1. Giới thiệu công nghệ ISAC 6G

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh, khả năng nhận thức môi trường đang trở thành yêu cầu thiết yếu cho hệ thống viễn thông thế hệ tiếp theo. Công nghệ Tích hợp Nhận thức và Truyền thông (ISAC) — một trụ cột của mạng 6G — kết hợp chức năng radar với hệ thống truyền thông, cho phép thực hiện đồng thời cả hai nhiệm vụ trên cùng một cơ sở hạ tầng. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của ISAC là khả năng phát hiện xâm nhập trong điều kiện không có đường ngắm trực tiếp (NLOS).

Các hệ thống an ninh công nghiệp truyền thống dựa chủ yếu vào camera hoặc lidar, nhưng đều bị giới hạn bởi tầm nhìn trực tiếp. Trong môi trường nhà xưởng phức tạp, các thiết bị, kệ hàng và tường chắn tạo ra nhiều vùng mù. Trái lại, ISAC sử dụng tín hiệu vô tuyến tần số cao (mmWave), tận dụng đặc tính phản xạ khi gặp vật cản để "nhìn xuyên" qua các chướng ngại vật và phát hiện đối tượng di chuyển phía sau.

Kết quả thử nghiệm tại khu nghiên cứu ARENA2036 cho thấy, hệ thống ISAC được xây dựng từ phần cứng 5G thương mại, kết hợp thuật toán xử lý tín hiệu chuyên biệt, có thể phát hiện hoạt động của con người ở khu vực bị che khuất hoàn toàn với tỷ lệ báo động giả dưới 3%. Điểm đột phá nằm ở chỗ: không cần triển khai radar riêng biệt — khả năng cảm biến được tích hợp trực tiếp vào hạ tầng truyền thông 6G tương lai.

2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ISAC

2.1 Kiến trúc phần cứng

Hệ thống nguyên mẫu gồm hai thành phần chính: đơn vị vô tuyến (RU) phát (TX) — là gNodeB tiêu chuẩn — và RU thu (RX) dạng "sniffer". Hai RU này được đặt gần nhau và đồng bộ về thời gian, tạo thành hệ thống cảm biến gần như đơn tĩnh. Hệ thống hoạt động ở dải tần FR2 với tần số trung tâm 27.4 GHz — thuộc dải mmWave phổ biến trong 5G.

Mảng anten 12×8 hỗ trợ phân cực kép và sử dụng kỹ thuật beamforming tương tự để chọn chùm sóng định hướng từ tập mã (codebook) đã định sẵn. Thiết kế này vừa đáp ứng nhu cầu truyền thông, vừa cung cấp khả năng kiểm soát hướng cần thiết cho cảm biến.

Lưu ý: Việc chọn dải tần mmWave rất quan trọng. Tần số cao giúp bước sóng ngắn hơn, tăng độ phân giải khoảng cách và cho phép mảng anten nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên, cần cân bằng giữa suy hao khí quyển và khả năng xuyên thấu.

2.2 Quy trình xử lý tín hiệu

Quá trình xử lý tín hiệu ISAC gồm ba giai đoạn chính:

1. Trích xuất thông tin trạng thái kênh (CSI): Ma trận CSI H được tính bằng phép chia từng phần tử giữa tín hiệu thu Y và tín hiệu phát X:

   H[n,m] = Y[n,m] / X[n,m]
   

   Ma trận này phản ánh ảnh hưởng của mọi vật phản xạ trong môi trường lên tín hiệu.
2. Tạo ảnh khoảng cách – Doppler: Áp dụng biến đổi Fourier 2D lên ma trận CSI — IDFT theo các subcarrier, sau đó DFT theo các ký hiệu OFDM — để tạo ảnh radar S:

   S[k,l] = |IDFT(DFT(H[k,l]))|²
   

   Ảnh này biểu diễn tín hiệu trong miền khoảng cách – vận tốc, mỗi vật phản xạ tạo thành một đỉnh rõ rệt.
3. Phát hiện và theo dõi mục tiêu: Sử dụng bộ phát hiện CA-CFAR để xác định các đỉnh hợp lệ, sau đó áp dụng bộ lọc PHD để theo dõi đa mục tiêu. Giai đoạn này cần xử lý đặc biệt hiện tượng lặp phổ do chế độ TDD gây ra.

3. Cốt lõi của phát hiện NLOS

3.1 Nguyên lý cảm biến NLOS

Phát hiện NLOS dựa trên việc tận dụng các bề mặt phản xạ lớn (như kệ kim loại) làm "bộ khuếch đại trung gian". Khi tín hiệu mmWave chạm vào bề mặt có diện tích phản xạ radar (RCS) lớn, nó sẽ phản xạ mạnh và lan tới vùng bị che khuất.

Hệ thống trước tiên thực hiện hiệu chuẩn để xác định vị trí các vật phản xạ tĩnh. Vật phản xạ mạnh nhất (trong thí nghiệm là kệ hàng) được dùng làm mốc tham chiếu — bất kỳ mục tiêu nào xuất hiện ở khoảng cách xa hơn mốc này đều được coi là nằm trong vùng NLOS. Phương pháp này không yêu cầu mô hình hình học chi tiết của môi trường, phù hợp với triển khai thực tế.

