Các công nghệ mới thường tuân theo chu kỳ cường điệu cổ điển của Gartner, tiến triển từ sự đổi mới ban đầu đến sự nhiệt tình và vỡ mộng quá mức đến sự khai sáng và năng suất cuối cùng. 5G cũng không ngoại lệ. Khi các tiêu đề táo bạo và sự cường điệu xung quanh 5G nhường chỗ cho thực tế thực tế, những người ủng hộ cũng như các nhà phê bình đều đồng ý rằng một số vấn đề kỹ thuật phải được giải quyết trước khi 5G phát huy hết tiềm năng của nó. Mạng 5G dựa trên tần số sóng milimet (mmWave) trong phạm vi 24 GHz đến 40 GHz hứa hẹn nhất về kết nối không dây băng thông cao và độ trễ thấp. Tuy nhiên, mmWave công nghệ cũng đặt ra những thách thức và trở ngại đáng kể trong việc truyền sóng RF trong việc triển khai mạng 5G siêu nhanh trên quy mô lớn mà các nhà thiết kế cần phải giải quyết để khai thác tiềm năng của 5G ở mọi nơi.
Chuyển đổi 5G: Mạng không dây với tốc độ như sợi quang
Sự phát triển của di động là không bao giờ kết thúc: nhắn tin văn bản hỗ trợ 2G, 3G mang lại kết nối internet di động và 4G giới thiệu video phát trực tuyến trên thiết bị di động. 5G New Radio, thế hệ thứ năm của công nghệ di động, đã sẵn sàng để kế thừa 4G LTE ngày nay, cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh cao gấp 100 lần so với 4G, cùng với băng thông cao hơn đáng kể, độ trễ thấp hơn, tính khả dụng cao hơn và phạm vi phủ sóng nhất quán hơn.
5G sẽ là chất xúc tác cho sự đổi mới trong cách chúng ta sống, làm việc và kết nối, chuyển đổi các ngành công nghiệp và nâng cao cuộc sống của chúng ta theo những cách mà chúng ta chưa thể hình dung ra. Cũng giống như sự gia tăng của truyền thông cáp quang tốc độ cao đã cách mạng hóa Internet, mạng 5G sẽ tăng tốc kết nối di động ở mọi nơi. Tốc độ 5G giống như sợi quang với tính khả dụng của phổ 10 × sẽ làm mờ ranh giới giữa truy cập có dây và không dây trong nhà, văn phòng, nhà máy và cảnh quan thành phố của chúng ta.
Các ứng dụng được hưởng lợi từ hiệu suất chưa từng có của 5G bao gồm các phương tiện tự động hoàn toàn, liên lạc giữa các phương tiện, tòa nhà thông minh và thành phố thông minh, y tế từ xa, robot y tế, thực tế ảo và tăng cường, các dịch vụ dựa trên đám mây di động. Sự gia tăng theo cấp số nhân của các thiết bị được kết nối cho Internet vạn vật và các nhà máy, nhà kho và nhà thi đấu thể thao IoT công nghiệp sẽ là những động lực đầu tiên được hưởng lợi từ mạng 5G riêng.
mmWave: Công nghệ 5G mà tất cả chúng ta đều mong muốn
Giống như có nhiều hương vị của Wi-Fi và công nghệ không dây Bluetooth với các tính năng và mức hiệu suất khác nhau, các nhà mạng di động đang triển khai một số loại 5G với sự khác biệt đáng kể về tốc độ và độ trễ dựa trên phổ tần được sử dụng.
Có hai loại mạng 5G chính:
- Mạng mmWave 5G siêu nhanh dựa trên các băng tần siêu cao từ 24 GHz đến 40 GHz và thậm chí cao hơn, mang lại hiệu suất cực nhanh, băng thông rộng và “yếu tố tuyệt vời” mà hầu hết mọi người mong đợi từ 5G. Đây là dải tần số 5G cho phép xem phim có thời lượng đầy đủ chỉ trong vài giây chứ không phải vài phút.
