Công nghệ Anten 6G: Bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (RIS). Báo cáo Kỹ thuật Toàn diện về Nguyên tắc Nền tảng, Ứng dụng Hệ thống và Lộ trình Tích hợp 6G

    

Công nghệ Anten RIS

     Công nghệ Bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS) đang tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông không dây, đánh dấu sự chuyển dịch mô hình từ việc thụ động thích ứng với kênh truyền sang chủ động kiến tạo và kiểm soát môi trường truyền sóng. Thay vì xem kênh truyền là một thực thể ngẫu nhiên và không thể kiểm soát, RIS biến nó thành một thành phần hệ thống có thể lập trình và tối ưu hóa. Báo cáo này cung cấp một phân tích kỹ thuật toàn diện về các nguyên tắc vật lý nền tảng, kiến trúc hệ thống, các ứng dụng đa dạng và những thách thức triển khai quan trọng của công nghệ RIS. Báo cáo sẽ đi sâu vào chi tiết sự phát triển từ RIS thụ động đến các kiến trúc chủ động và lai ghép, vai trò của nó trong mạng 5G-Advanced và tầm nhìn 6G, cũng như bối cảnh tiêu chuẩn hóa và nghiên cứu toàn cầu. Các phân tích trọng tâm sẽ làm nổi bật sự cân bằng giữa lợi ích lý thuyết và các rào cản thực tế như ước tính kênh truyền và hiệu quả chi phí, từ đó đưa ra các khuyến nghị chiến lược cho các bên liên quan trong ngành.  

Phần I: Nguyên tắc Nền tảng và Công nghệ Cốt lõi

Mục 1: Giới thiệu về Môi trường Vô tuyến Thông minh

1.1 Sự chuyển dịch Mô hình: Từ Thích ứng đến Kiến tạo Kênh truyền

    Trong lịch sử truyền thông không dây, môi trường truyền sóng luôn được xem là một yếu tố ngẫu nhiên, không thể kiểm soát. Các hệ thống truyền thống chỉ có thể giảm thiểu các tác động tiêu cực của kênh truyền như fading đa đường, suy hao và che khuất tại phía phát hoặc phía thu. Công nghệ Bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (RIS) đã thay đổi hoàn toàn mô hình này bằng cách biến chính môi trường vật lý thành một phần tử chủ động, thông minh và có thể cấu hình của mạng. Các nhà nghiên cứu tại Việt Nam cũng nhận định rằng RIS có thể khắc phục các tác động tiêu cực của hệ thống truyền thống bằng cách kiểm soát sự lan truyền của sóng và biến kênh không dây thành một khối có thể điều khiển được.  

    Tầm nhìn cuối cùng của công nghệ này là tạo ra các "Môi trường Vô tuyến Thông minh" (Smart Radio Environments - SRE), nơi các bề mặt vật lý trong môi trường sống và làm việc như tường nhà, biển quảng cáo, cửa sổ được phủ bằng vật liệu RIS. Trong một SRE, các điều kiện truyền sóng được đồng kiến tạo (co-engineered) cùng với các tín hiệu lớp vật lý, biến kênh truyền từ một tác nhân thụ động thành một "dịch vụ" có thể lập trình. Sự chuyển dịch này có ý nghĩa sâu sắc: việc lập kế hoạch mạng lưới trong tương lai sẽ không chỉ dừng lại ở việc đặt các trạm gốc, mà còn phải xem xét và tối ưu hóa các đặc tính điện từ của môi trường xây dựng. Điều này tạo ra một lớp hạ tầng mạng mới, tích hợp sâu vào hạ tầng dân dụng, mở ra những cơ hội và thách thức mới cho sự hợp tác giữa các nhà mạng và các nhà quy hoạch đô thị.  

1.2 Khung khái niệm của RIS: Giao diện Lập trình cho Sóng Điện từ

    Về cơ bản, RIS là một bề mặt hai chiều (2D), phẳng hoặc có thể uốn cong, bao gồm một số lượng lớn các phần tử có kích thước nhỏ hơn bước sóng (còn gọi là siêu nguyên tử - meta-atom) có khả năng điều khiển sóng điện từ (EM) tới một cách có lập trình. Đặc tính cốt lõi của RIS là khả năng thay đổi động các thuộc tính của bề mặt thông qua một bộ điều khiển phần mềm, từ đó thay đổi các đặc tính phản xạ, khúc xạ và tán xạ trong thời gian thực. Do đó, công nghệ này còn được biết đến với các tên gọi khác như "Bề mặt phản xạ thông minh" (Intelligent Reflecting Surface - IRS) hay "Siêu bề mặt điều khiển bằng phần mềm" (Software-controlled Metasurface).  

1.3 Các năng lực Cốt lõi

    RIS có khả năng thực hiện nhiều phép biến đổi khác nhau trên sóng tới, bao gồm phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, hội tụ, chuẩn trực chùm tia và điều khiển phân cực. Một trong những năng lực quan trọng nhất là  

phản xạ bất thường (anomalous reflection), cho phép điều hướng sóng phản xạ đến một góc tùy ý, phá vỡ định luật phản xạ Snell, điều này cực kỳ quan trọng để vượt qua các vật cản.  

Ở cấp độ vi mô, mỗi phần tử trong mảng RIS có thể được điều khiển riêng lẻ để áp đặt một độ dịch pha (phase shift) cụ thể và, trong một số thiết kế, điều chế cả biên độ của tín hiệu tới. Bằng cách kết hợp nhất quán (coherently combining) các phản xạ này tại máy thu, hệ thống có thể đạt được sự cải thiện đáng kể về tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR).  

Mục 2: Vật lý của việc Điều khiển Sóng

2.1 Phản xạ Quy ước (Định luật Snell) và Phản xạ Bất thường

    Đối với các vật liệu thông thường, sự phản xạ của sóng điện từ tuân theo định luật Snell, trong đó góc phản xạ bằng góc tới. Đây là một quy luật vật lý cố định và không thể kiểm soát. Ngược lại, RIS dựa trên siêu bề mặt có thể tạo ra một gradient pha (phase gradient) thay đổi trên bề mặt của nó. Gradient pha này cho phép sóng phản xạ được điều hướng đến một góc tùy ý, độc lập với góc tới, thực chất là "phá vỡ" định luật Snell. Đây chính là cơ chế vật lý cốt lõi cho phép RIS điều khiển tín hiệu đi vòng qua các vật cản.  

