bảo mật lớp vật lý bằng irs và gây nhiễu nhân tạo trong mạng noma

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.23 MB, 56 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ BẰNG IRS VÀ GÂY NHIỄU NHÂN TẠO TRONG MẠNG NOMA

GVHD: TS PHẠM NGỌC SƠN SVTH: PHAN TRẦN ĐỨC ANH ĐỖ VIỆT

S K L 0 1 2 3 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2023

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

1. Tên đề tài: Bảo mật lớp vật lý bằng IRS và gây nhiễu nhân tạo trong

mạng NOMA.

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

 Vận dụng kiến thức đã được học từ hệ thống thơng tin vơ tuyến, tốn ứng dụng.

 Tìm hiểu về matlab và cách lập trình matlab.  Tìm hiểu về kênh truyền fading rayleigh.  Tìm hiểu về các dạng nhiễu.

3. Nội dung thực hiện đề tài:

 Tìm hiểu về bề mặt phản xạ thơng minh.  Tìm hiểu về dung lượng bảo mật.

 Tìm hiểu về đa truy cập phi trực giao.  Tìm hiểu về lớp vật lý và cách bảo mật.

 Mô phỏng hiệu năng mơ hình IRS-NOMA dựa trên sự thay đổi vị trí kẻ nghe lén, số lượng anten và phần tử phản xạ.

4. Sản phẩm:

Mô phỏng dung lượng bảo mật bằng Matlab và đánh giá hệ thống.

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Phạm Ngọc Sơn

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của nhóm tơi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 1 năm 2024

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp, nhóm thực hiện đồ án nhận được sự hỗ trợ, đóng góp ý kiến nhiệt thành nhằm xây dựng ý tưởng, hoàn thiện đồ án tốt nhất của các thầy cô và bạn bè.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, TS. Phạm Ngọc Sơn, Khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. Trong suốt quá trình hồn thiện đồ án, thầy đã tận tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ nhóm em trong việc chọn lọc nội dung, phương pháp nghiên cứu, giám sát tiến độ hoàn thành đề tài.

Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng làm tiền đề tiếp bước cho đồ án tốt nghiệp vô cùng quan trọng trên con đường học tập của sinh viên. Kính chúc các thầy cơ sẽ ln là điểm tựa, là nơi truyền tải những kiến thức, kinh nghiệm tốt nhất đến những lãnh đạo tương lai của đất nước sau này.

Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình. Ln động viên, khích lệ tinh thần, tạo động lực thúc đẩy nhóm tiến về phía trước, hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp.

Trân trọng cảm ơn!

Sinh viên 1 Sinh viên 2 Phan Trần Đức Anh Đỗ Việt

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

TÓM TẮT

Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Bảo mật lớp vật lý bằng IRS và gây nhiễu nhân tạo trong mạng NOMA” nhằm nghiên cứu, phát triển về cải thiện hệ thống bảo mật thông tin trong hệ thống vô tuyến. Với công nghệ truyền thông tin ngày càng hiện đại ngày nay, thì việc bảo mật thơng tin người dùng ngày càng trở nên quan trọng. Nhằm thực hiện việc bảo mật trong hệ thống đạt hiệu quả, nhóm đặt ra các nhiệm vụ cần thực hiện như sau:

 Tìm hiểu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong giao tiếp không dây.

 Tìm hiểu về bề mặt phản xạ thơng minh (IRS).

 Nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý (PLS) trong mạng NOMA và gây nhiễu nhân tạo (cooperative jammer).

 Từ những số liệu mơ hình hệ thống, mô phỏng được kết quả bảo mật thông tin. Kết quả đồ án này nhấn mạnh hệ thống bảo mật lớp vật lý sẽ luôn tối ưu, đạt hiệu quả cao trong việc giao tiếp không dây, bảo mật thông tin người dùng trước những kẻ cắp thông tin.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

ABSTRACT

Graduation project with the topic "Physical layer security using IRS and cooperative jamming in NOMA" aims to research and develop on improving information security systems in radio systems. With today's increasingly modern information transmission technology, user information security is becoming increasingly important. In order to effectively implement security in the system, the team sets the following tasks to perform:

• Learn non-orthogonal multiple access technique in wireless communication. • Learn about intelligent reflecting surfaces (IRS) in a programmable radio

environment.

• Research on physical layer security (PLS) in NOMA network and cooperative jammer.

• From system model data, information security results can be simulated.

