Liên lạc vệ tinh quỹ đạo thấp đang nổi lên như một trụ cột mới của thị trường Internet không gian, nhờ khả năng mở rộng kết nối tới biển, trên không và các khu vực hẻo lánh mà hạ tầng mặt đất khó phủ sóng. Dù vậy, công nghệ này vẫn đối mặt hàng loạt thách thức về chi phí, dung lượng, tần số và quỹ đạo.

Trong bối cảnh Internet tốc độ cao đã trở nên quen thuộc tại nhà riêng và văn phòng, nhu cầu kết nối gần như liên tục đang được xem là điều hiển nhiên. Tuy nhiên, khi rời khỏi đất liền, tiến vào vùng núi sâu, đảo xa, giữa đại dương hay trên bầu trời, khả năng tiếp cận mạng mặt đất lập tức suy giảm. Ngay cả tại những nơi có hạ tầng tốt, thiên tai cũng có thể nhanh chóng làm gián đoạn liên lạc.

Giải pháp được chú ý trong bài toán này là vệ tinh quỹ đạo thấp, hay còn gọi là LEO. Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào trạm gốc và cáp quang, mô hình này sử dụng các vệ tinh cỡ nhỏ hoạt động ở quỹ đạo gần Trái Đất để tạo thành một mạng kết nối, đóng vai trò như những “trạm gốc ngoài không gian”.

Từ quỹ đạo địa tĩnh 36.000 km đến mạng vệ tinh ở độ cao vài trăm km

Liên lạc vệ tinh không phải công nghệ mới. Hiện nay, vệ tinh địa tĩnh vẫn được sử dụng rộng rãi trong phát sóng, điện thoại quốc tế và quan trắc thời tiết. Loại vệ tinh này hoạt động ở độ cao khoảng 36.000 km trên xích đạo, quay đồng bộ với Trái Đất nên khi quan sát từ mặt đất gần như đứng yên và có thể phủ sóng trên phạm vi rộng.

Điểm hạn chế lớn nhất của vệ tinh địa tĩnh là độ trễ cao do tín hiệu phải truyền đi quãng đường rất dài. Trong khi đó, vệ tinh quỹ đạo thấp hoạt động ở độ cao khoảng 200-2.000 km, giúp rút ngắn đáng kể khoảng cách truyền dẫn. Theo số liệu tổng hợp của Viện Nghiên cứu Điện tử và Viễn thông Hàn Quốc (ETRI), độ trễ khứ hồi của vệ tinh quỹ đạo thấp vào khoảng 2-27 ms, thấp hơn rất nhiều so với mức khoảng 477 ms của vệ tinh địa tĩnh.

Đổi lại, phạm vi phủ sóng của mỗi vệ tinh quỹ đạo thấp hẹp hơn và vệ tinh cũng di chuyển rất nhanh quanh Trái Đất. Vì vậy, để duy trì dịch vụ liên tục, nhà khai thác phải triển khai cả một chòm vệ tinh gồm hàng trăm đến hàng nghìn thiết bị. Khi một vệ tinh rời khỏi vùng phủ, vệ tinh kế tiếp sẽ tiếp nhận kết nối, tương tự cách điện thoại di động chuyển từ trạm gốc này sang trạm gốc khác khi người dùng di chuyển.

Về nguyên lý, thiết bị đầu cuối gửi tín hiệu lên vệ tinh, sau đó vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu về hạ tầng viễn thông mặt đất. Gần đây, công nghệ truyền dữ liệu trực tiếp giữa các vệ tinh cũng bắt đầu được áp dụng. Nhờ đó, ngay cả ở nơi không có trạm mặt đất gần kề, người dùng vẫn có thể kết nối Internet thông qua nhiều vệ tinh liên kết với nhau.

Sự quan tâm đối với Internet vệ tinh quỹ đạo thấp tăng mạnh khi chi phí phóng giảm xuống và công nghệ sản xuất hàng loạt vệ tinh cỡ nhỏ trở nên khả thi hơn. Trước đây, nhiều nỗ lực xây dựng mạng LEO từng gặp trở ngại vì chi phí chế tạo và phóng quá cao, khó bảo đảm hiệu quả kinh doanh. Sự xuất hiện của tên lửa tái sử dụng và mô hình sản xuất vệ tinh hàng loạt đang làm thay đổi cán cân này.

