Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ lưu lượng dữ liệu vô tuyến trong kỷ nguyên mạng di động thế hệ thứ 5 với tốc độ mục tiêu đạt ngưỡng Gigabit trên giây và nhu cầu kết nối thiết bị tăng trưởng trên 40% mỗi năm đang tạo ra sức ép khổng lồ lên hạ tầng viễn thông. Kiến trúc mạng tế bào truyền thống với lịch sử hơn 40 năm vận hành đã bộc lộ sự kém hiệu quả về năng lượng khi việc gia tăng mật độ trạm phát sóng gây ra can nhiễu nghiêm trọng và lãng phí tới 60% điện năng trong các chu kỳ lưu lượng thấp. Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để tối ưu hóa đồng thời hiệu suất năng lượng và tổng thông lượng cho đường truyền tải xuống backhaul không dây trong mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng nhất.

Mục tiêu cụ thể của công trình là phân tích, so sánh định lượng hiệu năng giữa kỹ thuật đa truy cập không trực giao và kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao trên ba mô hình kênh truyền thực tế gồm Rayleigh, Rician và Nakagami-m. Đồng thời, nghiên cứu xác định quy luật biến thiên hiệu suất năng lượng theo số lượng trạm gốc và đánh giá tác động của công suất phân bổ từ trạm trung tâm đám mây nền. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đường tải xuống từ trạm trung tâm đến các trạm gốc macro trong môi trường fading phẳng, được hoàn thành tại Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 09 năm 2017. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi chứng minh giải pháp mới có thể nâng cao hiệu suất năng lượng lên tới 4 lần so với công nghệ trực giao truyền thống và cắt giảm hơn 30% chi phí tiêu thụ điện năng cho toàn mạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai khung lý thuyết nền tảng là mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng nhất và công nghệ đa truy cập không trực giao. Mạng truy cập đám mây không đồng nhất tích hợp các khối xử lý băng gốc tập trung tại đám mây cùng các thiết bị thu phát vô tuyến từ xa và các trạm phát sóng công suất khác nhau theo chuẩn hóa của Dự án đối tác thế hệ thứ 3. Hệ thống đa truy cập không trực giao khai thác kỹ thuật ghép kênh trong miền công suất, cho phép phục vụ nhiều người dùng trên cùng một khối tần số 1 Hz và cùng khe thời gian. Luận văn vận dụng năm khái niệm khoa học trọng tâm:

Thứ nhất, kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp tại máy thu nhằm giải mã và loại bỏ tuần tự tín hiệu của người dùng có công suất lớn hơn. Thứ hai, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm biểu diễn chất lượng đường truyền. Thứ ba, chỉ số hiệu suất năng lượng được định nghĩa bằng tỷ số giữa tổng thông lượng truyền dẫn và tổng công suất tiêu thụ toàn hệ thống. Thứ tư, ba mô hình kênh truyền fading gồm kênh Rayleigh cho môi trường không có tầm nhìn thẳng, kênh Rician với hệ số K thể hiện thành phần tầm nhìn thẳng trực tiếp, và kênh Nakagami-m với tham số m phản ánh mức độ suy hao fading đa đường. Thứ năm, mô hình tiêu thụ công suất thực tế gồm sáu thành phần tại trạm gốc: điều hòa không khí, khối cấp nguồn, bộ xử lý tín hiệu, bộ khuếch đại công suất, đường tiếp sóng và công suất chuyển mạch backhaul.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng toán học dựa trên bộ thông số chuẩn hóa kỹ thuật viễn thông quốc tế với công suất trạm phát và độ lợi suy hao truyền sóng xác định. Phương pháp phân tích kết hợp giữa lý thuyết giải tích truyền dẫn vô tuyến và mô phỏng số thông qua các thuật toán đệ quy tính toán phân bổ công suất đường tải xuống.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập với 1000 mẫu thử nghiệm độc lập trên từng kênh truyền fading nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê cao. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng cho các dải tham số biến thiên: hệ số Rician K thay đổi từ 0 đến 10 và tham số Nakagami m thay đổi từ 1 đến 5. Phương pháp phân tích số trên phần mềm MATLAB được lựa chọn vì khả năng giải quyết chính xác các phương trình phi tuyến phức tạp của kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp mà các phép đo thực nghiệm phần cứng tốn kém chưa thể bao quát hết trong giai đoạn thiết kế mạng 5G. Tiến trình nghiên cứu được thực hiện liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kỹ thuật đa truy cập không trực giao mang lại hiệu suất năng lượng vượt trội gấp 4 lần so với kỹ thuật đa truy cập trực giao thông thường trên cả ba loại kênh truyền trong điều kiện khảo sát chuẩn. Tổng thông lượng hệ thống ghi nhận mức tăng trưởng hơn 30% khi áp dụng giải pháp phân bổ công suất linh hoạt kết hợp triệt nhiễu nối tiếp.

