Phân tích so sánh các phương án điều khiển công suất đường lên trong hệ thống MIMO khổng lồ không cần ô mạng, tập trung vào người dùng
Bài báo nghiên cứu và so sánh ba phương pháp điều khiển công suất đường lên (Uplink Power Control – UPC) trong kiến trúc User-Centric Cell-Free Massive MIMO (UC-CFmMIMO), một mô hình mạng không dây thế hệ mới loại bỏ ranh giới ô truyền thống. Các phương pháp được phân tích gồm: (i) truyền toàn công suất (Full Power Control – Full), (ii) điều khiển công suất phân số (Fractional Power Control – FPC), và (iii) thuật toán điểm cố định (Fixed-Point Algorithm – FPA) nhằm tối ưu công bằng max-min. Bài báo tập trung vào hiệu quả phổ (Spectral Efficiency – SE), công bằng giữa người dùng, và khả năng mở rộng trong các kịch bản mạng dày đặc.
Trong bối cảnh mạng không dây thế hệ mới, nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao, kết nối liên tục và trải nghiệm người dùng tốt hơn ngày càng tăng. Kiến trúc UC-CFmMIMO nổi bật nhờ loại bỏ ranh giới ô, cho phép nhiều điểm truy cập (APs) phân tán cùng phục vụ một người dùng. Điều này hứa hẹn cải thiện hiệu quả phổ, công bằng và dung lượng mạng, đặc biệt trong môi trường triển khai dày đặc. Tuy nhiên, để khai thác tối đa tiềm năng này, việc quản lý công suất truyền đường lên là yếu tố then chốt nhằm giảm nhiễu và cân bằng giữa thông lượng tổng thể với công bằng người dùng.
Bài báo so sánh ba phương pháp UPC:
Full Power Control (Full): tất cả thiết bị người dùng (UEs) truyền ở công suất tối đa. Phương pháp này đơn giản, dễ mở rộng và đạt tổng SE cao nhất. Tuy nhiên, nó không đảm bảo công bằng, khiến người dùng ở vị trí bất lợi có SE thấp.
Fixed-Point Algorithm (FPA): thuật toán lặp nhằm tối ưu công bằng max-min, tức nâng SE tối thiểu của người dùng yếu nhất. FPA đảm bảo tất cả UEs đạt cùng mức SE, phù hợp cho hệ thống ưu tiên công bằng. Nhược điểm là giảm tổng SE và độ phức tạp tính toán tăng theo số lượng UEs.
Fractional Power Control (FPC): phương pháp điều chỉnh công suất dựa trên suy hao kênh, với tham số v cho phép cân bằng giữa công bằng và thông lượng. Khi v=0, FPC tương đương Full; khi v=1, FPC tiến gần đến công bằng tối đa nhưng giảm thông lượng. Các giá trị trung gian (ví dụ v=0.5) mang lại sự thỏa hiệp giữa hai mục tiêu.
Kết quả mô phỏng trên mạng gồm 50 APs và 10 UEs cho thấy:
- Full đạt SE trung vị cao nhất (3.089 bit/s/Hz) và tổng SE 34.81 bit/s/Hz, nhưng công bằng thấp.
- FPA đạt SE tối thiểu cao nhất (2.1 bit/s/Hz), chứng minh ưu thế về công bằng.
- FPC nằm giữa hai phương pháp, có thể điều chỉnh để cân bằng mục tiêu.
Khi số lượng APs tăng, cả ba phương pháp đều cải thiện SE. Full và FPC tăng mạnh về tổng SE, trong khi FPA duy trì ưu thế về SE tối thiểu. Ngược lại, khi số lượng UEs tăng, tổng SE tăng nhưng SE tối thiểu giảm do nhiễu. FPA vẫn giữ mức công bằng tốt nhất, còn Full và FPC giảm mạnh ở người dùng yếu.
Về độ phức tạp tính toán, Full gần như không tốn chi phí, FPC có chi phí thấp và dễ mở rộng, trong khi FPA phức tạp hơn nhưng tốc độ tăng chi phí chậm hơn khi mạng mở rộng. Điều này cho thấy FPA có tiềm năng trong hệ thống quy mô lớn nếu ưu tiên công bằng.
Tóm lại, mỗi phương pháp có ưu điểm riêng:
- Full phù hợp cho hệ thống tập trung vào thông lượng.
- FPA thích hợp cho thiết kế hướng công bằng.
- FPC là giải pháp linh hoạt, có thể điều chỉnh để đạt sự cân bằng giữa thông lượng và công bằng.
Bài báo cung cấp cái nhìn toàn diện về đặc điểm và sự đánh đổi của từng phương pháp, giúp định hướng lựa chọn chiến lược UPC trong triển khai UC-CFmMIMO tương lai.
Nghiên cứu do nhóm tác giả Văn Cường Nguyễn, Tống Văn Luyện (Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội), Đào Ngọc Hiếu, Ngô Văn Long (Đại học Công nghiệp Hà Nội) thực hiện.
Tạp chí Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa 2025, 29(4): 24-31 (ctngoc)