Trong khuôn khổ theo dõi các công bố nghiên cứu về công nghệ không gian, VSGA tổng hợp và giới thiệu đến bạn đọc nghiên cứu mới đăng tải trên tạp chí MDPI Sensors của nhóm tác giả Yunfeng Wang, Xuxu Xie và Jiyang Jia. Bài báo trình bày thuật toán HORBA (Hybrid Optimized Robust Beamforming Algorithm) — một hướng tiếp cận tối ưu hóa chùm tia bền vững cho vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) trong bối cảnh chia sẻ phổ tần và nhiễu đồng kênh ngày càng phức tạp.
Bối cảnh: Khi phổ tần vô tuyến không gian trở nên quá tải
Trong lộ trình tiến tới kỷ nguyên viễn thông di động thế hệ thứ sáu (6G), mạng lưới vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) đóng vai trò là hạ tầng xương sống nhờ các ưu thế vượt trội về độ trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng toàn cầu không góc chết và khả năng thiết lập liên lạc khẩn cấp linh hoạt. Đây là chìa khóa cốt lõi để đáp ứng nhu cầu kết nối mạng Internet vạn vật (IoT) băng thông rộng với mật độ thiết bị khổng lồ trên quy mô toàn cầu. Tuy nhiên, sự bùng nổ về số lượng chòm sao vệ tinh được phóng lên không gian đã đẩy hệ thống viễn thông không gian đối mặt với một thách thức mang tính định luật: sự quá tải và khan hiếm trầm trọng tài nguyên phổ tần vô tuyến.
Thay vì sử dụng các phương pháp tái sử dụng tần số truyền thống như quy hoạch phân tách vùng vốn làm lãng phí băng thông một cách đáng kể, các nhà mạng không gian đang dần chuyển dịch sang kỹ thuật tái sử dụng tần số toàn phần (Full Frequency Reuse – FFR). Phương pháp tiên tiến này cho phép tất cả các chùm tia của hệ thống đều sử dụng trọn vẹn toàn bộ băng thông có sẵn, qua đó gia tăng dung lượng truyền tải theo lý thuyết lên gấp nhiều lần. Tuy nhiên,việc triển khai FFR trong thực tế lại kéo theo những hệ lụy kỹ thuật phức tạp:
- Nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference – CCI): Do tất cả các búp sóng hoạt động cùng tần số, sự giao thoa năng lượng giữa các chùm tia liền kề diễn ra vô cùng gay gắt, làm suy giảm nghiêm trọng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR) của người dùng.
- Can nhiễu hệ thống chéo (Cross-system Interference): Trong kịch bản chia sẻ phổ tần (Spectrum Sharing) giữa hệ thống vệ tinh LEO và các mạng mặt đất (hoặc các hệ thống vệ tinh khác), việc rò rỉ năng lượng sóng vô tuyến sang các hệ thống dùng chung dải tần là không thể tránh khỏi, đe dọa trực tiếp đến sự toàn vẹn tín hiệu của hệ thống gốc (Primary System).
Thách thức kỹ thuật: “Điểm mù” từ sai số ước lượng hướng sóng đến (DOA)
Khác với kiến trúc tạo búp sóng (beamforming) trong các hệ thống thông tin di động mặt đất cố định, việc thiết kế và cấu hình búp sóng trên không gian đối mặt với những thách thức động lực học đặc thù vô cùng phức tạp. Do đặc trưng môi trường quỹ đạo thấp (LEO), hệ thống phải giải quyết ba rào cản kỹ thuật cốt lõi sau:
- Tốc độ di chuyển của vệ tinh: Các vệ tinh LEO di chuyển với tốc độ cực đại từ 7.5 đến 7.9 km/s so với mặt đất, khiến việc thu thập thông tin trạng thái kênh truyền tức thời (instantaneous channel state information – ICSI) trở nên gần như bất khả thi do hiệu ứng dịch tần Doppler diễn ra quá nhanh và thời gian kết nối giữa vệ tinh với trạm mặt đất bị hạn chế.
- Độ trễ lan truyền tín hiệu: Khoảng cách từ không gian xuống mặt đất tạo ra độ trễ lớn, dẫn đến việc dữ liệu trạng thái kênh truyền (channel state information – CSI) bị cũ và mất đi tính chính xác ngay khi vệ tinh bắt đầu xử lý tính toán. Do đó, hệ thống bắt buộc phải dựa vào dữ liệu trạng thái kênh truyền thống kê (statistical channel state information – SCSI), vốn phụ thuộc hoàn toàn vào việc ước lượng hướng đến (DOA – Direction of Arrival) của tín hiệu người dùng.