2.2 Siêu vật liệu và Siêu bề mặt: Các khối Xây dựng của RIS

    Nền tảng của RIS là các siêu vật liệu (metamaterials). Đây là những vật liệu nhân tạo được thiết kế với các cấu trúc vi mô để thể hiện các đặc tính điện từ không có trong tự nhiên, chẳng hạn như độ thẩm điện (permittivity) và độ từ thẩm (permeability) âm. Chúng được cấu tạo từ các mảng tuần hoàn của các ô đơn vị (unit cell) hay "siêu nguyên tử" có kích thước nhỏ hơn bước sóng.  

Siêu bề mặt (metasurface) là phiên bản 2D của siêu vật liệu—một tấm mỏng chứa đầy các siêu nguyên tử. Với ưu điểm về cấu hình mỏng, suy hao thấp và dễ chế tạo, siêu bề mặt là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng RIS. Chúng điều khiển sóng bằng cách tạo ra sự thay đổi pha đột ngột tại giao diện thay vì tích lũy pha trong quá trình truyền lan bên trong vật liệu.  

2.3 Các Kiến trúc Triển khai: Mảng Phản xạ và Siêu bề mặt

    Các tài liệu nghiên cứu xác định hai phương pháp chính để triển khai RIS: sử dụng mảng phản xạ (reflectarray) truyền thống và siêu bề mặt.  

• RIS dựa trên Mảng phản xạ:
• Cấu trúc: Bao gồm các phần tử anten (ví dụ: anten patch) với khoảng cách xấp xỉ nửa bước sóng (λ/2). Mỗi phần tử được kết nối với một mạch điều khiển pha (phase shifter).  
• Cơ chế tán xạ: Mỗi phần tử hoạt động như một bộ tán xạ khuếch tán, bức xạ lại tín hiệu theo nhiều hướng.  
• Suy hao đường truyền: Suy hao đường truyền đối với RIS dựa trên mảng phản xạ tỷ lệ với tích của khoảng cách từ trạm phát đến RIS (dsr​) và từ RIS đến máy thu (drd​), tức là PL∝1/(dsr​×drd​)n (với n=2 trong không gian tự do). Hiệu ứng này thường được gọi là "suy hao kép" hay "suy hao nhân".  
• RIS dựa trên Siêu bề mặt:
• Cấu trúc: Bao gồm các siêu nguyên tử có kích thước và khoảng cách nhỏ hơn bước sóng, giúp khẩu độ (aperture) trở nên nhỏ gọn hơn.  
• Cơ chế tán xạ: Khi RIS có kích thước vật lý lớn và hoạt động trong vùng trường gần (near-field), nó có thể hoạt động như một gương phản xạ bất thường, tạo ra một đường truyền phản xạ nhất quán duy nhất.  
• Suy hao đường truyền: Trong điều kiện trường gần, suy hao đường truyền tỷ lệ với tổng của các khoảng cách, tức là PL∝1/(dsr​+drd​)n. Đây là một lợi thế vượt trội so với suy hao theo tích khoảng cách.  

    Sự khác biệt giữa hai kiến trúc này không chỉ mang tính học thuật mà còn quyết định các quy luật tỷ lệ hiệu năng cơ bản của toàn bộ hệ thống. Việc lựa chọn kiến trúc triển khai ảnh hưởng trực tiếp đến dự trữ đường truyền (link budget), yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống không dây.

2.4 Chế độ Hoạt động Vùng trường gần và Vùng trường xa

    Sự khác biệt về quy luật suy hao đường truyền là một chủ đề quan trọng và gây nhiều tranh luận. Quy luật suy hao theo "tổng khoảng cách" thuận lợi hơn của siêu bề mặt chỉ có hiệu lực trong các điều kiện cụ thể: các điểm cuối của liên lạc (trạm phát/máy thu) phải nằm trong  

vùng trường gần của RIS. Vùng trường gần kéo dài đến khoảng cách xấp xỉ  

2D2/λ, trong đó D là kích thước lớn nhất của khẩu độ RIS và λ là bước sóng.

    Trong thực tế, đối với các kịch bản triển khai trên mặt tiền các tòa nhà (ví dụ: một RIS kích thước 1.5m x 1.5m hoạt động ở tần số 28 GHz), vùng trường gần có thể kéo dài hàng trăm mét, điều này rất phù hợp với các mạng đô thị dày đặc. Điều này cho thấy "lợi thế trường gần" là yếu tố then chốt về mặt kinh tế và hiệu năng. Toàn bộ cơ sở kinh doanh cho RIS so với các bộ lặp đơn giản hoặc thậm chí một số trạm chuyển tiếp phụ thuộc vào việc vượt qua được suy hao nghiêm trọng theo tích khoảng cách. Khả năng hoạt động ở vùng trường gần của các siêu bề mặt lớn là hiện tượng vật lý cơ bản giúp chúng trở nên khả thi, từ đó định hướng một chiến lược triển khai "lớn hoặc không có gì". Các tấm RIS nhỏ, hoạt động ở vùng trường xa, có khả năng sẽ không mang lại hiệu quả cao.  

