Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD-NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén

Bài viết Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD-NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén đề xuất mô hình và đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống chuyển tiếp song công (FD: Full-duplex) và đa truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple access). Thông số sử dụng để đánh giá là xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage probability) trong điều kiện ràng buộc nhiều nút nghe lén không kết hợp và thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Đánh giá khả bảo mật hệ thống FDNOMA xuất nhiều nút nghe Nguyễn Trọng Công, Dương Mạnh Thành, Trần Mạnh Hồng Trường Đại học Thơng tin Liên lạc nguyentrongcong1969@gmail.com, thanhhpsqtt@gmail.com, hoangsqtt@gmail.com học; Kết thảo luận trình bày phần IV; Kết luận bào đưa phần V Tóm tắt: Bài báo đề xuất mơ hình đánh giá khả bảo mật hệ thống chuyển tiếp song công (FD: Full-duplex) đa truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple access) Thông số sử dụng để đánh giá xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage probability) điều kiện ràng buộc nhiều nút nghe không kết hợp thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo Kết báo rằng, mức nhiễu dư, sai số ước lượng kênh ảnh hưởng đáng kể đến khả bảo mật hệ thống Mô matlab sử để kiểm chứng kết phân tích đánh giá khả bảo mật hệ thống đề xuất II MƠ HÌNH HỆ THỐNG g1 hRR D1 g2 h1,k D2 hE,1 hE,L Từ khóa: SOP, NOMA, nghe lén, kênh hợp pháp, song công E1 E2 I GIỚI THIỆU E3 EL Bảo mật thông tin lớp vật lý (PLS: physcal layer security) mạng vô tuyến hệ chủ đề nghiên cứu nhiều theo giao thức khác [1, 2] Bên cạnh nghiên cứu PLS mạng đa truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple access) quan tâm khảo sát [3, 4] Tuy nhiên, nghiên cứu trước khảo sát tham số bảo mật hệ thống dạng phân tích cơng thức tường minh biểu thức xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage probability) dung lượng bảo mật, khả đánh chặn cho hệ thống hoạt động chế độ bán song công (HD: Halfduplex) Trong đó, kỹ thuật truyền song cơng băng tần (FD: Full-duplex) cung cấp dung lượng hệ thống lớn so với kỹ thuật HD [5] Tuy nhiên, nhược điểm hệ thống FD xuất thành phần tự gây nhiễu (SI: self-interference) cho hệ thống Mặc dù gần số giải pháp đề xuất nhằm loại bỏ SI giúp FD đạt hiệu suất tốt thực tế khó để loại bỏ SI hồn hảo nên tồn lượng SI làm suy giảm chất lượng hệ thống FD Bên cạnh việc xem xét thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: channel state information) khơng hồn hảo tốn thực tế mạng vô tuyến Đặc biệt nút nghe thiết bị không cấp phép hoạt động mạng hợp pháp, tức không huấn luyện thông tin kênh truyền trước phát tín hiệu Từ vấn đề trên, báo khảo sát khả bảo mật tín hiệu cho hệ thống chuyển tiếp FDNOMA có