Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Tối ưu hiệu năng của hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THẾ DUY

TỐI ƯU HIỆU NĂNG CỦA

HỆ THỐNG THÔNG TIN BẢO MẬT LỚP VẬT LÝSỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn ThôngMã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCMCán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Hà Hoàng Kha.

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn.Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Trần Trung Duy.

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 04 tháng 07 năm 2022.

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 Trịnh Xuân Dũng.3 Phản biện 1: PGS TS Đỗ Hồng Tuấn.4 Phản biện 2: PGS TS Trần Trung Duy.5 Ủy viên: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo.

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).

GS TS Lê Tiến Thường

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THẾ DUY MSHV: 2070371Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1997 Nơi sinh: Bình ĐịnhChuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số : 8520208

I TÊN ĐỀ TÀI: Tối ưu hiệu năng của hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sửdụng bề mặt phản xạ thông minh.

Tên tiếng Anh: Efficiency Optimization Of Physical Layer Security CommunicationSystems Using Intelligent Reflecting Surfaces.

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu về bề mặt phản xạ thông minh (IRS) trong hệ thống thông tin bảo mật.2 Thiết kế mô hình toán học cho hệ thống thông tin bảo mật sử dụng IRS.

3 Xây dựng thuật toán để tối ưu hiệu năng của hệ thống.

4 Mô phỏng trên MATLAB, kiểm tra và đánh giá kết quả thu được.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 2022CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS Hà Hoàng Kha

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

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 hiện luận văn này Thầy đã truyền đạt những hiểu biết,kinh nghiệm; cung cấp các tài liệu cần thiết và giải đáp những thắc mắc, vấn đềmà em gặp phải trong quá trình làm luận văn Sự tận tình và quan tâm của Thầychính là động lực để em cố gắng nghiên cứu và học tập Một lần nữa, em xin bàytỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy.

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô ở Bộ môn ViễnThông, Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tuykhông trực tiếp hướng dẫn em, nhưng những kiến thức mà thầy cô đã giảng dạy choem trong suốt những năm đại học là cơ sở, nền tảng vững chắc giúp em có đủ khảnăng để thực hiện luận văn này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, những người đã luônbên cạnh, ủng hộ em về cả vật chất lẫn tinh thần để em hoàn thành luận văn này.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022

Võ Thế Duy

Những năm gần đây, thế giới chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc của nhu cầusử dụng các dịch vụ và ứng dụng di động không dây, đòi hỏi các công nghệ truyềnthông vô tuyến phải liên tục đổi mới và phát triển Hiện nay, thế hệ thứ 6 (6G) mớinhất đã và đang được đầu tư nghiên cứu với những tiêu chuẩn vượt xa 5G, cùngvới những công nghệ tiên tiến hỗ trợ Một trong số đó là công nghệ về bề mặt phảnxạ thông minh (IRS) Tuy chỉ mới được phát triển trong vài năm, IRS đã đạt đượcnhiều thành tựu đáng kể trong việc cải thiện hiệu suất phổ (SE) và hiệu suất nănglượng (EE) của các hệ thống truyền thông Ngoài IRS, một kỹ thuật khác với têngọi thu thập năng lượng cũng khá nổi bật trong thời gian gần đây Mặt khác, ngoàitiêu chí về hiệu suất, vấn đề bảo mật luôn là một yếu tố thiết yếu đối với bất kỳ hệthống nào Do đó, luận văn được xác định nghiên cứu với chủ đề “Tối ưu hiệu năngcủa 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 về tình hình tăng trưởng của lưu lượngdữ liệu di động và đôi nét về công nghệ 6G; sau đó đề cập đến IRS, vấn đề bảo mậtlớp vật lý và xác định đề tài nghiên cứu Sau đó, luận văn trình bày cơ sở lý thuyếtnền tảng được sử dụng trong luận văn, bao gồm một số khái niệm và công nghệ nhưSE, EE, hệ thống vô tuyến nhận thức (CR), IRS, và các kiến thức toán cần thiết.Tiếp theo, luận văn giải quyết hai bài toán tối ưu tốc độ bảo mật và hiệu suất nănglượng trong hai hệ thống cụ thể Các mô hình toán học, phương pháp đề xuất vàkết quả mô phỏng được cung cấp đầy đủ cho hai bài toán Thông qua các kết quảmô phỏng, IRS đã cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện hiệu năng của hệ thống.Cuối cùng, luận văn tổng hợp lại những công việc đã hoàn thành và đề ra hướngphát triển sau này.

In recent years, the world has witnessed the dramatic development of demandof wireless services and applications, which requires improvement of wireless com-munication technologies Currently, the sixth generation (6G), whose standards farexceed 5G’s, is being carefully researched One of advanced technologies supporting6G is Intelligent Reflecting Surfaces (IRSs) Despite of having just been developedfor a few years, IRSs have proved its advantages of enhancing SE and EE in commu-nication systems In addition to IRSs, energy harvesting has been an outstandingtechnique recently On the other hand, the security issue is always crucial in everycommunication system From the above discussion, the thesis subject is determinedto be “Efficiency optimization of physical layer security communication systems us-ing Intelligent Reflecting Surfaces”.

Firstly, this thesis introduces the overview of increase of mobile data traffic and6G, then IRS and the physical security issue are mentioned From which, the thesissubject is identified Next, the basic theories, including concepts of SE, EE, CR,IRS, etc and mathematics background are presented Then, this thesis solves twoproblems of optimizing the secrecy rate and the energy efficiency in two specificsecure systems Mathematics models, proposed methods and simulation results arefully provided for each problem From the simulation results, it can be seen thatIRSs improve systems’ efficiency Finally, this thesis summarizes the works doneand proposes future researches.

