 GHz, 45,5-47 GHz, 47,2-48,2 và 66-71 GHz.
Việc ITU xác định chính thức các băng tần này dành cho 5G đã mở đường cho quá trình hài hòa hóa phổ tần, triển khai thử nghiệm và tiêu chuẩn hóa toàn cầu nhằm giảm chi phí và đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường của thiết bị.
Dung lượng cao và tốc độ cực nhanh của băng tần mmWave sẽ cho phép cung cấp nhiều ứng dụng 5G mà các băng tần thấp không đáp ứng được. Mặc dù, theo dự kiến phần lớn các mạng 5G thương mại sẽ cung cấp tốc độ ít nhất là 1 Gbps, nhưng băng tần mmWave sẽ cho phép đạt tốc độ lý thuyết lên tới 10 Gbps.
Hiệp hội các nhà cung cấp di động toàn cầu (GSMA) đã đưa ra dự báo rằng, 5G sẽ tạo ra 565 tỷ USD cho GDP toàn cầu, trong đó 152 tỷ USD doanh thu sẽ đến từ các dịch vụ 5G trong băng tần mmWave trong vòng 15 năm tới. Như vậy, các dịch vụ 5G trong băng tần mmWave sẽ chiếm khoảng 1/4 GDP toàn cầu mà mạng 5G mang lại trong thời kỳ dự báo.
Các cuộc đấu giá điển hình trong băng tần mmWave
Mỗi quốc gia sẽ có những cách phân bổ và cấp phép riêng, phù hợp với nhu cầu và khả năng của các nhà khai thác di động sử dụng phổ tần số này. Chẳng hạn, tại Hoa Kỳ, Ủy ban Truyền thông liên bang (FCC) đã tổ chức 3 phiên đấu giá phổ tần trong băng tần mmWave trong thời gian qua. Cụ thể, phiên đấu giá băng tần 24 GHz thu được 2 tỷ USD; phiên đấu giá băng tần 28 GHz thu được hơn 700 triệu USD; phiên đấu giá các băng tần 37 GHz, 39 GHz và 47 GHz đã thu được 7,558 tỷ USD.
Tại Phần Lan, Cơ quan Quản lý Viễn thông Phần Lan (Traficom) cũng đã tổ chức phiên đấu giá trong băng tần 26 GHz, theo đó băng tần này được chia thành 3 khối, mỗi khối có băng thông 800 MHz. Kết quả, 3 nhà khai thác di động dành được phổ tần trong băng tần này phải chi trả số tiền 21 triệu euro.
Bên cạnh một số quốc gia đã cấp phép phổ tần số trong băng tần mmWave cho các nhà mạng để triển khai các dịch vụ 5G thì nhiều quốc gia khác cũng đã quy hoạch, cho phép thử nghiệm và đang lên kế hoạch để cấp phép băng tần này cho các nhà mạng trong thời gian tới, bao gồm Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Ý, Đức, Úc, Singapore,…
Tại Việt Nam, theo Thông tư số 19/2020/TT-BTTTT vừa được Bộ Thông tin và Truyền thông ban hành ngày 20/8/2020 thì băng tần 24,25 - 27,5 GHz (hay còn gọi là băng 26 GHz) chính thức được quy hoạch cho hệ thống thông tin di động IMT của Việt Nam để triển khai các hệ thống thông tin di động theo tiêu chuẩn IMT-2020 và các phiên bản tiếp theo. Băng tần 24,25 - 27,5 GHz sẽ được chia thành 8 khối theo phương thức truyền dẫn song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi khối rộng 400 MHz. Mỗi doanh nghiệp được xem xét cấp phép không quá 3 khối trong tổng số 8 khối và được sử dụng theo quy định trong giấy phép sử dụng băng tần.
Băng tần mmWave sử dụng trong mạng truy cập vô tuyến cố định (FWA)
Truy cập vô tuyến cố định (Fixed Wireless Access - FWA) được Ericsson định nghĩa là kết nối nhằm cung cấp truy cập băng rộng thông qua mạng di động dựa trên thiết bị đặt tại cơ sở của khách hàng (Customer Premises Equipment – CPE). Hay nói cách khác, FWA là một giải pháp truy cập băng rộng vô tuyến dựa trên nhu cầu thị trường băng rộng, phát huy tối đa các đặc tính của phạm vi phủ sóng vô tuyến, triển khai nhanh và với công năng như mạng cáp quang. Giải pháp này sẽ giúp các nhà khai thác rút ngắn chu kỳ xây dựng mạng lưới của họ và tiết kiệm chi phí xây dựng mạng.
Các thử nghiệm mạng 5G FWA thương mại sử dụng băng tần mmWave đã đạt được tốc độ từ 1-3 Gbps, trong khi các nhà phân tích tin rằng nó có thể đạt được tốc độ ổn định từ 80 Mbps đến 100 Mbps trong môi trường thực tế.
Tại Mỹ, cả hai nhà mạng AT&T và Verizon đều cung cấp 5G FWA tại các thành phố lớn của Mỹ, mang đến một giải pháp thay thế thực tế cho các địa điểm chỉ có một nhà cung cấp cáp cố định.
Trong khi đó, tại Anh, nhà khai thác mạng di động Three hiện đang cung cấp 5G FWA ở trung tâm thủ đô London và chính phủ Anh cũng đang xem xét triển khai 5G để cung cấp tiêu chuẩn băng rộng tối thiểu cho các khu vực, nơi việc triển khai thương mại cáp quang không khả thi về mặt kinh tế.
Công ty nghiên cứu thị trường Ovum cho biết, trung bình một hộ gia đình ở Anh hiện sử dụng khoảng 190 GB dữ liệu mỗi tháng và con số này sẽ tăng lên 516 GB vào năm 2023 nhờ vào sự phổ biến của các dịch vụ phát video, chơi game trực tuyến và các ứng dụng khác. Mạng 5G được xem là có thể giúp đáp ứng nhu cầu này.
5G trong băng tần mmWave giúp chuyển đổi ngành công nghiệp và xã hội
Các trường hợp sử dụng 5G trong công nghiệp sử dụng băng tần mmWave đang phát triển rất mạnh mẽ; nó có thể cung cấp kết nối đáng tin cậy, hiệu suất cao ở mọi nơi trên thế giới. Công nghệ cảng thông minh là một trong những ứng dụng công nghiệp phát triển nhất cho 5G, hứa hẹn thúc đẩy hiệu quả và giảm chi phí thông qua việc tự động hóa và vận hành máy móc từ xa. Logistics, khai thác mỏ và các ngành công nghiệp khác cũng sẽ được chuyển đổi thông qua số hóa các quy trình và nâng cao năng suất của lực lượng lao động.
Theo một báo cáo từ công ty Grand View Research có trụ sở tại California, quy mô thị trường toàn cầu cho mạng 5G dùng riêng sẽ đạt 920 triệu USD vào năm 2020 và ước tính sẽ đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 37,8% trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2027.
Trong khi các nhà khai thác mạng di động hướng tới người tiêu dùng chủ yếu quan tâm đến tốc độ tải xuống thì trong sản xuất, trọng tâm chuyển sang các kết nối có độ trễ thấp, cực kỳ đáng tin cậy và kết nối mọi lúc mọi nơi. Và chính những tính năng nổi bật đó bên cạnh tốc độ cực cao của mạng 5G đang khuyến khích ngành công nghiệp xây dựng cơ sở hạ tầng mạng 5G dùng riêng trong các nhà máy công nghiệp và nhà kho.
Ngoài việc giúp tạo ra những thay đổi trong ngành công nghiệp, các mạng 5G trong băng tần mmWave cũng sẽ tạo ra những thay đổi cho xã hội, chẳng hạn như các ứng dụng thành phố thông minh, giao thông vận tải và việc cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và tiếp cận các dịch vụ thiết yếu cũng sẽ được cách mạng hóa. Thông qua các mạng 5G tốc độ cực cao, độ trễ cực thấp sẽ giúp các chuyên gia y tế hỗ trợ chẩn đoán và điều trị bệnh từ xa cũng như đào tạo trực tuyến giúp nâng cao trình độ cho đội ngũ nhân viên. Trong giáo dục thì khả năng học tập từ xa sẽ trở nên khả thi nhờ các bài học tương tác sử dụng công nghệ hội nghị từ xa, thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR).
Băng tần mmWave và kết nối backhaul vô tuyến
Không chỉ các ứng dụng của người dùng đầu cuối sẽ được hưởng lợi từ phổ tần mmWave mà bản thân các nhà khai thác di động cũng sẽ hưởng lợi từ việc triển khai mạng của mình hiệu quả hơn khi sử dụng phổ tần mmWave cho tuyến truyền dẫn vô tuyến giữa trạm gốc và mạng lõi (tuyến truyền dẫn này được gọi là backhaul).
Các tuyến truyền dẫn backhaul truyền thống chủ yếu dựa vào kết nối cáp quang, mà truyền dẫn bằng cáp quang rất khó triển khai rộng rãi ở các khu vực nông thôn vì liên quan đến chi phí. Truyền dẫn backhaul vô tuyến sẽ linh hoạt hơn và hiệu quả chi phí cao hơn khi triển khai xây dựng mạng ở các khu vực nông thôn, đặc biệt đối với các mạng 5G cần một lượng lớn các trạm gốc cỡ nhỏ (small cell).
Mạng 5G dựa vào kết nối cáp quang để kết nối các trạm gốc với mạng lõi sẽ rất tốn kém và có thể mất thời gian để các nhà khai thác mạng di động xin giấy phép lắp đặt, điều này có thể gây ra sự chậm trễ đáng kể cho việc triển khai mạng 5G.
Tại Hoa Kỳ, nhà mạng Verizon và Công ty cung cấp thiết bị viễn thông Ericsson của Thụy Điển gần đây đã hoàn thành thử nghiệm công nghệ tích hợp truy cập backhaul (IAB: Integrated Access Backhaul) mới, để cung cấp dịch vụ băng thông siêu rộng 5G của Verizon, mà không cần lắp đặt các tuyến cáp quang, thay vào đó dựa vào một phần băng thông mmWave dành riêng để kết nối với mạng lõi. Đây được xem là một giải pháp tạm thời và đẩy nhanh việc triển khai mạng 5G, đặc biệt là những vùng nông thôn.
Tài liệu tham khảo:
- https://www.rcrwireless.com/20201112/spectrum/things-to-know-about-mmwave-spectrum
- https://www.5gradar.com/features/millimeter-wave-the-5g-mmwave-spectrum-explained
- https://www.5gworldpro.com/5g-knowledge/summary-about-5g-spectrum-arround-the-world.html
- https://advanced-television.com/2020/06/09/finland-concludes-26-ghz-5g-spectrum-auction/
- Thông tư 19/2020/TT-BTTTT ngày 20/8/2020 Quy hoạch băng tần 24,25 - 27,5 GHz cho hệ thống thông tin di động IMT của Việt Nam.