The results of this project emphasize that the physical layer security system will always be optimal, achieving high efficiency in wireless communication and protecting user information against information thieves.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ... i

LỜI CẢM ƠN ...ii

1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ... 1

1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ... 1

1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ... 2

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 2

1.4.1. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết ... 2

1.4.2. Phương pháp mơ hình hóa ... 2

1.4.3. Phương pháp giả thuyết ... 3

1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN... 3

Chương 2: ... 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 4

2.1. ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO NOMA ... 4

2.2. BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH - (INTELLIGENT REFLECTING SURFACE) ... 9

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

2.2.1. Nguyên lý hoạt động của IRS ... 10

2.2.2. Ứng dụng của IRS ... 13

2.3. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ – PHYSICAL LAYER SECURITY ... 14

2.3.1. Lớp vật lý ... 14

2.3.2. Công nghệ bảo mật lớp vật lý ... 16

2.3.3. Bảo mật lớp vật lý trong mạng NOMA ... 18

2.4. NHIỄU NHÂN TẠO – COOPERATIVE JAMMING ... 21

4.2. LƯU ĐỒ THUẬT TỐN ... 34

4.3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ... 36

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1: Định nghĩa các thông số cố định ... 33

Bảng 4.2: Bảng giá trị dung lượng bảo mật ở trường hợp 𝑈𝐸𝑣𝑒 thay đổi vị trí ... 36

Bảng 4.3: Bảng giá trị dung lượng bảo mật thay đổi số lượng phần tử phản xạ N ... 38

Bảng 4.4: Bảng giá trị dung lượng bảo mật thay đổi số lượng anten tại trạm gốc ... 39

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mã hóa xếp chồng 2 người dùng... 5

Hình 2.2: Giải mã SIC ... 6

Hình 2.3: Mơ hình đa truy cập NOMA trong trường hợp 2 người dùng ... 7

Hình 2.4: Cấu tạo của metasurface ... 11

Hình 2.5: Kiến trúc của IRS ... 11

Hình 2.6: Hệ thống truyền dẫn khơng dây có IRS hỗ trợ ... 12

Hình 2.7: Các ứng dụng IRS điển hình trong truyền thơng khơng dây ... 14

Hình 2.8: Mơ hình OSI ... 14

Hình 2.9: Mơ hình truyền thơng an tồn 2 người dùng ... 16

Hình 2.10: Các khía cạnh của lớp vật lý trong tương lai ... 18

Hình 2.11: Bảo mật lớp vật lý trong mạng NOMA ... 19

Hình 2.12: Kỹ thuật truyền thơng NOMA an toàn: định dạng chùm tia an toàn và gây nhiễu nhân tạo ... 22

Hình 2.13: Cơng nghệ Beamforming ... 24

Hình 2.14: Cơng nghệ Beamforming với các cụm người dùng ... 25

Hình 3.1: Hệ thống NOMA được IRS hỗ trợ khơng có liên kết đường ngắm (LoS) giữa người dùng và nhiều anten BS, trước sự có mặt của kẻ nghe lén ... 27

Hình 4.6: Dung lượng bảo mật với sự thay đổi của phần tử phản xạ thơng minh ... 38

Hình 4.7: Dung lượng bảo mật với sự thay đổi số lượng anten tại BS ... 39

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt AF Amplifier And Forwarder Thiết bị chuyển tiếp BS Base station Trạm phát

D2D Device-to-Device Thiết bị tới thiết bị DoF Degree of Freedom Độ tự do

ESR Ergodic Secrecy Rate Dung lượng bảo mật

IRS Intelligent Reflecting Surface Bề mặt phản xạ thông minh NOMA Non-orthogonal Multiple Access Đa truy cập không trực

giao

PLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý SIC Successive Interference

Cancellation

Khử nhiễu liên tiếp

SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Bề mặt phản xạ thông minh (IRS) đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ khả năng tạo ra một môi trường truyền sóng khơng dây thơng minh và có thể kiểm soát để hỗ trợ một cách hiệu quả và thiết kế an toàn. Bảo mật và bảo vệ quyền riêng tư là những yêu cầu cơ bản dựa trên việc nghe lén các cuộc tấn công trong mạng không dây [1]. Bảo mật lớp vật lý (PLS) là một kỹ thuật quan trọng đảm bảo bảo mật lý thuyết thơng tin bất kể khả năng tính tốn của việc nghe lén. Ngồi ra, đa truy cập khơng trực giao (NOMA) là một kỹ thuật truyền dẫn hỗ trợ hiệu suất phổ cao hơn. Để tăng dung lượng bảo mật và cung cấp phân tích hiệu suất của NOMA dựa trên IRS bảo mật lớp vật lý, NOMA được IRS hỗ trợ và chướng ngại vật gây ra hiện không có liên kết trực tiếp giữa trạm cơ sở (BS), người dùng và kẻ nghe lén.

Với những tìm hiểu trên, nhóm chúng tơi thực hiện tiến hành chọn nghiên cứu về NOMA với đề tài “Bảo mật lớp vật lý bằng IRS và gây nhiễu nhân tạo trong mạng NOMA”.