Nhà cung cấp tiêu biểu nhất hiện nay là Starlink của SpaceX. Doanh nghiệp này đã triển khai hàng nghìn vệ tinh ở quỹ đạo thấp để cung cấp Internet cho hộ gia đình, doanh nghiệp, tàu biển và máy bay. Tại Anh, Eutelsat OneWeb được xem là đối trọng đáng chú ý của Starlink, hiện vận hành hơn 600 vệ tinh và tập trung nhiều hơn vào khách hàng doanh nghiệp, chính phủ cùng các dịch vụ kết nối cho hàng không và hàng hải.

Tại Hàn Quốc, thị trường cũng đã bắt đầu ghi nhận các bước mở cửa rõ rệt. Bộ Khoa học và CNTT-TT Hàn Quốc cho biết cơ quan này đã phê duyệt thỏa thuận cung cấp dịch vụ xuyên biên giới giữa Starlink Korea và SpaceX, được ký vào tháng 5 năm trước. Bộ này cũng chấp thuận các thỏa thuận riêng giữa Hanwha Systems, KT SAT và Eutelsat OneWeb. Sau đó, Starlink chính thức triển khai dịch vụ tại Hàn Quốc vào tháng 12 cùng năm.

Kết nối thay đổi trước tiên trên biển và trên không

Khu vực được dự báo chuyển biến nhanh nhất là ngoài khơi. Càng xa bờ, tín hiệu từ các trạm gốc trên đất liền càng yếu. Với vệ tinh quỹ đạo thấp, tàu thuyền hoạt động ở vùng biển xa vẫn có thể gọi video và sử dụng nội dung trực tuyến ổn định. Các hãng vận tải biển cũng có thể truyền dữ liệu thời gian thực về hải trình, tình trạng động cơ và hàng hóa về trung tâm điều hành trên bờ.

Môi trường truy cập Internet trên máy bay cũng được kỳ vọng cải thiện đáng kể. Trong quá trình di chuyển qua biển và lục địa, máy bay có thể nâng chất lượng Wi-Fi trên khoang nhờ mạng vệ tinh quỹ đạo thấp. Khi thị trường giao thông hàng không đô thị (UAM) và giao hàng bằng drone mở rộng, công nghệ này cũng có thể phủ tới phần không phận mà mạng mặt đất khó bao quát hiệu quả.

Tại các khu vực miền núi và hải đảo, vệ tinh có thể trở thành giải pháp thay thế cho việc kéo cáp quang. Người dùng có thể tự lắp đặt ăng-ten vệ tinh, hoặc kết nối trạm gốc địa phương với mạng vệ tinh. Trong mô hình này, đoạn từ trạm gốc tới smartphone vẫn sử dụng mạng di động hiện hữu, còn tuyến kết nối ra Internet được thực hiện qua vệ tinh. Giải pháp đặc biệt hiệu quả tại những nơi chi phí triển khai cáp quang quá lớn.

Ở hiện trường thảm họa, cách tiếp cận này càng rõ giá trị. Khi cháy rừng hoặc lũ lụt làm mất điện trạm gốc và gián đoạn mạng hữu tuyến, cơ quan chức năng có thể nhanh chóng dựng mạng tạm thời bằng ăng-ten vệ tinh di động và thiết bị cấp nguồn. Việc truyền vị trí lực lượng cứu hộ, video hiện trường, thông tin thiệt hại về sở chỉ huy, đồng thời cung cấp Wi-Fi cho người dân, cũng thuận lợi hơn.

Về dài hạn, mô hình “direct to device” cho phép smartphone kết nối trực tiếp với vệ tinh mà không cần ăng-ten riêng được dự báo sẽ mở rộng dần. Ở giai đoạn đầu, ứng dụng chủ yếu sẽ là các dịch vụ tiêu tốn ít dữ liệu như tin nhắn khẩn cấp hoặc gửi vị trí tại vùng lõm sóng. Khi công nghệ hoàn thiện hơn, phạm vi dịch vụ có thể mở rộng sang thoại và dữ liệu.

