Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

Nắm bắt được tầm quan trọng của bảo mật trong các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và mạng vô tuyến nhận thức nói riêng, đề tài đề xuất một phương pháp sử dụng thiết bị gây nhiễu có

GIỚI THIỆU

Lý do chọn đề tài

Công nghệ không dây đang phát triển nhanh chóng, xu hướng của các thiết bị không dây và truyền thông IoT hứa hẹn sẽ đem lại rất nhiêu lợi ích cho xã hội Trong khi các thiết bị tiêu dùng như điện thoai di động, máy tính xách tay đang rất phổ biến, thì công nghệ không dây đang dần len lỏi vào các mạng lưới cảm biến cho các ứng dụng an toàn và tự động hóa, kiểm soát lưới điện thông minh, thiết bị không dây trong y tế và hệ thống giải trí Và sự bùng nổ của ứng dụng không dây đã tạo ra nhu cầu ngày càng tăng đối với phổ tần vô tuyến Tuy nhiên hầu như các phổ tần đã được phân bổ sử dụng, và nhiều nghiên cứu cho thấy các phổ tần này được sử dung dưới mức hiệu quả tôi ưu Những đánh giá này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp công nghệ mang tính đột phá Trong các giải pháp tiềm năng thì vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio viết tắt là CR) là giải pháp tốt để giải quyết bài toán hạn chế về phổ tần [1, 2]

Tính hấp dẫn của thông tin trong mạng không dây nói chung và mạng vô tuyến nhận thức nói riêng nằm ở đặc tính quảng bá của kênh truyền vô tuyến cho phép tiết kiệm được nhiều chi phí triển khai so với hệ thống có dây Bên cạnh ưu điểm trên, nhược điểm của hệ thống vô tuyến là tính bảo mật khi mà các nút nghe lén trong vùng phủ sóng dễ dàng nghe lén thông tin truyền từ máy phát đến máy thu Do đó trong hệ thống thông tin vô tuyến, bảo mật dữ liệu là một trong những vấn đề quan trọng và thường được cài đặt ở lớp ứng dụng theo mô hình OSI (Open Systems Interconnection) 7 lớp với các giải thuật mã hóa dữ liệu tiêu biểu như RSA, ASE (Advanced Encryption Standard) hay DES (Data Encryption Standard) Các giải thuật mã hóa thường hoạt động ở lớp ứng dụng hoạt động với giả sử rằng năng lực phần cứng và thời gian giải mã của các máy nghe lén là giới hạn và đồng thời không xem xét đặc tính kênh truyền cũng như vị trí tương đối của nguồn phát và các nguồn nghe lén Gần đây, các mạng thông tin di động rất phát triển với năng lực phần cứng của các nút mạng được cải thiện rất nhiều dẫn đến việc đảm bảo bảo mật cho thông tin trên hệ thống là một vấn đề rất thử thách Trong các công nghệ xem xét áp dụng cho

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 2 hệ thống thông tin vô tuyến, bảo mật lớp vật lý đang được xem xét là một công nghệ lõi với nhiều tiềm năng so với phương pháp mã hóa truyền thống [3] Muc tiêu của bảo mật thông tin ở lớp vật lý trong hệ thống thông tin vô tuyến là khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo tin tức được truyền an toàn đến đích Để thực hiện điều này, nhiều kỹ thuật ở lớp vât lý đã được xem xét và áp dụng, ví dụ như: kỹ thuật MIMO (multi input multi output), kỹ thuật truyền thông hợp tác, kỹ thuât lựa chọn nút chuyển tiếp, và kỹ thuật gây nhiễu bằng cách phát tín hiệu nhiễu nhân tạo (còn gọi là jamming) Trong các kỹ thuật kể trên, kỹ thuật jamming là một kỹ thuật hiệu quả cho phép cái thiện đáng kể hiệu năng bảo mật lớp vật lý của hệ thống vô tuyến Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật jamming là phát tín hiệu can nhiễu nhân với mục đích giảm dung lượng Shannon của kênh truyền nghe lén trong khi vẫn giữ nguyên dung lượng kênh truyền chính để ngăn chặn máy nghe lén thu thập thông tin từ máy phát Tuy nhiên, kỹ thuật jamming có những nhược điểm chính như sau: hệ thống phải dùng một phần năng lượng để phát tín hiệu can nhiễu, nghĩa là đánh đổi hiệu năng của kênh truyền dữ liệu lấy hiệu năng bảo mật; do ảnh hưởng của kênh truyền không hoàn hảo, tín hiệu gây nhiễu nhân tạo cũng ảnh hưởng đến hiệu năng của kênh truyền chính

Bên cạnh bảo mật lớp vật lý, thu thập lượng vô tuyến (Energy Harvesting) là một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng gần đây của các nhà nghiên cứu trên thế giới khi tận dụng tín hiệu vô tuyến không những trong truyền dữ liệu mà còn truyền năng lượng Kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến đặc biệt phù hợp cho mạng cảm biến không dây khi mà việc thay thế pin cho các nút mạng có thể là khó khăn, tốn kém hoặc nguy hiểm Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế và đánh giá hiệu năng của mạng thu thập năng lượng, tiêu biểu như: [4-9]

Gần đây, kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến được xem xét nhằm nâng cao hiệu năng, ví dụ như [11, 12] và hiệu năng bảo mật cho hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ như [15-17], trong đó các nghiên cứu đề xuất jammer dựa vào nguồn năng lượng thu thập vô tuyến là [13,17,21,22] Tuy nhiên, các kết quả của các nghiên cứu kể trên vẫn ở mức giới hạn và chưa có nhiều công trình nghiên cứu trên mạng vô tuyến nhận thức Từ cơ sở trên, để giải quyết nhược điểm thứ nhất của kỹ thuật jamming, tác giả dự kiến đề xuất kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ nguồn sơ cấp Năng lượng

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 3 thu thập sẽ được sử dụng để làm năng lượng phát tín hiệu jamming do đó có thể đảm bảo được hiệu năng bảo mật của hệ thống mà không gây nhiễu lên kênh truyền chính qua đó vẫn đảm bảo được độ tin cậy của hệ thống

Trên đây là các lý do tác giả đề xuất đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng” Với đề xuất của hướng nghiên cưu này, để đánh giá được khả năng hoạt động cũng như hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến nhận thức, ta đi xem xét mô hình, tính toán thống kê và mô phỏng trên hệ thống MATLAB.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Bảo mật lớp vật lý nói chung và bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức nói riêng là hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm hiện nay Đặc biệt là ý tưởng sử dụng năng lượng thu thập để phát tín hiệu nhân tạo nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức

Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đề xuất kỹ thuật gây nhiễu để phát tín hiệu gây nhiễu đến thiết bị nghe lén nhằm nâng cao hiệu quả bảo mật lớp vật lý các mạng thông tin vô tuyến [13], [17-18], [20-22], [42- 45] Tuy nhiên các nghiên cứu [13], [17], [20-22] mới chỉ áp dụng trên mô hình mạng thông tin vô tuyến tổng quát mà không đề cập đến mậng vô tuyến nhận thức Các nghiên cứu [18], [42-45] đã đề xuất kỹ thuật gây nhiễu trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức Trong đó, các công trình [18], [44-45], các tác giả đã nghiên cứu về hiệu năng bảo mật của hệ thống sử dụng thiết bị gây nhiễu có thể phát đồng thời tín hiệu thông tin và tín hiệu nhiễu đến các thiết bị thu và bộ nghe lén Với mô hình này có thể làm tăng tính bảo mật tuy nhiên đánh đổi lại là hiệu năng của hệ thống sẽ giảm vì các bộ phát thứ cấp phải mất một phần năng lượng cho việc phát tín hiệu gây nhiễu

Trong các nghiên cứu [42], [43], các tác giả đã đề suất sử dụng một thiết bị gây nhiễu độc lập chỉ phát tín hiệu nhiễu nhân tạo, tín hiệu nhiễu này được thiết kế để hủy tại bộ thu thứ cấp và tăng cường nhiễu lên các thiết bị nghe lén Tuy nhiên, các nghiên cứu jamming trên mô hình mạng vô tuyến nhận thức này mới chỉ xem xét các nút gây nhiễu được cung cấp năng lượng để phát tín hiệu nhiễu mà chưa đề suất kỹ thuật thu thập năng lượng để giải quyết những hạn chế về mặt năng lượng của các nút mạng