nhiều nút nghe thụ động mạng với điều kiện CSI khơng hồn hảo Đóng góp báo tóm tắt sau: Đề xuất mơ hình FD-NOMA chuyển tiếp, điều kiện nhiều nút nghe xuất hiện, mơ hình hóa biểu thức tỉ số tín hiệu/nhiễu (SNR: Signal-to-noise-ratio) Xây dựng công thức tường minh SOP cho hai người dùng NOMA kênh truyền phân bố Rayleigh Sử dụng mô Matlab để kiểm chứng kết phân tích Cấu trúc báo trình bày sau: Phần II mơ tả mơ hình hệ thống; Phần III trình bày kết phân tích tốn S Hình Sơ đồ khối hệ thống Mơ hình hệ thống đề xuất mơ tả Hình Hệ thống bao gồm nút nguồn S trang bị nhiều ăng-ten, nút chuyển tiếp song cơng R, hai nút đích nhóm nhiều nút nghe Gọi hSR  {h1, k }, k = 1, , K vector kênh truyền S R, g1 g hệ số kênh truyền từ R đến D1 D2, h2, E  {h2, El }, l = 1, , L hệ số kênh truyền từ R đến nút nghe lén, hệ số kênh truyền tự nhiễu R ký hiệu hRR Với kênh truyền có CSI khơng hồn hảo mơ hình hóa [6, 7] h =  hˆ + −  e , (1) 1, k h2, El 1, k = hˆ2, El + 1, k El (2) , Hoạt động hệ thống mô tả sau: Nút nguồn lựa chọn ăng ten với tỉ số (SNR: signal-to-noise ratio) tốt để phát đồng thời tín hiệu xếp chồng theo mức công suất, xS = a1 PS x1 + a2 PS x2 đến nút đích thơng qua R Do hoạt động song cơng (FD: Full-duplex) tách tín hiệu khử nhiễu nối tiếp (SIC: successive interference cancellation), nhóm nút nghe kết hợp cực đại SNR để thu chặn tín hiệu từ kênh hợp pháp; Ngoài giả sử nút nghe tách tín hiệu loại bỏ nhiễu hồn tồn, SNR tín hiệu nút xác định sau a1 PS | hSR |2 a1 PR | g1 |2 x1 (3)  Rx1 = ,  = D1  PR | hRR |2 + R2  D2  Rx2 = a2 PS | hSR |2 a1 PS | hSR |2 + PR | hRR |2 + R2 ,  Dx2 = a2 PR | g1 |2 a1 PR | g1 |2 + D2 (4) ℎS𝑅 = a𝑟𝑔max𝑘=1÷𝐾 ℎ1,𝑘  Dx22 = 130 a2 PR | g |2 a1 PR | g | + D2 ,  Exi = PR  E2l | h2,E |2 , i  {1, 2} (5) ℎ2,E = max𝑙=1÷𝐿 ℎ2,𝑙 ,  A2 , A  {R, D1 , D2 , E} phương sai nhiễu trắng cộng tính máy thu, mức cơng suất chuẩn hóa 1W;  hệ số phản ánh phẩm chất khử nhiễu FD,  nhỏ chất lượng khử nhiễu tốt III u = ) C x2 x2 x2 R ,  D1 ) SIC Bên cạch đó, tốc độ nút nghe là: ( ) (8) Cơng thức tổng qt SOP tính xác định khác dung lượng kênh kênh nghe lén[3] ( ) SOP xi = Pr [C xi − C Exi ]+  ri , ) IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ biểu thức toán học đưa từ phần trên, phần chúng tơi trình bày kết mô nhằm đánh giá khả bảo mật tín hiệu người dùng NOMA cách thay đổi tham số ảnh hưởng đến chất lượng bảo mật số ăng ten S, số lượng nút nghe lén, sai số ước lượng kênh, mức công suất kênh tự nhiễu Số mẫu thực mô 10.000.000 lần Tốc độ liệu ngưỡng giả sử cố định ri = bit/s/Hz, hệ số phân bổ công suất a1=0.3 a2=0.7 Khi nút đặt cố định, chuẩn hóa khoảng cách đơn vị từ nút phát đến nút thu độ lợi kênh trung bình cố định suốt thời gian truyền liệu SR =RD2 =10dB, RD1 =15dB, RE =-5dB (7) C Exi = log +  Exi , i  {1, 2} ( đến B, PS PR tương ứng công suất phát nút S R Như phần chúng tơi trình bày biểu thức tường minh cách thức tính tốn SOP