CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC
Mạng truyền thông truyền thống
Mạng truyền thông truyền thống hiện nay rất phổ biến, sử dụng kết nối điểm điểm Tín hiệu được truyền trực tiếp từ nguồn phát đến thiết bị nhận, còn gọi là truyền thông tầm thẳng (LoS).
Hình 2.1: Mô hình mạng truyền thông truyền thống
Mô hình mạng truyền thống gặp khó khăn do tín hiệu chỉ có thể truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận, trong khi môi trường xung quanh thường phức tạp với địa hình đồi núi và nhà cao tầng, dẫn đến việc tín hiệu thu bị sai lệch Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều kỹ thuật mới nhằm cải thiện khả năng truyền tải tín hiệu trong các điều kiện khó khăn.
Trang 8 macro diversity, micro diversity… đƣợc ứng dụng để cải thiện chất lƣợng truyền thông Gần đây kỹ thuật MIMO với những ƣu điểm vƣợt trội đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông Tuy nhiên việc triển khai các mạng truyền thông nêu trên khá phức tạp và tốn chi phí
Mạng truyền thông hợp tác đang được nghiên cứu rộng rãi với tính ứng dụng cao, nhằm cải thiện những nhược điểm hiện có Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra một mô hình phân tập ảo, trong đó các thiết bị hợp tác thu tín hiệu và truyền thông qua lại Điều này giúp nâng cao chất lượng truyền thông một cách đáng kể nhưng lại tiết kiệm chi phí.
Gần đây, mạng truyền thông chuyển tiếp đã xuất hiện như một kỹ thuật mới mang lại sự cải thiện đáng kể về chất lượng hệ thống với chi phí thấp hơn Kỹ thuật này cho phép tín hiệu được tái truyền lại qua một nút chuyển tiếp, từ đó cải thiện kênh truyền thông và nâng cao chất lượng tín hiệu.
Mạng truyền thông chuyển tiếp
Mạng chuyển tiếp bao gồm nút nguồn, một hoặc nhiều nút chuyển tiếp và nút đích Dựa vào số lượng nút chuyển tiếp, mô hình mạng có thể được phân loại thành hai dạng chính: hệ thống với một nút chuyển tiếp và hệ thống với nhiều nút chuyển tiếp Trong mạng này, tín hiệu từ nguồn được truyền đến đích thông qua các nút chuyển tiếp, có nhiệm vụ thu nhận, xử lý và chuyển tiếp tín hiệu Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, mạng có thể có một hoặc nhiều nút chuyển tiếp, giúp chuyển đổi tín hiệu thành năng lượng điện để phục vụ cho quá trình truyền thông Sự khác biệt giữa mô hình một nút và đa nút chuyển tiếp nằm ở chỗ, trong mô hình một nút, tín hiệu chỉ được truyền đến một nút chuyển tiếp duy nhất, từ đó thông tin sẽ được gửi đến đích.
Hình 2.2: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đơn chặng
Mô hình mạng nhiều nút chuyển tiếp cho phép tín hiệu được truyền đồng thời đến nhiều nút khác nhau Tại mỗi nút, hệ thống sẽ chọn ra nút tối ưu để chuyển tiếp thông tin đến đích hoặc cho phép tất cả các tín hiệu từ các nút chuyển tiếp cùng gửi đến nút đích Tại nút đích, quá trình so sánh sẽ diễn ra để xác định thông tin tốt nhất từ các tín hiệu nhận được, như thể hiện trong hình 2.3.
Hình 2.3: Mạng truyền thông đa nút chuyển tiếp đơn chặng
Truyền thông đa nút chuyển tiếp đa chặng hoạt động dựa trên nguyên lý truyền tin từ nguồn đến nút chuyển tiếp, nơi thông tin được chuyển đổi thành năng lượng điện để tiêu thụ và tiếp tục gửi đến nút tiếp theo Điểm khác biệt chính là thông tin không được gửi trực tiếp đến đích mà phải đi qua một hoặc nhiều nút chuyển tiếp khác nhằm tiết kiệm công suất hoặc do khoảng cách truyền xa, trước khi đến nút đích Hình 2.4 sẽ minh họa rõ ràng quá trình này.
Hình 2.4: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đa chặng
Nhờ vào nguyên lý hoạt động nhƣ trên mà mạng truyền thông chuyển tiếp có một số ƣu nhƣợc điểm nhƣ sau:
Hiệu suất: trong hệ thống lớn, mô hình này có thể giúp năng lƣợng truyền dẫn giảm xuống, dung lƣợng cao hơn và vùng phủ sóng tốt hơn
Mô hình truyền thông chuyển tiếp giúp cân bằng chất lượng tín hiệu trong hệ thống mạng, đảm bảo rằng chất lượng không bị suy giảm ở các khu vực rìa, khu vực bị che khuất hoặc địa hình phức tạp Điều này mang lại sự đồng nhất về chất lượng truyền thông cho mọi vị trí trong mạng.
Việc triển khai các nút chuyển tiếp trong cơ sở hạ tầng giúp mở rộng phạm vi và chất lượng tín hiệu mà không cần đầu tư vào thiết bị truyền thông đắt tiền Xây dựng một hệ thống chuyển tiếp được coi là giải pháp tiết kiệm hơn so với việc xây dựng một hệ thống truyền thông đầy đủ, đồng thời chi phí bảo trì và vận hành cũng thấp hơn.
Lập lịch trình phức tạp trong hệ thống nhiều nút chuyển tiếp và người dùng là một thách thức lớn, đặc biệt khi đối mặt với lưu lượng người dùng và lưu lượng chuyển tiếp khác nhau Những lợi ích từ việc chuyển tiếp lớp vật lý sẽ không được phát huy nếu không được xử lý đúng cách tại lớp mạng và lớp truy cập trung bình.
Việc sử dụng các nút chuyển tiếp sẽ làm gia tăng nhiễu tại các nút, dẫn đến giảm hiệu suất của hệ thống.
Thời gian truyền là quá trình chuyển tiếp dữ liệu, trong đó yêu cầu nhận và giải mã toàn bộ gói dữ liệu trước khi tái truyền Độ trễ tín hiệu khi truyền qua các nút chuyển tiếp cũng góp phần làm tăng thời gian truyền; do đó, càng nhiều nút chuyển, thời gian truyền sẽ càng kéo dài.