Bảng 1: So sánh các Kiến trúc Triển khai RIS

Đặc tính	RIS dựa trên Mảng phản xạ	RIS dựa trên Siêu bề mặt
Loại phần tử	Anten (ví dụ: patch anten)	Siêu nguyên tử (Meta-atom)
Khoảng cách phần tử	Xấp xỉ λ/2	Nhỏ hơn nhiều so với λ
Cơ chế tán xạ chính	Tán xạ khuếch tán (Diffuse scattering)	Phản xạ bất thường (Anomalous reflection)
Quy luật Suy hao (Vùng trường xa)	Tỷ lệ với (dsr​×drd​)n	Tỷ lệ với (dsr​×drd​)n
Quy luật Suy hao (Vùng trường gần)	Không áp dụng	Tỷ lệ với (dsr​+drd​)n
Ưu điểm chính	Thiết kế đơn giản hơn	Hiệu quả suy hao tốt hơn ở trường gần, nhỏ gọn
Hạn chế chính	Suy hao nhân nghiêm trọng	Yêu cầu kích thước lớn để hoạt động ở trường gần

Mục 3: Kiến trúc Hệ thống và Cơ chế Điều khiển RIS

3.1 Cấu trúc của một Tấm RIS

    Một tấm RIS được cấu tạo từ nhiều ô đơn vị (unit cell) hay siêu nguyên tử. Cấu trúc cơ bản của một ô đơn vị bao gồm một miếng vá dẫn điện (conductive patch) trên một lớp đế điện môi, và một lớp nền kim loại (ground plane). Hình dạng và vật liệu cụ thể của ô đơn vị quyết định các đặc tính cộng hưởng của nó.  

Khả năng tái cấu hình được thực hiện bằng cách tích hợp các linh kiện điện tử chủ động vào thiết kế ô đơn vị:

• Diode: Diode PIN có thể được sử dụng như các công tắc để tạo ra các trạng thái pha nhị phân (ví dụ, dịch pha 0 hoặc π). Diode Varactor (biến dung) cho phép điều chỉnh pha liên tục hoặc đa bit bằng cách thay đổi điện dung của chúng khi có điện áp phân cực.  
• MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử): Các công tắc MEMS cung cấp khả năng tái cấu hình với suy hao thấp nhưng có thể chậm hơn và phức tạp hơn.  
• Tinh thể lỏng (Liquid Crystals - LC): LC cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh độ dịch pha, mở ra tiềm năng cho các thiết kế RIS trong suốt, phù hợp để tích hợp vào cửa sổ.  
• Các vật liệu khác: Các vật liệu mới nổi như graphene và vật liệu sắt điện cũng đang được nghiên cứu.  

3.2 Bộ điều khiển RIS

    Bộ điều khiển là "bộ não" điều chỉnh động trạng thái của mỗi ô đơn vị để đạt được đáp ứng điện từ tổng hợp mong muốn. Nó đóng vai trò là giao diện giữa tấm RIS và mạng lưới rộng hơn. Về phần cứng, bộ điều khiển thường được triển khai bằng Mảng cổng lập trình được (FPGA) hoặc vi điều khiển. Nó nhận lệnh (ví dụ, từ một trạm gốc hoặc bộ điều phối mạng) và chuyển đổi chúng thành các điện áp phân cực hoặc tín hiệu điều khiển cụ thể cho từng phần tử điều chỉnh trên ô đơn vị. Cơ chế điều khiển có thể áp dụng cho từng phần tử riêng lẻ hoặc theo nhóm phần tử.  

    Bộ điều khiển RIS chính là nơi tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) để quản lý sự phức tạp của việc tối ưu hóa thời gian thực. Mặc dù tấm RIS là giao diện vật lý, bộ điều khiển mới là nơi "trí thông minh" được hiện thực hóa. Khi các mạng trở nên phức tạp hơn, các tác vụ tối ưu hóa này sẽ ngày càng phụ thuộc vào AI/ML. Do đó, bộ điều khiển là điểm tích hợp tự nhiên cho các mô hình AI/ML (như xApps/rApps trong ngữ cảnh O-RAN) để quản lý RIS.  

3.3 Các Biến thể Kiến trúc: Thụ động, Bán thụ động và Chủ động

Sự phát triển của công nghệ RIS là một quá trình tất yếu, xuất phát từ các giới hạn vật lý cơ bản và là câu trả lời trực tiếp cho hai thách thức thực tế lớn nhất: suy hao đường truyền và ước tính kênh. RIS "hoàn toàn thụ động", dù thanh lịch về mặt lý thuyết, phải đối mặt với các giới hạn hiệu năng khó vượt qua trong nhiều kịch bản thực tế.

• RIS Thụ động (Passive RIS): Đây là mô hình phổ biến nhất. Các phần tử là các mạch thụ động chỉ phản xạ và dịch pha tín hiệu tới mà không khuếch đại.  
• Ưu điểm: Tiêu thụ điện năng cực thấp, chi phí thấp, không thêm nhiễu nhiệt.  
• Hạn chế: Chịu ảnh hưởng của "suy hao kép" (double path-loss), làm suy giảm nghiêm trọng hiệu năng, đặc biệt ở khoảng cách xa.  
• RIS Chủ động (Active RIS):
• Khái niệm: Để khắc phục suy hao kép, kiến trúc RIS chủ động tích hợp các bộ khuếch đại kiểu phản xạ vào mỗi phần tử. Điều này cho phép RIS khuếch đại tín hiệu phản xạ.  
• Ưu điểm: Có thể biến suy hao nhân thành suy hao cộng và cung cấp độ lợi khuếch đại đáng kể (khoảng 40 dB đã được báo cáo), cải thiện đáng kể SNR và hiệu năng so với RIS thụ động.  
• Nhược điểm: Chi phí, độ phức tạp và mức tiêu thụ điện năng cao hơn. Đồng thời, nó cũng tạo ra nhiễu từ bộ khuếch đại cần phải được quản lý.  
• RIS Bán thụ động (Semi-Passive/Hybrid RIS):
• Khái niệm: Một kiến trúc lai ghép, trong đó một số ít phần tử hoạt động ở chế độ chủ động (với chuỗi RF để cảm biến/xử lý), trong khi phần lớn vẫn là thụ động.  
• Mục đích chính: Giải quyết vấn đề ước tính kênh. Các phần tử chủ động có thể nhận tín hiệu hoa tiêu (pilot) và xử lý chúng cục bộ, điều mà RIS hoàn toàn thụ động không thể làm được, giúp giảm đáng kể chi phí hoa tiêu.  
• RIS Vượt-chéo (Beyond-Diagonal RIS - BD-RIS):
• Khái niệm: Một kiến trúc mới, trong đó ma trận tán xạ không bị giới hạn ở dạng đường chéo. Điều này có nghĩa là một tín hiệu tới được hấp thụ bởi một phần tử có thể được bức xạ lại bởi một phần tử khác trên bề mặt.  
• Ưu điểm: Cung cấp sự linh hoạt cao hơn nhiều trong việc điều khiển sóng bằng cách kiến tạo sự ghép nối giữa các phần tử, bao hàm các kiến trúc khác như những trường hợp đặc biệt.  