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 4 trong mạng vô tuyến nhận thức, giúp tăng thời gian hoạt động của các nút mạng, giảm chi phí cho việc bảo trì thay pin hay tái cung cấp năng lượng cho hệ thống…

Gần đây, các nghiên cứu sử dụng năng lượng thu thập để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Trong đó, đã xuất hiện một số công trình nghiên cứu đáng chú ý như [14], [19], [45-47] Tuy nhiên, các kết quả của các nghiên cứu kể trên vẫn ở mức giới hạn, cụ thể như sau:

Trong bài báo [14], Chen và các cộng sự đã tối ưu tốc độ bảo mật cho hệ thống vô tuyến nhận thức hợp tác sử dụng nút phát tín hiệu nhân tạo có khả năng thu thập năng lượng, xem xét các nút nghe lén được trang bị nhiều anten Tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra phân tích các thông số quan trong nhằm thể hiện được hiệu năng và hiệu năng bảo mật của hệ thống: xác suất dừng đanh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Proability), xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Proability)

Trong bài báo [45], các tác giả xem xét nâng cao khả năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức khi có sự suất hiện của nút nghe lén bằng cách triển khai một thiết bị có khả năng thu thập năng lượng và sử dụng phần năng lượng đó để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo Năng lượng này được thu thập từ bộ phát thứ cấp Tuy nhiên nghiên cứu chỉ xem xét dưới hạn chế của mức công suất nhiễu tối đa mà bộ thu sơ cấp có thể chịu được mà không xem xét đến ảnh hưởng của mức công suất phát tối đa của nguồn phát thứ cấp lên hiệu năng bảo mật của hệ thống Ngoài ra, bài báo cũng không tính đến ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp Điều này là không phù hợp với các điều kiện thực tế của mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng

Trong bài báo [46], Zhang và các cộng sự xem xét mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, trong đó giao tiếp giữa máy phát thứ cấp và bộ thu thứ cấp có sự xuất hiện của nút nghe lén Bộ thu thứ cấp thứ được trang bị một anten thu và một anten phát để hoạt động ở chế độ song công (Full duplex), anten thu có thể nhận đồng thời thông tin và năng lượng từ máy phát thức cấp Do đó, nó có thể tự cấp năng lượng để phát tín hiệu gây nhiễu đến bộ nghe lén nhằm làm tăng khả năng bảo mật của hệ thống

Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là các tác giả chỉ mới xem xét ảnh hưởng của can

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 5 nhiễu gây ra bởi máy phát và máy thu thứ cấp lên máy thu sơ cấp mà không xem xét tác động ngược lại của can nhiễu sơ cấp trên máy thu thứ cấp và bộ nghe lén trong việc đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý của mạng vô tuyến nhận thức

Trong bài báo [47], các tác giả đã đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức sử dụng relay chuyển tiếp thu thập năng lượng từ mạng thứ cấp, có sự xuất hiện của nút nghe lén Để nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng, kỹ thuật gây nhiễu được triển khai cả trên bộ phát thứ cấp và bộ relay để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo đến thiết bị nghe lén đồng thời với quá trình truền dữ liệu Nghiên cứu cũng xem xét hiệu quả của việc kết hợp giữa nút chuyển tiếp và đường truyền trực tiếp trong nâng cao hiệu năng bảo mật của hệ thống Tuy nhiên, cũng giống các nghiên cứu [45-46], các tác giả đã bỏ qua tác động của can nhiễu sơ cấp, công suất phát tối đa của bộ phát thứ cấp lên hiệu năng bảo mật của hệ thống Một hạn chế khác là thống số xác suất dừng bảo mật mà các tác giả dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống chưa được đưa ra dưới dạng tường minh, các kết quả mô phỏng và đánh giá chỉ được rút ra từ mô phỏng Monte-Carlo

Trong bài báo [19], các tác giả đã đề xuất nút gây nhiễu độc lập trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức có sự xuất hiện của nút nghe lén Máy phát thứ cấp và thiết bị gây nhiễu có khả năng thu thập năng lượng từ mạng sơ cấp và tối ưu năng lượng thu thập cũng như hiệu năng của hệ thống bằng cách điều chỉnh hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng và hệ số phân chia công suất phát Nghiên cứu đã phân tích hiệu suất của kỹ thuật jamming duới ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp, công suất phát tối đa của mạng thứ cấp, mức công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp và nhiễu cộng của các thiết bị trong mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng Tuy nhiên việc phân tích đánh giá mới chỉ dựa trên hai thông số cơ bản là xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn mà chưa xem xét một thông số rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống đó chính là xác suất dừng bảo mật SOP

Như đã nêu ở trên, có rất nhiều nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đưa ra các phân tích dựa trên thông số xác suất dừng bảo mật để đánh giá một cách chính xác hiệu năng bảo mật của mô hình mạng vô tuyền nhận thức thu thập năng lượng để phát tín hiệu nhiễu

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 6 nhân tạo mà xem xét một cách đầy đủ các yếu tố thực tế ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật của mạng như can nhiễu sơ cấp, công suất phát đỉnh thứ cấp, mức nhiễu tối đa của bộ thu sơ cấp và nhiễu cộng tại anten của các thiết bị Do đó, luận văn này sẽ tập trung giải quyết bài toán trên.

Mục đích nghiên cứu

Đề tài sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp, công suất phát đỉnh của mạng thứ cấp, mức công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp kết hợp kỹ thuật phát tín hiệu jamming dựa trên nguồn năng lượng thu hoặch được từ mạng sơ cấp Để thuận tiện hơn trong quá trình thiết kế và tối ưu mạng, đề tài sẽ đưa ra các biểu thức toán bằng các công cụ toán hoc nhằm thể hiện hiệu năng bảo mật của hệ thống Những hiệu năng mạng này sẽ đươc thể hiện qua các tham số quan trọng như là xác suất dừng đánh chặn, xác suất dừng kết nối, xác suất dừng bảo mật Ngoài ra đề tài cũng thể hiện việc đánh giá qua mô phỏng MATLAB, vẽ đồ thị giữa số liệu tính toán bằng biểu thức và mô phỏng Monte-Carlo, kiểm tra, phân tích số liệu đánh giá thống kê.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kênh truyền fading Rayleigh, nhiễu trắng Gauss;

- Mạng vô tuyến nhận thức;

- Bảo mật lớp vật lý;

- Lý thuyết thu thập năng lượng;

- Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo sử dụng năng lượng thu thập;

- Mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sẽ dựa vào phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng để tiến hành nghiên cứu Trước tiến, tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan đến bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng ở cả trong và ngoài nước Qua đó phân tích những ưu điểm và hạn chế của những công trình nghiên cứu này Tiếp theo, tác giả đề xuất một mô hình nghiên cứu hiệu quả đáp ứng các mục tiêu ban đầu đã đặt ra Sau đó, tác giả sử dụng các phân chứng minh toán học dựa vào xác suất thông kê để tìm dạng đóng cho các tham số hiệu năng bảo mật của hệ thống

Cuối cùng, tác giả xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo trên Matlab để kiểm chứng phương pháp và kết quả phân tích cũng như tìm hiểu đặc tính của các mô hình đề xuất Cụ thể đề tài sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp mô hình hóa toán học sử dụng xác suất thống kê và các biến đổi toán học để mô hình hóa toán học hệ thống đề xuất;

- Phương pháp mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các kết quả phân tích;

- Phương pháp so sánh đối chiếu giữa kết quả phân tích và kết quả mô phỏng, đưa ra các phân tích đánh giá từ các kết quả thu được từ đó rút ra nhận xét.

