Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Phân tích hiệu năng hệ thống thông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA———————–

NGUYỄN THỊ TÚ TRINH

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNGPHẦN TỬ PHẢN XẠ THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn ThôngMã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Hà Hoàng Kha

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Huỳnh Thế Thiện

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại 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:1 Chủ tịch hội đồng: GS TS Lê Tiến Thường

2 Thư ký hội đồng: TS Võ Tuấn Kiệt

3 Phản biện 1: TS Huỳnh Thế Thiện

4 Phản biện 2: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

5 Ủy viên: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ TÚ TRINH MSHV: 2070376Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1996 Nơi sinh: Tiền GiangChuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số : 8520208I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Phân tích hiệu năng hệ thống thông tin sử dụng phần tửphản xạ thông minh.

Tên tiếng Anh: Performance Analysis of Communication Systems Using telligent Reflective Surfaces.

In-II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu lý thuyết về hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phần tử phảnxạ thông minh (IRS).

2 Xây dựng mô hình hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phần tử phản xạthông minh.

3 Phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống thông qua xác suất dừng vàdung lượng bảo mật trung bình.

4 Thực hiện mô phỏng Monte-Carlo trên MATLAB, đánh giá hiệu năng củahệ 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

PGS TS Hà Hoàng Kha PGS TS Hà Hoàng KhaTRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS TS.Hà Hoàng Kha, Thầy chính là người đồng hành, hướng dẫn tôi từng bước vềchuyên môn ngay từ những ngày đầu xác định vấn đề nghiên cứu đến khi hoànthành luận văn này Thầy không chỉ dạy tôi các kiến thức đơn thuần mà còndạy tôi cách làm việc và học tập một cách nghiêm túc, chuyên nghiệp, đó chínhlà nền tảng cơ bản giúp tôi bước ra khỏi “vùng an toàn” của mình để tự tinnghiên cứu ở một hướng tiếp cận mới và có thể tiếp tục theo đuổi con đườngnghiên cứu khoa học trong tương lai Thực sự, không có sự giúp đỡ của Thầy,tôi không thể trưởng thành hơn như khi đã hoàn tất luận văn này.

Bên cạnh đó, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S NguyễnXuân Xinh, đã nhiệt tình chỉ dẫn tôi nhiều vấn đề và các kiến thức cần thiếttrong quá trình làm luận văn.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy, Cô ở Bộ môn Viễn Thông, KhoaĐiện - Điện tử, trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Bởi trong suốtchương trình học Thạc sĩ, các Thầy Cô đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và cungcấp rất nhiều kiến thức chuyên môn liên quan Chính những kiến thức bổ íchấy giúp tôi có nền tảng tốt để tiến hành nghiên cứu những lĩnh vực mà mìnhquan tâm.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô vàn đối với cha mẹ, những ngườiđã luôn bên cạnh, ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thànhluận văn này.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2023Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Tú Trinh

Trong những năm gần đây, các thiết bị thông minh ngày càng phát triểnđa dạng với nhiều ứng dụng khác nhau nên người dùng dễ dàng tiếp cận và sửdụng Điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng các dịch vụ và ứng dụng vô tuyến củangười dùng không ngừng tăng lên, đặc biệt khi các kết nối có xu hướng di động,linh hoạt và được thực hiện ở bất kỳ đâu, đòi hỏi các công nghệ truyền thôngvô tuyến phải liên tục đổi mới và phát triển Theo thống kê, số lượng các thiếtbị và kết nối vô tuyến đã gia tăng đáng kể hằng năm, được dự báo sẽ tiếp tụctăng và đạt gấp nhiều lần trong những năm tới Với sự gia tăng cả về số lượngkết nối và lưu lượng thông tin đã đặt ra một thách thức lớn cho các hệ thốngthông tin vô tuyến thế hệ sau (5G, 6G).

Để đáp ứng kịp với sự bùng nổ trong nhu cầu kết nối và trao đổi dữ liệu, hệthống thông tin vô tuyến thế hệ thứ 6 (sixth generation - 6G) cùng với nhữngcông nghệ tiên tiến hỗ trợ đã và đang được đầu tư nghiên cứu với những tiêuchuẩn vượt xa hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 (fifth generation - 5G).Nếu như kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) là một phát triển tiêubiểu của hệ thống thông tin vô tuyến 5G thì kỹ thuật phần tử phản xạ thôngminh (IRS) được đề xuất như là một công nghệ tiềm năng cho hệ thống thôngtin vô tuyến 6G Tuy chỉ mới phát triển trong những năm gần đây, IRS đã đạtđược nhiều thành tựu đáng kể trong việc cải thiện hiệu suất phổ (SE) và hiệusuất năng lượng (EE) của các hệ thống truyền thông vô tuyến Mặt khác, ngoàitiêu chí về nâng cao hiệu năng của hệ thống, vấn đề bảo mật luôn là một yếu tốthiết yếu đối với bất kỳ hệ thống nào Do đó, để bắt kịp xu hướng phát triển,luận văn được xác định nghiên cứu với chủ đề “Phân tích hiệu năng hệ thốngthông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh.”

Đầu tiên, luận văn giới thiệu tổng quan về tình hình tăng trưởng của lưulượng dữ liệu di động, đôi nét về 6G, vấn đề bảo mật lớp vật lý và xác định đề

tài nghiên cứu Sau đó, luận văn trình bày các cơ sở lý thuyết nền tảng đượcsử dụng trong luận văn như giới thiệu về hệ thống vô tuyến nhận thức (CR),NOMA, IRS, và các kiến thức toán cần thiết Tiếp theo, luận văn sẽ phân tíchhiệu năng của hai hệ thống cụ thể: 1) Hệ thống thứ nhất sẽ kết hợp mạng CRvào mô hình bảo mật hệ thống NOMA đường xuống được hỗ trợ bởi IRS 2) Hệthống thứ hai là mô hình bảo mật cho hệ thống IRS NOMA có các đường trựctiếp Các mô hình toán học, phương pháp đề xuất và kết quả mô phỏng đượccung cấp đầy đủ cho hai bài toán để kiểm chứng tính hiệu quả của các thiết kếtrong luận văn Thông qua các kết quả mô phỏng, IRS đã cho thấy hiệu quảtrong việc cải thiện hiệu năng của hệ thống Cuối cùng, luận văn tổng hợp lạinhững công việc đã hoàn thành và đề ra hướng phát triển sau này.

Recently, the smart devices (such as smart phone, tablet, wireless-connecteddevices) 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, espe-cially when connections tend to increase mobility, flexibility and ubiquitousness.This requires wireless communication technologies to continuously innovate anddevelop According to recent statistics, the number of wireless devices and wire-less connections are remarkably grown every year and it is anticipated that thisnumber will keep rising many folds in the next years With an increasing inboth wireless connections and data traffic, the fifth generation, it poses greatchallenges for the next generation radio communication system (5G, 6G).

