Mở đầu 1.1 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 5G và các thế hệ kế tiếp, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 6 (Sixth generation wireless communications - 6GWC) đã đặt ra các yêu cầu và thách thức mới về cả dịch vụ và sự vận hành hiệu quả. Cụ thể, về chất lượng dịch vụ (QoS), so với 5G, 6GWC cần phải đáp ứng các yêu cầu như biểu đồ mạng nhện ở Hình 1.1 Dung lượng vùng 0.02 Hiệu suất phổ (Gb/s/m2) 1 0.01 1× 1× 100× 10× 500 Tính di động Hiệu suất năng lượng IMT-2020 (5G) 1000 (km/h) 106 1 107 0.1 Mật độ kết nối Độ trễ (ms) (thiết bị/km2) Hình 1.4: So sánh những yêu cầu về chất lượng và hiệu năng của 5G và 6G [10]. Tốc độ dữ liệu đỉnh của 6G phải đạt ít nhất 1 Tbps, Tốc độ dữ liệu do người dùng trải nghiệm là 1 Gb/s, gấp 10 lần tốc độ của 5G, Độ trễ trong không khí từ 10 − 100 µs và tính di động cao (>= 1000 km/h). Điều này sẽ cung cấp chất lượng trải nghiệm có thể chấp nhận được cho các tình huống như siêu HSR và hệ thống hàng không, 8 Chương 1 - Mở đầu Mật độ kết nối gấp 10 lần 5G.
Điều này sẽ đạt tới 107 thiết bị/km2 và dung lượng vùng lên đến 1 Gb/s/m2 cho các tình huống như điểm phát sóng, 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 (extended reality - XR), tương tác bộ não - máy tính (Brain-Computer Interactions - BCI), hệ 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 Distributed Ledger Technologies - DLT) [11].4, có thể thấy sự phát triển vượt bậc của 6G và điều này sẽ kéo theo sự phát triển của nhiều nhiều công nghệ, ngành dịch vụ liên quan. Do vậy, việc khảo sát, nghiên cứu về các kỹ thuật đáp ứng được các yêu cầu của 6G là vấn đề tất yếu quan trọng.2 Các kỹ thuật của 6G Hiện nay, nhiều kỹ thuật đã và đang được nghiên cứu để đáp ứng các tiêu chuẩn của 6G [12]. Điển hình có thể kể đến một vài kỹ thuật sau: Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI): AI cung cấp “trí khôn” và tính tự động cho các hệ thống, cũng là điều mà 6G hướng đến.
Do đó AI có thể được xem là một trong những công nghệ thiết yếu và có giá trị cao trong tương lai của mạng không dây. Khi được huấn luyện tốt, các mô hình sẽ có khả năng ra quyết định một cách nhanh chóng và chính xác. 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 của tế bào khá yếu. Do đó, thay vì để mỗi tế bào có một trạm gốc phục vụ, người ta bỏ đi 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 (Si- multaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT): Trong mạng thế hệ mới, các thiết bị thông minh có thể vừa truy cập vào hệ thống, vừa tương 9 Chương 1 - Mở đầu tác với các thiết bị khác. Lúc này, các module sạc pin được yêu cầu phải đáp ứng những ràng buộc về mức tiêu thụ điện năng cực thấp. Đó chính là động lực của SWIPT cho phép các cảm biến được sạc khi khai thác truyền công suất không dây. Sau đó, các thiết bị không có pin có thể được hỗ trợ trong 6G, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng của mạng.
Phần tử phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surfaces hoặc Intel- ligent Reflective Surfaces - IRS): Nằm trong số các kỹ thuật nổi bật trong công nghệ truyền thông vô tuyến, kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh IRS đã rất được giới nghiên cứu quan tâm vì các lợi ích mà kỹ thuật này mang lại. IRS sử dụng 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 năng lượng. Tiếp tục theo hướng phát triển này, luận văn sẽ nghiên cứu các vấn đề thách thức của một hệ thống IRS nhằm đưa ra các giải pháp thiết kế để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Chi tiết về kỹ thuật IRS sẽ được nêu rõ trong Phần 2.4 Vấn đề bảo mật lớp vật lý (PLS) Do nhu cầu ngày càng tăng trong việc truyền các dữ liệu riêng tư và nhạy cảm qua mạng vô tuyến đã khiến bảo mật trở thành mối quan tâm hàng đầu trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay và cả tương lai.
Để giải quyết được 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 nghiên cứu một giải pháp thay thế, khai thác các đặc trưng quan trọng của kênh truyền vô tuyến, với tên gọi là bảo mật lớp vât lý (PLS). Phương pháp này được mong đợi sẽ mang lại nhiều hiệu quả cho việc bảo mật ở các mạng không dây trong tương lai [13].5 sẽ trình bày chi tiết hơn về PLS. 10 Chương 1 - Mở đầu 1.2 Lý do chọn đề tài Từ các vấn đề được nêu ra trong những phần trước, tác giả xét thấy việc cải thiện hiệu năng của hệ thống mạng vô tuyến là một lĩnh vực tiềm năng và có sự ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất của hệ thống thông tin và truyền thông trong tương lai.
Qua đó, nhiệm vụ mà luận văn hướng tới là sẽ phân tích một hệ thống thông tin vô tuyến có sự kết hợp giữa kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh IRS và kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA với mục đích là nâng cao hiệu năng bảo mật. Một số định hướng chính trong luận văn này có thể được trình bày tóm tắt như sau (chi tiết về kỹ thuật được trình bày trong các phần sau): Kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS): là một kỹ thuật được đề xuất cho mạng thông tin vô tuyến 6G bằng cách tận dụng các đặc tính độc đáo của siêu vật liệu và mảng lớn ăng-ten rẻ tiền để tăng hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng. Cụ thể, IRS bao gồm một mảng các đơn vị thụ động có thể cấu hình lại, trong đó mỗi đơn vị có thể tạo ra sự thay đổi biên độ và pha đối với tín hiệu tới. Bằng cách điều chỉnh thích hợp hệ số biên độ và hệ số dịch pha của các phân tử phản xạ, kỹ thuật IRS cải thiện đáng kể chất lượng kênh liên kết và mở rộng phạm vi phủ sóng [14].
Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) được xem là một trong những kỹ thuật truy cập vô tuyến với hiệu quả truyền dẫn đầy hứa hẹn giúp cải thiện đáng kể hiệu suất phổ của các mạng thông tin di động thế hệ sau. 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 riêng tư trong truyền thông sẽ là một trong các tiêu chí thiết kế cần được đảm bảo. Các kỹ thuật mật mã hóa dựa trên hệ thống mật mã khóa công khai Rivest-Shamir-Adleman sẽ không còn hiệu quả với mạng truyền thông có dữ liệu lớn và độ trễ cực thấp. Do đó, bảo mật lớp vật lý sẽ là kỹ thuật có 11 Chương 1 - Mở đầu tiềm năng và cần được nghiên cứu trong mô hình mạng vô tuyến thế hệ sau [1, 15].
Nâng cao hiệu năng của mạng thông tin vô tuyến: là một chủ đề đã và đang thu hút sự quan tâm, nghiên cứu từ các chuyên gia. Có nhiều cách để cải thiện hiệu năng nhưng gần đây kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh IRS đang nổi lên như một giải pháp nâng cao hiệu suất tiềm năng cho các mạng thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo [14]. Như vậy, luận văn sử dụng kỹ thuật phần tử phản xạ thông minh (IRS) kết hợp với bảo mật lớp vật lý để đạt được mục tiêu là nâng cao hiệu năng bảo mật của hệ thống. Mục đích này hướng đến việc thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến trong tương lai khi chúng phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng và năng lượng 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 hiệu năng của hệ thống thông tin sử dụng phần tử phản xạ thông minh.” Tên tiếng Anh: “Performance Analysis of Communication Systems Using Intelligent Reflective Surfaces.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Luận văn dự kiến sẽ đạt được những mục tiêu như sau: Cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền thông vô tuyến 6G, vấn đề bảo mật lớp vật lý, IRS và NOMA. Giải quyết bài toán phân tích, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống CR IRS được hỗ trợ bởi NOMA thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng. Giải quyết bài toán phân tích, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống IRS được hỗ trợ bởi NOMA có các đường trực tiếp thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng. 12 Chương 1 - Mở đầu 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Về đối tượng nghiên cứu, luận văn tập trung vào: Hệ thống bảo mật CR NOMA được hỗ trợ bởi IRS.
Hệ thống bảo mật IRS được hỗ trợ bởi NOMA với các đường trực tiếp.2 Phạm vi nghiên cứu Về phạm vi nghiên cứu, luận văn giới hạn ở một số điểm sau Phần cứng của hệ thống là hoàn hảo. Độ dịch pha mà các phần tử IRS có thể tạo ra là liên tục trong [0, 2π].5 Phương pháp nghiên cứu và đóng góp của luận văn 1.1 Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài này, phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kế thừa các công trình nghiên cứu trước đây. Khảo sát các công trình liên quan sau đó phân tích, tổng hợp, và đánh giá ưu, nhược điểm. Tiếp đến là đề xuất một hay nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm, phát huy ưu điểm dựa trên các đặc tính kỹ thuật, và đưa ra hướng giải quyết cho giải pháp đã đề xuất.