1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Chúng tôi thực hiện đề tài này với mục tiêu nghiên cứu về mơ hình IRS - NOMA, mặt phản xạ thông minh, kỹ thuật đa truy cập không trực giao, lớp vật lý và bảo mật lớp vật lý, từ đó áp dụng vào mơ hình hệ thống và tính tốn dung lượng kênh truyền, mơ hình cụ thể gồm NOMA được IRS hỗ trợ cụ thể như sau: trạm phát, hai người dùng 𝑈1và 𝑈2 trong đó 𝑈1 là người dùng gần, 𝑈2 là người dùng xa, 𝑈𝐸𝑣𝑒 là kẻ nghe lén. Hệ thống sử dụng bề mặt phản xạ thông minh để hỗ trợ cho việc truyền dữ liệu từ trạm phát đến người dùng. Ngồi ra, kỹ thuật NOMA miền cơng suất (Power-domain NOMA) cũng được sử dụng trong hệ thống. Cuối cùng tiến hành khảo sát, so sánh hiệu năng hệ thống

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

dựa trên sự thay đổi của khoảng cách giữa hai người dùng với kẻ nghe lén, số lượng anten của trạm phát BS và số lượng phần tử phản xạ của IRS.

1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

 Nhiệm vụ đề tài:

 Tìm hiểu về bề mặt phản xạ thơng minh.

 Tìm hiểu về dung lượng bảo mật.

 Tìm hiểu về đa truy cập phi trực giao.

 Phân tích mơ hình dựa trên cơng thức lý thuyết.

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

“Phân tích” có nghĩa là nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích thành các bộ phận để tìm hiểu. Trong đề tài này, chúng tơi tìm hiểu các tài liệu có liên quan đến mặt phản xạ thông minh IRS, kỹ thuật đa truy cập không trực giao, dung lượng bảo mật, bảo mật lớp vật lý.

“Tổng hợp” có nghĩa là liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích. Trong đề tài này, chúng tơi tổng hợp các lý thuyết trên để áp dụng cho việc mô phỏng và đánh giá dung lượng bảo mật cho các vị trí khác nhau của kẻ nghe lén.

1.4.2. Phương pháp mơ hình hóa

Phương pháp này nghiên cứu các đối tượng bằng việc tái hiện lại đối tượng theo các cơ cấu, chức năng của đối tượng. Trong đề tài này, máy phát, máy thu và bề mặt phản xạ thơng minh được mơ hình hóa bằng các ký hiệu như minh họa trong hình 3.1.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

1.4.3. Phương pháp giả thuyết

Phương pháp này đưa ra các dự đoán về quy luật của đối tượng sau đó chứng minh dự đốn là đúng. Trong đề tài này, chúng tơi đặt ra giả thuyết rằng các thông số hiệu năng hệ thống của bề mặt phản xạ thông minh tối ưu hơn so với hệ thống khơng có bề mặt phản xạ thông minh.

1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN

 Chương 1: Tổng quan

Trong chương này, chúng tôi giới thiệu về đề tài, đưa ra mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài, trình bày về các phương pháp được áp dụng để nghiên cứu đề tài và cuối cùng là bố cục đồ án.

 Chương 2 : Cơ sở lí thuyết

Chương này trình bày lý thuyết về bề mặt phản xạ thơng minh, trình bày về kỹ thuật đa truy cập không trực giao, lý thuyết về lớp vật lý, dung lượng bảo mật. Ngoài ra

trong chương này còn nhắc lại kiến thức về kênh truyền fading rayleigh.  Chương 3 : Mơ hình hệ thống

Chương này tập trung vào việc xây dựng mơ hình hệ thống, phân tích lý thuyết, cơng thức mơ phỏng.

 Chương 4 : Kết quả mô phỏng và đánh giá

Chương này trình bày kết quả mơ phỏng hiệu năng của mơ hình IRS-NOMA. Ngồi ra, chương này cũng đánh giá dung lượng kênh truyền qua các trường hợp trong mơ hình IRS-NOMA.

 Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển

Chương này đưa ra những kết luận về kết quả nghiên cứu với mơ hình được đề xuất và nêu định hướng phát triển của đề tài nghiên cứu.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO NOMA

Sự gia tăng về số lượng các thiết bị mạng không dây cùng nhiều thiết bị cảm biến đã tạo nên những tắc nghẽn khi kết nối và nó ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị và hệ thống. Vì vậy, ta cần một kỹ thuật trong giao tiếp không dây mới cho phép mọi người sử dụng có thể truy cập cùng một lúc với một lượng tài nguyên nhất định [2].

Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA là công nghệ cho phép nhiều người dùng truy cập cùng một lúc thông qua việc trao đổi dữ liệu thời gian, hoạt động dưới hai dạng ghép kênh mã miền và hợp kênh công suất. Sự chuyển đổi nhanh chóng từ thế hệ mạng di động 4G sang 5G cũng nhờ có kỹ thuật có tính đột phá NOMA [2].

