Dịch vụ 5G phi mặt đất theo chuẩn 3GPP (5G NTN) là chủ đề được thảo luận nhiều tại MWC 2024 hướng tới việc đầu cuối điện thoại, thiết bị IoT có thể kết nối trực tiếp với hệ thống vệ tinh (chủ yếu là vệ tinh quỹ đạo thấp LEO) bằng công nghệ 5G NTN. Hội nghị cũng đánh giá mạng 5G NTN là giải pháp khả thi duy nhất để phủ sóng cho 550 triệu khách hàng ~ 7% dân số thế giới chưa có sóng di động mặt đất.

Theo 3GPP, mạng viễn thông phi mặt đất (non-terrestrial network, viết tắt: NTN) là một mạng viễn thông hoặc một phần của mạng viễn thông sử dụng thiết bị trên không trung (Airborne) hoặc không gian (Spaceborne) cho truyền dẫn.

Các thiết bị trong mạng viễn thông phi mặt đất được chia thành 2 lớp thiết bị: Thiết bị trên không (Airborne) và trên không gian (Spaceborne). Các thiết bị viễn thông phi mặt đất có nhiệm vụ tham gia vào quá trình thu phát tín hiệu vô tuyến và cung cấp dịch vụ cho khách hàng.

Nhóm thiết bị trên không gồm có:

Thiết bị bay tầm thấp (LAPS): Các loại UAV, khí cầu tầm thấp.
A2G (Air-To-Ground): Thiết bị thu phát sóng gắn trên các máy bay thương mại.
Thiết bị bay tầm cao (HAPS): Khí cầu tầm cao, máy bay tầm cao.

Nhóm thiết bị trên không gian gồm có:

Vệ tinh địa tĩnh GEO.
Vệ tinh tầm trung MEO.
Vệ tinh chùm tầm thấp LEO

Trên thực tế, các thiết bị viễn thông phi mặt đất đã được triển khai hoặc thử nghiệm ở một số dự án:

Đây là dịch vụ mà smartphone có thể kết nối trực tiếp với vệ tinh LEO để sử dụng dịch vụ 5G phi mặt đất (5G NTN) theo tiêu chuẩn của 3GPP.

Tiêu chuẩn của 3GPP về viễn thông phi mặt đất

3GPP đã nghiên cứu tiêu chuẩn cho dịch vụ này từ Release 15 (Q1/2017) tuy nhiên vẫn chưa ban hành chính thức. Dự kiến tiêu chuẩn sẽ được ban hành tại Release 19 năm 2025 - 2026. Ngoài ra 3GPP cũng dự kiến xây dựng chuẩn 6G NTN từ 2026, song song với việc xây dựng tiêu chuẩn cho mạng 6G mặt đất. Như vậy có thể nói 3GPP rất coi trọng viễn thông phi mặt đất và coi đây là một dịch vụ không thể thiếu của mạng 6G trong tương lai.

Quy hoạch tần số viễn thông phi mặt đất

Cho đến nay, 3GPP Release 17 đã chính thức đưa ra 02 băng tần FR1 khuyến nghị cho dịch vụ 5G NTN gồm: Băng n255 L-band (FDD, UL 1626.5 – 1660.5) và n256 S-band (FDD, UL 1980 – 2010). Ngoài ra, băng tần n254 L-band (FDD, 1610 – 1626.5) cũng đang được xem xét đưa vào khuyến nghị.

Ở dải tần FR2, 3GPP đang nghiên cứu quy hoạch băng tần K và Ka cho viễn thông phi mặt đất nhưng theo chế độ FDD, không theo chế độ TDD như các mạng PLMN thông thường. Tại cuộc họp số #105 của RAN4, 3GPP đã thống nhất 3 băng tần khả thi để triển khai cho viễn thông phi mặt đất gồm các băng tần n510, n511, n512 trong đó băng tần n510 và n511 sẽ được nghiên cứu sử dụng cho khu vực Châu Mỹ (Region 2), băng tần n512 được nghiên cứu sử dụng cho khu vực châu Âu và châu Phi (Region 1). Dự kiến ở 3GPP Release 18 (2025), các băng tần trên sẽ được quy hoạch chính thức.

Chú ý, ngoài các băng tần được khuyến nghị bởi 3GPP, nhà mạng có thể quy hoạch riêng một băng tần dành cho dịch vụ 5G NTN theo tài nguyên tần số được cấp trong phạm vi quốc gia. Hiện nay, các nhà mạng Mỹ như AT&T và T-Mobile đang sử dụng giải pháp quy hoạch này trong thử nghiệm 5G NTN.

5G IoT-NTN, 5G NR-NTN và các chipset di động hỗ trợ

Chuẩn 5G NTN được 3GPP chia làm hai mảng ứng dụng, 5G IoT-NTN và 5G NR-NTN.

