Giải bài toán năng lượng cho mạng 6G

Nhóm nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu China Unicom, một trong ba nhà khai thác viễn thông lớn nhất Trung Quốc, vừa công bố khung kỹ thuật mạng 6G xanh nội sinh, đặt tiết kiệm năng lượng như một năng lực cốt lõi được tích hợp xuyên suốt kiến trúc mạng.

Ảnh minh họa. Nguồn: AI tạo

Theo báo cáo của GSMA, chi phí năng lượng chiếm khoảng 23% tổng chi phí vận hành của các nhà mạng di động, trong đó trạm gốc là thiết bị ngốn điện nhiều nhất với tỷ lệ khoảng 73% tổng điện năng toàn mạng. Sang thế hệ 6G, khi quy mô kết nối và độ phức tạp của mạng tăng lên nhiều lần so với 5G, các giải pháp tiết kiệm năng lượng truyền thống hoàn toàn không đáp ứng được yêu cầu thực tế.

Vì sao 6G phải xây dựng khả năng tiết kiệm năng lượng ngay từ kiến trúc lõi?

Mạng 6G được thiết kế để tích hợp liền mạch bốn năng lực gồm thông tin, tính toán, cảm biến và trí tuệ nhân tạo vào cùng một hạ tầng vật lý, tạo ra một nền tảng hoàn toàn khác về bản chất so với những gì 4G hay 5G từng làm. Chính phạm vi tích hợp rộng lớn đó lý giải tại sao bài toán năng lượng của 6G lại phức tạp hơn nhiều, bởi mỗi trạm gốc trong tương lai sẽ phải đồng thời xử lý truyền dẫn dữ liệu, thực hiện suy luận mô hình học máy, thu thập dữ liệu cảm biến môi trường và điều phối tài nguyên tính toán phân tán, tất cả diễn ra trong thời gian thực.

Trong bối cảnh đó, một số chip GPU hiệu năng cao hiện nay đã tiêu thụ tới 700W mỗi chiếc. Khi hàng triệu thiết bị đầu cuối thông minh, xe kết nối mạng, thiết bị bay không người lái và cảm biến công nghiệp đồng loạt đi vào hoạt động trong mạng 6G, tổng lượng điện tiêu thụ của toàn hệ thống viễn thông sẽ tăng theo cấp số nhân.

Điểm khác biệt trong cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu China Unicom là khái niệm "xanh nội sinh" (green endogenous), theo đó năng lực tiết kiệm năng lượng được đưa vào từng tầng thiết kế ngay từ đầu, từ kiến trúc tổ mạng, lớp tài nguyên vô tuyến, giao thức không giao diện, cho tới hệ thống điều phối toàn mạng, thay vì chờ mạng xây dựng xong rồi mới gắn thêm module tiết kiệm năng lượng như một lớp phủ bên ngoài.

Kiến trúc logic của mạng 6G xanh nội sinh được phân tầng thành ba lớp cụ thể. Lớp tài nguyên đảm nhận việc cung cấp tần phổ, điện toán, lưu trữ và năng lượng làm nền tảng vật lý cho toàn bộ hệ thống. Lớp chức năng tích hợp các năng lực kết nối, tính toán, cảm biến, trí tuệ nhân tạo và tiết kiệm năng lượng thành một thể thống nhất. Lớp ứng dụng tiếp nhận và phản hồi nhu cầu từ các dịch vụ đầu cuối. Xuyên suốt cả ba lớp là hai hệ thống điều phối song song gồm quản lý vận hành nghiệp vụ và điều phối tiết kiệm năng lượng.

Kiến trúc logic của mạng 6G xanh nội sinh. Nguồn: c114

Chức năng điều phối tiết kiệm năng lượng hoạt động theo một vòng tự động: nhận diện bối cảnh tiết kiệm năng lượng từ lớp ứng dụng, chuyển đổi thành chỉ tiêu hiệu suất năng lượng cụ thể, gọi các chức năng tiết kiệm năng lượng phù hợp ở lớp chức năng, rồi giao nhiệm vụ xuống thiết bị thực thi ở lớp tài nguyên. Cụ thể, thiết bị đầu cuối có thể tự chuyển vào trạng thái thu phát gián đoạn (DRX) hoặc ngủ đông, kích hoạt chế độ đo lường quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) giản lược, giảm số lượng anten hoạt động; thiết bị truy cập vô tuyến có thể tắt hoàn toàn hoặc vào trạng thái ngủ trong khung giờ thấp tải; thiết bị tính toán điều chỉnh điện áp và thu hồi tài nguyên xử lý theo nhu cầu thực tế.