Tôi tên: Võ Thế Duy, là học viên Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễnthông, khóa 2020, tại Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh – Trường Đại họcBách Khoa 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 cách độclập và trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022

Võ Thế Duy

1.1.1 Tình hình tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động 1

1.1.2 Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 6 3

1.1.2.1 Các tiêu chuẩn của 6G 3

1.1.2.2 Các công nghệ của 6G 4

1.1.3 Vấn đề bảo mật lớp vật lý 5

1.2 Lý do chọn đề tài 6

1.3 Mục tiêu của luận văn 6

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 7

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu và đóng góp của luận văn 7

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu 7

1.5.2 Đóng góp của luận văn 8

1.6 Bố cục của luận văn 8

1.7 Bài báo đã hoàn thành trong luận văn 9

2.1 Một số khái niệm, mô hình và công nghệ trong các hệ thống viễn thông 11

2.1.1 Kênh truyền trong hệ thống viễn thông 11

2.1.2 Hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng 13

2.2 Lý thuyết toán sử dụng trong 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 và thuật toán Dinkelbach 22

3.2 Mô hình hệ thống 30

3.3 Phát biểu bài toán 32

3.4 Phương pháp đề xuất 33

3.4.1 Bài toán con 1 37

3.4.2 Bài toán con 2 37

3.4.3 Bài toán con 3 38

3.5 Kết quả mô phỏng 44

3.6 Kết luận chương 48

4 Tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO với SWIPT

4.1 Giới thiệu 50

4.2 Mô hình hệ thống 53

4.3 Phát biểu bài toán 56

4.4 Phương pháp đề xuất 56

4.4.1 Bài toán con 1 58

4.4.2 Bài toán con 2 59

4.4.3 Bài toán con 3 61

1.1 Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu (EB/tháng) [1] 21.2 Sự phân bổ các thuê bao di động theo công nghệ và khu vực [1] 21.3 So sánh các tiêu chuẩn của 6G và 5G [2] 42.1 Hệ thống sử dụng IRS đơn giản 152.2 Mô hình truyền dẫn của một phần tử phản xạ [3] 163.1 Mô hình hệ thống bảo mật CR MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS 303.2 Sự hội tụ của thuật toán IBCD 463.3 Tốc độ bảo mật trung bình theo công suất phát ở ST 473.4 Tốc độ bảo mật trung bình theo ngưỡng công suất can nhiễu cho phép 473.5 Tốc độ bảo mật trung bình theo số phần tử phản xạ của IRS 484.1 Mô hình hệ thống bảo mật MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS 544.2 Sự hội tụ của thuật toán IBCD 664.3 Năng lượng thu thập trung bình theo công suất phát ở BS 674.4 Năng lượng thu thập trung bình theo số phần tử phản xạ của IRS 67

Danh sách từ viết tắt

IRS Intelligent Reflecting Surface Bề mặt phản xạ thông minh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhMIMO Multiple Input - Multiple Output Đa ngõ vào - Đa ngõ ra

SWIPT Simultaneous Wireless Information Truyền thông tin và thu thậpand Power Transfer năng lượng vô tuyến đồng thờiPLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý

IBCD Inexact Block Coordinate DescentMM Majorization - Minimization

Mở đầu

Chương này trình bày những vấn đề nền tảng làm cơ sở và động lực nghiên cứucho luận văn Trước tiên, tác giả đề cập về diễn biến tăng trưởng của lưu lượng dữliệu di động hiện nay, những tiềm năng của thế hệ truyền thông không dây thứ 6;giới thiệu công nghệ IRS và vấn đề bảo mật lớp vật lý, từ đó hình thành nên độnglực nghiên cứu cho luận văn Tiếp theo, những mục tiêu cụ thể của luận văn đượcxác định cùng với đối tượng và phạm vi nghiên cứu Sau đó, phương pháp nghiêncứu, những đóng góp và bố cục của luận văn được trình bày Cuối cùng, tác giả giớithiệu về bài báo đã được hoàn thành trong luận văn.

1.1Đặt vấn đề

1.1.1Tình hình tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động

Trong hơn 2 năm qua, thế giới đã trải qua một cuộc khủng hoảng sâu sắc bởiđại dịch COVID-19 Tuy nhiên, bất chấp những ảnh hưởng của đại dịch, các thốngkê vẫn cho thấy rằng nhu cầu kết nối vào mạng di động của người dùng là rất lớn.Hình 1.1 được trích từ báo cáo tháng 06 năm 2021 của Ericsson [1], mô tả lưu lượngdữ liệu di động hằng tháng trên toàn cầu trong những năm gần đây và dự đoán đến

Chương 1 - Mở đầu

năm 2026 Theo Ericsson, lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu xấp xỉ 71EB/thángvào cuối năm 2021 và ước tính sẽ tăng đến 226EB/tháng vào năm 2026, tức tănghơn 3 lần Riêng mạng 5G được dự đoán sẽ có sự phát triển mạnh mẽ trong nhữngnăm sắp tới và chiếm đến 54% dữ liệu di động vào năm 2026.

Hình 1.1: Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu (EB/tháng) [1]

Hình 1.2: Sự phân bổ các thuê bao di động theo công nghệ và khu vực [1]

Cũng từ báo cáo [1], Hình 1.2 thể hiện sự phân bổ các thuê bao di động theo côngnghệ và khu vực Bởi sự khác biệt về trình độ, sự phân bổ này rất không đồng đều.

Cụ thể, xét trong năm 2020, ở những khu vực chậm tiến như châu Phi Hạ-Saharahay Trung Đông và Bắc Phi, mạng 2G và 3G vẫn còn chiếm đa số Tuy nhiên mạng4G lại thể hiện sự thống trị ở các khu vực còn lại Đến năm 2026, ta sẽ thấy mạng5G xâm nhập vào mọi khu vực, với mức độ phổ biến tăng dần theo các khu vực từtrái sang phải như trên biểu đồ Trong đó, Bắc Mĩ, Hội đồng Hợp tác Vùng Vịnh,Tây Âu và Đông Bắc Á là các khu vực tiên phong trong việc thương mại hóa 5G.

1.1.2Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 6

Sự xuất hiện của truyền thông không dây thế hệ thứ 5 (hay 5G) đã thổi một làngió mới vào rất nhiều lĩnh vực trong đời sống 5G nhanh chóng trở thành nhân tốchính trong các ứng dụng tự động hóa và tích hợp cao; cũng là động lực thúc đẩyquá trình số hóa nền kinh tế và xã hội Tuy nhiên, vì các yêu cầu về kỹ thuật và nhucầu của con người 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 truyềnthông không dây thế hệ thứ 6 (hay 6G) Dự kiến, 6G sẽ ra mắt vào năm 2030 theochu trình 10 năm của các thế hệ di động.