    Sự tiến hóa từ RIS thụ động sang chủ động/lai ghép cho thấy sự trưởng thành của công nghệ. RIS "thuần thụ động" có thể là điểm khởi đầu, nhưng các hệ thống thương mại hiệu năng cao gần như chắc chắn sẽ là chủ động hoặc lai ghép. Xu hướng này làm mờ ranh giới giữa RIS và các trạm chuyển tiếp truyền thống, khiến việc phân tích chi phí-lợi ích trở nên phức tạp hơn.

Bảng 2: Các Biến thể Kiến trúc RIS (Thụ động, Bán thụ động, Chủ động)

Loại Kiến trúc	Đặc tính chính	Trường hợp sử dụng chính	Tiêu thụ điện năng	Độ phức tạp phần cứng	Ưu điểm chính	Nhược điểm chính
RIS Thụ động	Chỉ phản xạ và dịch pha	Tăng cường tín hiệu tầm ngắn, chi phí thấp	Rất thấp	Thấp	Chi phí thấp, không nhiễu nhiệt, tiết kiệm năng lượng	Chịu suy hao kép nghiêm trọng
RIS Bán thụ động	Một vài phần tử chủ động để cảm biến	Ước tính kênh hiệu quả	Thấp	Trung bình	Giải quyết vấn đề ước tính kênh, giảm chi phí hoa tiêu	Phức tạp hơn RIS thụ động
RIS Chủ động	Tất cả phần tử đều có khả năng khuếch đại	Mở rộng vùng phủ sóng tầm xa	Trung bình đến Cao	Cao	Vượt qua suy hao kép, độ lợi tín hiệu cao	Chi phí cao, tiêu thụ năng lượng, nhiễu khuếch đại
RIS Vượt-chéo (BD-RIS)	Cho phép ghép nối giữa các phần tử	Điều khiển sóng linh hoạt cao	Thay đổi	Rất cao	Linh hoạt điều khiển sóng tối đa	Phức tạp trong thiết kế và tối ưu hóa

 

Phần II: Ứng dụng và Phân tích Hiệu năng

Mục 4: Tăng cường Truyền thông Không dây

4.1 Mở rộng Vùng phủ và Dung lượng trong Kịch bản NLOS

    Ứng dụng được trích dẫn nhiều nhất của RIS là khắc phục tình trạng che khuất trong các môi trường không có đường truyền thẳng (Non-Line-of-Sight - NLOS). Bằng cách đặt một RIS trên tòa nhà hoặc bức tường, một liên kết "gần như LOS" (quasi-LOS) hoặc LOS ảo có thể được tạo ra, điều hướng tín hiệu đi vòng qua vật cản. Các phép đo thực tế trong nhà cho thấy với việc tối ưu hóa pha phù hợp, RIS có thể cải thiện SNR từ 10-20 dB. Các thử nghiệm thực địa trong mạng 5G đã xác nhận khả năng tăng cường vùng phủ sóng tại các vùng tối (shadow zones). Tuy nhiên, lợi ích của RIS phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của nó. Bề mặt phải đủ lớn không chỉ để bù đắp cho suy hao đường truyền của chính nó mà còn để cung cấp một liên kết chất lượng cao hơn các phản xạ tự nhiên từ môi trường xung quanh.  

    Hiệu quả của RIS không phải là một giá trị tuyệt đối mà phụ thuộc vào môi trường truyền sóng hiện có. Trong các môi trường "giàu" điện từ với nhiều bề mặt phản xạ tự nhiên (như một văn phòng lộn xộn), một RIS nhỏ có thể mang lại lợi ích không đáng kể. Ngược lại, trong các môi trường "thưa thớt" (như một cánh đồng trống hoặc một hẻm phố), ngay cả một RIS có kích thước vừa phải cũng có thể tạo ra tác động lớn. Điều này cho thấy việc lập kế hoạch triển khai RIS không chỉ cần khảo sát về sự che khuất tín hiệu mà còn cần đánh giá "khả năng phản xạ môi trường" của khu vực.

4.2 Ứng dụng trong các Băng tần Cao (mmWave và THz)

    Các tín hiệu tần số cao (sóng milimet, Terahertz) cung cấp băng thông khổng lồ nhưng lại bị suy hao truyền lan nghiêm trọng và rất nhạy cảm với sự che khuất, gây khó khăn cho việc truyền thông tin cậy. RIS được xem là công nghệ hỗ trợ then chốt cho các băng tần này. Bước sóng ngắn cho phép tích hợp một số lượng rất lớn các phần tử trên một diện tích nhỏ gọn, tạo ra độ lợi định hướng chùm tia (beamforming gain) cao để chống lại suy hao đường truyền. RIS có thể cung cấp một đường truyền thay thế đáng tin cậy khi đường truyền LOS trực tiếp bị chặn, một tình huống thường xuyên xảy ra ở các tần số này.  

4.3 Môi trường Trong nhà và Phức tạp

    Sự xuyên thấu tín hiệu vào bên trong các tòa nhà là một vấn đề lớn, đặc biệt đối với các tín hiệu tần số cao của mạng 5G/6G. Các tấm RIS có thể được triển khai trên tường và trần nhà trong nhà để biến các "vùng chết" sóng thành các điểm truy cập tốc độ dữ liệu cao. Đặc biệt, RIS trong suốt tích hợp vào cửa sổ có thể cải thiện cường độ tín hiệu từ ngoài vào trong mà không làm giảm tầm nhìn. Một yếu tố quan trọng cần xem xét trong môi trường trong nhà là các phản xạ hiện có từ tường và đồ đạc đã cung cấp một mức độ phủ sóng NLOS nhất định. Một RIS chỉ mang lại lợi ích khi đường truyền tín hiệu do nó tạo ra mạnh hơn đáng kể so với các phản xạ môi trường này.  

