Từ năm 2017, trước khi các chuẩn công nghệ 5G được định hình trên thế giới, nhóm nghiên cứu của Viện Điện tử Viễn thông thuộc ĐH Bách khoa Hà Nội do TS Nguyễn Khắc Kiểm dẫn đầu đã phát triển một nguyên mẫu ăng ten MIMO cùng phần cứng xử lý tín hiệu và thuật toán điều khiển cho phép các sóng tín hiệu bám theo người dùng theo tốc độ di chuyển của họ.
Di chuyển hướng búp sóng theo người dùng
Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trong một chiếc xe ô tô đi từ quán cafe A đến văn phòng làm việc B của thành phố. Bạn đang xem một video chất lượng cao thì bất chợt hình ảnh bị đứng lại. Màn hình xuất hiện vòng tròn nhỏ quay tròn báo đang tải dữ liệu. Bạn phải chờ vài giây, thậm chí là vài phút để hình ảnh xuất hiện trở lại trên điện thoại. Có nhiều lý do cho sự “bất tiện khó chịu” này, một trong số đó là bởi kết nối mạng kém hoặc chập chờn.
Nếu biết một chút về công nghệ di động 3G, 4G và 5G hiện nay, bạn sẽ có một hình dung rất thú vị. Trong mạng 3G, 4G, sóng di động từ một trạm phát sẽ tỏa ra theo hình rẻ quạt, bất kì một chiếc điện thoại thông minh nào nằm trong phạm vi đó đều có thể nhận được tín hiệu. Nhưng khi bước ra ngoài ranh giới đó thì tín hiệu sẽ bị đứt. Đôi khi chúng ta không cảm nhận được sự gián đoạn này vì ta đã bước vào một hình rẻ quạt tín hiệu khác trước khi mất sóng. Tuy nhiên, không thể phủ nhận là ngày nay, các sóng 3G, 4G ngày càng “yếu đi” trước nhu cầu sử dụng thiết bị di động tăng vọt và lượng thông tin lưu chuyển khổng lồ.
Đến thế hệ 5G, các nhà phát triển có ý tưởng tiếp cận theo cách khác. Họ muốn hướng tín hiệu đến thiết bị mục tiêu cụ thể thay vì lan tỏa trong cả một khu vực rộng lớn có thể không có người dùng. Cách tiếp cận này gọi là điều khiển hướng búp sóng (beamforming). Điều này sẽ giúp tín hiệu 5G được tập trung, do vậy cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ nhanh hơn và độ trễ ít hơn hàng chục lần thế hệ di động trước.
Nếu như mạng 4G được xây dựng bằng số ít cột tín hiệu lớn, xây cách nhau hàng kilomét, mỗi cột có khoảng 12-32 đầu thu nhận ăng ten hoạt động trên dải tần dưới 6 GHz, thì mạng 5G sẽ sử dụng một loạt cột thu phát tín hiệu có kích thước chỉ nhỏ như chiếc hộp gắn trên cột điện, chứa từ 64-256 đầu ăng ten kết nối với nhau và có khả năng hướng các chùm sóng radio dải tần cao trên 20GHz tới thiết bị di động. Thiết kế này của mạng 5G cũng mở ra khả năng ứng dụng một loạt công nghệ IoT cần liên tục gửi và nhận tín hiệu xung quanh như xe tự lái, phẫu thuật từ xa hoặc đô thị thông minh.
Phát triển nguyên mẫu để làm chủ công nghệ ở Việt Nam
Từ năm 2017, trong khuôn khổ chương trình Nghị định thư của Bộ Khoa học và Công nghệ, nhóm nghiên cứu ở Viện Điện tử Viễn thông thuộc trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã hợp tác với các chuyên gia của Đại học Bách khoa Turin, Italia để phát triển những thiết kế nguyên mẫu cho thế hệ di động mới kể trên.
“Chúng tôi kết hợp công nghệ MIMO, tức đa đầu vào đa đầu ra, với Beamforming, tức điều khiển búp sóng hướng tới người dùng để giải quyết bài toán kỹ thuật cho mạng di động 5G”, TS Nguyễn Khắc Kiểm, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết.
Mặc dù đại diện nhóm tự thấy rằng đây không phải là một nghiên cứu quá “đột phá” bởi công nghệ MIMO đã được áp dụng trong thế hệ mạng từ 4G trở lại trước và Beamforming cũng được phổ biến trong các thiết bị rada quân sự và gần đây là một số bộ định tuyến Wifi mới, tuy nhiên theo anh “việc làm chủ được công nghệ ở mức cơ bản sẽ giúp tương lai chúng ta có thể mở ra các nghiên cứu ở trình độ cao hơn và phát triển các thiết bị 5G nội địa”.
