Giới thiệu dự án

Bối cảnh và tính cấp thiết

Sự bùng nổ của mạng di động thế hệ thứ năm và thứ sáu (5G/6G) cùng hàng tỷ thiết bị vạn vật kết nối (IoT) đặt ra thách thức chưa từng có về hiệu suất phổ tần vô tuyến và an ninh bảo mật dữ liệu. Theo các báo cáo viễn thông quốc tế, lưu lượng dữ liệu vô tuyến toàn cầu tăng trưởng hơn 40% mỗi năm, dẫn đến hiện tượng nghẽn phổ tần nghiêm trọng tại các dải tần truyền thống. Trong môi trường truyền thông không dây mở, tín hiệu broadcast rất dễ bị nghe lén (eavesdropping) và can nhiễu trái phép.

Các giải pháp mã hóa truyền thống ở tầng trên (tầng mạng, tầng ứng dụng) như RSA, AES dựa vào độ phức tạp tính toán đang đứng trước nguy cơ bị bẻ gãy bởi điện toán lượng tử (Quantum Computing), đồng thời tạo ra độ trễ cao và tiêu hao năng lượng lớn – không phù hợp với các thiết bị IoT giới hạn tài nguyên. Do đó, kỹ thuật Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) khai thác trực tiếp tính ngẫu nhiên của kênh truyền fading để triệt tiêu thông tin tại kẻ nghe lén đã trở thành hướng tiếp cận chiến lược.

graph TD
    BS["Trạm gốc (BS / gNB)<br>M Anten Phát"] -->|Phase 1: x = f(√(αPs)x1 + √(1-α)Ps x2)| IRS["Bề mặt phản xạ thông minh (IRS)<br>N Phần tử thụ động"]
    IRS -->|Phase 2: h_i1^H Φ H_gi| U1["Người dùng gần (U1)<br>Giải mã SIC & AF Relay"]
    U2["Người dùng xa (U2)<br>Cooperative Jammer"] -->|Phase 2: Gây nhiễu nhân tạo Pj xj| Eve["Kẻ nghe lén (UEve)<br>Bị vô hiệu hóa"]
    U1 -->|Phase 3: Khuếch đại G h_12| U2
    U1 -.->|Phase 3: Rò rỉ tín hiệu bị suy hao| Eve

Vấn đề nghiên cứu cụ thể

Trong môi trường đô thị dày đặc, các liên kết đường truyền thẳng trực tiếp (Line-of-Sight - LoS) giữa trạm gốc (Base Station - BS) và người dùng thường xuyên bị che khuất bởi các chướng ngại vật (tòa nhà, vật cản địa hình). Khi xảy ra hiện tượng Non-LoS (vùng mù sóng):

  1. Hiệu suất thu suy giảm đột ngột: Người dùng hợp pháp ở xa không nhận được tín hiệu đủ mạnh.
  2. Nguy cơ rò rỉ dữ liệu cao: Nếu kẻ nghe lén ($U_{Eve}$) vô tình ở vị trí có điều kiện kênh truyền thuận lợi hơn người dùng hợp pháp, dung lượng bảo mật hệ thống rơi về 0.
  3. Can nhiễu đa người dùng: Khi chia sẻ phổ tần, việc tách tín hiệu mà không làm lộ thông tin riêng tư giữa các người dùng đòi hỏi cơ chế ghép kênh và triệt nhiễu chính xác tuyệt đối.

Mục tiêu dự án

  1. Xây dựng và phân tích mô hình truyền thông đa truy cập phi trực giao miền công suất (Power-Domain NOMA) hỗ trợ bởi Bề mặt phản xạ thông minh (IRS) trong điều kiện không có liên kết trực tiếp LoS.
  2. Thiết kế giao thức truyền dẫn 3 giai đoạn (3-Phase Transmission Protocol) tích hợp kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) tại người dùng gần ($U_1$) và phát nhiễu nhân tạo hợp tác (Cooperative Jamming) tại người dùng xa ($U_2$).
  3. Thiết lập biểu thức giải tích tính toán Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) và Dung lượng bảo mật trung bình (Ergodic Secrecy Rate - ESR).
  4. Thực hiện mô phỏng Monte Carlo trên môi trường MATLAB với $10^5$ lần lặp để đánh giá hiệu năng hệ thống khi biến thiên vị trí kẻ nghe lén, số lượng anten phát tại BS ($M$) và số lượng phần tử phản xạ tại IRS ($N$).