Đây là một kỹ thuật mới và triển vọng nhất đối với mạng di động 5G nhờ sự hiệu quả vượt trội trong sử dụng phổ tần số cũng như hiệu suất truyền thông. Sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ thiết bị di dộng không dây cũng đi kèm với những thay đổi và cải tiến khơng ngừng của hệ thống mạng nhằm có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Cụ thể, hệ thống mạng di động 5G có nhiều ưu điểm vượt trội so với thế hệ cũ như hỗ trợ kết nối với tốc độ siêu cao và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên vô tuyến. Việc hỗ trợ thiết lập đa kết nối có thể đáp ứng tốt được sự gia tăng ngày càng lớn về số lượng thiết bị truy cập đem lại trải nghiệm sử dụng tuyệt vời cho người tiêu dùng. Do đó, mạng di động 5G đã và đang là xu hướng nghiên cứu của thế giới về mảng phát triển di động không dây [2].

Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA có thể được phối hợp với công nghệ tương tự như ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và hệ thống đa anten phát và thu (MIMO). 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 thông đầy tiềm năng ở các giai đoạn sau cho mạng truyền thông di động. So với thế hệ mạng di động 4G đầu tiên dùng

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) - là một trong những kỹ thuật được sử dụng kết hợp với đa truy cập trực giao (OMA), công nghệ mạng di động 5G ứng dụng kỹ thuật NOMA vượt trội hơn nhiều và có hiệu suất phổ tần số cao hơn[2].

Kỹ thuật NOMA về cơ bản được chia thành 2 loại :

 Kỹ thuật NOMA miền công suất (Power-domain NOMA): kỹ thuật này các người dùng khác nhau sẽ dùng chung tài nguyên thời gian, tần số, mã nhưng được phát các mức công suất khác nhau dựa vào chất lượng kênh truyền tại phía máy thu.

 Kỹ thuật NOMA miền mã (Code-domain NOMA): kỹ thuật này tương tự kỹ thuật CDMA hoặc CDMA đa sóng MC-CDMA (Multi-Carrier-CDMA) với sự khác biệt cơ bản là sử dụng chuỗi mật độ thấp hoặc các chuỗi phi trực giao có độ tương quan thấp.

Các kỹ thuật được sử dụng trong NOMA gồm: kỹ thuật mã hóa chồng chất SC (Superposition Coding), kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation).

 Mã hóa chồng chất

Kỹ thuật mã hóa chồng chất [2] là kỹ thuật truyền thơng tin đến nhiều người dùng cùng một lúc từ một nguồn phát chung. Bên máy phát sẽ mã hóa thơng tin liên quan đến từng người dùng riêng biệt. Ví dụ, như trong hình 2.1:

Hình 2.1: Mã hóa xếp chồng 2 người dùng

Như trong hình 2.1, người dùng thứ nhất có hệ số phân chia cơng suất cao hơn người dùng thứ hai. Với 𝑆1(𝑛)và 𝑆2(𝑛) lần lượt là tín hiệu cho người dùng thứ nhất và người dùng thứ hai, tín hiệu tổng hợp của ngõ ra của máy phát được biểu diễn như sau:

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

𝑋(𝑛) = √𝑃𝛽1𝑆1(𝑛) + √𝑃𝛽2𝑆2(𝑛) (2.1) Trong đó, 𝛽1 và 𝛽2 lần lượt là hệ số phân chia công suất được gán cho người dùng thứ nhất và thứ hai, với tổng hệ số là 𝛽1 + 𝛽2 = 1.

 Kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC

Để mã hóa thông tin tổng hợp tại máy thu, kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) dựa trên đặc tính khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các người dùng để giải mã.

Kỹ thuật triệt can nhiễu SIC là tín hiệu của người dùng được giải mã một cách liên tục. Thứ tự ưu tiên trong SIC là theo cường độ tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt bằng hệ số phân chia cơng suất tại máy phát. Người dùng có cường độ tín hiệu mạnh nhất sẽ được ưu tiên giải mã trước, sau đó đến người dùng có cường độ tín hiệu thấp hơn và cứ thế giải mã cho đến hết. Khi tín hiệu của người dùng có cường độ cao nhất được giải mã xong thì sẽ được trừ đi trong tín hiệu tổng hợp trước khi tiếp tục giải mã cho người dùng tiếp theo. Trong SIC, khi giải mã cho một người dùng thì những tín hiệu của các người dùng khác được xem là can nhiễu. Nhưng một khi đã giải mã xong cho một người dùng “can nhiễu” đó được loại bỏ.

Hình 2.2 biểu diễn q trình giải mã SIC. Từ tín hiệu nhận được tại máy phát, người dùng thứ 1 được áp dụng SIC để giải mã tín hiệu của mình sau đó đến giải mã tín hiệu của người dùng thứ 2, sau khi đã trừ đi tín hiệu đã giải mã của người dùng 1.

Hình 2.2: Giải mã SIC

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Quá trình giải mã được tiến hành theo các bước như sau:

- Tại người dùng thứ nhất, áp dụng SIC để giải mã tín hiệu 𝑆1(𝑛) bằng cách xem 𝑆2(𝑛) như can nhiễu từ tín hiệu thu được 𝑌1(𝑛).

