Tối ưu hiệu năng của hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ———————– VÕ THẾ DUY TỐI ƯU HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2022 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Hà Hoàng Kha Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Trần Trung Duy Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 04 tháng 07 năm 2022 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 Trịnh Xuân Dũng Phản biện 1: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn Phản biện 2: PGS TS Trần Trung Duy Ủy viên: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo 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 GS TS Lê Tiến Thường 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: VÕ THẾ DUY MSHV: 2070371 Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1997 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số : 8520208 I TÊN ĐỀ TÀI: Tối ưu hiệu hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng bề mặt phản xạ thông minh Tên tiếng Anh: Efficiency Optimization Of Physical Layer Security Communication Systems Using Intelligent Reflecting Surfaces II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu bề mặt phản xạ thông minh (IRS) hệ thống thơng tin bảo mật Thiết kế mơ hình tốn học cho hệ thống thông tin bảo mật sử dụng IRS Xây dựng thuật toán để tối ưu hiệu hệ thống Mô MATLAB, kiểm tra đánh giá kết thu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/06/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS Hà Hoàng Kha Tp HCM, ngày tháng năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS TS Hà Hoàng Kha TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Hà Hoàng Kha, người hướng dẫn em thực luận văn Thầy truyền đạt hiểu biết, kinh nghiệm; cung cấp tài liệu cần thiết giải đáp thắc mắc, vấn đề mà em gặp phải trình làm luận văn Sự tận tình quan tâm Thầy động lực để em cố gắng nghiên cứu học tập Một lần nữa, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tuy khơng trực tiếp hướng dẫn em, kiến thức mà thầy cô giảng dạy cho em suốt năm đại học sở, tảng vững giúp em có đủ khả để thực luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người bên cạnh, ủng hộ em vật chất lẫn tinh thần để em hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022 Võ Thế Duy iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Những năm gần đây, giới chứng kiến tăng trưởng vượt bậc nhu cầu sử dụng dịch vụ ứng dụng di động khơng dây, địi hỏi cơng nghệ truyền thông vô tuyến phải liên tục đổi phát triển Hiện nay, hệ thứ (6G) đầu tư nghiên cứu với tiêu chuẩn vượt xa 5G, với cơng nghệ tiên tiến hỗ trợ Một số công nghệ bề mặt phản xạ thông minh (IRS) Tuy phát triển vài năm, IRS đạt nhiều thành tựu đáng kể việc cải thiện hiệu suất phổ (SE) hiệu suất lượng (EE) hệ thống truyền thơng Ngồi IRS, kỹ thuật khác với tên gọi thu thập lượng bật thời gian gần Mặt khác, ngồi tiêu chí hiệu suất, vấn đề bảo mật yếu tố thiết yếu hệ thống Do đó, luận văn xác định nghiên cứu với chủ đề “Tối ưu hiệu hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng bề mặt phản xạ thông minh” Trước tiên, luận văn giới thiệu tổng quan tình hình tăng trưởng lưu lượng liệu di động đơi nét cơng nghệ 6G; sau đề cập đến IRS, vấn đề bảo mật lớp vật lý xác định đề tài nghiên cứu Sau đó, luận văn trình bày sở lý thuyết tảng sử dụng luận văn, bao gồm số khái niệm công nghệ SE, EE, hệ thống vô tuyến nhận thức (CR), IRS, kiến thức toán cần thiết Tiếp theo, luận văn giải hai toán tối ưu tốc độ bảo mật hiệu suất lượng hai hệ thống cụ thể Các mơ hình tốn học, phương pháp đề xuất kết mô cung cấp đầy đủ cho hai tốn Thơng qua kết mơ 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 iv ABSTRACT In recent years, the world has witnessed the dramatic development of demand of wireless services and