4.4 An ninh Lớp Vật lý

    RIS có thể tăng cường an ninh lớp vật lý bằng cách định hình môi trường vô tuyến một cách thông minh. Bằng cách tối ưu hóa các độ dịch pha, một RIS có thể được cấu hình để tối đa hóa cường độ tín hiệu tại một người dùng hợp pháp, đồng thời tạo ra giao thoa triệt tiêu (một vùng tín hiệu rỗng) tại vị trí của một kẻ nghe lén tiềm năng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách phân vùng RIS, trong đó một phần phục vụ người dùng hợp pháp và phần còn lại triệt tiêu tín hiệu đối với kẻ nghe lén. Các mẫu phản xạ động cũng có thể được sử dụng để giới hạn tín hiệu trong các khu vực vật lý cụ thể.  

Mục 5: Các Ứng dụng Mới nổi và Tích hợp

    RIS là một "công nghệ nền tảng" cho phép hội tụ các chức năng (truyền thông, cảm biến, truyền năng lượng) ở lớp vật lý. Sự hội tụ này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng và mô hình kinh doanh hoàn toàn mới mà các công nghệ riêng lẻ ngày nay không thể thực hiện được. Khả năng đa chức năng này cải thiện đáng kể bài toán phân tích lợi tức đầu tư (ROI) cho việc triển khai RIS, vì chi phí của nó có thể được phân bổ cho nhiều dịch vụ.  

5.1 Truyền năng lượng Không dây (WPT) và Thu hoạch Năng lượng cho IoT Môi trường

    RIS có thể được sử dụng để hội tụ năng lượng RF về phía các thiết bị công suất thấp, cho phép truyền năng lượng không dây (WPT) và thu hoạch năng lượng hiệu quả. Đây là một yếu tố hỗ trợ quan trọng cho tầm nhìn về các thiết bị "IoT Môi trường" (Ambient IoT - A-IoT) không cần pin. Bằng cách tạo ra một chùm tia hội tụ cao, RIS có thể tăng đáng kể công suất nhận được bởi một thiết bị IoT thu hoạch năng lượng, khắc phục hiệu suất thấp của WPT truyền thống.  

5.2 Định vị Chính xác cao và Cảm biến Môi trường

    RIS có thể hoạt động như một loại mỏ neo (anchor) mới cho việc định vị chính xác cao và có thể được sử dụng để cảm biến môi trường xung quanh. Bằng cách tạo ra các đường truyền tín hiệu bổ sung và có thể kiểm soát, RIS cung cấp thêm thông tin hình học (thời gian đến và góc đến) giúp cải thiện độ chính xác định vị, đặc biệt trong các môi trường NLOS. Về mặt cảm biến, sự tương tác của các tín hiệu do RIS điều khiển với các vật thể và con người có thể được phân tích để suy ra thông tin, ví dụ như cảm biến tư thế người và phát hiện té ngã để chăm sóc người cao tuổi. Một kiến trúc chuyên dụng cho mục đích này là Bề mặt Cảm biến Thông minh có thể Tái cấu hình (Reconfigurable Intelligent Sensing Surface - RISS).  

5.3 Cảm biến và Truyền thông Tích hợp (ISAC)

    ISAC là một công nghệ nền tảng cho 6G, trong đó cùng một tín hiệu vô tuyến được sử dụng cho cả truyền thông và cảm biến. RIS là một yếu tố hỗ trợ chính cho ISAC. Nó có thể được sử dụng để tạo ra các "kênh cảm biến" có thể lập trình để chiếu sáng một mục tiêu quan tâm và tăng cường việc thu nhận các tín hiệu dội lại, từ đó cải thiện độ chính xác cảm biến mà không làm suy giảm hiệu năng truyền thông. ETSI đã thành lập một Nhóm Đặc tả Công nghiệp (ISG) riêng cho ISAC, cho thấy tầm quan trọng của nó.  

5.4 Truyền thông qua Vệ tinh và Phương tiện bay không người lái (UAV)

    Một RIS có thể được gắn trên UAV để hoạt động như một trạm chuyển tiếp di động, cung cấp vùng phủ sóng theo yêu cầu và tạo ra các liên kết LOS 360 độ. Ngoài ra, RIS đặt trên mặt đất có thể hỗ trợ truyền thông giữa UAV và người dùng mặt đất, đặc biệt khi các liên kết bị che khuất. Đối với vệ tinh, RIS có thể được sử dụng để tăng cường độ lợi tín hiệu cho các liên kết từ vệ tinh xuống mặt đất, đặc biệt hữu ích cho truyền thông đa sóng mang vốn nhạy cảm với tín hiệu yếu , và hỗ trợ truyền thông cho các mạng không gian sâu (DSN).  

Mục 6: Phân tích Hiệu năng So sánh

    Cuộc tranh luận "RIS so với Chuyển tiếp" thường gây hiểu lầm nếu chỉ xem xét RIS thụ động. Phép so sánh thực sự cho các mạng hiệu năng cao trong tương lai là giữa RIS Chủ động và Trạm chuyển tiếp Song công Toàn phần (Full-Duplex). Trong bối cảnh này, yếu tố khác biệt chính có thể không phải là hiệu suất phổ thô, mà là sự đánh đổi giữa độ phức tạp phần cứng (RIS chủ động có chuỗi RF đơn giản hơn nhưng nhiều phần tử) và độ phức tạp xử lý tín hiệu (chuyển tiếp FD đòi hỏi kỹ thuật khử nhiễu tự thân phức tạp).

