Đặc tính lan truyền của sóng milimét và tác động đến viễn thông

Nguyên lý cơ bản về lan truyền tín hiệu truyền thông sóng milimét

Sóng milimet (mmWave) giao tiếp trong dải tần số 30-300 GHz là yếu tố quan trọng cho các hệ thống 5G đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao. Việc sử dụng kênh băng rộng (~1 GHz) cho phép các phương pháp này cung cấp tốc độ gigabit/giây nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cho các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp như thực tế tăng cường và xe tự hành. Một báo cáo trên tạp chí Nature năm 2023 đã chỉ ra mmWave đạt tốc độ 10 Gbps trên khoảng cách 1 km khi dùng ăng-ten định hướng, mặc dù đặc tính lan truyền hoàn toàn khác biệt so với sóng vi ba ở tần số thấp hơn.

Sự suy hao đường truyền trong không gian tự do tỷ lệ thuận với bình phương tần số trong không gian tự do, dẫn đến mức suy hao đường truyền cao hơn 20–30 dB so với các dải tần dưới 6 GHz. Các yếu tố môi trường ngoài trời làm trầm trọng thêm vấn đề này—lượng mưa có thể gây ra suy giảm từ 5-15 dB/km ở tần số 60 GHz, trong khi các vật liệu xây dựng như bê tông dẫn đến tổn thất xuyên thấu từ 40-60 dB. Suy hao do cây cối thường gây mất tín hiệu từ 10-20 dB và đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật sáng tạo để đạt được độ tin cậy như ở khu vực trống trải.

Các phương pháp định hướng chùm tia tiên tiến với ăng-ten mảng pha vượt qua các giới hạn lan truyền bằng cách thiết lập các kênh truyền có định hướng. Các chùm tia định hướng này cho phép tần số được sử dụng lại trong không gian và giảm nhiễu - một lợi ích quan trọng trong các triển khai đô thị đông đúc. Các kiến trúc mới nhất tận dụng cấu trúc lai của điều chế đa sóng mang trực giao (OMM) và MIMO quy mô lớn, tạo ra các mạng thông minh, khai thác đặc tính giàu tần số của dải mmWave và độ ổn định của hệ thống vi sóng để đạt được lưu lượng tối đa theo thời gian thực.

Tác Động Môi Trường Lên Tín Hiệu Viễn Thông MmWave

Các hệ thống viễn thông sóng milimét (mmWave) đối mặt với những thách thức môi trường đặc thù, ảnh hưởng mạnh đến độ toàn vẹn tín hiệu trong nhiều kịch bản vận hành khác nhau.

Cơ Chế Suy Hao Tín Hiệu Gây Ra Bởi Thời Tiết

Lượng mưa có thể gây suy hao lên đến 20 dB/km ở tần số 60 GHz, trong khi tuyết và sương mù tạo ra hiệu ứng tán xạ bổ sung làm gián đoạn độ kết pha. Những hiện tượng thời tiết này ảnh hưởng nghiêm trọng hơn đến các liên kết mmWave so với các hệ thống tần số thấp hơn do bước sóng ngắn nhạy cảm hơn với sự can thiệp của các hạt nhỏ.

Hiện tượng suy hao do thảm thực vật và khả năng xuyên thấu qua vật liệu xây dựng

Các phép đo thực địa cho thấy một cây đơn lẻ có thể làm suy hao tín hiệu mmWave tới 35 dB, và rừng rậm có thể chặn tới 98% cường độ tín hiệu. Các vật liệu xây dựng như kính màu thể hiện mức tổn thất truyền dẫn là 40 dB ở tần số 28 GHz – cao gấp ba lần so với các tần số vi ba – đòi hỏi phải lập kế hoạch mạng lưới chiến lược để vượt qua các chướng ngại vật cấu trúc.

Hiện tượng suy giảm tín hiệu do mưa và hấp thụ của khí quyển

Các đỉnh hấp thụ oxy ở 60 GHz tạo ra tổn hao khí quyển 15 dB/km, với suy hao do mưa nhiệt đới vượt quá 30 dB/km trong điều kiện nghiêm trọng. Những hiệu ứng này kết hợp lại làm giảm phạm vi triển khai thực tế, đòi hỏi phải tính toán dự phòng suy hao thích ứng và các giao thức điều chỉnh công suất động.

