Tổng quan về luận án

Sự bùng nổ của mạng truyền thông không dây thế hệ mới (5G/6G) và Internet vạn vật (IoT) đặt ra thách thức sống còn về an toàn thông tin do đặc tính quảng bá (broadcast nature) cố hữu của môi trường truyền sóng. Các cơ chế mã hóa truyền thống ở tầng ứng dụng và mạng (như DES, RSA) bộc lộ hạn chế nghiêm trọng khi đối mặt với năng lực tính toán vượt bậc của máy tính lượng tử và các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu hiệu năng bảo mật lớp vật lý của một số hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng mã Fountain" do nghiên cứu sinh Đặng Thế Hùng thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Trung Duy và PGS.TS. Đỗ Quốc Trinh là một công trình tiên phong giải quyết bài toán an ninh truyền thông từ tầng thấp nhất của mô hình phân lớp mạng.

                  +----------------------------------------------+
                  | Kênh Truyền Vô Tuyến Pha Đinh Rayleigh/Rice  |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
                  +----------------------------------------------+
                  |  Cơ Chế Bảo Mật Lớp Vật Lý (PLS) + Mã Hóa   |
                  |     Fountain (Rateless Luby Transform)       |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
         +-------------------------------+-------------------------------+
         |                               |                               |
+------------------+           +-------------------+           +-------------------+
|  MISO/MIMO TAS   |           |  MIMO-NOMA Miền   |           | Mạng Chuyển Tiếp  |
|  SC/MRC + CRN    |           |   Công Suất SIC   |           | Đa Chặng RF-EH &  |
|  Underlay & HWI  |           | (TAS/SC/MRC + FC) |           |  LEACH + CJ (WSN) |
+------------------+           +-------------------+           +-------------------+

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) lớn nhất được xác định là sự thiếu vắng các khung phân tích toán học chính xác đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) khi tích hợp mã Fountain (Fountain Codes - FC) vào các cấu hình mạng vô tuyến hiện đại chịu tác động đồng thời của suy giảm phần cứng (Hardware Impairments - HWI), nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference - CCI) và hạn chế năng lượng. Mặc dù các nghiên cứu của Wyner (1975), Bloch et al. (2008) và Mukherjee et al. (2014) đã thiết lập nền tảng PLS cho kênh suy giảm, việc khảo sát mã không tốc độ (rateless codes) trên các kênh truyền biến đổi ngẫu nhiên vẫn chưa có lời giải toán học dạng đóng hoàn chỉnh.

Luận án tập trung giải quyết 4 câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học cốt lõi:

  • RQ1 / H1: Sự kết hợp giữa kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection - TAS) và phân tập thu (Selection Combining - SC) có thể bù đắp triệt để tổn hao dung lượng bảo mật do HWI ($\kappa^2 > 0$) và nhiễu sơ cấp gây ra trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (CRN Underlay) hay không?
  • RQ2 / H2: Giao thức đa truy nhập không trực giao (NOMA) miền công suất khi tích hợp mã Fountain có đạt được sự vượt trội đồng thời về việc giảm số khe thời gian trung bình (TS) và hạ thấp xác suất thu chặn (Intercept Probability - IP) so với mạng OMA truyền thống?
  • RQ3 / H3: Cơ chế thu thập năng lượng sóng vô tuyến (RF-EH) theo giao thức chuyển mạch thời gian (Time Switching - TS) từ trạm phát sóng chuyên dụng (Beacon) có duy trì được độ tin cậy truyền dẫn đa chặng trong điều kiện kênh pha đinh Rice đối với kênh dữ liệu và kênh nghe lén?
  • RQ4 / H4: Việc phân bổ công suất động giữa các nút chủ cụm (Cluster Head - CH) và các nút gây nhiễu cộng tác (Cooperative Jamming - CJ) trong giao thức LEACH đa chặng có triệt tiêu được ưu thế thu tín hiệu của kẻ nghe lén $E$ mà không làm cạn kiệt năng lượng toàn mạng cảm biến không dây (WSN)?

Khung lý thuyết của luận án tích hợp chặt chẽ:

  • Lý thuyết an toàn thông tin Shannon (1949);
  • Khái niệm kênh nghe lén wiretap channel của Wyner (1975);
  • Lý thuyết mã hóa không tốc độ Luby Transform (Luby, 2002);
  • Mô hình truyền dẫn phi tuyến NOMA với bộ khử nhiễu nối tiếp (SIC);
  • Lý thuyết chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer).

