Tại sao 5G lại cần đến 3 băng tần, sóng dài lẫn sóng ngắn milimet?
Công nghệ 5G mang lại tốc độ truyền tải đến 10 Gbps (1,25 GB/s) nhờ khai thác băng tần sóng millimet. Tuy nhiên nó cũng sử dụng các băng tần thấp và trung giống như 4G. Nếu không kết hợp cả 3 băng tần này thì kết nối 5G sẽ không ổn định. Vậy sự khác biệt giữa các băng tần này là gì, ...
Công nghệ 5G mang lại tốc độ truyền tải đến 10 Gbps (1,25 GB/s) nhờ khai thác băng tần sóng millimet. Tuy nhiên nó cũng sử dụng các băng tần thấp và trung giống như 4G. Nếu không kết hợp cả 3 băng tần này thì kết nối 5G sẽ không ổn định. Vậy sự khác biệt giữa các băng tần này là gì, tại sao 5G cần cả 3 băng tần?
Dữ liệu được truyền tải qua các tần số điện từ như thế nào?
Phổ tần số vô tuyến (RF) là một phần của phổ điện từ với dải tần số từ 30 Hz đến 300 GHz. Sóng điện từ trong dải tần số vô tuyến được gọi là sóng vô tuyến. Trong phổ tần số vô tuyến có nhiều băng tần vô tuyến -mỗi băng tần là một nhóm các tần số liền kề. Việc sử dụng các tần số vô tuyến được quản lý bởi Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) và tổ chức này đã chia phổ tần số vô tuyến thành 12 băng tần với tên gọi quen thuộc như EHF (cực kỳ cao), SHF (siêu cao), UHF (cực cao), VHF (rất cao), HF (cao), MF (trung), LF (thấp), VLF (rất thấp), ULF (cực thấp), SLF (siêu thấp), ELF (cực kỳ thấp) và băng tần terahertz (THz hay THF). Mỗi băng tần bắt đầu với một bước sóng là lũy thừa của 10 (10^n) và tần số tương ứng là 3 x 10^(8-n) Hz như anh em có thể thấy trong sơ đồ trên.
Hiển nhiên chúng ta không thể thấy được sóng vô tuyến và vi sóng bằng mắt thường nhưng trên các thiết bị phân tích, chúng hiện ra như những cơn sóng biển, tức là cũng mấp mô theo kiểu biểu đồ hình sin. Khi tần số của sóng tăng, bước sóng hay khoảng cách của những gợn sóng này sẽ ngắn lại như hình trên. Chiếc điện thoại của bạn có thể đo khoảng cách hay bước sóng để xác định các tần số, từ đó “nghe” được dữ liệu mà một tần số đang truyền phát.
Tuy nhiên ở trạng thái ổn định tức tần số không có sự biến động nào thì tần số không thể “nói chuyện” với điện thoại của bạn. Nó cần phải được điều chế (biến điệu tần số) bằng cách tăng và giảm tốc độ tần số. Điện thoại có thể nhận biết được sự biến điệu tần số bằng cách đo những thay đổi trong bước sóng sau đó chuyển đổi những số đo thành dữ liệu.
Thử hình dung nó giống như mã nhị phân với nhiều chuỗi 0 1 khác nhau và mã Morse, nếu bạn muốn gởi đi thông điệp bằng mã Morse qua đèn pin thì bạn phải cho nháy đèn theo nhịp có quy tắc thay vì chỉ bật đèn sáng. Hành động nháy đèn này chính là biến điệu nhằm truyền đạt thông tin dưới dạng ngôn ngữ mã hóa.
5G hoạt động tốt nhất nếu có cả 3 dải tần:
Truyền tải dữ liệu không dây luôn có một hạn chế lớn đó là tần số liên quan chặt chẽ đến băng thông. Sóng hoạt động ở tần số thấp có bước sóng dài, do đó việc biến điệu xảy ra ở tốc độ chậm (chẳng hạn như sóng ở tần số 30 Hz có bước sóng dài đến 10.000 km) và theo cách lý giải trên thì biến điệu chậm đồng nghĩa với việc tần số “nói chuyện” cũng rất chậm với điện thoại > băng thông thấp > tốc độ Internet chậm.
Trong khi đó sóng hoạt động ở các tần số cao hơn sẽ có thể “nói chuyện” nhanh hơn với thiết bị thu nhận (chẳng hạn sóng ở tần số 300 GHz có bước sóng chỉ 1 mm). Thế nhưng bước sóng càng ngắn thì nó càng dễ nhiễu do vật cản vật lý, khí quyển, mưa … từ đó khiến điện thoại có thể mất dấu khi theo dõi những thay đổi của bước sóng. Cũng giống như việc anh em đang cố gắng gởi thông điệp bằng mã Morse bằng đèn pin nhưng do mây trời che đi, thông điệp bị ngắt quãng không rõ ràng. Vì vậy, sự thiếu ổn định của băng tần cao có thể khiến tốc độ truyền tải dữ liệu đôi khi chậm hơn cả kết nối ổn định của băng tần thấp.
Trước đây, các nhà mạng ưu tiên sử dụng các tần số ở băng tần trung (dải tần số từ 300 – 3000 kHz), điều này có nghĩa thiết bị sẽ có thể “nói chuyện” ở tốc độ trung bình. Tuy nhiên khi chuyển sang 5G với mục tiêu tăng tốc độ truyền tải và ổn định hơn 4G thì các thiết bị 5G phải sử dụng một thứ gọi là cơ chế “chuyển đổi chùm thích ứng” (adaptive beam switching) để chuyển qua lại nhanh giữa các dải tần.
Về cơ bản, điện thoại 5G sẽ liên tục theo dõi chất lượng tín hiệu khi được kết nối với một băng tần cao với bước sóng milimet nhưng đồng thời cũng theo dõi tín hiệu ở các dải tần khác. Nếu điện thoại phát hiện chất lượng tín hiệu trở nên bất ổn định, công nghệ trên sẽ tự động nhảy sang một dải tần số mới cho đến khi đạt được tốc độ kết nối nhanh hơn, đáng tin cậy hơn. Điều này ngăn nguy cơ gián đoạn xảy ra khi chúng ta xem video, tải ứng dụng hay gọi video … và đây cũng là yếu tố khiến 5G ổn định hơn 4G mà không phải hy sinh tốc độ kết nối.
Sóng milimet – nhanh nhất, tầm ngắn
Các dải tần số giữa 30 GHz và 300 GHz – một phần của dải tần số EHF thường được gọi là băng tần milimet (mmW) do bước sóng của nó chỉ từ 1 – 10 mm. 5G là chuẩn kết nối không dây đầu tiên khai thác những ưu điểm của băng tần sóng ngắn milimet. Với đặc thù sóng ngắn, nó rất lý tưởng để truyền tải dữ liệu nhưng đồng thời gặp hạn chế lớn là dễ bị nhiễu trước các chứng ngại như bờ tường, mây mù, thời tiết … và độ bao phủ thấp. Tưởng tượng sóng milimet giống như một chùm tia laser, rất chính xác và mật độ cao nhưng chỉ có thể bao phủ một diện tích nhỏ.
Một lần nữa có thể thấy công nghệ chuyển đổi chùm thích ứng quan trọng như thế nào. Trong điều kiện lý tưởng thì những chiếc điện thoại 5G sẽ luôn được kết nối với băng tần sóng milimet. Tuy nhiên ở thế giới thực thì sẽ cần rất nhiều cột thu phát sóng milimet để bù đắp cho độ phủ thấp của loại sóng này. Hiển nhiên các nhà mạng sẽ không muốn bỏ tiền ra để lắp đặt các cột thu phát sóng ở mọi góc đường do đó công nghệ chuyển đổi chùm thích ứng sẽ đảm bảo kết nối di động không bị gián đoạn mỗi khi chuyển đổi giữa các dải tần.
Hiện tại chỉ có các băng tần 24 và 28 GHz được phê chuẩn sử dụng cho kết nối 5G nhưng Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) kỳ vọng sẽ đấu giá các băng tần 37, 39 và 47 GHz bổ sung cho 5 GHz vào cuối năm nay. Đây đều là các băng tần cao cung cấp kết nối nhanh hơn. Một khi sóng milimet ở tần số cao được cấp phép sử dụng cho 5G thì công nghệ này sẽ trở nên phổ biến hơn rất nhiều.
Băng tần trung (sub-6) tốc độ tốt và tầm bao phủ lớn
Băng tần trung hay còn gọi là Sub-6 là băng tần lý tưởng nhất đối với truyền dẫn dữ liệu. Nó hoạt động giữa các tần số 1 và 6 GHz, bao gồm các tần số như 2,5, 3,5, 3,7 và 4,2 GHz. Nếu băng tần sóng milimet giống như một tia laser với độ phủ thấp thì băng tần trung lại giống như đèn pin. Nó có thể bao phủ một vùng không gian khá rộng với tốc độ truyền tải đáng kể. Thêm vào đó, nó có thể vượt qua hầu hết các chướng ngại vật và tường ngăn.
Các tần số trong băng tần trung đều đã được đăng ký dành cho hoạt động truyền tải dữ liệu không dây và 5G cũng sẽ khai thác tần số này. Tuy nhiên, 5G sẽ phải dùng thêm tần số 2,5 GHz vốn đã được sử dụng dành riêng cho nhu cầu phát thanh giáo dục.
Tần số 2,5 GHz là tần số thấp nhất trong băng tần trung và nó có độ bao phủ rộng hơn cũng như tốc độ truyền tải chậm hơn so với các tần số khác đang được sử dụng cho công nghệ 4G. Ngành công nghiệp cần tần số 2,5 GHz nhằm đảm bảo các vùng xa xôi có thể khai thác được 5G và những khu vực có lưu lượng sử dụng lớn không bị giảm chất lượng kết nối do phải chuyển sang các băng tần thấp hơn, tốc độ chậm.
Băng tần thấp dành cho vùng sâu vùng xa:
Chúng ta đã sử dụng các tần số thuộc băng tần thấp để truyền tải dữ liệu từ khi 2G được phát hành vào năm 1991, cụ thể là các tần số dưới 1 GHz như 600, 800, 900 MHz.
Do băng tần thấp bao gồm các sóng tần số thấp nên chúng khó bị nhiễu hơn và có tầm bao phủ rất lớn. Tuy nhiên, tần số thấp đồng nghĩa tốc độ truyền tải dữ liệu cũng thấp theo.
Về mặt lý tưởng thì điện thoại sẽ không bao giờ nhảy xuống băng tần thấp nhưng một số thiết bị chẳng hạn như bóng đèn thông minh vẫn thường khai thác các băng tần thấp để duy trì kết nối, không cần tốc độ hay băng thông lớn.
TechTalk via TinhTe