1.1.2.1 Các tiêu chuẩn của 6G

Sự so sánh các tiêu chuẩn của 6G so với 5G được thể hiện qua biểu đồ mạngnhện ở Hình 1.3 Một số điểm chính cần lưu ý như

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

ˆ Hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng tăng 2 lần so với 5G,ˆ Độ trễ giảm từ 1 ms xuống 0.1 ms,

ˆ Độ tin cậy tăng từ 10−5

đến 10−7.

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

Chương 1 - Mở đầu

Hình 1.3: So sánh các tiêu chuẩn của 6G và 5G [2]

thống kết nối robot và tự điều khiển (Connected Robotics and Autonomous Systems- CRAS), chuỗi khối và công nghệ sổ cái phân tán (Blockchain and DistributedLedger Technologies - DLT) [2, 4].

Massive MIMO không - tế bào (Cell-Free Massive MIMO) Nhược điểm của

mạng không dây theo cấu trúc tế bào là tín hiệu của những thiết bị nằm ở rìa củatế bào khá yếu Do đó, thay vì để mỗi tế bào có một trạm gốc phục vụ, người ta bỏđi dạng tế bào và cho toàn bộ trạm gốc phục vụ tất cả thiết bị trong khu vực ấy.

Truyền thông tin và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời taneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT) Trong thế hệ mới, cácthiết bị thông minh có thể vừa truy cập vào hệ thống, vừa tương tác với các thiếtbị khác Lúc này, các module sạc pin được yêu cầu phải đáp ứng những ràng buộcvề mức tiêu thụ điện năng cực thấp Đó chính là động lực của SWIPT! SWIPT chophép các cảm biến được sạc khi khai thác truyền công suất không dây; sau đó, cácthiết bị không có pin có thể được hỗ trợ trong 6G, giảm đáng kể mức tiêu thụ điệnnăng của mạng.

(Simul-Bề mặt phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surfaces, IRS) IRS sửdụng các phần tử phản xạ thụ động để phản xạ lại tín hiệu một cách “thông minh”nhằm cải thiện nhiều yếu tố như tốc độ dữ liệu, hiệu suất phổ, hiệu suất nănglượng, Chi tiết về công nghệ IRS sẽ được nêu rõ trong Phần 2.1.3.

1.1.3Vấn đề bảo mật lớp vật lý

Nhu cầu ngày càng tăng trong việc truyền dữ liệu riêng tư và nhạy cảm quamạng không dây đã khiến bảo mật trở thành mối quan tâm cốt yếu trong các hệthống truyền thông vô tuyến hiện nay và cả tương lai Để đối phó với thách thứcnày, những phương pháp bảo mật trước đây thường nghiêng về các thuật toán mãhóa Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị tính toán, các thuậttoán mã hóa này có thể bị bẻ khóa và không còn đáng tin cậy Do đó, các nhà khoahọc đã nghiên cứu một giải pháp thay thế, khai thác các đặc trưng quan trọng củakênh truyền vô tuyến, với tên gọi là bảo mật lớp vât lý (physical layer security -PLS) Mô hình mới này được mong đợi sẽ bổ sung đáng kể tính bảo mật cho cácmạng không dây trong tương lai [5] Phần 2.1.6 sẽ trình bày chi tiết hơn về PLS.

Chương 1 - Mở đầu

1.2Lý do chọn đề tài

Những phân tích ở các phần trên đã cho thấy tầm quan trọng của việc nghiêncứu về 6G và các công nghệ tiềm năng nhằm tăng cường hiệu năng của các hệ thốngtruyền thông, mà bề mặt phản xạ thông minh là một ứng cử viên sáng giá Tuynhiên, một hệ thống ngoài yêu cầu hoạt động với hiệu năng cao, còn phải đảm bảotính bảo mật của thông tin, dữ liệu được truyền đi Điều này có thể được đáp ứngnhờ vào mô hình bảo mật lớp vật lý Với tinh thần này, luận văn xác định đề tàinghiên cứu là “Tối Ưu Hiệu Năng Của Hệ Thống Thông Tin Bảo Mật LớpVật Lý Sử Dụng Bề Mặt Phản Xạ Thông Minh”.

Tên tiếng Anh: “Efficiency Optimization Of Physical Layer SecurityCommunication Systems Using Intelligent Reflecting Surfaces”.

1.3Mục tiêu của luận văn

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

ˆ Cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền thông không dây 6G, hệ thống thôngtin bảo mật lớp vật lý và công nghệ IRS.

ˆ Giải quyết bài toán tối ưu tốc độ bảo mật của hệ thống CR MIMO với SWIPTđược hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giảithuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Giải quyết bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO vớiSWIPT được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triểngiải thuật và thực hiện các mô phỏng.

1.4Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1Đối tượng nghiên cứu

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

ˆ Hệ thống CR MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS.ˆ Hệ thống MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS.

1.5.1Phương pháp nghiên cứu

Các nghiên cứu trong luận văn này được phát triển thêm từ một số công trìnhnghiên cứu trước đây Cụ thể, tác giả xem xét các bài toán được nêu ra trong cácnghiên cứu này, phân tích ưu nhược điểm và tìm hiểu những khía cạnh chưa đượckhai thác Từ đó, tác giả xây dựng một số mô hình khác và đề xuất các phươngpháp mới phù hợp Bởi việc tạo ra các hệ thống thực tế đòi hỏi chi phí rất cao, luậnvăn sẽ chỉ thực hiện các mô phỏng trên máy tính để đánh giá độ hiệu quả của cácthuật toán.

Chương 1 - Mở đầu

1.5.2Đóng góp của luận văn

Luận văn đã khảo sát các mô hình hệ thống thông tin sử dụng IRS để nâng caohiệu suất phổ, hiệu suất năng lượng, dung lượng bảo mật trong những công trìnhliên quan như [6, 7, 8, 9] Từ đó, luận văn mở rộng, phát triển mô hình hệ thốngthông tin bảo mật lớp vật lý có sự hỗ trợ của IRS Cụ thể, luận văn nghiên cứu haimô hình thông tin sau:.

