Ngày nay, việc truyền tải và nhận tín hiệu đã được cách mạnh hóa bằng công nghệ 5G với tốc độ nhanh chóng và độ trễ thấp. Trong đó, các moden, RF và ăng-ten là một trong những yếu tố cốt lõi giúp 5G đạt được điều này. Bài viết này sẽ phân tích các công nghệ tiên tiến nhằm thúc đẩy tiềm năng của 5G.

mmWave là gì?

Theo định nghĩa, công nghệ sóng milimet (mmWave) là một phần quan trọng của 5G, hoạt động trong dải tần số từ 24 đến 100 GHz và nó có thể đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 10 Gbps. Mặc dù vượt trội hơn so với các công nghệ sóng khác, nhưng công nghệ sóng milimet cũng có những hạn chế nhất định, điển hình là phạm vi phủ sóng hạn chế. Ngoài ra, tín hiệu mmWave cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như mưa, cây cối, dẫn đến giảm hiệu suất hoạt động. Do đó, để khắc phục những trở ngại này đòi hỏi cần có các công nghệ tiên tiến đặc biệt là việc trong thiết kế modem 5G, hệ thống RF và ăng-ten.

Vai trò của Modem 5G trong xử lý dữ liệu mmWave

Hiện nay, modem là thành phần cốt lõi trong các thiết bị 5G nhằm xử lý và quản lý các luồng dữ liệu. Do các modem 5G ngày nay đã phát triển đáng kể so với các thế hệ 4G trước đây nên chúng sẽ xử lý các tín hiệu phức tạp của mmWave. Và để đảm bảo sự kết nối liên tục thì một modem 5G sẽ cần phải hỗ trợ nhiều dải tần bao gồm cả sub- GHz và mmWave. Do đó, nó đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để quản lý tốc độ dữ liệu cao và độ trễ thấp của mmWave. Trong các modem hiện đại ngày nay như Qualcomm Snapdragon X70 hay MediaTek Dimensity đều được tích hợp các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa hiệu suất tín hiệu theo thời gian thực. Ngoài ra, modem 5G phải giải quyết vấn đề beamforming để định hướng tín hiệu mmWave tới các thiết bị cụ thể. Beamforming cũng đòi hỏi modem phải phối hợp nhịp nhàng với ăng-ten và hệ thống RF để đảm bảo tín hiệu được truyền tải và tiếp nhận một cách hiệu quả. 

Cầu nối giữa Modem và Ăng-Ten bằng hệ thống RF

Hệ thống RF đóng vai trò trung gian trong việc truyền tải và tiếp nhận tín hiệu của mmWave thông qua việc khuếch đại và lọc tín hiệu để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh và rõ ràng để truyền thông. Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế RF cho mmWave là quản lý việc khuếch đại tín hiệu. Điều này xuất phát từ việc các tín hiệu tần số cao thường bị suy giảm đáng kể khi truyền đi xa vì vậy hệ thống RF phải bao gồm các bộ khuếch đại nhiễu thấp và bộ khuếch đại công suất để tăng cường tín hiệu mà không gây ra quá nhiều nhiễu. Các bộ khuếch đại này được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở tần số mmWave và sử dụng các vật liệu bán dẫn tiên tiến như gallium nitride, silicon germanium… Ngoài ra, hệ thống RF phải bao gồm các bộ lọc để loại bỏ nhiễu từ các dải tần liền kề. Ngày nay, các thiết kế RF hiện đại sử dụng các bộ lọc có độ chọn lọc cao và có khả năng cô lập tín hiệu mong muốn với độ chính xác cao. Một khía cạnh quan trọng khác của hệ thống RF là khả năng hỗ trợ công nghệ nhiều ăng-ten bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten để truyền và nhận dữ liệu đồng thời nhằm tăng băng thông và cải thiện độ tin cậy. 

Đưa dữ liệu mmWave vào thiết bị thông qua Ăng-ten

Ăng-ten là mảnh ghép cuối cùng trong việc đưa dữ liệu mmWave vào thiết bị. Ăng-ten mmWave có điểm đặc biệt hơn các ăng-ten truyền thống là chúng được thiết kế để hoạt động ở tần số cực cao với mức tổn thất tối thiểu. Một trong những đổi mới nổi bật nhất trong ăng-ten mmWave là việc sử dụng các mảng pha, trong mỗi mảng sẽ bao gồm nhiều phần tử ăng-ten nhỏ phối hợp để tạo thành một chùm tín hiệu định hướng. Do vậy, ăng-ten có thể điều khiển chùm tín hiệu theo một hướng cụ thể bằng cách điều chỉnh pha và cường độ của tín hiệu tại mỗi phần tử. Khả năng này rất quan trọng để thực hiện beamforming nhằm giúp duy trì kết nối ổn định với tín hiệu mmWave. Các mảng pha thường được tích hợp trực tiếp vào khung máy của thiết bị để cho phép thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả. Việc tích hợp này đòi hỏi độ chính xác cao trong việc sắp xếp và định vị các phần tử ăng-ten do đặc tính bước sóng nhỏ của mmWave. Vì vậy, các kỹ sư cũng phải cân nhắc vấn đề quản lý nhiệt do sự sắp xếp dày đặc của các thành phần có thể tạo ra nhiệt lượng lớn trong quá trình hoạt động. Một đổi mới khác trong ăng-ten mmWave là việc sử dụng các siêu vật liệu được thiết kế đặc biệt với các tính chất điện từ độc đáo. Siêu vật liệu này có thể điều khiển sóng điện từ theo những cách mà các vật liệu truyền thống không thể làm được để tạo ra các thiết kế ăng-ten hiệu quả và nhỏ gọn hơn.

Các thách thức trong việc truyền tín hiệu

Hiện nay, những thách thức lớn nhất của công nghệ mmWave đến từ phạm vi hạn chế và dễ bị cản trở. Để giải quyết những vấn đề này thì các kỹ sư đã phát triển nhiều giải pháp như các trạm phát nhỏ và bộ lặp tín hiệu. Trong đó, các trạm phát nhỏ là các trạm phát công suất thấp nhằm cung cấp vùng phủ sóng cục bộ cho tín hiệu mmWave. Do vậy, các nhà mạng có thể đảm bảo người dùng luôn nằm trong phạm vi của tín hiệu mmWave thông qua việc triển khai các trạm phát nhỏ tại các khu vực đông đúc. Và các trạm phát nhỏ này có thể phối hợp với các trạm phát lớn để cung cấp phạm vi phủ sóng rộng hơn bằng các tần số sub-6 GHz.

Trong khi đó, bộ lặp tín hiệu có công dụng khuếch đại và tái phát tín hiệu mmWave để mở rộng phạm vi. Các thiết bị này đặc biệt hữu ích trong việc vượt qua các chướng ngại vật như tường và tòa nhà. Bằng cách đặt các bộ lặp tín hiệu tại các vị trí chiến lược trong mạng lưới như vậy thì các nhà mạng có thể tạo ra một hệ thống mmWave mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn.

Ngoài ra, các tiến bộ trong phần mềm cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu các thách thức về truyền tín hiệu. Các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo có thể dự đoán và thích nghi với các thay đổi trong môi trường, tối ưu hóa hiệu suất của mạng mmWave theo thời gian thực.