hệ thơng FDNOMA điều kiện kênh truyền khơng hồn hảo (6) ,  Dx2 } ] −  th a1 , ,  th = 2r2 ,  = (k PR RR − SR (  )a1 PS ) a1 th  AB giá trị độ lợi trung bình kênh truyền từ A Khi R hoạt động theo giao thức giải mã chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward), tốc độ hệ thống truyền thông phụ thuộc vào tốc độ nhỏ mà đạt Do tốc độ tín hiệu là: ( = log (1 + min{ [ = PHÂ N TÍCH SOP C x1 = log + min{ Rx1 ,  Dx1 } ,  (2n − 1) n + , n = cos 2N (9) đó, ri ngưỡng tốc độ liệu Thay biểu thức (6) (8) vào (9) sau bước tính tốn, nhận cơng thức tường minh SOP tín hiệu người dung D1  (−1) ( Kk )( Ll ) (1 −  ) 1−  exp( + ) a  (  ) P a P  K SOP x1 = − L k +l −2 k =1 l =1 th lP   (  )  S SR ˆ P  R SR S R RD1 A2 + A3 + A4 RE (10) th , (  ) = + (k − 1)(1 −  ) ,  th = 2r1 , ˆ ,  = RR k PR ( th − 1) + a1SR (  ) PS , A4 ?= l / a1 PR  RE   k PR k th  th A2 = th RR , A3 ?= + ,  a1 PSSR (  ) a1 PR RD1 Hình SOP với số nút nghe thay đổi  = 0.9  E = 0.2  RR = 20 dB, Hình biểu diễn SOP theo SNR thay đổi số nút nghe cố định số ăng ten phát S Từ kết đồ thị thấy rằng, chất lượng bảo mật tín hiệu D1 tốt D2 Lý tốc độ liệu đạt D1 lớn tốc độ liệu đạt D2 công suất phân bổ cho D1 nhỏ D2 Thêm vào D1 tách tín hiệu dung kĩ thuật SIC, D2 tách tín hiệu x2 coi x1 nhiễu, kết hợp với lan truyền lỗi từ R dẫn đến chất lượng bảo mật x2 x1 Đặc điểm đồ thị D1 tăng SNR thìSOP giảm bảo hịa SNR lớn, D2 có khác biệt SOP giảm đến SNR=0dB, sau tăng lên tăng SNR Kết hình cho thấy xác mơ lý thuyết, điều cơng thức trình bày phần hồn tồn xác Tương tự, thay (7) (8) vào (9) sau tính tốn nhận biểu thức SOP tín hiệu D2 K  (−1) SOP x2 =1− k −1  K  L  L (−1)l −1     k   l =1 l k =1  l ˆ a2 PR  RE  2N  SR  (  ) PS (a2 −a1  u ) 1−n2   +   (  ) a P u SR S n =1 N   k u l u  exp  − −   (  ) P (a − a  ) a P  ˆ SR S u R RE     (11)   u u ,  exp  − −   RD PR (a2 −a1  u )  RD PR (a2 −a1  u )    131 Hình SOP thay đổi số ăng ten phát,  = 0.9  E = 0.2  RR = 20 dB Hình 3, biểu diễn SOP theo SNR thay đổi số ăng ten phát nút S cố định nút nghe Tương tự kết Hình 2, tăng SNR dẫn đến SOP D1 giảm có xu hướng bảo hịa tiếp tục tăng SNR, ngược lại tiếp tục tăng SNR SOP D2 tăng lên đến bảo mật hoàn toàn Ngoài ra, tăng số ăng ten phát S, SOP người dùng giảm Bao gồm D1 D2 mức giảm SOP không đáng kể, ràng buộc giao thức DF Một lý giải khác cho SOP D2 tăng SNR lớn mức nhiễu D2 tăng lên công suất phát lớn Hình SOP thay đổi sai số ước lượng kênh nút nghe K=3, L=3,  = 0.9  RR = 20 dB Hình khảo sát ảnh hưởng sai số ước lượng kênh đến SOP D1, đặc điểm ảnh hưởng sai số ước lượng kênh đến người dùng nhau, cần xem xét ảnh hưởng  E đến người dùng Từ kết cho thấy nút nghe ước lượng kênh với sai số lớn khả bảo mật hệ thống tốt ngược lại Đặc biệt ước lượng sai hồn tồn khả bảo mật hồn hảo, SOP giảm tuyến tính với tăng SNR V KẾT LUẬN Bằng việc áp dụng phân tích tốn học, chúng tơi đưa biểu thức SOP hai người dùng NOMA