ˆ Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức có thu hoạch năng lượng vàbảo mật lớp vất lý với sự hỗ trợ của IRS Trong mô hình này, tác giả pháttriển từ mô hình vô tuyến không nhận thức ban đầu vào mạng thứ cấp củamột hệ thống vô tuyến nhận thức Điều này gây ra ràng buộc can nhiễu lêncác người dùng sơ cấp trong bài toán tối ưu và làm thay đổi hành vi của hệthống trong các kết quả mô phỏng.

ˆ Mô hình hệ thống thu hoạch năng lượng có bảo mật lớp vật lý sự dụng IRSvới hàm mục tiêu là hiệu suất năng lượng ở ID thay vì tốc độ bảo mật, ngoàira thay đổi ràng buộc module của các độ dịch pha đúng bằng 1 thành khônglớn hơn 1 Hàm mục tiêu hiệu suất năng lượng bảo mật là một trong hiệunăng được quan tâm nghiên cứu gần đây Tuy nhiên, việc thiết kế tối ưu vớimục tiêu hiệu suất năng lượng bảo mật dẫn đến bài toán tối ưu hàm phân sốkhông lồi, phi tuyến phức tạp Luận văn đã phát triển giải thuật lặp để tìmlời giải tiền mã hóa, phân chia công suất, dịch pha tối ưu.

1.6Bố cục của luận văn

Luận văn được triển khai theo các chương sau

ˆ Chương 1: trình bày những vấn đề cơ bản làm nền tảng và động lực nghiêncứu cho luận văn

ˆ Chương 2: trình bày các lý thuyết và khái niệm cơ bản về các hệ thống CR,MIMO; các công nghệ SWIPT, IRS; hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng;một số lý thuyết toán tối ưu quan trọng.

ˆ Chương 3: giải quyết bài toán tối ưu tốc độ bảo mật của hệ thống CR MIMOvới SWIPT được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, pháttriển giải thuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Chương 4: giải quyết bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMOvới SWIPT được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, pháttriển giải thuật và thực hiện các mô phỏng.

ˆ Chương 5: tổng kết lại các vấn đề nghiên cứu và đề xuất các hướng phát triểncho luận văn.

1.7Bài báo đã hoàn thành trong luận văn

Bài báo sau đã được accepted tại hội nghị IEEE-ICCE (06/2022):

Vo The Duy, Ha Hoang Kha, “Secrecy Rate Optimization for IRS-Aided MIMOCognitive Radio Systems with SWIPT”, 2022 IEEE 9th International Conferenceon Communications and Electronics, Jun 2022.

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Chương này đề cập đến một số lý thuyết cơ bản để giải quyết các bài toán đượcđặt ra ở các chương sau, bao gồm một số khái niệm, mô hình, công nghệ trongcác hệ thống viễn thông và những kiến thức toán bổ trợ Trước tiên, các loại kênhtruyền trong hệ thống viễn thông và định nghĩa của hiệu suất phổ, hiệu suất nănglượng được mô tả Tiếp theo, tác giả cung cấp cái nhìn tổng quan về các công nghệnhư bề mặt phản xạ thông minh, hệ thống vô tuyến nhận thức, hệ thống truyềnthông tin và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời và mô hình bảo mật lớp vậtlý Cuối cùng, nền tảng toán học được sử dụng để giải quyết các bài toán trongluận văn được trình bày, gồm toán tối ưu lồi, thuật toán Inexact Block CoordinateDescent, thuật toán Dinkelbach, phương pháp hàm phạt và thuật toán Majorization- Minimization.

2.1Một số khái niệm, mô hình và công nghệ trong

các hệ thống viễn thông

2.1.1Kênh truyền trong hệ thống viễn thông

Kênh truyền giữa bên phát và bên thu được chia làm hai loại: truyền thẳng (lineof sight - LoS) và không truyền thẳng (non-line-of-sight - NLoS) [10].

Kênh truyền LoS là trường hợp khi bên phát và bên thu “thấy” nhau Ngoài ra,giả định rằng ta đang ở trong một không gian tự do (free space), tức không có vậtthể khác có thể phản xạ hay tán xạ lại tín hiệu Trước tiên, xét trường hợp SIMO:bên phát gồm 1 anntena truyền tín hiệu đến một dãy gồm M antenna tuyến tínhđồng nhất (uniform linear array, ULA), tức M antenna thẳng hàng và hai antennakề nhau cách nhau một khoảng ∆ = λdH Trong thực tế, thông thường khoảng cáchgiữa bên phát và bên thu lớn hơn nhiều so với kích thước của dãy antenna (far-field),nên ta có thể xem khoảng cách từ bên phát đến mọi antenna thu xấp xỉ bằng nhau.Tuy sóng phát ra lan truyền với dạng cầu, nhưng khi tiếp cận các antenna thu, nóhầu như là phẳng Những giả sử này cho phép ta tính độ lệch pha của tín hiệu khiđến các antenna dễ dàng hơn Cụ thể, lấy antenna đầu tiên làm chuẩn với góc tớiϕ, độ lệch pha giữa nó và antenna thứ m là 2π (m − 1) ∆ sin(ϕ)λ.

Từ quan sát trên, ta dễ dàng tìm được vector kênh truyền LoS SIMO g ∈ CM ×1

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

K antenna và bên thu có M antenna, ma trận kênh truyền là G ∈ CM ×K, vớiG = pβ1 e−j2πdHsin ϕ

Mô hình này còn được gọi là Rayleigh fading bởi |g| có phân bố Rayleigh và |g|2có phân bố mũ Tương tự, với trường hợp SIMO khi bên thu có M antenna, ta cóg ∼ CN (0, βIM) Tổng quát, ma trận kênh truyền G cho trường hợp MIMO sẽ cómọi phần tử là i.i.d Rayleigh fading.

Nếu kênh truyền LoS và NLoS cùng tồn tại giữa bên phát và bên thu, ta có kênh

truyền Rician được biểu diễn như sau

G =r

κ1 + κG

11 + κG

trong đó κ được gọi là hệ số Rician.

2.1.2Hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng

Hiệu suất phổ (spectral efficiency - SE) và hiệu suất năng lượng (energy efficiency- EE) là hai tiêu chuẩn quan trọng trong công nghệ truyền thông không dây Rấtnhiều bài toán thực tế được đặt ra với mục tiêu tối ưu SE và EE trong các hệ thốngviễn thông.