6.1 RIS so với Trạm chuyển tiếp (Relay) Quy ước

    Cả RIS và trạm chuyển tiếp đều được sử dụng để hỗ trợ truyền thông khi liên kết trực tiếp yếu. Về mặt khái niệm, một RIS có thể được xem như một loại trạm chuyển tiếp thụ động. Tuy nhiên, có những khác biệt cơ bản:  

• Năng lượng và Phần cứng: Trạm chuyển tiếp là thiết bị chủ động, yêu cầu nguồn điện riêng, chuỗi RF, bộ khuếch đại và xử lý băng gốc, dẫn đến chi phí và mức tiêu thụ điện năng cao hơn. RIS thụ động gần như không tiêu thụ năng lượng, chỉ cần một lượng nhỏ cho mạch điều khiển, biến nó thành một công nghệ "xanh".  
• Song công và Nhiễu: Trạm chuyển tiếp bán song công (Half-Duplex - HD) làm giảm một nửa hiệu suất phổ. Trạm chuyển tiếp song công toàn phần (Full-Duplex - FD) bị nhiễu tự thân (self-interference) mạnh, đòi hỏi các kỹ thuật khử nhiễu phức tạp. RIS về bản chất là song công toàn phần và không tạo ra nhiễu tự thân.  
• Nhiễu và Hiệu năng: Do suy hao kép, một RIS thụ động cần một số lượng phần tử rất lớn để vượt qua một trạm chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) chủ động. Một số nghiên cứu cho thấy một trạm chuyển tiếp FD thực tế có thể vượt trội đáng kể so với hệ thống RIS thụ động. Tuy nhiên, một RIS  

chủ động có khả năng vượt trội hơn một trạm chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) do khả năng khuếch đại mà không gặp phải mức nhiễu tự thân tương tự.  

6.2 RIS so với Massive MIMO

    RIS và Massive MIMO không loại trừ lẫn nhau mà được xem là các công nghệ bổ sung. Massive MIMO triển khai một số lượng lớn anten tại trạm gốc (BS) để đạt được độ lợi định hướng chùm tia và ghép kênh không gian cao, rất hiệu quả trong các kịch bản LOS. RIS có thể được tích hợp với Massive MIMO để giải quyết điểm yếu chính của nó: sự che khuất. Khi đường truyền LOS giữa BS Massive MIMO và người dùng bị chặn, RIS có thể tạo ra một đường truyền LOS ảo mạnh mẽ. Một điểm đáng chú ý là việc triển khai RIS của nhiều nhà mạng có thể tạo ra một dạng ô nhiễm hoa tiêu (pilot contamination) mới, tương tự như trong Massive MIMO, khi cấu hình RIS của một nhà mạng gây nhiễu cho việc ước tính kênh của nhà mạng khác.  

Bảng 3: Phân tích So sánh: RIS, Trạm chuyển tiếp và Massive MIMO

Công nghệ	Chức năng chính	Tiêu thụ điện năng	Độ phức tạp phần cứng	Tác động hiệu suất phổ	Ưu điểm chính	Hạn chế chính
RIS Thụ động	Phản xạ và định hình kênh	Rất thấp	Thấp	Tăng cường trong NLOS	Chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng, song công toàn phần	Suy hao kép, cần số lượng lớn phần tử
RIS Chủ động	Khuếch đại và định hình kênh	Trung bình	Cao	Tăng cường đáng kể	Vượt qua suy hao kép, độ lợi cao	Chi phí cao, nhiễu khuếch đại
Relay HD	Chuyển tiếp tín hiệu (AF/DF)	Cao	Cao	Giảm 50% (lý thuyết)	Đơn giản hơn FD	Hiệu suất phổ thấp
Relay FD	Chuyển tiếp tín hiệu (AF/DF)	Cao	Rất cao	Giữ nguyên/Tăng	Hiệu suất phổ cao	Nhiễu tự thân nghiêm trọng
Massive MIMO	Định hướng chùm tia, ghép kênh không gian	Rất cao	Rất cao	Tăng đáng kể	Độ lợi ghép kênh và định hướng cao	Nhạy cảm với che khuất LOS

 Phần III: Lộ trình Triển khai và Tầm nhìn Tương lai

Mục 7: Các Thách thức và Giải pháp Triển khai Chính

7.1 Vấn đề Ước tính Kênh truyền (CSI)

    Việc thu thập thông tin trạng thái kênh (Channel State Information - CSI) chính xác là thách thức lớn nhất đối với các hệ thống có sự hỗ trợ của RIS. Do các phần tử RIS thụ động không thể truyền hoặc xử lý tín hiệu, các kênh riêng lẻ (BS-RIS và RIS-Người dùng) không thể được ước tính một cách độc lập. Thay vào đó, chỉ có thể quan sát được kênh nối tiếp (cascaded channel) đầu cuối, là tích của hai liên kết. Việc ước tính kênh nối tiếp này đòi hỏi chi phí hoa tiêu (pilot overhead) tỷ lệ với số lượng phần tử RIS (  

N), dẫn đến chi phí quá cao đối với các RIS lớn.  

Các giải pháp tiên tiến bao gồm:

• RIS Bán thụ động/Lai ghép: Trang bị một vài phần tử có khả năng cảm biến là một giải pháp phần cứng hứa hẹn để tách rời các kênh và giảm chi phí.  
• Cảm biến Nén (Compressive Sensing - CS): Trong các kênh tần số cao (mmWave/THz) có tính thưa trong miền góc, kỹ thuật CS có thể khai thác tính thưa này để ước tính kênh với ít phép đo hơn.  
• AI/Học sâu (Deep Learning - DL): Các mô hình DL như CNN có thể được huấn luyện để dự đoán cấu hình RIS tối ưu trực tiếp từ dữ liệu kênh quan sát được, bỏ qua việc ước tính kênh tường minh và giảm chi phí.  
• Các phương pháp khác: Bao gồm gom nhóm các phần tử RIS , ước tính theo hai thang thời gian , và các phương pháp dựa trên tensor.  