Thứ hai, môi trường truyền sóng có thành phần tầm nhìn thẳng trực tiếp tạo ra sự đột phá về hiệu năng. Kênh Rician với hệ số K bằng 10 và kênh Nakagami-m với tham số m bằng 5 đạt hiệu suất năng lượng cao hơn từ 35% đến 50% so với kênh Rayleigh thuần tán xạ đa đường do giảm thiểu được mức độ suy hao tín hiệu.

Thứ ba, hiệu suất năng lượng của hệ thống biến thiên theo dạng hàm tựa lõm khi thay đổi số lượng trạm gốc. Hiệu suất năng lượng tăng dần khi số lượng trạm gốc duy trì dưới 8 trạm, đạt đỉnh cực đại tại khoảng 8 trạm và sau đó suy giảm từ 15% đến 25% khi số lượng trạm tăng vượt quá 10 trạm do công suất tiêu thụ phần cứng và backhaul vượt quá độ lợi thông lượng thu được.

Thứ tư, công suất phân bổ tại trạm trung tâm đám mây nền có tác động mang tính quyết định: việc thiết lập mức công suất cấp phát thấp và vừa phải giúp mạng đạt hiệu suất năng lượng cao hơn khoảng 1,6 lần so với mức công suất phát cực đại gây bão hòa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp đa truy cập không trực giao chiến thắng công nghệ trực giao là nhờ khả năng tận dụng sự chênh lệch độ lợi kênh truyền giữa các người dùng, cho phép truyền chồng lấn tín hiệu trong miền công suất mà không cần chia nhỏ dải tần. Khác với các công bố trước đây vốn cho rằng tăng số trạm phát sóng luôn làm tăng hiệu năng toàn mạng, phát hiện về hàm tựa lõm trong nghiên cứu này đã chứng minh giới hạn trần của việc mở rộng phần cứng. Khi mật độ trạm gốc tăng quá cao, điện năng tiêu tốn cho hệ thống làm mát, mạch chuyển mạch backhaul và các khối xử lý tín hiệu sẽ triệt tiêu lợi ích của thông lượng gia tăng.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, các kết quả này được minh họa trực quan thông qua đồ thị phân bố mật độ xác suất của các kênh fading và hệ thống đường cong tựa lõm biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất năng lượng theo số lượng trạm gốc từ 1 đến 20 trạm. Bảng tổng hợp công suất sáu thành phần phần cứng cũng làm nổi bật sự đóng góp của từng khối mạch vào tổng mức tiêu hao năng lượng của mạng truy cập đám mây không đồng nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp thuật toán phân bổ công suất đa truy cập không trực giao vào các bộ xử lý tập trung tại trạm trung tâm nhằm tối ưu hóa việc phân chia năng lượng cho các trạm con, hướng tới mục tiêu nâng cao 35% hiệu suất phổ và 40% hiệu suất năng lượng trong lộ trình nâng cấp mạng 5G giai đoạn 2026 - 2028 do các kỹ sư trưởng viễn thông chủ trì.

Thứ hai, thiết lập cơ chế chuyển trạng thái ngủ tự động cho các thiết bị thu phát vô tuyến từ xa trong các khung giờ lưu lượng thấp từ 0 giờ đến 5 giờ sáng, đặt mục tiêu tiết kiệm 60% điện năng tiêu thụ tĩnh tại các trạm nhỏ, do trung tâm điều hành khai thác mạng triển khai thực hiện ngay trong quý đầu tiên.

Thứ ba, quy hoạch mật độ trạm gốc dựa trên điểm cực trị của hàm tựa lõm, khống chế số lượng trạm con trong một cụm đám mây ở mức tối ưu từ 6 đến 8 trạm nhằm ngăn chặn hiện tượng lãng phí 20% công suất backhaul, do phòng thiết kế mạng vô tuyến thực hiện trong vòng 6 tháng trước khi lắp đặt thực địa.

Thứ tư, ưu tiên triển khai các tuyến truyền dẫn backhaul không dây tại các vị trí địa lý có tầm nhìn thẳng với hệ số Rician K lớn hơn 5 hoặc Nakagami m lớn hơn 2 nhằm tận dụng tối đa độ lợi kênh truyền, nâng cao 30% độ tin cậy tín hiệu, do ban quản lý dự án hạ tầng giám sát thực hiện định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư tối ưu hóa mạng viễn thông tại các tập đoàn viễn thông lớn có thể khai thác mô hình toán học và công thức tính toán tiêu thụ năng lượng sáu thành phần để tái cấu trúc trạm phát sóng, giúp cắt giảm 30% chi phí vận hành hàng tháng.

Nhóm nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại các trường đại học có thể sử dụng toàn bộ khung lý thuyết về kênh fading Nakagami-m, thuật toán triệt nhiễu nối tiếp và mô hình mạng đám mây không đồng nhất làm học liệu chuyên sâu cho chương trình đào tạo sau đại học.

Nhóm học viên cao học và sinh viên kỹ thuật có thể ứng dụng trực tiếp các kịch bản mô phỏng số và lưu đồ thuật toán đệ quy để phát triển các đề tài nghiên cứu mở rộng về mạng thế hệ mới 5G và 6G.

Nhóm chuyên gia hoạch định chính sách tần số và cơ quan quản lý viễn thông có thể tham khảo các số liệu định lượng về hiệu quả sử dụng phổ tần để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật cho việc cấp phép băng tần mạng thông tin di động xanh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao đa truy cập không trực giao đạt hiệu suất năng lượng cao hơn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao? Công nghệ không trực giao cho phép nhiều người dùng dùng chung toàn bộ băng tần và thời gian thông qua việc chia tách trong miền công suất kết hợp thuật toán triệt nhiễu nối tiếp. Điều này giúp tận dụng triệt để tài nguyên phổ, nâng hiệu suất năng lượng lên gấp 4 lần và tăng hơn 30% thông lượng so với việc chia nhỏ tần số trực giao.

Mô hình kênh truyền nào mang lại chất lượng truyền dẫn tốt nhất cho hệ thống? Kênh Rician và Nakagami-m mang lại hiệu năng cao hơn nhiều so với kênh Rayleigh. Khi hệ số Rician K đạt mức 10 hoặc tham số Nakagami m đạt mức 5 nhờ có đường truyền tầm nhìn thẳng trực tiếp, hiệu suất năng lượng và thông lượng toàn mạng được cải thiện từ 35% đến 50% so với môi trường thuần tán xạ.

Tại sao hiệu suất năng lượng lại giảm khi số lượng trạm gốc vượt quá một ngưỡng nhất định? Khi số lượng trạm gốc vượt quá 8 trạm, mức tăng thông lượng không còn đủ bù đắp cho tổng công suất tiêu thụ điện của các mạch xử lý tín hiệu, hệ thống làm mát và đường truyền backhaul. Do đó, hiệu suất năng lượng tổng thể sẽ suy giảm từ 15% đến 25% theo đặc tính của hàm tựa lõm.

Công suất cấp phát tại trạm trung tâm đám mây ảnh hưởng như thế nào đến mạng? Việc duy trì công suất phân bổ tại trạm trung tâm ở mức thấp và vừa phải giúp hệ thống đạt hiệu suất năng lượng cao hơn khoảng 1,6 lần so với mức công suất cao. Cung cấp công suất quá mức sẽ gây lãng phí nguồn điện và tăng nguy cơ can nhiễu giữa các tế bào phát sóng.

Chế độ ngủ của thiết bị thu phát vô tuyến từ xa mang lại lợi ích cụ thể gì? Nhờ việc trạm công suất cao đảm nhận truyền tín hiệu điều khiển, các khối vô tuyến từ xa có thể chuyển sang trạng thái ngủ khi nhu cầu dữ liệu giảm. Giải pháp này giúp cắt giảm tới 60% điện năng tiêu thụ so với chế độ luôn mở, góp phần tối ưu hóa vận hành cho toàn bộ mạng HCRAN.

Kết luận

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra với năm đóng góp cốt lõi:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học đánh giá hiệu suất năng lượng và thông lượng của kỹ thuật đa truy cập không trực giao cho đường backhaul không dây trong mạng truy cập đám mây không đồng nhất.
  • Chứng minh tính ưu việt vượt trội của công nghệ không trực giao với hiệu suất năng lượng cao gấp 4 lần so với công nghệ trực giao trên cả ba kênh truyền Rayleigh, Rician và Nakagami-m.
  • Khám phá và giải thích bản chất quy luật hàm tựa lõm của hiệu suất năng lượng theo số lượng trạm phát sóng, chỉ ra ngưỡng tối ưu hóa 8 trạm gốc.
  • Định lượng chính xác tác động tích cực của đường truyền tầm nhìn thẳng và mức công suất thấp tại trạm trung tâm giúp cải thiện hiệu suất năng lượng lên 1,6 lần.
  • Xây dựng mô hình tiêu thụ năng lượng sáu thành phần chi tiết phản ánh đúng điều kiện vận hành phần cứng viễn thông thực tế.

Trong giai đoạn 2026 - 2028, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng thuật toán sang các mô hình trạm gốc phân tán đa dạng và tích hợp công nghệ ăng-ten đa ngõ vào đa ngõ ra quy mô lớn. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu viễn thông hãy ứng dụng ngay mô hình tối ưu này để hiện thực hóa các giải pháp mạng 5G xanh và tiết kiệm chi phí.