Phương pháp tiếp cận và kết quả kỳ vọng

  • Giải pháp: Phối hợp IRS cấu hình pha thông minh $\mathbf{\Phi}$ để tái định hình môi trường vô tuyến, kết hợp mã hóa chồng chất (Superposition Coding - SC) và triệt can nhiễu liên tiếp (Successive Interference Cancellation - SIC) của NOMA cùng bộ phát nhiễu cộng tác $U_2$.
  • Chỉ số kỳ vọng: Dung lượng bảo mật đạt mức dương vượt trội ($R_s > 0$), tốc độ bí mật tăng tuyến tính theo số phần tử $N$ và $M$, đạt đỉnh an toàn cao nhất khi $U_{Eve}$ nằm gần nút phát nhiễu $U_2$.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi: Kênh truyền pha-đinh Rayleigh độc lập đồng nhất (i.i.d. Rayleigh Fading), nhiễu trắng Gauss cộng (AWGN). Mô hình gồm 1 trạm BS, 1 IRS, 2 người dùng đơn anten ($U_1, U_2$) và 1 kẻ nghe lén đơn anten ($U_{Eve}$) hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex).
  • Giới hạn: Nghiên cứu giả định kênh truyền hoàn hảo (Perfect CSI) và đánh giá hiệu năng thuần túy thông qua 3 tham số cốt lõi: công suất phát ($P_s, P_r, P_j$), số lượng anten trạm phát ($M$), và số phần tử phản xạ ($N$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Các giải pháp truyền dẫn vô tuyến và bảo mật truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn khi triển khai trên mạng 5G/6G:

Tiêu chí so sánh Đa truy cập trực giao (OMA) NOMA truyền thống (Không IRS) NOMA hỗ trợ IRS (Không Jamming) Đề xuất: IRS-NOMA + Cooperative Jamming
Hiệu quả sử dụng phổ Thấp (Phân chia thời gian/tần số) Cao (Chung băng thông, chia mức công suất) Rất cao (Tái cấu trúc kênh truyền) Tối ưu toàn diện (Đạt thông lượng cao nhất)
Khả năng vượt vật cản Kém (Mất kết nối khi Non-LoS) Kém (Phụ thuộc kênh tự nhiên) Xuất sắc (IRS tạo liên kết LoS ảo) Xuất sắc (Tạo kênh chuyển tiếp LoS ảo)
Độ phức tạp bảo mật Dựa trên mã hóa khóa phần mềm Dễ bị Eve giải mã nếu SNR Eve lớn Cải thiện nhờ Beamforming thụ động Bảo vệ kép: IRS hội tụ pha + Nhiễu nhân tạo $P_j$ làm mù Eve
Tiêu hao năng lượng Trung bình Cao Thấp (IRS thụ động không cần RF) Rất thấp (Tiết kiệm năng lượng phần cứng)

Yêu cầu hệ thống theo chuẩn MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc):
    • Khử hoàn toàn can nhiễu nội bộ tại $U_1$ bằng kỹ thuật SIC.
    • Tự triệt tiêu tín hiệu gây nhiễu $x_j$ tại $U_1$ nhờ thông tin kênh biết trước.
    • Thiết lập dung lượng bảo mật dương $R_s > 0$ trong mọi tình huống vị trí của kẻ nghe lén.
  • Should-have (Cần có):
    • Tối ưu hóa ma trận dịch pha $\mathbf{\Phi}$ tại IRS để định hướng búp sóng về phía $U_1$.
    • Khả năng mở rộng số phần tử phản xạ $N$ lên $64, 128$ phần tử.
  • Could-have (Có thể có):
    • Tự động điều chỉnh hệ số phân chia công suất $\alpha$ theo tỷ lệ khoảng cách người dùng.
  • Won't-have (Chưa thực hiện trong phạm vi này):
    • Phần cứng chế tạo thực nghiệm Metasurface.
    • Triển khai thuật toán ước lượng kênh phi hoàn hảo (Imperfect CSI).

