Kết hợp NOMA và bề mặt phản xạ thông minh để tăng bảo mật

Công nghệ cốt lõi

Bài toán nghiên cứu

Trong môi trường vô tuyến có nghe lén, bài toán không chỉ là đưa tín hiệu tới đích mà còn phải cải thiện điều kiện tiếp nhận của người dùng hợp lệ so với bên nghe lén. Nghiên cứu tập trung vào chất lượng bảo mật trong trường hợp xấu nhất, thay vì chỉ tìm cấu hình có thông lượng cao. Khó khăn còn nằm ở việc phối hợp lựa chọn nút chuyển tiếp, điều chỉnh bề mặt phản xạ và phân chia công suất, bởi các lựa chọn này liên quan tới cả bảo mật lẫn năng lượng sử dụng.

Giải pháp được phát triển

Mô hình đề xuất mang tên PDNOMA/IRS, kết hợp đa truy cập không trực giao miền công suất với bề mặt phản xạ thông minh. Trong đó, nút chuyển tiếp tham gia đưa tín hiệu từ trạm gốc tới người dùng; bề mặt phản xạ được đưa vào để hỗ trợ tín hiệu mong muốn trong điều kiện kênh truyền không ổn định và giảm ảnh hưởng của nút nghe lén. Nhiễu nhân tạo được kết hợp với cơ chế phân chia công suất. Điểm đáng chú ý là các thành phần này được xem xét trong cùng bài toán tối ưu hai mục tiêu, thay vì chỉ đánh giá riêng khả năng truyền dẫn.

Ảnh mô hình PDNOMA/IRS

Công nghệ và phương pháp

Bề mặt phản xạ thông minh, viết tắt là IRS, gồm các phần tử có thể điều chỉnh để tác động tới tín hiệu phản xạ. Với NOMA miền công suất, việc phân bổ năng lượng giữa người dùng là một yếu tố quan trọng của thiết kế. Nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu NSGA-II để tìm tập phương án cân bằng giữa SCW, chỉ số bảo mật xét trong trường hợp xấu nhất, và SEE, chỉ số hiệu quả năng lượng bảo mật. Tập phương án này được biểu diễn bằng đường Pareto, giúp nhận diện sự đánh đổi giữa hai mục tiêu. Việc đánh giá được thực hiện bằng mô phỏng sử dụng Python và Matlab.

Kết quả nghiên cứu nổi bật

Các phương án trên đường Pareto cho thấy không có một lựa chọn đồng thời tốt nhất cho cả hai tiêu chí. Trong những phương án được phân tích, phương án S1 phù hợp khi ưu tiên SEE, còn S3 cho SCW cao hơn nhưng SEE thấp hơn. Kết quả mô phỏng này làm rõ giá trị của tối ưu đa mục tiêu: cung cấp các lựa chọn có đánh đổi cụ thể để người thiết kế quyết định theo mức ưu tiên, thay vì chỉ đưa ra một cấu hình duy nhất.

Khảo sát số lượng phần tử IRS cho thấy duy trì số phần tử trong một phạm vi nhất định có thể đem lại chất lượng bảo mật cao hơn. Kết quả gợi ý rằng quy mô bề mặt phản xạ cần được lựa chọn theo cấu hình hệ thống, không nên mặc định cứ tăng số phần tử là có lợi. Nghiên cứu cũng đánh giá bốn phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp, bổ sung cơ sở để xem xét vai trò của khâu chuyển tiếp trong thiết kế bảo mật.

Biểu đồ hội tụ của NSGA-II và R-NSGA-II

Giá trị ứng dụng và hướng phát triển

Giá trị của nghiên cứu nằm ở cách tiếp cận thiết kế mạng vô tuyến có nghe lén với hai yêu cầu song hành: bảo mật và sử dụng năng lượng hiệu quả. Mô hình cùng các kịch bản mô phỏng có thể làm cơ sở tham khảo cho nghiên cứu tiếp theo về phối hợp IRS, chuyển tiếp và nhiễu nhân tạo. Những phương án đánh đổi cũng mở ra hướng lựa chọn cấu hình theo ưu tiên bảo mật hoặc năng lượng của từng bài toán.

So sánh hệ thống có/không có IRS

Giới hạn của nghiên cứu

Phạm vi kiểm chứng được trình bày là phân tích lý thuyết kết hợp mô phỏng. Vì vậy, các kết luận hiệu năng cần được hiểu trong điều kiện của mô hình và các kịch bản đã khảo sát, không đồng nhất với hiệu năng của hệ thống triển khai.