Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây, nhu cầu sử dụng các dịch vụ di động tăng trưởng vượt bậc đã tạo ra áp lực lớn lên các hệ thống truyền thông hiện tại. Theo báo cáo của ngành viễn thông, lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu đã đạt khoảng 71EB/tháng vào cuối năm 2021 và dự kiến tăng lên đến 226EB/tháng vào năm 2026, tức tăng hơn 3 lần trong vòng 5 năm. Đặc biệt, mạng 5G được dự đoán sẽ chiếm đến 54% lưu lượng dữ liệu di động vào năm 2026, mở ra nhiều cơ hội nhưng cũng đặt ra thách thức về hiệu suất và bảo mật.

Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 6 (6G) đang được nghiên cứu nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe hơn so với 5G, như tốc độ dữ liệu đỉnh tối thiểu 1 Tbps, hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng tăng gấp đôi, độ trễ giảm xuống 0.1 ms và độ tin cậy cao hơn. Một trong những công nghệ tiên tiến hỗ trợ 6G là bề mặt phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surface - IRS), giúp cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng của hệ thống truyền thông. Bên cạnh đó, kỹ thuật truyền thông và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) cũng được chú trọng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho các thiết bị di động.

Tuy nhiên, vấn đề bảo mật thông tin trong các hệ thống truyền thông không dây vẫn là một thách thức lớn, đặc biệt trong bối cảnh các thiết bị thu thập năng lượng cũng có thể trở thành thiết bị nghe lén. Do đó, bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) được xem là giải pháp tiềm năng để tăng cường an toàn thông tin mà không phụ thuộc vào các thuật toán mã hóa truyền thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu hiệu năng của hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng IRS, với mục tiêu cụ thể là tối ưu tốc độ bảo mật và hiệu suất năng lượng trong các hệ thống MIMO có hỗ trợ SWIPT và IRS. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong các mô hình hệ thống với giả định phần cứng hoàn hảo và trạng thái thông tin kênh truyền được biết trước. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất và bảo mật trong môi trường phổ ngày càng phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Bề mặt phản xạ thông minh (IRS): IRS là một bề mặt hai chiều gồm các phần tử phản xạ thụ động có khả năng điều chỉnh biên độ và pha của sóng phản xạ nhằm cải thiện hiệu suất truyền thông. IRS giúp tạo ra các đường truyền LoS ảo, tăng cường tín hiệu cho người dùng ở vùng chết hoặc rìa tế bào, đồng thời giảm thiểu can nhiễu và tăng cường bảo mật lớp vật lý.

  • Hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR): CR cho phép người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) truy cập phổ tần một cách đồng thời hoặc cơ hội với người dùng sơ cấp (Primary User - PU), đảm bảo không gây can nhiễu vượt ngưỡng cho PU. Mô hình underlay được sử dụng trong nghiên cứu, trong đó SU chia sẻ phổ với PU với giới hạn can nhiễu cho phép.

  • Truyền thông và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT): SWIPT cho phép các thiết bị vừa thu thập năng lượng từ tín hiệu vô tuyến vừa giải mã thông tin. Các thiết bị được phân thành bộ giải mã thông tin (Information Decoder - ID) và bộ thu năng lượng (Energy Receiver - ER). SWIPT giúp nâng cao hiệu suất năng lượng cho các thiết bị di động.

  • Bảo mật lớp vật lý (PLS): PLS khai thác đặc tính của kênh truyền và xử lý tín hiệu để bảo vệ thông tin khỏi các thiết bị nghe lén mà không cần dựa vào các thuật toán mã hóa phức tạp. Trong nghiên cứu, PLS được kết hợp với IRS để tăng cường bảo mật trong hệ thống truyền thông.

  • Các khái niệm chính: Hiệu suất phổ (Spectral Efficiency - SE), hiệu suất năng lượng (Energy Efficiency - EE), kênh truyền LoS và NLoS, ma trận kênh MIMO, thuật toán tối ưu lồi, thuật toán Inexact Block Coordinate Descent (IBCD), thuật toán Dinkelbach, phương pháp hàm phạt và thuật toán Majorization-Minimization (MM).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu định lượng dựa trên mô hình toán học và mô phỏng máy tính:

  • Nguồn dữ liệu: Các mô hình kênh truyền, thông số hệ thống và các tham số kỹ thuật được xây dựng dựa trên các nghiên cứu và báo cáo uy tín trong lĩnh vực viễn thông.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống CR MIMO với SWIPT được hỗ trợ bởi IRS, thiết lập bài toán tối ưu tốc độ bảo mật và hiệu suất năng lượng với các ràng buộc về công suất phát, can nhiễu và năng lượng thu thập. Sử dụng thuật toán IBCD để giải bài toán tối ưu phức tạp, kết hợp với các kỹ thuật tối ưu lồi, phương pháp hàm phạt và thuật toán Dinkelbach để xử lý các bài toán phân số và phi lồi.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào các mô hình hệ thống giả định với số lượng antenna và phần tử IRS cụ thể (ví dụ: số phần tử IRS M, số antenna ST Nt, ID Ni, ER Ne, PU Np), được lựa chọn phù hợp với các kịch bản thực tế và khả năng tính toán mô phỏng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm giai đoạn tìm hiểu lý thuyết, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán và thực hiện mô phỏng đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng tốc độ bảo mật nhờ IRS: Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ bảo mật trung bình của hệ thống tăng rõ rệt khi số phần tử phản xạ của IRS tăng lên. Cụ thể, tốc độ bảo mật tăng theo tỷ lệ thuận với số phần tử IRS, minh chứng cho khả năng IRS cải thiện hiệu quả truyền thông an toàn.

  2. Ảnh hưởng của công suất phát: Khi công suất phát ở trạm phát thứ cấp (ST) tăng từ mức thấp đến mức cao, tốc độ bảo mật trung bình cũng tăng đáng kể, đạt mức tối ưu khi công suất đạt giới hạn cho phép. Điều này cho thấy việc điều chỉnh công suất phát hợp lý là yếu tố quan trọng để tối ưu hiệu năng hệ thống.

  3. Giới hạn can nhiễu cho PU: Tốc độ bảo mật giảm khi ngưỡng công suất can nhiễu cho phép ở người dùng sơ cấp (PU) giảm, do hệ thống phải hạn chế công suất phát để không gây ảnh hưởng đến PU. Tuy nhiên, IRS giúp giảm thiểu tác động tiêu cực này bằng cách điều chỉnh pha phản xạ để tăng cường tín hiệu mong muốn.

  4. Hiệu suất năng lượng được cải thiện: Trong bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng, mô hình sử dụng IRS và SWIPT cho thấy năng lượng thu thập trung bình ở ER tăng theo số phần tử IRS và công suất phát, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng nhờ khả năng phản xạ thông minh của IRS.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là khả năng điều khiển linh hoạt pha phản xạ của IRS, giúp tạo ra các đường truyền tín hiệu thuận lợi, tăng cường tín hiệu mong muốn và giảm thiểu can nhiễu. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào một trong các yếu tố như SWIPT, IRS hay PLS riêng lẻ, luận văn đã kết hợp đồng thời các công nghệ này trong mô hình CR MIMO, tạo ra một hệ thống toàn diện hơn.

Các kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự hội tụ của thuật toán IBCD, tốc độ bảo mật theo công suất phát, ngưỡng can nhiễu và số phần tử IRS, cũng như năng lượng thu thập trung bình. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của IRS trong việc nâng cao hiệu năng hệ thống.

So với các nghiên cứu tương tự, luận văn đã mở rộng phạm vi nghiên cứu bằng cách tích hợp các ràng buộc về can nhiễu trong mạng CR và các yêu cầu về thu thập năng lượng trong SWIPT, đồng thời phát triển thuật toán tối ưu phù hợp với bài toán phức tạp này. Điều này góp phần nâng cao tính ứng dụng thực tế của công nghệ IRS trong các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai IRS trong các hệ thống truyền thông không dây: Các nhà mạng và nhà sản xuất thiết bị nên tích hợp IRS vào các trạm gốc và thiết bị đầu cuối để nâng cao hiệu suất phổ và năng lượng, đồng thời tăng cường bảo mật lớp vật lý. Thời gian thực hiện có thể bắt đầu trong vòng 2-3 năm tới, ưu tiên các khu vực có mật độ người dùng cao và vùng chết sóng.

  2. Phát triển thuật toán tối ưu đa mục tiêu: Nghiên cứu tiếp tục phát triển các thuật toán tối ưu đồng thời tốc độ bảo mật và hiệu suất năng lượng, có khả năng thích ứng với điều kiện kênh truyền biến đổi và trạng thái thông tin kênh không hoàn hảo. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ trong vòng 1-2 năm.

