Sử dụng trạm gốc 5G để phát hiện drone: Bước tiến mới của công nghệ ISAC trong mạng di động

5G không chỉ truyền dữ liệu mà còn có thể "nhìn thấy" bầu trời

Trong nhiều năm qua, mạng di động được biết đến với vai trò cung cấp dịch vụ liên lạc và truy cập Internet. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ tích hợp cảm nhận và truyền thông (Integrated Sensing and Communication - ISAC), cho phép mạng 5G vừa cung cấp kết nối vô tuyến, vừa sử dụng chính tín hiệu phát sóng để phát hiện, định vị và theo dõi các vật thể trong môi trường mà không cần lắp đặt radar chuyên dụng.

ISAC là một trong những công nghệ quan trọng nhất được Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) đưa vào Phiên bản 19 (Release 19), cho phép mạng 5G Advanced vừa thực hiện chức năng truyền thông (communication), vừa thực hiện chức năng cảm biến (sensing) trên cùng hạ tầng vô tuyến.

Nói một cách đơn giản, trước đây trạm gốc (gNodeB) chỉ có nhiệm vụ phát và thu tín hiệu để phục vụ liên lạc. Với ISAC, chính tín hiệu 5G đó còn được sử dụng để "quan sát" môi trường xung quanh, phát hiện và theo dõi các vật thể mà không cần lắp thêm radar chuyên dụng.

Mới đây, AT&T và Ericsson đã trình diễn một hệ thống phát hiện drone tại sân vận động AT&T Stadium thuộc bang Texas, Mỹ, cho thấy chỉ với các trạm gốc 5G thương mại hiện có, mạng di động cũng có thể đóng vai trò như một hệ thống giám sát vùng trời tầm thấp.

Trong buổi trình diễn, một chiếc drone được giả lập là "mục tiêu lạ" xuất hiện trong khu vực. Hệ thống lập tức phát hiện, hiển thị cảnh báo trên bảng điều khiển và theo dõi liên tục quỹ đạo bay của drone.

Sau đó, một drone khác do nhân viên Ericsson có giấy phép điều khiển của Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) vận hành được triển khai để tiếp cận mục tiêu, trước khi hệ thống xác nhận không phận đã an toàn.

Mặc dù đây là một kịch bản được chuẩn bị trước, điều đáng chú ý không nằm ở màn trình diễn mà ở công nghệ phía sau.

Không cần radar, chỉ sử dụng ba trạm gốc 5G thông thường

Khác với các hệ thống giám sát không phận truyền thống vốn phải lắp đặt radar hoặc các cảm biến chuyên dụng, giải pháp của AT&T và Ericsson hoàn toàn không bổ sung phần cứng mới.

Ba trạm gốc 5G thương mại, trong đó có hai trạm cách khu vực trình diễn khoảng 400 m, đã sử dụng chính tín hiệu vô tuyến đang phục vụ thuê bao để phát hiện drone thông qua tín hiệu phản xạ.

Giải pháp này tận dụng các trạm gốc Massive MIMO hiện hữu; phổ tần số trong băng tần trung (mid-band) đang khai thác; thuật toán xử lý tín hiệu và mô hình trí tuệ nhân tạo (AI).

Các thành phần này kết hợp để biến một phần mạng 5G thương mại thành mạng cảm biến phân tán (distributed sensing grid). Đây cũng là một trong những ứng dụng đầu tiên của công nghệ gNodeB Sensing, cho phép trạm gốc không chỉ truyền thông tin mà còn sử dụng chính tín hiệu vô tuyến để phát hiện, định vị và theo dõi các vật thể trong môi trường.

Công nghệ này đang được chuẩn hóa trong Release 19 của 3GPP thuộc khuôn khổ ISAC, cho phép mạng 5G vừa truyền thông vừa cảm biến môi trường mà không cần chờ đến thế hệ 6G.

Phát hiện drone không cần kết nối vào mạng

Điểm nổi bật nhất của hệ thống là khả năng phát hiện thụ động (passive detection). Thông thường, các nhà mạng có thể nhận biết drone nếu thiết bị sử dụng SIM và truyền dữ liệu qua mạng di động.

Trong thử nghiệm lần này, chiếc drone không hề kết nối vào mạng AT&T. Các trạm gốc chỉ phát sóng tín hiệu 5G như bình thường. Khi sóng vô tuyến phản xạ từ drone quay trở lại, phần mềm của Ericsson sẽ tổng hợp dữ liệu phản xạ từ cả ba trạm gốc để xác định vị trí và quỹ đạo bay.

Việc kết hợp nhiều nguồn tín hiệu giúp tăng độ chính xác; giảm sai số và tránh phụ thuộc vào một điểm đo duy nhất. Đây là bước tiến đáng kể so với các nghiên cứu ISAC trước đây vốn chủ yếu tồn tại trong phòng thí nghiệm.

Không thay thế radar mà bổ sung cho radar

AT&T khẳng định công nghệ này không nhằm thay thế radar. Theo ông Robert Soni, Phó Chủ tịch phụ trách công nghệ của AT&T, radar truyền thống hoạt động rất hiệu quả trong phát hiện mục tiêu ở tầm cao và khoảng cách xa, nhưng lại gặp khó khăn với các vật thể bay thấp do địa hình, cây cối hoặc công trình xây dựng gây nhiễu.

Trong khi đó, các trạm gốc di động lại được bố trí ngay gần mặt đất và phủ rộng khắp khu vực đô thị. Nhờ góc quan sát thấp, mạng 5G có thể phát hiện các mục tiêu mà radar trên không hoặc radar tầm xa dễ bỏ sót.

AT&T hiện sở hữu khoảng 75.000 trạm phát sóng tại Bắc Mỹ. Việc xây dựng một mạng radar có mật độ tương đương sẽ đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn, điều mà hầu như không cơ quan chính phủ nào có thể thực hiện. Do đó, cảm biến mạng di động được xem là một lớp bổ sung trong hệ thống giám sát không phận đa cảm biến, bên cạnh radar, camera quang học, cảm biến âm thanh và các hệ thống chỉ huy điều khiển.

Theo kết quả thử nghiệm, hệ thống có thể phát hiện các drone bay ở độ cao khoảng 90 - 120 m với khoảng cách tối đa lên tới 6 km. Quỹ đạo do mạng 5G tính toán gần như trùng khớp với dữ liệu định vị GPS của chính drone.Đây là kết quả đáng chú ý đối với một hệ thống vốn được thiết kế ban đầu chỉ để phục vụ truyền thông vô tuyến.

Lợi thế lớn nhất nằm ở chi phí

Theo giới phân tích, điểm hấp dẫn nhất của công nghệ này không nằm ở hiệu suất phát hiện mà là bài toán kinh tế. Thay vì phải đầu tư hàng loạt radar mới, các nhà mạng chỉ cần nâng cấp phần mềm trên hạ tầng đã được triển khai. Việc tái sử dụng cột anten; trạm gốc; hệ thống Massive MIMO và phổ tần hiện hữu giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư (CAPEX) cho một hệ thống giám sát diện rộng.

Ông Stefan Pongratz, chuyên gia của hãng nghiên cứu Dell'Oro Group, cho rằng đây là điểm khác biệt lớn so với nhiều sáng kiến dịch vụ doanh nghiệp trước đây của các nhà mạng. Khả năng tận dụng hạ tầng mạng vĩ mô hiện hữu đã "thay đổi hoàn toàn bài toán rủi ro và lợi nhuận", khiến mô hình này phù hợp hơn với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.

Ông cũng nhấn mạnh mục tiêu không phải là xây dựng hệ thống cảm biến tốt nhất thế giới, mà là đạt được điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu năng và hiệu quả đầu tư (ROI).

Một hệ thống radar chuyên dụng chắc chắn sẽ cho kết quả tốt hơn, nhưng chi phí trên mỗi km² vùng phủ cũng cao hơn rất nhiều.

Thương mại hóa theo từng giai đoạn

AT&T cho biết chưa xem đây là sản phẩm thương mại hoàn chỉnh. Ông Robert Soni mô tả lộ trình phát triển theo ba cấp độ, ví như từ ván trượt (skateboard), lên xe đạp (bicycle) rồi mới tới ô tô (automobile).

Trong 3 - 5 năm tới, khách hàng chủ yếu sẽ là các cơ quan liên bang Mỹ; lực lượng ứng cứu khẩn cấp và đơn vị bảo vệ hạ tầng trọng yếu.

Đáng chú ý, nhiều cơ quan liên bang đang trực tiếp tài trợ hoạt động nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ này, cho thấy nhu cầu giám sát vùng trời tầm thấp đang ngày càng trở nên cấp thiết.

Dù việc phát hiện tín hiệu phản xạ tương đối rõ ràng, thách thức lớn nhất hiện nay là phân loại mục tiêu. Hệ thống phải xác định liệu vật thể phản xạ là drone, chim hay một vật thể bay khác.

AT&T và Ericsson cho biết AI sẽ thực hiện nhiệm vụ này và đưa ra mức độ tin cậy. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề khó khăn cần giải quyết như AI được huấn luyện bằng dữ liệu nào; tiêu chí phân biệt drone với chim; tỷ lệ báo động giả (false positive); tỷ lệ bỏ sót mục tiêu (false negative); hiệu quả trong điều kiện thời tiết xấu và khả năng xử lý khi xuất hiện nhiều drone cùng lúc.

Ngoài ra, môi trường đô thị với nhiều tòa nhà cao tầng vẫn là bài toán khó do hiện tượng phản xạ đa đường (multipath) và khuất tầm nhìn làm giảm độ chính xác.

Hướng tới nền kinh tế vùng trời tầm thấp

Ericsson coi cảm biến mạng là nền tảng quan trọng cho nền kinh tế tầm thấp (Low-altitude Economy).

Ngoài phát hiện drone trái phép, công nghệ này còn có thể hỗ trợ quản lý hoạt động giao hàng bằng drone; xây dựng bản sao số (digital twin) cho đô thị thông minh; cung cấp dữ liệu môi trường cho xe tự lái khi radar hoặc LiDAR gặp điểm mù và nâng cao nhận thức tình huống cho các hệ thống giao thông tự động.

Để thúc đẩy hệ sinh thái, AT&T và Ericsson dự định cung cấp các API mở, cho phép bên thứ ba kết hợp dữ liệu cảm biến từ mạng với camera, radar, dữ liệu bay, cơ sở dữ liệu logistics và thậm chí cả các mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) nhằm phát triển các ứng dụng chuyên biệt.

Tuy nhiên, AT&T cũng thừa nhận phần cứng và phần mềm thương mại của các nhà cung cấp lớn vẫn sẽ đóng vai trò chủ đạo trong các hệ thống triển khai thực tế, còn các nền tảng mã nguồn mở chủ yếu phục vụ nghiên cứu và thử nghiệm.

Tóm lại, việc thử nghiệm của AT&T và Ericsson cho thấy mạng 5G đang vượt ra khỏi vai trò truyền dẫn truyền thống để trở thành một hạ tầng cảm biến quy mô lớn. Bằng cách tận dụng các trạm gốc, anten Massive MIMO và phổ tần đã được triển khai, công nghệ ISAC mở ra khả năng giám sát vùng trời tầm thấp với chi phí thấp hơn đáng kể so với các hệ thống radar chuyên dụng.

Tuy vậy, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn đầu. Những vấn đề quan trọng như độ chính xác của AI trong phân loại mục tiêu, tỷ lệ phát hiện, khả năng hoạt động trong môi trường phức tạp và mô hình kinh doanh bền vững vẫn cần được kiểm chứng thông qua các thử nghiệm thực tế và dữ liệu độc lập.

Dẫu vậy, kết quả thử nghiệm của AT&T và Ericsson cũng đã cho thấy một xu hướng rõ ràng: trong tương lai, mạng 5G không chỉ là hạ tầng kết nối mà còn có thể trở thành "giác quan" mới của các đô thị thông minh và nền kinh tế tầm thấp./.

Phan Văn Hòa, Cục Tần số Vô tuyến điện