Việc sử dụng các nút chuyển tiếp trong kênh truyền vô tuyến giúp nâng cao hiệu quả số lượng kênh truyền Điều này yêu cầu phải ước tính nhiều hệ số kênh truyền hơn, đồng thời cần cung cấp nhiễu ký tự nếu việc điều chế nhất quán được áp dụng.
Việc lựa chọn đối tác: để quyết định việc chuyển tiếp tối ƣu và đối tác để hợp tác là một công việc khá phức tạp
Chi phí phụ gia tăng là một yếu tố quan trọng khi vận hành một hệ thống hoàn chỉnh, bao gồm các yêu cầu về chuyển giao, đồng bộ hóa và bảo mật Những yếu tố này dẫn đến việc phát sinh chi phí bổ sung so với hệ thống không sử dụng giao thức chuyển tiếp.
Các giao thức chuyển tiếp trong mạng hợp tác
Hai giao thức chuyển tiếp phổ biến trong hệ thống truyền thông hợp tác là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cùng với giải mã và chuyển tiếp (DF) Những giao thức này giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin và cải thiện hiệu suất truyền thông.
2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) là giao thức truyền tín hiệu đơn giản nhất trong mạng hợp tác, trong đó nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ các đối tác và khuếch đại trước khi chuyển tiếp đến nơi nhận Mặc dù nhiễu cũng được khuếch đại cùng với tín hiệu, nút đích chỉ nhận phiên bản tín hiệu fading độc lập, giúp nó có khả năng đưa ra quyết định tốt hơn trong việc phát hiện thông tin.
Trong phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp, nút đích cần biết hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp để thực hiện mã hóa tối ưu Do đó, việc trao đổi và đánh giá thông tin này phải được tích hợp vào mọi quy trình thực thi.
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống khuếch đại và chuyển tiếp
2.3.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)
Giao thức giải mã và chuyển tiếp được mô tả trong Hình 2.6 nhằm loại bỏ tình trạng khuếch đại tín hiệu nhiễu Trong quá trình này, tín hiệu sẽ được giải mã và mã hóa lại trước khi được truyền đến đích Tuy nhiên, độ chính xác của tín hiệu giải mã tại nút chuyển tiếp là rất quan trọng; nếu tín hiệu không chính xác, việc chuyển tiếp sẽ trở nên vô nghĩa Mặc dù giao thức này có ưu điểm hơn so với phương pháp AF trong việc giảm thiểu nhiễu tại nút chuyển tiếp, nó yêu cầu khả năng phát hiện và sửa lỗi để ngăn chặn việc chuyển tiếp tín hiệu lỗi đến đích Do đó, kỹ thuật này đòi hỏi một thiết kế hệ thống phức tạp hơn để đảm bảo tính chính xác của tín hiệu.
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp
Các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng hợp tác
Kỹ thuật chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong mô hình chuyển tiếp, bao gồm các phương pháp như chuyển tiếp một chiều (One way relaying) và chuyển tiếp hai chiều (Two way relaying).
Kỹ thuật chuyển tiếp một chiều, như được mô tả trong hình 2.7, là phương pháp kết nối giữa bên truyền và bên nhận tín hiệu Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ nguồn truyền và sau đó sử dụng một trong các giao thức chuyển tiếp để gửi tín hiệu đến đích.
Mạng chuyển tiếp một chiều, như được mô tả trong hình 2.7, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông một chiều, mạng cảm biến và mạng phát thanh Trong những trường hợp này, tín hiệu chỉ cần được truyền đến nơi thu mà không yêu cầu tín hiệu phản hồi.
Kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều cho phép cả hai nguồn S1 và S2 truyền và nhận tín hiệu, như thể hiện trong hình 2.8 Nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ cả hai nguồn và sử dụng giao thức chuyển tiếp để gửi tín hiệu đến hai đích khác nhau Tùy thuộc vào loại nút chuyển tiếp được sử dụng, hiệu suất và khả năng xử lý tín hiệu có thể thay đổi.
Trang 15 kỹ thuật bán song công hay song công chúng ta có một số dạng chuyển tiếp hai chiều nhƣ chuyển tiếp hai chiều hai pha, ba pha, và bốn pha
Hình 2.8: Sơ đồ khối chuyển tiếp hai chiều
Các kỹ thuật tại nút chuyển tiếp trong mạng hợp tác
Hệ thống vô tuyến hợp tác hỗ trợ nhiều chế độ truyền khác nhau, bao gồm truyền đơn công, truyền bán song công và truyền song công, tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng.
2.5.1 Chuyển tiếp bán song công
Trong quá trình chuyển tiếp bán song công, tín hiệu được truyền từ bên gửi đến bên nhận theo một hướng duy nhất Nút chuyển tiếp sử dụng một ăng-ten để thu nhận tín hiệu từ nguồn phát và sau đó chuyển tiếp tín hiệu đó đến đích.
Hình 2.9: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp bán song công một chiều
Trong mô hình 2.9, sự chuyển tiếp không bị ảnh hưởng bởi tự nhiễu giữa các ăng-ten, đồng thời có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện Mô hình này cũng mang lại một số lợi ích khác.
Trang 16 nhƣợc điểm: do tín hiệu chỉ có thể truyền đi theo một chiều hoặc nhận trong một thời điểm nên sự tối ƣu hiệu suất phổ chƣa cao
Chuyển tiếp song công là kỹ thuật cho phép truyền và nhận tín hiệu đồng thời qua hai ăng-ten tại một nút chuyển tiếp, sử dụng cùng một dải tần số Tuy nhiên, việc sử dụng hai ăng-ten cùng lúc trong quá trình này có thể dẫn đến hiện tượng tự nhiễu, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
2 ăng-ten trên cùng một nút
Kỹ thuật chuyển tiếp song công bao gồm hai loại: chuyển tiếp song công một chiều và chuyển tiếp song công hai chiều Chuyển tiếp song công một chiều là quá trình thu năng lượng và truyền tín hiệu đồng thời nhưng chỉ theo một hướng Hình 2.10 minh họa rõ ràng quá trình này, trong đó nguồn và đích chỉ có một chiều kết nối.