Đóng góp chính của luận văn

Xây dựng bài toán trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền có thu thập năng lượng dưới tác động của can nhiễu sơ cấp, kênh truyền fading Rayleigh, có giới hạn công suất phát đỉnh của mạng vô tuyền nhận thức, kết hợp nút phát tín hiệu nhiễu nhân tạo tự cung cấp năng lượng nhằm tăng cường hiệu năng bảo mật của hệ thống Ở đây, thông số xác suất dừng bảo mật được dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống

Luận văn này đưa ra biểu thức xác suất dừng bảo mật dạng đóng chính xác của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp, mức công suất phát tối đa của mạng thứ cấp, giới hạn công suất nhiễu má thu sơ cấp…Các biểu thức này giúp cho các nhà thiết kế dễ dàng tính toán, tối ưu hệ thống

Mô phỏng Mote-Carlo được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết Đưa ra những nhận xét, đánh giá dựa trên các kết quả thu được đồng thời đề xuất các giải pháp nhằm tăng cường hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng.

Bố cục luận văn

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, lý do chọn đề tài Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu, những kết quả có liên quan đến đề tài từ đó nêu rõ những vấn đề còn tồn tại Xác

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 8 định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và những đóng góp chính của đề tài

Chương 2 trình bày sơ lược về mô hình kênh truyền, tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức Tìm hiểu các khái niệm về bảo mật lớp vật lý, các phương pháp bảo mật, các tiêu chí đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức Khái quát về thu thập năng lượng và các phương pháp thu thập năng lượng Cuối cùng là trình bày về kỹ thuật tạo tín hiệu nhiễu giả nhân tạo áp dụng trong đề tài để tăng cường hiệu năng bảo mật của hệ thống

Chương 3 trình bày mô hình hệ thống được khảo sát trong đề tài và tham số hiệu năng bảo mật được sử dụng để đánh giá hệ thống Sử dụng các phân tích toán học để đưa ra biểu thức dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức

Chương 4 mô phỏng Monte-Carlo bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích toán học trong chương 3 Đồng thời đưa ra những nhận xét đánh giá dựa trên những kết quả thu được

Chương 5 tóm tắt những việc đã làm và kết quả đạt được cũng như những đóng góp của đề tài và đề xuất những hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

Ngoài ra luận văn có thêm 2 phần phụ lục dùng để chứng minh công thức

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Kênh truyền vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến má thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây cối…, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Fading là hiện tượng sai lệch tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

Fading được phân chia thành 4 loại:

- Fading phẳng - Fading chọn lọc tần số - Fading nhanh

Người ra cũng có thể phân hai loại Fading: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

+ Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF;

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 10 tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua;

+ Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

2.1.2 Các hiện tưởng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

2.1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, môi trường truyền sóng không bao giờ là trong suốt mà luôn tồn tại các vật cản ví dụ như các tòa nhà, cây cối, đồi núi, biển báo giao thông… Các vật cản này sẽ cản trở đường truyền thẳng của sống vô tuyến đến anten thu gây ra các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Do đó, sóng vô tuyến nhận được tại anten thu là tổng hợp của nhiều thành phần đến từ nhiều hướng khác nhau tại những thời điểm khác nhau tức là các sóng này là những bản sao khác nhau của tín hiệu truyền, nó sẽ bị suy hao, dịch pha, trễ và tác động lẫn nhau Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đa đường (Multipath Propagation) Do đó, tùy thuộc vào pha của các tín hiệu đến máy thu mà tín hiệu chồng chập nhận được tại máy thu có thể được giải mã thành công hoặc bị hủy bỏ nên công suất tín hiệu có thể tăng hoặc giảm Nói cách khác chính hiện tượng đa đường đã gây ra fading

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (Impulse Dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường

2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, ví dụ như sự chuyển động của các thiết bị di động trên các phương tiện giao thông Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là 𝛼 𝑛 , khi đó tần số Doppler của tuyến này là [28]:

= (2.1) trong đó 𝑓 0 , 𝑣, 𝑐 lần lượt là các tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc của ánh sáng Nếu 𝛼 𝑛 = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:

2.1.2.3 Suy hao trên đường truyền Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Về mặt lý thuyết, công suất giảm theo tỷ lệ bình phương khoảng cách Tuy nhiên trong thực tế công suất giảm nhanh hơn, thường là hàm mũ 3 hoặc 4 theo khoảng cách Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

Ngoài ra, sự hiện diện của mặt đất, tầng khí quyển có thể khiến một số tín hiệu sóng bị phản xạ và gặp lại máy phát Những sóng phản xạ này đôi khi dịch pha tới 180 0 do đó có thể làm giảm công suất phát

2.1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

Tùy theo đáp ứng tần số kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:

+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số;

+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian

2.1.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.6 là f0

Hình 2.2 Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0 W)

Trên hình 2.2, ta nhận thấy kênh truyền có 𝑓 0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số Đáp ứng tần số của kênh truyền f 0

Hình 2.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số ( f 0>W)

Ngược lại, trên hình 2.3, kênh truyền có 𝑓 0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

2.1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ… qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian

Mạng vô tuyến nhận thức

2.2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mới cung cấp khả năng chia sẻ hoặc sử dụng phổ tần số theo phương thức cơ hội, cho phép sử dụng phổ tần số một cách linh hoạt dựa vào cơ chế truy cập phổ tần động (Dynamic Spectrum Access - DSA) Đây là cơ chế cung cấp khả năng chia sẻ phổ tần cho người dùng không cấp phép (Người dùng thứ cấp - PUs) cùng với người dùng được cấp phép (Người dùng sơ cấp

- SUs) theo cách cơ hội Người dùng sơ cấp sẽ được ưu tiên sử dụng phổ tần cấp phép trong khi người dùng thứ cấp cũng được truy cập vào những băng tần này khi người dùng sơ cấp tạm thời không sử dụng vì nó có thể cảm nhận được được các phổ tần số chưa sử dụng (spectrum holes) tại một thời gian và trong một không gian cụ thể, hoặc người dùng thứ cấp cũng có thể chia sẻ chung phổ tần với người dùng sơ cấp miễn là vẫn đảm bảo cho người dùng sơ cấp hoạt động hiệu quả

Kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho phép tồn tại đồng thời các người sử dụng thứ cấp SUs và các người dùng sơ cấp PUs sử dụng chung một băng tần mà không gây can nhiễu lên các người dùng sơ cấp để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) tại các người dùng sơ cấp PUs Chính vì vậy kỹ thuật vô tuyến nhận thức giúp chia sẻ nguồn phổ tần số được cấp phép giữa người dùng thứ cấp SUs và người dùng sơ cấp PUs [1, 2] nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số Điều này có thể giải quyết được vấn đề giới hạn của phổ tần số hiện nay khi công nghệ và các thiết bị không dây ngày càng phát triển

Hình 2.8 Lỗ phổ (spectrum holes) trong phổ tần số được cấp phát

Ngoài ra mạng vô tuyến nhận thức còn có khả năng tự cấu hình lại các tham số của hệ thống (công suất phát, tốc độ phát…) cũng như lựa chọn lại băng tần tốt nhất cho việc truyền nhận dữ liệu giữa máy phát và máy thu [1, 2]

2.2.2 Thành phần mạng vô tuyến nhận thức

Thành phần mạng vô tuyến nhận thức gồm hai phần:

- Người dùng sơ cấp PUs (Primary users): Các người dùng sơ cấp được cấp phép để hoạt động trên một dải tần số nhất định

- Trạm gốc sơ cấp (Primary base station): Điều khiển truy cập của các người dùng sơ cấp trong việc sử dụng phổ tần số

- Người dùng thứ cấp SUs (Secondary users): Người dùng mà không được cấp phép trên băng tần số được gán tới chúng

- Trạm gốc thứ cấp (Secondary base station): Một thành phần cơ sở hạ tầng cố định có khả năng sử dụng kỹ thuật bô tuyến nhận thức và cung cấp kết nối tới người dùng thứ cấp

- Spectrum Broker: Là một máy chủ tạo ra lịch trình để chia sẻ nguồn phổ tần giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau

Truy cập phổ tần động

Phổ sử dụng bởi người dùng chính

Như trên hình 2.8 các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc sử dụng phương thức nhiều bước nhảy (multi-hop manner) hoặc truy cập trạm gốc Do đó trong cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức có một vài kiểu truy cập khác nhau:

• Truy cập mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio network access): Các người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập vào trạm gốc thức cấp trong cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