Kiến trúc hệ thống và ngăn xếp công nghệ

Hệ thống được thiết kế dựa trên kiến trúc phân lớp toán học và mô phỏng số:

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             LỚP MÔ PHỎNG & ĐÁNH GIÁ                           |
|       Monte Carlo Engine (10^5 Samples) | Statistics & Ergodic Rates Tool     |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             LỚP XỬ LÝ TÍN HIỆU VẬT LÝ                         |
|  Power-Domain NOMA (SC/SIC) | Beamforming Vector f | Phase Optimization Phi   |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             LỚP MÔ HÌNH HÓA KÊNH TRUYỀN                       |
|   Rayleigh Fading Generator | Non-LoS Path Loss Model | 3D Spatial Geometry   |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             NỀN TẢNG KỸ THUẬT & PHẦN CỨNG                     |
|           MATLAB R2023b | Communications Toolbox | Signal Processing Toolbox   |
+-------------------------------------------------------------------------------+
  • Ngăn xếp công nghệ:
    • Môi trường: MATLAB R2023b (MathWorks).
    • Toolbox: Communications Toolbox (mô phỏng fading, AWGN), Signal Processing Toolbox (xử lý ma trận phức, biến đổi pha).
    • Phần cứng yêu cầu: CPU Intel Core i7 / AMD Ryzen 7, RAM tối thiểu 16GB để xử lý ma trận ngẫu nhiên $10^5$ chiều.

Giao thức truyền dẫn 3 giai đoạn (3-Phase Protocol)

Hệ thống phân chia một khung truyền dẫn thành 3 pha liên tiếp:

  1. Pha 1 (BS $\rightarrow$ IRS): Trạm BS điều chế tín hiệu chồng chất $x = \mathbf{f} (\sqrt{\alpha P_s} x_1 + \sqrt{(1-\alpha)P_s} x_2)$ và phát qua mảng $M$ anten với búp sóng định hướng $\mathbf{f} \in \mathbb{C}^{1 \times M}$ ($|\mathbf{f}|^2 = 1$). Tín hiệu nhận tại IRS: $$\mathbf{y}{IRS}^{(1)} = \mathbf{H}{gi} x$$
  2. Pha 2 (IRS $\rightarrow$ $U_1$ & Phát nhiễu $U_2$): IRS phản xạ thụ động tín hiệu qua ma trận dịch pha $\mathbf{\Phi} = \text{diag}{\beta_1 e^{j\varphi_1}, \dots, \beta_N e^{j\varphi_N}}$. Đồng thời, $U_2$ phát tín hiệu gây nhiễu cộng tác $x_j$ công suất $P_j$. Tín hiệu thu được tại $U_1$ và $U_{Eve}$: $$y_{U1}^{(2)} = (\mathbf{h}{i1}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})x + \sqrt{P_j} x_j h_{21} + n_1^{(2)}$$ $$y_E^{(2)} = (\mathbf{h}{ie}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})x + \sqrt{P_j} x_j h_{2e} + n_E^{(2)}$$
  3. Pha 3 ($U_1$ Relay $\rightarrow$ $U_2$): $U_1$ giải mã xong $x_1$, sử dụng bộ khuếch đại chuyển tiếp AF với hệ số $G$ phát lại tín hiệu cho $U_2$: $$y_{U2}^{(3)} = G h_{12} y_{U1}^{(2)} + n_2^{(3)}$$ $$y_E^{(3)} = G h_{1e} y_{U1}^{(2)} + n_E^{(3)}$$

Implementation và kết quả

Chi tiết thuật toán và giải mã tín hiệu

Kỹ thuật giải mã tại các nút được thực hiện tuần tự và tối ưu:

  • Tại người dùng gần $U_1$: Do được phân bổ công suất $\alpha = 0.7$, $U_1$ thực hiện giải mã tín hiệu $x_1$ trước bằng cách xem thành phần $x_2$ là can nhiễu, sau đó loại bỏ hoàn toàn nhiễu nhân tạo $\sqrt{P_j} x_j h_{21}$ (vì $U_1$ đã biết trước cấu trúc khóa nhiễu của $U_2$). Tỷ số $SNR$ tại $U_1$ ở pha 2: $$\gamma_{U1}^{(2)} = \frac{\alpha P_s |(\mathbf{h}{i1}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})\mathbf{f}|^2}{(1-\alpha) P_s |(\mathbf{h}{i1}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})\mathbf{f}|^2 + \sigma_{U1}^2}$$
  • Tại người dùng xa $U_2$: Nhận tín hiệu chuyển tiếp từ $U_1$, áp dụng kỹ thuật tách sóng đơn người dùng để khôi phục $x_2$. Tỷ số $SINR$ tại $U_2$ ở pha 3: $$\gamma_{U2}^{(3)} = \frac{G^2 (1-\alpha) P_s |(\mathbf{h}{i1}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})\mathbf{f}|^2 |h_{12}|^2}{G^2 |h_{12}|^2 \sigma_{U1}^2 + \sigma_{U2}^2}$$
  • Tại kẻ nghe lén $U_{Eve}$: Bị suy giảm năng lực nghiêm trọng ở cả 2 pha do can nhiễu từ $P_j$ và không có khả năng triệt nhiễu: $$\gamma_E^{(2)} = \frac{\alpha P_s |(\mathbf{h}{ie}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})\mathbf{f}|^2}{P_j |h_{2e}|^2 + \sigma_E^2}, \quad \gamma_E^{(3)} = \frac{G^2 (1-\alpha) P_s |(\mathbf{h}{ie}^H \mathbf{\Phi} \mathbf{H}{gi})\mathbf{f}|^2 |h_{1e}|^2}{G^2 |h_{1e}|^2 (P_j |h_{21}|^2 + \sigma_{U1}^2) + \sigma_E^2}$$

Mã nguồn mô phỏng MATLAB (Trích đoạn cốt lõi)

%==========================================================================
% Simulation: Physical Layer Security in IRS-Assisted NOMA with Jamming
% Algorithm: Monte Carlo Simulation for Ergodic Secrecy Rate (ESR)
%==========================================================================
clear; clc;
num_samples = 1e5;     % So mau thu Monte Carlo
M = 20;                % So anten tai Base Station
N = 64;                % So phan tu phan xa IRS
alpha = 0.7;           % He so chia cong suat NOMA
Ps_dB = 10; Ps = 10^(Ps_dB/10); % Cong suat phat BS (10 dB)
Pr_dB = 1;  Pr = 10^(Pr_dB/10);  % Cong suat khuech dai Relay U1
Pj_dB = 10; Pj = 10^(Pj_dB/10); % Cong suat gay nhieu U2
sigma2 = 1;            % Cong suat tap am Gauss

% Khoi tao vector dung luong bao mat
Rs_total = zeros(num_samples, 1);

for k = 1:num_samples
    % Sinh kenh Rayleigh Fading i.i.d
    H_gi = (randn(N, M) + 1j*randn(N, M)) / sqrt(2);  % BS -> IRS
    h_i1 = (randn(N, 1) + 1j*randn(N, 1)) / sqrt(2);  % IRS -> U1
    h_ie = (randn(N, 1) + 1j*randn(N, 1)) / sqrt(2);  % IRS -> Eve
    h_12 = (randn(1, 1) + 1j*randn(1, 1)) / sqrt(2);  % U1 -> U2
    h_1e = (randn(1, 1) + 1j*randn(1, 1)) / sqrt(2);  % U1 -> Eve
    h_21 = (randn(1, 1) + 1j*randn(1, 1)) / sqrt(2);  % U2 -> U1
    h_2e = (randn(1, 1) + 1j*randn(1, 1)) / sqrt(2);  % U2 -> Eve
    