7.2 Định hướng Chùm tia và Tối ưu hóa Dịch pha

    Nhiệm vụ cốt lõi của bộ điều khiển RIS là tính toán các độ dịch pha tối ưu cho tất cả các phần tử để đạt được một mục tiêu cụ thể, chẳng hạn như tối đa hóa SNR hoặc thông lượng tổng. Đây là một bài toán tối ưu hóa phức tạp, phi lồi, đặc biệt với các giá trị pha rời rạc và các khiếm khuyết phần cứng. Các thuật toán giải quyết bao gồm tối ưu hóa xen kẽ , phương pháp dựa trên sổ mã (codebook) , và ngày càng nhiều là các phương pháp dựa trên học sâu.  

7.3 Phân tích Chi phí - Lợi ích và Chiến lược Triển khai

Câu hỏi trung tâm đối với các nhà mạng là liệu lợi ích của RIS có xứng đáng với chi phí và độ phức tạp hay không. Điều này đòi hỏi phân tích Tổng chi phí sở hữu (Total Cost of Ownership - TCO), bao gồm Chi phí vốn (CAPEX) và Chi phí vận hành (OPEX). Một phân tích dựa trên dữ liệu thực tế quan trọng cho thấy việc triển khai RIS quy mô lớn có thể đạt được 72% lợi ích về vùng phủ so với việc xây thêm trạm gốc mới, nhưng chỉ với 22% TCO trong 5 năm, cho thấy hiệu quả chi phí cao hơn khoảng 3 lần. Đây là một lập luận mạnh mẽ cho việc triển khai thương mại. Hiệu suất cũng rất nhạy cảm với vị trí triển khai RIS, đòi hỏi các nghiên cứu tối ưu hóa vị trí để tối đa hóa lợi tức đầu tư.  

Hai rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng RIS rộng rãi không phải là công nghệ, mà là kinh tế và hậu cần: (1) chứng minh được lợi thế TCO thuyết phục so với các giải pháp thông thường như trạm gốc nhỏ, và (2) giải quyết vấn đề nhiễu xuyên nhà mạng.

7.4 An ninh và Cùng tồn tại

    Một mối đe dọa an ninh đáng kể là một RIS bị tấn công (hack). Thay vì tăng cường tín hiệu, một RIS độc hại có thể được cấu hình để tạo ra giao thoa triệt tiêu tại một người dùng mục tiêu, gây ra một "vùng chết" sóng. Kiểu "gây nhiễu thầm lặng" (silent jamming) này rất khó phát hiện vì nó không tạo ra tín hiệu gây nhiễu mới mà chỉ phá hủy kênh truyền hiện có. Ngoài ra, khi nhiều nhà mạng triển khai RIS trong cùng một khu vực, việc tái cấu hình của một nhà mạng có thể làm thay đổi không thể lường trước các đặc tính kênh trong băng tần được cấp phép của nhà mạng khác, gây suy giảm hiệu năng. Đây là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật và quy định.  

Mục 8: Bối cảnh Tiêu chuẩn hóa và Công nghiệp hóa

8.1 ETSI ISG RIS: Dẫn đầu Nỗ lực Tiền Tiêu chuẩn hóa

    Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thành lập Nhóm Đặc tả Công nghiệp về RIS (ISG RIS) vào tháng 9 năm 2021 để điều phối các nghiên cứu tiền tiêu chuẩn hóa và mở đường cho việc tiêu chuẩn hóa chính thức trong 3GPP và các tổ chức khác. Nhóm có một lộ trình nhiều năm, với các giai đoạn tập trung vào các khía cạnh từ trường hợp sử dụng, yêu cầu, kiến trúc chức năng, đến các vấn đề trưởng thành hơn như tương thích điện từ và quản lý nhiễu. Các Báo cáo Nhóm (Group Reports - GR) chính là các ấn phẩm quan trọng của ISG RIS, định hình sự hiểu biết chung của ngành về công nghệ này.  

Bảng 4: Các Ấn phẩm và Lộ trình Chính của ETSI ISG RIS

Mã số Báo cáo	Tiêu đề	Phạm vi / Đóng góp chính	Tình trạng / Ngày xuất bản
GR RIS 001	Use Cases, Deployment Scenarios and Requirements	Xác định các trường hợp sử dụng, kịch bản triển khai và yêu cầu.	Đã xuất bản (cập nhật 02/2025)
GR RIS 002	Technological challenges, architecture and impact on standardization	Phân tích các thách thức công nghệ, tác động đến kiến trúc mạng.	Đã xuất bản (cập nhật 02/2025)
GR RIS 003	Communication Models, Channel Models, Channel Estimation and Evaluation Methodology	Cung cấp các mô hình truyền thông, mô hình kênh và phương pháp đánh giá.	Đã xuất bản (cập nhật 02/2025)
GR RIS 004	Implementation and Practical Considerations	Điều tra các cân nhắc thực tế về triển khai và vận hành.	Đã xuất bản (03/2025)
GR RIS 005	Diversity and Multiplexing of RIS-aided Communications	Nghiên cứu các sơ đồ phân tập và ghép kênh dựa trên RIS.	Đã xuất bản (02/2025)
DGR RIS 006	Multi-functional Reconfigurable Intelligent Surfaces	Xác định thách thức và giải pháp cho RIS đa chức năng.	Dự kiến 09/2024
DGR RIS 007	Near-field Channel Modeling and Mechanics	Mô hình hóa kênh và cơ chế cho hệ thống RIS vùng trường gần.	Dự kiến 12/2025

8.2 3GPP: Con đường Tích hợp vào 5G-Advanced và 6G

    Hiện tại, chưa có Hạng mục Công việc (Work Item - WI) hoặc Hạng mục Nghiên cứu (Study Item - SI) nào trong kế hoạch của 3GPP có tên gọi rõ ràng là "Reconfigurable Intelligent Surface". Công nghệ này được xem là một ứng cử viên cho 6G và đang được thảo luận trong bối cảnh các hệ thống tương lai. Tuy nhiên, nền tảng cho RIS đang được xây dựng thông qua các SI liên quan như  

Ambient IoT (A-IoT) và  

Cảm biến và Truyền thông Tích hợp (ISAC) , những lĩnh vực mà RIS được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng. Các nghiên cứu về yêu cầu cho 6G dự kiến sẽ bắt đầu trong Release 20, với công việc tiêu chuẩn hóa bắt đầu từ Release 21 (khoảng năm 2025-2026), và RIS là một ứng cử viên nặng ký.  