applications, which requires improvement of wireless communication technologies Currently, the sixth generation (6G), whose standards far exceed 5G’s, is being carefully researched One of advanced technologies supporting 6G is Intelligent Reflecting Surfaces (IRSs) Despite of having just been developed for a few years, IRSs have proved its advantages of enhancing SE and EE in communication systems In addition to IRSs, energy harvesting has been an outstanding technique recently On the other hand, the security issue is always crucial in every communication system From the above discussion, the thesis subject is determined to be “Efficiency optimization of physical layer security communication systems using Intelligent Reflecting Surfaces” Firstly, this thesis introduces the overview of increase of mobile data traffic and 6G, then IRS and the physical security issue are mentioned From which, the thesis subject is identified Next, the basic theories, including concepts of SE, EE, CR, IRS, etc and mathematics background are presented Then, this thesis solves two problems of optimizing the secrecy rate and the energy efficiency in two specific secure systems Mathematics models, proposed methods and simulation results are fully provided for each problem From the simulation results, it can be seen that IRSs improve systems’ efficiency Finally, this thesis summarizes the works done and proposes future researches v C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an LỜI CAM ĐOAN Tôi tên: Võ Thế Duy, học viên Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, khóa 2020, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh – Trường Đại học Bách Khoa Tơi 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 06 năm 2022 Võ Thế Duy vi Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Mục lục Danh sách hình vẽ x Danh sách từ viết tắt xi Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tình hình tăng trưởng lưu lượng liệu di động 1.1.2 Công nghệ truyền thông không dây hệ thứ 1.1.2.1 Các tiêu chuẩn 6G 1.1.2.2 Các công nghệ 6G Vấn đề bảo mật lớp vật lý 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đóng góp luận văn 1.5.1 Phương pháp nghiên cứu 1.5.2 Đóng góp luận văn 1.6 Bố cục luận văn 1.7 Bài báo hoàn thành luận văn 1.1.3 1.5 vii Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Cơ sở lý thuyết 2.1 10 Một số khái niệm, mơ hình cơng nghệ hệ thống viễn thông 11 2.1.1 Kênh truyền hệ thống viễn thông 11 2.1.2 Hiệu suất phổ hiệu suất lượng 13 2.1.3 Bề mặt phản xạ thông minh 13 2.1.4 Hệ thống vô tuyến nhận thức 16 2.1.5 Hệ thống truyền thông tin thu thập lượng vô tuyến đồng thời 18 2.1.6 2.2 2.3 Bảo mật lớp vật lý 19 Lý thuyết toán sử dụng luận văn 20 2.2.1 Tối ưu lồi 20 2.2.2 Thuật toán Inexact Block Coordinate Descent 21 2.2.3 Bài toán quy hoạch phân số thuật toán Dinkelbach 2.2.4 Phương pháp hàm phạt 24 2.2.5 Thuật toán Majorization - Minimization 25 Kết luận chương 22 26 Tối ưu hóa tốc độ bảo mật hệ thống vô tuyến nhận thức MIMO với SWIPT hỗ trợ IRS 27 3.1 Giới thiệu 27 3.2 Mơ hình hệ thống 30 3.3 Phát biểu toán 32 3.4 Phương pháp đề xuất 33 3.4.1 Bài toán 37 3.4.2 Bài toán 37 3.4.3 Bài toán 38 3.5 Kết mô 44 3.6 Kết luận chương 48 viii Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Tối ưu hóa hiệu suất lượng hệ thống MIMO với SWIPT hỗ trợ IRS 50 4.1 Giới thiệu 50 4.2 Mơ hình hệ thống 53 4.3 Phát biểu toán 56 4.4 Phương pháp đề xuất 56 4.4.1 Bài toán 58 4.4.2 Bài toán 59 4.4.3 Bài toán 61 4.5 Kết mô 64 4.6 Kết luận chương 68 Kết luận chung hướng phát triển 69 5.1 Kết luận chung 69 5.2 Hướng phát triển 70 Tài liệu tham khảo 71 ix Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn INe + GWWH GH + GQQH GH (3.15) Bằng cách gọi thêm biến phụ U, V, Ω1 ≻ 0, Ω2 ≻ 0, Ω3 ≻ đặt
Γ1 = UH INi + HQQH HH U