Kiến trúc "tổ mạng 6G" thế hệ mới

Ở lớp triển khai vật lý, mạng 6G xanh nội sinh áp dụng kiến trúc phân tán, phá vỡ mô hình tế bào truyền thống vốn buộc mọi thiết bị đầu cuối phải kết nối với một trạm gốc định sẵn trong phạm vi địa lý cố định.

Kiến trúc siêu tế bào (super-cell) tách riêng mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu thành hai hệ thống độc lập, trong đó nút điều khiển phủ vùng rộng đảm nhận tiếp nhận và kiểm soát truy cập, còn các nút dữ liệu triển khai cục bộ theo nhu cầu thực tế và tự động ngủ đông khi tải thấp. Kiến trúc phi tế bào (cell-free) đặt người dùng làm trung tâm, triển khai nhiều điểm truy cập phân tán kết nối về một đơn vị xử lý trung tâm, khai thác phân tập không gian và giảm tổn hao đường truyền để nâng hiệu suất phổ tần và hiệu quả năng lượng cùng lúc. Các điểm truy cập phân tán còn có thể tích hợp bề mặt phản xạ thông minh (RIS), một loại thiết bị trung chuyển tín hiệu tiêu thụ rất ít điện, giúp kéo giảm tổng năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống.

Kiến trúc mạng 6G xanh nội sinh. Nguồn: c114

Một trong những đổi mới lớn nhất của công nghệ 6G so với các thế hệ trước là mạng phải điều phối cùng lúc tài nguyên thông tin, tài nguyên tính toán, mô hình học máy và năng lượng theo thời gian thực. Nhóm nghiên cứu gọi đây là điều phối cộng hưởng bốn chiều, tức là phối hợp đồng thời giữa thông tin, cảm biến, tính toán và trí tuệ nhân tạo trên cùng một hạ tầng mạng thống nhất.

Khi một tác vụ tính toán phân tán xuất hiện, hệ thống điều phối căn cứ vào tình trạng tải, trạng thái kênh vô tuyến và năng lực xử lý của từng nút để chọn ra nút có hiệu quả năng lượng cao nhất phục vụ tác vụ đó. Trong trường hợp nhiều nút cùng đáp ứng được yêu cầu, hệ thống ưu tiên nút có hiệu suất năng lượng tốt hơn. Với các tác vụ phức tạp đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn, hệ thống ghép nhiều nút tải thấp hoạt động phối hợp và tập trung sức mạnh tính toán về một số nút lân cận nhau, từ đó cắt giảm năng lượng tiêu hao phát sinh từ việc truyền dữ liệu giữa các nút.

Kiến trúc điều phối cộng hưởng thông-cảm-tính-trí. Nguồn: c114

Trong các mạng di động truyền thống, tín hiệu chung và kênh chung chiếm phần lớn chi phí tín hiệu điều khiển. Mạng 6G hỗ trợ nhiều băng tần hơn, băng thông rộng hơn và nhiều sóng mang hơn, dẫn đến chi phí tín hiệu điều khiển tăng cao, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả năng lượng.

Để giải quyết điều này, công nghệ 6G áp dụng triết lý mặt phẳng tín hiệu điều khiển tinh giản. Khi tải tế bào thấp, hệ thống tăng chu kỳ phát tín hiệu chung, chuyển sang phát tín hiệu theo nhu cầu, hoặc gộp tín hiệu chung của nhiều sóng mang vào một sóng mang duy nhất, từ đó tăng khả năng tế bào chuyển vào trạng thái ngủ. Với anten thu phát đa chiều (MIMO – Multiple Input Multiple Output), hệ thống cấu hình độ phân giải đo lường thông tin trạng thái kênh truyền (CSI – Channel State Information) theo nhu cầu thực tế, giảm chi phí đo lường và tiêu thụ điện năng đi kèm.