chuyển tiếp, hoạt đông theo chế FD Kết mô đưa để kiểm chứng kết phân tích minh họa khả bảo mật hệ thống đề xuất Chúng khảo sát ảnh hưởng tham số chất lượng kênh, khả khử nhiễu đến hiệu bảo mật hệ thống FD-NOMA hai người dùng Bài báo mở rộng cho trường hợp người dùng lớn TÀ I LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Hình SOP thay đổi mức nhiễu dư, K=3, L=3,  = 0.9  E = 0.2 Hình 4, trình bày kết SOP theo SNR thay đổi mức nhiễu dư lại nút chuyển tiếp Từ đồ thị rằng, mức nhiễu dư (sau khử nhiễu kênh tự nhiễu tạo ra) lớn, dẫn đến hiệu bảo mật Khi mức nhiễu dư -20 dB SOP giảm theo SNR bảo hịa SNR lớn, nhiễu dư 10 dB SOP tăng lên đáng kể Nguyên nhân tượng cố định công suất phát, mức nhiễu dư tăng lên dẫn đến tốc độ liệu hệ thống hợp pháp giảm xuống, tốc độ kênh nghe không đổi Sai số lý thuyết mô tính xấp xỉ biểu thức SOP [4] [5] [6] [7] 132 W Cao et al., "Secrecy outage analysis of relay-user pairing for secure hybrid satellite-terrestrial networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2022 C T Dung, T M Hoang, N N Thang, M Tran, and P T Tran, "Secrecy performance of multi-user multi-hop cluster-based network with joint relay and jammer selection under imperfect channel state information," Performance Evaluation, vol 147, p 102193, 2021 M Awad, S M Ibraheem, S A Napoleon, W Saad, M Shokair, and M E Nasr, "Secrecy Enhancement of Cooperative NOMA Networks With Two-Way Untrusted Relaying," IEEE Access, vol 8, pp 216349-216364, 2020 T M Hoang, B C Nguyen, X N Tran, and T Kim, "Secrecy Outage Performance of FD-NOMA Relay System With Multiple Non-Colluding Eavesdroppers," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 70, no 12, pp 12985-12997, 2021 H M Tran, N X Tran, B C Nguyen, and D T Le, "On the Performance of MIMO Full-Duplex Relaying System with SWIPT under Outdated CSI," IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020 T M Hoang, X N Tran, N Thanh, and L T Dung, "Performance Analysis of MIMO SWIPT Relay Network with Imperfect CSI," Mobile Networks and Applications, no https://doi.org/10.1007/s11036-018-1163-, 2018 S Arzykulov, T A Tsiftsis, G Nauryzbayev, and M Abdallah, "Outage Performance of Cooperative Underlay CR-NOMA with Imperfect CSI," IEEE Communications Letters, 2018  ... để kiểm chứng kết phân tích minh họa khả bảo mật hệ thống đề xuất Chúng khảo sát ảnh hưởng tham số chất lượng kênh, khả khử nhiễu đến hiệu bảo mật hệ thống FD-NOMA hai người dùng Bài báo mở rộng... hưởng  E đến người dùng Từ kết cho thấy nút nghe ước lượng kênh với sai số lớn khả bảo mật hệ thống tốt ngược lại Đặc biệt ước lượng sai hồn tồn khả bảo mật hồn hảo, SOP giảm tuyến tính với tăng... kênh kênh nghe lén[ 3] ( ) SOP xi = Pr [C xi − C Exi ]+  ri , ) IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ biểu thức toán học đưa từ phần trên, phần chúng tơi trình bày kết mô nhằm đánh giá khả bảo mật tín hiệu