Science & Technology Learning: ☕ Nhàn đàm ICT: Space Broadband Internet ⏸

Phác họa bài post:

1. Loon Project (Google)

2. Aquila (Facebook)

3. Starlink (SpaceX)

4. Đàm luận về môi trường.

5. Truy cập Internet trên máy bay và trên tàu thủy.

6. Dịch vụ băng thông rộng phủ toàn cầu.

7. Thuê bao nhà mạng phủ toàn cầu.

8. Space Privatization.

1. Cách đây nhiều năm (năm 2013), trên Diễn đàn ICT này tôi đã có dịp đàm đạo với anh/chị về “Loon Project” (Dự án Loon) của Google [☕ Nhàn đàm ICT: Ubiquitous network].

1.1. Ý tưởng của dự án này là lập một “đội bóng bay” ở tầng bình lưu (stratosphere), ở độ cao 18-25 km tính từ mặt đất. Để cho dễ hình dung, máy bay dân dụng thường bay ở độ cao 10 km thì tầng bình lưu có độ cao gấp đôi như thế. Mỗi bóng bay có một bộ thu phát đặt ở dưới bụng. Bộ thu phát này liên kết các bóng bay với nhau thành một mạng không dây và có thể truyền thông tin đến các trạm ăng ten ở mặt đất.

1.2. Như vậy, một điểm bất kỳ dưới mặt đất phát tín hiệu lên “đội bóng bay” và “đội bóng bay” truyền tín hiệu trong nội bộ và lại chuyển tiếp đến một điểm khác trên mặt đất. Và thế là, voilà, chúng ta có kết nối điểm – điểm, Internet được kết nối.

1.3. Có gì đặc biệt ở đây? Điểm ở dưới mặt đất là bất kỳ, có thể ở trong đô thị sầm uất hoặc ở vùng sâu, vùng xa, ở hải đảo, ở trên biển,… ở đâu cũng được miễn là phải có bộ ăng ten thu phát. Anh/chị có thể đặt câu hỏi: thế mạng 3G, 4G hoặc 5G cũng có chức năng như thế còn gì? Xin thưa anh/chị, các mạng 3G, 4G, 5G đều cần mạng lưới các trạm chuyển tiếp và thường các trạm BTS này nằm trên … mặt đất! Có thể coi mỗi một “bóng bay” là một trạm “BTS” di động. (BTS: Base Transceiver Station: Trạm thu phát sóng trong các mạng di động.)

1.4. Bàn về kỹ thuật một chút. Google chọn bóng bay ở tầng bình lưu vì độ nhiễu động (turbulence) ở tầng này thấp, gió thoảng nhẹ (10-30 km/h). Người ta điều chỉnh độ cao của bóng bay bằng cách bơm vào khí heli, hydro và một hỗn hợp nhẹ hơn khí thường. Khi được bơm căng, quả bóng bay này phình ra 15 mét và cao 12 mét. Hộp điều khiển nặng 10 kg nằm ở dưới bụng của bóng bay. Hộp này chứa mạch điều khiển, ăng ten, bộ truyền tin giữa các bóng bay với nhau và bộ thu phát tín hiệu với trạm mặt đất, bộ ắc qui thu nạp năng lượng mặt trời một cách tự động. Chú ý rằng vì các bóng bay này “tương đối gần mặt đất” nên vẫn có “ngày” và “đêm”. Vì vậy bộ ắc qui này ban ngày phải nạp đủ để bộ điều khiển có thể hoạt động vào ban đêm. Ngoài ra, bóng bay còn được gắn với một cái dù. Chiếc dù này có nhiệm vụ cân bằng tải bóng bay và hỗ trợ hạ cánh khi bóng bay hết thời hạn sử dụng. Tuổi thọ bóng bay từ 100 đến 200 ngày.

1.5. Chất lượng dịch vụ? Lúc đầu Google sử dụng băng tần 2.4 và 5.8 GHz thuộc băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical), là dải băng tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế chứ không phải dải băng tần dành cho viễn thông. Sau này họ chuyển sang tương thích với LTE. (Để dễ hình dung, anh/chị cứ coi LTE như 4G - mà 4G là 3G nhưng nhanh hơn.) Google thông báo rằng dịch vụ trên mạng bóng bay của họ tương đương 3G. Tất nhiên chúng ta hiểu hệ thống này có 2 loại độ trễ: độ trễ từ mặt đất lên bóng bay và độ trễ giữa các bóng bay với nhau. Google cho biết là tốc độ truyền tin giữa 2 bóng bay với khoảng cách 100km có thể đạt đến 155 Mbps.

1.6. Ý tưởng chủ đạo của Google khi xây dựng hệ thống này là cấp dịch vụ 3G, 4G đến các vùng xa xôi hẻo lánh, thưa người mà các nhà mạng không muốn, hoặc không thể xây dựng các trạm BTS trên mặt đất. Một đặc điểm chung của các hệ thống tương tự như dự án Loon là không phụ thuộc vào thời tiết, động đất, hỏa hoạn, … Hệ thống này vẫn hoạt động như bình thường khi xảy ra thảm họa trên mặt đất.

⏸

2. Vào một trong thời kỳ “đỉnh cao” của mình vào năm 2016, Facebook đã hình thành dự án có tên là Aquila. Thay vì sử dụng bóng bay, Aquila là “đội” máy bay không người lái sử dung pin mặt trời (solar-powered drone). Máy bay này của Facebook có sải cánh rộng như chiếc Boeing 737 nhưng rất nhẹ, chỉ nặng 400kg. Phía trên của cánh là các tấm panel pin mặt trời. Máy bay này sử dụng các mô tơ điện (hẳn phải vậy rồi 😊). Riêng các mô tơ điện và pin mặt trời nặng khoảng 200 kg, chiếm một nửa trọng lượng máy bay. Aquila cất cánh nhờ các bóng bay chứa khí heli đưa lên độ cao ở tầng bình lưu. Khi hạ cánh, máy bay này hạ ở mặt sân cỏ. Aquila bay ở độ cao 27 km vào ban ngày và hạ xuống độ cao 18 km vào ban đêm. Ban đêm sử dụng điện năng đã được nạp vào từ lúc có ánh nắng mặt trời. Tuổi thọ của một máy bay loại này là 3 tháng. Mục tiêu của dự án Aquila cũng tương tự như dự án Loon của Google: cung cấp truy cập Internet đến vùng sâu, vùng xa và hỗ trợ người dân về thông tin liên lạc khi gặp thảm họa.

2.0. Mọi chuyện đang hứa hẹn và lãng mạn như thế thì “đùng một cái” (mượn ý thi pháp Bút Tre), ngày 28/06/2018, Facebook thông báo dừng dự án! Hiển nhiên chúng ta ai cũng hiểu con đường khoa học công nghệ không hề bằng phẳng. Các dự án đầu tư vào công nghệ cao là các dự án mang tính rủi ro rất cao. Và dự án Aquila của Facebook là một minh chứng sống động như vậy.

⏸

3. Starlink. Không gian xung quanh Trái Đất là mênh mông. Ý tưởng về phát triển một hệ thống truyền tin trên không gian này đầy hứa hẹn. Và vì vậy Elon Must cùng với công ty SpaceX vào cuộc. Khi vào cuộc, họ đóng vai trò là người thay đổi cuộc chơi (Game Changer).

3.1. Chúng ta đều biết SpaceX là nhà sản xuất hàng không vũ trụ và công ty dịch vụ vận chuyển không gian. Họ phóng tên lửa Falcon 9 như cơm bữa. Và chúng ta cũng biết là tên lửa chính là chiếc tàu vận chuyển đưa vệ tinh lên quỹ đạo. Đây là một điểm khác biệt lớn của SpaceX so với các tập đoàn công nghệ hàng đầu khác như Google, Facebook, Amazon, Samsung hay OneWeb.