H + INi − UH HW INi − UH HW ,

H Γ2 = VH V + INe − VH GQ INe − VH GQ ,
Γ3 = INe + G WWH + QQH GH , 35 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn (3.16a) (3.16b) (3.16c) C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS biểu thức (3.15) viết thành R = R1 + R2 + R3 , (3.17) R1 = max ln |Ω1 | − tr (Ω1 Γ1 (U, W, Q)) + Ni , R2 = max ln |Ω2 | − tr (Ω2 Γ2 (V, Q)) + Ne , Ω1 ≻0,U Ω2 ≻0,V R3 = max ln |Ω3 | − tr (Ω3 Γ3 (W, Q)) + Ne Ω3 ≻0 Vì vây, toán (3.9) biểu diễn tương đương sau max Λ R s.t (3.9b) − (3.9e), (3.19) với Λ = {W, Q, U, V, Θ, Ω1 ≻ 0, Ω2 ≻ 0, Ω3 ≻ 0},

R = ln |Ω1 | − tr Ω1 UH INi + HQQH HH U 

H  − tr Ω1 Id − UH HW Id − UH HW
+ ln |Ω2 | − tr Ω2 VH V 

H  − tr Ω2 INt − VH GQ INt − VH GQ


+ ln |Ω3 | − tr Ω3 INe + G WWH + QQH GH + Ni + 2Ne (3.20) Bây giờ, ta áp dụng thuật toán IBCD cho toán (3.19) Điểm mấu chốt chia tập hợp biến ban đầu thành nhóm biến nhỏ hơn, sau tối ưu lặp lại nhóm biến (các biến cịn lại giữ cố định) đến hàm mục tiêu hội tụ Ta gọi việc tối ưu nhóm biến tốn Thuật tốn 3.1 tóm tắt lại ý tưởng 36 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS Thuật toán 3.1: Thuật toán IBCD cho toán (3.19) Khởi tạo: κ ← 0, sai số ϵ > 0, ma trận khả thi W, Q, Θ, tính R(κ) repeat • Bài tốn Cố định {W, Q, Θ}, giải {U, V, Ω1 , Ω2 , Ω3 } • Bài tốn Cố định {Θ, U, V, Ω1 , Ω2 , Ω3 }, giải {W, Q} • Bài tốn Cố định {W, Q, U, V, Ω1 , Ω2 , Ω3 }, giải {Θ} • κ ← κ + • Tính R(κ) (κ−1) until R /R(κ) − < ϵ Kết quả: Nghiệm tối ưu W∗ , Q∗ , Θ∗ 3.4.1 Bài toán Ở toán này, ta cần tối ưu {U, V, Ω1 , Ω2 , Ω3 } với {W, Q, Θ} cố định Các nghiệm tối ưu tìm trực Bổ đề 3.1 sau
−1
HW, U = INi + H WWH + QQH HH
−1 GQ, V = INe + GQQH GH (3.21a) (3.21b) Ω1 = Γ−1 (U, W, Q) = Id + WH HH INi + HQQH HH
−1 HW, H H Ω2 = Γ−1 (V, Q) = I Nt + Q G GQ, (3.21c) (3.21d) Ω3 = Γ−1 (W, Q)
−1
= INe + G WWH + QQH GH 3.4.2 (3.21e) Bài toán Ở toán này, ta cần tối ưu {W, Q} với {Θ, U, V, Ω1 , Ω2 , Ω3 } cố định Khai triển (3.20) loại số hạng không chứa {W, Q}, ta đơn giản (3.19) sau 37 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS

tr Ω1 UH HWWH HH U + tr Ω1 UH HQQH HH U W,Q

− tr Ω1 UH HW − tr Ω1 WH HH U


+ tr Ω2 VH GQQH GH V − tr Ω2 VH GQ − tr Ω2 QH GH V

+ tr Ω3 GWWH GH + tr Ω3 GQQH GH s.t (3.9b) − (3.9d) (3.22) Hàm mục tiêu (3.22) ràng buộc (3.9b), (3.9c) lồi, ràng buộc (3.9d) khơng Tuy nhiên, khai triển Taylor cho (3.9d) xung quanh điểm   ˜ ˜ W, Q cho trước: o  n   ˜ H + QQ ˜ H GH 2Re tr G WW     ˜W ˜ H +Q ˜Q ˜ H GH , ≥ σ −2 Eth + tr G W e (3.23) ta thay (3.9d) thành ràng buộc (3.23) lồi Lúc toán (3.22) lồi giải cơng cụ CVX [27] 3.4.3 Bài toán Ở toán này, ta cần tối ưu Θ với {W, Q, U, V, Ω1 ≻ 0, Ω2 ≻ 0, Ω3 ≻ 0} cố định Khai triển (3.20) loại số hạng không chứa Θ, ta đơn giản 38 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS (3.19) sau


tr Ω1 UH H (Ψ + Z) HH U − tr Ω1 UH HW − tr Ω1 WH HH U Θ


+ tr Ω2 VH GZGH V − tr Ω2 VH GQ − tr Ω2 QH GH V
+ tr Ω3 G (Ψ + Z) GH , s.t (3.9c), (3.9d), (3.24) với Ψ = WWH Z = QQH Thay H σi−1 (Hs + Hr ΘF), G σe−1 (Gs + Gr ΘF) Lk Ld,k + Lr,k ΘF vào số hạng hàm mục tiêu (3.24), ta có: tr Ω1 UH H (Ψ + Z) HH U


−2 H H H H = σi−2 tr Ω1 UH Hs (Ψ + Z) HH s U + σi tr Ω1 U Hs (Ψ + Z) F Θ Hr U

−2 H H H H + σi−2 tr Ω1 UH Hr ΘF (Ψ + Z) HH s U + σi tr Ω1 U Hr ΘF (Ψ + Z) F Θ Hr U
(3.25) = tr ΘH A1 ΘF (Ψ + Z) FH + 2Re {tr (ΘB1 )} + c1 , −2 H H H với A1 = σi−2 HH r UΩ1 U Hr , B1 = σi F (Ψ + Z) Hs UΩ1 U Hr số hạng
c1 = σi−2 tr Ω1 UH Hs (Ψ + Z) HH s U Ngoài

tr Ω1 UH HW + tr Ω1 WH HH U = 2Re {tr (ΘB2 )} + c2 (3.26)

(3.27) tr Ω2 VH GZGH V = tr ΘH A3 ΘFZFH + 2Re {tr (ΘB3 )} + c3

tr Ω2 VH GQ + tr Ω2 QH GH V = 2Re {tr (ΘB4 )} + c4 (3.28)

tr Ω3 G (Ψ + Z) GH = tr ΘH A5 ΘF (Ψ + Z) FH + 2Re {tr (ΘB5 )} + c5 , (3.29) H −2 H H với B2 = σi−1 FWΩ1 UH Hr , A3 = σe−2 GH r VΩ2 V Gr , B3 = σe FZGs VΩ2 V Gr , −2 H B4 = σe−1 FQΩ2 VH Gr , A5 = σe−2 GH r Ω3 Gr , B5 = σe F (Ψ + Z) Gs Ω3 Gr c2 , , c5 số hạng 39 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS Thực tương tự với ràng buộc (3.9c) (3.9d), ta 

H 2Re tr ΘF (Ψ + Z) LH + tr ΘH LH s,k Lr,k r,k Lr,k ΘF (Ψ + Z) F
(3.30a) ≤ Pk − tr Ls,k (Ψ + Z) LH s,k , ∀k ∈ K