Nút chuyển tiếp với hai ăng-ten riêng biệt có hiện tượng tự nhiễu chỉ xảy ra tại điểm chuyển tiếp Trong khi đó, hệ thống chuyển tiếp song công hai chiều cho phép quá trình diễn ra đồng thời ở cả hai hướng Hình 2.11 sẽ minh họa rõ nét về quá trình này.
Mô hình này tại mỗi nút đều có hai ăng-ten, hiện tƣợng tự nhiễu xảy ra ở cả 3 nút
Hình 2.10: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp song công một chiều
Hình 2.11: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp song công hai chiều
Sơ đồ khối thu năng lƣợng
Hình 2.12: Sơ đồ thu năng lƣợng ở nút chuyển tiếp
Trong bài viết này, tác giả giới thiệu về kỹ thuật thu thập năng lượng, như mô tả trong hình 2.12 Tín hiệu thu được từ máy thu yR qua ăng-ten sẽ được chuyển đổi thành dòng điện một chiều i DC thông qua bộ chỉnh lưu Dòng điện này sau đó được lưu trữ trong mạch điện của nút chuyển tiếp và sử dụng cho quá trình truyền thông tin tới đích.
Các giao thức thu thập năng lƣợng trong mạng hợp tác
Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu một số giao thức đơn giản để thu thập năng lượng từ các nguồn tín hiệu RF, bao gồm giao thức chuyển đổi thời gian (TSR), giao thức phân chia công suất (PSR) và giao thức kết hợp chuyển đổi thời gian và công suất (TPSR).
Giao thức chuyển đổi thời gian (TSR): giao thức này sẽ chuyển đổi khoảng thời gian dùng để thu năng lƣợng riêng biệt với thời gian truyền tin tức
Giao thức phân chia công suất (PSR) chia công suất nhận được tại nguồn thành hai phần: một phần được sử dụng để thu năng lượng và phần còn lại để thu thập thông tin.
Giao thức kết hợp chuyển đổi thời gian và công suất là sự kết hợp của 2 giao thức TSR và PSR
2.7.1 Giao thức dựa trên chuyển đổi thời gian (TSR) Để thực hiện quá trình này thì quá trình đƣợc chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn thu năng lƣợng và giai đoạn truyền thông tin
Cấu trúc giao thức TSR được mô tả với T là tổng thời gian truyền từ nguồn đến đích, trong đó 0 ≤ α ≤ 1 là phần chuyển đổi thời gian Cụ thể, khoảng thời gian αT được sử dụng để thu năng lượng tại nút chuyển tiếp, trong khi khoảng thời gian còn lại (1-α)T được dành cho việc truyền thông tin từ nguồn đến đích.
Thông tin được truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp, nơi nó sẽ được chuyển tiếp tới đích Toàn bộ năng lượng thu được trong quá trình thu thập sẽ được sử dụng để chuyển tiếp các tín hiệu đến vị trí cuối cùng.
Sự lựa chọn phần thời gian α cho việc thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp ảnh hưởng đến thông lượng đạt được tại đích
Hình 2.14: Sơ đồ khối kỹ thuật TSR
2.7.2 Giao thức dựa trên phân chia công suất (PSR) Để thực hiện quá trình này thì đƣợc chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu là truyền từ nguồn tới nút chuyển tiếp, giai đoạn sau là chuyển từ nút chuyển tiếp tới đích
Hình 2.15 minh họa cấu trúc giao thức PSR, trong đó trong nửa thời gian đầu của quá trình truyền tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp, công suất được chia thành hai phần Khoảng ρP được sử dụng để thu năng lượng phục vụ cho việc chuyển tiếp tin tức, trong khi (1- ρ)P được dùng để thu thập thông tin trong nửa thời gian đầu Thời gian còn lại sẽ được dành cho việc truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp đến nút đích.
Hình 2.16: Sơ đồ khối kỹ thuật PSR
2.7.3 Giao thức dựa trên chuyển tiếp thời gian và công suất (TPSR) Đây là giao thức đƣợc sử dụng bằng cách kết hợp cả 2 giao thức trên Cũng tương tự như giao thức TSR thì T được định nghĩa là khoảng thời gian truyền từ nút nguồn tới nút đích thông qua nút chuyển tiếp và α là thời gian chuyển đổi Với khoảng thời gian đầu αT sẽ đƣợc dùng cho việc xử lý tín hiệu thu đƣợc tại nút chuyển tiếp Trong khoảng thời gian này thì áp dụng nhƣ nửa thời gian đầu của PSR, nó sẽ sử dụng một công suất ρP cho việc thu năng lƣợng và phần công suất còn lại là (1-ρ)P đƣợc sử dụng cho quá trình thu tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp Sau đó phần thời gian (1-α)T sẽ đƣợc dùng cho quá trình truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp tới đích
Hình 2.17: Cấu trúc giao thức TPSR
Hình 2.18: Sơ đồ khối giao thức TPSR
Mạng đa nút chuyển tiếp
Mạng truyền thông đa nút chuyển tiếp bao gồm một nguồn (S), một nút đích (D) và nhiều nút chuyển mạch trung gian nằm giữa hai điểm này Tín hiệu được truyền từ nguồn đến đích có thể đi qua nhiều lộ trình khác nhau, do đó cần có sự lựa chọn hợp lý để đảm bảo tín hiệu đến đích một cách chính xác.
Hình 2.19: Mô hình mạng đa nút chuyển tiếp
Mô hình mạng đa nút chuyển tiếp, như mô tả trong Hình 2.19, bao gồm một nguồn phát, nhiều nút chuyển tiếp và một nút đích Hệ thống có thể áp dụng phương pháp xác định chất lượng kênh truyền để lựa chọn kênh tốt nhất cho truyền thông, gọi là phương pháp lựa chọn tối ưu Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp chuyển tất cả dữ liệu đến đích, nơi sẽ thực hiện lựa chọn, được gọi là chuyển tiếp tất cả Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và sẽ được phân tích chi tiết hơn ở phần tiếp theo Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người dùng sẽ chọn phương pháp phù hợp.