* Tháng 1 năm 2015, SpaceX xác định tầm nhìn xây dựng “chòm vệ tinh” (satellite constellation) nhằm xây dựng mạng lưới băng thông rộng nhắm tới cung cấp 50% “trục chính” về truyền tin và khoảng 10% lưu lượng Internet! Con số vệ tinh của hệ thống này trong kế hoạch là 42.000. (Để so sánh: kể từ lúc Liên bang Xô viết phóng vệ tinh Sputnik đầu tiên đến nay, thế giới mới chỉ phóng 8.000 vệ tinh và hiện tại chỉ có 2.218 vệ tinh đang hoạt động!) Theo ước tính của SpaceX, dự án Starlink sẽ tiêu tốn chừng 10 tỷ USD.

3.2. Đàm đạo về “thủ tục hành chính” một chút. (Thưa anh/chị, đây là thủ tục hành chính bên Hoa Kỳ, chứ không phải ở nước ta đâu.) Muốn làm cái gì liên quan đến truyền thông, kể cả truyền thông trên không gian, các công ty ở Hoa Kỳ phải nộp hồ sơ đăng ký lên FCC (Federal Communications Commission - Ủy ban Truyền thông Liên bang). Nếu liên quan đến truyền thông quốc tế, thì FCC sau khi duyệt đăng ký sẽ thay mặt công ty đó nộp hồ sơ lên ITU (International Telecommunication Union – Liên minh Viễn thông Quốc tế). Hồ sơ thủ tục rất nhiều (chắc thế 😊) nhưng chủ yếu phải khai báo các vệ tinh bay ở độ cao nào và khi truyền tin thì chọn dải băng tần nào. Vì kế hoạch của Starlink phóng 42.000 vệ tinh trong 10 năm nên phải đăng ký sớm. Tuy nhiên, FCC có một ràng buộc là trong vòng 6 năm công ty đăng ký phải phóng hết số vệ tinh đã đăng ký, tránh trường hợp công ty đăng ký chiếm không gian nhưng chẳng làm gì cả. (Ở ta hay gọi là “dự án treo” 😊.) SpaceX sau đó “lách” bằng cách cùng với Boeing đệ đơn lên FCC đòi hủy bỏ ràng buộc này (tháng 9 năm 2017). FCC không chấp thuận, nhưng nới lỏng ràng buộc là trong 6 năm phải phóng ít nhất một nửa số vệ tinh và phải phóng hết toàn bộ số vệ tinh đã đăng ký trong vòng 9 năm. (Takeaway: ở đâu doanh nghiệp cũng phải “lobby” chính quyền 😊.)

3.3. Đàm đạo một chút về kế hoạch tổng thể của chòm vệ tinh Starlink:
* Từ 2015 – 2017: Đăng ký, R&D, xây dựng thương hiệu, … (Đúng là họ làm R&D theo kiểu thần tốc 😊.)

* Từ 2018 – 2019: Thử nghiệm hai mẫu (hai mẫu này có tên là Tintin A và Tintin B, được phóng lên quỹ đạo có độ cao 514 km vào ngày 22/02/2018), lập kế hoạch sản xuất hàng loạt, phóng lên quỹ đạo “lô” vệ tinh đầu tiên (60 vệ tinh được phóng lên quỹ đạo có độ cao 440-550 km vào ngày 25/05/2019) để test các tính năng của chúng. Các vệ tinh trong đợt này chỉ có thể liên lạc với ăng ten mặt đất chưa có tính năng liên kết với nhau.

* Từ tháng 11/2019 đến nửa đầu năm 2020 phóng 9 đợt, mỗi đợt 60 vệ tinh. Tất cả các vệ tinh này đều được phóng lên quỹ đạo có độ cao là 550 km (tầng quỹ đạo LEO).

* Từ 2020 – 2024: Tổng thể sẽ phóng một nửa số vệ tinh (21.000 vệ tinh).

* Từ 2024 – 2027: Tổng thể sẽ phóng nốt một nửa còn lại các vệ tinh (21.000 vệ tinh).

Từ năm 2027 về sau chắc bầu trời lúc đấy không chỉ lấp lánh các vì sao mà còn lấp lánh các vệ tinh của Starlink, của Amazon (AWS: dự án Kuiper đăng ký 3.236 vệ tinh), của OneWeb (tháng 3/2020 OneWeb đã nộp hồ sơ phá sản nhưng vẫn giữ lại bộ phận “chòm vệ tinh” và vào tháng 5/2020 vẫn nộp hồ sơ lên FCC đăng ký 48.000 vệ tinh 😊), của Samsung (4.600 vệ tinh), …

3.4. Lại đàm đạo về công nghệ liên quan đến vệ tinh viễn thông.

* Loại vệ tinh này đượ xếp vào loại vệ tinh nhỏ (có trọng lượng từ 100 – 500 kg) và bay ở tầng quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit): quỹ đạo có độ cao từ 180 km đến 2.000 km. (Để tiện so sánh: vệ tinh Vinasat-1 của chúng ta, phóng năm 2008, có trọng lượng 2,7 tấn, quỹ đạo địa tĩnh (Geostationary orbit) 132°E ở độ cao 35.768 km. Vinasat-2 có trọng lượng 3 tấn, quỹ đạo địa tĩnh 131,8°E.)

* Truyền tin giữa các vệ tinh: Starlink sử dụng công nghệ truyền thông laser trong không gian (Laser communication in space) và beam-forming (phased array).

*_ Truyền thông laser trong không gian cho phép truyền tin rất xa: hàng chục ngàn đến hàng trăm ngàn km. Kỹ nghệ này cho phép truyền tin “giữa các vì sao”. Không chỉ dự án Starlink mà cả dự án Loon của Google và dự án Aquila của Facebook cũng sử dụng công nghệ truyền tin laser trong không gian.

*_ Beam-forming là kỹ nghệ truyền tin qua ăng ten nhưng được “định tuyến” đến đối tượng được truyền chứ không phải phát “đẳng hướng”. Trong lần đàm đạo trước đây, cũng trên diễn đàn này, chúng ta đã thấy 5G sử dụng kỹ thuật này để giảm nhiễu chéo và tăng tốc độ truyền tin.

* Lưu lượng Internet trên các vệ tinh tầng địa tĩnh (geostationary) có độ trễ ít nhất là 477 ms. Trên thực tế độ trễ này là khoảng 600 ms (hơn một nửa giây). Tuy nhiên, các vệ tinh của Starlink chỉ bay ở độ cao khoảng 1⁄30 đến 1⁄105 so với tầng địa tĩnh nên độ trễ giảm xuống chỉ còn từ 25 ms đến 30 ms, tương đương với độ trễ của dây cáp thường và dây cáp quang.

* Thiết bị thu phát đầu cuối: theo quảng bá của Starlink thì kích cỡ của thiết bị này chỉ bằng hộp bánh pizza. (Nếu anh/chị đã từng order Pizza Hut thì cực dễ hình dung 😊.) Cách thức mà cần ăng ten đầu cuối này hoạt động là dùng phương thức beam-forming: nghĩa là định tuyến thu phát đến một vệ tinh cụ thể! Nghe nói Starlink đang đầu tư nghiên cứu để giảm giá bộ thu phát đầu cuối này về chỉ khoảng 200 USD/bộ.

3.5. Vì sao Elon Must đặt tên là Starlink? Dự án này lúc đầu (2015) chưa có tên. Đến năm 2017, SpaceX đã đăng ký nhãn hiệu Starlink cho hệ thống “vệ tinh băng thông rộng” của họ. Tên Starlink lấy theo cảm hứng từ cuốn tiểu thuyết “The Fault in Our Stars” (Lỗi tại các vì sao) của tác giả John Green. (<Ngoài lề>: anh/chị có thể xem phim chuyển thể từ tiểu thuyết trên cùng tên “The Fault in Our Stars” trên kênh Box Movie. </Hết ngoài lề>)

* Nếu tách từ Starlink thành 2 từ là Star và Link thì Star Link có thể hiểu là liên kết hình sao hoặc liên kết giữa các vì sao. Có lẽ cái tên Starlink nghiêng về liên kết giữa các vì sao! (Mở ngoặc: đấy là tôi đoán mò thế, không dựa trên cơ sở nào cả 😊.)

⏸

4. Đàm luận về môi trường. (Bàn luận cái gì bây giờ mà không đề cập đến môi trường hình như thấy thiếu thiếu thế nào ấy 😊.) Có 2 vấn đề: ô nhiễm ánh sáng và rác vũ trụ.

* Ô nhiễm ánh sáng: nếu có quá nhiều bóng bay và vệ tinh thì các “đội bóng bay” và “chùm vệ tinh” sẽ che hết bầu trời và việc quan sát các vì sao sẽ gặp khó khăn. Quan sát bằng mắt thường: bị che hoặc bị lóa (các vệ tinh thường phát sáng). Quan sát bằng các sóng radio cũng có vấn đề vì can nhiễu với truyền tin giữa các bóng bay, vệ tinh.

* Rác vũ trụ: Các mảnh vụn vũ trụ (rác vũ trụ) là một thuật ngữ chỉ các vật thể nhân tạo trong vũ trụ chủ yếu trong quỹ đạo Trái đất không còn phục vụ chức năng hữu ích. Điều này có thể bao gồm tàu vũ trụ không chức năng, vỏ tầng phóng tên lửa bị bỏ rơi, mảnh vỡ, ... Tính đến tháng 1 năm 2019, hơn 128 triệu mảnh vụn nhỏ hơn 1 cm, khoảng 900.000 mảnh vụn 1-10 cm và khoảng 34.000 mảnh lớn hơn 10 cm được ước tính nằm trên quỹ đạo quanh Trái đất. Còn nhiều nữa, mời anh/chị tham khảo trang https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris.

⏸

5. Truy cập Internet trên máy bay và trên tàu thủy. Cho đến thời điểm hiện nay thì cách thông thường và gần như duy nhất: máy bay, tàu thủy phải kết nối Internet thông qua vệ tinh địa tĩnh.

* Kết nối Inernet trên máy bay. Máy bay có thể kết nối Internet bằng 2 phương án: kết nối với mặt đất, gọi là ATG (Air to Ground) hoặc kết nối với vệ tinh. Người ta đặt một bộ định tuyến và bộ định tuyến này nối với ăng ten. Đến thời điểm hiện nay, người ta thống kê chỉ có 25% chuyến bay có kết nối Internet. (Đó là nói trước khi có đại dịch Covid-19. Từ bây giờ đến hết dịch chưa biết thế nào.)

* Kết nối Internet trên tàu thủy. Tàu thủy không có phương án kết nối với mặt đất, chỉ có thể kết nối với vệ tinh (địa tĩnh). Tôi chưa vinh dự được đi tàu thủy bao giờ, nhưng theo quảng cáo thì truy cập Internet trên tàu thủy, anh/chị phải chấp nhận giá “cắt cổ”: ví dụ đơn giá theo phút rẻ nhất là 65¢/phút, đơn giá theo dung lượng thì rẻ nhất là $20/MB!

⏸

6. Dịch vụ băng thông rộng phủ toàn cầu. Với cách làm như của Google hay đặc biệt là cách làm của SpaceX tạo ra chòm vệ tinh Starlink, khi đủ số vệ tinh và phủ khắp toàn cầu thì họ trở thành nhà cung cấp khổng lồ về băng thông rộng. Chúng ta đừng nghĩ rằng truyền tin qua vệ tinh là chậm nhé, điều đó chỉ đúng khi truyền tin qua vệ tinh địa tĩnh. Khi truyền tin qua vệ tinh ở tầng quỹ đạo LEO thì độ trễ từ mặt đất lên vệ tinh chỉ từ 25 đến 30 ms (xem ở trên). Còn truyền tin giữa các vệ tinh thì người dùng công nghệ truyền thông laser trong không gian (Laser communication in space) kết hợp với beam-forming (phased array). Và tốc độ truyền nhanh hơn cáp quang đấy!

* Nếu nói về chuyện kinh doanh thì thị trường băng thông rộng phủ toàn cầu là thị trường khổng lồ. Trong một tài liệu bị rò rỉ ra ngoài, SpaceX dự tính là họ sẽ có doanh thu từ dịch vụ này (dịch vụ băng thông rộng phủ toàn cầu) đạt khoảng 30 tỷ USD vào năm 2025!

⏸

7. Quay trở lại đàm đạo công nghệ cao một chút. Chúng ta đều biết rằng có rất nhiều công nghệ cao phải dựa vào nền tảng Internet. Đơn cử ví dụ về IoT (Internet of Things – Internet vạn vật).

* Giải thiết là chúng ta muốn lưu vết một mặt hàng di chuyển từ nước A đến nước B. Đường di chuyển có thể là hàng không, tàu thủy, đường bộ. Đương nhiên chúng ta gắn với mặt hàng một cảm biến (sensor) và cảm biến này có một ID (chẳng hạn có thể dùng một địa chỉ IPv6). Từ ID này chúng ta có thể biết mọi thứ liên quan đến mặt hàng, kể cả vị trí di chuyển, mọi lúc, mọi nơi. Nếu đường di chuyển phải đi qua 5 nước thì trong bối cảnh hiện nay ít nhất nó phải đi qua 5 nhà mạng khác nhau. Để truy được vết của mặt hàng thì chúng ta phải “roaming” với tất cả 5 nhà mạng đó. Rất phiền phức và nhiễu sự đúng không ạ!? Tuy nhiên, nếu Starlink phủ sóng toàn cầu, chỉ cần thuê dịch vụ của Starlink là “đập một phát” ăn ngay! 😊

* Điều này cho thấy rất nhiều công nghệ sẽ phải sử dụng thuê bao “một nhà mạng phủ toàn cầu”. Nghĩa là nhiều lúc chúng ta “bắt buộc” phải thuê nhà mạng kiểu như Starlink, chứ họ không đơn thuần chỉ là một tùy chọn (option) như bao nhà mạng khác.

⏸

8. Space Privatization.

* Chúng ta biết là đất và biển về cơ bản đã có chủ, dù vẫn còn tranh chấp. Nhưng không gian ngoài kia thì làm thế nào để phân chia? Tất nhiên là có hàng loạt các hiệp ước (Treaty) và có rất nhiều tổ chức quốc tế đứng ra dàn xếp. Nhưng nói gì thì nói cái Outer Space kia vẫn là “của chung nhân loại”, ai có năng lực thì sẽ sớm chiếm hữu. Chúng ta đều biết việc phóng tên lửa lên không gian không phải ai cũng làm được. Và để phóng được vệ tinh, chúng ta phải có tên lửa để đưa chúng lên quỹ đạo.

* Có một điểm đáng chú ý: các đơn vị đăng ký chiếm hữu không gian hiện nay đều là các công ty tư nhân! Trước đây chúng ta vẫn thường nghe nước này nước kia phóng vệ tinh lên không gian nhưng từ giờ trở đi chúng ta sẽ phải làm quen với việc công ty này công ty kia phóng vệ tinh lên không gian. Việc này tôi mạo muội gọi là Space Privatization: tư nhân hóa không gian.

* Các công ty kia, họ là ai? Họ đều là các tập đoàn công nghệ khổng lồ. Và có một điểm đáng chú ý, cho đến hiện nay, trừ Samsung, tất cả các công ty đều là công ty của Hoa Kỳ! Tất nhiên, nhận xét này chẳng làm ai ngạc nhiên, nhưng qua đó chúng ta mường tượng ra một chiến lược đứng đằng sau hiện tượng này.

* Liệu các công ty của Việt Nam có “mơ” làm được các “chòm vệ tinh”? Việc tạo ra tên lửa để phóng vệ tinh thì có lẽ chưa dám mơ nhưng thuê phóng vệ tinh thì hoàn toàn có thể chứ 😊!

* Và biết đâu sẽ có các vệ tinh (hoặc chòm vệ tinh) của Vingroup, của VNG, của BKAV, …, của một số công ty tư nhân Việt Nam nào đó sẽ khởi nghiệp trong vòng mấy năm tới!

☕

⏸

Tài liệu tham khảo

1. Liên quan đến dự án Loon (Loon Project)

· LoonProject

· LoonLLC

2. Liên quan đến dự án Aquila (của Facebook)

· Facebook Aquila

· The technology behind Aquila

· Facebook permanently grounds its Aquila solar-powered internet plane

3. Liên quan đến dự án Starlink (của SpaceX)

· Starlink (website công ty)