In order to keep up with the explosion in demand for connection and data change, the sixth generation (6G) wireless communication system along with ad-vanced supporting technologies have been invested in research with standards farbeyond the fifth generation (5G) wireless communication system If Nonorthog-onal Multiple Access (NOMA) is a typical development of 5G wireless communi-cation systems, then Intelligent Reflecting Surface (IRS) technology is proposedas a potential technology for 6G wireless communication networks Despite ofhaving just been developed for a few years, IRSs have proved its advantagesof enhancing spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in communi-cation systems On the other hand, in addition to the criterion of improvingperformance of system, the physical layer security (PLS) issue is always crucialin every communication system Therefore, to catch up with the developmenttrend, the thesis focuses on the topic “Performance analysis of communicationsystems using intelligent reflective surfaces.”

ex-Firstly, this thesis introduces the overview of an increase of mobile data

traffic, 6G, the physical security issue and, then defines research topic Next,the basic theories, including concepts of SE, EE, CR, IRS, NOMA, PLS, etcand mathematics background are presented After that, the thesis will analyzethe performance of two specific systems: 1) The first system will incorporate CRtechnique into the downlink IRS-aided secure NOMA system 2) The secondsystem is the security model for the IRS-aided NOMA system with direct links.Mathematical models, proposed methods and simulation results are provided forthe two problems to verify the effectiveness of the designs in the thesis Throughthe simulation results, it can be seen that IRSs improve systems’ efficiency.Finally, this thesis summarizes the works done and proposes future researchdirections.

Tôi tên Nguyễn Thị Tú Trinh, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuậtViễn Thông, khóa 2020, tại Đại học Quốc gia TP.HCM – Trường Đại học BáchKhoa Tôi xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:

ˆ Công trình nghiên cứu này hoàn toàn do chính tôi thực hiện;

ˆ Các tài liệu và trích dẫn trong luận văn này được tham khảo từ các nguồnthực tế, có uy tín và độ chính xác cao;

ˆ Các số liệu và kết quả của công trình này được tôi tự thực hiện một cáchđộc lập và trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2023

Nguyễn Thị Tú Trinh

1.1.1 Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động 2

1.1.2 Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thông 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 12

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 13

1.5 Phương pháp nghiên cứu và đóng góp của luận văn 13

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu 13

1.5.2 Đóng góp của luận văn 14

1.6 Bố cục của luận văn 15

1.7 Bài báo đã hoàn thành trong luận văn 16

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾTLIÊN QUAN 172.1 Một số khái niệm và tổng quan về các kỹ thuật trong hệ thốngthông tin vô tuyến 18

2.1.1 Kênh truyền vô tuyến 18

2.1.2 Kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh - IRS 21

2.1.3 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao - NOMA 27

2.1.4 Mạng vô tuyến nhận thức - CR 33

2.1.5 Bảo mật lớp vật lý - PLS 35

2.2 Nền tảng toán học sử dụng trong luận văn 38

2.2.1 Lý thuyết cơ bản của biến ngẫu nhiên 38

3.2 Mô hình hệ thống 46

3.3 Phân tích xác suất dừng bảo mật - SOP 49

3.3.1 Phân tích xác suất dừng bảo mật của U1 50

3.3.2 Phân tích xác suất dừng bảo mật của U2 51

3.4 Kết quả mô phỏng 54

3.5 Kết luận chương 56

4 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG IRSĐƯỢC HỖ TRỢ BỞI MẠNG NOMA THEO KÊNH NAKAGAMI-m FADING 594.1 Giới thiệu 60

4.2 Mô hình hệ thống thông tin liên lạc 63

4.2.1 Mô hình tín hiệu 63

4.2.2 Thiết kế dịch pha cho việc chuyển giao của người dùng xacó sự hỗ trợ của IRS 66

4.2.3 Đặc điểm kênh thống kê 66

4.3 Phân tích xác suất dừng bảo mật của hệ thống 68

4.3.1 Xác suất dừng bảo mật của U1 69

4.3.1.1 Phân tích xác suất dừng bảo mật cho U1 69

4.3.1.2 Phân tích SOP tiệm cận và bậc phân tập bảomật cho U1 70

4.3.2 Xác suất dừng bảo mật của U2 71

4.3.2.1 Phân tích xác suất dừng bảo mật cho U2 71

4.3.2.2 Phân tích SOP tiệm cận và độ phân tập bảo mậtcho U2 72

4.3.3 Phân tích thông lượng của hệ thống 73

4.4 Phân tích dung lượng bảo mật trung bình 73

4.4.1 Phân tích dung lượng bảo mật trung bình cho U1 74

4.4.1.1 Biểu thức dạng đóng gần đúng cho ASC của U1 744.4.1.2 Phân tích tiệm cận ASC và độ dốc khi SNR ởmức cao tại U1 74

4.4.2 Phân tích dung lượng bảo mật trung bình cho U2 754.4.2.1 Biểu thức dạng đóng gần đúng cho ASC của U2 75

mức cao tại U2 764.5 Kết quả mô phỏng 774.6 Kết luận chương 84

5.1 Kết luận chung 885.2 Hướng nghiên cứu kế tiếp 895.2.1 Kỹ thuật truyền và phản xạ đồng thời 905.2.2 Truyền thông gói ngắn trong mạng được hỗ trợ bởi IRS 905.2.3 Thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo 905.2.4 Truyền đồng thời thông tin và năng lượng 91

Danh sách hình vẽ

1.1 Dự báo lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu (EB/tháng) của ITU

giai đoạn 2020–2030 [1] 3

1.2 Sự phân bổ các thuê bao di động theo công nghệ và khu vực [2] 4

1.3 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của trạm gốc BS với các trường hợptriển khai cell khác nhau [4] 5

1.4 So sánh những yêu cầu về chất lượng và hiệu năng của 5G và 6G[10] 8

2.1 Cấu trúc của một IRS [26] 24

2.2 Mô hình truyền dẫn của một phần tử phản xạ [3] 25

2.3 Các trường hợp sử dụng của kỹ thuật phần tử phản xạ thôngminh IRS [25] 26

2.4 Một số ứng dụng tiềm năng của IRS trong môi trường vô tuyếnthông minh [26] 26

2.5 Hệ thống NOMA đường xuống 2 người dùng 30

2.6 Hệ thống NOMA đường lên 2 người dùng 31

2.7 Ba loại chính của vô tuyến nhận thức CR 34

2.8 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản 37

3.1 Mô hình hệ thống bảo mật CR NOMA được hỗ trợ bởi IRS 46

3.2 Xác suất dừng bảo mật của người dùng 1 theo ρbs với sự thay đổiςpu và N = 10 55

{10, 12} và Rth,2= 0.1 BPCU 563.4 SOP của U1 theo số phần tử IRS và thay đổi ςpu với ¯S = 60 dB 573.5 SOP của U2 theo số phần tử IRS và thay đổi ςpu với ¯S = 60 dB

và Rth,2 = 0.05 BPCU (trái), Rth,2= 0.1 BPCU (phải) 584.1 Hệ thống bảo mật NOMA đường xuống được hỗ trợ bởi IRS 644.2 SOP của người dùng 1 và người dùng 2 theo ρbs (dB) và so sánh

2 trường hợp khi N = 10 và N = 20 794.3 ASC của U1 và U2 thay đổi theo ρbs (dB) và so sánh các trường

hợp khác nhau của số phần tử IRS 814.4 SOP của 2 người dùng biến đổi theo N và so sánh các trường hợp

khác nhau của ρbs 834.5 Thông lượng bảo mật của hệ thống theo Rs,x1, Rs,x2 với ρbs = 60

dB và N = 20 844.6 Thông lượng bảo mật của hệ thống theo xI, yI với ρbs = 60 dB,

Rs,x1= Rcw,x2= 1 BPCU, Rs,x2= 0.5 BPCU, N = 10 (lớp bêndưới) và N = 20 (lớp bên trên) 854.7 ASC tổng của hệ thống khi biến đổi theo xI, yI với ρbs = 60 dB

(lớp bên dưới), ρbs = 65 dB (lớp bên trên) và N = 20 864.8 ASC của người dùng 1 khi thay đổi yI với các giá trị khác nhau

là xI = 0 m (hình bên trái), xI = 30 m (hình bên phải) và N = 20 864.9 ASC của người dùng 2 khi thay đổi yI và N với xI = 0 m (Hình.

4.9a), xI = 10 m (Hình 4.9b) và ρbs = 60 dB 87

Func-Hàm phân phối tích lũy

CDMA Code-Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhtruyền

DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi từ số sang tươngtự

EE Energy Efficiency Hiệu suất năng lượng

FDMA Frequency-Division MultipleAccess

Đa truy cập phân chia theo tầnsố

ICT Information and tions Technology

Communica-Kỹ thuật thông tin và truyềnthông

IRS Intelligent Reflecting Surface Phần tử phản xạ thông minhITU International Telecommunica-

tion Union

Liên hiệp Viễn thông quốc tế

MIMO Multiple Input - Multiple put

Out-Đa ngõ vào - Out-Đa ngõ ra

OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy cập trực giao

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suấtPLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý

SC Superposition Coding Kỹ thuật mã hóa xếp chồng

SIC Successive Interference lation

Cancel-Triệt can nhiễu tuần tự

SINR Signal to Interference plus NoiseRatio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộngcan nhiễu

SISO Single-Input Single-Output Hệ thống một ngõ vào và mộtngõ ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễuSOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mậtST Secondary Transmitter Trạm phát thứ cấpSTAR-

Simultaneously transmittingand reflecting - IntelligentReflecting Surface

Truyền và phản xạ đồng thời phần tử phản xạ thông minh

SWIPT Simultaneous Wireless tion and Power Transfer

Informa-Truyền đồng thời thông tin vànăng lượng vô tuyến

TDMA Time-Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thờigian

Chương 1

MỞ ĐẦU

Trong chương mở đầu, luận văn xoay quanh trình bày cơ sở hình thành vấnđề nghiên cứu Đầu tiên, tác giả đề cập đến những yêu cầu trong mạng vô tuyếnthế hệ tiếp theo, diễn biến tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động hiện nay,những tiềm năng của thế hệ truyền thông vô tuyến thứ 6, mức tiêu thụ nănglượng của ngành viễn thông; giới thiệu sơ lược về NOMA, IRS và vấn đề bảomật lớp vật lý PLS, từ đó hình thành nên động lực nghiên cứu cho luận văn.Tiếp theo đó, những mục tiêu cụ thể của luận văn được xác định cùng với đốitượng và phạm vi nghiên cứu Sau đó, luận văn sẽ trình bày phương pháp nghiêncứu, những đóng góp và bố cục của luận văn Cuối cùng, tác giả sẽ giới thiệu vềnhững bài báo đã được hoàn thành trong luận văn.

Trong phần này, luận văn trình bày tổng quan về tình hình phát triển của kỹthuật thông tin và truyền thông, xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu diđộng, những tiềm năng của thế hệ mạng truyền thông vô tuyến 6G, tình hìnhtiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thông Những yếu tố này chính là mụcđích, động cơ và ý nghĩa cấp thiết để thực hiện luận văn này.

1.1.1Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động

Trong xu thế phát triển nhanh chóng và toàn cầu hoá của hệ thống kỹ thuậtthông tin và truyền thông (ICT), đặc biệt là thông tin vô tuyến, các thống kêvà dự báo về tốc độ cũng như xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vôtuyến được công ty Cisco chỉ ra rằng kết nối vô tuyến sẽ tăng cả về số lượng,chất lượng và độ thông minh của mạng kết nối trong giai đoạn 2020 – 2030 [1].Cụ thể, trong thập kỷ qua, chứng kiến sự tăng trưởng không ngừng của lưulượng dữ liệu di động trên toàn cầu, dự kiến sẽ tăng gấp 23 lần vào năm 2021về khối lượng dữ liệu so với toàn bộ lưu lượng truy cập Internet toàn cầu vàonăm 2005 [1] Gần đây nhất là trong hơn 2 năm qua, thế giới đã trải qua mộtcuộc khủng hoảng sâu sắc bởi ảnh hưởng của đại dịch COVID-19 Tuy nhiên,bất chấp những ảnh hưởng của đại dịch, các thống kê vẫn cho thấy rằng nhucầu kết nối vào mạng di động của người dùng là rất lớn Dự báo của Liên hiệpViễn thông Quốc tế (ITU) dự đoán rằng xu hướng tăng trưởng theo cấp số nhânsẽ tiếp tục với tốc độ hàng năm khoảng 55% và đến năm 2030 tổng lưu lượngdữ liệu di động sẽ đạt 5016 Exabyte (EB) mỗi tháng, như được hiển thị trongHình 1.1 Do đó, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ năm là nỗ lực mới nhấtđưa công nghệ truyền thông di động đáp ứng các yêu cầu trong những năm tới.Với mong muốn vào năm 2030, 5G sẽ đạt đến giới hạn của nó và cuộc săn đuổivề một công nghệ mới tốt hơn (6G) vẫn luôn tiếp tục.

Từ báo cáo [2] của Ericsson vào tháng 06 năm 2021, Hình 1.2 thể hiện sựphân bổ các thuê bao di động theo công nghệ và khu vực Bởi sự khác biệt vềtrình độ, sự phân bổ này rất không đồng đều Cụ thể, vào năm 2020, những khuvực ít phát triền như châu Phi Hạ-Sahara hay Trung Đông và Bắc Phi, mạng2G và 3G vẫn còn chiếm đa số Tuy nhiên mạng 4G lại thể hiện sự thống trị ởcác khu vực còn lại Đến năm 2026, ta sẽ thấy mạng 5G xâm nhập vào mọi khuvực, với mức độ phổ biến tăng dần theo các khu vực từ trái sang phải như trênbiểu đồ Trong đó, Bắc Mĩ, Hội đồng Hợp tác Vùng Vịnh, Tây Âu và Đông Bắc

Chương 1 - Mở đầu

20202021202220232024202520262027202820292030Không bao gồm dữ liệu máy đến máy

M2M 57 91 144 226 353 543 830 1259 1910 2905 4394Bao gồm dữ liệu M2M62991582493906079381439219433275016

Không bao gồm dữ liệu máy đến máy M2MBao gồm dữ liệu M2M

Hình 1.1: Dự báo lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu (EB/tháng) của ITU giaiđoạn 2020–2030 [1].

Á là các khu vực tiên phong trong việc thương mại hóa 5G.

Qua các số liệu trên, có thể thấy một con số khổng lồ của nhu cầu lưu lượngthông tin di động Tuy nhiên, theo lý thuyết cơ sở của dung lượng kênh thôngtin vô tuyến (lý thuyết Shannon), để nâng cao dung lượng kênh vô tuyến hoặcphải tăng băng thông kênh hoặc tăng được tỷ số tín hiệu trên nhiễu Vì thế, gầnđây nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này, ví dụ như giải pháp nâng caohiệu suất phổ hay tái sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần hay tìm kiếm dải phổthay thế Trong luận văn này, việc áp dụng các kỹ thuật để giải quyết bài toánnâng cao hiệu suất phổ tần sẽ được xem xét và thiết kế để đáp ứng mục tiêunâng cao hiệu suất phổ tần.

Cùng với sự phát triển nhanh chóng và rộng rãi của kỹ thuật thông tin vàtruyền thông, vấn đề nảy sinh tất yếu chính là năng lượng tiêu thụ cũng sẽ giatăng Hình 1.3 mô tả tỷ lệ mức tiêu thụ năng lượng của một trạm gốc BS tronghệ thống tế bào [4] Trong các biểu đồ ở Hình 1.3, hai tỷ lệ tiêu thụ năng lượng

Hình 1.2: Sự phân bổ các thuê bao di động theo công nghệ và khu vực [2].

nhiều nhất đó là phần khuếch đại công suất – PA và xử lý giải nền – BB Ởmô hình Macro cell, phần khuếch đại công suất chiếm 57%tổng năng lượng tiêuthụ, và giảm dần ở các hệ thống Micro cell là 38%, Pico cell là 28% và Femtocell là 22% Đối với phần xử lý giải nền, mô hình Femto cell có tỷ lệ tiêu thụnăng lượng nhiều nhất là 47%, kế đến là Pico cell 41%, kế tiếp là Micro cell là38%, cuối cùng là Macro cell 13% Như vậy, có thể cắt giảm đáng kể lượng nănglượng tiêu thụ khi trực tiếp tác động vào hai phần tiêu thụ năng lượng có tỷ lệlớn này.

Bên cạnh đó, sự tiêu thụ năng lượng của ngành công nghiệp viễn thông nóichung và của các thiết bị di động nói riêng được nhận định là thuộc nhóm cácngành tiêu thụ năng lượng lớn (ví dụ như, Telecom Italia là công ty tiêu thụđiện thứ hai tại Italia như trong tài liệu [5]), và xét trên tổng thể, sự tiêu thụnăng lượng của mạng di dộng đang gia tăng nhanh hơn kỹ thuật ICT [5] Ngoàira, với sự gia tăng đáng kể của các thiết bị thông minh và kết nối vô tuyến đangtrở nên được ưa chuộng hơn, thì việc tiêu thụ năng lượng của các kết nối vôtuyến sẽ gia tăng một cách đáng kể nếu không có các biện pháp phù hợp đượcáp dụng Theo thống kê trong [6, 7, 8], lượng năng lượng tiêu thụ khổng lồ tạicác trạm gốc (BS) dẫn đến tiêu tốn chi phí cao trong truyền thông vô tuyến.Hơn 50% năng lượng được sử dụng cho phần truy cập vô tuyến (Radio Access),

Chương 1 - Mở đầu

và 50% – 80% được sử dụng cho phần khuếch đại công suất (PA) Cũng theo[8], chi phí năng lượng xấp xỉ 18% của tổng chi phí trong thị trường Châu Âuvà hơn 32% tại Ấn Độ.

Micro cell

PAMSDC - DCRFBB

Femto cell

PAMSDC - DCRFBB

Hình 1.3: Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của trạm gốc BS với các trường hợp triểnkhai cell khác nhau [4].

Sự ảnh hưởng của vấn đề năng lượng có thể được thể hiện qua các khía cạnhsau:

ˆ Về khía cạnh người phát triển hệ thống, để giảm chi phí vận hành, hoạtđộng dựa trên việc giảm năng lượng tiêu thụ, một số các công ty lớnđã bắt đầu các dự án về hiệu quả năng lượng như Huawei với tên gọi“Green Communications, Green Huawei, and Green World,” hay của côngty Ericsson như trong [6].

ˆ Về khía cạch người sử dụng, vấn đề năng lượng trong truyền thông vô tuyếnlà vấn đề tất yếu để duy trì kết nối Sẽ là rào cản lớn nhất khi khai thácmạng vô tuyến khi thời lượng sử dụng năng lượng lưu trữ bị hạn chế.

ˆ Đề xuất và nghiên cứu các hướng để nâng cao hiệu năng của hệ thống.

ˆ Về vấn đề môi trường, sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là gópphần vào cuộc chiến bảo vệ môi trường, cắt giảm khí thải nhà kính Trongđó ngành viễn thông thế giới chiếm khoảng 5% tổng khí thải CO2 [7] Vìvậy việc thiết kế, khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên nănglượng sẽ có ý nghĩa lớn cho môi trường cả hiện tại và tương lai.

Hơn nữa, sự phát triển của mạng truyền thông vô tuyến 5G yêu cầu tốc độdữ liệu cao và số lượng kết nối lớn đang là nhu cầu cấp thiết hiện nay, gây ranhiều lo ngại hơn về năng lượng mạng tiêu dùng Việc hạn chế năng lượng là mộtvấn đề quan trọng trong các ứng dụng thực tế khác nhau Nhìn chung, tháchthức năng lượng hạn chế có thể được vượt qua bằng cách sử dụng chung cácnguồn năng lượng, thiết bị tiết kiệm năng lượng, triển khai hiệu quả kỹ thuật,cũng như phân bổ tài nguyên tiết kiệm năng lượng và các thuật toán xử lý tínhiệu Tuy nhiên, một số các nguồn năng lượng tái tạo và các thiết bị tiết kiệmnăng lượng có thể phải chịu chi phí phần cứng cao Do đó, cần phải thiết kế mộtkỹ thuật tiết kiệm năng lượng với chi phí phần cứng thấp để xây dựng mạng vô

Sự xuất hiện của mạng vô tuyến 5G đã thổi một làn gió mới vào rất nhiềulĩnh vực trong đời sống 5G nhanh chóng trở thành nhân tố chính trong các ứngdụng tự động hóa và tích hợp cao; trở thành động lực thúc đẩy quá trình số hóanền kinh tế và xã hội Tuy nhiên, vì các yêu cầu về kỹ thuật và nhu cầu của conngười ngày một tăng nhanh, nên sẽ đến lúc 5G không còn phù hợp nữa Do đó,trong vài năm gần đây, người ta đã bắt đầu tìm hiểu về công nghệ truyền thôngvô tuyến thế hệ thứ 6 Dự kiến, 6G sẽ ra mắt vào năm 2030 theo chu trình 10năm của các thế hệ di động và hướng tới xây dựng một xã hội thông tin thôngminh vào năm 2030 Lấy cảm hứng từ xu hướng tiêu dùng và định hướng dữliệu toàn cầu, được kích hoạt bởi kết nối vô tuyến tức thì và không giới hạn.Mạng truyền thông vô tuyến 6G sẽ là động lực chính để đạt được mục tiêu này;nó sẽ kết nối mọi thứ, cung cấp phạm vi phủ sóng vô tuyến toàn diện và tíchhợp tất cả các chức năng, bao gồm cảm biến, giao tiếp, tính toán, bộ nhớ đệm,điều khiển, định vị, radar, điều hướng và hình ảnh, để hỗ trợ các ứng dụng đachiều 6G sẽ là một hệ sinh thái tự trị với trí tuệ và ý thức giống như con người.Nó sẽ phát triển từ việc lấy con người làm trung tâm sau đó lấn sang máy móc,cung cấp nhiều cách để giao tiếp và tương tác với các thiết bị đầu cuối thôngchẳng hạn như thông qua ngón tay, giọng nói, ánh mắt và sóng não (hoặc tínhiệu thần kinh).