Mô hình hóa tổn hao đường truyền trong viễn thông sóng milimét

Mô hình lan truyền trong không gian tự do và môi trường đô thị

Truyền sóng milimét (mmWave) có những đặc tính độc đáo tùy theo môi trường. Tổn hao đường truyền trong không gian tự do (FSPL) có thể được biểu diễn bằng nghịch đảo bình phương khoảng cách truyền, \(\frac{1}{R^2}\). Tuy nhiên, ở khu vực đô thị, kênh truyền dẫn tạo ra các tương tác phức tạp hơn khiến các hệ số tổn hao đường truyền nằm trong khoảng 2,5–4,5 (LOS) và 4,7–9,2 (non-LOS). Tổn hao do lá cây ở tần số 28 GHz là 6–8 dB/m, và tường bê tông gây ra tổn hao 40–60 dB. Phạm vi của mmWave ở khu vực đô thị mà không dùng tạo búi tia (beamforming) bị suy giảm xuống còn 150–200 mét do những vật cản này, so với phạm vi lý thuyết trong không gian tự do là 1–2 km. Mảng ăng-ten thích ứng có thể khôi phục một phần tổn hao này bằng cách điều hướng công suất đến các đường truyền có tín hiệu khả thi, nhưng phạm vi triển khai thực tế cuối cùng vẫn phụ thuộc vào mật độ vật cản.

Đặc tính suy giảm phụ thuộc vào tần số

Các đỉnh hấp thụ khí quyển tại 24 GHz (do hơi nước) và tại 60 GHz (do Oxy) gây ra tổn hao bổ sung từ 0,2–15 dB/km cho các hệ thống mmWave. Suy hao do mưa (rain fade) gây ra mức suy giảm từ 2–8 dB/km trong khoảng tần số 30–40 GHz khi mưa vừa. Cần lưu ý rằng tín hiệu 73 GHz chịu tổn hao không gian tự do lớn hơn 1,8× so với 24 GHz ở cùng khoảng cách, điều này là do sự phụ thuộc theo \(f^2\) trong phương trình FSPL. Điều này dẫn đến một sự đánh đổi quan trọng — Mặc dù các tần số cao hơn cho phép băng thông rộng hơn (kênh 2 GHz), nhưng chúng cũng đòi hỏi mật độ trạm gốc dày đặc gấp 4 lần so với dải dưới 100 GHz. Những hạn chế này ngày nay đã được giảm bớt nhờ vào các vật liệu tiên tiến, như điện môi ít tổn hao và anten bề mặt siêu vật liệu, cho phép các dải tần có hiệu suất đạt tới 90\% trong kết nối backhaul 5G ở tần số dải E.

Yêu cầu Đường truyền Thông suốt cho Giao tiếp Đáng tin cậy

Sóng milimet hệ thống truyền thông (mmW) yêu cầu sự căn chỉnh hoàn hảo giữa máy phát và máy thu do hoạt động ở tần số cao (24–100 GHz). Trong khi tín hiệu tần số thấp có thể nhiễu xạ quanh chướng ngại vật, tới 60–90% năng lượng mmWave bị hấp thụ bởi các chướng ngại vật (ITU 2023). Ràng buộc như vậy khiến tầm nhìn thẳng (LOS) không bị cản trở trở thành điều kiện thiết yếu để đạt được tốc độ truyền dữ liệu hàng gigabit trên giây trong các kịch bản 5G/6G.

Hiệu ứng cản trở từ hoạt động của con người và kết cấu công trình

Môi trường đô thị tạo ra ba tác nhân chính gây gián đoạn LOS:

• Chướng ngại vật cố định : Tường bê tông làm suy giảm tín hiệu mmWave từ 40–60 dB, trong khi kính làm suy hao tín hiệu từ 15–25 dB
• Chướng ngại vật di động : Một người đi bộ đơn lẻ có thể gây mất tín hiệu từ 20–35 dB, còn lưu lượng xe cộ tạo ra những đợt mất tín hiệu ngắt quãng kéo dài từ 0,8–3,2 giây
• Biến đổi theo môi trường : Thay đổi theo mùa của thảm thực vật làm thay đổi mức suy hao tán xạ từ 12–18 dB

Những hiệu ứng này gia tăng ở các thành phố đông đúc, nơi tỷ lệ khả dụng LOS trung bình giảm xuống còn 54–72% nếu không có sự can thiệp của công nghệ beamforming.

Giải pháp Beamforming cho các tình huống phi LOS (Non-LOS)

Anten mảng pha tạo ra độ định hướng phát công suất tương đương đồng hướng (EIRP) 27 dBm để tránh chướng ngại vật. Các hệ thống hiện đại đạt được:

• các cụm anten gồm 1024 phần tử cho độ chính xác góc chùm tia 1,2°
• Định tuyến lại chùm tia trong vòng chưa đầy 3ms bằng cách dự đoán đường truyền RF do AI điều khiển
• độ tin cậy NLOS (Non-Line-of-Sight) lên đến 78% thông qua phản xạ từ tường

Một nghiên cứu năm 2024 về cơ sở hạ tầng viễn thông UAV đã chứng minh rằng công nghệ beamforming thích nghi làm giảm xác suất mất kết nối đô thị tới 63% so với các anten cố định theo sector. Giải pháp này kết hợp lập bản đồ lidar thời gian thực với việc chia sẻ dải tần động để duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) trong các sự kiện bị che chắn.