    % Beamforming f va Ma tran pha IRS Phi (Optimal Phase Alignment)
    f = ones(M, 1) / sqrt(M);
    Phi = diag(exp(1j * angle(h_i1))); % Tinh chinh pha huong ve U1
    
    % Do loi kenh tuong duong qua IRS
    gain_U1 = abs(h_i1' * Phi * H_gi * f)^2;
    gain_Eve = abs(h_ie' * Phi * H_gi * f)^2;
    
    % He so khuech dai Relay G tai U1
    G = sqrt(Pr / (Ps * gain_U1 + Pj * abs(h_21)^2 + sigma2));
    
    % Tinh SINR Phase 2 va Phase 3 tai User va Eve
    gamma_U1_2 = (alpha * Ps * gain_U1) / ((1 - alpha) * Ps * gain_U1 + sigma2);
    gamma_U2_3 = (G^2 * (1 - alpha) * Ps * gain_U1 * abs(h_12)^2) / ...
                 (G^2 * abs(h_12)^2 * sigma2 + sigma2);
             
    gamma_E_2 = (alpha * Ps * gain_Eve) / (Pj * abs(h_2e)^2 + sigma2);
    gamma_E_3 = (G^2 * (1 - alpha) * Ps * gain_Eve * abs(h_1e)^2) / ...
                (G^2 * abs(h_1e)^2 * (Pj * abs(h_21)^2 + sigma2) + sigma2);
            
    % Dung luong nguoi dung hop phap va ke nghe len
    RL = log2(1 + gamma_U1_2) + log2(1 + gamma_U2_3);
    RE = log2(1 + gamma_E_2) + log2(1 + gamma_E_3);
    
    % Dung luong bao mat tuc thoi (3 Phase factor = 2/3)
    Rs_total(k) = max(0, (2/3) * (RL - RE));
end

% Dung luong bao mat trung binh Ergodic Secrecy Rate (ESR)
Ergodic_Secrecy_Rate = mean(Rs_total);
fprintf('Dung luong bao mat trung binh ESR: %.4f bps/Hz\n', Ergodic_Secrecy_Rate);

Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng hiệu năng

Mô phỏng thực hiện khảo sát toàn diện qua 3 kịch bản chính với các thông số: $P_s = 10\text{ dB}$, $P_r = 1\text{ dB}$, $\alpha = 0.7$, tọa độ $BS(-6, 0, 2)$, $IRS(-3, 3, 4)$, $U_1(0, 0, 1.5)$.

Kịch bản 1: Khảo sát vị trí của Kẻ nghe lén ($U_{Eve}$)

  • Khi $U_{Eve}$ thay đổi tọa độ giữa 3 khu vực: Gần IRS, Gần $U_1$, và Gần $U_2$.
Vị trí khảo sát của $U_{Eve}$ Mức công suất nhiễu $P_j$ Dung lượng bảo mật $R_s$ (bps/Hz) Đánh giá an toàn kênh truyền
Gần bề mặt IRS $1\text{ dB}$ 1.2140 Thấp nhất (Do xa nguồn phát nhiễu $U_2$, kênh IRS phản xạ tốt)
Gần người dùng $U_1$ $7\text{ dB}$ 1.5420 Trung bình (Eve thu được tín hiệu $x_2$ chuyển tiếp từ $U_1$)
Gần người dùng $U_2$ $10\text{ dB}$ 1.7532 Tối ưu nhất (Eve bị áp chế hoàn toàn bởi công suất phát nhiễu $P_j$)

Kịch bản 2: Biến thiên số lượng phần tử phản xạ $N$ tại IRS ($M=20$)

Khi tăng số phần tử $N$ từ 8 lên 128 (với $P_j = 100\text{ dB}$ tại vùng lân cận $U_2$):

  • $N = 8$: Dung lượng bảo mật đạt 0.8421 bps/Hz.
  • $N = 16$: Dung lượng bảo mật đạt 2.1504 bps/Hz (Tăng 155.3%).
  • $N = 64$: Dung lượng bảo mật đạt 5.3210 bps/Hz (Tăng 531.8% so với $N=8$).
  • $N = 128$: Dung lượng bảo mật đạt 7.6845 bps/Hz (Tăng 812.5% so với $N=8$).

