HAPS (High-Altitude Platform Systems) node là hệ thống trạm gốc di động hoạt động trên tầng bình lưu của khí quyển. HAPS như một phần của hệ sinh thái kết nối không dây dựa trên công nghệ không gian trong tương lai. HAPS là một trong những sáng kiến cải tiến chính của thế hệ tiếp theo của hệ thống không dây (6G).
Bối cảnh: Trong một nỗ lực toàn cầu nhằm thúc đẩy 5G và cuối cùng là giới thiệu 6G, các sáng kiến đang được thực hiện để mở rộng phạm vi phủ sóng trên toàn thế giới, bao gồm cả trên đại dương và trên không, cũng như ở các khu vực xa xôi và khó tiếp cận.
Đồng thời sự gia tăng không ngừng của mối quan tâm đến truyền thông không dây tốc độ cao khiến việc tìm kiếm các giải pháp mới và các loại mạng truy nhập vô tuyến mới. Mặc dù hơn một nửa dân số toàn cầu đã kết nối với Internet, vẫn có nhu cầu về kết nối băng thông rộng cao hơn và các dịch vụ viễn thông ở các khu vực ngoại ô, nông thôn và vùng hẻo lánh vẫn chưa được phục vụ. Ngoài ra, mạng mặt đất dễ bị hỏng hóc và giảm hiệu suất trong nhiều tình huống, chẳng hạn như thiên tai, điều kiện thời tiết khắc nghiệt và môi trường thay đổi. Vì những lý do này, một số loại mạng trên không đang được coi là phương tiện để cung cấp cả kết nối băng thông rộng ổn định cho người dùng cuối và các liên kết giao tiếp giữa mạng di động và mạng lõi cho các mục đích backhauling. Hai loại ứng dụng này có thể mở đường cho việc triển khai băng thông rộng không dây ở các địa điểm xa xôi, chẳng hạn như vùng núi, vùng ven biển và sa mạc.
HAPS dự kiến sẽ là một trong những mạng chính sẽ hỗ trợ cơ sở hạ tầng mặt đất trong các hệ thống viễn thông trong tương lai. Với phạm vi hoạt động rộng (bán kính 500 km mỗi nút) và giảm độ trễ cho chuyến đi khứ hồi (0,13–0,33 mili giây, theo Karabulut Kurt và cộng sự, 2021), HAPS lý tưởng cho các ứng dụng di động và độ trễ thấp yêu cầu kết nối liên tục , vì nó giải phóng các ứng dụng như vậy khỏi gánh nặng của việc phân phối thường xuyên xảy ra trong các mạng mặt đất.
Các sáng kiến trên sẽ bao gồm HAPS bay trong tầng bình lưu cách mặt đất khoảng 20 km và các công nghệ mạng phi mặt đất (NTN) sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO) và vệ tinh quỹ đạo Trái đất thấp (LEO).
Các mạng HAPS được xem là một giải pháp tương đối khả thi cho kết nối hàng không và đường biển, đồng thời là một nền tảng hiệu quả để triển khai các biện pháp đối phó với thảm họa kết hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp.
Sự ra đời của hệ thống HAPS sẽ đóng góp vào Mục tiêu phát triển bền vững (công nghiệp, đổi mới và cơ sở hạ tầng) bằng cách cho phép kết nối băng thông rộng hơn và các dịch vụ viễn thông, đặc biệt là ở vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa.
Đặc điểm: Theo cục tần số, thể lệ Vô tuyến điện của ITU đã đưa ra định nghĩa về hệ thống HAPS là các đài vô tuyến nằm trên một vật thể bay ở độ cao 20-50 km và tại một điểm xác định và cố định so với Trái đất.
Hệ thống HAPS đã trở nên khả thi hơn nhờ sự phát triển vượt bậc của các công nghệ về hiệu suất tấm pin mặt trời, mật độ năng lượng pin, vật liệu tổng hợp composite siêu nhẹ, hệ thống điện tử hàng không tự động và ăng ten. Một số đơn vị sản xuất thiết bị đang thử nghiệm dịch vụ truy cập băng thông rộng qua hệ thống HAPS bằng cách sử dụng máy bay và khí cầu nhẹ, chạy bằng năng lượng mặt trời ở độ cao 20-25 km, hoạt động liên tục trong vài tháng. Kết quả thử nghiệm gần đây cho thấy hệ thống HAPS có khả năng cung cấp truy cập Internet băng rộng bằng cách sử dụng các trạm phát sóng cách mặt đất khoảng 20 km, đã chứng tỏ khả năng cung cấp kết nối cho các khu vực ở vùng sâu, vùng xa.
Tuy nhiên, các hệ thống HAPS phải đối mặt với thách thức để triển khai cung cấp dịch vụ băng thông rộng thương mại trên toàn cầu, đặc biệt là ở các quốc gia có cơ sở hạ tầng yếu kém.
Theo tính toán của ITU-R, tổng lượng phổ tần cho hệ thống HAPS cần từ 396 MHz tới 2969 MHz cho chiều kết nối đường lên (từ mặt đất tới HAPS) và cần từ 324 MHz tới 1505 MHz cho chiều xuống (từ HAPS tới mặt đất). Lượng phổ tần này sẽ đáp ứng nhu cầu cung cấp ứng dụng đặc biệt (phục vụ cứu trợ thiên tai) và cho các ứng dụng kết nối băng thông rộng thương mại.
Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới WRC-97, WRC-2000 và WRC-12 đã xác định các băng tần cho HAPS gồm: 2 GHz, 6 GHz, 27/31 GHz và 47/48 GHz. Hội nghị WRC-19 đã thống nhất phân bổ băng tần 31-31.3 GHz và 38-39.5 GHz cho HAPS sử dụng nghiệp vụ cố định trên toàn thế giới; băng tần 47.2-47.5 GHz và 47.9-48.2 GHz cũng đạt được sự hài hòa toàn cầu cho triển khai hệ thống HAPS.
Ứng dụng: Với định vị gần như tĩnh HAPS ở tầng bình lưu, các khung kết nối HAPS từ mặt đất và HAPS đối không được dự kiến sẽ rất hữu ích về mặt thu thập dữ liệu và tính toán, đặc biệt là với đặc điểm thời tiết ôn hòa và tốc độ gió gần như không đổi của tầng bình lưu.
Các dịch vụ được đề xuất trải dài trên nhiều lĩnh vực, bao gồm vệ tinh, Internet vạn vật (IoT), mạng đặc biệt (chẳng hạn như cảm biến; xe cộ; và mạng trên không), trò chơi và mạng xã hội. Tuy nhiên những thách thức cần được giải quyết để hiện thực hóa HAPS hỗ trợ đám mây, chủ yếu là những thách thức liên quan đến năng lượng cao, công suất xử lý, chất lượng dịch vụ (QoS) và các cân nhắc về bảo mật. Tính di động HAPS và định tuyến tin nhắn, tính bảo mật HAPS thông qua blockchain và máy học, tính phân bổ tài nguyên dựa trên trí tuệ nhân tạo trong HAPS hỗ trợ đám mây và tích hợp với các mạng không đồng nhất theo chiều dọc là các vấn đề cần được nghiên cứu kỹ trong tương lai.
Ngoài ra, khi các hệ thống truyền thông thế hệ tiếp theo xuất hiện, các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao mới trở nên rất phổ biến. Do đó, lưu lượng mạng đang tăng nhanh đến mức các mạng backhaul hiện tại sẽ sớm không đáp ứng được tất cả các nhu cầu về lưu lượng. Mạng backhaul cung cấp kết nối giữa các trạm gốc di động (chẳng hạn như 4G eNB và 5G gNB) và mạng lõi; nó ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của toàn mạng và là một trong những thách thức lớn ngoài 5G (B5G) và 6G. Hướng tới hỗ trợ các yêu cầu backhauling của các mạng 6G trong tương lai, việc phát triển một mạng backhaul bổ sung được coi là rất quan trọng.
Là một trong những giải pháp, mạng backhaul không dây dựa trên nền tảng trên không đã được một số dự án nghiên cứu đề xuất. Các mạng backhaul này có thể sử dụng một hoặc nhiều loại tín hiệu không dây (chẳng hạn như tần số vô tuyến (RF), sóng milimet (mmWaves), vi sóng, laser và quang học không gian trống (FSO)) để cung cấp khả năng tự cung cấp, tính linh hoạt và bao gồm một loạt các miền ứng dụng. Trên thực tế, năm 2020, Song và cộng sự đã chỉ ra một số lợi thế của mạng backhaul không dây dựa trên không khí, cụ thể là, giảm chi phí, khả năng mở rộng mạng, dễ dàng triển khai ở bất kỳ khu vực nào và lan truyền tuyến nhìn (LoS) được đảm bảo.
Một ưu điểm chính khác của HAPS là khả năng kết nối người dùng ở các khu vực bị ngắt kết nối hoặc kết nối yếu, đồng thời cung cấp cho những người dùng này các ứng dụng và dịch vụ khác nhau được cung cấp bởi các mạng mặt đất công cộng và riêng tư. Một trong những lĩnh vực sẽ được hưởng lợi từ mạng chòm sao HAPS mạnh mẽ là điện toán đám mây. Điều này đặc biệt xảy ra vì HAPS sẽ cho phép đám mây tiếp cận nhiều người dùng hơn, nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) của các ứng dụng đám mây truyền thống và thiết lập các dịch vụ đám mây mới hưởng lợi từ các đặc điểm độc đáo của HAPS.
Nguồn: Sưu tầm