mmWave là gì? Giải thích về 5G băng tần cao

Việc triển khai công nghệ 5G trên toàn thế giới phức tạp hơn đáng kể so với các tiêu chuẩn không dây trước đây. Vì 5G đòi hỏi mức hiệu suất chưa từng có, các nhà mạng phải điều hướng trong một biển tần số vô tuyến phức tạp để đảm bảo họ có thể cung cấp tốc độ và vùng phủ sóng tốt nhất có thể.

Các công nghệ GSM, 3G và 4G/LTE cũ hơn chạy trong một dải tần tương đối hẹp, khiến các nhà mạng có một số lựa chọn hạn chế trong việc triển khai mạng của họ. Để so sánh, 5G bao phủ toàn bộ dải tần, từ băng tần thấp 600MHz đến tần số cực cao 47GHz.

Kết quả là 5G mang đến cho các nhà mạng nhiều tùy chọn về cách triển khai mạng 5G của họ một cách tốt nhất, cho phép họ cố gắng đạt được sự cân bằng lý tưởng giữa phạm vi phủ sóng và hiệu suất. Trong những trường hợp lý tưởng, điều này sẽ cung cấp 5G tốt nhất cho mọi người. Tuy nhiên, trong thế giới thực, mọi thứ phức tạp hơn nhiều.

mmWave là gì?

Ở đầu trên cùng của dải phổ 5G này là nơi tần số mmWave, hay “sóng milimet”, hoạt động, chạy từ 24GHz đến 47GHz. Về mặt kỹ thuật, sóng milimet được định nghĩa là dải Tần số Cực cao (EHF) từ 30GHz đến 300GHz, được đặt tên như vậy vì đó là những tần số mà bước sóng ngắn bằng một milimet.

Tuy nhiên, như với phổ băng tần C, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) đã xác định lại phần dưới của dải mmWave ở Hoa Kỳ để bắt đầu ở dải trên của vùng Tần số Siêu cao (SHF), bắt đầu từ 24 GHz, vượt qua vào EHF trên đường tới 47GHz, hiện là dải tần cao nhất được phân bổ cho 5G.

Cuối cùng, FCC có kế hoạch cấp phép phổ mmWave cao hơn nữa họ đang xem xét dải tần 57–64GHz hiện chưa được cấp phép và các tần số 71GHz, 81GHz và 92GHz ít được sử dụng. Tuy nhiên, điều đó vẫn có thể xảy ra trong vài năm nữa, đặc biệt là khi các nhà mạng vẫn chưa sử dụng hết phổ mmWave mà họ đã có.

Phạm vi so với tốc độ

Như bất kỳ ai từng làm việc với bộ định tuyến Wi-Fi gia đình đều biết, tần số cao hơn cung cấp nhiều băng thông hơn để có tốc độ nhanh hơn, nhưng điều này phải trả giá bằng phạm vi và vùng phủ sóng. Tín hiệu 2,4 GHz từ bộ định tuyến của bạn có thể sẽ bao phủ toàn bộ ngôi nhà của bạn nhưng ở tốc độ tương đối kém, trong khi tần số 5 GHz mang lại hiệu suất tuyệt vời để chơi game và phát trực tuyến nhưng có thể không đến được tầng hầm hoặc phòng của bạn.

Đây chỉ là cách các định luật vật lý hoạt động khi nói đến sóng vô tuyến. Các tần số cao hơn sẽ nhanh hơn nhưng không thể di chuyển xa bằng các tần số thấp hơn và chậm hơn.

Các nhà mạng di động phải đối mặt với những thách thức tương tự trong việc cung cấp tín hiệu mạnh và nhanh cho khách hàng của họ giống như việc bạn tìm một vị trí lý tưởng cho bộ định tuyến Wi-Fi của mình. Chỉ là các nhà mạng phải giải quyết vấn đề này ở quy mô lớn hơn nhiều.

Sử dụng tần số cao hơn cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp tốc độ nhanh hơn, nhưng sự đánh đổi là họ cần xây dựng nhiều tháp hơn và đặt chúng gần nhau hơn để cung cấp vùng phủ sóng giống như tín hiệu tần số thấp hơn.

Tốc độ vũ trụ phi thường

Đã có lúc, băng tần mmWave 5G tần số cao được nhiều người tin rằng sẽ là tương lai của công nghệ 5G. Rốt cuộc, nó có thể mang lại tốc độ cực kỳ ấn tượng, vượt xa khả năng của hầu hết các dịch vụ băng thông rộng có dây.

Trong điều kiện lý tưởng, tốc độ 5G trên tần số mmWave có thể đạt tới 4Gbps, mặc dù việc tìm thấy các thiết bị nằm trong vùng 500Mbps–1Gbps thường phổ biến hơn. Tuy nhiên, ngay cả tốc độ mmWave chậm nhất cũng nhanh hơn 3–4 lần so với hiệu suất 5G trung bình khả dụng khi sử dụng tần số thấp hơn.

Như một số nhà cung cấp dịch vụ đã nhanh chóng phát hiện ra, vấn đề là những tần số cực cao này có phạm vi hoạt động rất ngắn, một bộ thu phát mmWave duy nhất không có khả năng cung cấp vùng phủ sóng chắc chắn cho bất kỳ thứ gì lớn hơn nhiều so với khối thành phố.

Điều đó không có gì đáng ngạc nhiên khi bạn cho rằng tín hiệu mmWave bắt đầu ở tần số 24GHz một mức độ lớn hơn tần số thường được sử dụng cho Wi-Fi và liên lạc di động.

Tuy nhiên, điều đó đặt chúng ngoài phạm vi của bất kỳ thứ gì thường gây nhiễu, đặc biệt là vì mọi thứ trên các tần số đó cũng có phạm vi ngắn tương tự. Thông thường, bạn sẽ tìm thấy phổ EHF được sử dụng bởi các hệ thống thời tiết vệ tinh, radar vũ khí quân sự, radar tốc độ của cảnh sát và hệ thống kiểm tra an ninh tại các trạm kiểm soát sân bay.

Cảnh quan mmWave

Với tất cả những điều đó, không có gì ngạc nhiên khi hầu hết các nhà mạng chưa làm được gì nhiều với công nghệ mmWave.

Trong số các nhà mạng của Hoa Kỳ, chỉ có Verizon đặt cược rất nhiều vào mmWave trong các lần triển khai 5G đầu tiên của họ. AT&T đã nhúng tay vào nó trong khi T-Mobile chủ yếu tránh xa phạm vi đó.

Canh bạc của Verizon đã cho phép hãng này sớm tự hào về tốc độ 5G cực nhanh. Một báo cáo năm 2020 của OpenSignal cho thấy Verizon dẫn đầu toàn cầu với tốc độ tải xuống trung bình nhanh hơn gấp đôi so với đối thủ gần nhất là LG U+ của Hàn Quốc.

Tuy nhiên, mẹo để đạt được những tốc độ cao này là Verizon đang sử dụng phổ mmWave dành riêng cho mạng 5G của mình. Nhà mạng không có mạng 5G băng tần trung bình hoặc băng tần thấp chậm hơn để kéo số lượng của nó xuống. Đây là Mạng siêu băng thông rộng 5G của Verizon như ban đầu nó tồn tại. Nó chạy gần như hoàn toàn trên phổ tần 28GHz.

Hơn nữa, tốc độ 506Mbps của Verizon cần phải đi kèm với một vòng loại khá lớn, chúng không có sẵn cho 99% khách hàng của nhà mạng. Phạm vi cực ngắn của mmWave có nghĩa là Verizon đã không triển khai nó ra ngoài một số trung tâm đô thị lớn và OpenSignal lưu ý rằng khách hàng của Verizon chỉ truy cập mạng mmWave 5G của họ khoảng 0,4% thời gian. Con số này tăng gấp đôi lên 0,8% vào năm 2021, nhưng điều đó vẫn có nghĩa là khách hàng của Verizon đã dành hơn 99% thời gian của họ cho kết nối 4G/LTE.

AT&T đã chọn sử dụng mmWave một cách chiến lược hơn. Nó đã sớm được cấp phép cho một đoạn phổ 24GHz 5G, chủ yếu được triển khai cho mục đích kinh doanh ở một số thành phố. Sau đó, nó đã giảm 1,2 tỷ đô la để có được một dải phổ 39GHz đáng kể, mà nó đã tích cực triển khai hơn cho khách hàng của mình. AT&T gọi đây là dịch vụ 5G+.

Về mặt kỹ thuật, T-Mobile có một số triển khai mmWave ở một số thành phố, nhưng nhà mạng không nói nhiều về điều đó. T-Mobile đã có một dải phổ băng tần trung nhanh tuyệt vời để sử dụng từ lâu trước khi các đối thủ của nó có thể chạm tay vào phổ băng tần C đáng thèm muốn, vì vậy mmWave gần như không quan trọng bằng các kế hoạch của nhà mạng.

Lợi ích của mmWave

Thay vì đặt toàn bộ mạng 5G của mình trên mmWave như Verizon đã làm, AT&T đã tập trung vào việc tăng cường 5G tần số thấp hơn bằng các phổ mmWave ở những khu vực cực kỳ đông đúc như sân vận động và sân bay.

Điều này tận dụng một trong những lợi ích quan trọng nhất của mmWave. Tần số cực cao không chỉ cung cấp băng thông cao hơn cho người dùng cá nhân; tất cả băng thông bổ sung đó cũng cho phép nó xử lý tắc nghẽn hiệu quả hơn nhiều.

Để sử dụng một số phép toán đơn giản hóa, nếu bộ thu phát mmWave có thể cung cấp thông lượng lên tới 4Gbps cho một thiết bị, thì 40 thiết bị có thể dễ dàng nhận được kết nối 100Mbps ổn định mà không làm chậm lẫn nhau.