Đóng góp đột phá của công trình được lượng hóa cụ thể: thiết lập các biểu thức giải tích dạng đóng (closed-form expressions) cho xác suất bảo mật và truyền thông thành công ($P_{SS}$), xác suất thu chặn ($IP$), xác suất dừng ($OP$) và số khe thời gian trung bình ($TS$). Kết quả chứng minh giao thức MIMO-NOMA TAS/SC/MRC sử dụng mã Fountain giúp giảm từ $20%$ đến $35%$ số khe thời gian truyền bản tin và giảm xác suất thu chặn $IP$ xuống dưới ngưỡng $10^{-3}$ tại vùng tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) phát cao ($> 15$ dB). Phạm vi khảo sát trải rộng từ các hệ thống đa ăng-ten ($N_S, N_D, N_E$ lên tới 10), số chặng chuyển tiếp $N \in [2, 10]$, qua các mô hình kênh pha đinh Rayleigh phẳng biến đổi chậm và pha đinh Rice với hệ số Rice $K_D, K_E \in [0, 20]$, được kiểm chứng qua hơn $10^6$ lần lặp mô phỏng Monte Carlo.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu an toàn thông tin vô tuyến đã chứng kiến sự chuyển dịch từ mã hóa tính toán (computational security) sang bảo mật lớp vật lý (PLS). Nền tảng lý thuyết bắt đầu từ công trình kinh điển của Claude Shannon (1949) về "bảo mật hoàn hảo" (perfect secrecy), trong đó chứng minh rằng để kẻ nghe lén không thể thu thập bất kỳ thông tin nào, độ dài khóa mật mã một lần (one-time pad) phải tối thiểu bằng độ dài bản tin. Tuy nhiên, hệ thống này không khả thi trong các mạng vô tuyến phân tán do độ phức tạp quản lý khóa. Năm 1975, Aaron Wyner định hình lại bài toán với mô hình kênh nghe lén bị suy giảm (degraded wiretap channel), chứng minh tồn tại dung lượng bảo mật dương $C_s = \max(C_M - C_E, 0)$ mà không cần trao đổi khóa bí mật trước, với điều kiện kênh truyền chính ($C_M$) có chất lượng vượt trội so với kênh nghe lén ($C_E$). Csiszár và Körner (1978) đã mở rộng thành công nguyên lý này cho các kênh truyền tổng quát không suy giảm, khẳng định khả năng truyền tin bảo mật miễn là tồn tại sự chênh lệch thống kê giữa hai kênh truyền.

Shannon (1949)           Wyner (1975)             Luby (2002)            Luận án Đặng Thế Hùng (2021)
[Bảo mật hoàn hảo] ----> [Kênh Wiretap PLS] ----> [Mã Hóa Fountain] ----> [Tích hợp PLS + Rateless FC
 Khóa One-Time Pad        Dung lượng Cs > 0        Gói tin vô hạn          vào MISO/MIMO/NOMA/LEACH]

Trong dòng nghiên cứu kỹ thuật đa ăng-ten, Zheng et al. (2014) và Yang et al. (2015) đã chứng minh kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) kết hợp phân tập tỉ số tối đa (MRC) hoặc kết hợp lựa chọn (SC) giúp tối đa hóa SNR kênh chính với chi phí phần cứng và số chuỗi RF tối thiểu. Đối với kỹ thuật đa truy nhập, Ding et al. (2017) và Liu et al. (2018) đã chứng minh NOMA miền công suất vượt trội so với OMA về hiệu quả sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, sự xuất hiện của kẻ nghe lén $E$ trong hệ thống NOMA tạo ra sự đánh đổi phức tạp giữa việc phân bổ công suất ($a_1, a_2$) cho người dùng hợp pháp và nguy cơ rò rỉ thông tin tại nút $E$ trong quá trình khử nhiễu nối tiếp (SIC).

Một cuộc tranh luận học thuật lớn tồn tại giữa hai quan điểm:

  • Trường phái mã hóa kênh cố định (Fixed-rate FEC): Đại diện bởi các nghiên cứu của Klinc et al. (2012) và Harrison et al. (2013), lập luận rằng việc sử dụng mã LDPC hoặc Polar Codes với tốc độ cố định đã đủ để đạt dung lượng bảo mật nếu thông tin trạng thái kênh (CSI) của nút nghe lén được biết chính xác tại máy phát.
  • Trường phái mã hóa không tốc độ (Rateless/Fountain Codes): Dẫn đầu bởi Castiglione et al. (2014) và Soljanin et al. (2013), chỉ ra rằng trong môi trường thực tế, máy phát hoàn toàn không có CSI của kẻ nghe lén thụ động ($E$). Mã hóa tốc độ cố định sẽ dẫn đến hiện tượng dừng bảo mật (secrecy outage) nghiêm trọng khi kênh truyền sụt giảm đột ngột. Mã Fountain (Luby, 2002) giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách phát liên tục các gói mã hóa cho đến khi máy thu hợp pháp nhận đủ $N_{req}^{pkt} = (1 + \epsilon)L$ gói và gửi tín hiệu phản hồi xác nhận (ACK).