Xét một kênh truyền với băng thông B Hz Theo định lý lấy mẫu Shannon, tín hiệu truyền qua kênh truyền này được biểu diễn bởi 2B mẫu giá trịthực hoặc B mẫu giá trị phức mỗi giây Hiệu suất phổ (spectral efficieny - SE) đượcđịnh nghĩa là số lượng bit thông tin trung bình được truyền trên mỗi mẫu giá trịphức Bởi có B mẫu mỗi giây, đơn vị của SE là bit/s/Hz.

Nyquist-Để định nghĩa hiệu suất năng lượng, ta cần đến khái niệm tốc độ dữ liệu Tốcđộ dữ liệu là tích của SE và băng thông B, với đơn vị là bit/s.

Hiệu suất năng lượng (energy efficiency - EE) là số lượng bit thông tin đượctruyền trên mỗi đơn vị năng lượng:

EE = Tốc độ dữ liệu (bit/s)

với đơn vị là bit/Joule.

2.1.3Bề mặt phản xạ thông minh

Để đáp ứng mục tiêu tăng dung lượng mạng lên 1000 lần và phổ cập kết nối mạngkhông dây cho ít nhất 100 tỷ thiết bị trong thế hệ thứ 5 (5G), nhiều công nghệ đã

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

được nghiên cứu, triển khai và đạt được nhiều thành công như mạng siêu dày đặc(ultra-dense network - UDN), sóng millimeter (mmWave), Massive MIMO [11].Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn tồn tại những nhược điểm lớn như độ phức tạpvà chi phí phần cứng cao, cũng như năng lượng tiêu thụ là khá nhiều Chẳng hạn,với UDN, việc lắp đặt các trạm gốc hay các điểm truy cập dày đặc không nhữngtốn kém chi phí mà còn gây ra can nhiễu trầm trọng Hay với Massive MIMO, khihoạt động ở băng mmWave hay ter ahertz, các tiến trình xử lí tín hiệu phức tạp đòihỏi sự hỗ trợ của các chuỗi RF (radio frequency) đắt đỏ Hơn nữa, việc có quá nhiềuthành phần hoạt động như relay, remote radio head cũng khiến vấn đề can nhiễuthêm nghiêm trọng [12] Vì thế, yêu cầu tìm ra các phương pháp cải thiện hiệu suấtphổ và năng lượng, đồng thời hạ thấp chi phí của hệ thống càng trở nên cấp bách vàkhẩn thiết Ngoài ra, việc truyền dẫn tín hiệu với các công nghệ trên hầu như khôngkiểm soát được Đó cũng là những động lực để một công nghệ mới ra đời với khảnăng tái cấu hình môi trường truyền dẫn không dây thông qua kiểm soát sự phảnxạ bằng phần mềm [13]; gọi là bề mặt phản xạ thông minh (IRS) Về cơ bản, IRSlà một bề mặt hai chiều gồm các phần tử phản xạ thụ động, chi phí thấp Mỗi phầntử có thể tạo ra một sự thay đổi về biên độ và/hoặc pha trên sóng tới một cách độclập, từ đó thay đổi cách thức lan truyền của sóng phản xạ Ý tưởng này tỏ ra khátriển vọng trong nhiều bài toán thực tế Ví dụ, với những người dùng nằm ở “vùngchết” của trạm gốc (có vật cản ở giữa), IRS có thể tạo ra một đường truyền LoS ảogiữa chúng Hoặc nếu người dùng ở rìa của tế bào, phải chịu sự suy giảm tín hiệu dokhoảng cách xa, IRS có thể làm tăng cường tín hiệu nhận được Ngoài ra, trong vấnđề bảo mật, IRS có thể được điều chỉnh để làm yếu đi tín hiệu nhận được ở thiết bịgián điệp, từ đó hạn chế nguy cơ rò rỉ thông tin Cần lưu ý rằng, IRS không phải làthành phần của bên phát hay bên thu, mà là một thành phần điều khiển được củamôi trường truyền dẫn với nhiệm vụ duy nhất là phản xạ lại tín hiệu đến một cách“thụ động”; do đó công suất tiêu thụ của IRS là không đáng kể Hiện nay, việc sửdụng siêu vật liệu (metamaterial) để chế tạo IRS giúp điều chỉnh được độ dịch pha

ngay trong thời gian thực.

Hình 2.1 minh họa một hệ thống bên phát - IRS - bên thu cơ bản Giả sử bên phátcó Nt antenna, IRS có M phần tử và bên thu có Nr antenna Gọi các kênh truyền từbên phát đến IRS, IRS đến bên thu và bên phát đến bên thu lần lượt là F ∈ CM ×Nt,Hr∈ CNr×M, Hd∈ CNr×Nt Đặt θ = [θ1, , θM] và gọi Θ = diag (θ) là ma trận hệ sốphản xạ của IRS, trong đó θm = βmejϕm với βm ∈ [0, 1], ϕm ∈ [0, 2π) , m = 1, , Mlần lượt là những thay đổi về biên độ và pha mà phần tử thứ m của IRS tạo ra Gọi

Hình 2.1: Hệ thống sử dụng IRS đơn giản

x ∈ CNt×1 là tín hiệu phát đi Tín hiệu nhận được ở bên thu là sự tổng hợp của tínhiệu trực tiếp từ bên phát và tín hiệu phản xạ từ IRS, với biểu diễn như sau:

trong đó n ∈ CNr×1 là nhiễu ở bên thu.