- Người dùng thứ hai tiến hành giải mã theo các bước sau:

+ Giải mã tín hiệu 𝑆1(𝑛) từ người dùng thứ 1 từ tín hiệu nhận được 𝑌2(𝑛).

+ Gọi ℎ2 là kênh truyền của người dùng thứ hai từ bên phát, trừ √𝑃𝛽1ℎ2𝑆1(𝑛) từ 𝑌2(𝑛), ta được:

𝑌2′(𝑛) = 𝑌2(𝑛) − √𝑃𝛽1ℎ2𝑆1(𝑛) (2.2) + Giải mã tín hiệu 𝑆2(𝑛) từ tín hiệu 𝑌2′(𝑛) bằng bộ giải mã đơn người dùng thứ hai.

Xét hệ thống NOMA như hình 2.3:

Hình 2.3: Mơ hình đa truy cập NOMA trong trường hợp 2 người dùng

Gồm 1 trạm thu phát BS trang bị 𝑁𝑡 anten phát và N thiết bị người dùng với mỗi thiết bị trang bị 𝑁𝑟 anten thu. Trạm phát (BS) gửi tín hiệu đến các người dùng cùng một lúc với cơng suất phát tổng là P. Tín hiệu vơ tuyến từ BS đến các người dùng thông qua kênh truyền fading rayleigh có phân phối độc lập, đồng nhất và nhiễu trắng cộng Gaussian.

Các kênh truyền được sắp xếp theo thứ tự 0 ≤ |ℎ1|2 ≤ ⋯ ≤ |ℎ𝑖|2 ≤ ⋯ ≤ |ℎ𝑁|2, nghĩa là người dùng thứ N có cường độ tín hiệu yếu hơn người dùng thứ i. NOMA cho

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

phép phục vụ đồng thời tất cả các người dùng bằng việc sử dụng chung băng thông hệ thống để truyền dữ liệu với sự hỗ trợ của kỹ thuật mã hóa chồng chất SC và kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC.

Trạm phát truyền tín hiệu chồng chất của hai người dùng bằng việc gán các hệ số phân chia công suất 𝛽𝑖 cho người dùng thứ i (công suất cho người dùng thứ i được gán như sau: 𝑃𝑖 = 𝑃𝛽𝑖 ). Ở máy thu, người dùng mạnh hơn sẽ giải mã tín hiệu của người dùng yếu hơn, nghĩa là thiết bị người dùng thứ i sẽ giải mã tín hiệu của người dùng thứ N với cường độ tín hiệu của người dùng thứ N yếu hơn người dùng thứ i. Tín hiệu của các người dùng yếu hơn sau đó được trừ từ tín hiệu nhận được để giải mã tín hiệu cho người dùng thứ i. Các tín hiệu này được xem là can nhiễu.

Tín hiệu nhận được tại người dùng thứ i có thể được biểu diễn như sau:

𝑦𝑖 = ℎ𝑖𝑥 + 𝑤𝑖 (2.3) Với:

 𝑥 = ∑𝑁𝑖=1√𝑃𝛽𝑖𝑆𝑖 là tín hiệu chồng chất.

 𝑆𝑖 là tín hiệu gửi đi tại BS cho người dùng thứ i.

 𝑤𝑖 là nhiễu trắng cộng Gaussian tại người dùng thứ i có kỳ vọng bằng 0 và phương sai 𝜎𝑤2.

Nếu tín hiệu được mã hóa chồng chất SC và giải mã triệt can nhiễu liên tiếp SIC tại người dùng một cách thuận lợi thì tốc độ dữ liệu có thể đạt được của người dùng thứ i được biểu diễn như sau:

𝑅𝑖 = log2(1 + 𝛽𝑖𝑃|ℎ𝑖|

𝑃|ℎ𝑖|2∑𝑁 𝛽𝑘 + 𝜎𝑤2𝑘=𝑖+1

) (2.4) Tốc độ dữ liệu của người dùng thứ N được xác định là:

𝑅𝑁 = log2(1 +𝛽𝑁𝑃|ℎ𝑁|

𝜎𝑤2 ) (2.5)

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Lưu ý: người dùng có cường độ tín hiệu mạnh hơn sẽ có cơng suất phát thấp hơn người dùng có cường độ tín hiệu yếu hơn. Người dùng có cường độ tín hiệu yếu theo cách này ít bị ảnh hưởng tử người dùng có cường độ tín hiệu mạnh.

Trong NOMA, người dùng 1 tiến hành giải mã SIC cho tín hiệu của người dùng 1 trước (độ lợi kênh truyền của người dùng 1 cao hơn người dùng 2) rồi sau đó giải mã cho hiệu của tín hiệu thu được với tín hiệu đã giải mã cho người dùng 2.