Luận án của Đặng Thế Hùng định vị chính xác vào khoảng trống giao thoa giữa ba trụ cột:

  • Cơ chế mã hóa không tốc độ Fountain;
  • Các công nghệ vô tuyến tiên tiến (MIMO-NOMA, CRN Underlay, RF-EH Multi-hop, WSN LEACH);
  • Các yếu tố phi lý tưởng thực tế (HWI và CCI).

So sánh với các công trình quốc tế tiêu biểu:

  • Nghiên cứu của Ding et al. (IEEE Trans. Veh. Technol., 2016) khảo sát NOMA-PLS nhưng chỉ dừng lại ở mã hóa tốc độ cố định và giả định phần cứng lý tưởng; luận án này mở rộng sang mã hóa Fountain và tích hợp HWI.
  • Công trình của Atapattu et al. (IEEE Trans. Wireless Commun., 2019) về chuyển tiếp thu thập năng lượng chỉ xét mô hình 1 chặng hoặc 2 chặng đơn giản; luận án đã giải quyết bài toán $N$-chặng tổng quát có sự hỗ trợ của trạm Beacon chuyên dụng và cấu hình nút gây nhiễu cộng tác (CJ) thích ứng.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng trực tiếp lý thuyết kênh nghe lén của Wyner (1975) và lý thuyết dung lượng bảo mật của Csiszár - Körner (1978) sang miền mã hóa không tốc độ (rateless coding domain). Thay vì đo lường bảo mật thuần túy qua sai phân dung lượng tức thời $C_s$, công trình thiết lập khung lý thuyết mới dựa trên sự chênh lệch tốc độ tích lũy gói tin (packet accumulation rate disparity) giữa máy thu hợp pháp ($D$) và kẻ nghe lén ($E$).

                +---------------------------------------------------+
                |            Mô Hình Lý Thuyết Cốt Lõi              |
                +---------------------------------------------------+
                                          |
        +---------------------------------+---------------------------------+
        |                                                                   |
+-----------------------------------+             +-----------------------------------+
|     Nút Đích Hợp Pháp (D)         |             |       Kẻ Nghe Lén (E)             |
|  - Tích lũy đủ: N_req^{pkt} gói   |             |  - Thu nhận: N_E^{pkt} gói        |
|  - Điều kiện giải mã thành công:  |             |  - Điều kiện bảo mật tuyệt đối:   |
|       N_D^{pkt} >= N_req^{pkt}    |             |       N_E^{pkt} < N_req^{pkt}     |
+-----------------------------------+             +-----------------------------------+
        |                                                                   |
        +---------------------------------+---------------------------------+
                                          |
                +---------------------------------------------------+
                |     Trạng Thái Bảo Mật Thành Công (SS Event):     |
                |   SS = { N_D^{pkt} >= N_req^{pkt}  GIAO VỚI       |
                |          N_E^{pkt} < N_req^{pkt} }                |
                +---------------------------------------------------+

Mô hình lý thuyết được cụ thể hóa bằng các mệnh đề toán học:

  • Mệnh đề 1 (Bảo mật thành công SS): Sự kiện truyền thông thành công và an toàn $SS$ xảy ra khi và chỉ khi số gói mã hóa thu thành công tại nút đích $N_D^{pkt}$ đạt ngưỡng giải mã $N_{req}^{pkt}$ trước khi nút nghe lén $N_E^{pkt}$ tích lũy đủ $N_{req}^{pkt}$ gói trong giới hạn tối đa $N_{max}$ khe thời gian: $$\mathcal{P}{SS} = \sum{k=N_{req}^{pkt}}^{N_{max}} \mathcal{P}(N_D^{pkt} = k, N_{E}^{pkt} < N_{req}^{pkt})$$
  • Mệnh đề 2 (Xác suất thu chặn IP): Kẻ nghe lén thu chặn thành công khi $N_E^{pkt} \ge N_{req}^{pkt}$ trong khoảng thời gian $N_{TS}$ mà nguồn $S$ truyền tới đích $D$: $$IP = \sum_{n=1}^{N_{max}} \mathcal{P}(N_{TS} = n) \cdot \mathcal{P}(N_{E, n}^{pkt} \ge N_{req}^{pkt})$$
  • Mệnh đề 3 (Giới hạn bão hòa HWI): Khi công suất phát tiến tới vô cùng ($P \to \infty$), dung lượng bảo mật không tăng tuyến tính mà tiệm cận một ngưỡng bão hòa (ceiling effect) do tổng mức suy giảm phần cứng $\kappa^2 = \kappa_t^2 + \kappa_r^2$ áp đặt: $$\mathrm{SINR}_{limit} \le \frac{1}{\kappa^2}$$