- Truy cập tùy biến vô tuyến nhận thức (Cognitive radio ad-hoc access): Các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc với những người dùng vô tuyến nhận thức khác thông qua kết nối tùy biến (ad-hoc connection) cho cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

- Truy cập mạng sơ cấp (Primary network access): Người dùng mạng vô tuyến nhận thức có thể truy cập bào trạm gốc sơ cấp thông qua băng tần số đã được cấp phép, nếu như mạng sơ cấp cho phép

Hình 2.9 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Trạm gốc sơ cấp Dải phổ tần

Dải phổ tần có bản quyền I

Dải phổ tần có bản quyền II Dải phổ tần không có bản quyền

Truy nhập mạng sơ cấp

Truy nhập ad hoc CR Người dùng nhận thức

Cognitive Radio Networks (without infructure)

Cognitive Radio Networks (with infructure)

2.2.3 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

Có ba kiểu chính trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức:

- Mô hình dạng nền (Underlay);

- Mô hình dạng phủ (Overlay);

- Mô hình dạng đan xen (Interweave)

Mô hình dạng nền (Underlay) cho phép các người dùng thứ cấp có thể truyền nhận dữ liệu đồng thời với người dùng sơ cấp miễn sao can nhiễu do máy phát thứ cấp gây ra phải thấp hơn mức công suất nhiễu tối đa mày máy thu sơ cấp có thể chịu được Hệ thống dạng phủ (Overlay) cho phép các người dùng thứ cấp lắng nghe sự truyền nhận của các người dùng sơ cấp sau đó sử dụng thông tin này với việc xử lý tín hiệu phức tạp và kỹ thuật mã hóa để duy trì hoặc cải thiện chất lượng của các người dùng sơ cấp và hơn nữa có thêm băng thông cho việc truyền nhận dữ liệu của mình Trong điều kiện ký tưởng thì các kỹ thuật mã hóa phức tạp cũng như các chiến lược giải mã cho phép cả người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp loại bỏ một phần hay toàn bộ can nhiễu do các người dùng khác gây ra Trong hệ thống dạng đan xen (interweave) các người dùng thứ cấp nhận biết được sự vắng mặt của các tín hiệu của người dùng sơ cấp trong không gian, thời gian hoặc tần số và có cơ hội thực hiện truyền thông trong suốt quá trình vắng mặt đó của người dùng sơ cấp

2.2.3.1 Mô hình Overlay Trong mô hình này các, người dùng sơ cấp chia sẻ băng tần với người dùng thứ cấp với điều kiện người dùng thứ cấp phải giúp đỡ người dùng sơ cấp nâng cao chất lượng dịch vụ Người dùng thứ cấp có thể phát đồng thời với người dùng sơ cấp, mức can nhiễu của người dùng sơ cấp có thể bổ sung bởi một phần công thức của người dùng thứ cấp Trong dải tần không được cấp phép, người dùng nhận thức sẽ cho phép sử dụng hiệu quả quang phổ cao hơn bằng cách khai thác các thông tin từ mã của người dùng sơ cấp như độ lợi kênh truyền, từ mã và các bản tin của ngưởi dùng sơ cấp [40] Hệ thống thứ cấp không bị giới hạn mức công suất phát do đó nó có thể phát ở bất kỳ công suất nào Mức can nhiễu của hệ thống sơ cấp có thể được bù bằng việc chuyển tiếp bản tìn ngời dùng hệ thống sơ câ

Hình 2.10 Mô hình dạng phủ

2.2.3.2 Mô hình Interweave Mô hình này còn được gọi là mô hình truyền thông cơ hội (opportunistic communication) Nói cách khác, trong mô hình này sẽ tồn tại tạm thời khoảng trông về không gian - thời gian - tần số (space-time-frequenc) được gọi là lỗ phổ (spectrum holes) không được sử dụng trong cả băng tần cấp phép và không cấp phép Những khoảng trống này có thể thay đổi theo thời gian và vị trí địa lý và có thể được khai thác bởi người dùng nhận thức để truyền truyền phát tín hiệu Vì thế việc sử dụng phổ tần được cải thiện bởi cơ hội tái sử dụng tần số thông qua các spectrum holes Trong kỹ thuật interweave đòi hỏi phải biết được thông tin hoạt động của hệ thống không nhận thức trong phổ tần cấp phép hoặc không cấp phép Tuy nhiên công suất phát của hệ thống thứ cấp không bị giới hạn tại các khoảng tần số được cấp phát mà tạm thời bộ phát sơ cấp không sử dụng

Tóm lại, mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen là một hệ thống thông tin liên lạc không dây thông minh, theo dõi định kỳ phổ tần sóng vô tuyến, phát hiện các lỗ trống trong khu vực khác nhau của phổ tần và sau đó truyền thông qua các lỗ trống này với sự can thiệp nhiễu tối thiểu tới những người dùng đang hoạt động Và trong quá trình hoạt động, CR user cũng phải thường xuyên giám sát để trả lại phổ tần cho mạng sơ cấp khi nó hoạt động trở lại [40]

Hình 2.11 Phương pháp truy cập phổ tần dạng đan xen

2.2.3.3 Mô hình Underlay Trong mô hình này, mạng vô tuyến nhận thức là người dùng thứ cấp sẽ không gây ra nhiễu cho việc giao tiếp của hệ thống đang tồn tại (licensced) chính là người dùng sơ cấp Cụ thể, việc truyền tín hiệu trong hệ thống nhận thức và không nhận thức chỉ có thể xảy ra đồng thời khi nhiễu tạo bởi hệ thống nhận thức tại bộ nhận không thức nằm dưới mức ngưỡng chấp nhận được Và để đáp ứng được điều này, bằng cách sử dụng nhiều anten để hướng tín hiệu tạo bởi hệ thống nhận thức tránh xa bộ thu không nhận thức hoặc bằng cách sử dụng một băng thông rộng để tín hiệu nhận thức có thể trải ra (spread) dưới mức nhiễu nền (noise floor) khi người dùng không nhận thức ở bất cứ vị trí nào Các tín hiệu này khi nhận được sẽ được giải trải phổ (de-spread) ở các máy thu nhận thức Cơ sở của kỹ thuật này là kỹ thuật trải phổ và truyền thông siêu băng rộng (ultrawideband) Ngoài ra, công suất phát của người dùng thứ cấp sẽ bị giới hạn bởi mức ngưỡng cho phép của bộ thu sơ cấp

Tóm lại, trong mô hình underlay, người dùng thứ cấp sẽ tồn tại song song với người dùng sơ cấp trong dải phổ tần được cấp phép Việc hoạt động của người dùng thứ cấp được kiểm soát sao cho công suất phát của nó không gây can nhiễu vượt quá mức ngưỡng chịu đựng của máy thu sơ cấp Do đó vẫn đảm bảo cho người dùng sơ cấp hoạt động hiệu quả

Người dùng sơ cấp Công suất

Thời gian Lỗ phổ tần

Hình 2.12 Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay

Bảo mật lớp vật lý

Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống từ công nghiệp đến nông nghiệp, dân dụng và giáo dục Đặc tính nổi bật của thông tin vô tuyến là khả năng phát quảng bá (broadcast) tín hiệu trong môi trường vô tuyến Đây là ưu điểm giúp tiết kiệm được

R ec ei v er T rans m it

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 27 nhiều chi phí triển khai so với hệ thống có dây Tuy nhiên, cũng chính đặc tính này đã tạo nên nhược điểm của hệ thống vô tuyến đó là tính bảo mật khi mà các nút nghe lén trong vùng phủ sóng dễ dàng nghe lén thông tin truyền từ máy phát đến máy thu

Do đó, bảo mật trong truyền thông vô tuyến trở thành vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong thực tế có nhiều phương pháp bảo mật và nhận dạng khác nhau thường được cài đặt ở lớp ứng dụng theo mô hình OSI thông qua các giải thuật mã hóa dữ liệu tiêu biểu như RSA, ASE hay DES Các giải thuật mã hóa này hoạt động với giả sử rằng năng lực phần cứng và thời gian giải mã của các máy nghe lén là giới hạn và đồng thời không xem xét đặc tính kênh truyền cũng như vị trí tương đối của nguồn phát và các nguồn nghe lén

Hình 2.16 Mô tả phương thức bảo mật sử dụng khóa bí mật

Hình 2.16 mô tả quá trình bảo mật khi mà nguồn (Alice) muốn truyền tin cho máy thu đích (Bob), trên đường truyền có thiết bị nghe lén E (Eve) Ở đây Alice sử dụng một khóa bảo mật và sử dụng khóa này để mã hóa thông tin và truyền đi Để có thể giải mã thông tin khi nhận được thì Bob phải có thông tin về khóa bảo mật Tuy nhiên nếu thiết bị nghe lén nhận được tín hiệu thì vẫn có xác suất giải mã thành công (làm giảm độ bảo mật của hệ thống) Gần đây, các mạng thông tin di động rất phát triển với năng lực phần cứng của các nút mạng được cải thiện rất nhiều dẫn đến việc đảm bảo bảo mật cho thông tin trên hệ thống là một vấn đề rất thử thách Nếu ta có thêm một lớp bảo mật nữa thì độ bảo mật của hệ thống sẽ tăng lên Tuy nhiên, ta tăng thêm một lớp bảo mật ở các lớp trên của mô hình OSI thì làm cho hệ thống trở nên

Encrypt with key Encoding Channel Decoding

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 28 phức tạp và khó khăn trong một mô hình mà cấu trúc của nó bị thay đổi liên tục, ví dụ như mạng vô tuyến nhận thức Ý tưởng đưa ra để giảm độ phức tạp của hệ thống là thực hiện bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security) Bảo mật lớp vật lý đang được xem xét là một công nghệ lõi với nhiều tiềm năng so với phương pháp mã hóa truyền thống [3] Trong các mạng vô tuyến truyền thống, thì nhiễu và fading sẽ làm suy giảm tín hiệu và được xem như các yếu tố làm suy giảm chất lượng của hệ thống Tuy nhiên ta có thể sử dụng nhiễu và fading làm ẩn đi tin tức tại máy thu của thiết bị nghe lén, làm cho thiết bị nghe lén không thể giải mã thành công tín hiệu Ý tưởng chính ở đây là khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo tin tức được truyền an toàn đến đích chính là đảm bảo độ bảo mật của hệ thống khi có thiệt bị nghe lén

Hình 2.17 Bảo mật ở lớp vật lý khi truyền tin từ Alice đến Bob

Hình 2.17 ta thấy ở kênh truyền từ Alice đến Bob thì chất lượng kênh truyền tốt nên tại Bob có thể giải mã thành công tin tức còn kênh truyền từ Alice đến thiết bị nghe lén (Eve) thì chất lượng kênh truyền không tốt nên Eve không thể giải mã thành công tín hiệu

Trong bảo mật thông tin lớp vật lý, có bốn tham số hiệu năng quan trọng dùng để đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến Đó là dung lượng bảo mật (Security Capaciy), xác suất dừng bảo mật (Securit Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability) và xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability)

2.3.2 Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý

2.3.2.1 Dung lượng bảo mật (Security Capacity) Để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống, C E Shannon đưa ra định nghĩa khái niệm dung lượng bảo mật, là độ lệch giữa dung lượng kênh chính 𝐶 𝑆𝐷 từ S đến D và dung lượng kênh nghe lén 𝐶 𝑆𝐸 từ S đến E, có dạng như sau [23]:

C = C −C (2.9) với 𝐶 𝑆𝐷 và 𝐶 𝑆𝐸 lần lượt là dung lượng của kênh truyền dữ liệu và kênh truyền nghe lén

Hình 2.18 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Dung lượng bảo mật là sự sai khác dung lượng của 2 kênh truyền chính và kênh nghe lén, do vậy khi dung lượng bảo mật càng nhỏ tưc là sự chênh lệch tỷ sô tín hiệu trên nhiễu của kênh nghe lén gần bằng tỷ sô tín hiệu trên nhiễu của kênh chính, khi đó hệ thông sẽ kém bảo mật Dung lượng bảo mật là một đại lượng không âm, nghĩa là khi dung lượng kênh truyền nghe lén lớn hơn kênh truyền dữ liệu thì dung lượng bảo mật của hệ thống sẽ là không, thể hiện rằng hệ thống không thể đảm bảo được bảo mật

2.3.2.2 Xác suất dừng kết nối (Connecition Outage Probability) Mục đích cuối cùng của quá trình truyền từ nguồn S là tín hiệu tại D giải mã thành công Cho nên dù ta có sử dụng phương pháp nào để tăng khả năng bảo mật của hệ thống thì việc đánh giá xác suất dừng kết nối tại D là hết sức cần thiết

Theo mã hóa Wyner: hai tốc độ được chọn bởi bộ mã hóa, là tốc độ truyên mã 𝑅 𝑏 và tốc độ bảo mật 𝑅 𝑠 , tốc độ chênh lệch 𝑅 𝑒 = 𝑅 𝑏 − 𝑅 𝑠 nói lên chi phí đảm bảo cho việc truyền bảo mật

Trong cả 2 mạng sơ cấp và thứ cấp, nếu dung lượng kênh từ bộ phát đến bộ nhận mà lớn hơn tôc độ truyền 𝑅 𝑏 < 𝐶 𝐵 , lúc này bộ nhận có thể giải mã thông tin bảo

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 30 mật một cách chính xác và đảm bảo kết nối hoàn hảo; ngược lại thì xác suất dừng xảy ra Xác suất để sự kiện dừng kết nối xảy ra được xem như là COP (Connection Outage Probability)

=  (2.10) với 𝑃𝑟{ } ký hiệu là giá trị xác suất ղ 𝑏 = 2 𝑅 𝑏 − 1 Ý nghĩa vật lý của xác suất dừng kết nối (COP) thể hiện tính tin cậy của hệ thống (Reliability Performance) [24, 25]

2.3.2.3 Xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability)

Xác suất dừng đánh chặn được định nghĩa là xác suất mà tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ nghe lén nhỏ hơn một mức ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR xác định trước [27]

Khi xác suất dừng đánh chặn tăng, tức là bộ nghe lén dứng tấn công nên hiệu năng bảo mật của hệ thống được cải thiện

2.3.2.4 Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability) Xác suất dừng bảo mật được định nghĩa là xác suất mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn một giá trị dương xác định trước 𝐶 𝑡ℎ , là đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu năng bảo mật trong lý thuyết thông tin [26]

Kỹ thuật thu thập năng lượng

Ngày nay, các thiết bị không dây như từ điện thoại di động thường đến điện thoại thông minh (smart phone), iPad, máy tính xách tay… đã trở nên không còn xa lạ với cuộc sống hàng ngày của con người Đi đôi với sự phát triển của các thiết bị không dây là nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị này Các ứng dụng trên các thiết

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 31 bị không dây ngày càng nhiều cộng thêm việc yêu cầu màn hình ngày càng nâng cao làm cho sự tiêu hao năng lượng ngày càng lớn

Mặt khác, xu hướng phát triển của các thiết bị vô tuyến ngày càng nhỏ gọn về mặt kích thước vật lý Trong các mạng thông tin như vậy, do tính chất liên tục của nguồn năng lượng, năng lượng ở một số thiết bị chuyển tiếp có thể giảm một cách đáng kể Hệ thống hoạt động bằng năng lượng lưu trữ thông thường chỉ hoạt động trong một thời gian nhất định và phải cần có một định kỳ thay thế nguồn năng lượng

Cần phải có một có chế để thích nghi theo sự thay đổi của mô hình mạng và cần có một sự chuyển đổi năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng vô tuyến Có nhiều cách để nguồn năng lượng có thể cung cấp cho sự hoạt động của hệ thống như: năng lượng mặt trời, năng lượng sự vận động, năng lượng của sóng vô tuyến xung quanh…, nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện và dễ dàng nhất Trong đó, công nghệ thu thập năng lượng (EH) bằng sóng vô tuyến (RF) là công nghệ mới nhất hiện nay và đang trong quá trình nghiên cứu để hoàn thiện, nó cho phép các thiết bị không dây nạp năng lượng từ các trạm vô tuyến Sự phát triển của các thiết bị chuyển hóa sóng vô tuyến thành điện năng và công nghệ truyền năng lượng không dây [32] tạo điều kiện cho việc hợp tác, chia sẽ năng lượng trong cùng một hệ thống

Khác với các mô hình thu thập năng lượng khác, trong thu thập năng lượng sóng vô tuyến, hai đại lượng thông tin và năng lượng có thể được gửi cùng lúc đến các thiết bị thu Các thiết bị thu có thể lấy năng lượng từ tìn hiệu nhận được và đồng thời cũng lấy được thông tin từ đó (các thiết bị thu có thể chỉ cần lấy thông tin hoặc năng lượng, tùy vào mục đích cụ thể)

Xét sự truyền thông giữa trạm gốc BS và người dùng USs, tín hiệu nhận được tại USs bởi sự truyền dữ liệu của BS được mô tả như sau: n BS n BS n , y = P h x + (2.13) với P BS là công suất phát của BS, x BS là dữ liệu được gửi bởi BS, h n là kênh truyền giữa BS và USs,  n là nhiễu cộng tại USs Nhiễu  n là một biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng  2

Nếu x BS là dữ liệu mà USs mong muốn nhận, USs sẽ cố gằng giải mã tín hiệu nhận được Nếu x BS không phải là dữ liệu mà USs mong muốn, USs sẽ thu thập năng lượng từ tín hiệu nhận được này Năng lượng mà USs thu được từ y n trên một đơn vị thời gian được đưa ra theo công thức sau [19]:

Q =   y = P h + (2.14) với  ( 0    1 ) là hiệu suất chuyển đổi từ sóng vô tuyến thành năng lượng

Giả sử nút nguồn và nút đích không có liên kết trực tiếp Khi đó, trạm nguồn sẽ truyền dữ liệu và năng lượng sóng vô tuyến đến các nút chuyển tiếp [33, 34] Nút chuyển tiếp thực hiện việc thu thập năng lượng và chuyển tiếp dữ liệu đến phía thu

Nút R phân chia năng lượng theo hai kỹ thuật sau:

- Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian (TS);

- Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất (PS)

Hình 2.19 Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến

2.4.2 Kỹ thuật phân chia năng lượng

2.4.2.1 Phương pháp phân chia năng lượng theo thời gian

Khung thời gian T được chia theo tỉ lệ α Khoảng thời gian T dùng để thu thập năng lượng Khoảng thời gian ( 1 −  ) T dùng cho việc truyền dữ liệu Trong đó, thời gian dành cho việc truyền dữ liệu từ S đến R là ( 1 )

− Thời gian để R chuyển tiếp dữ liệu đến D là ( 1 )

− Như vậy, trong phương pháp phân chia năng lượng theo thời gian, khung thời gian T sẽ được chia thành ba khe thời gian:

- Khe thời gian 1: Dùng để thu thập năng lượng;

- Khe thời gian 2: S truyền dữ liệu đến R; h sr

Năng lượng sóng vô tuyến Dữ liệu truyền đi

- Khe thời gian 3: R chuyển tiếp dữ liệu đến D

Hình 2.20 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian

2.4.2.2 Phương pháp phân chia năng lượng theo công suất

Khung thời gian T được chia thành hai phần Khoảng thời gian

T dùng để truyền dữ liệu từ S đến R Phần thời gian

T còn lại dùng cho việc chuyển tiếp dữ liệu từ R đến D Trong nửa khoảng thời gian thứ nhất, phần công suất tín hiệu PS (P s là công suất nguồn phát) nhận được tại R sẽ được sử dụng như sau: P s dùng để lưu trữ, ( 1−) P s dùng cho việc chuyển tiếp dữ liệu từ R đến D

Như vậy trong phương pháp phân chia năng lượng theo công suất Khung thời gian T được chia thành hai khe thời gian:

- Khe thời gian 1: Dùng để thu thập năng lượng;

- Khe thời gian 2: Dùng cho việc giải mã và chuyển tiếp tín hiệu

Hình 2.21 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất

Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo

Cơ chế chính của kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo là sử dụng một thiết bị phát tín hiệu gây nhiễu, tín hiệu nhiễu này chỉ tác động lên các bộ nghe lén mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của kênh truyền thông tin Tùy vào mục đích và yêu cầu hệ thống mà thiết bị này có thể được thiết kế chỉ để phát tín hiệu gây nhiễu [19], hoặc có thể đồng thời truyền dữ liệu và phát tín hiệu nhiễu nhân tạo [18], [48-49]

Hình 2.22: Mô hình vô tuyến nhận thức với nhiều kênh nghe lén

Hình 2.22 xem xét mô hình mạng vô tuyến nhận thức gồm các người dùng sơ cấp, bộ phát thứ cấp (Alice), bộ nhận hợp pháp thứ cấp (Bob) và nhiều bộ nghe lén (Eve) Ký hiệu H 0 là ma trận kênh từ Alice đến Bob, H k là ma trận kênh từ Alice đến Eve thứ k và H p là ma trận kênh từ Alice đến PU Vì cả kênh hợp pháp Bob và kênh nghe lén Eve đều nằm trong vùng phủ của bộ phát thứ cấp Alice nên tất cả chúng đều nhận được tín hiệu thông tin từ Alice Để ngăn cản Eve giả mã và thu thập thông tin từ Alice, Alice sẽ thêm vào tín hiệu nhiễu nhân tạo trong tín hiệu phát đi Tín hiệu này được thiết kết ra để hủy tại Bob và chỉ gây ảnh hưởng đến Eve [48]

Tín hiệu nhận tại Bob và Eve được biểu diễn như sau:

0 , k k y = H x + n (2.16) trong đó x là tín hiệu được truyền đi bởi Alice, n n 0 , k là nhiễu Gaussian tại bộ thu Bob và Eve

Vector tín hiệu x được truyền bởi Alice bao gồm 2 thành phần:

, x= +s a (2.17) trong đó s là tín hiệu thông tin cần truyền cho Bob, a là tín hiệu nhiễu nhân tạo được tạo bởi Alice để gây nhiễu Eve

Trong thực tế, để không gây nhiễu cho Bob, tín hiệu nhiễu nhân tạo được đặt trong khoảng trắng (null space) của ma trận kênh Bob Với a=Vw, V là ma trận trực giao với H 0 được định nghĩa như sau [48]:

Lúc này nhiễu tại Eve tăng lên nên tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại Eve giảm dẫn đến dung lượng kênh nghe lén giảm trong khi dung lượng kênh truyền hợp pháp không đổi, suy ra dung lượng bảo mật của hệ thống tăng, hiệu năng bảo mật của hệ thống tốt hơn

Hình 2.23: Mô hình jamming trong mạng vô tuyến nhận thức

Hình 2.23 mô tả mô hình jaming trong mạng vô tuyến nhận thức trong đó thiết bị jamming sẽ phát tín hiệu gây nhiễu nhằm ngăn chặn Eve thu thập thông tin từ Alice Giống như đã phân tích ở trên, tín hiệu jamming này được thiết kế để hủy tại Bob và chỉ gây ảnh hưởng lên Eve Do đó, sẽ làm tăng tính bảo mật cho hệ thống

KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH

Tham số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống

Trong luận văn này, tác giả tiến hành đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng thông qua đại lượng xác suất dừng bảo mật

Như đã đề cập trong chương 2, xác suất dừng bảo mật (SOP - Secrecy Outage Probability) đươc định nghĩa là xác suất mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn một giá trị dương 𝑅 0 xác định trước, 𝑅 0 là mức ngưỡng bảo mật yêu cầu của hệ thống SOP là đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu năng bảo mật trong lý thuyết thông tin [26] Một cách đơn giản, nếu xác suất dừng bảo mật càng nhỏ thì hiệu năng bảo mật của hệ thống càng tốt.

Mô hình phân tích

Thu thập năng lượng tại S và J Truyền thông tin tại S và J

Xử lý thông tin tại D và W

Hình 3.1 Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống mạng vô tuyến nhận thức được cho như hình trên Các phần từ Secondary Source S, Secondary Destination D và Wiretap-tapper W thuộc thành phần mạng thứ cấp hay còn gọi là mạng vô tuyến nhận thức hoạt động ở chế độ

Underlay, các phần từ Primary Transmitter T và Primary Receiver R thuộc thành phần mạng sơ cấp Việc truyền thông giữa nguồn thứ cấp S và đích thứ cấp D có thể được thực hiện đồng thời với việc truyền thông giữa bộ phát sơ cấp T và bộ nhận sơ cấp R

Mô hình hoạt động ở chế độ Underlay nên trong quá trình truyền thông tin, người dùng thứ cấp S can thiệp và gây ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình giao tiếp giữa bộ nguồn sơ cấp T và bộ nhận sơ cấp R Ngược lại, giao tiếp giữa T và R cũng cản trở quá trình truyền thông giữa S và D Giao tiếp giữa S và D bị nghe lén bởi Wire-tapper

W Và để ngăn cản W nghe lén thông tin của S, khi S truyền thông tin đến D, jammer J đồng thời phát tín hiệu nhiễu giả ngẫn nhiên, tín hiệu nhiễu này được thiết kế để hủy tại D và chỉ gây nhiễu cho bộ nghe lén W

Giả thiết rằng máy phát thứ cấp S và bộ jammer J bị hạn chế năng lượng Do đó, nó phải có khả năng thu thập năng lượng để truyền thông tin và phát tín hiệu nhiễu Một quá trình truyền thông tin đầy đủ từ S đến D trải qua hai khe thời gian

Trong khe thời gian thứ nhất với khoảng thời gian 𝛼𝑄 trong đó, 𝛼 ∈ ሺ0, 1ሻ là hệ số phân chia thời gian và 𝑄 là tổng thời gian của quá trình truyền, S và J thu thập năng lượng vô tuyến từ bộ phát sơ cấp T Trong khe thời gian thứ hai với khoảng thời gian ሺ1 − 𝛼ሻ𝑄, S sử dụng năng lượng thu thập để truyền thông tin trong khi đó, J dùng nó để phát tín hiệu nhiễu

Như hình 3.1, gọi ℎ 𝑢𝑣 là hệ số kênh truyền giữa bộ phát 𝑢 và bộ nhận 𝑣 với 𝑢 ∈ {𝑆, 𝑇}, 𝑣 ∈ {𝑆, 𝐷, 𝑅, 𝑊} Giả sử rằng, kênh truyền giữa hai nút bất kỳ là kênh truyền fading Rayleigh, và do đó ℎ 𝑢𝑣 được mô hình hóa như một biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình 0 và phương sai 𝜆 𝑢𝑣 , ℎ 𝑢𝑣 ̰~ሺ0, 𝜆 𝑢𝑣 ሻ Như đã được chứng minh trong [28], khi ℎ 𝑢𝑣 có phân bố Rayleigh, thì độ lợi kênh truyền |ℎ 𝑢𝑣 | 2 sẽ có phân phối mũ Bên cạnh đó, hàm phân phối tích lũy (Cumulative Density Function - CDF) và hàm mật độ xác suất (Probability Density Function - PDF) của |ℎ 𝑢𝑣 | 2 có thể lần lượt được đưa ra trong [10] như sau:

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 38 trong đó:  uv =    h uv 2 với   là toán tử kỳ vọng toán học; u x ( ) là hàm bước,

Hơn nữa, ta có thể mô hình giá trị  uv như trong [10]:  uv =d uv −  với d uv là khoảng cách giữa bộ phát 𝑢 và bộ nhận 𝑣, và 𝜌 là hệ số suy hao đường truyền có giá trị từ 2 đến 6.

Phân tích mô hình hệ thống và đưa ra công thức

Đầu tiên, chúng ta xét sự truyền dữ liệu giữa một nút phát Tx và một nút nhận

Rx Bằng cách sử dụng mô hình suy hao đơn giản (Simplified path loss model) [28], chúng ta có thể mô hình hóa tín hiệu nhận được tại nút Rx bởi biểu thức sau [41]:

Trong công thức (3.4), P Tx là công suất phát của nút Tx, x là dữ liệu mà nút phát Tx muốn truyền đến nút nhận Rx, h TxRx là hệ số kênh truyền giữa các nút Tx và Rx, n Rx là nhiễu cộng Gaussian (AWGN) tại bộ thu Rx Từ (3.4), tỉ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại nút Rx có thể được đưa như sau:

 = N (3.5) trong đó: N 0 là phương sai của n Rx (giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tại tất cả các bộ thu đều bằng N 0 Áp dụng và mô hình khảo sát, ta có tín hiệu nhận được tại S và J trong khe thời gian thứ nhất có thể được biểu diễn dưới dạng:

1 , j tj t t j y =h P x +n (3.7) trong đó: ℎ 𝑡𝑠 , ℎ 𝑡𝑗 là hệ số kênh truyền từ nguồn phát sơ cấp T đến S và J; 𝑃 𝑡 là công suất phát của T; 𝑥 𝑡1 là tín hiệu truyền bởi T trong khe thời gian thứ nhất với

𝑥 𝑡1 ~𝑁ሺ0,1ሻ hay 𝛯 𝑥 𝑡1 {|𝑥 𝑡1 | 2 } = 1; 𝑛 𝑠 , 𝑛 𝑗 là nhiễu Gaussian (AWGN) được tạo bởi anten thu tại S và J với 𝑛 𝑠 ~𝑁ሺ0, 𝑁 0 ሻ, 𝑛 𝑗 ~𝑁ሺ0, 𝑁 0 ሻ

Từ đó, tín hiệu nhận tại D trong khe thời gian thứ hai sẽ bao gồm các thành phần tín hiệu phát bởi S, tín hiêu phát bởi T, nhiễu nhân tạo phát bởi J và nhiễu tại bộ thu thứ cấp D, trong đó tín hiệu phát bởi T được xem như là can nhiễu sơ cấp tác động lên bộ thu D, được biểu diễn:

D sd s s td t t jd j j d y = h P x + h P x + h P x + n (3.8) trong đó: ℎ 𝑠𝑑 là hệ số kênh truyền từ nguồn phát thứ cấp S đến bộ thu thứ cấp D, ℎ 𝑡𝑑 là hệ số kênh truyền từ nguồn phát sơ cấp T đến bộ thu thứ cấp D, ℎ 𝑗𝑑 là hệ số kênh truyền từ bộ Jammer J đến bộ thu thứ cấp D, 𝑥 𝑡2 là tín hiệu truyền bởi T trong khe thời gian thứ hai với 𝑥 𝑡2 ~𝑁ሺ0,1ሻ, 𝑛 𝑑 là nhiễu Gaussian tại bộ thu thứ cấp D với

Vì tín hiệu nhiễu nhân tạo 𝑥 𝑗 được tạo ra chỉ để gây nhiễu cho kênh Wire-tapper

W mà không làm suy giảm hiệu năng giải mã của bộ thu thứ cấp D vì bộ thu D có đầy đủ thông tin về tín hiệu nhiễu này Kết quả là tín hiệu nhiễu nhân tạo bị hủy toàn bộ tại bộ thu thứ cấp D Do đó, tín hiệu nhận được tại D sau khi loại bỏ nhiễu nhân tạo sẽ là:

Tín hiệu nhận tại W cũng bao gồm các thành phần tín hiệu phát bởi S, tín hiệu phát bởi T và nhiễu tại bộ nghe lén W Tương tự, tín hiệu phát bởi T cũng được xem như can nhiễu sơ cấp tác động lên W Bên cạnh đó, bộ nghe lén W còn bị chịu tác động bởi tín hiệu nhân tạo do J tạo ra:

W s w s s t w t t 2 j w j j w , y = h P x + h P x + h P x + n (3.10) trong đó: ℎ 𝑠𝑤 là hệ số kênh truyền từ nguồn phát thứ cấp S đến bộ nghe lén W, ℎ 𝑡𝑤 là hệ số kênh truyền từ nguồn phát sơ cấp T đến bộ nghe lén W, ℎ 𝑗𝑤 là hệ số kênh truyền từ bộ Jammer J đến bộ nghe lén W, 𝑛 𝑤 là nhiễu Gaussian tại bộ thu thứ cấp D với 𝑛 𝑑 ~𝑁ሺ0, 𝑁 0 ሻ

Từ (3.9), tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SINR (Signal-to-Interference plus

1 sd s s d td t t d sd s s sd s s td t t d td t t d s sd s t td t td t t d td t t d d s sd s t td t td t t d td t t d d

2 x t và n d là hai biến ngẫu nhiên độc lập nên  x n t 2 d =     x t 2  n d =0.