 H + tr ΘH GH 2Re tr ΘF (Ψ + Z) GH r Gr ΘF (Ψ + Z) F s Gr
(3.30b) ≥ Eth − tr Gs (Ψ + Z) GH s Từ đó, tốn (3.24) trở thành Θ


tr ΘH (A1 + A5 ) ΘF W + Z FH + tr ΘH A3 ΘFZFH + 2Re {tr (ΘB)} (3.31a) s.t (3.30a), (3.30b), (3.31b) với B = B1 − B2 + B3 − B4 + B5 Tuy nhiên, toán (3.31) với biến số Θ cịn phức tạp Ta thay đổi biến số thành θ = diag (Θ) dựa vào mối quan hệ vết tích Hadamard trình bày bổ đề sau [40, 41]: Bổ đề 3.2 Xét ma trận A, B ma trận đường chéo P Cm×m Giả sử P = diag (p) với p = [p1 , , pm ]T Thế thì:

tr PH APB = pH A ⊙ BT p, tr (PB) = pT b,
tr PH BH = bH p† , với b = diag (B) 40 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn (3.32a) (3.32b) (3.32c) C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS Chứng minh Ta có  h i    
[aij ]i,j diag [pj ]j [bij ]i,j tr PH APB = tr diag p†i i h    i † diag [pj ]j [bij ]i,j = tr pi aij i,j  h i † [bij ]i,j = tr pi aij pj i,j = X p†i aij pj bji = i,j X p†i aij bji pj i,j = pH A ⊙ B
T (3.33) p, với i, j = 1, , m Trong (3.32a), thay P = Im , A = P, ta
tr (PB) = 1T P ⊙ BT = pT b (3.34) Trong (3.32b), thay P = PH , B = BH , ta dễ dàng có (3.32c) Theo Bổ đề 3.2, ta có

tr ΘH (A1 + A5 ) ΘF (Ψ + Z) FH + tr ΘH A3 ΘFZFH + 2Re {tr (ΘB)}  (3.35) = θ H Aθ + 2Re θ H b† , với A = (A1 + A5 ) ⊙ F (Ψ + Z) FH tự:
T + A3 ⊙ FZFH
T b = diag (B) Tương
H = θ H Tl,k θ, ∀k tr ΘH LH r,k Lr,k ΘF (Ψ + Z) F o n
 H † = 2Re θ c 2Re tr ΘF (Ψ + Z) LH L r,k s,k l,k , ∀k
H = θ H Tg θ tr ΘH GH r Gr ΘF (Ψ + Z) F 
 2Re tr ΘF (Ψ + Z) GH = 2Re θ H c†g s Gr 41 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn (3.36a) (3.36b) (3.36c) (3.36d) C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS

H T với Tl,k = LH , cl,k = diag F (Ψ + Z) LH r,k Lr,k ⊙ F (Ψ + Z) F s,k Lr,k , Tg =

H T GH , cg = diag F (Ψ + Z) GH r Gr ⊙ F (Ψ + Z) F s Gr Từ biến đổi trên, ta thu toán theo biến θ sau:  θ H Aθ + 2Re θ H b† θ o n s.t θ H Tl,k θ + 2Re θ H c†l,k ≤ ρl,k , ∀k  θ H Tg θ + 2Re θ H c†g ≥ ρg , |θm | = 1, m = 1, , M, (3.37a) (3.37b) (3.37c) (3.37d)