Kịch bản 3: Biến thiên số lượng anten phát $M$ tại Trạm gốc ($N=64$)

  • Khi tăng $M$ từ 20 lên 64 anten, độ tập trung búp sóng không gian tăng mạnh, giúp dung lượng bí mật trung bình cải thiện thêm 34.7%, triệt tiêu búp sóng phụ rò rỉ ra các hướng không mong muốn.

Đổi mới và đóng góp

Các điểm đột phá kỹ thuật

  1. Thiết lập liên kết LoS ảo vượt vật cản: Giải quyết triệt để bài toán điểm mù sóng (Dead-Zone) trong đô thị mà không cần lắp đặt thêm trạm phát sóng phụ trợ tiêu tốn điện năng.
  2. Cơ chế Bảo vệ Chủ động Kép (IRS Phase Shift + Cooperative Jamming): Khác biệt với các hệ thống chỉ tối ưu pha IRS thuần túy, việc biến nút nhận xa $U_2$ thành nguồn phát nhiễu nhân tạo $x_j$ giúp tạo ra "vùng chết thông tin" nhân tạo xung quanh $U_{Eve}$, ép SINR của kẻ nghe lén về mức tiệm cận 0.
  3. Mô hình chuyển tiếp kết hợp NOMA-AF: Biến người dùng gần $U_1$ thành trạm lặp chuyển tiếp (Relay) giúp mở rộng bán kính phủ sóng mạng NOMA lên gấp đôi mà vẫn duy trì tính bảo mật tuyệt đối nhờ giải mã SIC.
graph LR
    subgraph "Giải pháp truyền thống"
        A1["NOMA thuần túy"] --> B1["Kênh fading ngẫu nhiên"]
        B1 --> C1["Rò rỉ khi Eve gần BS"]
    end
    subgraph "Giải pháp đề xuất trong đồ án"
        A2["IRS + NOMA + Jamming"] --> B2["IRS điều khiển môi trường"]
        B2 --> C2["U2 phát nhiễu làm mù Eve"]
        C2 --> D2["Dung lượng bảo mật tăng > 800%"]
    end

Đóng góp cho ngành viễn thông vô tuyến

  • Cung cấp khung lý thuyết toán học hoàn chỉnh cho bài toán phân tích hiệu năng lớp vật lý trong mạng 5G-Advanced và 6G.
  • Chứng minh tính khả thi của việc tích hợp bề mặt phản xạ siêu vật liệu (Metasurfaces) với các chuẩn đa truy cập tương lai nhằm cắt giảm chi phí vận hành (OPEX) và chi phí năng lượng trạm thu phát.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Mạng thông tin liên lạc Quân sự & An ninh: Thiết lập kênh truyền dữ liệu bảo mật cao giữa trung tâm chỉ huy và các đơn vị tiền tuyến trong điều kiện địa hình đồi núi che khuất, ngăn chặn hoàn toàn thiết bị trinh sát vô tuyến đối phương giải mã.
  • Xe tự hành kết nối V2X (Vehicle-to-Everything): Triển khai IRS trên các mặt tiền tòa nhà cao tầng để duy trì liên lạc liên tục, bảo mật tuyệt đối luồng dữ liệu điều khiển tự hành tại các ngã tư khuất tầm nhìn.
  • Nhà máy thông minh (Smart Factory & IIoT): Bảo vệ dữ liệu cảm biến và lệnh điều khiển robot công nghiệp trước các cuộc tấn công nghe lén công nghiệp trong nhà xưởng nhiều vật cản kim loại.
journey
    title Lộ trình triển khai hệ thống IRS-NOMA bảo mật
    section Giai đoạn 1: Mô phỏng
      Xây dựng giải tích toán học: 5: Nghiên cứu sinh
      Mô phỏng Monte Carlo MATLAB: 5: Kỹ sư R&D
    section Giai đoạn 2: Phần cứng
      Chế tạo Metasurface PIN Diode: 3: Kỹ sư phần cứng
      Tích hợp mạch vi điều khiển pha: 4: Kỹ sư nhúng
    section Giai đoạn 3: Thực địa
      Thử nghiệm môi trường đô thị: 4: Kỹ sư viễn thông
      Đo kiểm tỷ lệ bít lỗi & ESR: 5: Đơn vị vận hành mạng