2.8.1 Phương pháp lựa chọn kênh chuyển tiếp tối ưu
Phương pháp này nhằm lựa chọn kênh truyền con có chất lượng tốt nhất trong tất cả các kênh có thể tham gia vào đường truyền, tạo thành kênh truyền thông hiệu quả giữa nguồn và đích Mô hình của phương pháp này được thể hiện qua hình minh họa.
Hình 2.20: Sơ đồ mạng lựa chọn kênh chuyển tiếp tối ƣu
Phương pháp lựa chọn kênh truyền được thực hiện qua các bước như sau: Đầu tiên, hệ thống ước lượng thông tin của kênh truyền bằng cách phát một mã kiểm tra cố định từ nguồn tín hiệu đến các nút chuyển tiếp Tại nút chuyển tiếp, tín hiệu thu được sẽ được so sánh với mã nguồn có sẵn, từ đó xác định trạng thái kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp, ký hiệu là S Tiếp theo, nút chuyển tiếp sẽ gửi mã kiểm tra đến nút đích, nơi tín hiệu thu được sẽ được phân tích để đưa ra thông tin trạng thái kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến đích, ký hiệu là D.
Hệ thống phân tích thông tin trạng thái của kênh truyền để so sánh và quyết định nút chuyển tiếp tối ưu Nút chuyển tiếp được chọn sẽ thực hiện việc chuyển tiếp tín hiệu giữa nguồn và đích, trong khi các nút không được chọn sẽ chuyển sang chế độ lý tưởng (chế độ chờ) Quá trình kiểm tra chất lượng hệ thống có thể được lặp lại sau mỗi chu kỳ cố định nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống luôn ở mức tốt nhất.
Có hai phương pháp để chọn kênh truyền tối ưu: lựa chọn kênh truyền con tối ưu và lựa chọn kênh truyền tổng thể tối ưu Phương pháp đầu tiên tập trung vào việc xác định kênh truyền con phù hợp nhất để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải thông điệp.
Trang 25 ƣu đƣợc định nghĩa là kMax min i S i , D i , trong đó k là thông số của nút chuyển tiếp tối ƣu, S , D i i
SNR của kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nút chuyển tiếp đến đích đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng truyền thông Để tối ưu hóa kênh truyền, ta lựa chọn kênh với công thức k = Max i (γ S i + γ D i) Cả hai phương pháp này đều góp phần nâng cao đáng kể hiệu suất của hệ thống truyền thông.
2.8.2 Phương pháp chuyển tiếp tất cả
Trong phương pháp này, tín hiệu tại các nút chuyển tiếp được gửi đến đích, nơi tín hiệu nhận được là sự kết hợp của các tín hiệu từ nhiều đường truyền khác nhau Mô hình chuyển tiếp đa nút này được minh họa trong hình 2.21.
Hình 2.21: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp tất cả
Phương pháp này nổi bật với tính đơn giản trong thiết kế và điều khiển các nút chuyển tiếp Tuy nhiên, trong mô hình chuyển tiếp, nếu một kênh chuyển tiếp có chất lượng kém, nó sẽ tác động tiêu cực đến chất lượng toàn bộ hệ thống.
Trang 26 thống Vì thế tùy vào mục đích sử dụng để đƣa ra một mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [21]
MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT
Mô hình kênh truyền và nhiễu cộng tác
Hình 3.1: Mô hình hệ thống liên lạc bảo mật giữa nguồn ( ) và một điểm đến
( ) thông qua một nút chuyển tiếp không tin cậy ( ) với nhiễu cộng tác ở nút đích [22]
Nguồn thông tin (S) truyền thông đến điểm đích (D) thông qua một nút chuyển tiếp (R), trong khi vẫn giữ bí mật thông tin giữa các nút Để bảo vệ tính bảo mật, điểm đến gửi tín hiệu gây nhiễu đến nút chuyển tiếp trong khi nguồn truyền thông tin Mỗi nút hoạt động theo chế độ bán song công và được trang bị một ăng ten, không có liên kết trực tiếp giữa S và D Ký hiệu hệ số của các kênh giữa các nút là g ab.
Rayleigh fading-block giữa hai nút nhƣ trong [4], [7], [10], [13] Đó là kênh không đổi trên một khe thời gian của chu kì T mà khi đó S truyền tin cho D thông qua R
Công suất kênh đƣợc cho bởi g ab 2 trong đó có phân phối mũ với trung bình ab , tức là:
Khi đó: 2 g ab f x là hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên g ab 2 Tôi giả định các kênh giữa R và D đối xứng nhƣ trong [10], [11], [12], [13], [14], tức là
Trong nghiên cứu này, chúng tôi giả định rằng nguồn không có thông tin trạng thái kênh (CSI), trong khi CSI của các kênh S-R và R-D được ghi nhận tại các nút chuyển và điểm đến tương ứng.
Thu thập năng lƣợng và mô hình xử lý thông tin
Các nút chuyển tiếp không tin cậy thu thập năng lượng từ tín hiệu RF để chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích Để kích hoạt mạch thu năng lượng tại nút chuyển, năng lượng nhận được phải vượt ngưỡng tối thiểu H Giả định rằng nút chuyển tiếp không có nguồn năng lượng khác và hoàn toàn dựa vào năng lượng thu thập cho việc truyền tải, trong khi mức năng lượng tiêu thụ của mạch truyền nhận là không đáng kể Tôi áp dụng hai kiến trúc máy thu khác nhau tại nút chuyển tiếp để tách năng lượng và xử lý thông tin từ các tín hiệu RF tiếp nhận.
Phân chia năng lượng (PS) là quá trình mà nút chuyển tiếp sử dụng một phần năng lượng thu được từ nguồn năng lượng thu thập, trong khi phần còn lại được dành cho việc xử lý thông tin.
Chuyển đổi thời gian (TS) là quá trình sử dụng nút chuyển tiếp để chuyển đổi giữa việc khai thác năng lượng và xử lý thông tin Nút này tận dụng một phần nhỏ khe thời gian để thu hoạch năng lượng, trong khi thời gian còn lại được dành cho việc xử lý thông tin và chuyển tiếp dữ liệu.
Hình thức phân chia công suất tại nút chuyển tiếp (PS)
Hình 3.2 minh họa hình thức phân chia công suất thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy có thu thập năng lượng Trong mô hình này, liên lạc giữa nguồn và đích diễn ra trong khoảng thời gian T, được chia thành hai pha bằng nhau là T/2 Trong pha đầu tiên, nguồn truyền thông tin tới nút chuyển tiếp với công suất P S, trong khi điểm đích gửi tín hiệu nhiễu với công suất P D tới nút chuyển để bảo vệ thông tin Nút chuyển tiếp sử dụng một phần nhỏ của công suất nhận được để thu thập năng lượng, trong khi phần còn lại 1 được dành cho xử lý thông tin.
0 1 Trong pha thứ hai, nút chuyển tiếp sử dụng năng lƣợng thu thập đƣợc để chuyển tiếp các thông tin nhận đƣợc đến đích sau khi đã khuếch đại
3.3.1 Thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp
Trong hình thức PS nói trên, năng lƣợng thu thập E H đƣợc cho nhƣ [22]:
Trong đó, là hệ số hiệu quả chuyển đổi năng lƣợng, với 0 1, nó phụ thuộc vào các mạch thu thập năng lƣợng của nút chuyển tiếp P g S | SR | 2 và
Công suất nhận được tại nút chuyển tiếp, ký hiệu là P g, được xác định bởi tín hiệu thông tin từ các nguồn và tín hiệu gây nhiễu từ các đích tương ứng Trong giai đoạn thứ hai của khoảng thời gian T / 2, công suất của nút chuyển tiếp để truyền tải thông tin đến điểm đích được mô tả như sau:
3.3.2 Xử lý thông tin và giao thức chuyển tiếp
Trong pha một, tín hiệu đƣợc nhận y R trong quá trình xử lý thông tin tại nút chuyển tiếp đƣợc cho bởi [22]:
Tín hiệu từ nguồn x S có đơn vị công suất, trong khi tín hiệu nhiễu x D cũng có đơn vị công suất và được gửi từ điểm đích Nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) tại nút chuyển được ký hiệu là w R Giả sử rằng việc phân chia công suất không ảnh hưởng đến công suất nhiễu Dựa vào tín hiệu nhận được, nút chuyển có khả năng giải mã thông điệp nguồn x S SNR tại nút chuyển có thể được xác định dựa trên các tín hiệu này.
Trong đó, 2 là công suất nhiễu của AWGN w R
Trong giai đoạn hai, nút chuyển đổi khuếch đại tín hiệu y R theo một hệ số , dựa trên giới hạn công suất của nó, và truyền tín hiệu này đến đích Kết quả tín hiệu x R được phát đi tại nút chuyển tiếp được mô tả trong tài liệu [22].
Thay (3.4) vào (3.6) và viết lại (3.6) cho tín hiệu nhận đƣợc y D ' tại điểm đích là:
Tại điểm đích, tín hiệu AWGN được biểu diễn bởi (3.8) với công suất 2, trong đó x D là tín hiệu nhiễu gửi từ điểm đích đến nút chuyển tiếp trong pha một Điểm đích có khả năng loại bỏ phần nhiễu 1 P g D RD g DR x D từ (3.8) và giải mã thông tin nguồn từ phần còn lại của tín hiệu nhận được Kết quả là tín hiệu nhận được y D tại điểm đến sẽ được xác định.
D S SR RD S RD R D y P g g x g w w (3.9) Cuối cùng, thay P H từ (3.3) vào (3.7), và thay từ (3.7) vào (3.9) ta đƣợc
Cụm thứ nhất của vế phải (3.10) đại diện cho khối dữ liệu, trong khi cụm hai và ba tương ứng với tổng nhiễu nhận được tại điểm đến SNR tại điểm đến được thể hiện qua công thức sau:
3.3.3 Bảo mật đường truyền thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy
Khi nút chuyển tiếp không đáng tin cậy, tốc độ bảo mật tức thời R sec của truyền thông cộng tác chuyển tiếp có thể được xác định như đã nêu trong tài liệu [26].
2 đại điện cho thời gian liên lạc hiệu quả giữa nguồn và đích Cho phần còn lại từ mục 3.3 tôi giả định P S P D P để dễ cho việc phân tích,
Xác suất dừng bảo mật là một chỉ số quan trọng trong hiệu suất bảo mật, giúp xác định khả năng đạt được tỷ lệ bảo mật mong muốn Với mạch thu thập năng lượng của nút chuyển tiếp đang hoạt động, xác suất này có thể được thể hiện rõ ràng.
Khi đó Pr kí hiệu cho xác suất, R sec tốc độ đạt bảo mật tức thời cho bởi
(3.12), và R th là tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc Thay thế SNR R tại (3.5) và SNR D tại (3.11), ta có thể viết lại (3.13) nhƣ sau:
Chúng ta có thể tiếp tục thể hiện xác suất dừng bảo mật trong (3.14) nhƣ đƣợc đƣa ra trong chứng minh 1
Chứng minh 1: Xác suất dừng bảo mật trong hình thức PS có thể đƣợc thể hiện xấp xỉ:
(Chứng minh tham khảo Phụ lục A )
Công thức (3.15) thu đƣợc bằng cách sử dụng làm tròn lên SNR của SNR nhận đƣợc tại điểm đích
Phương trình (3.17) có thể đạt được từ biểu thức được đưa ra trong (3.11) của
SNR D bằng việc bỏ qua cụm
(dựa vào việc loại bỏ 4 khi
SNR lớn) từ mẫu số của (3.11) Việc phân tích xấp xỉ tại (3.17) thì dễ dàng thực hiện hơn là tính chính xác trong (3.14)
Như đã đề cập ở mục 3.2, năng lượng tại các nút chuyển tiếp cần lớn hơn ngưỡng tối thiểu γ H để kích hoạt mạch thu năng lượng Bằng cách sử dụng kênh đối xứng cho liên kết giữa nút chuyển tiếp và nút đích, ta có thể diễn đạt lại công suất nhận được P R tại nút chuyển.
Khi công suất nhận được P_R nhỏ hơn công suất ngưỡng γ_H, mạch thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp sẽ không hoạt động, dẫn đến tình trạng mất nguồn Xác suất mất nguồn năng lượng được biểu diễn bằng Pr(P_R < γ_H).
Chứng minh 2: Ta viết xác suất công suất dừng OP p out , nhƣ sau:
Đối với năng lượng hạn chế của các nút chuyển tiếp không tin cậy, việc dừng bảo mật có thể xảy ra nếu năng lượng nhận được không đủ để kích hoạt các mạch thu năng lượng Kết hợp với công thức (3.15), tổng xác suất dừng bảo mật OP out S có thể được diễn đạt như đã nêu trong tài liệu tham khảo [24].
Với OP out đƣợc cho bởi (3.15)
Thông lƣợng bảo mật có thể đƣợc viết:
Giá trị tối ƣu của hệ số phân chia công suất có thể đƣợc tính: minOP out S arg minOP out S *
Mặc dù việc xác định biểu thức chính xác cho phần tối ưu gặp nhiều khó khăn, chúng ta có thể tìm kiếm giá trị tối ưu thông qua mô phỏng.
Hình thức chuyển đổi thời gian tại nút chuyển tiếp (TS)
Hình 3.3 minh họa hình thức chuyển đổi thời gian trong truyền thông bảo mật thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy Trong quá trình này, thông tin giữa nguồn và đích được truyền qua hai giai đoạn trong khoảng thời gian T Nút chuyển tiếp sẽ thu thập năng lượng từ tín hiệu RF trong khoảng thời gian αT (với 0 ≤ α ≤ 1) Năng lượng thu thập được sẽ được sử dụng để chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích, trong khi thời gian còn lại (1 - α)T được chia thành hai khe thời gian bằng nhau.
Trong quá trình truyền thông, nguồn thông tin sẽ gửi dữ liệu đến nút chuyển tiếp, nơi dữ liệu được khuếch đại trước khi đến đích Tuy nhiên, trong suốt quá trình này, nút đích sẽ phát tín hiệu gây nhiễu, ảnh hưởng đến chất lượng truyền tải từ nguồn đến nút chuyển tiếp.
3.4.1 Thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp
Trong hình thức chuyển đổi thời gian, năng lƣợng thu thập E H trong thời gian
Nút chuyển tiếp sử dụng năng lƣợng thu thập này để chuyển tiếp các thông tin nguồn đến đích với công suất:
3.4.2 Giao thức chuyển tiếp và xử lý thông tin
Sau giai đoạn thu hoạch năng lƣợng, nút chuyển tiếp chuyển sang giai đoạn xử lý thông tin, khi đó các tín hiệu nhận đƣợc cho bởi [22]:
Lưu ý: trừ khi có qui ước khác, tất cả các kí hiệu trong phần này tương ứng với phần hình thức phân chia năng lƣợng
Sử dụng tín hiệu nhận đƣợc y R cho trong (3.25) Nút chuyển có thể tìm cách giải mã thông tin nguồn SNR nhận đƣợc tại nút chuyển đƣợc cho:
Nút chuyển chuyển tiếp các tín hiệu nhận đƣợc đến đích sau khi đƣợc khuếch đại đƣợc cho bởi [22]:
Tín hiệu nhận đƣợc tại đích y D ' cho bởi:
Sau khi trừ đi các tín hiệu nhiễu x D , kết quả tín hiệu nhận đƣợc tại nút đích y D trở thành
Thay P H từ (3.27) vào (3.27), và từ (3.27) vào (3.29), ta có thể viết lại tín hiệu nhận đƣợc y D nhƣ sau
Cụm đầu tiên ở bên phải của (3.30) thể hiện một phần tín hiệu nhận được tại điểm đến, trong khi hai cụm cuối cùng biểu thị tổng nhiễu tại điểm đến Do đó, chúng ta có thể xác định các tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại các nút đích như sau:
(3.31) Đối với phần còn lại của đề tài, tôi giả định P S P D P để dễ phân tích
3.4.3 Bảo mật đường truyền thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy Đối với hình thức chuyển đổi thời gian TS Tốc độ đạt bảo mật tức thời đƣợc cho bởi
Khi đó SNR R và SNR D được cho tương ứng trong (3.26) và (3.31), yếu tố
biểu thị thời gian hiệu quả của việc truyền thông tin giữa nguồn và đích
Xác xuất dừng bảo mật
Ta có thể biệu thị xác suất dừng bảo mật nhƣ đƣợc đƣa ra trong chứng minh
Trong hình thức chuyển đổi thời gian TS, khi các mạch thu thập năng lượng hoạt động đồng bộ, xác suất bảo mật dừng lại được xác định bởi công thức (3.15).
Các bước chứng minh tương tự như trong Phụ lục A được áp dụng để xác định xác suất dừng hình thức PS trong Chứng minh 1 Do đó, chúng ta sẽ bỏ qua các chứng minh cho hình thức TS để giữ cho nội dung ngắn gọn.
Lưu ý rằng, trong hình thức TS, xác suất dừng bảo mật dưới xấp xỉ SNR được xác định thông qua công thức (3.15), được tính toán dựa trên sự xấp xỉ của biểu thức chính xác SNR D trong (3.31).
Do tính chất đối xứng của kênh, với g RD = g DR, chúng ta đã rút ra được (3.35) từ biểu thức chính xác của SNR tại nút đích được trình bày trong (3.31) bằng cách loại bỏ các cụm không cần thiết.
Trong mẫu số của (3.31), ảnh hưởng của 4 không đáng kể khi tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao Khi xem xét xác suất dừng, tổng xác suất dừng bảo mật có thể được viết theo công thức (3.20) Đáng lưu ý rằng xác suất dừng cho các hình thức PS và TS là giống nhau.
Hình thức không thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp
Hình 3.4 minh họa giao thức chuyển tiếp cho truyền thông bảo mật qua nút chuyển tiếp không tin cậy Quá trình này diễn ra trong hai pha của khoảng thời gian T/2, trong đó pha đầu tiên là nguồn truyền thông tin tới nút chuyển tiếp với công suất P S, trong khi điểm đích gửi tín hiệu nhiễu với công suất P D để bảo vệ thông tin Ở pha thứ hai, nút chuyển tiếp khuếch đại và gửi thông tin đến đích Cần lưu ý rằng trong cả hai pha, nút chuyển tiếp được cung cấp công suất P R để duy trì hoạt động.
3.5.1 Xử lý thông tin tại nút chuyển tiếp
Tín hiệu nhận đƣợc trong pha 1 có tại R có thể đƣợc thể hiện nhƣ:
Trong bài viết này, tín hiệu từ nguồn được ký hiệu là x S với đơn vị công suất, trong khi tín hiệu nhiễu cộng tác từ điểm đích được ký hiệu là x D Thêm vào đó, w R đại diện cho nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) tại nút chuyển Dựa vào tín hiệu nhận được, nút chuyển có khả năng giải mã thông điệp nguồn x S Từ đó, chúng ta có thể xác định tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại nút chuyển như sau:
(3.37) với 2 là công suất nhiễu của AWGN w R
Tiếp theo, tín hiệu phát đi tại nút R trong pha 2:
R R x G y (3.38) với hệ số khuếch đại: 2 2
Tín hiệu nhận đƣợc tại D trong pha 2:
Tín hiệu y D tại D được xác định từ AWGD với công suất 2, trong đó x D là tín hiệu nhiễu cộng tác do D gửi đến trong pha 1 D có khả năng loại bỏ G P g D RD g DR x D từ phương trình, từ đó giải mã thông tin nguồn từ phần còn lại của tín hiệu nhận được.
D S SR RD S RD R D y G P g g x Gg w w (3.40) thay G vào phương trình (3.40) ta được:
3.5.2 Bảo mật đường truyền thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy
Tốc độ đạt bảo mật tức thời đƣợc tính:
Xác suất dừng bảo mật đƣợc cho bởi:
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Giới thiệu chương trình mô phỏng
Bảng 4.1: Các tham số mô phỏng
Công suất tín hiệu nhiễu đích P D 40dBm
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng 0.7
Ngưỡng kích hoạt mạch thu năng lượng H 30dBm[23]
Khoảng cách nguồn - chuyển tiếp d SR 5m
Khoảng cách chuyển tiếp – đích d RD 5m
Kết quả mô phỏng
Tỉ lệ phân chia năng lượng và thời gian thu thập năng lượng có ảnh hưởng đáng kể đến xác suất dừng bảo mật trong các hình thức phân chia năng lượng PS và chuyển đổi thời gian TS.
4.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ và
Hình 4.1 minh họa tác động của tỷ lệ phân chia năng lượng β thông qua phương pháp phân chia năng lượng PS và thời gian thu thập năng lượng α trong quá trình chuyển đổi thời gian TS đối với xác suất dừng bảo mật Đặc biệt, trong phương pháp PS, việc tăng tỷ lệ phân chia năng lượng β sẽ ảnh hưởng đến xác suất dừng bảo mật.
Giá trị tối ưu tương ứng với xác suất dừng bảo mật nhỏ nhất, và khi vượt qua giá trị tối ưu, xác suất dừng bảo mật sẽ tăng lên Sự gia tăng của dẫn đến việc nút chuyển tiếp thu nhiều năng lượng hơn, từ đó tăng công suất phát và cường độ tín hiệu tại nút đích Tuy nhiên, việc tăng cũng làm giảm cường độ tín hiệu tại nút chuyển tiếp.
Trang 44 làm giảm SNR nhận đƣợc SNR R Điều này làm tăng tốc độ bảo mật truyền thông mà làm giảm xác suất dừng bảo mật Nhƣng một khi vƣợt qua giá trị tối ƣu, cường độ kém của tín hiệu nhận được sẽ tác động xấu đến xác suất dừng bảo mật
Nút chuyển tiếp có khả năng khuếch đại tín hiệu yếu, nhưng việc chuyển tiếp tín hiệu nhiễu lại làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại điểm đích Mặc dù sự gia tăng năng lượng thu thập do tăng β dẫn đến công suất truyền cao hơn ở nút chuyển tiếp, nhưng điều này không đủ để bù đắp cho sự suy giảm cường độ tín hiệu Hệ quả là mức độ bảo mật của truyền thông giữa nguồn và đích trở nên kém hơn, tương ứng với xác suất dừng tăng lên.
Hình 4.1 cũng cho thấy trong hình thức TS khi thời gian thu thập năng lƣợng
Khi giá trị tăng, xác suất dừng bảo mật giảm từ mức ban đầu đến giá trị tối thiểu tương ứng với giá trị tối ưu của Tuy nhiên, khi vượt qua giá trị tối ưu, xác suất dừng bảo mật bắt đầu tăng Điều này xảy ra do nút chuyển tiếp có nhiều thời gian hơn để thu thập năng lượng, nâng cao công suất truyền phát và cải thiện SNR tại điểm đích Mặc dù tăng làm giảm thời gian xử lý thông tin ở cả nút chuyển tiếp và nút đích, nhưng việc giảm thời gian xử lý tại nút chuyển tiếp dẫn đến hai tác động chính: giảm sự tiếp nhận tín hiệu tại nút chuyển tiếp và giảm tiếp nhận tín hiệu tại điểm đích, từ đó làm tăng xác suất dừng bảo mật Khi nhỏ hơn giá trị tối ưu, năng lượng thu thập tại nút chuyển tiếp tăng và xác suất dừng bảo mật giảm Ngược lại, khi vượt qua giá trị tối ưu, ảnh hưởng của việc giảm thời gian xử lý thông tin trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến tăng xác suất dừng bảo mật.
Hình 4.2: Hiệu năng bảo mật theo trong hình thức PS
Tỷ lệ chia năng lượng theo hình thức PS ảnh hưởng đến hiệu suất xác suất dừng bảo mật, như thể hiện trong Hình 4.2 Khi tăng , xác suất dừng bảo mật giảm xuống mức tối thiểu, được gọi là xác suất dừng bảo mật tối thiểu Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng vượt qua giá trị tối ưu, xác suất gián đoạn sẽ tăng lên Hơn nữa, việc gia tăng làm giảm cường độ tín hiệu tại nút chuyển tiếp, dẫn đến giảm SNR tại nút này Điều này làm tăng tỷ lệ bảo mật của đường truyền nhưng lại giảm xác suất dừng Do đó, cần tính toán cẩn thận giá trị để duy trì hiệu năng bảo mật.
Hình 4.3: Hiệu năng bảo mật theo trong hình thức TS
Hình 4.3 cho thấy tác động của tỷ lệ chuyển đổi thời gian theo hình thức TS đối với suất xác suất dừng bảo mật Khi tỷ lệ chuyển mạch nhỏ, sự cố ngừng hoạt động có thể được kiểm tra rõ ràng Tăng giá trị sẽ làm giảm xác suất dừng bảo mật xuống mức tối thiểu, gọi là xác suất dừng bảo mật tối thiểu Tuy nhiên, nếu vượt quá giá trị tối ưu, xác suất dừng sẽ tăng lên Ngoài ra, tốc độ đạt bảo mật ngưỡng cũng ảnh hưởng đến xác suất dừng, với tốc độ đạt bảo mật ngưỡng thấp hơn dẫn đến xác suất dừng tốt hơn.
4.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ đạt bảo mật ngưỡng có thể đạt được R th
Hình 4.4 minh họa mối quan hệ giữa tốc độ đạt bảo mật ngưỡng và xác suất dừng bảo mật cho hai hình thức PS và TS Khi tốc độ đạt bảo mật ngưỡng tăng, xác suất dừng bảo mật cũng có xu hướng tăng theo Đặc biệt, hình thức TS cho thấy xác suất dừng thấp hơn so với hình thức PS ở mức R th thấp (dưới 0.5 bit/s/Hz) Tuy nhiên, ở mức R th cao hơn, hình thức PS lại cho kết quả tốt hơn về xác suất dừng so với hình thức TS.
4.2.3 Ảnh hưởng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Hình 4.5 minh họa mối quan hệ giữa xác suất dừng bảo mật và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong các hình thức PS và TS với công suất nhiễu cố định là 2 = -10dBm Sự biến đổi của SNR truyền tương ứng với sự thay đổi của công suất truyền P, cho thấy rằng việc tăng SNR có thể ảnh hưởng tích cực và tiêu cực đến bảo mật đường truyền Cụ thể, khi SNR tăng, cường độ tín hiệu từ nguồn và tín hiệu nhiễu jamming từ nút đích cũng gia tăng Biểu thức SNR thu tại nút chuyển tiếp cho cả hai hình thức PS và TS được trình bày trong các công thức (3.5) và (3.26).
Khi SNR R tăng, ta nhận thấy rằng SNR truyền cũng gia tăng, điều này nâng cao khả năng giải mã thông tin chuyển tiếp không tin cậy và làm tăng xác suất dừng bảo mật Mặt khác, việc tăng SNR cũng đồng nghĩa với việc năng lượng thu thập tại nút chuyển tiếp từ nguồn thông tin và tín hiệu gây nhiễu tăng lên, dẫn đến công suất phát của nút chuyển tiếp tăng, từ đó cải thiện SNR tại nút đích.
Trang 49 ra, khi nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu nhận đƣợc tới đích, cường độ tín hiệu nhận được tại đích tăng do cường độ tín hiệu tăng lên tại nút chuyển tiếp nhƣ là một kết quả của việc tăng SNR truyền Nhƣ hình 4.5 cho thấy, tăng SNR truyền có một tác động tích cực tổng thể về hiệu suất bảo mật của hệ thống
4.2.4 Ảnh hưởng của vị trí chuyển tiếp
Hình 4.6: Ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp đến xác suất dừng cho hình thức
Hệ số suy giảm đường truyền khác nhau cho PS và TS là 2.7 và 4, ảnh hưởng đến xác suất dừng bảo mật tối ưu Hình 4.6 thể hiện tác động của vị trí nút chuyển tiếp đến hiệu suất bảo mật ở các tốc độ khác nhau Khi thay đổi khoảng cách nguồn - chuyển tiếp d SR, khoảng cách chuyển tiếp - đích là 10d RD Việc hiểu rõ ảnh hưởng của d SR là rất quan trọng để đánh giá hiệu năng bảo mật trong cả hai hình thức PS và TS.
Trang 50 hướng tích cực và tiêu cực Dưới hai hình thức TS và PS, khi d SR tăng, độ mạnh tín hiệu thông tin nhận được giảm với hệ số suy hao đường truyền d SR cao Điều này không khuyến khích ý định nghe trộm của nút chuyển tiếp không tin cậy, nâng cao hiệu suất bảo mật Khi d SR tăng, khoảng cách chuyển tiếp-đích d RD giảm làm cho tín hiệu gây nhiễu nhận đƣợc tại nút chuyển tiếp mạnh mẽ hơn Điều này làm tăng thêm hiệu suất bảo mật Việc giảm d RD mang lại cho điểm chuyển tiếp gần điểm đích hơn, do đó lƣợng năng lƣợng thu hoạch thấp hơn đủ để thực hiện giao tiếp tin cậy giữa nút chuyển tiếp và đích do giảm suy hao đường truyền đi d RD Sự tiết kiệm năng lƣợng này là quan trọng vì, năng lƣợng thu hoạch tại nút chuyển tiếp giảm với sự gia tăng d SR Một hiệu ứng tiêu cực của tăng d SR về hiệu suất bảo mật là do bản chất khuếch đại và chuyển tiếp của nút chuyển tiếp, đó là cường độ tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp giảm với sự gia tăng d SR , cường độ tín hiệu thông tin tại điểm đích cũng giảm đi Điều này làm giảm tỷ lệ bảo mật và do đó làm tăng xác suất dừng mật
Hình 4.6 cho thấy rằng tác động tích cực của sự gia tăng d SR vượt qua các hiệu ứng tiêu cực của nó, không phân biệt tốc độ đạt bảo mật ngưỡng R Cả hai hình thức PS và TS đều cho thấy xác suất dừng bảo mật tối ưu giảm dần với sự gia tăng d SR Do đó, vị trí tối ưu của nút chuyển tiếp nên gần với đích đến Tuy nhiên, trong trường hợp truyền thông thu hoạch năng lượng không dây qua nút chuyển tiếp mà không có ràng buộc bảo mật, vị trí tiếp sức tối ưu lại gần với nguồn Như thể hiện trong hình 4.6, để đảm bảo giao tiếp an toàn, vị trí chuyển tiếp gần với nguồn không được khuyến khích.
4.2.5 Ảnh hưởng của hệ số chuyển đổi Năng lượng
Hình 4.7: Ảnh hưởng của hệ số chuyển đổi năng lượng lên xác suất đừng bảo mật