Mạng 6G hướng đến số lượng kết nối lớn hơn 5G từ 10 đến 1.000 lần, và chính quy mô khổng lồ đó đặt ra một thách thức hoàn toàn mới. Nếu giữ nguyên phương thức truy cập truyền thống, lượng tín hiệu điều khiển phát sinh từ hàng tỷ thiết bị kết nối đồng thời sẽ gây bão tín hiệu và đẩy mức tiêu thụ điện tăng đột biến. Để xử lý điều đó, công nghệ 6G nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hoa tiêu thưa và truy cập không hoa tiêu, cho phép thiết bị đầu cuối khởi tạo truyền dẫn mà không cần trải qua quá trình trao đổi tín hiệu phức tạp như trước, từ đó giảm chi phí tín hiệu và tiêu thụ điện ngay ở cấp độ truy cập.

Mạng 6G tự tối ưu năng lượng nhờ bản sao số và trí tuệ nhân tạo phân tán

Khi trí tuệ nhân tạo len lỏi vào mọi tầng mạng, 6G khai thác hai công cụ là bản sao số (digital twin) và huấn luyện phân tán (federated learning) để thực hiện tiết kiệm năng lượng theo cách tự động và thông minh hơn so với mọi thế hệ mạng trước.

Công nghệ bản sao số tạo ra một phiên bản ảo tương ứng với từng phần tử mạng vật lý, cập nhật liên tục dữ liệu thực. Hệ thống dùng học sâu và học máy để dự báo xu hướng tải mạng, tiêu thụ năng lượng và chất lượng dịch vụ trong tương lai, từ đó kết hợp với thuật toán đồ thị tri thức để tạo ra chiến lược tiết kiệm năng lượng tối ưu. Chiến lược được mô phỏng trên bản sao ảo trước khi triển khai thực tế, và kết quả thực thi trên mạng vật lý tiếp tục phản hồi về bản sao số để đánh giá hiệu quả rồi kích hoạt vòng tối ưu hóa tiếp theo, tạo thành một vòng khép kín liên tục giữa thế giới thực và thế giới ảo

Phương pháp huấn luyện trí tuệ nhân tạo theo mô hình liên kết giải quyết một bài toán hoàn toàn khác, khi trí tuệ nhân tạo trải rộng ra hàng triệu thiết bị đầu cuối trên toàn mạng, việc liên tục chuyển dữ liệu thô và tham số mô hình về máy chủ trung tâm để xử lý sẽ tiêu tốn một lượng điện năng khổng lồ cho cả truyền thông lẫn tính toán. Mô hình phân bổ tác vụ tính toán trực tiếp xuống các thiết bị đầu cuối hoặc nút biên thông minh nằm rải rác trong mạng, ưu tiên chọn những nút có hiệu quả năng lượng cao nhất tham gia tính toán phối hợp, giảm tải cho nút trung tâm và loại bỏ hoàn toàn nhu cầu truyền dữ liệu thô về trung tâm, từ đó cắt giảm đồng thời cả chi phí tính toán lẫn chi phí truyền thông chỉ trong một bước xử lý duy nhất.

Nhóm tác giả từ Viện Nghiên cứu China Unicom thừa nhận nghiên cứu về 6G xanh vẫn đang trong quá trình nghiên cứu, khi kiến trúc mạng 6G và các công nghệ không giao diện mới dù đã có tiến triển nhất định song khung kỹ thuật mạng 6G xanh nội sinh vẫn cần tiếp tục được kiểm chứng và hoàn thiện qua thực tiễn triển khai.

Thực tế đó cho thấy cuộc chạy đua 6G toàn cầu đang dồn phần lớn nguồn lực vào tốc độ, độ trễ và mật độ kết nối, trong khi năng lượng, yếu tố quyết định tính bền vững của toàn bộ hệ sinh thái viễn thông, vẫn chưa nhận được sự đầu tư nghiên cứu tương xứng với tầm quan trọng của nó.

Với Việt Nam, khi các nhà mạng đang trong giai đoạn triển khai 5G và bắt đầu vạch ra lộ trình tiến lên 6G, bài học từ khung kỹ thuật mạng 6G xanh nội sinh của China Unicom mang ý nghĩa thiết thực, bởi tiết kiệm năng lượng không phải là bài toán có thể giải sau khi mạng đã hoàn thiện mà phải được đặt ra như một yêu cầu bắt buộc ngay từ khâu thiết kế kiến trúc ban đầu.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng