Mở đầu 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. Chương 3: giải quyết bài toán tối ưu tốc độ bảo mật của hệ thống CR MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng. Chương 4: giải quyết bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS thông qua việc thiết lập mô hình toán, phát triển giải thuật và thực hiện các mô phỏng. Chương 5: tổng kết lại các vấn đề nghiên cứu và đề xuất các hướng phát triển cho luận văn.7 Bài 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 MIMO Cognitive Radio Systems with SWIPT”, 2022 IEEE 9th International Conference on Communications and Electronics, Jun.
9 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương này đề cập đến một số lý thuyết cơ bản để giải quyết các bài toán được đặt ra ở các chương sau, bao gồm một số khái niệm, mô hình, công nghệ trong các hệ thống viễn thông và những kiến thức toán bổ trợ. Trước tiên, các loại kênh truyền trong hệ thống viễn thông và định nghĩa của hiệu suất phổ, hiệu suất năng lượng được mô tả. Tiếp theo, tác giả cung cấp cái nhìn tổng quan về các công nghệ như bề mặt phản xạ thông minh, hệ thống vô tuyến nhận thức, hệ thống truyền thông tin và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời và mô hình bảo mật lớp vật lý. Cuối cùng, nền tảng toán học được sử dụng để giải quyết các bài toán trong luận văn được trình bày, gồm toán tối ưu lồi, thuật toán Inexact Block Coordinate Descent, thuật toán Dinkelbach, phương pháp hàm phạt và thuật toán Majorization - Minimization.
10 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết 2.1 Một số khái niệm, mô hình và công nghệ trong các hệ thống viễn thông 2.1 Kênh truyền trong hệ thống viễn thông Kênh truyền giữa bên phát và bên thu được chia làm hai loại: truyền thẳng (line of 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 vật thể 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 tính đồng nhất (uniform linear array, ULA), tức M antenna thẳng hàng và hai antenna kề nhau cách nhau một khoảng ∆ = λdH.
Trong thực tế, thông thường khoảng cách giữa 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, nó hầu như là phẳng. Những giả sử này cho phép ta tính độ lệch pha của tín hiệu khi đến các antenna dễ dàng hơn. Cụ thể, lấy antenna đầu tiên làm chuẩn với góc tới ϕ, 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 như sau: T (2. e−j2πdH (M −1) sin φ , trong đó β là độ lợi kênh truyền. Tổng quát, với trường hợp MIMO mà bên phát có 11 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết K antenna và bên thu có M antenna, ma trận kênh truyền là G ∈ CM ×K , với p −j2πd sin φ T −j2πd sin φ .2) p T = β gM gK , trong đó gM ∈ CM ×1 là kênh truyền giữa antenna đầu tiên của bên phát và tất cả antenna của bên thu, còn gK ∈ CK×1 là kênh truyền giữa antenna đầu tiên của bên thu và tất cả antenna của bên phát. Một điểm quan trọng cần lưu ý là rank(G) = 1.
Kênh truyền NLoS, ngược lại, là trường hợp khi bên phát và bên thu không thấy nhau, tức không tồn tại đường truyền LoS. Tuy nhiên, môi trường truyền dẫn có rất nhiều vật thể có thể tán xạ lại tín hiệu và ta chỉ xét các tín hiệu được tán xạ một lần. Xét trường hợp cả bên phát và bên thu chỉ có 1 antenna. Giả sử tín hiệu từ bên phát đến bên thu theo L đường, mỗi đường có thể xem là LoS với quãng đường di , i = 1,.
Đáp ứng kênh truyền là tổng theo L đường này: L √ di −d (2. i=1 Giả sử các độ lợi và độ dịch pha theo L đường này là các biến ngẫu nhiên độc lập và có phân bố giống nhau (independent and identically distributed, i.d) Khi L đủ lớn, theo định luật giới hạn trung tâm, g sẽ có phân bố Gaussian g ∼ CN (0, β) .4) Mô hình này còn được gọi là Rayleigh fading bởi |g| có phân bố Rayleigh và |g|2 có phân bố mũ. Tương tự, với trường hợp SIMO khi bên thu có M antenna, ta có g ∼ CN (0, βIM ). Tổng quát, ma trận kênh truyền G cho trường hợp MIMO sẽ có mọi phần tử là i.
Nếu kênh truyền LoS và NLoS cùng tồn tại giữa bên phát và bên thu, ta có kênh 12 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết truyền Rician được biểu diễn như sau r r κ 1 G= GLoS + GNLoS , (2.5) 1+κ 1+κ trong đó κ được gọi là hệ số Rician.2 Hiệu 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. Rất nhiều bài toán thực tế được đặt ra với mục tiêu tối ưu SE và EE trong các hệ thống viễn thông. Xét một kênh truyền với băng thông B Hz. Theo định lý lấy mẫu Nyquist- Shannon, tín hiệu truyền qua kênh truyền này được biểu diễn bởi 2B mẫu giá trị thực hoặc B mẫu giá trị phức mỗi giây.
Hiệu suất phổ (spectral efficieny - SE) được định nghĩa là số lượng bit thông tin trung bình được truyền trên mỗi mẫu giá trị phức. Bởi có B mẫu mỗi giây, đơn vị của SE là bit/s/Hz. Để định nghĩa hiệu suất năng lượng, ta cần đến khái niệm tốc độ dữ liệu. Tốc độ 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 được truyền trên mỗi đơn vị năng lượng: Tốc độ dữ liệu (bit/s) EE = , (2.6) Công suất tiêu thụ (W) với đơn vị là bit/Joule.3 Bề mặt phản xạ thông minh Để đáp ứng mục tiêu tăng dung lượng mạng lên 1000 lần và phổ cập kết nối mạng không dây cho ít nhất 100 tỷ thiết bị trong thế hệ thứ 5 (5G), nhiều công nghệ đã 13 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),. Tuy nhiên, các công 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 không những tốn kém chi phí mà còn 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 đòi 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. Ngoài ra, việc truyền dẫn tín hiệu với các công nghệ trên hầu như không kiểm soát được. Đó cũng là những động lực để một công nghệ mới ra đời với khả năng tái cấu hình môi trường truyền dẫn không dây thông qua kiểm soát 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 toán 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. Ngoài 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 rò rỉ thông 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 công 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 14 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết ngay trong thời gian thực.1 minh họa một hệ thống bên phát - IRS - bên thu cơ bản.
Giả sử bên phát có Nt antenna, IRS có M phần tử và bên thu có Nr antenna. Gọi các kênh truyền từ bên 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 ., θM ] và gọi Θ = diag (θ) là ma trận hệ số phản xạ của IRS, trong đó θm = βm ejφm với βm ∈ [0, 1], ϕm ∈ [0, 2π) , m = 1, ., M lần lượt là những thay đổi về biên độ và pha mà phần tử thứ m của IRS tạo ra.1: Hệ thống sử dụng IRS đơn giản x ∈ CNt ×1 là tín hiệu phát đi.