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án là sự hợp nhất của 4 lý thuyết chuyên sâu:

  • Lý thuyết phân bố thống kê bậc cao (Higher-Order Statistical Distributions);
  • Lý thuyết mã hóa truyền tải Luby Transform / Rateless Codes;
  • Lý thuyết mạng vô tuyến nhận thức và đa truy nhập phi trực giao NOMA;
  • Lý thuyết tối ưu hóa năng lượng trường xa SWIPT.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           Khung Phân Tích Độc Đáo                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| [Kênh Pha Đinh]    | Rayleigh / Rice (Hàm Bessel I_0, K_t, Hàm Marcum-Q)         |
| [Hệ Thống]         | TAS/SC/MRC + PDM-NOMA (SIC) + CRN Underlay + RF-EH Beacon   |
| [Phi Lý Tưởng]     | Hardware Impairments (\kappa^2) + Co-channel Interference (CCI)   |
| [Mã Hóa]           | Fountain Code (Rateless Accumulation: N_{req}^{pkt}, N_{max})|
| [Chỉ Số Đầu Ra]    | Đóng biểu thức: P_{SS}, IP, OP, TS                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Khung phân tích đưa ra định nghĩa chuẩn xác về các đại lượng:

  • Hệ số phân chia công suất NOMA ($a_1, a_2$): Phân bổ thỏa mãn $a_1 + a_2 = 1$ với $a_1 > a_2 > 0$, trong đó người dùng có độ lợi kênh kém hơn nhận công suất $a_1$ cao hơn để thực hiện giải mã trực tiếp, còn người dùng có kênh tốt hơn nhận $a_2$ và áp dụng SIC để khử can nhiễu.
  • Điều kiện biên (Boundary Conditions): Áp dụng cho các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp khối bán tĩnh (block flat fading), kênh thông tin phản hồi ACK/NACK là không có lỗi và không có trễ, kẻ nghe lén $E$ là nút thụ động hoàn toàn không cung cấp CSI cho nút nguồn $S$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ chặt chẽ triết lý nghiên cứu thực chứng (positivism) kết hợp diễn dịch toán học (mathematical deduction) và thực nghiệm mô phỏng số học (numerical simulation). Thiết kế nghiên cứu đa tầng (multi-level design) được xây dựng theo sơ đồ sau:

[Mô Hình Kênh Vật Lý] (Rayleigh, Rice, HWI, CCI)
         |
         v
[Thiết Lập Hàm Mật Độ Xác Suất (PDF) & Hàm Phân Bố Tích Lũy (CDF)]
         |
         v
[Tích Phân Giải Tích Dạng Đóng] (Hàm Bessel, Marcum-Q, Chuỗi Taylor/Gauss)
         |
         v
[Thiết Lập Biểu Thức Hiệu Năng Chuẩn Xác] (P_SS, IP, OP, TS)
         |
         v
[Kiểm Chứng Mô Phỏng Monte Carlo] (10^5 - 10^6 lần lặp trên MATLAB)

Không gian tham số mô phỏng được quy định chính xác:

  • Cấu hình ăng-ten: $N_S \in [1, 8]$, $N_D \in [1, 4]$, $N_E \in [1, 3]$;
  • Số gói tin gốc $L = 4, 8$; hệ số mã hóa dư thừa $\epsilon = 0.05 \div 0.125 \Rightarrow N_{req}^{pkt} \in [4, 9]$;
  • Số gói phát tối đa $N_{max} \in [5, 10]$;
  • Mức suy giảm phần cứng $\kappa^2 \in [0, 0.01]$;
  • Hệ số phân bổ công suất NOMA $a_1 \in [0.6, 0.95]$, $a_2 = 1 - a_1$;
  • Ngưỡng dừng $\gamma_{th} = 1$, tốc độ mục tiêu $C_{th} \in [0.5, 1.0]$ bps/Hz;
  • Hệ số Rice $K_D, K_E \in [0, 20]$;
  • Hiệu suất chuyển đổi năng lượng $\eta \in [0.7, 0.85]$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu phân tích hiệu năng được tiến hành qua 4 bước:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Bước 1: Mô hình hóa toán học các biến ngẫu nhiên kênh truyền                      |
| Thiết lập hàm mật độ xác suất (PDF) f_X(x) và hàm phân bố tích lũy (CDF) F_X(x)  |
| của SNR/SINR tức thời qua kỹ thuật TAS, SC, MRC có tính đến HWI và CCI.           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Bước 2: Dẫn xuất xác suất chuyển trạng thái gói mã hóa                            |
| Xác định xác suất trong một khe thời gian nút D và nút E nhận thành công 0 gói,   |
| 1 gói hoặc 2 gói mã hóa (\rho_{D,0}, \rho_{D,1}, \rho_{D,2}, \rho_{E,0}, ...).    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Bước 3: Tính toán biểu thức hiệu năng tích lũy dạng đóng                          |
| Sử dụng công cụ giải tích đặc biệt (hàm Bessel sửa đổi I_0(\cdot), K_t(\cdot),   |
| hàm Marcum-Q, tích phân từng phần, khai triển chuỗi) để tìm biểu thức đóng.       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Bước 4: Kiểm chứng độ tin cậy và hội tụ qua mô phỏng Monte Carlo                  |
| Lập trình độc lập trên nền tảng MATLAB với số lượng mẫu độc lập >= 10^6 chu kỳ.   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp tam giác giác đạc (triangulation) được thực hiện thông qua:

  • Phân tích giải tích lý thuyết (Analytical derivation);
  • Mô phỏng Monte Carlo độc lập không sử dụng các giả định đơn giản hóa;
  • Phân tích tiệm cận (Asymptotic analysis) tại vùng SNR cực cao ($P \to \infty$) để xác định sàn dung lượng và bậc phân tập.

Data và phân tích

Toàn bộ dữ liệu đánh giá bắt nguồn từ việc tính toán số học các công thức vi tích phân phức tạp và mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB (phiên bản R2018b/R2020a). Các phép biến đổi toán học sử dụng công cụ đại số Mathematica để đối soát biểu thức vi phân.

                    +------------------------------------------+
                    | Phân Tích Dữ Liệu & Kiểm Chứng Độ Bền   |
                    +------------------------------------------+
                                         |
        +--------------------------------+--------------------------------+
        |                                                                 |
+-----------------------------------+             +-----------------------------------+
|       Kiểm Định Giới Hạn          |             |     Kiểm Định Tham Số Động        |
| - Cho \kappa^2 -> 0: Trở về mô    |             | - Quét liên tục:                  |
|   hình phần cứng lý tưởng.        |             |   * SNR: 0 -> 25 dB               |
| - Cho a_1 = 1, a_2 = 0: Trở về    |             |   * K_D, K_E: 0 -> 20             |
|   mô hình truyền đơn OMA.         |             |   * N_S, N_D: 1 -> 8              |
| - Cho K -> 0: Rice -> Rayleigh.   |             | - Đảm bảo sai số tuyệt đối        |
|   Kết quả hoàn toàn trùng khớp.   |             |   giữa lý thuyết & Monte Carlo    |
|                                   |             |   nhỏ hơn 10^{-4}.                |
+-----------------------------------+             +-----------------------------------+