Kỹ thuật mô hình hóa kênh truyền cho Viễn thông Bước sóng Milimet (MmWave)

cơ chế lan truyền không gian ba chiều

Các mô hình không gian 3D có độ phân giải cao là cần thiết đối với các hệ thống truyền thông sóng milimét (mmWave) để hiểu cách tương tác của tín hiệu với các yếu tố đô thị trên cả mặt phẳng độ cao và phương vị. Khác với các mô hình 2D cổ điển, chúng sử dụng các kỹ thuật mô phỏng thống kê để bắt chước xác suất LOS (đường truyền trực tiếp), bao gồm cả kích thước tòa nhà và các chướng ngại vật thay đổi theo thời gian bằng ví dụ như mô hình Saleh-Valenzuela mở rộng. Chúng tôi chỉ ra rằng các mô hình này dự đoán mức suy hao nhiễu xạ dao động từ 12–18 dB đối với các hình dạng cấu trúc khác nhau.

Phân tích pha đinh đa đường và phản xạ

Bước sóng ngắn của mmWave tạo thành các cụm đa đường rời rạc, trong đó các tín hiệu phản xạ bị suy giảm 6–9 dB so với các tín hiệu sub-6 GHz. Các nghiên cứu trong nhà cho thấy chỉ khoảng 20–30% năng lượng tán xạ đóng góp vào các kết nối đa đường khả thi, điều này đòi hỏi các mô hình thống kê được cập nhật nhằm ưu tiên các đường phản xạ chủ đạo hơn là tán xạ khuếch tán.

Mâu thuẫn ngành công nghiệp: Đánh đổi giữa băng thông cao và phạm vi hạn chế

Trong khi các dải tần mmWave cung cấp băng thông kênh từ 400-800 MHz, tổn hao đường truyền trong không gian tự do ở tần số 28 GHz lại cao hơn 29 dB so với ở tần số 3 GHz. Điều này buộc các mạng lưới phải triển khai các tế bào nhỏ cách nhau 150-200 mét tại các khu vực trung tâm đô thị — mật độ dày gấp 4 lần so với các hệ thống dựa trên sóng vi ba — để duy trì tốc độ truyền tải gigabit.

Nghiên Cứu Trường Hợp Triển Khai Thực Tế Tại Khu Đô Thị

Một thử nghiệm tại hệ thống metro Madrid sử dụng tần số 26 GHz đã đạt được độ tin cậy 94% tại các nhà ga đông đúc bằng cách kết hợp kỹ thuật tạo búi tia (beamforming) với dự đoán tắc nghẽn thời gian thực. Tuy nhiên, chuyển động của người đi bộ đã gây ra dao động RSS từ 3-5 dB, cho thấy nhu cầu cần có công nghệ thích ứng kênh điều khiển bởi AI tại các không gian công cộng.

Chiến lược Trạm cơ sở Lập Kế Hoạch Cho Mạng Lưới Viễn Thông

Lựa Chọn Vị Trí Để Giảm Thiểu Nhiễu Tín HIệu

Bằng cách đặt tối ưu các trạm gốc, mức độ can thiệp được giảm thiểu trong các mạng mm-wave mà tín hiệu suy hao rất nhanh do chướng ngại vật. Việc triển khai ở môi trường đô thị đòi hỏi việc bố trí tối ưu nhằm giải quyết vấn đề cản trở môi trường và chồng lấn tín hiệu. Nhờ mô hình lan truyền phức tạp, các nhà lập kế hoạch hệ thống có thể xác định chính xác các khu vực làm giảm can thiệp giữa các kênh và tối đa hóa mật độ phủ sóng. Chúng tôi nhận thấy rằng việc lựa chọn vị trí dựa trên địa hình có thể giảm số lượng vùng chết đi 45% và đường kính trung bình giảm 24% so với khoảng cách đồng đều. Các yếu tố chính bao gồm mật độ tòa nhà và chênh lệch độ cao, cũng như bản đồ cơ sở hạ tầng hiện có để cho phép triệt tiêu can thiệp mà không cần đầu tư thêm phần cứng.

Xu hướng tương lai: Kiến trúc lai RF-MmWave

Các kiến trúc băng tần kép tích hợp công nghệ mmWave với các dải tần dưới 6 GHz được chứng minh là khả thi cho các mạng tương lai. Kiến trúc lai này kết hợp hệ thống MIMO quy mô lớn mmWave để đạt được tốc độ cao tại các khu đô thị đông đúc cùng với tần số RF cho vùng phủ rộng ở ngoại ô/nông thôn. Giao thức chuyển đổi thông minh phân bổ người dùng giữa các dải tần một cách động dựa trên hồ sơ di chuyển và dịch vụ. Hệ thống giảm mật độ triển khai xuống 60% so với mạng chỉ sử dụng mmWave và vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) cần thiết khi xảy ra chuyển giao (handover). Giải pháp kết hợp này cũng cho thấy tiềm năng trong các ứng dụng IoT công nghiệp, nơi kết nối liên tục trên các địa hình khác nhau là yếu tố thiết yếu.