- Sai số hình học không gian và hiện tượng lệch búp sóng: Các yếu tố khách quan như hiện tượng nhiễu bầu khí quyển, sự bất ổ của tầng điện ly hay sai số định vị nội bộ của các cảm biến trên vệ tinh đều làm ảnh hưởng góc đo DOA này. Đáng lo ngại hơn, chỉ cần một sai số nhỏ khoảng 1 độ trong việc đo góc DOA cũng có thể dẫn đến sự lệch vị trí định vị thực tế trên mặt đất tới 19.2 km ở độ cao quỹ đạo 1100 km. Sự sai lệch này khiến chùm tia phát sóng bị trượt hoàn toàn khỏi mục tiêu, làm gián đoạn đường truyền và suy giảm hiệu suất kết nối một cách trầm trọng.
Giải pháp: Thuật toán HORBA
Để hóa giải triệt để “điểm mù” từ sai số hình học không gian mà không làm quá tải tài nguyên phần cứng, bài báo đề xuất một thuật toán đột phá mang tên HORBA (Hybrid Optimized Robust Beamforming Algorithm – Thuật toán tối ưu hóa búp sóng mạnh lai).
Thay vì tiếp cận theo hướng tối ưu hóa định danh (Deterministic Optimization) vốn giả định các tham số môi trường hoàn hảo và dễ dàng thất bại trước biến động thực tế, HORBA được xây dựng trên triết lý tối ưu hóa mạnh dựa trên kịch bản tồi tệ nhất (Worst-case Robust Optimization). Thuật toán này không cố gắng triệt tiêu các sai số vật lý mang tính ngẫu nhiên của góc DOA (như nhiễu tầng điện ly hay rung lắc cơ khí) một cách cực đoan. Ngược lại, nó chấp nhận các sai số này như một phần tất yếu của hệ thống và thiết lập một “vùng đệm an toàn” toán học thông qua các tập bất định (uncertainty bounds), giúp hệ thống tự thích nghi và duy trì độ ổn định liên lạc tuyệt đối.
Hệ thống cốt lõi của HORBA hoạt động dựa trên khung làm việc “Phân rã phối hợp khối” (Block Coordinate Descent – BCD). Khung cấu trúc này cho phép tách bài toán tối ưu hóa đa biến phức tạp ban đầu thành hai hệ thống tính toán độc lập và tuần hoàn: tối ưu hóa chùm tia không gian và tối ưu hóa công suất phát tín hiệu dưới mặt đất. Thuật toán áp dụng kỹ thuật phân rã giá trị riêng tổng quát (GED) kết hợp chặt chẽ với phương pháp trực góc hóa Gram-Schmidt, giúp vệ tinh tự tìm ra hướng phát sóng tối ưu nhất để triệt tiêu nhiễu đồng kênh mà không yêu cầu tài nguyên tính toán quá lớn.
Một trong những đóng góp giá trị nhất của thuật toán HORBA là việc tích hợp cơ chế Lấy mẫu thích ứng (Adaptive Sampling) nhằm giải quyết bài toán dung hòa giữa độ chính xác và năng lực xử lý (Trade-off giữa hiệu năng và độ phức tạp):
- Khi sai số góc đo DOA từ tầng điện ly dao động mạnh hoặc mở rộng dải bất định, cơ chế này sẽ kích hoạt việc tăng mật độ lấy mẫu toán học tại các vùng biên kịch bản tồi tệ nhất để bao quát toàn bộ rủi ro, đảm bảo luồng búp sóng không rò rỉ nhiễu sang hệ thống gốc.
- Ngược lại, khi trạng thái không gian ổn định (sai số DOA nhỏ), thuật toán sẽ tự động giảm số lượng mẫu tính toán xuống mức tối thiểu.
Sự linh hoạt này giúp vệ tinh LEO tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ và giải phóng băng thông tính toán của chip xử lý trung tâm (On-board CPU/FPGA), giúp ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ quá tải hoặc treo hệ thống phần cứng.
Kết quả thực nghiệm và phân tích
Để đánh giá khách quan hiệu năng của thuật toán HORBA đề xuất, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng số diện rộng trong kịch bản chia sẻ phổ tần của hệ thống vệ tinh LEO. Các thông số hình học không gian, đặc tính kênh truyền truyền sóng và cấu hình phần cứng đầu vào được thiết lập đồng bộ theo tiêu chuẩn viễn thông không gian hiện hành, chi tiết được mô tả trong hình dưới đây:
Khi kiểm tra sức chịu đựng của hệ thống trước sự biến động của sai số góc hướng sóng đến (DOA) từ 0° đến 4°, kết quả mô phỏng chứng minh thuật toán HORBA sở hữu độ bền vững vượt trội so với các thuật toán tiêu chuẩn: đạt hiệu suất bền vững tốt nhất trong số tất cả các thuật toán thực tế, với tốc độ tổng tương đối là 0,48 ở sai số 4°, gấp 5.33 lần so với thuật toán S-NAB và gấp 1.6 lần so với thuật toán CWRB. Kết quả này chứng minh rằng thuật toán được đề xuất có thể duy trì hiệu quả hiệu suất hệ thống ổn định trong các kịch bản sai số ước lượng DOA.
Ngoài ra, mối quan hệ giữa tổng công suất phát và tổng tốc độ dữ liệu của hệ thống được khảo sát chuyên sâu dưới hai kịch bản môi trường: lỗi góc 0° và 3°. Trong kịch bản không có lỗi 0°, tốc độ tổng của thuật toán IB và S-NAB tăng tuyến tính với sự tăng công suất phát, và hiệu suất của chúng gần như giống nhau. Tốc độ tổng của thuật toán HORBA được đề xuất tăng đều đặn và luôn cao hơn đáng kể so với thuật toán CWRB và 7-FRB. Trong kịch bản lỗi góc 3°, hiệu suất của thuật toán S-NAB bị suy giảm nghiêm trọng, và sự tăng công suất phát không thể được chuyển đổi hiệu quả thành lợi ích về dung lượng hệ thống. Ngược lại, thuật toán HORBA được đề xuất vẫn duy trì hiệu quả sử dụng năng lượng tốt. Ở công suất phát 15 dBm, tốc độ tổng của thuật toán được đề xuất giảm 44.76% về hiệu suất, trong khi S-NAB giảm 88.53% và thuật toán CWRB giảm 55.35%.
Ý nghĩa đối với hạ tầng không gian thế hệ mới
Sự thành công của thuật toán HORBA không chỉ dừng lại ở các thông số mô phỏng toán học, mà còn mang ý nghĩa sâu sắc trong việc định hình và phát triển hạ tầng mạng lưới không gian tích hợp mạng mặt đất thế hệ mới.
HORBA chính là lời giải cho bài toán chia sẻ phổ tần toàn cầu. Bằng cách thiết lập cơ chế kiểm soát nhiễu nghiêm ngặt dựa trên kịch bản tồi tệ nhất, thuật toán cho phép các hệ thống vệ tinh phân cấp khác nhau cùng khai thác triệt để dải phổ tần hữu hạn hiện có mà không gây can nhiễu chéo độc hại, tối ưu hóa tối đa chi phí đầu tư hạ tầng toàn cầu. Hơn nữa, việc HORBA có thể duy trì độ tin cậy tuyệt đối của mạng lưới mà không đòi hỏi hệ thống siêu máy tính cồng kềnh mở ra cơ hội lớn để triển khai phần mềm này trực tiếp trên các dòng vệ tinh LEO cỡ nhỏ (SmallSat), vệ tinh siêu nhỏ (MicroSat) hoặc vệ tinh nano (CubeSat), vốn luôn bị giới hạn khắt khe về năng lượng và phần cứng lưu trữ.
Điều này đồng nghĩa với việc các nhà mạng không gian có thể khai thác triệt để dải phổ tần hữu hạn hiện có, nâng cao dung lượng mạng toàn cầu mà không lo ngại về tình trạng can nhiễu sóng chéo, tối ưu hóa chi phí đầu tư hạ tầng một cách tối đa. Khả năng giữ vững đường truyền ổn định bất chấp những sai số định hướng vật lý chính là yếu tố quyết định để triển khai thành công các dịch vụ IoT băng thông rộng, các hệ thống cứu hộ khẩn cấp toàn cầu và đặc biệt là công nghệ kết nối vệ tinh trực tiếp đến thiết bị di động cầm tay thông thường (Direct-to-Device) ở mọi nơi trên Trái Đất, xóa bỏ hoàn toàn các vùng trắng sóng viễn thông.
Nguồn: doi.org/10.3390/s26113501