  3. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về bảo mật lớp vật lý: Các tổ chức đào tạo và doanh nghiệp cần tổ chức các khóa học, hội thảo về PLS và công nghệ IRS nhằm nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư và nhà nghiên cứu, giúp họ áp dụng hiệu quả các công nghệ mới trong thực tế.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn và quy định cho IRS và SWIPT: Các cơ quan quản lý viễn thông cần sớm xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về việc sử dụng IRS và SWIPT trong mạng không dây, đảm bảo tính tương thích, an toàn và hiệu quả sử dụng phổ tần. Quá trình này nên được thực hiện song song với nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về các công nghệ tiên tiến như IRS, SWIPT, PLS và các phương pháp tối ưu phức tạp, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực truyền thông không dây thế hệ mới.

  2. Kỹ sư phát triển hệ thống mạng di động: Các kỹ sư thiết kế và triển khai mạng 5G/6G có thể áp dụng các mô hình và thuật toán trong luận văn để nâng cao hiệu suất và bảo mật hệ thống, đặc biệt trong các môi trường mạng phức tạp và đa người dùng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và viễn thông: Các công ty sản xuất thiết bị và cung cấp dịch vụ viễn thông có thể tham khảo để phát triển sản phẩm tích hợp IRS và SWIPT, đồng thời xây dựng các giải pháp bảo mật lớp vật lý hiệu quả cho khách hàng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Các tổ chức quản lý phổ tần và phát triển hạ tầng viễn thông có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định phù hợp với xu hướng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. IRS là gì và tại sao nó quan trọng trong truyền thông không dây?
    IRS là bề mặt phản xạ thông minh gồm các phần tử phản xạ thụ động có khả năng điều chỉnh pha và biên độ sóng phản xạ. IRS giúp cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng, tạo ra các đường truyền tín hiệu thuận lợi, giảm can nhiễu và tăng cường bảo mật lớp vật lý, rất quan trọng trong các hệ thống 6G.

  2. SWIPT hoạt động như thế nào trong hệ thống truyền thông?
    SWIPT cho phép các thiết bị vừa thu thập năng lượng từ tín hiệu vô tuyến vừa giải mã thông tin. Các thiết bị được phân thành bộ giải mã thông tin (ID) và bộ thu năng lượng (ER), giúp nâng cao hiệu suất năng lượng và kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị di động.

  3. Bảo mật lớp vật lý khác gì so với các phương pháp mã hóa truyền thống?
    Bảo mật lớp vật lý khai thác đặc tính của kênh truyền và xử lý tín hiệu để bảo vệ thông tin mà không cần sử dụng các thuật toán mã hóa phức tạp. Điều này giúp giảm độ phức tạp và tăng tính bảo mật trong môi trường mạng không dây có nhiều thiết bị và kẻ tấn công.

  4. Thuật toán IBCD được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
    Thuật toán Inexact Block Coordinate Descent (IBCD) được sử dụng để giải bài toán tối ưu phức tạp với nhiều biến và ràng buộc không lồi. IBCD chia bài toán thành các bài toán con nhỏ hơn, tối ưu tuần tự từng nhóm biến, giúp tìm lời giải gần tối ưu hiệu quả.

  5. Làm thế nào để đảm bảo không gây can nhiễu vượt ngưỡng cho người dùng sơ cấp trong mạng CR?
    Hệ thống giới hạn công suất phát và điều chỉnh ma trận tiền mã hóa, ma trận độ dịch pha của IRS sao cho mức can nhiễu gây ra cho người dùng sơ cấp không vượt quá ngưỡng cho phép. IRS giúp điều khiển tín hiệu phản xạ để giảm thiểu can nhiễu đồng thời tăng cường tín hiệu mong muốn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và phát triển mô hình hệ thống thông tin bảo mật lớp vật lý sử dụng IRS trong môi trường mạng CR MIMO với SWIPT, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và bảo mật.
  • Thuật toán IBCD được đề xuất và áp dụng thành công để giải quyết các bài toán tối ưu phức tạp liên quan đến tốc độ bảo mật và hiệu suất năng lượng.
  • Kết quả mô phỏng chứng minh IRS có khả năng cải thiện đáng kể tốc độ bảo mật và hiệu suất năng lượng trong các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho các giải pháp bảo mật lớp vật lý tích hợp IRS và SWIPT, phù hợp với xu hướng công nghệ 6G.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế và phát triển thuật toán tối ưu đa mục tiêu nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của công nghệ trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tiếp tục phát triển và thử nghiệm các mô hình, thuật toán trong môi trường thực tế, đồng thời phối hợp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách quản lý phù hợp để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ IRS và bảo mật lớp vật lý trong mạng 6G.