Phân tích hiệu năng hệ thống thông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ———————– NGUYỄN THỊ TÚ TRINH PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG PHẦN TỬ PHẢN XẠ THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Hà Hoàng Kha Cán chấm nhận xét 1: TS Huỳnh Thế Thiện Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng: GS TS Lê Tiến Thường Thư ký hội đồng: TS Võ Tuấn Kiệt Phản biện 1: TS Huỳnh Thế Thiện Phản biện 2: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Ủy viên: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc ——————— ——————— NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ TÚ TRINH MSHV: 2070376 Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1996 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số : 8520208 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Phân tích hiệu hệ thống thông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh Tên tiếng Anh: Performance Analysis of Communication Systems Using Intelligent Reflective Surfaces II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu lý thuyết hệ thống thơng tin vô tuyến sử dụng phần tử phản xạ thông minh (IRS) Xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin vô tuyến sử dụng phần tử phản xạ thông minh Phân tích đánh giá hiệu hệ thống thông qua xác suất dừng dung lượng bảo mật trung bình Thực mơ Monte-Carlo MATLAB, đánh giá hiệu hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phần tử phản xạ thông minh III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/01/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Hà Hoàng Kha Tp HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS TS Hà Hoàng Kha PGS TS Hà Hoàng Kha TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Hà Hoàng Kha, Thầy người đồng hành, hướng dẫn tơi bước chuyên môn từ ngày đầu xác định vấn đề nghiên cứu đến hoàn thành luận văn Thầy không dạy kiến thức đơn mà cịn dạy tơi cách làm việc học tập cách nghiêm túc, chuyên nghiệp, tảng giúp tơi bước khỏi “vùng an tồn” để tự tin nghiên cứu hướng tiếp cận tiếp tục theo đuổi đường nghiên cứu khoa học tương lai Thực sự, khơng có giúp đỡ Thầy, trưởng thành hồn tất luận văn Bên cạnh đó, tơi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Xn Xinh, nhiệt tình dẫn tơi nhiều vấn đề kiến thức cần thiết trình làm luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy, Cô Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Bởi suốt chương trình học Thạc sĩ, Thầy Cơ tận tình giảng dạy, bảo cung cấp nhiều kiến thức chuyên môn liên quan Chính kiến thức bổ ích giúp tơi có tảng tốt để tiến hành nghiên cứu lĩnh vực mà quan tâm Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn vơ vàn cha mẹ, người bên cạnh, ủng hộ vật chất lẫn tinh thần để tơi hồn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2023 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Tú Trinh iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong năm gần đây, thiết bị thông minh ngày phát triển đa dạng với nhiều ứng dụng khác nên người dùng dễ dàng tiếp cận sử dụng Điều dẫn đến nhu cầu sử dụng dịch vụ ứng dụng vô tuyến người dùng không ngừng tăng lên, đặc biệt kết nối có xu hướng di động, linh hoạt thực đâu, địi hỏi cơng nghệ truyền thơng vơ tuyến phải liên tục đổi phát triển Theo thống kê, số lượng thiết bị kết nối vô tuyến gia tăng đáng kể năm, dự báo tiếp tục tăng đạt gấp nhiều lần năm tới Với gia tăng số lượng kết nối lưu lượng thông tin đặt thách thức lớn cho hệ thống thông tin vô tuyến hệ sau (5G, 6G) Để đáp ứng kịp với bùng nổ nhu cầu kết nối trao đổi liệu, hệ thống thông tin vô tuyến hệ thứ (sixth generation - 6G) với công nghệ tiên tiến hỗ trợ đầu tư nghiên cứu với tiêu chuẩn vượt xa hệ thống thông tin vô tuyến hệ thứ (fifth generation - 5G) Nếu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) phát triển tiêu biểu hệ thống thông tin vơ tuyến 5G kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS) đề xuất công nghệ tiềm cho hệ thống thông tin vô tuyến 6G Tuy phát triển năm gần đây, IRS đạt nhiều thành tựu đáng kể việc cải thiện hiệu suất phổ (SE) hiệu suất lượng (EE) hệ thống truyền thơng vơ tuyến Mặt khác, ngồi tiêu chí nâng cao hiệu hệ thống, vấn đề bảo mật yếu tố thiết yếu hệ thống Do đó, để bắt kịp xu hướng phát triển, luận văn xác định nghiên cứu với chủ đề “Phân tích hiệu hệ thống thơng tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh.” Đầu tiên, luận văn giới thiệu tổng quan tình hình tăng trưởng lưu lượng liệu di động, đôi nét 6G, vấn đề bảo mật lớp vật lý xác định đề iv tài nghiên cứu Sau đó, luận văn trình bày sở lý thuyết tảng sử dụng luận văn giới thiệu hệ thống vô tuyến nhận thức (CR), NOMA, IRS, kiến thức toán cần thiết Tiếp theo, luận văn phân tích hiệu hai hệ thống cụ thể: 1) Hệ thống thứ kết hợp mạng CR vào mơ hình bảo mật hệ thống NOMA đường xuống hỗ trợ IRS 2) Hệ thống thứ hai mơ hình bảo mật cho hệ thống IRS NOMA có đường trực tiếp Các mơ hình tốn học, phương pháp đề xuất kết mô cung cấp đầy đủ cho hai tốn để kiểm chứng tính hiệu thiết kế luận văn Thông qua kết mô phỏng, IRS cho thấy hiệu việc cải thiện hiệu hệ thống Cuối cùng, luận văn tổng hợp lại cơng việc hồn thành đề hướng phát triển sau v ABSTRACT Recently, the smart devices (such as smart phone, tablet, wireless-connected devices) have increasingly diversified with advanced functions and applications This leads to demand of users for wireless mobile services and applications (e.g., games online, entertainment, online transactions) constantly increasing, especially when connections tend to increase mobility, flexibility and ubiquitousness This requires wireless communication technologies to continuously innovate and develop According to recent statistics, the number of wireless devices and wireless connections are remarkably grown every year and it is anticipated that this number will keep rising many folds in the next years With an increasing in both wireless connections and data traffic, the fifth generation, it poses great challenges for the next generation radio communication system (5G, 6G) In order to keep up with the explosion in demand for connection and data exchange, the sixth generation (6G) wireless communication system along with advanced supporting technologies have been invested in research with standards far beyond the fifth generation (5G) wireless communication system If Nonorthogonal Multiple Access (NOMA) is a typical development of 5G wireless communication systems, then Intelligent Reflecting Surface (IRS) technology is proposed as a potential technology for 6G wireless communication networks Despite of having just been developed for a few years, IRSs have proved its advantages of enhancing spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in communication systems On the other hand, in addition to the criterion of improving performance of system, the physical layer security (PLS) issue is always crucial in every communication system Therefore, to catch up with the development trend, the thesis focuses on the topic “Performance analysis of communication systems using intelligent reflective surfaces.” Firstly, this thesis introduces the overview of an increase of mobile data vi traffic, 6G, the physical security issue and, then defines research topic Next, the basic theories, including concepts of SE, EE, CR, IRS, NOMA, PLS, etc and mathematics background are presented After that, the thesis will analyze the performance of two specific systems: 1) The first system will incorporate CR technique into the downlink IRS-aided secure NOMA system 2) The second system is the security model for the IRS-aided NOMA system with direct links Mathematical models, proposed methods and simulation results are provided for the two problems to verify the effectiveness of the designs in the thesis Through the simulation results, it can be seen that IRSs improve systems’ efficiency Finally, this thesis summarizes the works done and proposes future research directions vii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Thị Tú Trinh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn Thơng, khóa 2020, Đại học Quốc gia TP.HCM – Trường Đại học Bách Khoa Tôi xin cam đoan nội dung sau thật: ˆ Cơng trình nghiên cứu hồn tồn tơi thực hiện; ˆ Các tài liệu trích dẫn luận văn tham khảo từ nguồn thực tế, có uy tín độ xác cao; ˆ Các số liệu kết cơng trình tự thực cách độc lập trung thực Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2023 Nguyễn Thị Tú Trinh viii Mục lục Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Lời cam đoan viii Mục lục ix Danh sách hình vẽ xiv Danh sách từ viết tắt xv MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Xu hướng tăng trưởng lưu lượng liệu di động 1.1.2 Mức tiêu thụ lượng ngành viễn thông 1.1.3 Mạng vô tuyến hệ thứ - 6G 1.1.3.1 Những yêu cầu kỹ thuật mạng vô tuyến 6G 1.1.3.2 Các kỹ thuật 6G 1.1.4 Vấn đề bảo mật lớp vật lý (PLS) 10 1.2 Lý chọn đề tài 11 1.3 Mục tiêu nghiên cứu luận văn 12 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 13 ix k 1, 1  a1 ρbs , βE  × G0,1:1,2:1,1 1,0:2,2:1,2 β1 β1 − 1, k , E  