Cho đến nay, Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc và các quốc gia khác đã thực hiện các kế hoạch quy mô lớn như thăm dò mặt trăng như các dự án quốc gia Mặt khác, trong những năm gần đây, nhiều hoạt động kinh doanh không gian do các công ty tư nhân điều hành đã thu hút sự chú ý Một vấn đề quan trọng để kinh doanh không gian thành công là làm thế nào để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền thông tốc độ cao, dung lượng cao, kết nối mặt đất và không gian Lần này, chúng tôi đã nói chuyện với Masaru Sato, Giám đốc Kế hoạch, Phòng Chiến lược Nghiên cứu, Phòng Nghiên cứu và Phát triển, JAXA (Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản), đang hợp tác với NTT về nghiên cứu nhằm hiện thực hóa cơ sở hạ tầng truyền thông quang học và không dây kết nối mặt đất và không gian, về những nỗ lực và khả năng liên quan đến xây dựng cơ sở hạ tầng truyền thông trong môi trường không gian Trong phần đầu tiên, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về nghiên cứu các công nghệ truyền thông không dây như truyền thông quang học

Nhiều vệ tinh nhân tạo đã bay trong không gian

Quỹ đạo quanh trái đất nơi các vệ tinh được phóng được phân loại rộng rãi thành ba loại: "quỹ đạo thấp", "quỹ đạo trung bình" và "quỹ đạo địa tĩnh" "Quỹ đạo thấp" là quỹ đạo ở độ cao lên tới 2000 km, chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh ngắn, khoảng 90 phút nên được dùng để quan sát trái đất Theo Sato, “Ở các vùng có vĩ độ trung bình như Nhật Bản, thời gian nhìn thấy được mà chúng ta có thể liên lạc với các vệ tinh quan sát Trái đất ở quỹ đạo thấp chỉ khoảng 10 đến 15 phút, do đó có một hạn chế là chúng ta phải liên lạc trong khoảng thời gian đó” "Quỹ đạo trung bình" là quỹ đạo ở độ cao từ 2000km đến 36000km và chủ yếu được sử dụng để định vị các vệ tinh như GPS và QZSS vì nó có thể bao phủ một khu vực rộng hơn trên trái đất "Quỹ đạo địa tĩnh" là quỹ đạo ở độ cao 36000 km và ở độ cao đó vệ tinh di chuyển với tốc độ tương đương với tốc độ quay của Trái đất, khiến nó luôn có thể nhìn thấy được từ Trái đất ở cùng một vị trí, vì vậy nó được sử dụng cho các vệ tinh liên lạc, phát sóng và vệ tinh thời tiết

Bằng cách này, các vệ tinh nhân tạo cho nhiều mục đích khác nhau sẽ được phóng vào không gian gần Trái đất Ngoài thông tin được truyền bởi các vệ tinh như vậy, lượng thông tin được thu thập bởi tàu vũ trụ (tàu thăm dò không gian) được sử dụng để thám hiểm không gian ngoài Trái đất, như Mặt trăng và Sao Hỏa, dự kiến ​​sẽ tăng lên trong tương lai Do đó, ngay cả trong không gian, cơ sở hạ tầng truyền thông vẫn cần thiết để truyền tải và sử dụng lượng lớn hình ảnh và dữ liệu ở tốc độ cao hơn Hơn nữa, để mở rộng phạm vi hoạt động của con người ra ngoài không gian, bao gồm cả việc mở rộng kinh doanh không gian, việc cải thiện môi trường không gian sẽ trở nên quan trọng

Dựa trên nền tảng này, NTT và JAXA đã công bố vào tháng 11 năm 2019 rằng họ sẽ hợp tác cùng nhau để `` hiện thực hóa cơ sở hạ tầng truyền thông quang học và không dây tốc độ cao, công suất lớn, an toàn để kết nối liền mạch mặt đất và không gian'' cũng như ``nghiên cứu và phát triển nhằm phát triển các công nghệ then chốt hỗ trợ cơ bản cho sự tiến bộ và hồi sinh mạnh mẽ trong việc sử dụng không gian và khám phá không gian'' (Hình 1) Bằng cách kết hợp `` công nghệ mạng quang và không dây '' của NTT góp phần hiện thực hóa khái niệm `` IOWN (Mạng quang & không dây đổi mới)'', là nền tảng xử lý thông tin và mạng dựa trên ánh sáng, với ``công nghệ xây dựng hệ thống tàu vũ trụ'' phong phú của JAXA, mục đích là cung cấp cơ sở hạ tầng liên lạc tốc độ cao, dung lượng lớn có khả năng chống thiên tai và thiết lập một hệ sinh thái tự trị cho phép khám phá không gian thế hệ tiếp theo

(Hình 1) Thế giới quan hướng đến cơ sở hạ tầng truyền thông quang học và không dây tốc độ cao, dung lượng lớn, an toàn do NTT và JAXA thúc đẩy
(Nguồn: Tài liệu thuyết trình của NTT và JAXA) cJAXA/NTT

Về lý do tại sao cần ánh sáng để liên lạc giữa mặt đất và không gian, ông Sato nói: ``Thông tin từ vệ tinh được truyền xuống mặt đất bằng sóng vô tuyến, nhưng sóng vô tuyến là nguồn tài nguyên hữu hạn và tốc độ cao, liên lạc dung lượng lớn đòi hỏi băng thông rộng Mặt khác, vì ánh sáng có dải tần rộng hơn sóng vô tuyến nên nó có thể truyền nhiều thông tin hơn sóng vô tuyến Vì lý do này, công nghệ sử dụng liên lạc quang học và không dây để truyền thông tin xuống mặt đất sẽ trở nên quan trọng"

Ba chủ đề nghiên cứu để hiện thực hóa truyền thông quang học và không dây

Hai năm đã trôi qua kể từ khi NTT và JAXA đồng ý hợp tác hướng tới hiện thực hóa cơ sở hạ tầng truyền thông quang học và không dây, còn các chủ đề nghiên cứu chung được công bố ban đầu hiện đang tiến triển như thế nào?

Chủ đề đầu tiên, ``Ứng dụng công nghệ MIMO vệ tinh để tăng khả năng liên lạc giữa vệ tinh quỹ đạo thấp và trạm mặt đất'' là nghiên cứu ứng dụng công nghệ MIMO, sử dụng nhiều ăng-ten trên cả máy phát và máy thu để tăng dung lượng liên lạc tới các vệ tinh ở quỹ đạo thấp (Hình 2)

(Hình 2) Hình ảnh ứng dụng công nghệ MIMO vệ tinh
(Nguồn: Tài liệu thuyết trình của NTT và JAXA) cJAXA/NTT

Trong liên lạc vệ tinh, khoảng cách liên lạc dài và cách truyền sóng vô tuyến rất khác so với trên mặt đất, gây khó khăn cho việc áp dụng trực tiếp công nghệ MIMO đã được đưa vào sử dụng thực tế trong điện thoại di động, mạng LAN không dây, vv Do đó, bằng cách kết hợp công nghệ của NTT giúp phân tách nhiều tín hiệu với thời gian thu và lỗi tần số khác nhau cũng như công nghệ của JAXA cho phép phân tích dung lượng liên lạc có tính đến quỹ đạo vệ tinh và kiến thức liên quan đến thiết kế hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp, chúng tôi đang nỗ lực thiết lập công nghệ MIMO vệ tinh quỹ đạo thấp giữa các vệ tinh quỹ đạo thấp và trạm mặt đất Sato cho biết: “Hiện tại, chúng tôi đang phát triển thiết bị để lắp đặt trên Vệ tinh Trình diễn Nhỏ số 3 của Vệ tinh Trình diễn Công nghệ Vệ tinh Đổi mới, dự kiến ​​sẽ được phóng vào năm tài chính 2022 và chúng tôi sẽ sử dụng thiết bị này để tiến hành trình diễn công nghệ trên quỹ đạo”

Chủ đề thứ hai là nghiên cứu ứng dụng công nghệ khuếch đại quang học cho truyền thông không dây quang không gian tốc độ cực cao, dung lượng lớn Để truyền và sử dụng lượng lớn dữ liệu hình ảnh và thông tin khác được thu thập bởi các vệ tinh quan sát Trái đất hoạt động trong không gian, Trạm vũ trụ quốc tế và các cổng gần mặt trăng ở tốc độ cao hơn, cần phải đạt được khả năng liên lạc với dung lượng truyền tải loại Gbps Với mục đích này, chúng tôi đang phát triển các thiết bị liên lạc cần thiết như bộ khuếch đại bằng cách kết hợp các công nghệ truyền thông tiên tiến của NTT và JAXA (Hình 3) Sato cho biết: “Khi sử dụng những thiết bị như vậy trong không gian, không thể tránh khỏi vấn đề bức xạ vũ trụ Hiện tại, cả hai bên đang xem xét phát triển các thiết bị có thể chịu được môi trường bức xạ trong không gian”

(Hình 3) Hình ảnh ứng dụng công nghệ khuếch đại quang học
(Nguồn: Tài liệu thuyết trình của NTT và JAXA) cJAXA/NTT

Chủ đề thứ ba, ``Trình diễn hiệu quả của các thiết bị không dây quan sát và liên lạc cho các vệ tinh thế hệ tiếp theo'' nhằm mục đích chứng minh tính hiệu quả của các thiết bị không dây băng tần terahertz nhằm quan sát các đám mây băng ở tầng trên bầu khí quyển vốn khó quan sát và góp phần cải thiện độ chính xác của các mô hình khí hậu Để đạt được mục tiêu này, họ dự định sử dụng công nghệ bán dẫn băng tần terahertz của NTT và công nghệ thành phần terahertz gắn trên vệ tinh của JAXA để sản xuất bộ khuếch đại băng tần 300 GHz và xác minh xem chúng có thể được sử dụng trong môi trường không gian hay không (Hình 4)

(Hình 4) Công nghệ khuếch đại băng tần Terahertz (băng tần 300GHz) để lắp đặt vệ tinh
(Nguồn: Tài liệu thuyết trình của NTT và JAXA) cJAXA/NTT

Cả hai bên cũng đang xem xét tung ra các chủ đề mới ngoài những chủ đề này JAXA cũng đang tham gia vào nghiên cứu về “Mạng máy tính tích hợp không gian” mà NTT đang hướng tới xây dựng với SKY Perfect JSAT, mạng này sẽ sử dụng các trung tâm dữ liệu không gian và các cơ sở khác để truyền thông tin do máy tính xử lý xuống mặt đất

Ông Masaru Sato, Giám đốc Kế hoạch, Phòng Chiến lược Nghiên cứu, Phòng Nghiên cứu và Phát triển JAXA cJAXA