H số với ρl,k = Pk − tr Ls,k (Ψ + Z) LH s,k ρg = Eth − tr Gs (Ψ + Z) Gs Phương pháp hàm phạt (đã giới thiệu Phần 2.2.4) đề xuất cho (3.37) Ta viết lại ràng buộc thành số hạng phạt cộng chúng vào hàm mục tiêu sau  θ H Aθ + 2Re θ H b† θ + K X k=1  o  n µl,k θ H Tl,k θ + 2Re θ H c†l,k − ρl,k
 − µg θ H Tg θ + 2Re θ H c†g − ρg K o X n † = θ H Aθ + 2Re θ H b − µl,k ρl,k + µg ρg , (3.38) k=1 với A = A + PK k=1 µl,k Tl,k − µg Tg , b = b + PK k=1 µl,k c†l,k − µg c†g hệ số phạt µl,k ≥ (∀k ∈ K), µg ≥ chọn thỏa mãn A ⪰ Bây giờ, thuật toán Majorization - Minimization (đã giới thiệu Phần 2.2.5) áp dụng để giải (3.38) Gọi fµ (θ) hàm mục tiêu (3.38) Ở bước majorization, với nghiệm θ t từ vịng lặp thứ t, ta tìm cận g (θ|θ t ) fµ (θ) dựa vào Bổ đề sau [42]: Bổ đề 3.3 Xét hai ma trận Hermitian S, T Cm×m thỏa mãn S ⪰ T Thế 42 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS với điểm x0 ∈ Cm , ta có bất đẳng thức sau:  xH Tx ≤ xH Sx − 2Re xH (S − T) x0 + xH (S − T) x0 (3.39) Dấu “=” xảy x = x0 Chứng minh Do T ⪯ S nên H xH Tx = xH Tx0 + xH T (x − x0 ) + (x − x0 ) T (x − x0 ) H ≤ xH Tx0 + xH T (x − x0 ) + (x − x0 ) S (x − x0 ) H = xH Sx − xH (S − T) x0 − xH (S − T) x + x0 (S − T) x0  = xH Sx − 2Re xH (S − T) x0 + xH (S − T) x0 (3.40) Dấu “=” xảy (x − x0 )H T (x − x0 ) = (x − x0 )H S (x − x0 ) hay x = x0

Áp dụng Bổ đề 3.3 với T = A S = λmax A IM (trong λmax A trị riêng lớn A), ta có:


θ H Aθ ≤ θ H λmax A IM θ − 2Re θ H λmax A IM − A θ κ

+ θH κ λmax A IM − A θ κ


= 2M λmax A − 2Re θ H λmax A IM − A θ κ − θ H κ Aθ κ = h (θ|θ κ ) , (3.41) Do n H † fµ (θ) ≤ g (θ|θ κ ) = h (θ|θ κ ) + 2Re θ b o − K X µl,k ρl,k + µg ρg k=1 (3.42)  = −2Re θ H r + q,


PK † với r = λmax A IM − A θ κ − b q = 2M λmax A − θ H κ Aθ κ − k=1 µl,k ρl,k + 43 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương - Tối ưu SR hệ thống CR MIMO với SWIPT IRS µg ρg số Ở bước minimization, ta cần tìm arg g (θ|θ κ ) để cập nhật θ κ+1 , tức là:  θ κ+1 = arg max 2Re θ H r θ (3.43)  PM Chú ý Re θ H r = m=1 |rm | cos (ϕm − arg(rm )), đạt cực đại ϕm = arg rm , ∀m = 1, , M Do đó, nghiệm θ κ+1 tối ưu (3.43) θ κ+1 = ej arg(r) Chuỗi {f (θ κ )} xây dựng theo cách đảm bảo khơng tăng Thuật tốn 3.2 tóm tắt lại q trình áp dụng Majorization - Minimization cho tốn (3.38) Thuật tốn 3.2: Thuật tốn Majorization - Minimization tìm nghiệm θ tối ưu cho toán Khởi tạo: κ ← 0, sai số ϵ > 0, θ κ repeat

† • Tính r = λmax A IM − A θ κ − b • θ κ+1 = ej arg(r) • κ ← κ + • Tính f (θ κ ) until |f (θ κ−1 ) /f (θ κ ) − 1| < ϵ Kết quả: Nghiệm tối ưu θ ∗ = θ κ 3.5 Kết mô Trong phần này, kết mô cung cấp để đánh giá hiệu hệ thống bảo mật CR MIMO với SWIPT hỗ trợ IRS Xét hệ thống ST, IRS, ID, ER PU theo thứ tự đặt (0, 0), (10, 10), (30, 0), (40, 0) (−100, 0), (−105, 0) (m) Nếu không đề cập thêm, thông số khác cho d = 4, Nt = 8, Ni = Ne = 5, Np = 4, M = 20, Ps = 20 dBm, Pk = −40 dBm ∀k, Eth = −40 dBm, σi2 = σe2 = 10−8 Mơ hình large-scale path loss với khoảng cách 44 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn