Truyền thông không dây là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Truyền thông không dây (wireless communication) là quá trình trao đổi thông tin giữa các thiết bị hoặc hệ thống mà không cần sử dụng đường dẫn vật lý, dựa trên sóng điện từ truyền qua không gian. Các tín hiệu điện từ có thể nằm trong dải tần thấp (LF), trung (MF), cao (HF), rất cao (VHF), siêu cao (UHF) hoặc băng sóng milimet, tương thích với nhiều ứng dụng từ liên lạc di động đến Internet of Things. FCC: Wireless Communications

Ưu điểm của truyền thông không dây gồm khả năng di động, linh hoạt trong triển khai và mở rộng nhanh chóng, giảm thiểu chi phí hạ tầng cáp, hỗ trợ kết nối đa điểm. Khả năng phủ sóng rộng hoặc cục bộ tùy thuộc công suất phát và cấu hình anten, đáp ứng từ mạng cá nhân (PAN) tới mạng diện rộng (WAN). Độ trễ, băng thông và tiêu thụ công suất là các chỉ số chính đánh giá chất lượng dịch vụ (QoS).

Lịch sử phát triển

Cuối thế kỷ 19, Guglielmo Marconi thực hiện thành công truyền tín hiệu vô tuyến đầu tiên qua Đại Tây Dương, mở đầu kỷ nguyên truyền thông không dây. Thập niên 1920–1950 chứng kiến sự phát triển của sóng dài và sóng trung trong phát thanh và liên lạc hàng hải. Việc ra đời đài vi sóng (microwave relay) từ thập niên 1960 tới 1980 mở rộng liên lạc điểm-điểm với dung lượng lớn hơn.

Sự bùng nổ di động bắt đầu từ hệ thống 1G (analog) cuối thập niên 1970, tiếp nối bằng 2G (GSM) cho thoại số và SMS, 3G (UMTS) cho dữ liệu di động cơ bản, 4G/LTE cho băng rộng di động đa phương tiện và 5G NR với siêu băng thông, độ trễ thấp. Mỗi thế hệ đưa ra các tiêu chuẩn của 3GPP, tập trung cải thiện dung lượng, hiệu suất phổ và tính năng mạng lõi. 3GPP Specifications

• 1G (Analog): AMPS, NMT
• 2G (Digital Voice): GSM, CDMA
• 3G (Mobile Data): UMTS, CDMA2000
• 4G/LTE (Broadband): LTE, LTE-Advanced
• 5G NR (Enhanced): Millimeter-wave, Massive MIMO

Phân loại kênh truyền

Dựa vào tần số và mục đích sử dụng, kênh truyền không dây có thể chia thành các loại chính:

Loại kênh	Phạm vi	Ứng dụng điển hình
LF/MF/HF	1–30 MHz	Vô tuyến dài sóng, truyền tin hàng hải
VHF/UHF	30 MHz–3 GHz	Phát thanh truyền hình, di động cơ bản
Microwave (SHF/EHF)	3–300 GHz	Vệ tinh, liên kết vi sóng, backhaul
Hồng ngoại (IR)	300 GHz–430 THz	Điều khiển từ xa, truyền dữ liệu trong nhà

Cấp độ tần số cao hơn cho phép băng thông rộng nhưng chịu tán xạ và mất mát đường truyền lớn hơn. Trong khi đó, tần số thấp lan truyền xa và xuyên vật cản tốt nhưng giới hạn băng thông. Việc lựa chọn kênh truyền cần căn cứ vào yêu cầu băng thông, phạm vi phủ sóng và điều kiện môi trường.

Nguyên lý hoạt động và mô hình kênh

Sóng điện từ lan truyền qua không khí chịu ảnh hưởng của phản xạ, khúc xạ, tán xạ và che khuất, dẫn đến hiện tượng đa đường (multipath) và fading. Độ trễ lan truyền, biến động biên độ và phase của tín hiệu được mô hình hóa qua các kênh fading như Rayleigh (không có thành phần trực tiếp) và Rician (có thành phần trực tiếp). Các mô hình này hỗ trợ thiết kế thu phát và thuật toán khôi phục tín hiệu.

Dung lượng lý thuyết của kênh AWGN được xác định bởi phương trình Shannon:

$C = B \log_{2}\bigl(1 + \mathrm{SNR}\bigr)$,

trong đó C là dung lượng (bit/s), B là băng thông (Hz), SNR là tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Trong thực tế, hiệu năng bị ảnh hưởng bởi non-idealities như nhiễu đồng kênh, suy hao đường truyền và thiết bị phi tuyến tính, đòi hỏi các biện pháp điều chế và mã hóa thích hợp.

• Mô hình Rayleigh: thích hợp cho môi trường đô thị nhiều tán xạ.
• Mô hình Rician: phù hợp cho liên lạc có tầm nhìn trực tiếp (LoS).
• Kênh Nakagami: linh hoạt điều chỉnh thông số fading.

Công nghệ và tiêu chuẩn chính

Các tiêu chuẩn không dây xác định cấu trúc khung, cơ chế điều chế và quản lý nguồn sóng, đảm bảo tính tương thích và hiệu năng. IEEE 802.11 (Wi-Fi) cung cấp băng thông từ 54 Mb/s (802.11a/g) đến vài Gb/s (802.11ac/ax), phục vụ kết nối LAN nội bộ và hotspot công cộng. Bluetooth (IEEE 802.15.1) thiết kế cho kết nối vạn vật cá nhân (PAN), tiêu thụ năng lượng thấp, tầm hoạt động ~10 m.

3GPP phát triển chuỗi tiêu chuẩn di động: GSM/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE/LTE-Advanced (4G) và 5G NR (New Radio). 5G NR sử dụng băng tần dưới 6 GHz và mmWave, hỗ trợ băng thông đến 20 Gb/s, độ trễ <1 ms và kết nối lên tới 10⁶ thiết bị/km². ZigBee (IEEE 802.15.4) dành cho mạng cảm biến và IoT, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và chi phí triển khai.

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

Hiệu năng hệ thống không dây chịu tác động từ điều kiện môi trường và thông số thiết bị. Fading và shadowing làm giảm biên độ tín hiệu, tăng tỉ lệ lỗi bit (BER). Trong vùng đô thị đông đúc, tán xạ từ tòa nhà và giao thông gây multipath delay spread, làm suy giảm chất lượng kênh.

Công suất phát (P_t) và độ nhạy thu (P_r,min) quyết định phạm vi phủ sóng. Cân bằng giữa P_t và mức nhiễu nền (N₀) tạo SNR đủ cao cho tỉ lệ lỗi thấp. Băng thông khả dụng (B) liên quan trực tiếp đến dung lượng kênh theo công thức Shannon:

$C = B \log_{2}\bigl(1 + \tfrac{P_t G_t G_r}{N_0 B L}\bigr)$,

trong đó G_t, G_r là lợi anten, L là suy hao đường truyền. Độ trễ và jitter phụ thuộc vào cấu trúc mạng lõi và giao thức xử lý gói, đặc biệt quan trọng với ứng dụng thời gian thực như VoIP và AR/VR.

Kỹ thuật tăng cường

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) sử dụng đa anten phát nhận để tận dụng không gian đa đường, tăng dung lượng và độ tin cậy. MIMO phân thành SU-MIMO (single user) và MU-MIMO (multi user), cả hai đều cải thiện hiệu suất phổ. Massive MIMO trong 5G sử dụng hàng trăm anten, nâng cao tập trung năng lượng và giảm nhiễu liên kênh.

Beamforming tập trung chùm tia sóng về phía thiết bị đích, giảm công suất lan tỏa và cải thiện SNR. Kỹ thuật này kết hợp với MIMO tăng cường tầm phủ và chất lượng tín hiệu. Adaptive modulation and coding (AMC) thay đổi cơ chế điều chế (QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM) và tỉ lệ mã theo SNR để tối ưu thông lượng.

• Space–Time Coding (STC): tăng độ tin cậy trong kênh fading.
• Coordinated Multi-Point (CoMP): chia sẻ dữ liệu và điều khiển giữa các trạm gốc.
• Carrier Aggregation (CA): ghép nhiều dải tần tăng băng thông.

Ứng dụng

Điện thoại di động và Internet di động là ứng dụng nổi bật, từ 2G đến 5G cho phép thoại, nhắn tin, streaming video, gaming và AR/VR. Hệ thống vệ tinh (LEO, MEO, GEO) cung cấp phủ sóng toàn cầu, hỗ trợ truyền thông khẩn cấp và định vị GNSS (GPS, GLONASS, Galileo).

Mạng cảm biến không dây (WSN) và IoT ứng dụng trong giám sát môi trường, nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh (smart city). ZigBee, LoRaWAN, NB-IoT cung cấp kết nối năng lượng thấp, chi phí triển khai thấp cho hàng triệu cảm biến. Các application layer như MQTT, CoAP tạo nền tảng cho thu thập và phân tích dữ liệu thời gian thực.

Thách thức và xu hướng phát triển

Quang phổ tần số hạn chế, nhu cầu băng thông tăng mạnh đặt áp lực quản lý và phân bổ tần số. Kỹ thuật cognitive radio (CR) cho phép thiết bị nhận diện và sử dụng tần số trống động, tối ưu hóa sử dụng phổ. Ngoài ra, tiêu thụ năng lượng và độ phức tạp thuật toán ở thiết bị di động đòi hỏi giải pháp tiết kiệm năng lượng như wake-up radio và edge computing.

6G đang được nghiên cứu với băng tần terahertz (0,1–10 THz), dung lượng lý thuyết lên đến Tb/s và tích hợp AI để tối ưu hoá mạng tự động. Network slicing cho phép tạo nhiều mạng logic trên cùng hạ tầng vật lý, đáp ứng yêu cầu đa dạng từ URLLC (ultra-reliable low-latency communications) đến mMTC (massive machine-type communications).

Bảo mật và tiêu chuẩn an toàn

Bảo mật không dây phải đối mặt với tấn công eavesdropping, jamming và spoofing. Mã hóa tầng liên kết (link layer) như WPA3 cho Wi-Fi, 5G AKA (Authentication and Key Agreement) cung cấp xác thực mạnh mẽ và bảo mật khóa. Công nghệ physical layer security khai thác đặc tính kênh fading để sinh khóa ngẫu nhiên, nâng cao an toàn truyền dẫn.

Quy định về an toàn bức xạ không ion hóa (RF exposure) do ICNIRP và FCC đặt ngưỡng SAR (Specific Absorption Rate) ≤ 1,6 W/kg (FCC) hoặc ≤ 2 W/kg (ICNIRP) nhằm bảo vệ sức khỏe người dùng. Các thiết bị và trạm gốc phải tuân thủ tiêu chuẩn này trước khi đưa ra thị trường.

Tài liệu tham khảo

• International Telecommunication Union (ITU). “Radio Regulations.” https://www.itu.int/en/ITU-R/Pages/default.aspx.
• IEEE Standards Association. “IEEE 802.11™-2020.” https://standards.ieee.org/standard/802_11-2020.html.
• 3GPP. “5G; NR; Overall description; Stage 2.” https://www.3gpp.org/specifications.
• Shannon, C. E. “A Mathematical Theory of Communication.” Bell Syst. Tech. J., 1948.
• Rappaport, T. S. Wireless Communications: Principles and Practice. Prentice Hall, 2002.
• Goldsmith, A. Wireless Communications. Cambridge University Press, 2005.
• Federal Communications Commission (FCC). “RF Safety.” https://www.fcc.gov/general/radio-frequency-safety-0.
• 3GPP. “Study on New Radio Access Technology; Physical layer aspects.” TR 38.802, 2017.
• Laneman, J. N., Tse, D. N. C., Wornell, G. W. “Cooperative diversity in wireless networks.” IEEE Proc., 2004.
• ICNIRP. “Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields.” 2020.