Bây giờ, ta bàn về kiến trúc của IRS Nhìn chung, một IRS thường có 3 lớp và1 bộ điều khiển Ở lớp ngoài cùng, các miếng kim loại nằm trên chất nền điện môiđóng vai trò như các phần tử phản xạ sẽ tương tác trực tiếp với tín hiệu tới Đểngăn ngừa sự thất thoát năng lượng tín hiệu, người ta thêm vào một lớp bằng đồng

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

nằm giữa Cuối cùng, lớp trong cùng là một bo mạch chịu trách nhiệm điều chỉnhbiên độ hay độ dịch pha phản xạ cho từng phần tử Lớp này được kích hoạt bởi mộtbộ điều khiển thông minh kết nối với IRS, thông thường là field-programmable gatearray (FPGA) [13] Hình 2.2 thể hiện mô hình truyền dẫn của một phần tử phản xạtrong IRS, trong đó L1 là điện cảm ở lớp trong cùng; L2, Cm, Rm lần lượt là điệncảm, điện dung và điện trở hiệu dụng ở lớp ngoài cùng (m ký hiệu cho phần tử thứm) [3] Theo đó, trở kháng tương đương của phần tử phản xạ thứ m là

các ứng dụng và dịch vụ không dây trong một môi trường không can nhiễu, các cơquan quản lý phổ đặt ra chính sách truy cập phổ tĩnh (fixed spectrum access - FSA).Chính sách này cung cấp cho một hoặc một số người dùng được chỉ định một phầnphổ, tương ứng với một băng thông nào đó Như thế, chỉ những người dùng đượccấp phép mới có quyền khai thác vào phổ đã được cấp; những người dùng khác sẽkhông được phép sử dụng bất kể phổ đó có đang được truy cập hay không Với sựtăng trưởng không ngừng của các thiết bị và dịch vụ không dây trong những nămvừa qua, ở nhiều quốc gia, hầu như nguồn phổ có sẵn đều đã được cấp phát, dẫnđến tình trạng khan hiếm phổ Thậm chí, các tác giả trong [14] đã chỉ ra rằng cónhiều phần phổ được khai thác rất ít, dẫn đến sự bất cập cho những đối tượng thựcsự cần sử dụng phổ Rõ ràng, chính sách FSA cần được cải thiện để nguồn phổ đượcsử dụng hiệu quả hơn.

Trước tình hình đó, chính sách truy cập phổ động (dynamic spectrum access- DSA) được thông qua để tối ưu việc sử dụng phổ Cụ thể, một phần phổ vẫnđược cấp cho một hoặc một số người dùng được chỉ định, gọi là người dùng sơ cấp(primary user - PU) Các PU có quyền ưu tiên cao được sử dụng phổ này, nhưngkhông phải độc quyền Những người dùng khác, thường gọi là người dùng thứ cấp(secondary user - SU), có thể truy cập vào phần phổ đó, miễn là các PU đang khôngsử dụng; hoặc nếu ngược lại, SU có thể chia sẻ phổ với PU với điều kiện rằng cácPU được bảo vệ Theo cách này, nguồn phổ có thể được khai thác một cách cơ hội,hoặc luôn được chia sẻ, giúp hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên này được cải thiệnđáng kể [15].

Trong DSA, các SU được yêu cầu phải có khả năng nắm bắt những thông tincủa môi trường vô tuyến Những SU này được gọi là một người dùng nhận thức vôtuyến (cognitive radio - CR) Đây cũng là lý giải cho tên gọi hệ thống nhận thức vôtuyến Những thông tin mà SU cần nắm bắt có thể là trạng thái bật/tắt của PUhoặc mức công suất can nhiễu dự kiến sẽ gây ra cho PU Với thông tin đầu tiên,SU có thể truy cập phổ một cách cơ hội (opportunistic spectrum access - OSA),

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

trong khi thông tin thứ hai giúp SU truy cập phổ một cách đồng thời (concurrentspectrum access - CSA).

Với mô hình OSA, các SU sẽ liên tục kiểm tra xem liệu có phần phổ nào đangrảnh hay không Nếu có, SU sẽ cấu hình lại các thông số truyền dẫn (như tần sốsóng mang, băng thông, ) phù hợp để hoạt động trong phần phổ đó Mặt khác, SUphải nhanh chóng ngắt kết nối khi PU hoạt động trở lại Như vậy, SU sẽ không cầnbận tâm đến lượng can nhiễu sẽ gây ra cho PU nếu biết chính xác trạng thái củaPU [16] Cách tiếp cận này còn được biết đến với những tên gọi spectrum overlay[17] hay spectrum interweave [18] Trái lại, với mô hình CSA, lượng can nhiễu màSU gây ra cho PU cần được xem xét kỹ lưỡng và phải luôn đảm bảo không vượt quangưỡng cho phép Mô hình này còn được gọi là spectrum underlay [19] và sẽ đượckhảo sát trong luận văn.

2.1.5Hệ thống truyền thông tin và thu thập năng lượng vôtuyến đồng thời

Cùng với sự phát triển vượt bậc của các công nghệ truyền thông, nhu cầu củacon người trong việc sử dụng các dịch vụ và thiết bị di động cũng tăng vọt, chẳnghạn như chơi trò chơi trực tuyến, xem phim chất lượng cao Điều này đòi hỏi cácthiết bị phải được cung cấp một nguồn năng lượng bền vững, hoặc có khả năng thuthập năng lượng vô tuyến từ các nguồn bên ngoài, khi mà các công nghệ pin khôngtheo kịp nhu cầu sử dụng thực tế [20].

Thu thập năng lượng là một quá trình thu nhận và chuyển đổi năng lượng từ mộtsố nguồn như nhiệt, gió hay tín hiệu vô tuyến thành điện và đưa vào hoạt động dựatrên yêu cầu về điện năng Các nghiên cứu [21, 22] đã khám phá khả năng sử dụngcác nguồn năng lượng tự nhiên để thu thập năng lượng trong các mạng không dây.Tuy nhiên, việc thu thập năng lượng từ các nguồn tự nhiên thường không mang lạihiệu quả cao bởi tính bất thường và không lường trước được của môi trường xung

quanh, hơn nữa chỉ áp dụng được trong một số hoàn cảnh cụ thể [23].

Truyền năng lượng không dây (wireless power transfer - WPT) là một kỹ thuậtthu thập năng lượng giúp vượt qua những khó khăn đã đề cập ở trên Trong đó, cácthiết bị trong mạng sạc pin của chúng từ các bức xạ điện từ Năng lượng có thể đượcthu từ các tín hiệu xung quanh hoặc từ một nguồn điện chuyên dụng được kiểmsoát hoàn toàn như trạm gốc (base station - BS) Triển vọng tích hợp WPT vào cácmạng truyền thông tạo ra nhu cầu về một công nghệ có thể truyền tải đồng thờithông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối Khái niệm SWIPT (simultaneouswireless information and power transfer) được giới thiệu từ yêu cầu này và đã thuhút rất nhiều sự quan tâm Cụ thể, một trạm gốc phát đi các tín hiệu vô tuyến đếnmột số thiết bị Những thiết bị giải mã thông tin từ tín hiệu thu được gọi là bộ giảimã thông tin (information decoder - ID), trong khi các thiết bị khác thu thập nănglượng của tín hiệu được gọi là bô thu năng lượng (energy receiver - ER) [7] Các hệthống với công nghệ SWIPT sẽ được xem xét xuyên suốt luận văn này.

2.1.6Bảo mật lớp vật lý

Các mạng viễn thông không dây thường xuyên phải hứng chịu những cuộc tấncông nghe trộm và mạo danh Từ đó, người ta đặt ra hai yêu cầu bảo mật cơ bản:tính bí mật đảm bảo những kẻ nghe trộm không đọc được các tin nhắn riêng tư vàtính xác thực đảm bảo người nhận có thể xác định được người gửi và không ai cóthể giả mạo nguồn tin [24] Trước đây, các yêu cầu này hầu như được xử lý tại cáclớp trên của hệ thống, dựa vào các thuật toán mã hóa khóa riêng và khóa công khai.Phương pháp này cho rằng bằng cách sử dụng các phép toán phức tạp, những kẻtấn công với năng lực tính toán hạn chế sẽ khó lòng vượt qua được Tuy nhiên, cáchbảo mật này tồn tại những nhược điểm trong một số kiến trúc mạng Chẳng hạn,một mạng không dây với nhiều thiết bị có khả năng tính toán chênh lệch nhau sẽgặp trở ngại trong việc triển khai hạ tầng khóa công khai Mặt khác, nếu làm giảm

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

độ phức tạp của thuật toán mã hóa, những kẻ nghe trộm sẽ có cơ hội cao hơn để bẻkhóa và xâm nhập [5].

Trong nỗ lực cải thiện những phương pháp bảo mật hiện có, các nhà khoa họcnhận ra rằng có thể khai thác sự không hoàn hảo của lớp vật lý để cải thiện độ bảomật của hệ thống Chẳng hạn, mặc dù nhiễu và fading thường được xem là gây hại,một số kết quả trong lý thuyết thông tin cho thấy chúng có thể được sử dụng đểche giấu thông điệp khỏi kẻ nghe trộm hoặc để xác thực các thiết bị mà không cầnchia sẻ khóa riêng tư [25] Phát hiện này thúc đẩy một lĩnh vực nghiên cứu mới, gọilà bảo mật lớp vật lý (physical layer security - PLS), với trọng tâm là tận dụng cácđặc trưng của lớp vật lý và kênh truyền vô tuyến để tăng cường sự bảo mật cho cáchệ thống truyền thông Đặc tính này giúp PLS không cần quan tâm đến các giaothức bảo mật được tiến hành và không yêu cầu triển khai thêm bất kì cơ chế bảomật nào ở các lớp trên.

Các vấn đề tối ưu hiệu năng của hệ thống bảo mật lớp vật lý hay bất kì hệ thốngviễn thông nào khác thường được biểu diễn dưới dạng các bài toán tối ưu với cácràng buộc đặc trưng Phần tiếp theo sẽ trình bày một số công cụ toán học để môhình hóa cũng như giải quyết các bài toán thực tế trên.

2.2Lý thuyết toán sử dụng trong luận văn

2.2.1Tối ưu lồi

Bài toán tối ưu lồi [26] là một nhánh cực kì quan trọng trong lĩnh vực toán tốiưu Rất nhiều bài toán trong thực tế được biến đổi về hoặc xấp xỉ thành một bàitoán tối ưu lồi.

Định nghĩa 2.1 Tập hợp C là một tập lồi nếu với hai điểm bất kỳ x1, x2 ∈ C, điểmx = θx1+ (1 − θ)x2 cũng nằm trong C, với mọi θ ∈ [0, 1].

Định nghĩa 2.2 Hàm số f : Rn → R là một hàm lồi nếu tập xác định của f

2.2.2Thuật toán Inexact Block Coordinate Descent

Xét bài toán tối ưu sau

Chương 2 - Cơ sở lý thuyếtcố định từ vòng lặp trước.

xt+1k = arg min

xk∈Xk f xt+11 , , xt+1k−1, xk, xtk+1, , xtK
(2.11)Rõ ràng bài toán con (2.11) dễ giải hơn bài toán ban đầu (2.10), thậm chí có thểtìm được một kết quả ở dạng đóng Trong BCD, các bài toán con được yêu cầu phảigiải quyết một cách hoàn hảo (exactly).

Tuy nhiên, nếu bài toán con (2.11) vẫn còn khó giải, ta có thể chấp nhận mộtlời giải không hoàn hảo (inexact), miễn là các kết quả vẫn được cải thiện sau mỗivòng lặp Đây là sự mở rộng cho thuật toán BCD, gọi là Inexact Block CoordinateDescent (IBCD) [30] Sự không hoàn hảo này có thể đến từ việc xấp xỉ hàm mụctiêu hoặc các ràng buộc.

2.2.3Bài toán quy hoạch phân số và thuật toán Dinkelbach

Vấn đề tối ưu hiệu suất năng lượng của hệ thống thường dẫn về một bài toántối ưu mà hàm mục tiêu có dạng phân số như sau:

Trong [31], Dinkelbach đã nêu ra một phương pháp để giải bài toán trên, thôngqua việc xem xét một bài toán phụ

• Tìm xk = arg maxxN (x) − λkD (x), để ý hàm mục tiêu là lõm• if F (λk) < ϵ then

• λk+1 ← N (xk) /D (xk), k ← k + 1end

Output: Nghiệm tối ưu x∗ = xk và giá trị mục tiêu tối ưu λ∗ = λ

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

Định nghĩa 2.4 Hàm số p(x) : Rn → R là một số hạng phạt cho bài toán (2.14)khi và chỉ khi

p(x) = 0, nếu g(x) ≤ 0p(x) > 0, nếu g(x) ≰ 0

2.2.5Thuật toán Majorization - Minimization

Xét bài toán tối ưu sau

trong đó X ⊂ Rn là một tập đóng không rỗng và f : X → R là một hàm liên tục.Giả sử f là một hàm số khá phức tạp và việc giải quyết bài toán trực tiếp trên hàmnày tốn nhiều chi phí Thuật toán Majorization - Minimization (MM) [32] được đềxuất để khắc phục nhược điểm trên, với ý tưởng chính là tối ưu một hàm phụ đơngiản hơn hàm mục tiêu ban đầu.