Hơn nữa, phạm vi mmWave ngắn hơn có nghĩa là các nhà mạng phải triển khai nhiều bộ thu phát hơn. Vào thời điểm AT&T lắp đặt đủ bộ thu phát sóng để phủ sóng một sân vận động bóng đá, họ có thể cung cấp 5G hiệu suất cao một cách hiệu quả cho hàng nghìn người tham dự một trận đấu hoặc sự kiện.

Tương tự như vậy, mmWave lý tưởng tại các sân bay, không chỉ vì số lượng hành khách đi qua cao mà còn vì những tần số đó cách xa mọi thứ được sử dụng trong ngành hàng không nên không có gì phải bàn cãi xung quanh chúng.

T-Mobile cũng đã lặng lẽ nói rằng họ sẽ tiếp tục xây dựng mmWave ở những nơi hợp lý để làm như vậy, nhưng không giống như AT&T và Verizon, họ không có kế hoạch phân biệt mạng mmWave của mình. Khách hàng của T-Mobile sẽ không thấy biểu tượng “5G+” hoặc “5G UW” trên điện thoại của họ khi được kết nối với mmWave. Thay vào đó, những người sử dụng T-Mobile sẽ nhận được vùng phủ sóng và hiệu suất ổn định cho dù họ đang ngồi ở nhà hay đang tham dự Super Bowl.

Tần số mmWave chính

Một số nhà mạng cũng đã cấp phép cho các dải phổ mmWave khác, mặc dù hầu hết trong số đó có thể sẽ không sẵn sàng sử dụng trong thời gian tới.

Ví dụ: T-Mobile và Dish giữ giấy phép chiếm 99% phổ tần 47GHz. Không rõ những nhà mạng đó dự định làm gì với điều này, đặc biệt là vì nó sẽ cung cấp phạm vi phủ sóng thậm chí còn tệ hơn đối với 28GHz của Verizon và 39GHz của AT&T.

Quan trọng hơn, hiện tại không có điện thoại thông minh tiêu dùng nào có thể đạt đến tần số 47GHz. Dòng sản phẩm iPhone 13 của Apple và các mẫu Galaxy S22 của Samsung chỉ hỗ trợ một số băng tần mmWave 5G, được chỉ định là n257 (28GHz), n258 (26GHz), n260 (39GHz) và n261 (28GHz). Trong số này, chỉ có n260 và n261 được sử dụng bởi các nhà mạng Mỹ, những cái khác để tương thích với các dịch vụ mmWave 5G trên toàn cầu.

Tương lai là phổ băng tần C

Thú vị như phổ mmWave vang lên trong những ngày đầu tiên của 5G, các nhà mạng đã nhận ra rằng đó không phải là nơi tương lai của công nghệ 5G nằm ở đó.

Verizon đã phải học bài học đó khó khăn nhất, với mạng 5G ban đầu chưa có đối với 99% khách hàng của họ. Verizon đã làm theo điều đó với “Mạng 5G toàn quốc” tần số thấp hơn, chia sẻ không gian với các tín hiệu 4G/LTE của mình. Điều này mang lại cho khách hàng chỉ báo “5G” trên điện thoại của họ nhưng thường mang lại tốc độ không tốt hơn 4G.

Mãi cho đến khi Verizon có thể triển khai phổ băng tần C thì vận may 5G của họ mới thực sự bắt đầu thay đổi. Đây không hoàn toàn là lỗi của Verizon; đầu tiên họ phải giảm 45 tỷ đô la để cấp phép cho phổ tần băng tần C, sau đó phải chiến đấu với ngành hàng không vì sợ rằng nó sẽ gây ra sự cố với các thiết bị máy bay.

Tuy nhiên, khi Verizon cuối cùng đã bật chìa khóa cho băng tần C mới của mình vào đầu năm 2022, nhiều khách hàng của họ đã bắt đầu thấy tốc độ 5G thực sự. Đó là một bước nhảy vọt về hiệu suất đến nỗi Verizon đã biến mạng băng tần C mới thành một phần của dịch vụ Ultra Wideband 5G.

Mặc dù AT&T đã dần dần triển khai dịch vụ băng tần C của mình, nhưng khách hàng ở một số thành phố có dịch vụ đó cũng nhận thấy tốc độ 5G của họ đã tăng một cách ấn tượng.

Ngay cả T-Mobile, vốn đã có mạng 5G siêu dung lượng 2,5 GHz mạnh mẽ, cũng có kế hoạch sử dụng phổ băng tần C tần số cao hơn để cung cấp cho khách hàng của mình một mức tăng cần thiết ở những khu vực cần nhiều dung lượng hơn.

Cuối cùng, vai trò của mmWave trong công nghệ 5G công cộng là tăng cường các mạng hiện có chứ không phải thay thế chúng. Dung lượng lớn của phổ mmWave khiến nó trở nên lý tưởng để cung cấp 5G đáng tin cậy ở các trung tâm dân cư cực kỳ dày đặc. Tuy nhiên, tầm ngắn có nghĩa là nó sẽ không bao giờ có thể tự đứng vững. mmWave sẽ luôn phù hợp nhất khi được sử dụng làm “tăng sức mạnh” để tăng cường 5G ở một số khu vực nhất định.

digitaltrends