Để đáp ứng mục tiêu tăng dung lượng mạng lên 1000 lần và phổ cập kết nối mạng khơng 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 cơng nghệ này vẫn tồn tại những nhược điểm lớn như độ phức tạp và 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 khơng những tốn kém chi phí mà cịn gây ra can nhiễu trầm trọng. Hay với Massive MIMO, khi hoạt động ở băng mmWave hay ter ahertz, các tiến trình xử lí tín hiệu phức tạp địi hỏi sự hỗ trợ của các chuỗi RF (radio frequency) đắt đỏ. Hơn nữa, việc có quá nhiều thành phần hoạt động như relay, remote radio head cũng khiến vấn đề can nhiễu thêm nghiêm trọng [12]. Vì thế, yêu cầu tìm ra các phương pháp cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng, đồng thời hạ thấp chi phí của hệ thống càng trở nên cấp bách và khẩn thiết. Ngồi ra, việc truyền dẫn tín hiệu với các công nghệ trên hầu như không kiểm sốt được. Đó cũng là những động lực để một cơng nghệ mới ra đời với khả năng tái cấu hình mơi trường truyền dẫn khơng dây thơng qua kiểm sốt sự phản xạ bằng phần mềm [13]; gọi là bề mặt phản xạ thông minh (IRS). Về cơ bản, IRS là một bề mặt hai chiều gồm các phần tử phản xạ thụ động, chi phí thấp. Mỗi phần tử có thể tạo ra một sự thay đổi về biên độ và/hoặc pha trên sóng tới một cách độc lập, từ đó thay đổi cách thức lan truyền của sóng phản xạ. Ý tưởng này tỏ ra khá triển vọng trong nhiều bài tốn thực tế. Ví dụ, với những người dùng nằm ở “vùng chết” của trạm gốc (có vật cản ở giữa), IRS có thể tạo ra một đường truyền LoS ảo giữa chúng. Hoặc nếu người dùng ở rìa của tế bào, phải chịu sự suy giảm tín hiệu do khoảng cách xa, IRS có thể làm tăng cường tín hiệu nhận được. Ngồi ra, trong vấn đề bảo mật, IRS có thể được điều chỉnh để làm yếu đi tín hiệu nhận được ở thiết bị gián điệp, từ đó hạn chế nguy cơ rị rỉ thơng tin. Cần lưu ý rằng, IRS không phải là thành phần của bên phát hay bên thu, mà là một thành phần điều khiển được của môi trường truyền dẫn với nhiệm vụ duy nhất là phản xạ lại tín hiệu đến một cách “thụ động”; do đó cơng suất tiêu thụ của IRS là không đáng kể. Hiện nay, việc sử dụng 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 phát cóNt antenna, IRS cóM phần tử và bên thu cóNr antenna. Gọi các kênh truyền từ bên phát đến IRS, IRS đến bên thu và bên phát đến bên thu lần lượt làF∈CM×Nt,
Hr∈CNr×M,Hd∈CNr×Nt. Đặtθ= [θ1, ..., θM]và gọiΘ=diag(θ)là ma trận hệ số
phản xạ của IRS, trong đó θm =βmejφm với βm ∈[0,1], ϕm ∈[0,2π), m = 1, ..., M
lần lượt là những thay đổi về biên độ và pha mà phần tử thứm 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 tín hiệu trực tiếp từ bên phát và tín hiệu phản xạ từ IRS, với biểu diễn như sau:
y= (Hd+HrΘF)x+n, (2.7)
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 và 1 bộ điều khiển. Ở lớp ngoài cùng, các miếng kim loại nằm trên chất nền điện mơi đóng vai trị như các phần tử phản xạ sẽ tương tác trực tiếp với tín hiệu tới. Để ngăn ngừa sự thất thốt 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 chỉnh biên độ hay độ dịch pha phản xạ cho từng phần tử. Lớp này được kích hoạt bởi một bộ điều khiển thông minh kết nối với IRS, thông thường là field-programmable gate array (FPGA) [13]. Hình 2.2 thể hiện mơ hình truyền dẫn của một phần tử phản xạ trong IRS, trong đó L1 là điện cảm ở lớp trong cùng; L2, Cm, Rm lần lượt là điện cảm, điện dung và điện trở hiệu dụng ở lớp ngoài cùng (m ký hiệu cho phần tử thứ
m) [3]. Theo đó, trở kháng tương đương của phần tử phản xạ thứ m là
Zm(Cm, Rm) =
jωL1jωL2+jωCm1 +Rm jωL1+jωL2+ 1
jωCm +Rm,
(2.8)
với ω là tần số góc của tín hiệu tới. Từ đó, hệ số phản xạ θm được tính bằng
θm = Zm(Cm, Rm)−Z0
Zm(Cm, Rm) +Z0, (2.9)
vớiZ0 là trở kháng tự do. Bằng cách thay đổi Rm vàCm hợp lý, ta có thể điều chỉnh biên độ và độ dịch pha của tia phản xạ.
Hình 2.2: Mơ hình truyền dẫn của một phần tử phản xạ [3].