Ngày nay, công nghệ 5G được coi là nền tảng của kết nối không dây trong thế hệ tiếp theo nhờ tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp và khả năng kết nối nhiều thiết bị. Trong số các thành phần quan trọng của 5G thì công nghệ mmWave (sóng milimet) nổi lên như một yếu tố đột phá nhằm mang lại tốc độ vượt trội so với các dải tần sub-6 GHz. Tuy nhiên, để triển khai một hệ thống mmWave 5G hiệu quả thì cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các modem, RF (Radio Frequency) và ăng-ten. Bài viết này phân tích kiến trúc hệ thống mmWave 5G trong việc phối hợp hoạt động nhằm cung cấp khả năng kết nối mạnh mẽ.

Đinh nghĩa về mmWave trong 5G

Sóng milimet (mmWave) trong 5G được định nghĩa là các dải tần số cao dao động từ 24-100 GHz. Những tần số này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 10 Gbps và vượt xa khả năng của các dải tần thấp hơn. Tuy nhiên, mmWave lại có một số hạn chế đến từ phạm vi hoạt động và sự tác động của các yếu tố ngoại vi. Đầu tiên, tín hiệu mmWave có phạm vi rất ngắn so với tần số sub-6 GHz nên chúng dễ bị suy giảm khi gặp vật cản như tường, cây cối hay thậm chí cơ thể con người. Tiếp theo, các tín hiệu này khá nhạy cảm với các yếu tố môi trường như mưa hoặc sương mù khiến việc duy trì kết nối ổn định trở nên khó khăn. Để giải quyết những thách thức này, các kỹ sư đã thiết kế một kiến trúc hệ thống 5G mmWave phức tạp bao gồm ba thành phần chính là modem, RF và ăng-ten.

Modem 5G trong kiến trúc mmWave

Modem là trung tâm điều khiển của thiết bị 5G nhằm xử lý tín hiệu và quản lý kết nối với mạng không dây. Trong hệ thống mmWave 5G, modem phải đảm bảo khả năng xử lý tín hiệu tốc độ cao và độ trễ cực thấp đồng thời hỗ trợ các tính năng tiên tiến khác như beamforming và quản lý dải tần đa dạng. Modem 5G được thiết kế để hoạt động đồng thời trên nhiều dải tần số từ sub-6 GHz đến mmWave. Điều này cho phép thiết bị chuyển đổi linh hoạt giữa các tần số để duy trì kết nối ổn định. Ví dụ, khi người dùng di chuyển vào khu vực có nhiều vật cản thì modem có thể chuyển từ mmWave sang dải tần sub-6 GHz để đảm bảo kết nối không bị gián đoạn.

Một tính năng quan trọng khác của modem 5G mmWave là khả năng hỗ trợ beamforming. Trong đó, beamforming là một kỹ thuật điều khiển tín hiệu tập trung nhằm cho phép tín hiệu được định hướng chính xác đến thiết bị người dùng. Các modem tiên tiến ngày nay như Snapdragon X70 của Qualcomm có thể tích hợp thêm trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa beamforming và quản lý tín hiệu trong thời gian thực.

Ngoài ra, modem 5G mmWave cũng cần đảm bảo việc tương thích với các tiêu chuẩn mạng khác nhau như 4G LTE để đảm bảo khả năng tương tác giữa các thế hệ mạng. Sự tích hợp này đòi hỏi modem phải có khả năng xử lý phức tạp và đa nhiệm để đảm bảo thiết bị có thể cung cấp trải nghiệm liền mạch cho người dùng.

RF trong hệ thống mmWave

Hệ thống RF (Radio Frequency) là cầu nối giữa modem và ăng-ten chịu trách nhiệm truyền và nhận tín hiệu không dây. Trong kiến trúc mmWave 5G, RF đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc xử lý các tín hiệu tần số cao để đảm bảo tín hiệu được khuếch đại và lọc chính xác trước khi truyền đến ăng-ten hoặc modem. Một trong những thách thức lớn nhất của RF trong mmWave hiện nay là quản lý sự suy hao tín hiệu. Tín hiệu mmWave tự nhiên có thể bị mất năng lượng nhanh chóng khi truyền qua không gian hoặc gặp vật cản. Để giảm thiểu vấn đề này thì các bộ khuếch đại công suất và bộ khuếch đại nhiễu thấp cần được tích hợp vào thiết kế RF. Trong đó, bộ khuếch đại công suất có nhiệm vụ tăng cường tín hiệu đầu ra để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh khi đến ăng-ten trong khi bộ khuếch đại nhiễu thấp giúp khuếch đại tín hiệu yếu mà không làm tăng nhiễu.

Hệ thống RF cũng tích hợp các bộ lọc tiên tiến để loại bỏ nhiễu từ các dải tần khác. Với tín hiệu mmWave thì một lượng nhiễu nhỏ cũng có thể làm gián đoạn kết nối. Để giải quyết vấn đề này thì các kỹ sư sử dụng các bộ lọc có độ chính xác cao và được thiết kế để hoạt động ở tần số hàng chục GHz.

Cửa ngõ kết nối của ăng-ten mmWave

Ăng-ten là thành phần cuối cùng trong kiến trúc mmWave chịu trách nhiệm truyền và nhận tín hiệu không dây giữa thiết bị và trạm phát. Trong đó, Ăng-ten không chỉ là một phần cứng đơn giản mà là một hệ thống phức tạp được thiết kế để tận dụng các đặc tính của sóng milimet. Một trong những đổi mới quan trọng nhất trong thiết kế ăng-ten mmWave là sử dụng mảng pha. Mảng pha này bao gồm nhiều phần tử ăng-ten nhỏ và mỗi phần tử có thể tạo ra hoặc nhận tín hiệu riêng biệt. Bằng cách điều chỉnh pha và cường độ của tín hiệu trên mỗi phần tử thì mảng pha có thể tạo ra các chùm tín hiệu định hướng để tập trung năng lượng vào một hướng cụ thể. Beamforming được xem là yếu tố then chốt trong việc khắc phục hạn chế về phạm vi của mmWave. Khi tín hiệu được tập trung vào một hướng thì nó có thể đi xa hơn và ít bị suy giảm hơn. Tuy nhiên, để beamforming hoạt động hiệu quả thì các phần tử ăng-ten trong mảng pha phải được sắp xếp và điều chỉnh cực kỳ chính xác. Ngoài ra, ăng-ten mmWave thường được tích hợp trực tiếp vào thiết kế của thiết bị như trong khung máy của điện thoại thông minh. Việc tích hợp này đòi hỏi các kỹ sư phải cân nhắc đến kích thước, vị trí và khả năng tản nhiệt của ăng-ten đặc biệt khi các phần tử ăng-ten hoạt động ở tần số rất cao.

Một công nghệ khác đang được nghiên cứu cho ăng-ten mmWave là siêu vật liệu (meta-materials). Siêu vật liệu có khả năng điều khiển sóng điện từ theo cách mà các vật liệu thông thường không thể làm được, cho phép thiết kế ăng-ten nhỏ gọn nhưng hiệu quả cao.

Kết luận

Dù vẫn còn nhiều thách thức nhưng với các tiến bộ công nghệ sẽ ngày càng hoàn thiện kiến trúc mmWave để mang lại những lợi ích vượt trội cho người dùng và mở ra kỷ nguyên mới cho kết nối không dây. Trong tương lai, mmWave không chỉ là cốt lõi của 5G mà còn là nền tảng cho các thế hệ mạng tiếp theo.