Khởi tạo điểm x0 ∈ X , MM sẽ tìm ra một chuỗi các điểm khả thi (xt) tiến vềđiểm cực tiểu cục bộ của f Cụ thể, tại điểm xt, ở bước majorization, ta xây dựngmột hàm phụ liên tục g(x|xt) : X → R thỏa mãn

g(x|xt) ≥ f (x) + ct, x ∈ X , (2.20)với ct= g(xt|xt) − f (xt) Sau đó, ở bước minimization, ta cập nhật x như sau

xt+1 = arg min

Theo cách này, chuỗi f (xt) sẽ đảm bảo không tăng vì

f (xt+1) ≤ g(xt+1|xt) − ct≤ g(xt|xt) − ct = f (xt), (2.22)trong đó dấu ≤ thứ nhất có được từ (2.20) và dấu ≤ thứ hai có được từ (2.21).

Để ý rằng nếu chọn được điểm xt+1 thỏa mãn g(xt+1|xt) ≤ g(xt|xt) thì dấu ≤thứ hai trong (2.22) cũng thỏa mãn Tất nhiên, (2.21) vẫn là sự cải thiện tốt nhất.

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

2.3Kết luận chương

Trong chương này, tác giả đã trình bày về cơ sở lý thuyết liên quan đến vấn đềnghiên cứu trong luận văn, từ những khái niệm cơ bản như kênh truyền, SE, EE đếncác công nghệ như IRS, CR, SWIPT, PLS Ngoài ra, những kiến thức toán học cầnthiết cũng đã được cung cấp để hỗ trợ việc giải quyết các bải toán ở các chương saunhu tối ưu lồi, phương pháp hàm phạt và các thuật toán IBCD, Dinkelbach, MM.

Tối ưu hóa tốc độ bảo mật của hệthống vô tuyến nhận thức MIMOvới SWIPT được hỗ trợ bởi IRS

Chương này trình bày bài toán tối ưu hóa tốc độ bảo mật của hệ thống nhậnthức (CR) đa ngõ vào - đa ngõ ra (MIMO) cho phép truyền thống vô tuyến vàtruyền tải công suất đồng thời (SWIPT) được hỗ trợ bởi bề mặt phản xạ thôngminh (IRS) Trước tiên, những thách thức và động lực cho bài toán được diễn giảithông qua việc khảo sát các công trình nghiên cứu có liên quan Sau đó, tác giả môhình hóa một hệ thống bảo mật CR MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS và thiếtlập các công thức toán học để dẫn dắt đến bài toán tối ưu Tiếp theo, phương phápgiải quyết cho bài toán này sẽ được trình bày một cách kỹ lưỡng Cuối cùng, cácmô phỏng cần thiết được thực hiện để đánh giá hiệu năng của hệ thống.

3.1Giới thiệu

Trong những năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển bùng nổ của cácthiết bị và hệ thống không dây Một số tính toán dự báo rằng sẽ có khoảng 75 tỷ

Chương 3 - Tối ưu SR của hệ thống CR MIMO với SWIPT và IRS

thiết bị như vậy và mỗi người sẽ trang bị ít nhất 9 thiết bị thông minh vào cuốinăm 2025 [33] Trong bối cảnh này, nguồn tài nguyên phổ trở nên ngày càng quýgiá Nhiều công nghệ đã được tìm hiểu để tối ưu việc sử dụng nguồn tài nguyênnày, trong đó có mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio - CR) Trong mạng CR,các người dùng thứ cấp (secondary user - SU) được phép chia sẻ phổ với các ngườidùng sơ cấp (primary user - PU), miễn can nhiễu mà chúng gây ra cho các PU dướimột ngưỡng chấp nhận được [34] Để giảm thiểu can nhiễu có hại cho các PU, bênphát và bên thu có thể khai thác đa antenna kết hợp với xử lý tín hiệu thỏa đáng.Tuy nhiên, việc triển khai nhiều antenna có thể gây ra vấn đề về năng lượng tiêuthụ Gần đây, một công nghệ đang nổi lên - bề mặt phản xạ thông minh (IRS) đãthu hút được rất nhiều sự chú ý của giới nghiên cứu bởi sự ưu việt trong việc tăngcường hiệu suất phổ (SE) và hiệu suất năng lượng (EE) của các hệ thống truyềnthông không dây IRS là tập hợp những phần từ phản xạ thụ động có thể tạo ra cácđộ dịch pha phù hợp để kiểm soát tín hiệu phản xạ Các tín hiệu phản xạ từ IRS cóthể kết hợp với những tín hiệu trực tiếp từ trạm phát để làm mạnh thêm tín hiệumong muốn hoặc làm yếu đi can nhiễu gây hại [13] Ngoài ra, IRS còn có một số ưuđiểm khác như giá thành thấp, độ phức tạp thấp, năng lượng tiêu thụ không cao vàkhông tạo thêm nhiễu Vì thế, việc tích hợp IRS vào các hệ thống không dây hiệnnay để cải thiện hiệu năng là một yêu cầu thực tiễn rất quan trọng.

Mặt khác, để cải thiện EE của các mạng không dây tương lai và nạp điện chocác thiết bị không dây một cách thuận tiện, truyền thống vô tuyến và truyền tảicông suất đồng thời (SWIPT) là một kỹ thuật đầy hứa hẹn [35, 36, 7] Cụ thể, từtín hiệu nhận được từ trạm phát, một số thiết bị sẽ giải mã thông tin trong khi cácthiết bị khác sẽ thu thập năng lượng Chúng được gọi là các bộ giải mã thông tin(information decoder - ID) và bộ thu năng lượng (energy receiver - ER), theo thứtự [7] Bởi các ER cũng có thể nhận được các tín hiệu mang thông tin, chúng sẽcó khả năng giải mã các tín hiệu mang thông tin cho mục đích gián điệp Do đó,kĩ thuật SWIPT có thể đối mặt với các đe dọa bảo mật, khiến việc truyền thông