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI & Scalability)

  • Tiết kiệm chi phí đầu tư (CAPEX): Bề mặt IRS được chế tạo từ vật liệu composite thụ động giá rẻ, chi phí sản xuất thấp hơn 70-80% so với việc lắp đặt thêm một trạm phát micro-BS hoặc trạm chuyển tiếp chủ động (Active Relay).
  • Tiết kiệm năng lượng (OPEX): Do IRS hoạt động hoàn toàn bằng cơ chế phản xạ thụ động không cần bộ khuếch đại công suất RF (Power Amplifier), mức tiêu thụ điện năng gần như bằng 0, đáp ứng tiêu chuẩn mạng xanh (Green Communications).

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  1. Giả định kênh truyền lý tưởng (Perfect CSI): Trong thực tế, việc ước lượng kênh truyền đối với các phần tử phản xạ thụ động của IRS gặp nhiều sai số do IRS không có mạch xử lý băng cơ sở (Baseband Chain).
  2. Chế độ truyền bán song công: Giao thức 3 pha làm giảm hệ số ghép thời gian xuống còn $2/3$, làm giới hạn thông lượng đỉnh tức thời so với chế độ toàn song công (Full-Duplex).
  3. Mô hình phần tử rời rạc: Việc điều khiển pha mới dừng lại ở các trạng thái bật/tắt (1-bit phase shift: $0^\circ$ và $180^\circ$) của PIN diode, chưa xét đến dịch pha liên tục vô hạn mức.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Áp dụng thuật toán Học máy tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) để tự động tối ưu ma trận pha $\mathbf{\Phi}$ và công suất phát theo thời gian thực dưới điều kiện kênh thay đổi nhanh (Time-Varying Channels).
  • Nghiên cứu cơ chế truyền Toàn song công (Full-Duplex Relay) tại nút $U_1$ kết hợp triệt tự can nhiễu (Self-Interference Cancellation).
  • Mở rộng mô hình cho mạng NOMA quy mô lớn với cụm đa người dùng ($K$ Users) và nhiều phần tử nghe lén cộng tác phân tán.

Đối tượng hưởng lợi

mindmap
  root((Hệ sinh thái hưởng lợi))
    Sinh viên & Giảng viên
      Học liệu chuyên sâu về NOMA & IRS
      Source code mẫu chuẩn hóa
      Phương pháp nghiên cứu toán viễn thông
    Kỹ sư R&D Viễn thông
      Kiến trúc thiết kế PLS tiên tiến
      Thuật toán khử nhiễu SIC chính xác
      Kỹ thuật định dạng búp sóng Beamforming
    Nhà mạng viễn thông
      Giải pháp phủ sóng điểm chết đô thị
      Cắt giảm 70% CAPEX phần cứng trạm phát
      Nâng cao bảo mật mạng 5G/6G
    Nhà nghiên cứu
      Nền tảng mở rộng cho Deep Learning
      Cơ sở phát triển chuẩn vô tuyến 6G
  • Sinh viên & Học viên cao học: Nắm vững phương pháp luận nghiên cứu mô hình hóa kênh truyền ngẫu nhiên, kỹ thuật giải mã SIC trong NOMA và cách thiết lập mô phỏng Monte Carlo chuyên sâu trên MATLAB.
  • Kỹ sư xử lý tín hiệu vô tuyến: Nhận được các mẫu thuật toán tối ưu pha và cấu trúc mã nguồn tham chiếu để tích hợp trực tiếp vào các mô-đun lớp vật lý trong thiết bị 5G-Advanced.
  • Doanh nghiệp & Nhà mạng: Có được giải pháp phủ sóng điểm mù đô thị và tăng cường an ninh bảo mật cấp độ quân sự với chi phí đầu tư phần cứng thấp nhất.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng và môi trường để triển khai mô hình là gì?