3.2 Các cải tiến trong xử lý tín hiệu

Một số thuật toán then chốt được phát triển riêng cho ISAC:

1. Phát hiện đỉnh TDD: Do đặc tính chia thời gian của TDD, ảnh radar xuất hiện các đỉnh giả lặp chu kỳ. Thuật toán mới sử dụng cửa sổ thời gian để nhận diện và triệt tiêu chúng.
2. Lọc mục tiêu động: Chỉ giữ lại các đỉnh có dịch Doppler khác 0, loại bỏ nhiễu tĩnh — giảm đáng kể báo động giả.
3. Theo dõi bằng bộ lọc PHD: Bộ lọc mật độ giả thuyết xác suất (PHD) dạng hỗn hợp Gauss xử lý hiệu quả sự không chắc chắn và báo động giả trong môi trường đa mục tiêu. Quá trình cập nhật gồm hai bước:

   // Dự báo
   ν_S,k|k-1(x) = p_S,k Σ w_j N(x; F_{k-1} m_j, Q_{k-1} + F_{k-1} P_j F_{k-1}^T)
   
   // Cập nhật
   ν_k(x) = (1 - p_D,k) ν_{k|k-1}(x) + Σ ν_{D,k}(x; z)
   

4. Triển khai trong môi trường công nghiệp

4.1 Thiết lập thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện tại nhà xưởng thật trong khu ARENA2036. Một khu vực bị che khuất hoàn toàn (được đánh dấu bằng khung đỏ) được thiết lập — người thử nghiệm di chuyển phía sau bức tường, không thể nhìn thấy từ vị trí phát. Tín hiệu mmWave chỉ đến được khu vực này nhờ phản xạ từ kệ hàng (được tô màu hồng).

Hệ thống sử dụng chùm sóng cố định với góc mở 14°, đủ bao phủ bề mặt kệ phản xạ — mô phỏng đúng kịch bản che khuất điển hình trong nhà máy.

4.2 Tối ưu tham số hệ thống

Bảng dưới đây liệt kê các tham số đã được tinh chỉnh qua thử nghiệm thực tế:

Các giá trị này đảm bảo phát hiện nhanh, chính xác trong khi vẫn duy trì tỷ lệ báo động giả thấp.

5. Đánh giá hiệu năng và kết quả thực nghiệm

5.1 Kiểm thử độ chính xác

Ba kịch bản được thiết kế để đánh giá toàn diện:

1. Mục tiêu thật: Người thử nghiệm di chuyển với tốc độ đi bộ (~1.4 m/s) và chạy (~3 m/s). Hệ thống ghi nhận rõ quỹ đạo khứ hồi. Phát hiện tạm gián đoạn khi mục tiêu dừng — phù hợp kỳ vọng.
2. Cảnh trống: Không có mục tiêu di động. Hệ thống không báo động sai suốt quá trình.
3. Nhiễu tổng hợp: Tiêm nhiễu dạng Poisson (λ=0.8/khung hình). Hệ thống vẫn duy trì hiệu năng ổn định.

5.2 Chỉ số hiệu năng chính

Phân tích đường cong ROC cho thấy:

• Tỷ lệ phát hiện mục tiêu chạy: 97.3% (cửa sổ quan sát 300 ms)
• Tỷ lệ phát hiện mục tiêu đi bộ: 96.2%
• Tỷ lệ báo động giả: < 3%
• Độ trễ hệ thống: tối thiểu 80 ms

Hiệu năng phát hiện tỉ lệ thuận với tốc độ mục tiêu — đặc điểm có lợi vì kẻ xâm nhập thường di chuyển nhanh.

6. Bài học triển khai thực tế

Một số kinh nghiệm rút ra từ quá trình phát triển:

1. Chọn bề mặt phản xạ: Ưu tiên bề mặt phẳng, diện tích lớn như tường bê tông, kệ kim loại. Góc giữa máy phát và bề mặt quan trọng hơn kích thước tuyệt đối — góc ~30° thường cho hiệu quả tốt nhất.
2. Xử lý đa đường: Áp dụng chiến lược lọc hai giai đoạn — bản đồ tĩnh triệt nhiễu cố định, ngưỡng động xử lý nhiễu còn lại.
3. Hiệu chuẩn định kỳ: Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến đặc tính RF. Khuyến nghị hiệu chuẩn lại mỗi 4 giờ hoặc khi nhiệt độ thay đổi >5°C.
4. Tối ưu vị trí lắp đặt: Tuân thủ "quy tắc 30 độ" — góc giữa hướng phát và bề mặt phản xạ nên ở khoảng 30° để cân bằng năng lượng phản xạ và vùng phủ.

Công nghệ này đã chứng minh tiềm năng trong giám sát khu vực nguy hiểm, bảo vệ vùng cấm trong nhà máy và kho bãi. Với sự trưởng thành của 6G, ISAC có thể trở thành tiêu chuẩn mới cho cảm biến môi trường trong công nghiệp.