bảo mật thông tin lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Energy Harvesting Underlay Cognitive Radio Networks Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền thu thập năng lượng EHUCRRN Energy Harvesting Underlay Cognitive Radio Relaying Network Mạng chuyển t

MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG EHUCRRN

Trong bối cảnh yêu cầu bảo mật thông tin và tiết kiệm năng lượng ngày càng cao, sự kết hợp giữa bảo mật lớp vật lý (PLS) trong mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến (RFEH) nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn Bằng cách tận dụng năng lượng từ sóng vô tuyến xung quanh, PLS và RFEH giúp tăng cường tính bảo mật, tiết kiệm năng lượng đáng kể và giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần số vô tuyến Ngoài ra, phân tích hiệu năng PLS trên kênh truyền fading Nakagami-m mở rộng tính tổng quát của kết quả phân tích, hỗ trợ triển khai giải pháp này trong các hệ thống thực tế.

Phân tích và đánh giá hiệu năng PLS trong UCRN thu thập năng lượng

Khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan ([61] - [66] ở chương 2) cho thấy không có công trình nào đã phân tích SOP của mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng (EHUCRN) với kênh truyền fading Nakagami-m Vì vậy, phần này phân tích hiệu năng PLS trong EHUCRN qua kênh truyền fading Nakagami-m có xét đầy đủ các thông số đặc trưng của UCRN Các kết quả này đã được công bố trong bài báo [A-1] trong danh mục các công trình đã công bố, với tựa đề “Energy harvesting cognitive radio networks: Security analysis for Nakagami-m fading”, tạp chí Wireless Networks (SCIE xếp hạng

Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền thu thập năng lượng được biểu diễn như Hình 5.1 Mô hình này gần giống với UCRN cơ bản ở Hình 3.1 Điểm khác biệt là máy phát thứ cấp (S) được giả sử có khả năng thu thập năng lượng sóng vô tuyến từ máy phát của mạng sơ cấp (T) để hoạt động

Trong mô hình hệ thống này, h tr là hệ số kênh truyền với t    T, S và rS, R, D, W 

Cụ thể h TS ,h TR , h SD ,h SW , h SR , h TD , h T W lần lượt là hệ số kênh truyền của các cặp nút

T→S,T→R,S→D,S→W, S→R, T→D, T→W Giả sử tất cả các kênh truyền được khảo sát là độc lập, phẳng, và có phân bố Nakagami-m Khi đó, độ lợi kênh truyền được ký hiệu là g tr = h tr 2 và công suất fading  tr =  g tr   g tr được mô hình hóa là tr d tr 

Mô hình hệ thống của EHUCRN được minh họa như Hình 5.1 có xét đến can nhiễu từ máy phát sơ cấp, giới hạn công suất can nhiễu ngưỡng Ngoài ra, mô hình hệ thống còn giả sử tất cả các đầu-cuối đều có một ăng-ten và thu thập năng lượng dựa trên kỹ thuật chuyển mạch thời gian

Truyền thông tin của T Thu thập năng lượng tại S

Truyền thông tin của T và S

Xử lý thông tin tại D và W ψ αψ (1-α)ψ

W h TS h SW h SD h TD h TR h SR

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 h TW

Thời lượng toàn chu kỳ  được chia làm hai giai đoạn Giai đoạn 1 có thời lượng là

Trong hệ thống thu thập năng lượng không dây, thời gian hoạt động của thiết bị thu năng lượng (S) được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn 1 chiếm tỷ lệ phần trăm thời gian thu thập năng lượng là 01 Trong giai đoạn này, S thu thập năng lượng từ tín hiệu tần số vô tuyến của máy phát (T) Giai đoạn 2 có thời lượng bằng phần thời gian còn lại.

( 1 −   ) Trong giai đoạn 2, S sử dụng năng lượng thu thập được ở giai đoạn 1 để phát thông tin hợp pháp tới D và thông tin này bị nghe lén bởi W Khi đó, năng lượng mà S có thể thu thập được trong giai đoạn 1 là: Equation Chapter (Next) Section 1

E = P g +  (5.1) trong đó,  S 2 = 2 là phương sai nhiễu tại S, P T là công suất phát của T, là hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ thu thập năng lượng

Công suất phát cực đại của S trong giai đoạn 2 là

S hoạt động theo cơ chế nền nên công suất phát P S phải tuân theo các ràng buộc về công suất phát cực đại và công suất can nhiễu ngưỡng Nói cách khác, P S phải thỏa mãn: t

  (5.5) trong đó, I t là công suất can nhiễu ngưỡng mà R có thể chấp nhận

Trong giai đoạn 2, S phát thông tin hợp pháp tới D trong khi T truyền thông tin đến R

Vì vậy, S tạo ra can nhiễu cho R và T gây can nhiễu cho D Tín hiệu nhận được tại D và

W SW S S TW T T W y =h P x +h P x +n (5.7) trong đó, P T và P S lần lượt là công suất phát của T và S; P x T T và P x S S lần lượt là tín hiệu phát của T và S; n D và n W lần lượt là các nhiễu AWGN tại D và W Các nhiễu này được biểu diễn dưới dạng biến ngẫu nhiên Gaussian phức đối xứng với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai  2 , nghĩa là n D ~ (0, 2 ) và n W ~ (0, 2 ) Cần lưu ý rằng trong các công trình được khảo sát, can nhiễu từ S đến R thường bị bỏ qua (ví dụ: [22]

65 và các tài liệu tham khảo trong đó) Do đó, với cách tính SOP có xét đến can nhiễu từ mạng sơ cấp thì chương này rõ ràng là tổng quát hơn cho các công trình đã công bố trước đây

Từ (5.6) và (5.7), ta tính được SINR tại D và W lần lượt là:

Theo lý thuyết thông tin, dung lượng kênh truyền S→D và S→W lần lượt là:

C = − +  (5.11) trong đó, ( 1 −  ) xuất hiện ở (5.10) và (5.11) là vì thời lượng của giai đoạn 2 là ( 1 −   )

Dung lượng bảo mật là sự chênh lệch giữa dung lượng của kênh truyền chính và dung lượng của kênh truyền nghe lén Do đó, đối với hệ thống mạng lưới truyền thông không dây được mã hóa theo kết quả hệ thống nguồn thống nhất (EHUCRN), dung lượng bảo mật được tính bằng công thức như sau:

Phần này đề xuất công thức tính xác suất dừng bảo mật của EHUCRN với kênh truyền fading Nakagami-m Theo định nghĩa xác suất dừng bảo mật ở (2.7), ta có:

Thay (5.12) vào (5.13) và sau một số bước đơn giản, ta được:

Từ (5.8) và (5.9), ta thấy P S có cả trong  D và  W Do đó, chúng có tương quan lẫn

66 nhau Để tính được (5.14), ta áp dụng quy tắc tính dựa trên xác suất có điều kiện

Trong đó, Pr   là viết tắt của xác suất có điều kiện của sự kiện theo và

S ( ) f P x là PDF của P S Để tính được ( ) C 0 trong (5.15), ta phải tính được xác suất có điều kiện ( ) P S và hàm phân bố xác suất f P S ( ) x của P S Định lý 5.1 và Định lý 5.2 lần lượt trình bày các biểu thức dạng tường minh của ( ) P S và f P S ( ) x

• Định lý 5.1: Biểu thức dạng tường minh của ( ) P S trong (5.15) là

  là hệ số nhi thức

Chứng minh: Xem phụ lục A, mục 7

Mặc dù có dạng giống nhau nhưng (5.15) phức tạp hơn (3.68) do sự hiện diện của fPS(x), hàm phân bố xác suất của công suất máy phát thứ cấp PS, chịu ảnh hưởng bởi kênh truyền fading Nakagami-m.

S ( ) f P x được thực hiện qua một số phép tính có độ phức tạp cao Kết quả biểu thức

Định lý 5.2 đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích SOP trong EHUCRN, được trình bày chi tiết trong nội dung định lý này và phần chứng minh đi kèm.

• Định lý 5.2: Biểu thức tường minh f P S ( ) x trong (5.15) như sau:

Chứng minh: Xem phụ lục A, mục 8

Bằng cách đổi biến P S → x trong (5.16), sau đó thay kết quả vào (5.15), và cuối cùng kết hợp với (5.26), ta có thể biểu diễn ( ) C 0 trong (5.15) ở dạng tích phân đơn, từ đó có thể được dùng để tính SOP của EHUCRN một cách nhanh chóng bằng các phần mềm tính toán (ví dụ: Mathematica, Matlab, ) Khi đó, hiệu năng PLS của EHUCRN có thể định lượng nhanh mà không cần mô phỏng mất nhiều thời gian