Dịch vụ 5G IoT-NTN cho phép các thiết bị như smartphone, smart-watch có thể gửi tin nhắn lên vệ tinh; ngoài ra IoT-NTN còn được sử dụng cho các thiết bị cảm biến, các thiết bị đo (điện, nước, năng lượng, các thiết bị đo lường khác…), các thiết bị tracking (ví dụ, để sử dụng cho quản lý tàu xe), các thiết bị thẻ quẹt thanh toán …
Dịch vụ 5G NR-NTN cho phép smartphone có thể sử dụng các dịch vụ internet di động như thoại, video call, sử dụng internet data, gửi nhận ảnh và video như ở mạng 5G mặt đất.

Trong năm 2022 và 2023, các nhà sản xuất chip di động lớn đều công bố các dòng chip hỗ trợ 5G IoT-NTN và 5G NR-NTN theo 3GPP Release 17, cho phép smartphone UE kết nối trực tiếp đến vệ tinh.

Các dòng chipset hỗ trợ kết nối 5G NTN

5/2021, Qualcomm cho ra đời modem X65. Tháng 9/2022, Apple ra mắt Iphone 14 sử dụng modem X65 và tuyên bố cung cấp dịch vụ gửi tin nhắn cấp cứu một chiều lên vệ tinh tại các khu vực không có sóng di động, để phục vụ công tác cứu hộ cứu nạn. Để cung cấp dịch vụ này, Apple phải kết nối với hệ thống 24 vệ tinh LEO thế hệ thứ hai của hãng Globalstar, trên băng tần n254.

Dịch vụ gửi tin nhắn khẩn cấp của Apple

Mặc dù Apple và Globalstar không công bố chi tiết nhưng các chuyên gia công nghệ khẳng định dịch vụ gửi tin nhắn một chiều khẩn cấp của Apple trên Iphone 14 (sử dụng modem X65 Qualcomm) là một ứng dụng của dịch vụ 5G IoT-NTN, trong đó Apple sử dụng mạng vệ tinh chùm LEO gồm 24 vệ tinh của hãng Globalstar và mạng 5G Private Mobile Network của hãng này.

Q1/2023, tại MWC Barcelona, Qualcomm chính thức demo các tính năng của modem X65 trên nền tảng Snapdragon 8 gen 2 với dịch vụ 5G IoT-NTN. Cũng tại MWC Barcelona, Mediatek giới thiệu dòng chip MT6825 hỗ trợ 5G IoT-NTN theo tiêu chuẩn 3GPP Release 17. Dòng chip này được sử dụng trên điện thoại Motorola Defy, hỗ trợ nhắn tin SOS hai chiều từ UE lên vệ tinh. Samsung cũng đưa ra dòng chipset Exynos 5300 với tính năng tương tự Mediatek.

Q3/2023, tại MWC Thượng Hải, Qualcomm tiếp tục giới thiệu modem X75 mới hỗ trợ cả 5G IoT-NTN và 5G NR-NTN. X75 sẽ giúp các smartphone có thể thực hiện thoại, sử dụng mobile internet, thực hiện video streaming trên mạng 5G NTN, tương tự như các dịch vụ trên mạng 5G mặt đất. Hiện nay, X75 là modem đầu tiên và duy nhất hỗ trợ 5G NR-NTN.

Theo 3GPP TR 38.821, mạng 5G NTN có thể triển khai theo 3 mô hình kiến trúc.

Mô hình 1: Còn được gọi là mô hình “Transparent NTN NG-RAN architecture”, trong đó thiết bị trên vệ tinh đóng vai trò là một Relay Node dùng để chuyển tiếp tín hiệu từ gNB đến UE.

Trong mô hình 1, dữ liệu từ gNB 5G được chuyển đến NTN gateway, NTN gateway sẽ sử dụng tần số Feeder link để truyền/nhận tín hiệu 5G với thiết bị trên vệ tinh. Khi nhận được tín hiệu sóng điện từ từ NTN gateway gửi lên, thiết bị trên vệ tinh sẽ sử dụng bộ lọc kênh (Channel Filter) và bộ LNA (Low-Noise Amplifier) để chuyển tín hiệu sang tín hiệu điện (electric signal). Sau đó thiết bị trên vệ tinh sẽ chuyển tín hiệu electric signal trên sang tần số dùng cho 5G (thường là tần số băng thấp cho công nghệ 5G FDD), khuếch đại công suất tín hiệu đến một công suất xác định bằng cách sử dụng một bộ HPA (High Power Amplifier) và gửi tín hiệu 5G xuống cho UE.
Như vậy, về mặt bản chất, trong mô hình 1, thiết bị trên vệ tinh đóng vai trò như một “analog RF repeater”, nó “trong suốt” (transparent) đối với tín hiệu giữa UE và gNB.

Mô hình 2: Còn được gọi là mô hình “Regenerative NG-RAN architecture (CU, DU, RU in satellite”. Trường hợp này, thiết bị payload trên vệ tinh sẽ có chức năng của một gNB hoàn chỉnh, gồm có cả CU, DU và RU.

Giao diện giữa thiết bị trên vệ tinh và UE là NR-Uu.
Giao diện giữa vệ tinh và NTN gateway trên Feeder link được gọi là Satellite Radio Interface (SRI).
Kết nối giữa các thiết bị payload thuộc hai vệ tinh khác nhau được gọi là ISL (Inter-Satellite Link). Theo 3GPP, giao diện trên kết nối ISL có thể theo tiêu chuẩn của 3GPP, hoặc có thể theo tiêu chuẩn non-3GPP.

Mô hình 3: Còn được gọi là mô hình “Regenerative NG-RAN architecture (DU and RU in satellite)” hoặc “gNB-DU onboard”. Trường hợp này, thiết bị payload trên vệ tinh sẽ có chức năng của gNB-DU và RU.

Giao diện NR-Uu giữa thiết bị payload trên vệ tinh và UE hoạt động trên service link.
Kết nối Satellite Radio Interface (SRI) giữa NTN gateway và thiết bị payload gNB-DU trên vệ tinh có chức năng là giao diện F1. Trong trường hợp thiết bị payload trên vệ tinh có chức năng của nhiều gNB-DU, kết nối SRI sẽ vận chuyển dữ liệu cho nhiều giao diện F1 khác nhau.

Theo 3GPP, mạng 5G NTN và mạng 5G PLMN có thể phối hợp hoạt động với nhau và cùng tồn tại trong một mạng 5G chung.
3GPP Release 17 cũng đưa ra giá trị 5QI mới dành riêng cho dịch vụ 5G NTN (tại TS 23.501), cho phép packet delay của các gói tin 5QI 10 lên đến 1100ms.

Hiện tại, Mỹ là quốc gia đi đầu trong xu thế dịch vụ 5G NTN

25/8/2022, T-Mobile và SpaceX tuyên bố thử nghiệm dịch vụ smartphone 5G gửi tin nhắn qua vệ tinh, triển khai trên hệ thống vệ tinh Starlink Mini V2 và sử dụng 2x5 MHz băng tần PSC 1900 của T-Mobile cho kết nối giữa UE và vệ tinh. Dịch vụ này triển khai theo tiêu chuẩn Pre 3GPP NR-NTN, trên băng tần của nhà mạng T-Mobile, không phải băng tần phi mặt đất khuyến nghị của 3GPP.

1/2023, AT&T và hãng vệ tinh AST SpaceMobile tuyên bố triển khai dịch vụ tin nhắn và thoại 5G qua vệ tinh chùm tầm thấp, sử dụng băng tần 700 MHz và 850 MHz của AT&T. Ngày 25/4/2023, AST đã thử nghiệm thành công cuộc gọi thoại đầu tiên giữa một chiếc Samsung S22 trên mạng Rakuten Nhật với một chiếc Iphone 14 trên mạng AT&T Mỹ.
Trước đó, từ tháng 10/2021, Verizon và Amazon cũng tuyên bố ký kết thỏa thuận về triển khai kết hợp dịch vụ viễn thông di động của nhà mạng Verizon với dự án vệ tinh chùm LEO Kuiper của Amazon. Theo đó, Verizon sẽ sử dụng vệ tinh LEO của Amazon làm backhaul cho các trạm 5G và cung cấp dịch vụ FWA 5G.

Hiện nay trên thế giới đã có 24 nhà mạng ký kết với các hãng vệ tinh để triển khai dịch vụ 5G NTN. Nhìn chung, các dịch vụ 5G phi mặt đất sẽ nhanh chóng phát triển trong những năm tới. Hiện nay các hãng vệ tinh LEO và các nhà sản xuất smartphone đang chủ động đẩy mạnh công tác nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm dịch vụ 5G NTN mà không chờ đến khi tiêu chuẩn được 3GPP ban hành chính thức.

Ngày 27/2/2024, tại MWC Barcelona, GSMA và GSOA (đại diện ngành công nghiệp vệ tinh toàn cầu) đã ký thỏa thuận hợp tác thúc đẩy phát triển mạng NTN và tích hợp mạng di động mặt đất, mạng NTN.

Viettel đang tiếp xúc với các nhà cung cấp dịch vụ vệ tinh LEO

Trong năm 2023, VTS và VTNet đã tiếp xúc với bốn hãng vệ tinh là Starlink, Telesat, Oneweb và Amazon. Starlink và Oneweb đã cung cấp dịch vụ chính thức, Amazon dự kiến bắt đầu cung cấp dịch vụ từ 2024, còn Telesat chưa khởi động dự án Speedlight của hãng, dự kiến đến 2026 Telesat mới bắt đầu cung cấp dịch vụ.

Trong số các đối tác tiềm năng, Oneweb là đối tác nhiệt tình nhất với Viettel. Mong muốn của Oneweb là Viettel có thể trở thành đại diện của hãng tại Việt Nam để kinh doanh các dịch vụ của hãng. Oneweb đã đưa ra một số dịch vụ có thể hợp tác giữa hai bên, bao gồm:

Rural broadband: Dịch vụ internet VSAT IP cho các thuê bao ở khu vực nằm ngoài vùng phủ di động và không thể sử dụng các dịch vụ internet di động, cáp quang.
Cellular backhauling: Dịch vụ cung cấp truyền dẫn VSAT IP cho các trạm 3G, 4G, 5G với độ trễ < 100ms.
Dịch vụ internet VSAT IP di động cho các tàu thủy trên lãnh hải Việt Nam.
Dịch vụ internet Inflight WiFi cho các hãng hàng không.
Các dịch vụ cung cấp cho khách hàng doanh nghiệp và Chính phủ như: Cung cấp truyền dẫn cho mạng Local Private Network không cần độ trễ thấp, dịch vụ IoT qua vệ tinh, dịch vụ liên lạc trong cứu hộ cứu nạn.
Oneweb đã đưa ra một số đề xuất thử nghiệm với Viettel:
- Thứ nhất, Oneweb sẽ xây dựng Gateway tại Việt Nam, tương tự như ở Thái Lan và Indonesia. Ngoài ra Oneweb có thể triển khai node truy cập dịch vụ PoP (Points of Presence) tại Việt Nam thay vì sử dụng PoP chung của Đông Nam Á đặt tại Singapore.
- Thứ hai, Oneweb muốn thử nghiệm cung cấp dịch vụ Cellular backhauling cho 10 eNodeB của Viettel với băng thông tối thiểu 50 Mbps DL – 10 Mbps UL, tối đa 195 Mbps DL – 32 Mbps UL. Hiện nay Viettel có khoảng 70 trạm dùng VSAT IP ở khu vực biển đảo, có thể triển khai dịch vụ cellular backhaul của Oneweb.

Tuy nhiên Oneweb đang yêu cầu Viettel phải hỗ trợ hãng tất cả các vấn đề liên quan đến pháp lý và tiếp xúc với các cơ quan quản lý, để hãng có thể sớm hợp tác triển khai dịch vụ với Viettel.

Mô hình thử nghiệm Oneweb đề xuất với Viettel

Những khó khăn, thách thức cần tiếp cận, xử lý sớm

Về quy hoạch băng tần cho dịch vụ 5G NTN và một số dịch vụ phi mặt đất như khác như A2G: Hiện nay Bộ TTTT chưa có quy hoạch về băng tần cho các dịch vụ 5G NTN và A2G, Viettel cần tích cực tham vấn cho Bộ TTTT để nhanh chóng có quy hoạch, từ đó sẵn sàng chủ động thử nghiệm dịch vụ.
Về chính sách, chiến lược hợp tác với các các nhà cung cấp dịch vụ vệ tinh LEO tiềm năng như Starlink, Oneweb, Amazon, Telesat: Viettel cần chủ động kết nối và hỗ trợ các công ty vệ tinh để sớm hoàn thiện khung pháp lý, chuẩn bị mô hình kinh doanh, giải pháp kỹ thuật, sẵn sàng cho triển khai thử nghiệm nếu được phép, cũng như có định hướng, quy hoạch về triển khai trạm vệ tinh mặt đất Gateway/Hub cho các dịch vụ qua hệ thống VSAT LEO tại Việt Nam.

Đề xuất

Để có thể triển khai dịch vụ viễn thông phi mặt đất trong những năm tới:

Viettel cần tích cực tham gia các hội nghị, hội thảo của WRC (World Radiocommunication Conference) để bám nắm các đánh giá, quy hoạch tần số cho các công nghệ mạng phi mặt đất nêu trên.
Ban Chiến lược Tập đoàn, Ban Kỹ thuật Tập đoàn định hướng lộ trình, chiến lược triển khai các dịch vụ phi mặt đất ở Việt Nam và các thị trường.
VTS chủ trì, VTNet phối hợp kết nối, tiếp xúc với các nhà cung cấp dịch vụ vệ tinh tầm thấp tiềm năng như Starlink, Oneweb, Amazon,…để đánh giá, phân tích lựa chọn đối tác phù hợp, phương án hợp tác, quy hoạch triển khai trạm vệ tinh mặt đất Gateway/hub tại Việt Nam.
VTNet chủ trì lên phương án thử nghiệm VSAT LEO cho các kết nối backhauling giúp tối ưu chi phí truyền dẫn cho các trạm phủ lõm, vùng sâu, vùng xa, hải đảo,…