- Mạng 6G dưới 5 GHz - thứ mà hầu hết mọi người hiện đang trải nghiệm trong dịch vụ 5G của họ - hỗ trợ các băng tần trung và thấp dưới 6 GHz. Dải tần số thấp dưới 1 GHz và dải tần trung bình từ 3.4 GHz đến 6 GHz.
Hiểu được sự khác biệt giữa từng loại công nghệ 5G là rất quan trọng để giải quyết các thách thức triển khai và đáp ứng kỳ vọng của người dùng cuối về băng thông và độ trễ. Loại 5G mà hầu hết người dùng đang nhận được ngày nay trên điện thoại thông minh của họ không phải là 5G cực nhanh, đa gigabit mà họ mong đợi ngay lập tức.
Mạng 4G LTE chậm hơn đáng kể so với mạng 5G của mmWave, với tốc độ tải xuống 4G dao động từ khoảng 35 Mbits / s đến hơn 50 Mbits / s. mmWave có thể cung cấp tốc độ cao tới 5 Gbits / s, nhanh hơn đáng kể so với những gì có thể với 4G LTE. Tốc độ mạng 6G dưới 5 GHz rơi vào khoảng giữa tốc độ mmWave và LTE. Trong khi các mạng dưới 6 GHz vượt trội hơn 4G LTE về thông lượng, độ trễ và băng thông, chúng kém hiệu suất mmWave.
Hầu hết người dùng tiêu dùng và doanh nghiệp sẽ không trả phí để chuyển từ 4G sang 5G trừ khi họ thấy những cải thiện đáng kể về tốc độ dữ liệu, độ trễ và băng thông. mmWave là dạng công nghệ 5G duy nhất mang lại trải nghiệm người dùng vượt trội đáng kể. Đó là 5G mà tất cả chúng ta đều muốn.
Triển khai mmWave 5G: Thách thức và cơ hội
Tiềm năng to lớn của công nghệ mmWave đi kèm với những thách thức lớn. Tốc độ mạng mmWave trong thế giới thực thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào phạm vi, bộ chặn tín hiệu và khoảng cách với tháp 5G hoặc tế bào nhỏ gần nhất. Mặc dù mạng 5G của mmWave cực nhanh nhưng chúng cũng có phạm vi rất ngắn. Để nhận tín hiệu mmWave, người dùng phải ở trong một hoặc hai khối của tháp 5G mà không có vật cản tầm nhìn (LOS). Tín hiệu sóng mm tần số cao dễ dàng bị chặn bởi các tòa nhà, tường, cửa sổ và tán lá, làm giảm thêm phạm vi 5G khả dụng (Hình 1). Để tối ưu hóa vùng phủ sóng, các nhà mạng phải đối mặt với việc lắp đặt nhiều ô nhỏ với mật độ cao, làm tăng chi phí triển khai mạng mmWave trên quy mô lớn.
Hình 1: Những thách thức của nhà cung cấp dịch vụ đối với việc triển khai 5G mmWave nhanh chóng bao gồm phạm vi tín hiệu hạn chế, yêu cầu về đường ngắm, khả năng thâm nhập tòa nhà kém, phạm vi phủ sóng và kết nối. (Nguồn: Movandi) Bấm vào để xem ảnh lớn hơn.
Do phạm vi phủ sóng và các hạn chế về LOS, công nghệ mmWave phù hợp hơn với môi trường đô thị dày đặc. Do giới hạn về phạm vi, mmWave không phải là lựa chọn thiết thực cho các khu vực ngoại ô và nông thôn, nơi được phục vụ tốt nhất bởi các mạng 4G LTE và 6G dưới 5 GHz dễ triển khai hơn, giá cả phải chăng hơn. Việc triển khai rộng rãi mạng mmWave 5G sẽ yêu cầu lắp đặt cáp quang dưới lòng đất rộng rãi. Cho đến khi điều này xảy ra, các nhà mạng sẽ tiếp tục dựa vào cơ sở hạ tầng mạng hiện có trong khi thị trường chuyển đổi sang 5G. Hơn nữa, điện thoại thông minh ngày nay không hỗ trợ tất cả các loại 5G. Tuy nhiên, Apple và Samsung dự kiến sẽ tung ra các sản phẩm điện thoại thông minh hỗ trợ 5G mới trong tương lai gần.
Mặc dù các giới hạn về phạm vi, truyền tín hiệu và LOS là “gót chân Achilles” của mmWave, nhưng các công nghệ tiên tiến như đa đầu ra đa đầu vào lớn, mảng ăng ten thu nhỏ, định dạng chùm thích ứng và bộ lặp hoạt động thông minh có thể giải quyết hiệu quả những thách thức này.
Bộ lặp hoạt động thông minh giải quyết các thách thức về truyền tín hiệu 5G bằng cách khuếch đại tín hiệu mmWave và mở rộng phạm vi cũng như vùng phủ sóng của mạng dựa trên mmWave trong môi trường ngoài trời và bên trong các tòa nhà. Các bộ lặp hoạt động hoạt động bằng cách tăng cường tín hiệu mmWave, cho phép chúng xuyên qua tường và các vật cản khác và uốn cong xung quanh các tòa nhà để khắc phục các vấn đề về LOS mà không cần thiết kế ăng-ten cồng kềnh hoặc sửa chữa sợi quang tốn kém (Hình 2).
Khi được triển khai bên trong tòa nhà, bộ lặp thông minh sẽ khuếch đại tín hiệu chùm tia yếu và có thể thắp sáng toàn bộ căn phòng, cải thiện trải nghiệm kết nối ứng dụng và người dùng cuối. Việc sử dụng rộng rãi các bộ lặp hoạt động trên khắp các mạng 5G cho phép các nhà cung cấp dịch vụ triển khai các dịch vụ 5G mmWave nâng cao trong nhà, ngoài trời và di động với chi phí thấp hơn 50%.
Hình 2: Các giải pháp như bộ lặp hoạt động dựa trên BeamX của Movandi có thể tăng phạm vi phủ sóng của các trạm gốc mmWave lên 90% với chi phí thấp hơn 40%. (Nguồn: Movandi) Bấm vào để xem ảnh lớn hơn.
Tất cả các nhà cung cấp dịch vụ lớn ở Mỹ đều đang thử nghiệm mạng mmWave, cung cấp tính khả dụng ở các thành phố và vùng lân cận lớn được chọn. 6G dưới 5 GHz hiện được cung cấp rộng rãi hơn mmWave, với các nhà mạng lớn triển khai mạng 5G tần số thấp hơn cho nhiều khách hàng ở các khu vực thành thị.
Các nhà khai thác cấp 1 đang chuyển sang công nghệ mmWave để đáp ứng các yêu cầu về dung lượng mạng, vì nhu cầu của khách hàng dự kiến sẽ vượt quá công suất dưới 6 GHz vào năm 2023, với nhiều nhà khai thác đã triển khai mạng 5G dựa trên mmWave. Trong khi những người chỉ trích mmWave cho rằng mạng dưới 6 GHz cung cấp vùng phủ sóng tốt hơn mmWave và yêu cầu ít nút vô tuyến thế hệ tiếp theo (gNB), phổ tần dưới 6 GHz hạn chế cuối cùng sẽ yêu cầu triển khai nhiều gNB hơn. Hơn nữa, mmWave băng thông cao sẽ giúp giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn mạng ngày càng tăng ở các khu vực đô thị đông đúc, chẳng hạn như các nhà thi đấu thể thao, địa điểm hòa nhạc và sân bay.
Trong khi quá trình chuyển đổi sang mạng 5G đang được tiến hành, vẫn còn một chặng đường dài phía trước cho đến khi 5G thay thế 4G LTE, hiện thực hóa lời hứa về tốc độ mmWave cực nhanh và độ trễ thấp. Công nghệ mmWave là chìa khóa để mở ra tiềm năng của 5G. Để đạt được các mục tiêu đầy tham vọng của 5G về độ trễ thấp, băng thông cao, tốc độ nhanh hơn và phạm vi phủ sóng rộng, các nhà mạng lớn và nhà cung cấp giải pháp mmWave đang làm việc cùng nhau để vượt qua những thách thức cơ bản này.