8.3 Liên minh O-RAN: Vai trò của Bộ điều khiển RAN Thông minh (RIC)

Kiến trúc O-RAN, với các nguyên tắc mở, ảo hóa và thông minh, là khuôn khổ tự nhiên để tích hợp và quản lý các phần tử mạng của bên thứ ba như RIS. Bộ điều khiển RAN Thông minh (RIC) là yếu tố then chốt, được chia thành:  

• Non-Real-Time RIC (>1s): Nơi lưu trữ các ứng dụng gọi là rApps, thực hiện tối ưu hóa dài hạn dựa trên dữ liệu và AI/ML. Một rApp có thể được thiết kế để xác định chiến lược triển khai RIS tối ưu.  
• Near-Real-Time RIC (10ms-1s): Nơi lưu trữ các ứng dụng gọi là xApps, thực hiện điều khiển và tối ưu hóa gần thời gian thực. Một xApp sẽ chịu trách nhiệm cấu hình động các độ dịch pha của RIS để định hướng chùm tia và khử nhiễu.  

    Kiến trúc RIC cung cấp các vòng lặp điều khiển đa thang thời gian, dựa trên dữ liệu và mở, chính xác là những gì cần thiết để quản lý RIS. Việc tích hợp RIS vào một khuôn khổ O-RAN dường như không chỉ khả thi mà còn là một bước đi tự nhiên và cần thiết cho việc thương mại hóa nó.

8.4 Các Đơn vị Công nghiệp và Trung tâm Nghiên cứu Chính

• Công ty: Các nhà cung cấp viễn thông lớn (Nokia, Ericsson, Samsung, Huawei, ZTE), các nhà mạng (NTT, Orange, SK Telecom), và các công ty khởi nghiệp chuyên biệt (Greenerwave, Kymeta, Metawave) đang tích cực trong R&D và tạo mẫu RIS.  
• Học viện: Nghiên cứu diễn ra sôi nổi trên toàn cầu. Các trường đại học hàng đầu bao gồm Princeton, Stanford, MIT ở Mỹ ; King's College London, Đại học Surrey ở Châu Âu ; và tại Việt Nam, các viện nghiên cứu như Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông cũng đang có những công trình nghiên cứu quan trọng.  

Mục 9: Kết luận và Khuyến nghị Chiến lược

9.1 Tổng hợp các Kết quả: RIS là một Công nghệ Mang tính Chuyển đổi

    RIS đại diện cho một sự thay đổi cơ bản trong cách tiếp cận thiết kế mạng không dây, chuyển đổi môi trường truyền sóng từ một yếu tố cản trở thành một công cụ có thể tối ưu hóa. Hành trình của công nghệ này đã đi từ khái niệm lý thuyết đến các nguyên mẫu thực tế và đang trên đà được tiêu chuẩn hóa. Tuy nhiên, thành công thương mại của nó phụ thuộc vào việc giải quyết các thách thức quan trọng về ước tính kênh, hiệu quả chi phí và sự cùng tồn tại giữa các nhà mạng. Sự đánh đổi giữa các kiến trúc thụ động và chủ động, giữa hiệu năng và độ phức tạp, sẽ quyết định các kịch bản triển khai khả thi nhất.

9.2 Các Hướng nghiên cứu Tương lai và Vấn đề Mở

• Phần cứng: Phát triển các vật liệu và linh kiện có suy hao thấp, chi phí thấp và tốc độ tái cấu hình nhanh, đặc biệt cho tần số THz. Nghiên cứu sâu hơn về RIS trong suốt và các bề mặt linh hoạt/uốn cong.
• Thuật toán: Các thuật toán AI/ML tiên tiến cho việc ước tính kênh và định hướng chùm tia đồng thời, có khả năng chống chịu với các khiếm khuyết phần cứng và yêu cầu chi phí hoa tiêu tối thiểu.
• Mạng lưới: Phát triển các giao thức mạnh mẽ để phối hợp và quản lý nhiễu giữa các RIS của nhiều nhà mạng. Xác định các mặt phẳng điều khiển và giao diện (ví dụ, trong O-RAN) để tích hợp liền mạch.
• An ninh: Phát triển các phương pháp nhẹ và hiệu quả để phát hiện và giảm thiểu các cuộc tấn công RIS độc hại.

9.3 Khuyến nghị Chiến lược

• Đối với các Nhà khai thác Mạng: Bắt đầu tiến hành các cuộc khảo sát thực địa và phân tích TCO để xác định các vị trí triển khai có tác động cao (ví dụ: hẻm phố đô thị, các điểm nóng trong nhà). Tham gia vào các nỗ lực của O-RAN và ETSI để thử nghiệm các xApp điều khiển RIS dựa trên RIC.
• Đối với các Nhà cung cấp Thiết bị: Tập trung R&D vào các kiến trúc RIS chủ động và lai ghép để khắc phục các hạn chế hiệu năng cơ bản. Phát triển các giải pháp bộ điều khiển RIS trưởng thành, dễ tích hợp, có thể giao tiếp với các hệ thống quản lý mạng tiêu chuẩn.
• Đối với các Cơ quan Quản lý và Tiêu chuẩn hóa: Ưu tiên phát triển các khuôn khổ để quản lý nhiễu xuyên nhà mạng từ việc triển khai RIS. Đẩy nhanh việc xác định các hạng mục công việc liên quan đến RIS trong 3GPP cho 6G để đảm bảo khả năng tương tác toàn cầu.
• Đối với Cộng đồng Nghiên cứu (bao gồm cả ở Việt Nam): Chuyển trọng tâm từ phân tích hiệu năng lý thuyết thuần túy của RIS thụ động lý tưởng sang giải quyết các thách thức thực tế của RIS chủ động/lai ghép, bao gồm các thuật toán điều khiển dựa trên AI mạnh mẽ và độ phức tạp thấp, mô hình hóa khiếm khuyết phần cứng và xác thực thực nghiệm trong các môi trường thử nghiệm thực tế.