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                          4 Phát Hiện Thực Nghiệm Then Chốt                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Ưu Thế Vượt Trội của MIMO-NOMA + Mã Fountain                                  |
|    -> Giảm TS từ 12.4 xuống 8.1 khe thời gian khi SNR tăng từ 0 lên 15 dB         |
|    -> Giảm IP từ 0.38 xuống 0.002 (thấp hơn OMA 1.5 bậc độ lớn)                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 2. Sàn Bão Hòa Bảo Mật do HWI (Hardware Impairments)                              |
|    -> Khi \kappa^2 tăng từ 0 lên 0.01, P_{SS} bị giới hạn ở 0.88 dù P_{PT} -> \infty|
|    -> Tăng N_S (từ 2 lên 5) khôi phục hoàn toàn P_{SS} lên 0.995                 |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 3. Tác Động Phân Bổ Công Suất NOMA (a_1, a_2)                                    |
|    -> Tại a_1 = 0.9, a_2 = 0.1: IP đạt cực tiểu toàn cục                          |
|    -> a_1 > 0.95: Kênh thứ cấp chịu nhiễu quá mức, làm tăng IP tại nút E         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 4. Hiệu Quả Triệt Tiêu Nghe Lén của Giao Thức LEACH-CJ                           |
|    -> Nút gây nhiễu chia sẻ 50% công suất (P_J = 0.5P_0)                          |
|    -> Ép IP của nút nghe lén E tiến về 0 mà OP mạng đích chỉ tăng < 2.5%          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
  • Phát hiện 1 (MIMO-NOMA vượt trội toàn diện): Trong cấu hình $N_S = 3, N_D = 2, N_E = 2$, giao thức MIMO-NOMA sử dụng mã Fountain đạt được sự cải thiện kép: số khe thời gian trung bình $TS$ giảm từ $12.4$ xuống còn $8.1$ khe khi SNR tăng từ $0$ dB lên $15$ dB; đồng thời xác suất thu chặn $IP$ giảm từ $0.38$ xuống $0.002$, thấp hơn đáng kể so với mô hình không dùng NOMA (Wo-NOMA có $IP \approx 0.045$).
  • Phát hiện 2 (Hiện tượng suy giảm do HWI và cơ chế bù trừ TAS): Suy giảm phần cứng ($\kappa^2 = 0.01$) tạo ra một mức sàn xác suất bảo mật không thể vượt qua nếu chỉ tăng công suất phát của mạng sơ cấp ($P_{PT}$). Tuy nhiên, khi tăng số lượng ăng-ten phát $N_S$ từ $2$ lên $5$, xác suất $P_{SS}$ được nâng từ $0.88$ lên $0.995$, chứng minh tính khả thi của kỹ thuật TAS trong việc triệt tiêu tác động tiêu cực của phần cứng giá rẻ.
  • Phát hiện 3 (Tính chất phi trực quan của phân bổ công suất NOMA): Khi tăng hệ số phân bổ công suất $a_1$ từ $0.6$ đến $0.9$, xác suất thu chặn $IP$ giảm đều đặn. Tuy nhiên, khi $a_1 > 0.95$, $IP$ có xu hướng tăng nhẹ trở lại do sự mất cân bằng nghiêm trọng trong việc giải mã tín hiệu SIC của người dùng gần, tạo kẽ hở cho nút nghe lén $E$ thu nhận thành công gói tin với mức năng lượng chênh lệch lớn.
  • Phát hiện 4 (Hiệu năng đột phá của giao thức LEACH kết hợp gây nhiễu cộng tác CJ): Trong mạng WSN đa chặng, việc trích xuất một phần năng lượng để nút CJ phát nhiễu nhân tạo làm giảm SINR tại nút $E$ xuống dưới ngưỡng giải mã, khiến xác suất thu chặn $IP$ giảm tiệm cận về $0$ khi số vòng truyền tăng lên, trong khi xác suất dừng $OP$ tại nút đích hợp pháp chỉ tăng không đáng kể ($< 2.5%$).

Implications đa chiều

                          +------------------------------------------+
                          |        Ý Nghĩa & Ứng Dụng Đa Chiều       |
                          +------------------------------------------+
                                               |
        +----------------------+-----------------------+----------------------+
        |                      |                       |                      |
+----------------+     +-----------------+     +----------------+     +-----------------+
| Lý Thuyết      |     | Phương Pháp     |     | Thực Tiễn      |     | Chính Sách &    |
| Mở rộng PLS    |     | Khung toán tích |     | Tích hợp vào   |     | Tiêu Chuẩn      |
| sang mã hóa    |     | phân dạng đóng  |     | 5G/6G Massive  |     | Khuyến nghị     |
| Rateless trên  |     | cho kênh pha    |     | MIMO, IoT công |     | chuẩn hóa 3GPP  |
| kênh phi lý    |     | đinh Rice/HWI   |     | nghiệp, WSN    |     | MUST/NOMA &     |
| tưởng (HWI)    |     | phức tạp        |     | chiến trường   |     | Mạng Quân Sự    |
+----------------+     +-----------------+     +----------------+     +-----------------+
  • Về lý thuyết: Công trình mở đường cho việc kết hợp lý thuyết mã hóa kênh không tốc độ vào an ninh vô tuyến, phá vỡ giả định truyền thống về sự phụ thuộc vào dung lượng kênh tức thời của Shannon.
  • Về phương pháp luận: Đóng góp một công cụ giải tích toán học tổng quát, cho phép giải các tích phân phức tạp liên quan đến hàm Marcum-Q và hàm Bessel trong các hệ sinh thái kênh truyền hỗn hợp (Rayleigh kết hợp Rice).
  • Về thực tiễn công nghệ: Cung cấp giải pháp kỹ thuật trực tiếp cho các nhà sản xuất thiết bị IoT và trạm gốc viễn thông 5G: tối ưu hóa phần cứng bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại công suất thấp kết hợp thuật toán chọn ăng-ten TAS và mã hóa Fountain nhằm giảm giá thành mà vẫn duy trì an ninh mạng tuyệt đối.
  • Về an ninh quốc phòng: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các mạng thông tin quân sự chiến thuật, mạng cảm biến trinh sát không dây hoạt động trong môi trường bị đối phương chế áp điện tử và nghe lén cao độ.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận 4 hạn chế khoa học chính:

  1. Giả định kênh truyền phản hồi (Feedback channel) để gửi tín hiệu ACK/NACK là hoàn hảo, không có độ trễ và không bị nghe lén; trong thực tế, kênh phản hồi có thể bị tấn công từ chối dịch vụ (DoS) hoặc làm giả gói tin ACK.
  2. Mô hình phân tích chỉ xét kẻ nghe lén đơn lẻ ($E$) thụ động; chưa bao quát kịch bản nhiều nút nghe lén cấu kết (colluding eavesdroppers) hoặc nút nghe lén chủ động phát tín hiệu tấn công.
  3. Kênh pha đinh được giả định là biến đổi chậm qua từng khe thời gian (slow block fading); chưa phản ánh toàn diện các môi trường di động cao (high-mobility) như mạng thông tin xe cộ (V2X) với hiệu ứng Doppler lớn.
  4. Mức suy giảm phần cứng HWI được mô hình hóa theo phân phối Gauss tĩnh ($\kappa^2$), chưa tính đến sự biến thiên động theo nhiệt độ và lão hóa linh kiện bán dẫn.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        5 Định Hướng Nghiên Cứu Tương Lai                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Tích hợp Bề mặt phản xạ thông minh (IRS/RIS) để tái cấu trúc kênh nghe lén     |
| 2. Mở rộng cho hệ thống kẻ nghe lén cấu kết phân tán (Colluding Eavesdroppers)    |
| 3. Nghiên cứu mã Fountain nâng cao: Mã Raptor, RaptorQ với độ phức tạp tuyến tính |
| 4. Ứng dụng Học máy tăng cường (Deep RL) để tối ưu công suất NOMA thời gian thực |
| 5. Thiết kế mạch tích hợp và kiểm thử thực nghiệm trên nền tảng SDR (USRP)        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Tác động và ảnh hưởng

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                       Tác Động & Sức Ảnh Hưởng Của Luận Án                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Học Thuật Viễn Thông  | Ước tính 150-250 trích dẫn trong 5 năm; công bố trên các  |
|                       | tạp chí thuộc ISI/Scopus (IEEE Access, IET, v.v.).         |
+-----------------------+-----------------------------------------------------------+
| Công Nghiệp 5G/6G/IoT | Tiết kiệm 15-20% chi phí phần cứng RF nhờ TAS; kéo dài    |
|                       | tuổi thọ mạng cảm biến WSN thêm 30-40% nhờ SWIPT + LEACH. |
+-----------------------+-----------------------------------------------------------+
| An Ninh Quốc Phòng    | Ứng dụng trực tiếp vào hệ thống thông tin tác chiến của   |
|                       | Binh chủng Thông tin liên lạc và mạng trinh sát bờ biển.   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
  • Tác động học thuật: Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng trích dẫn vững chắc cho cộng đồng nghiên cứu PLS và NOMA quốc tế, với tiềm năng đạt từ 150 đến 250 lượt trích dẫn trên các tạp chí uy tín thuộc danh mục ISI/Scopus.
  • Chuyển đổi công nghiệp: Định hình phương thức thiết kế nút mạng IoT giá rẻ: giảm số lượng chuỗi RF từ $N$ xuống $1$ thông qua kỹ thuật TAS, giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tính năng bảo mật tuyệt đối cho giao dịch thanh toán không dây và dữ liệu y tế cá nhân.
  • An ninh quốc gia: Đóng góp trực tiếp vào năng lực tự chủ công nghệ thông tin quân sự của Việt Nam, phục vụ thiết kế các mạng thông tin chuyển tiếp đa chặng chống tác chiến điện tử trong vùng biển đảo và biên giới.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                       Ma Trận Đối Tượng Hưởng Lợi                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Nhóm Đối Tượng          | Giá Trị Thụ Hưởng Cụ Thể                                |
+-------------------------+---------------------------------------------------------+
| Nghiên cứu sinh &       | Khung toán học giải tích mẫu, thuật toán mô phỏng       |
| Học giả trẻ             | MATLAB tối ưu hóa cho hệ thống MIMO-NOMA và rateless code|
+-------------------------+---------------------------------------------------------+
| Giảng viên &            | Giáo trình nâng cao về Bảo mật lớp vật lý và Lý thuyết  |
| Nhà nghiên cứu cao cấp  | thông tin vô tuyến hiện đại.                             |
+-------------------------+---------------------------------------------------------+
| Kỹ sư R&D Viễn thông    | Thiết kế giao thức MAC và lớp vật lý cho thiết bị       |
| (Viettel, VNPT, v.v.)   | 5G/IoT đáp ứng chuẩn 3GPP Release 16/17.                 |
+-------------------------+---------------------------------------------------------+
| Bộ Quốc phòng &         | Giải pháp bảo vệ đường truyền chiến thuật, chống thu    |
| Cơ quan an ninh         | chặn tín hiệu và định vị nguồn phát.                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của công trình là gì?

Đóng góp độc đáo nhất là việc thiết lập mô hình phân tích xác suất bảo mật dựa trên quá trình tích lũy gói tin ngẫu nhiên của mã Fountain thay vì dựa trên dung lượng tức thời của Shannon. Bằng cách dẫn xuất phân bố xác suất có điều kiện của biến ngẫu nhiên hai chiều $(N_D^{pkt}, N_E^{pkt})$, công trình đã mở rộng thành công lý thuyết kênh nghe lén Wyner sang các hệ thống không cần biết CSI của kẻ nghe lén.

2. Điểm mới về phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm?

So với các nghiên cứu của Ding et al. (2016) và Atapattu et al. (2019), luận án giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp đồng thời:

  • Mô hình suy giảm phần cứng thực tế (HWI) ở cả hai đầu thu/phát;
  • Kênh truyền hỗn hợp (Rayleigh kết hợp Rice);
  • Giao thức chuyển tiếp đa chặng $N$-hop có hỗ trợ trạm Beacon thu thập năng lượng RF-EH. Các biểu thức toán học đều đạt dạng nghiệm đóng tường minh, không cần dùng xấp xỉ thô.

3. Phát hiện thực nghiệm nào gây bất ngờ nhất?

Phát hiện bất ngờ nhất là sự suy giảm bảo mật phi tuyến tính của NOMA khi hệ số phân bổ công suất $a_1 > 0.95$. Trái với trực giác thông thường rằng cấp càng nhiều công suất cho người dùng xa thì độ tin cậy càng cao, mức công suất quá lớn làm tê liệt khả năng khử nhiễu SIC của các trạm trung gian, vô tình tạo ra ưu thế SNR đột biến cho kẻ nghe lén $E$ ở cự ly gần.

4. Quy trình tái lập kết quả nghiên cứu (Replication Protocol) có được cung cấp đầy đủ?

Quy trình được cung cấp hoàn chỉnh và minh bạch qua:

  • Danh mục ký hiệu toán học chi tiết;
  • Hệ thống giả thiết kênh truyền rõ ràng;
  • Các chứng minh chi tiết trong Phụ lục A, B, C;
  • Tham số khởi tạo mô phỏng Monte Carlo được mô tả chi tiết, cho phép tái lập chính xác $100%$ các đồ thị số trong Chương 2, 3 và 4.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?

Lộ trình 10 năm tập trung vào:

  • Tích hợp công nghệ bề mặt phản xạ thông minh tái cấu trúc môi trường (RIS/IRS);
  • Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (Deep Reinforcement Learning) để điều khiển búp sóng và phân bổ công suất NOMA tự thích nghi;
  • Hiện thực hóa trên phần cứng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR/USRP) để thương mại hóa giải pháp.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Đặng Thế Hùng là một công trình nghiên cứu công phu, mẫu mực và có tính học thuật chuyên sâu cao, thể hiện qua 6 đóng góp cốt lõi:

  1. Xây dựng thành công khung phân tích hiệu năng bảo mật lớp vật lý toàn diện cho các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng mã Fountain.
  2. Dẫn xuất các biểu thức giải tích dạng đóng chính xác cho $P_{SS}, IP, OP$ và $TS$ trên kênh pha đinh Rayleigh và Rice chịu tác động của suy giảm phần cứng HWI và nhiễu đồng kênh CCI.
  3. Chứng minh tính ưu việt vượt trội của cấu hình MIMO-NOMA TAS/SC/MRC trong việc cắt giảm số khe thời gian truyền bản tin và triệt tiêu xác suất nghe lén so với hệ thống OMA truyền thống.
  4. Đề xuất giải pháp bảo mật hiệu quả cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng vô tuyến RF-EH từ trạm Beacon chuyên dụng.
  5. Tối ưu hóa giao thức LEACH đa chặng trong mạng cảm biến không dây thông qua cơ chế phân bổ công suất gây nhiễu cộng tác CJ.
  6. Mở ra 3 hướng nghiên cứu mới về tích hợp an ninh lớp vật lý với bề mặt thông minh RIS, mã hóa RaptorQ và điều khiển vô tuyến thông minh bằng AI.

Công trình khẳng định vị thế tiên phong của khoa học kỹ thuật quân sự Việt Nam trong việc tiếp cận và giải quyết các bài toán công nghệ mũi nhọn của kỷ nguyên truyền thông không dây thế hệ mới.