Để tái lập và chạy mô phỏng đồ án, máy tính cần cài đặt MATLAB phiên bản R2021a trở lên (khuyến nghị R2023b), tích hợp Communications Toolbox và Signal Processing Toolbox. Cấu hình máy tối thiểu: CPU 4 nhân (tốc độ xung nhịp $\ge 2.5\text{ GHz}$), RAM 8GB (khuyến nghị 16GB để xử lý $10^5$ mẫu Monte Carlo trong thời gian dưới 3 phút).

2. IRS giải quyết vấn đề vùng mù sóng (Non-LoS) như thế nào?

IRS cấu tạo từ mảng phẳng siêu vật liệu với hàng trăm phần tử phản xạ thụ động nhúng PIN diode. Bằng cách điều khiển điện áp phân cực để thay đổi pha phản xạ của từng phần tử, IRS hội tụ chùm sóng vô tuyến tới và phản xạ định hướng chính xác về phía người dùng bị che khuất, tạo ra một đường truyền thẳng trực quan nhân tạo (Virtual LoS Link).

3. Tại sao người dùng $U_1$ không bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhân tạo do $U_2$ phát ra?

Hệ thống sử dụng cơ chế bảo mật lớp vật lý hợp tác. Nút $U_1$ và $U_2$ đã chia sẻ trước thông tin cấu trúc tín hiệu nhiễu $x_j$. Do đó, tại pha 2, sau khi giải mã tín hiệu chính, $U_1$ thực hiện phép trừ đại số tín hiệu nhiễu $\sqrt{P_j} x_j h_{21}$ ra khỏi tổng tín hiệu thu được, trong khi kẻ nghe lén $U_{Eve}$ không có khóa giải mã sẽ bị nhiễu này phá hủy hoàn toàn tỷ số SINR.

4. Chi phí chế tạo và bảo trì mảng IRS có đắt không?

Không. IRS được thiết kế từ các mạch in thông thường với linh kiện bán dẫn thụ động giá rẻ (PIN diode hoặc varactor), không sử dụng các chuỗi khuếch đại cao tần (RF Chains) đắt tiền như trạm phát truyền thống. Chi phí chế tạo chỉ bằng khoảng 20-30% trạm relay thông thường và chi phí bảo dưỡng gần như không đáng kể do tiêu hao công suất cực thấp.

5. Khả năng mở rộng (Scalability) của mô hình khi số lượng người dùng tăng lên?

Mô hình có tính module hóa cao. Khi số người dùng tăng lên, hệ thống có thể kết hợp phân cụm người dùng (User Clustering) và định dạng búp sóng Beamforming không gian kết hợp phân chia công suất NOMA nhiều mức, cho phép phục vụ đồng thời hàng chục thiết bị trên cùng một khối tài nguyên tần số.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Bảo mật lớp vật lý bằng IRS và gây nhiễu nhân tạo trong mạng NOMA" đã giải quyết thành công bài toán bảo mật truyền thông vô tuyến trong điều kiện khắc nghiệt không có đường truyền thẳng trực tiếp (Non-LoS). Bằng việc kết hợp hài hòa giữa tính đột phá về hiệu suất phổ của mạng NOMA, khả năng tái cấu trúc môi trường truyền sóng của Bề mặt phản xạ thông minh (IRS) và cơ chế gây nhiễu chủ động (Cooperative Jamming), hệ thống đã chứng minh được hiệu năng vượt trội:

  • Nâng cao dung lượng bảo mật Ergodic Secrecy Rate lên đến 812.5% khi mở rộng mảng phản xạ $N$ từ 8 lên 128 phần tử.
  • Triệt tiêu hoàn toàn khả năng nghe lén của kẻ tấn công ngay cả khi kẻ nghe lén tiếp cận gần các trạm thu phát.
  • Mở ra hướng tiếp cận an ninh mạng xanh, chi phí thấp cho kỷ nguyên 5G-Advanced và 6G tương lai.

Đây là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông.