Đã bao giờ bạn tự hỏi làm thế nào mà điện thoại có thể kết nối 24/24 cho dù bạn ở bất kỳ nơi đâu. Câu trả lời nằm ở mạng lưới các cấu trúc tháp di động (Cell Tower). Trong bài viết này hãy cùng HHN TECH khám phá chi tiết về tháp di động cũng như vai trò của của tháp di động trong mạng di động.
1. Tháp di động là gì?
Tháp di động (Cell Tower) hay cột phát sóng, là thành phần quan trọng của cơ sở hạ tầng truyền thông di động. Về cơ bản, đây là một cấu trúc cao được trang bị anten, máy phát và máy thu, được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền thông không dây cho các thiết bị di động. Các tháp này đóng vai trò là “xương sống” của mạng di động, cho phép thực hiện cuộc gọi thoại, tin nhắn văn bản và kết nối Internet.
2. Vai trò của tháp di động (Cell Tower) trong mạng di động
Tháp di động đóng vai trò là trung gian giữa các thiết bị di động và mạng viễn thông. Nói một cách dễ hiểu, tháp di động hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ thiết bị di động của người dùng, chuyển đổi các tín hiệu này thành định dạng kỹ thuật số, sau đó gửi đến đích, đến điện thoại khác hoặc lên Internet. Đối với các cuộc gọi đến hoặc dữ liệu, quy trình được đảo ngược.
Quy trình giao tiếp bắt đầu khi một thiết bị di động, chẳng hạn như điện thoại di động, gửi tín hiệu. Tín hiệu này là sóng điện từ, cụ thể là sóng RF, về cơ bản là phiên bản điều chế của giọng nói hoặc dữ liệu của người dùng. Tín hiệu được thu bởi một trong các anten gắn trên cột. Các anten này có thể sử dụng công nghệ MIMO, truyền nhiều luồng dữ liệu trên cùng một kênh để tăng dung lượng.
Sau khi anten nhận được tín hiệu, tín hiệu này sẽ được truyền qua một loạt cáp đồng trục cao tần hoặc đường dẫn sóng (waveguide) đến trạm BTS được đặt ở chân tháp. BTS chuyển đổi tín hiệu RF thành định dạng kỹ thuật số để mạng có thể xử lý.
Tín hiệu đã xử lý sau đó được chuyển đến trung tâm chuyển mạch di động (MSC – Mobile Switching Center) thông qua các kết nối backhaul. Tùy thuộc vào vị trí và cơ sở hạ tầng, kết nối này có thể là kết nối vật lý, chẳng hạn như thông qua cáp quang (cho khu vực thành thị hoặc ngoại ô).
Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) sau đó định tuyến cuộc gọi hoặc dữ liệu đến đúng đích, có thể là một thiết bị di động khác hoặc máy chủ trên Internet. Đối với cuộc gọi hoặc dữ liệu đến, về cơ bản, quá trình này được đảo ngược. MSC chuyển tín hiệu đến trạm BTS, sau đó chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu RF. Tín hiệu RF này sau đó được truyền qua anten của trạm đến thiết bị di động dự định.
3. Cấu tạo của tháp di động
Cấu trúc tháp di động bao gồm một số thành phần quan trọng để cho phép tháp cung cấp liên lạc không dây tới các thiết bị di động như điện thoại và máy tính bảng. Các thành phần này bao gồm:
Anten: Gửi và nhận tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ tháp đến điện thoại di động hoặc ngược lại. Một tháp di động thường có nhiều anten, mỗi anten được đặt ở một tần số khác nhau, thường được đặt ở các độ cao khác nhau trên cấu trúc.
Bộ thu phát: Đây là đơn vị vô tuyến giúp truyền và nhận tín hiệu. Trong các tháp hiện đại, sử dụng 4G/LTE và 5G, RRU (Remote Radio Unit) đôi khi còn được gọi là RRH (Remote Radio Head), được đặt ở trên cùng của cấu trúc.
Đơn vị xử lý băng gốc (Baseband Unit – BBU): Đơn vị này xử lý các giao thức liên lạc và chịu trách nhiệm thiết lập, duy trì và kết thúc các cuộc gọi hoặc phiên dữ liệu.
Nguồn điện chính: Thường là kết nối lưới điện trực tiếp, được sử dụng để cấp điện cho thiết bị truyền tải, hệ thống làm mát, chiếu sáng và các nhu cầu hoạt động khác.
Nguồn điện dự phòng: Trong trường hợp mất điện, các tháp di động sử dụng máy phát điện diesel hoặc bộ pin dự phòng làm nguồn điện khẩn cấp để duy trì hoạt động.
Cáp: Đường dây đồng trục hoặc cáp quang được sử dụng để truyền tín hiệu nhận được từ anten đến trạm gốc hoặc ngược lại.
Tủ và nhà Shelter: Được đặt ở dưới cùng các tháp di động và được sử dụng để chứa thiết bị truyền thông, radio và mạng.
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến phạm vi của tháp di động
Trung bình, phạm vi tối đa của một tháp di động là 25 dặm (40km) và trong một số trường hợp, tín hiệu vô tuyến của tháp có thể đạt tới 45 dặm (72km). Tuy nhiên, do một số yếu tố, bán kính phủ sóng thông thường của một tháp di động chỉ từ 1 đến 3 dặm (1,6 đến 5km) và trong môi trường đô thị đông đúc, một tháp chỉ đạt 0,25 dặm đến 1 dặm (0,4 đến 1,6km) trước khi chuyển kết nối của người dùng sang một tháp di động di động gần đó.
Phạm vi của một tháp di động có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:
Phổ tần: Các tần số vô tuyến khác nhau ảnh hưởng đến khoảng cách mà tín hiệu có thể truyền đi. Tần số cao hơn truyền tín hiệu qua khoảng cách ngắn hơn, trong khi tần số thấp hơn thì truyền qua khoảng cách dài hơn.
Băng thông mạng:Mạng không dây được thiết kế để đáp ứng nhu cầu lưu lượng cụ thể và mật độ thuê bao. Quá trình chuyển đổi từ 3G sang 4G và hiện nay là 5G đã dẫn đến việc giảm bán kính tháp di động do nhu cầu về các ứng dụng băng thông cao tăng lên.
Địa hình: Các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo như núi, đồi và tòa nhà ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng của tín hiệu. Địa hình bằng phẳng cho phép truyền tín hiệu xa hơn, trong khi các khu vực đồi núi có thể giới hạn phạm vi phủ sóng của các tháp di động chỉ trong vài dặm.
Công suất truyền: Công suất mà tháp di động truyền tín hiệu ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng của tháp. Tín hiệu tần số thấp hơn, như 600MHz, phủ sóng xa hơn, trong khi tín hiệu tần số cao hơn, như 2,5GHz, có phạm vi phủ sóng ngắn hơn.
5. Sự phát triển của các tháp di động: Từ 4G đến 5G
Quá trình chuyển đổi từ mạng 4G/LTE sang mạng 5G liên quan đến một số thay đổi về phần cứng, cơ sở hạ tầng và phần mềm của tháp di động, nhằm mục đích cho phép tốc độ cao hơn, độ trễ thấp hơn và nhiều thiết bị được kết nối hơn. Dưới đây là một số nâng cấp chính mà các tháp di động dự kiến sẽ phát triển:
5.1. Nâng cấp phần cứng và cơ sở hạ tầng
Anten: Mạng 5G sử dụng công nghệ MIMO (Multiple Input, Multiple Output) lớn, nghĩa là tháp di động sẽ được trang bị nhiều anten hơn. Ngoài ra, mạng 5G sử dụng các băng tần cao hơn, được gọi là băng tần mmWave, để cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn. Các băng tần cao hơn này đòi hỏi phải sử dụng các loại anten mới, được trang bị công nghệ beamforming.
Xử lý tín hiệu: Remote Radio Head (RRH) khuếch đại và xử lý tín hiệu tần số vô tuyến ở đầu các trạm, trong khi Baseband Unit (BBU) quản lý các chức năng xử lý và điều khiển tín hiệu kỹ thuật số, thường ở chân tháp di động. RRH và BBU đặc biệt quan trọng đối với 5G vì cho phép thông lượng dữ liệu cao hơn, độ trễ thấp hơn và cấu hình mạng linh hoạt hơn.
Cáp quang: Một số thành phần của tháp di động sẽ cần được nâng cấp từ cáp đồng trục thành cáp quang. Các thành phần này bao gồm cáp feeder kết nối các anten ở đỉnh với thiết bị trạm gốc ở phía dưới và kết nối backhaul liên kết nhiều tháp di động với mạng lõi di động.
Nguồn điện: Các tháp di động trong mạng 5G yêu cầu nguồn điện một chiều (DC- Direct Current) cao hơn do xử lý tín hiệu phức tạp hơn và thông lượng dữ liệu tăng lên. Mật độ mạng và việc sử dụng các công nghệ Massive MIMO cũng góp phần vào nhu cầu về nguồn điện bổ sung.
5.2. Nâng cấp phần mềm
Network Functions Virtualization (NFV): Bằng cách ảo hóa các chức năng mạng, NFV cho phép triển khai và mở rộng linh hoạt các dịch vụ mạng trên phần cứng thông dụng, giảm nhu cầu về thiết bị chuyên dụng tại các địa điểm đặt Tháp di động. Điều này rất quan trọng đối với mạng 5G, đòi hỏi tính linh hoạt, khả năng mở rộng và tốc độ cao hơn cho các trường hợp sử dụng như Internet vạn vật (IoT) và các ứng dụng có độ trễ thấp.
Software-Defined Networking (SDN): Cho phép quản lý mạng động, có thể lập trình, điều này rất cần thiết để tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên và xử lý lưu lượng truy cập tăng lên và các yêu cầu về độ trễ thấp của mạng 5G. SDN cho phép anten và Baseband Unit (BBU) của tháp di động được cấu hình và tối ưu hóa từ xa thông qua phần mềm thay vì yêu cầu điều chỉnh thủ công hoặc thay thế phần cứng.
Network Slicing: Cho phép một tháp di động vật lý duy nhất hỗ trợ nhiều mạng ảo, mỗi mạng được tối ưu hóa cho các loại dịch vụ khác nhau như độ trễ thấp, băng thông cao hoặc kết nối IoT.
Về cơ bản, tháp di động đóng vai trò then chốt trong thế giới kết nối ngày nay. Khi chúng ta nắm bắt tương lai của công nghệ không dây, vai trò của tháp di động (Cell Tower) trong mạng di động sẽ ngày càng quan trọng hơn, với các bản nâng cấp phần cứng, cơ sở hạ tầng và phần mềm mới được thúc đẩy bởi sự phát triển liên tục của mạng 5G và tương lai là 6G.