Khi bắt đầu nhiệm vụ, công nghệ sau 4G còn chưa được định hình rõ rệt và đặt tên như hiện nay. Các nhà khoa học của Viện Điện tử Viễn thông đã thử nghiệm theo hướng “dò đá qua sông”. Họ tìm đọc các bài báo quốc tế về lý thuyết mô hình truyền dẫn, toán học và cấu trúc bức xạ; tổ chức các buổi thảo luận với chuyên gia trong và ngoài nước về công nghệ sau 4G, và làm việc với một số doanh nghiệp công nghệ tiên phong. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã dần hình thành được ý tưởng về cách tiếp cận của mình.
“Chúng tôi có ưu thế của một đơn vị nghiên cứu đa lĩnh vực trong mảng viễn thông. Điều này giúp ích rất nhiều cho việc tiếp cận 5G để có thể ra được sản phẩm tương đối hoàn thiện.” TS Nguyễn Khắc Kiểm chia sẻ. Nhóm nghiên cứu của anh chia làm ba đội, tập trung vào ba cấu phần chuyên môn gồm: thiết kế ăng ten, xử lý số và tín hiệu, và lập trình thuật toán điều khiển.
Các nhà nghiên cứu lựa chọn thử nghiệm với dải tần thấp dưới 6GHz - ở đó chi phí không quá lớn, linh kiện điện tử kèm theo cũng sẵn có trên thị trường, và có thể dùng lại các vùng tần số chưa khai thác hết. Các mã lập trình điều khiển cũng được nháp đi nháp lại nhiều lần trên nền tảng “chíp trắng” FPGA trước khi ra kết quả tối ưu.
Kết quả, họ đã nắm được được quy trình tạo ra mẫu anten MIMO với 64 phần tử thu phát tín hiệu hoạt động ở tần số 5,8 GHz, cùng phần mềm nhúng trên nền tảng FPGA cho phép điều khiển từ ba búp sóng trở lên. Các búp sóng có thể quét ở độ phân giải góc dưới 10° - tức có khả năng di chuyển khá “mượt” khi hướng tín hiệu phục vụ từ thiết bị này sang thiết bị di động khác. Điều này giúp tín hiệu 5G có thể phục vụ gián đoạn hàng chục người dùng trong phạm vi của mình mà không ai cảm nhận được sự thay đổi chỉ diễn ra trong vài phần chục giây. Các thiết bị này đã được kiểm nghiệm kỹ thuật ở phòng đo tiêu chuẩn tại Đại học Bách khoa Turin. Nhóm nghiên cứu cũng đã công bố tám bài báo khoa học liên quan trong và ngoài nước, trong đó có ba bài báo thuộc danh mục tạp chí ISI-Scopus.
“Dĩ nhiên, đây mới chỉ là một nghiên cứu thử nghiệm ở quy mô nhỏ. Sẽ cần đầu tư hơn nữa nếu muốn chuyển giao và mở rộng ra quy mô công nghiệp, chẳng hạn như chuyển từ dải tần thấp dưới 6GHz sang dải tần cao trên 20GHz”, TS Nguyễn Khắc Kiểm nói. Anh cũng lưu ý điều quan trọng nhất là nắm được công nghệ lõi về thuật toán điều khiển beamforming. Theo anh, đó là ưu thế “know-how”quan trọng trong công nghệ 5G mà mọi công ty đều muốn làm chủ. Khi đưa ra sản xuất đại trà, các mạch logic xây trên nền FPGA có thể ghi sang chip IC hoặc các bộ vi xử lý khác nhằm đáp ứng tốc độ xử lý nhanh chóng và chi phí rẻ.
Trong hai năm gần đây, thị trường 5G đã trở nên sôi động. Trên thế giới, các hãng công nghệ lớn như Huawei, Qualcomm, Samsung, Cisco, AT& T, ZTE, LG, Ericsson đã lần lượt tung các thiết bị và giới thiệu chuẩn 5G của mình. Trong nước, các doanh nghiệp dẫn đầu như Viettel, VinSmart, VNPT Technology cũng đã nhận thấy tiềm năng thị trường và bắt đầu phát triển các trạm thu phát sóng hoặc thử nghiệm công nghệ. Điều này mở ra cơ hội lớn cho Việt Nam theo kịp được làn sóng nghiên cứu công nghệ mới và đáp ứng phần nào nhu cầu thiết bị 5G trong nước. Theo lộ trình, phải đến cuối năm 2020 hoặc 2021, thế giới mới thiết lập được tiêu chuẩn cho 5G.