1.1.3.1 Những yêu cầu kỹ thuật của mạng vô tuyến 6G

Trong bối cảnh phát triển của các thế hệ thông tin vô tuyến từ 1G đến 5Gvà các thế hệ kế tiếp, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 6 (Sixth generationwireless communications - 6GWC) đã đặt ra các yêu cầu và thách thức mới vềcả dịch vụ và sự vận hành hiệu quả Cụ thể, về chất lượng dịch vụ (QoS), so với5G, 6GWC cần phải đáp ứng các yêu cầu như biểu đồ mạng nhện ở Hình 1.4[10], cụ thể là

Tốc độ dữ liệu đỉnh(Tb/s)

Tốc độ dữ liệu trải nghiệm người dùng

Hiệu suất phổ

Tính di động

Độ trễ (ms)Mật độ kết nối

(thiết bị/km2)Hiệu suất năng lượng

Dung lượng vùng(Gb/s/m2)

1

5×

1000 (km/h) 0.01 – 0.1

107100×

10× 1× 0.1

IMT-2030 (6G)

IMT-2020 (5G)

Hình 1.4: So sánh những yêu cầu về chất lượng và hiệu năng của 5G và 6G [10].

ˆ Tốc độ dữ liệu đỉnh của 6G phải đạt ít nhất 1 Tbps,

ˆ Tốc độ dữ liệu do người dùng trải nghiệm là 1Gb/s, gấp 10 lần tốc độ của5G,

ˆ Độ trễ trong không khí từ 10 − 100µs và tính di động cao (>= 1000 km/h).Điều này sẽ cung cấp chất lượng trải nghiệm có thể chấp nhận được chocác tình huống như siêu HSR và hệ thống hàng không,

Chương 1 - Mở đầu

ˆ Mật độ kết nối gấp 10 lần 5G Điều này sẽ đạt tới107 thiết bị/km2 và dunglượng vùng lên đến 1 Gb/s/m2 cho các tình huống như điểm phát sóng,

ˆ Hiệu suất năng lượng gấp 10 − 100 lần và hiệu suất phổ gấp 5 lần 5G.

Đó cũng là những yêu cầu của một số ứng dụng như thực tế mở rộng (extendedreality - XR), tương tác bộ não - máy tính (Brain-Computer Interactions - BCI),hệ thống kết nối robot và tự điều khiển (Connected Robotics and AutonomousSystems - CRAS), chuỗi khối và công nghệ sổ cái phân tán (Blockchain andDistributed Ledger Technologies - DLT) [11] Từ Hình 1.4, có thể thấy sự pháttriển vượt bậc của 6G và điều này sẽ kéo theo sự phát triển của nhiều nhiềucông nghệ, ngành dịch vụ liên quan Do vậy, việc khảo sát, nghiên cứu về cáckỹ thuật đáp ứng được các yêu cầu của 6G là vấn đề tất yếu quan trọng.

Massive MIMO không - tế bào (Cell-Free Massive MIMO): Nhược điểmcủa mạng không dây theo cấu trúc tế bào là tín hiệu của những thiết bị nằmở rìa của tế bào khá yếu Do đó, thay vì để mỗi tế bào có một trạm gốc phụcvụ, người ta bỏ đi dạng tế bào và cho toàn bộ trạm gốc phục vụ tất cả thiết bịtrong khu vực ấy.

Truyền thông tin và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời multaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT): Trong mạngthế hệ mới, các thiết bị thông minh có thể vừa truy cập vào hệ thống, vừa tương

(Si-tác với các thiết bị khác Lúc này, các module sạc pin được yêu cầu phải đápứng những ràng buộc về mức tiêu thụ điện năng cực thấp Đó chính là độnglực của SWIPT cho phép các cảm biến được sạc khi khai thác truyền công suấtkhông dây Sau đó, các thiết bị không có pin có thể được hỗ trợ trong 6G, giảmđáng kể mức tiêu thụ điện năng của mạng.

Phần tử phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surfaces hoặc ligent Reflective Surfaces - IRS): Nằm trong số các kỹ thuật nổi bật trong côngnghệ truyền thông vô tuyến, kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh IRS đã rấtđược giới nghiên cứu quan tâm vì các lợi ích mà kỹ thuật này mang lại IRS sửdụng các phần tử phản xạ thụ động để phản xạ lại tín hiệu một cách “thôngminh” nhằm cải thiện nhiều yếu tố như tốc độ dữ liệu, hiệu suất phổ, hiệu suấtnăng lượng Tiếp tục theo hướng phát triển này, luận văn sẽ nghiên cứu cácvấn đề thách thức của một hệ thống IRS nhằm đưa ra các giải pháp thiết kế đểnâng cao hiệu suất của hệ thống Chi tiết về kỹ thuật IRS sẽ được nêu rõ trongPhần 2.1.2.

Do nhu cầu ngày càng tăng trong việc truyền các dữ liệu riêng tư và nhạycảm qua mạng vô tuyến đã khiến bảo mật trở thành mối quan tâm hàng đầutrong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay và cả tương lai Để giải quyếtđược vấn đề này, những phương pháp bảo mật trước đây không còn tối ưu nữa,sẽ dễ bị bẻ khóa và không còn đáng tin cậy Do đó, các nhà khoa học đã nghiêncứu một giải pháp thay thế, khai thác các đặc trưng quan trọng của kênh truyềnvô tuyến, với tên gọi là bảo mật lớp vât lý (PLS) Phương pháp này được mongđợi sẽ mang lại nhiều hiệu quả cho việc bảo mật ở các mạng không dây trongtương lai [13] Phần 2.1.5 sẽ trình bày chi tiết hơn về PLS.

Chương 1 - Mở đầu

Từ các vấn đề được nêu ra trong những phần trước, tác giả xét thấy việc cảithiện hiệu năng của hệ thống mạng vô tuyến là một lĩnh vực tiềm năng và cósự ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất của hệ thống thông tin và truyền thôngtrong tương lai Qua đó, nhiệm vụ mà luận văn hướng tới là sẽ phân tích mộthệ thống thông tin vô tuyến có sự kết hợp giữa kỹ thuật phần tử phản xạ thôngminh IRS và kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA với mục đích là nângcao hiệu năng bảo mật Một số định hướng chính trong luận văn này có thểđược trình bày tóm tắt như sau (chi tiết về kỹ thuật được trình bày trong cácphần sau):

ˆ Kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS): là một kỹ thuật được đềxuất cho mạng thông tin vô tuyến 6G bằng cách tận dụng các đặc tính độcđáo của siêu vật liệu và mảng lớn ăng-ten rẻ tiền để tăng hiệu suất phổ vàhiệu suất năng lượng Cụ thể, IRS bao gồm một mảng các đơn vị thụ độngcó thể cấu hình lại, trong đó mỗi đơn vị có thể tạo ra sự thay đổi biên độvà pha đối với tín hiệu tới Bằng cách điều chỉnh thích hợp hệ số biên độvà hệ số dịch pha của các phân tử phản xạ, kỹ thuật IRS cải thiện đángkể chất lượng kênh liên kết và mở rộng phạm vi phủ sóng [14].

ˆ Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) được xem là một trong nhữngkỹ thuật truy cập vô tuyến với hiệu quả truyền dẫn đầy hứa hẹn giúp cảithiện đáng kể hiệu suất phổ của các mạng thông tin di động thế hệ sau.

ˆ Bài toán bảo mật lớp vật lý (PLS): Từ đặc tính mạng hỗn giao và dày đặc(phục vụ đến 100 kết nối trên mỗi m3) vấn đề an toàn, bảo mật và riêngtư trong truyền thông sẽ là một trong các tiêu chí thiết kế cần được đảmbảo Các kỹ thuật mật mã hóa dựa trên hệ thống mật mã khóa công khaiRivest-Shamir-Adleman sẽ không còn hiệu quả với mạng truyền thông códữ liệu lớn và độ trễ cực thấp Do đó, bảo mật lớp vật lý sẽ là kỹ thuật có

tiềm năng và cần được nghiên cứu trong mô hình mạng vô tuyến thế hệsau [1, 15].

ˆ Nâng cao hiệu năng của mạng thông tin vô tuyến: là một chủ đề đã vàđang thu hút sự quan tâm, nghiên cứu từ các chuyên gia Có nhiều cách đểcải thiện hiệu năng nhưng gần đây kỹ thuật phần tử phản xạ thông minhIRS đang nổi lên như một giải pháp nâng cao hiệu suất tiềm năng cho cácmạng thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo [14].

Như vậy, luận văn sử dụng kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS) kếthợp với bảo mật lớp vật lý để đạt được mục tiêu là nâng cao hiệu năng bảomật của hệ thống Mục đích này hướng đến việc thiết kế một hệ thống thôngtin vô tuyến trong tương lai khi chúng phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng và nănglượng cho kết nối ngày càng gia tăng về số lượng, chất lượng và thông minh hơn.Chính vì những định hướng trên, luận văn thực hiện có tên: “Phân tích hiệunăng của hệ thống thông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh.”

Tên tiếng Anh: “Performance Analysis of Communication SystemsUsing Intelligent Reflective Surfaces.”

Luận văn dự kiến sẽ đạt được những mục tiêu như sau:

ˆ Cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền thông vô tuyến 6G, vấn đề bảo mậtlớp vật lý, IRS và NOMA.

ˆ Giải quyết bài toán phân tích, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thốngCR IRS được hỗ trợ bởi NOMA thông qua việc thiết lập mô hình toán,phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Giải quyết bài toán phân tích, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thốngIRS được hỗ trợ bởi NOMA có các đường trực tiếp thông qua việc thiếtlập mô hình toán, phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng.

Chương 1 - Mở đầu

Về đối tượng nghiên cứu, luận văn tập trung vào:

ˆ Hệ thống bảo mật CR NOMA được hỗ trợ bởi IRS.

ˆ Hệ thống bảo mật IRS được hỗ trợ bởi NOMA với các đường trực tiếp.

Về phạm vi nghiên cứu, luận văn giới hạn ở một số điểm sau

ˆ Phần cứng của hệ thống là hoàn hảo.

ˆ Độ dịch pha mà các phần tử IRS có thể tạo ra là liên tục trong [0, 2π].

luận văn

Trong đề tài này, phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kế thừa cáccông trình nghiên cứu trước đây Khảo sát các công trình liên quan sau đó phântích, tổng hợp, và đánh giá ưu, nhược điểm Tiếp đến là đề xuất một hay nhiềugiải pháp để khắc phục nhược điểm, phát huy ưu điểm dựa trên các đặc tínhkỹ thuật, và đưa ra hướng giải quyết cho giải pháp đã đề xuất Phương phápnghiên cứu có thể trình bày qua các bước sau:

ˆ Tìm kiếm các tài liệu liên quan về vấn đề xem xét trên các cơ sở dữ liệutrực tuyến uy tín được đề xuất như IEEExplore, Spingerlink, Wiley haycông cụ học thuật Scholar.google.com.

ˆ Xem xét tổng quan vấn đề dựa trên các tài liệu đã xác định, tổng kết cácnội dung đã và đang được thực hiện thành một chuỗi các công trình cótính liên quan.

ˆ Từ hướng tiếp cận trước đây và các kiến thức về vấn đề để đề xuất ra cáchướng tiếp cận mới hoặc cải thiện hướng tiếp cận đã có cho bài toán.

ˆ Tiến hành phân tích, giải quyết bài toán cho hướng tiếp cận đã đề xuất.Thực hiện mô phỏng kiểm chứng tính đúng đắn và đối chiếu kết quả chosự so sánh, nhận xét.

ˆ Viết báo cáo về quy trình, kết quả, đưa ra nhận xét và kiến nghị.

Luận văn đã khảo sát các mô hình hệ thống thông tin sử dụng IRS để nângcao hiệu năng của hệ thống cụ thể là xác suất dừng bảo mật (SOP), dung lượngbảo mật trung bình (ASC) trong những công trình liên quan như [16, 17,18,19].Từ đó, luận văn mở rộng, phát triển mô hình hệ thống thông tin bảo mật lớpvật lý có sự hỗ trợ của IRS Bên dưới đây sẽ trình bày về hai mô hình mà luậnvăn sẽ thực hiện nghiên cứu:

ˆ Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức có bảo mật lớp vật lý vớisự hỗ trợ của IRS và NOMA Trong mô hình này, tác giả phát triển từmô hình vô tuyến không nhận thức ban đầu vào mạng thứ cấp của một hệthống vô tuyến nhận thức Điều này gây ra ràng buộc can nhiễu lên cácngười dùng sơ cấp trong hệ thống và làm thay đổi hành vi của hệ thốngtrong các kết quả tính toán cũng như mô phỏng.

ˆ Mô hình hệ thống thông tin NOMA đường xuống có xem xét các đườngtrực tiếp và bảo mật lớp vật lý với sự hỗ trợ của IRS Ở mô hình này, tácgiả phát triển từ mô hình vô tuyến IRS NOMA có bảo mật nhưng khôngcó các đường trực tiếp.

Chương 1 - Mở đầu

Luận văn được triển khai theo các chương sau

ˆ Chương 1: Trình bày phần đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, phạm vi và đốitượng nghiên cứu, nhiệm vụ của luận văn và các bài báo đã hoàn thànhcủa luận văn.

ˆ Chương 2: Trình bày tổng quan về các vấn đề nghiên cứu và các nền tảngtoán học được sử dụng trong việc thiết kế ở các chương kế tiếp.

ˆ Chương 3: Phân tích xác xuất dừng bảo mật cho mạng vô tuyến nhận thứcđược hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giảithuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Chương 4: Phân tích xác xuất dừng bảo mật, dung lượng bảo mật trungbình, tiệm cận( Asymptotic) và bậc phân tập (Diversity order) SOP, tiệmcận và độ dốc ASC khi SNR ở mức cao của cặp người dùng NOMA trongmạng vô tuyến được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán,phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Chương 5: Tổng kết lại các kết quả nghiên cứu đồng thời đề xuất các hướngphát triển cho luận văn.

ˆ Cuối cùng là các phụ lục và danh mục các tài liệu đã tham khảo trong luậnvăn.

Các ký hiệu toán học: Xuyên suốt trong luận văn này, các ký hiệu toán học đượcký hiệu thống nhất Luận văn định nghĩa các ký hiệu toán học như sau E{x} làhàm kỳ vọng của biến ngẫu nhiên (RV) x Kí hiệu h ∼ Nakagami (m, Ω) có nghĩalà biến h tuân theo phân bố Nakagami với độ lợi công suất kênh truyền trungbình là Ω và hệ số fading m Kí hiệu θn∼ U [0, 2π] có nghĩa là biến θ tuân theophân phối đồng nhất nằm trong khoảng từ 0đến2π Kí hiệugapprox∼ Gamma (k, β)

đề cập đến biến ngẫu nhiên g gần đúng về mặt thống kê phân bố Gamma vớihệ số hình dạng k và hệ số tỉ lệ β Hàm Iv(.) là hàm Bessel loại 1, Qv(., ) làhàm Marcum Q Hàm Γ (·), γ (·, ·) và, Γ (·, ·) lần lượt là hàm Gamma, hàm lowerincomplete gamma và hàm upper incomplete gamma, tương ứng Hàm U (·, ·, ·)

là hàm Kummer’s U,2F1(a, b; c, z)là hàm siêu bội,Gm,np,q (·)là hàm Meijer-G,µ(k)ζ

là moment bậc k của ζ, j là đơn vị ảo.

Trong quá trình thực hiện luận văn, các nội dung nghiên cứu đề cập trongcác chương kế tiếp của luận văn đã được viết thành 2 bài báo khoa học (tínhđến ngày nộp luận văn 26/12/2022) Cụ thể được liệt kê như sau:

1 Bài báo đã được báo cáo tại hội nghị quốc tế IEEE-ICCE (07/2022):Tu-Trinh Thi Nguyen, Xuan-Xinh Nguyen and Ha Hoang Kha, “SecrecyOutage Performance Analysis for IRS-Aided Cognitive Radio NOMA Net-works,” in Proc IEEE Ninth International Conference on Communicationsand Electronics (ICCE 2022), Nha Trang city, Vietnam, Jul 2022, pp 149-154 (ISBN: 978-1-6654-9746-6)

2 Bài báo đã được nộp lên tạp chí ISI quốc tế, đang chờ kết quả:

Tu-Trinh Thi Nguyen, Ha Hoang Kha and Xuan-Xinh Nguyen, “SecrecyPerformance Analysis of IRS-Aided Secure NOMA Systems over Nakagami-

m Fading Channels,” submitted to Wireless Networks, 2022.

Chương 2

TỔNG QUAN CÁC VẤNĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ LÝTHUYẾT LIÊN QUAN

Trong chương này, luận văn cung cấp một số lý thuyết cơ bản để giải quyếtcác bài toán được đặt ra ở các chương sau, bao gồm một số khái niệm, đặc điểmvề các công nghệ trong các hệ thống viễn thông và những kiến thức toán bổ trợ.Đầu tiên, luận văn sẽ trình bày tổng quan về kênh truyền vô tuyến, các kỹ thuậtnhư phần tử phản xạ thông minh, đa truy cập phi trực giao, mạng vô tuyếnnhận thức và mô hình bảo mật lớp vật lý Tiếp theo, nền tảng toán học đượcsử dụng để giải quyết các bài toán trong luận văn cũng được trình bày, gồm lýthuyết cơ bản của biến ngẫu nhiên, phương pháp Moment Matching, phươngpháp xấp xỉ Gaussian-Chebyshev.

2.1Một số khái niệm và tổng quan về các kỹthuật trong hệ thống thông tin vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền,nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênhtruyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến làhoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu đượcphát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở (bởi các toà nhà, núi non, câycối ) bị phản xạ, bị tán xạ và bị nhiễu xạ, các hiện tượng này được gọi chunglà fading Và kết quả là ở máy thu sẽ thu được rất nhiều phiên bản khác nhaucủa tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tinvô tuyến.

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hailoại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặcđộ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượngnày chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà caotầng) giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu được bị che khuất bởicác vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ướclượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điềunày xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bướcsóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý là sự trảithời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền biến đổitheo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổiđường truyền sóng.

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền tín hiệu trong hệ thống diđộng:

ˆ Phản xạ: xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng với kíchthước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.

ˆ Nhiễu xạ: xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trởbởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng.

ˆ Tán xạ: xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghềlàm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng.Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:

ˆ Hiện tượng truyền sóng đa đường (Multipath propagation): Trong một hệthống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờđược truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phátvà nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy,sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khácnhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vậtthể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường.

ˆ Hiệu ứng Doppler: gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát vàmáy thu Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xêlệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

ˆ Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trênđường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi, làmcho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trênmột khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này đượcgọi là fading chậm.

ˆ Suy hao đường truyền: mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tínhiệu khi truyền từ máy phát sang máy thu Sự suy giảm công suất do hiện

tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điềukhiển công suất

Thông thường, các tín hiệu phát khác nhau sẽ trải qua các loại fading khácnhau như fading phẳng, fading chọn lọc tần số, fading nhanh và fading chậmtùy thuộc vào các thông số tín hiệu và các thông số kênh truyền Bên cạnh đó,dựa vào cơ chế phân tán thời gian và phân tán tần số mà kênh truyền cũng cóbốn hiệu ứng có thể xảy ra là trải trễ đa đường dẫn đến phân tán thời gian vàfading chọn lọc tần số, trải Doppler dẫn đến phân tán tần số và fading chọn lọcthời gian.

Các mô hình kênh truyền cơ bản:

ˆ Kênh theo phân bố Rayleigh: Trong những kênh vô tuyến di động, phânbố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời giancủa đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của mộtthành phần đa đường riêng lẻ.

ˆ Kênh theo phân bố Rician: Nếu Rayleigh fading là kết quả của thành phầntán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội thì Rician fadinglà kết quả của thành phần đứng yên so với thành phần tán xạ Trong trườnghợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góckhác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight.

ˆ Kênh theo phân bố Nakagami-m: Nếu mô hình Rayleigh và Rician giả sửrằng biên độ của thành phần tán xạ từ các đường khác nhau là bằng nhauthì mô hình Nakagami tổng quát hơn, mô hình này cho phép tính toánmức biên độ khác nhau đối với thành phần tán xạ Nó cũng thỏa điềukiện tương quan một phần giữa các thành phần tán xạ Hai tham số đặctrưng của phân bố Nakagami-m là hệ số fading m và độ lợi công suất kênhtruyền trung bình Ω > 0 Một hạn chế trong các thông số của Nakagamilà m ≥ 0.5 Đối với giá trị 0.5 phân bố Nakagami trở thành 1/2 phân bố

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

Gauss Khim = 1phân bố Nakagami trở thành Rayleigh và khim > 1phânbố Nakagami trở thành phân bố Rician Tuy nhiên, hàm mật độ xác suấtNakagami thì đủ tổng quát để bao gồm cả phân bố Rayleigh và Rician.Hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) theo phânbố Nakagami có dạng:

f (x; m, Ω) = 2m

Γ (m) Ωmx2m−1e−mΩx2, ∀x ≥ 0, (2.1)và

F (x; m, Ω) = γ m,

Để đáp ứng mục tiêu tăng dung lượng mạng lên 1000 lần và phổ cập kết nốimạng vô tuyến cho ít nhất 100 tỷ thiết bị trong mạng vô tuyến 5G, nhiều côngnghệ đã được nghiên cứu, triển khai và đạt được nhiều thành công như mạngsiêu dày đặc (ultra-dense network - UDN), sóng millimeter (mmWave), MassiveMIMO [20] Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn tồn tại những nhược điểm lớnnhư độ phức tạp và chi phí phần cứng cao, cũng như năng lượng tiêu thụ là khánhiều Chẳng hạn, với UDN việc lắp đặt các trạm gốc hay các điểm truy cậpdày đặc không những tốn kém chi phí mà còn gây ra can nhiễu trầm trọng Hayvới Massive MIMO, khi hoạt động ở băng mmWave hay terahertz, tiến trình xửlý tín hiệu phức tạp đòi hỏi sự hỗ trợ của các chuỗi RF đắt đỏ Hơn nữa, việc cóquá nhiều thành phần hoạt động như relay, remote radio head cũng khiến vấnđề can nhiễu thêm nghiêm trọng như tài liệu [21] đã đề cập Vì thế, yêu cầu tìmra các phương pháp cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng, đồng thời hạ thấpchi phí của hệ thống càng trở nên cấp bách và khẩn thiết Ngoài ra, việc truyềndẫn tín hiệu với các công nghệ trên hầu như không kiểm soát được Đó cũnglà những động lực để một công nghệ mới ra đời với khả năng tái cấu hình môitrường truyền dẫn vô tuyến thông qua kiểm soát sự phản xạ bằng phần mềm

[22], gọi là kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh IRS.

Kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS) đang nổi lên như một giải phápnâng cao hiệu suất cho mạng thông tin vô tuyến 6G Kỹ thuật IRS đã và đangnhận được sự quan tâm đáng kể từ giới học thuật và công nghiệp trong thời giangần đây Ưu điểm của IRS là nó sử dụng các phần tử thụ động hoặc gần thụđộng, giá thành phải chăng và đặc biệt hơn là nó có thể điều khiển các sóng vôtuyến phản xạ bề mặt của nó bằng cách điều chỉnh pha của các phần tử để điềuhướng sóng vô tuyến đến, giúp mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện chất lượngtín hiệu nhận IRS là một phương pháp truyền dẫn được ứng dụng vào mạngthông tin vô tuyến cho phép kiểm soát môi trường truyền, điều khó có thể thựchiện được trong các mạng vô tuyến trước đây IRS có thể là các dạng khác nhaubao gồm (i) các mảng lớn các phần tử phản xạ với chi phí thấp được sắp xếpcách nhau một nửa bước sóng; và (ii) các bề mặt phẳng hoặc hình cầu lớn có cácphần tử tán xạ có kích thước và khoảng cách giữa các tia nhỏ hơn nhiều so vớibước sóng Về bản chất, mảng IRS cấu hình một cách thông minh môi trườngtruyền vô tuyến để giúp cải thiện việc truyền tín hiệu giữa người gửi và ngườinhận, khi kênh kết nối trực tiếp có chất lượng kém Mảng IRS có thể được gắntrên tường, tòa nhà và trần nhà So với các công nghệ truyền dẫn khác, ví dụnhư mảng pha, máy phát đa ăng ten và các trạm chuyển tiếp, IRS yêu cầu sốlượng phần tử phản xạ lớn nhất, nhưng mỗi phần tử được cấu tạo bởi ít thànhphần nhất, ít tốn kém nhất, bộ khuếch đại không công suất Với những lý donày, IRS trở thành một kiến trúc đầy hứa hẹn có thể được thực hiện với chi phí,kích thước, trọng lượng, công suất thấp, và được coi là một công nghệ mới củamôi trường vô tuyến thông minh Khi độ phân giải pha tốt hơn hoặc kích thướccác phần tử tán xạ lớn hơn thì công suất tiêu thụ cao hơn Với PIRS = N P (b) làcông suất tiêu thụ của IRS, trong đó N biểu thị số lượng các phần tử tán xạ và

P (b) là công suất tiêu thụ của mỗi phần tử bộ dịch pha độ phân giải b-bit, biếnrời rạc b điều khiển độ dịch pha chính xác là τ = 2b, 2b ≫ 1
Công suất tiêuthụ ở phần tử IRS thấp nhất là 5 dBm 3.16 mW và cao nhất là 25 dBm 316

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

mW Giá trị công suất tiêu thụ đặc trưng của P (b) là 1.5, 4.5, 6 và 7.8 mW chobộ chuyển pha có độ phân giải 3, 4, 5, và 6 bit tương ứng Trong môi trườngthực tế, hệ thống IRS có thể cung cấp hiệu suất năng lượng cao hơn tới 300%

so với giao tiếp chuyển tiếp AF đa ăng ten thông thường [23, 24] Nếu giao tiếpchuyển tiếp cần một nguồn điện chuyên dụng để truyền tín hiệu và để cung cấpnăng lượng cho các thành phần điện tử của chúng, thường được trang bị với cácthành phần điện tử như bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) hay bộchuyển đổi tương tự sang số (ADC), bộ trộn, bộ khuếch đại công suất để truyềntải và bộ khuếch đại tiếng ồn thấp để thu sóng Dẫn đến, việc triển khai giaotiếp chuyển tiếp có thể tốn kém và tiêu tốn điện năng, đặc biệt là để hiện thựchóa các thiết kế nhiều ăng ten ở dải tần số sóng milimet và dưới milimét Ngoàira, nếu là chuyển tiếp song công thì độ phức tạp còn tăng lên do phải loại bỏtự can nhiễu của vòng lặp bằng cách sử dụng ăng ten được thiết kế riêng và cácphương pháp xử lý tín hiệu tương tự/ kỹ thuật số Ngược lại, IRS là các lớpvật liệu tổng hợp được làm bằng kim loại hoặc các miếng điện môi Chúng cóthể được cấu hình thông qua các mạch điện tử công suất thấp có độ phức tạpthấp Do đó, IRS có độ phức tạp thấp hơn so với giao tiếp chuyển tiếp, đặc biệtlà khi sản xuất hàng loạt và hiện thực hóa Gần đây, một mẫu IRS kích thướclớn được làm từ 3.720 ăng ten giá rẻ đã được hiện thực hóa Hiệu suất của cácgiao thức chuyển tiếp thông thường sẽ bị ảnh hưởng bởi các thành phần nhiễucộng còn IRS hoạt động như một vật phản xạ dị thường không bị ảnh hưởng bởinhiễu cộng Tuy nhiên, chúng có thể bị suy giảm bởi nhiễu pha Hiệu suất phổcủa các chuyển tiếp phụ thuộc vào giao thức được chọn là song công hay bánsong công Các IRS được cấu hình để hoạt động như các bộ phản xạ dị thườngkhông phải chịu sự ràng buộc bán song công hay tự can nhiễu gây ra Ngoài ra,hệ số phần tử phản xạ có thể được thiết kế để tối ưu các tín hiệu nhận được từmáy phát và IRS [25].

Khi được sử dụng trong mạng vô tuyến, IRS có thể hoạt động tương tự nhưgiao tiếp chuyển tiếp (relay) Cụ thể, kỹ thuật IRS có thể hoạt động tốt hơn