Không thay thế mạng mặt đất, mà đóng vai trò bổ sung

Dù tiềm năng lớn, vệ tinh quỹ đạo thấp khó có thể thay thế hoàn toàn trạm gốc và cáp quang. Tại các đô thị đông dân, dung lượng vệ tinh vẫn có giới hạn và phải chia sẻ cho nhiều người dùng. Ngoài ra, nhà cao tầng và cây cối có thể che khuất bầu trời, làm chất lượng tín hiệu suy giảm. Chi phí thiết bị đầu cuối, ăng-ten và mức tiêu thụ điện cũng có thể cao hơn so với mạng mặt đất. Với các khu vực đòi hỏi tốc độ rất cao và độ trễ cực thấp, truyền dẫn quang và 5G vẫn là lựa chọn hiệu quả hơn.

Độ khó kỹ thuật cũng tăng lên do vệ tinh liên tục di chuyển. Thiết bị đầu cuối phải theo dõi vị trí vệ tinh theo thời gian thực, trong khi quá trình chuyển giao kết nối từ vệ tinh này sang vệ tinh khác diễn ra lặp lại liên tục. Hệ thống cũng phải xử lý hiện tượng dịch tần do vệ tinh di chuyển, đồng thời phân bổ hiệu quả phổ tần và dung lượng truyền dẫn vốn có hạn.

Song song với đó là áp lực cạnh tranh ngày càng lớn về quỹ đạo và tần số. Khi số lượng vệ tinh tăng nhanh, rủi ro va chạm, rác vũ trụ, nhiễu sóng và tác động tới hoạt động quan sát thiên văn cũng có thể gia tăng. Câu hỏi về khả năng tiếp tục sử dụng mạng của nhà cung cấp nước ngoài trong các tình huống thiên tai hoặc an ninh cũng đang được đặt ra. Vì thế, phát triển vệ tinh quỹ đạo thấp không chỉ là câu chuyện thương mại mà còn gắn với chủ quyền thông tin liên lạc và an ninh quốc gia.

Hàn Quốc đặt mục tiêu làm chủ mạng riêng vào năm 2035

Chính phủ Hàn Quốc hiện theo đuổi song song hai hướng: tận dụng dịch vụ nước ngoài trong ngắn hạn và thúc đẩy nội địa hóa công nghệ cốt lõi về dài hạn. Mục tiêu của nước này là xây dựng mạng liên lạc vệ tinh quỹ đạo thấp bằng công nghệ tự chủ vào năm 2035.

Trước khi triển khai mạng độc lập, Hàn Quốc dự kiến thực hiện chương trình R&D đến năm 2030 với ngân sách khoảng 300 tỷ won. Hai vệ tinh thử nghiệm sẽ được phóng lên quỹ đạo ở độ cao 888 km để kiểm chứng các công nghệ cốt lõi.

Dù vậy, rào cản để xây dựng một mạng độc lập trên thực tế vẫn còn rất lớn. Hàn Quốc không chỉ cần liên tục phóng hàng trăm vệ tinh, mà còn phải làm chủ công nghệ kết nối giữa trạm mặt đất, thiết bị đầu cuối và vệ tinh. Bài toán đi kèm là vốn đầu tư lớn, cạnh tranh tần số và quỹ đạo, cũng như việc xây dựng mô hình kinh doanh đủ hấp dẫn để thu hút doanh nghiệp tư nhân tham gia. Trước mắt, Bộ Khoa học và CNTT-TT Hàn Quốc đặt mục tiêu giai đoạn một là triển khai từ 200 vệ tinh trở lên.

Ngay cả khi xây dựng thành công một mạng vệ tinh quỹ đạo thấp “made in Korea”, hệ thống này nhiều khả năng vẫn chủ yếu đóng vai trò bù đắp vùng lõm sóng thay vì thay thế hoàn toàn mạng mặt đất. Tại đô thị, cáp quang và mạng di động vẫn giữ vai trò chủ đạo, trong khi kết nối vệ tinh sẽ phát huy hiệu quả hơn trên biển, trên không, tại vùng núi và trong các tình huống thảm họa.

Quá trình thương mại hóa vì thế cũng được dự báo sẽ diễn ra trước tiên ở những lĩnh vực mà hạ tầng hiện hữu khó triển khai. Sau giai đoạn mở rộng ứng dụng cho tàu biển, máy bay, khu vực miền núi - hải đảo và hiện trường thảm họa, phạm vi dịch vụ có thể dần mở rộng sang người dùng phổ thông, bao gồm cả kết nối trực tiếp cho smartphone.