Đối với người dùng 2, khơng sử dụng SIC mà sẽ giải mã tín hiệu một cách trực

tiếp. Như vậy, tốc độ của hai người dùng 1 và 2 có thể được biểu diễn như sau:

Bề mặt phản xạ thông minh (IRS) là một kỹ thuật đầy hứa hẹn trong tương lai nhờ khả năng đạt được hiệu suất năng lượng/phổ cao thơng qua việc kiểm sốt mơi trường truyền sóng khơng dây [4]. IRS có thể thay đổi độ suy giảm và tán xạ của sóng điện từ tới để nó có thể truyền theo cách mong muốn trước khi đến được máy thu được lập trình sẵn, được gọi là mơi trường khơng dây có thể lập trình và điều khiển được.

Bề mặt phản xạ thơng minh có khả năng thay đổi linh hoạt các kênh không dây để nâng cao hiệu suất liên lạc. Do đó, hệ thống mạng không dây mới được bề mặt phản xạ thông minh hỗ trợ bao gồm cả thành phần chủ động và thụ động đạt được mức tăng trưởng công suất bền vững với chi phí hiệu quả trong tương lai. Mặc dù có tiềm năng to lớn nhưng bề mặt phản xạ thông minh phải đối mặt với những thách thức mới để tích

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

hợp hiệu quả vào mạng không dây, chẳng hạn như tối ưu hóa phản xạ, ước tính kênh và triển khai từ góc độ thiết kế truyền thơng.

IRS có những ưu điểm sau:

 Thứ nhất, IRS có thể cấu hình lại các hệ số phản xạ theo thời gian thực nhờ sự đột phá gần đây về hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và vật liệu composite [3], [4] trong khi bề mặt phản xạ truyền thống chỉ có hệ số phản xạ cố định.

 Thứ hai, IRS là một kỹ thuật xanh và tiết kiệm năng lượng, phản ánh tín hiệu sự cố một cách thụ động mà không tiêu thụ thêm năng lượng trong khi thiết bị chuyển tiếp (AF) và bề mặt thông minh chủ động yêu cầu các thành phần tần số vô tuyến (RF) hoạt động.

 Thứ ba, mặc dù cả IRS và liên lạc tán xạ ngược đều sử dụng liên lạc thụ động, IRS có thể được trang bị một số lượng lớn các bộ phận phản xạ trong khi các thiết bị tán xạ ngược thường được trang bị một/vài anten do những hạn chế về độ phức tạp và chi phí.

 Ngoài ra, IRS chỉ cố gắng hỗ trợ việc truyền tín hiệu giữa cặp máy phát và máy thu dự định mà khơng có ý định truyền thơng tin của chính mình trong khi giao tiếp tán xạ ngược cần hỗ trợ việc truyền thông tin của thiết bị tán xạ ngược.

2.2.1. Nguyên lý hoạt động của IRS

Bề mặt phản xạ thông minh - IRS: gồm một mảng các đơn vị độc lập gây ra một số thay đổi đối với tín hiệu được truyền tới. Sự thay đổi nói có thể là về pha, biên độ, tần số hoặc phân cực. Về bản chất, bề mặt phản xạ tạo môi trường không dây thông minh cho sự giao tiếp giữa người gửi và người nhận, khi các giao tiếp trực tiếp có chất lượng xấu [6]. Cụ thể, IRS là một mảng phẳng đồng nhất bao gồm một số lượng lớn các phần tử vật liệu tổng hợp, mỗi phần tử có thể điều chỉnh các hệ số phản xạ (tức là pha hoặc biên độ) của sóng điện từ tới và phản xạ nó một cách thụ động.

Trong bài báo [5], việc triển khai phần cứng dựa trên khái niệm “metasurface” được tạo thành từ “metamaterial” 2 chiều có thể điều khiển bằng kỹ thuật số. Cụ thể

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

“metasurface” là một mặt phẳng bao gồm một số lượng lớn các phần tử phản xạ như hình 2.4.

Hình 2.4: Cấu tạo của metasurface

Kiến trúc điển hình của IRS có thể bao gồm của ba lớp và một bộ điều khiển thơng minh thể hiện trên hình 2.5. Ở lớp ngoài, một số lượng lớn các miếng kim loại (phần tử phản xạ) được in trên một chất nền điện mơi để tương tác trực tiếp với tín hiệu tới. Đằng sau lớp này, một tấm đồng được sử dụng để tránh tín hiệu rị rỉ năng lượng. Cuối cùng, lớp bên trong là bảng mạch điều khiển chịu trách nhiệm điều chỉnh biên độ/pha phản xạ sự thay đổi của từng phần tử, được kích hoạt bởi bộ điều khiển thơng minh.

Hình 2.5: Kiến trúc của IRS

Trong đó, một PIN diode được nhúng trong mỗi phần tử. Mỗi phần tử có hai trạng thái hoạt động là bật/tắt tương ứng với độ dịch pha là 180o và 0o. Ở trạng thái đầu tiên

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

(khi PIN diode bật khiến cho phần tử phản xạ bật), sóng tới khi chiếu vào phần tử này sẽ bị phản xạ. Ngược lại, khi PIN diode tắt thì phần tử phản xạ gần như trong suốt, lúc này sóng truyền tới sẽ đi xun qua phần tử này dẫn đến khơng có tín hiệu phản xạ. Các PIN diode có tác dụng giúp điều khiển mỗi phần tử phản xạ kết nối hoặc khơng kết nối với mass (GND) nhằm kích hoạt các trạng thái bật/tắt tương ứng của các phần tử. Đường điện áp phân cực của mỗi phần tử phản xạ được kết nối với vi điều khiển. Khi PIN diode bật tương ứng với một mạch điện gồm một điện trở nối tiếp với một cuộn cảm; ngược lại, PIN diode tắt tương ứng với mạch điện gồm một tụ điện nối tiếp với một cuộn cảm. Hình 2.6 cho thấy một hệ thống IRS gồm một mảng lớn các phần tử phản xạ có khả năng biến đổi sóng tới thành nhiều hướng trong thời gian thực.

 Trong hình 2.6(a), có một đường truyền trực tiếp (LOS) giữa trạm phát (BS) và người dùng. Do đó, sự hiện diện của IRS sẽ cho phép tạo ra một đường truyền từ trạm phát đến IRS và từ IRS đến người dùng để cải thiện độ lợi phân tập của hệ thống.

 Trong hình 2.6(b), đường truyền trực tiếp bị chặn do sự hiện diện của tòa nhà cao tầng, IRS sẽ giúp thiết lập một liên kết ảo giữa BS và điện thoại thông minh. Liên kết ảo này sẽ cho phép bộ thu nhận được tín hiệu truyền, từ đó cải thiện hiệu suất toàn bộ của hệ thống, điều này khơng thể xảy ra nếu khơng có sự hiện diện của bề mặt phản xạ.

Hình 2.6: Hệ thống truyền dẫn khơng dây có IRS hỗ trợ

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

2.2.2. Ứng dụng của IRS

Trong Hình 2.7(a), người dùng đang ở trong vùng chết, nơi mà liên kết trực tiếp giữa người dùng và trạm phát (BS) của họ bị chắn bởi vật cản. Trong trường hợp này, triển khai một IRS có liên kết rõ ràng với BS và người dùng giúp bỏ qua vật cản thơng

qua phản xạ tín hiệu.

Hình 2.7(b) cho thấy việc sử dụng IRS để cải thiện bảo mật lớp vật lý. Khi khoảng cách liên kết từ BS đến người nghe lén (Eavesdropper) nhỏ hơn so với khoảng cách đến người dùng hợp pháp (legitimate user - người dùng 1), hoặc người nghe lén nằm trong cùng hướng với người dùng hợp pháp (người dùng 2), các tốc độ truyền thơng bí mật có thể đạt được sẽ bị giới hạn mạnh mẽ. Tuy nhiên, nếu triển khai một IRS ở gần người nghe lén, tín hiệu phản xạ bởi IRS có thể được điều chỉnh để hủy bỏ tín hiệu (khơng được phản xạ bởi IRS) từ BS tại người nghe lén, từ đó giảm thiểu rị rỉ thơng tin.

Trong Hình 2.7(c), đối với một người dùng biên của một cell mà chịu cả sự suy giảm tín hiệu cao từ BS phục vụ của họ và nhiễu từ BS lân cận, một IRS có thể được triển khai tại vùng biên của cell để giúp cải thiện khơng chỉ năng lượng tín hiệu mong muốn mà còn đàn áp nhiễu bằng cách thiết kế phản xạ tia của nó, tạo ra một "vùng nóng" tín hiệu cũng như một "vùng khơng nhiễu" trong vùng lân cận.

Hình 2.7(d) minh họa việc sử dụng IRS để cho phép truyền thông từ thiết bị tới thiết bị (D2D) đại trà, trong đó IRS hoạt động như một trung tâm phản xạ tín hiệu để hỗ trợ các truyền thông đồng thời với công suất thấp thơng qua giảm nhiễu.

Hình 2.7(e) thể hiện ứng dụng của IRS cho việc thực hiện truyền tải thông tin và năng lượng đồng thời (SWIPT) cho các thiết bị đa dạng trong một mạng IoT (Internet of things), nơi mà kích thước lớn của IRS được tận dụng để bù đắp cho mất mát công suất đáng kể trên khoảng cách xa thông qua việc phân bố chùm phản xạ cho các thiết bị IoT gần đó, từ đó cải thiện hiệu quả của việc truyền tải điện không dây cho chúng [9].

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Hình 2.7: Các ứng dụng IRS điển hình trong truyền thông không dây 2.3. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ – PHYSICAL LAYER SECURITY

2.3.1. Lớp vật lý

Lớp vật lý là tầng thấp nhất trong mơ hình OSI như ta thấy trong hình 2.8, nó chuyển thông tin nhận được từ lớp liên kết dữ liệu thành các tín hiệu điện từ để gửi chúng qua đường truyền vật lý (khơng dây hoặc có dây).

Hình 2.8: Mơ hình OSI

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Lớp vật lý liên quan đến quá trình truyền dẫn dữ liệu qua một kênh truyền thơng. Nhiệm vụ chính của lớp vật lý là cung cấp một kênh vật lý để truyền các bit giữa hai điểm hoặc nhiều điểm. Lớp này hoạt động ở hầu hết các kết nối vật lý của mạng bao gồm truyền dẫn không dây, hệ thống cáp, tiêu chuẩn và các loại cáp, đầu nối,…

Lớp vật lý trong viễn thông chứa các thông tin về các khía cạnh vật lý của hệ thống truyền thông, bao gồm:

 Đặc điểm vật lý của phương tiện truyền thông: Lớp vật lý mô tả các đặc điểm vật lý của các phương tiện truyền thông được sử dụng trong hệ thống viễn thông, chẳng hạn như cáp đồng trục, cáp quang, sóng vơ tuyến, v.v. Thơng tin này bao gồm đặc tính điện, tần số, băng thơng, kích thước, độ dài, và các thông số kỹ thuật khác của các phương tiện truyền thông.

 Phương pháp truyền tải dữ liệu: Lớp vật lý xác định phương pháp truyền tải dữ liệu qua các phương tiện truyền thơng. Ví dụ, nó mơ tả cách tín hiệu điện, tín hiệu quang hay sóng radio được sử dụng để biểu diễn dữ liệu và truyền tải qua phương tiện truyền thông. Thông tin này có thể bao gồm các kỹ thuật biên độ, tần số, pha, đa đường truyền, đa điểm truyền, v.v.

 Các giao thức và tiêu chuẩn: Lớp vật lý chứa thông tin về các giao thức và tiêu chuẩn được áp dụng trong viễn thông. Điều này bao gồm các tiêu chuẩn về cấu trúc và kết nối của các phương tiện truyền thơng, quy tắc đồng bộ hóa, quy tắc mã hóa và giải mã dữ liệu, các quy tắc kiểm soát lỗi và các yêu cầu về hiệu suất truyền tải.

 Các thông số kỹ thuật và thực nghiệm: Lớp vật lý cung cấp các thông số kỹ thuật và thực nghiệm liên quan đến hiệu suất, độ tin cậy và chất lượng của việc truyền tải dữ liệu. Thông tin này bao gồm tốc độ truyền dữ liệu, tốc độ truyền tải tối đa, độ trễ, độ méo, cơng suất tín hiệu, độ nhạy, v.v.

Lớp vật lý trong viễn thơng có vai trị quan trọng trong việc truyền tải tín hiệu và dữ liệu, xử lý và bảo vệ tính tồn vẹn của dữ liệu, và đảm bảo kết nối đáng tin cậy giữa các thiết bị và hệ thống trong mạng viễn thông.

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

2.3.2. Công nghệ bảo mật lớp vật lý

Hình 2.9: Mơ hình truyền thơng an tồn 2 người dùng

Cơng nghệ bảo mật lớp vật lý đã trở thành giải pháp hữu hiệu cho bài tốn bảo mật truyền thơng khơng dây. Như được hiển thị trong hình 2.9, người phát (tức là Alice) gửi một tin nhắn bí mật đến người nhận hợp pháp (tức là Bob), trong khi kẻ nghe lén (tức là Eve) nhận được tín hiệu và có ý định giải mã nó. Ý tưởng chính của cơng nghệ bảo mật lớp vật lý là khai thác các đặc điểm lan truyền vốn có của các kênh khơng dây (chẳng hạn như sự khác biệt giữa kênh chính và kênh nghe lén, tính ngẫu nhiên và tính tương hỗ) từ góc độ lý thuyết thông tin. Bằng cách thiết kế hợp lý tín hiệu truyền để cải thiện lượng tín hiệu lẫn nhau thông tin giữa máy phát và người dùng mong muốn ở lớp vật lý đồng thời giảm lượng thơng tin trong kênh nghe lén. Do đó, cơng nghệ bảo mật lớp vật lý có thể bảo vệ hiệu quả nội dung của các tin nhắn riêng tư được gửi bởi máy phát khỏi bị nghe lén bởi những kẻ nghe lén bất hợp pháp [7]. Điều này cải thiện sự riêng tư và bảo mật trong giao tiếp của máy phát với những người dùng hợp pháp khác.

So với cơng nghệ mã hóa truyền thống, cơng nghệ bảo mật lớp vật lý có những tính năng và ưu điểm đáng chú ý sau:

 Thứ nhất, cơng nghệ bảo mật lớp vật lý có thể đạt được bảo mật khơng cần chìa khóa, tức là khơng cần thực hiện các thao tác mã hóa và giải mã.

 Thứ hai, các kỹ thuật bảo mật lớp vật lý có thể tận dụng tính chất ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian của các kênh khơng dây. Xử lý tín hiệu kỹ thuật được sử dụng để thiết kế chùm tia hợp lý hoặc chiến lược phân bổ công suất

</div>