Kinh nghiệm quốc tế về bảo vệ trạm vệ tinh mặt đất khỏi can nhiễu từ 5G trong băng tần C

Dẫn nhập

Thông tin vệ tinh băng tần C đã và đang cung cấp các dịch vụ cho các tổ chức và cá nhân trong suốt 50 năm và tiếp tục là một dịch vụ quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội trên toàn thế giới. Các tổ chức, cá nhân (không bao gồm các nhà cung cấp vệ tinh) đã đầu tư hàng tỷ USD vào hạ tầng vệ tinh mặt đất băng tần C. Hiện nay, có khoảng 200 vệ tinh địa tĩnh sử dụng băng tần C. Với đặc tính truyền sóng và khả năng chống pha-đinh do mưa nên băng tần C có khả năng cung cấp vùng phủ sóng rất tốt.

Ngành công nghiệp di động gần đây đã đạt được những thành tựu lớn và dần thay thế dịch vụ vệ tinh băng tần C. Công nghệ 5G và các công nghệ di động tiên tiến khác đang quan tâm tới việc sử dụng băng tần C. Một số quốc gia trên thế giới đã phải đưa ra những quyết định khó khăn về cách phân bổ phổ tần giữa sự phát triển kỳ vọng của 5G và vai trò quan trọng của dịch vụ vệ tinh đã và đang sử dụng trong hơn 50 năm qua. Các quốc gia đều phải tính toán các yếu tố kỹ thuật, kinh tế trước khi đưa ra bất kỳ quyết định nào. Khi cấp phép cho 5G sử dụng băng tần C, cần cân nhắc tới các yếu tố sau:

• Cân bằng giữa nhu cầu dịch vụ vệ tinh băng tần C và nhu cầu thực tế cho dịch vụ 5G.
• Áp dụng các biện pháp kỹ thuật thích hợp để đảm bảo rằng hệ thống vệ tinh băng tần C có thể tiếp tục hoạt động mà không bị can nhiễu.

Băng tần C được phân bổ cho nghiệp vụ cố định (FS) và cố định qua vệ tinh (FSS) làm nghiệp vụ chính trên toàn cầu. Băng tần này hiện cũng được phân bổ cho nghiệp vụ di động (Mobile Service – MS) làm nghiệp vụ chính hoặc nghiệp vụ phụ tùy thuộc vào từng quốc gia.

Sự phát triển của thông tin vệ tinh băng tần C

Thông tin vệ tinh băng tần C được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông trong nhiều lĩnh vực khác nhau và tiếp tục là một thành phần quan trọng của cơ sở hạ tầng viễn thông ngày nay và trong tương lai gần. Hiện, thông tin vệ tinh băng tần C cung cấp một loạt các dịch vụ thiết yếu bao gồm: Phát thanh truyền hình, dẫn đường hàng không, khí tượng, cứu hộ cứu nạn và mạng đường trục viễn thông qua trạm VSAT (Very Small Aperture Terminal).

Việc triển khai thông tin vệ tinh băng tần C của từng quốc gia là khác nhau do phụ thuộc vào các yếu tố như: Hạ tầng thông tin liên lạc hiện có, vị trí địa lý và khí hậu. Với các quốc gia có cơ sở hạ tầng viễn thông tốt, thông tin vệ tinh băng tần C chủ yếu sử dụng cho các dịch vụ giữa các doanh nghiệp (business to business - B2B). Tại các quốc gia với cơ sở hạ tầng hạn chế, khí hậu khắc nhiệt và vị trí địa lý không thuận lợi, thông tin vệ tinh băng tần C được sử dụng phổ biến hơn, bao gồm dịch vụ B2C (business to consumer) và B2B. Truyền hình qua vệ tinh (sử dụng ăng ten nhỏ, số lượng nhiều, vị trí phân tán rộng khắp) là một trong những dịch vụ B2C phổ biến nhất.

Việc nắm được số lượng, vị trí và tham số cụ thể các đài vệ tinh mặt đất là một yếu tố quan trọng để giúp cơ quan quản lý phân tích và tính toán phân bổ tần số cho 5G trong băng tần C.

Cơ chế gây nhiễu từ 5G tới đài vệ tinh mặt đất

Đài vệ tinh mặt đất sẽ bị ảnh hưởng can nhiễu từ 5G khi hoạt động ở các băng tần liền kề (nhiễu kênh lân cận). Do đó, cần thực hiện các biện pháp kỹ thuật để giảm thiểu can nhiễu xảy ra với máy thu của đài vệ tinh mặt đất. Có hai cơ chế nhiễu chính giữa 5G và đài vệ tinh mặt đất:

- Do bão hòa bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA/LNB) của đài vệ tinh mặt đất.

- Do phát xạ ngoài băng (OOBE) của trạm gốc 5G tạo ra, dẫn đến nhiễu trong băng ảnh hưởng tới các đài vệ tinh mặt đất.

Trong cơ chế thứ nhất, do thiết bị 5G có mức công suất lớn dẫn đến làm bão hòa các bộ khuếch đại tạp âm thấp của đài vệ tinh mặt đất. Các bộ LNA/LNB được thiết kế có độ nhạy lớn để thu tín hiệu từ quả vệ tinh từ khoảng cách 36.000 km. Các đài vệ tinh mặt đất sẽ không thể hoạt động được nếu không có bộ lọc thông dải.

Trong cơ chế thứ hai, phát xạ ngoài băng từ trạm gốc 5G sẽ gây nhiễu vào băng tần vệ tinh lân cận, do đây là nhiễu đồng kênh nên bộ lọc thông dải của đài vệ tinh mặt đất không thể lọc loại bỏ các phát xạ này.

Bão hòa bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA/LNB)

Tín hiệu phát từ quả vệ tinh trong băng tần C truyền đi 36.000 km trong quỹ đạo địa tĩnh tới trái đất, dẫn đến mức tín hiệu của vệ tinh sẽ rất thấp khi so sánh với mức tín hiệu của một trạm gốc 5G trên mặt đất.

Để đảm bảo thu được tín hiệu vệ tinh, các đài vệ tinh mặt đất được thiết kế để tách tín hiệu có mức công suất sóng mang tương đối thấp bằng cách sử dụng bộ khuếch đại LNB. Trong Hình 2, với mức giới hạn hoạt động của bộ LNB đài vệ tinh mặt đất là -55 dBm, từ đó ta tính được mức ngưỡng (margin) là 16 dB từ mức tổng công suất sóng mang -72 dBm.Hình 1 cho thấy mức thu tín hiệu băng tần C đo được tại đầu ra của ăng-ten đường kính 4,5 m thu tín hiệu từ quả vệ tinh Intelsat Galazy 3C. Tổng công suất sóng mang của bộ phát đáp 11-C trên băng thông 30 MHz là -83 dBm (-98 dBm/MHz + 10*log10(30) = -83 dBm ) và mức C/N là 17 dB. Nếu quả vệ tinh hoạt động toàn tải với 12 bộ phát đáp ở cùng một phân cực thì tổng công suất sóng mang xấp xỉ -72 dBm. Mức công suất này đủ để bộ LNA/LNB có thể thu và giải mã tín hiệu.

Giả sử, trạm 5G có mức công suất phát xạ EIRP là 65 dBm/MHz. Ta cần tính toán mức tín hiệu 5G thu được tại đài vệ tinh mặt đất, việc tính toán phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là: khoảng cách giữa trạm gốc 5G với đài vệ tinh mặt đất; độ lợi ăng-ten trạm gốc 5G theo hướng của đài vệ tinh mặt đất, suy hao do tán xạ,…

Intelsat có tính toán, mô phỏng dựa vào tham số: Công suất tại đầu vào bộ LNB của ăng-ten đường kính 4,5 m đài vệ tinh mặt đất đặt tại Orlando, Florida (-81.373^oW/ 28.477^oN), độ cao ăng-ten 10 m, góc ngẩng của đài vệ tinh mặt đất là 54^o để thu tín hiệu từ quả vệ tinh Galaxy 3C (vị trí quả vệ tinh 95^o đông) hoặc góc ngẩng 25^o để thu tín hiệu từ quả vệ tinh Galaxy 15 (vị trí quả vệ tinh 133^o đông). Trạm gốc có độ cao 10 m, trạm gốc 5G có công suất EIRP 65 dBm/ MHz và băng thông phát 100 MHz.

Hình dưới đây là kết quả phân tích với vị trí quỹ đạo vệ tinh Galaxy 3C (95^o đông) và Galaxy 15 (133^o đông), vị trí của đài vệ tinh mặt đất là vị trí trung tâm (x=0, y=0) và đường nét đứt màu xanh thể hiện góc phương vị của đài vệ tinh mặt đất tới quả vệ tinh. Giả sử mức ngưỡng của bộ LNB là -59 dBm thì trạm gốc 5G cần cách đài vệ tinh mặt đất tối thiểu 18 km để tránh quá tải cho bộ LNB (tính với trường hợp xấu nhất). Kết quả mô phỏng cho thấy khoảng cách địa lý bảo vệ đài vệ tinh mặt đất khỏi bị nhiễu từ 5G là rất lớn và không thực tế do đó cần có giải pháp kỹ thuật khác để giảm thiểu can nhiễu.

Nhiễu do phát xạ ngoài băng (OOBE)

Do trạm gốc 5G có mức công suất phát lớn dẫn tới mức phát xạ ngoài băng OOBE cũng sẽ tác động tiêu cực đến khả năng thu tín hiệu của đài vệ tinh mặt đất hoạt động trong băng tần lân cận. Nhà mạng 5G phải có trách nhiệm áp dụng biện pháp kỹ thuật để giảm thiểu mức phát xạ OOBE đến mức có thể chấp nhận được nhằm cho phép các đài vệ tinh mặt đất có thể hoạt động mà không bị nhiễu, như là: Sử dụng trạm gốc 5G công suất thấp; thay đổi mặt nạ phát xạ OOBE của trạm gốc; sử dụng công nghệ MIMO để không phát sóng tới hướng có đài vệ tinh mặt đất đang hoạt động; triển khai trạm mico-cell gần đài vệ tinh mặt đất, chuyển giao (roaming) các thiết bị đầu cuối 5G sang hoạt động ở băng tần khác.

Giải pháp giảm thiểu can nhiễu

Như đã trình bày ở trên, do công suất tín hiệu 5G tại đầu vào đài vệ tinh mặt đất lớn dẫn tới làm bão hòa bộ LNB và vệ tinh sẽ bị mất tín hiệu. Giải pháp tốt nhất để loại bỏ phát xạ không mong muốn từ 5G là lắp thêm bộ lọc RF giữa đầu ra của ăng-ten và đầu vào bộ LNB.

Hình 4: Giải pháp sử dụng bộ lọc thông dải để bảo vệ đài vệ tinh mặt đất

Ảnh hưởng của tham số bộ lọc tới khoảng cách bảo vệ giữa 5G và đài vệ tinh mặt đất

Hiện nay, 5G đang trong giai đoạn đầu triển khai chủ yếu tập trung ở khu vực nội thành. Tuy nhiên, về lâu dài 5G sẽ được triển khai rộng rãi hơn. Mức công suất EIRP của 5G sẽ cao hơn để cung cấp dịch vụ tại khu vực nông thôn và xuyên qua các tòa nhà. Do đó, để bảo vệ các đài vệ tinh mặt đất khỏi nhiễu từ 5G, bắt buộc phải thiết kế bộ lọc thông dải tốt, khuyến nghị sử dụng bộ lọc có tham số chặn dải (rejection) lớn hơn 60 dB.

Hình 5: Đáp ứng tần số của các loại bộ lọc A, B, C

Bộ lọc A, B, C có độ chặn dải (Rejection) bằng 60 dB tại tần số 200 MHz, 100 MHz và 20 MHz. Bộ lọc C là bộ lọc thông dải tiêu chuẩn tốt nhất và yêu cầu ít  tần số để chuyển đổi từ trạng thái thông dải sang chắn dải với cùng tham số Rejecton 60 dB. Đáp ứng tần số của bộ lọc là tham số quan trọng nhất để đài vệ tinh mặt đất có thể hoạt động mà ít bị ảnh hưởng can nhiễu từ 5G. Bên cạnh đó, cũng cần lưu ý tới các tham số khác của bộ lọc thông dải như suy hao ghép nối, suy hao do phản xạ và độ trễ.

Hình 6: Khoảng cách bảo vệ giữa 5G và đài vệ tinh mặt đất phụ thuộc vào tham số của bộ lọc thông dải

Hình 6 chỉ ra khoảng cách bảo vệ phụ thuộc vào băng tần bảo vệ (spectrum gap) giữa 5G và vệ tinh tương ứng với 3 loại bộ lọc khác nhau. Mỗi loại bộ lọc sẽ có khoảng cách bảo vệ khác nhau để các bộ LNA/LNB không bị bão hòa từ trạm gốc 5G EIRP 50 dBm/MHz hoặc 65 dBm/MHz.

Bảng 1: Khoảng cách bảo vệ đài vệ tinh mặt đất tránh nhiễu khỏi 5G

Bảng phía trên là khoảng cách bảo vệ đài vệ tinh mặt đất tránh khỏi can nhiễu từ 5G với giả thiết băng tần bảo vệ giữa 5G và vệ tinh là 20 MHz, công suất của trạm gốc 5G EIRP là 50 dBm/MHz hoặc 65 dBm/MHz. Rõ ràng là bộ lọc loại C sẽ yêu cầu khoảng cách bảo vệ thấp hơn so với bộ lọc loại A, B. Cụ thể, bộ lọc loại C chỉ yêu cầu khoảng cách bảo vệ 350 m khi 5G phát với công suất EIRP 65 dBm/MHz.

Trong thực tế, khoảng cách bảo vệ này có thể giảm xuống do phụ thuộc vào vị trí đặt, góc ngẩng của ăng-ten của trạm gốc 5G, tầm nhìn thẳng giữa trạm gốc 5G với đài vệ tinh mặt đất, địa hình thực tế (che chắn nhà cửa, đồi núi, cây cối,…).

Kết luận

Trước khi cho phép triển khai mạng di động 5G trong băng tần 3400-4200 MHz, cơ quan quản lý cần đưa ra các quy định, hướng dẫn kỹ thuật nhằm đảm bảo hoạt động của các đài vệ tinh mặt đất trong băng tần C. Các giải pháp giảm thiểu can nhiễu cần dựa trên nhiều yếu tố khác nhau như là: Mật độ, số lượng đài vệ tinh mặt đất, vị trí đặt, các thông số của trạm gốc 5G và kế hoạch triển khai hạ tầng mạng 5G.

Tài liệu tham khảo:  

[1] https://www.intelsat.com/global-network/satellite-network

[2] ITU-R Report S.2368 - Sharing studies between IMT systems and GSO networks in the fixed-satellite service  in the 3400-4200 MHz.

[3]  ITU-R  Report M.2109 - Sharing studies between IMT Advanced systems and geostationary satellite networks in the fixed-satellite service in the 3 400-4 200 and 4500-4800 MHz frequency bands.