2 x t và n d * là hai biến ngẫu nhiên độc lập nên  x n t 2 d * =    x t 2   n d * =0.

Tương tự, từ (3.10), tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SINR tại W là:

0 sw s s tw t t jw j j w s sw t tw j jw h P x h P x h P x n

Trong biểu thức (3.11) và (3.12), P h t td 2 và P h t t w 2 đại diện cho can nhiễu sơ cấp tương ứng tại D và W gây ra bởi bộ phát sơ cấp T Luận văn xét các đại lương trên là các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ, khác với các nghiên cứu [24], [29-35],

[45-47] đã bỏ qua tác động của can nhiễu sơ cấp này Do đó, mô hình nghiên cứu trong đề tài này đã trở nên tổng quát và thực tế hơn nhưng việc tính toán hiệu năng bảo mật sẽ phức tạp hơn Bên cạnh đó Jammer J chủ động phát công suất nhiễu

𝑃 𝑗 |ℎ 𝑗𝑤 | 2 tới bộ nghe lén W để làm giảm khả năng giải mã thông tin tại đây giúp tăng cường hiệu năng bảo mật cho hệ thống

Vì pha 2 kéo dài trong khoảng thời gian ( 1 −  ) Qnên dung lượng kênh tại D và

Từ hai biểu thức trên ta nhận thấy dung lượng kênh truyền tỉ lệ nghịch với hệ số phân chia thời gian  Nhận xét này rất quan trọng trong việc giải thích các kết quả mô phỏng trong phần tiếp theo của luận văn

Dung lượng bảo mật 𝑅 𝑠 được xác định bằng độ lệch giữa dung lượng kênh thông tin từ S đến D và dung lượng kênh nghe lén từ S đến W như trong [37]

(3.15) trong đó, [𝑥] + biểu thị 𝑚𝑎𝑥ሺ𝑥, 0ሻ Biểu thức 𝑅 𝑠 sẽ được dùng để xác định xác suất dừng bảo mật

Thu thập năng lượng trong khe thời gian thứ nhất tại S được cho bởi công thức

Thay (3.6) vào công thức (3.16) ta có:

2 0 s s s s s s s s s n ts t t s s n ts t t s ts t t s s n ts t t ts t t s ts t t s s s ts t n t ts t n t s ts t n t s n s

(3.17) trong đó, 𝜂 𝑠 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại S

Công suất tối đa mà S có thể sử dụng để truyền thông tin trong khe thời gian thứ hai được biểu thị bằng:

Suy ra, công suất trung bình mà S sử dụng để truyền thông tin trong khe thời gian thứ hai là:

1 1 , ts ts sm h sm s t ts h s t ts

Hoàn toàn tương tự, ta suy ra công suất trung bình mà J sử dụng để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo trong khe thời gian thứ hai là:

− (3.20) trong đó, 𝜂 𝑗 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại J

Bởi vì S truyền thông tin với công suất 𝑃 𝑠 , do đó công suất nhiễu mà S gây ra tại

R là 𝑃 𝑠 |ℎ 𝑠𝑟 | 2 Tương tự, công suất nhiễu mà J gây ra tại R là 𝑃 𝑗 |ℎ 𝑗𝑟 | 2 Vì cả S và J truyền đồng thời tín hiệu của chúng nên R phải chịu mức tổng công suất nhiễu của S và J gây ra tại đây là 𝑃 𝑠 |ℎ 𝑠𝑟 | 2 + 𝑃 𝑗 |ℎ 𝑗𝑟 | 2 Vì là mô hình Underlay việc hoạt động truyền tín hiệu của mạng thứ cấp vẫn phải đảm bảo cho mạng sơ cấp hoạt động tốt, tức là S và J phải điều chỉnh công suất phát 𝑃 𝑠 , 𝑃 𝑗 để tổng công suất nhiễu mà nó gây ra cho R phải dưới mức ngưỡng chịu đựng 𝐼 𝑚 của R

Mặt khác, công suất phát của S và J không thể lớn hơn công suất trung bình mà nó có được từ thu thập năng lượng trong khe thời gian thứ nhất

Từ (3.21), ta có thể suy ra các giới hạn về mức công suất nhiễu cho S và J như sau:

P h  − I (3.25) với 𝛽 ∈ ሺ0,1] là hệ số phân chia công suất nhiễu cho S và J Khi 𝛽 = 1, bộ jammer không tồn tại Để đáp ứng các điều kiện về công suất truyền tối đa, mức công suất gây can nhiễu cho R đồng thời tối ưu vùng phủ của mạng thứ cấp, công suất phát 𝑃 𝑠 và 𝑃 𝑗 của S và J sẽ bị giới hạn và được mô hình hóa như sau: min  2 , ,

MÔ PHỎNG NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả mô phỏng

Trong phần này, đề tài sẽ đánh giá hiệu năng bảo mật thông qua kết quả đạt được từ biểu thức Secrecy Outage Probability đã được phân tích trong chương 3 Và để kiểm tra tính chính xác của những phân tích trên, đề tài sẽ thực hiện các thí nghiệm mô phỏng sử dụng kỹ thuật mô phỏng Monte-Carlo, hai kết quả mô phỏng và tính toán trùng nhau cho thấy những phân tích toán học trong đề tài là chính xác

Trong Matlab, sử dụng hàm randn để tạo ra các biến ngẫu nhiên theo phân bố chính tắc với giá trị trung bình bằng 0, phương sai bằng 1 và độ lệch chuẩn bằng 1

Vì phân bố chính tắc là một trường hợp đặc biệt của phân bố Gauss nên khi muốn tạo các biến ngẫu nhiên với phương sai bằng  2 ta nhân hàm randn với  2 Mặt khác, kênh truyền được sử dụng trong đề tài là kênh truyền fading Rayleigh có phân bố là một hàm phức theo biến ngẫu nhiên Gauss Do đó, để tạo một biến ngẫu nhiên có phõn bố Rayleigh ta cần chuẩn húa (phần thực và phần ảo) nú bằng ẵ Vớ dụ để tạo ra 1000 biến ngẫu nhiên phức có phương sai  2 thì chúng ta sử dụng hàm như sau:

Trong mỗi mô phỏng Monte-Carlo của luận văn 10 5 − 10 6 phép thử được thực hiện để xác định giá trị xác suất dừng bảo mật của hệ thống

Hệ số tổn hao trong không gian truyền sóng là 2 cho môi trường không gian tự do lý tưởng, và có giá trị từ 2 đến 6 cho môi trường truyền sóng phức tạp Trong tất cả các mô phỏng trong đề tài, hệ số tổn hao được lấy bằng 3 Vị trí của các nút T, R, S, D, W được lựa chọn bất kỳ: T [0.1; 0.9], R [0.7; 0.6], S [0.0; 0.0], D [1.0; 0.0], W

[1.0; 0.5] Để đánh giá xác suất dừng bảo mật của hệ thống phụ thuộc khoảng cách tương đối của bộ phát tín hiệu nhiễu giả J so với nguồn phát thứ cấp S và bộ nhận thứ cấp D ta chọn vị trí nút J ở giữa nút S và nút D và J có tọa độ J [d; 0.0] với 𝑑 ∈ ሺ0, 1ሻ là khoảng cách từ S đến J Ngoài ra, dung lượng bảo mật yêu cầu 𝑅 0 = 0.01 bits/s/Hz, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 𝜂 𝑠 = 𝜂 𝑗 = 0.9, phương sai nhiễu tại các bộ thu phát 𝜎 𝑠 = 𝜎 𝑗 = 𝜎 𝑑 = 𝜎 𝑤 = 𝑁 0 = 1

Các kết quả mô phỏng được thể hiển ở các hình bên dưới Ta thấy rằng kết quả giữa mô phỏng và lý thuyết trùng khớp nhau, điều này kiểm chứng cho tính đúng đắn của các phân tích trong chương 3

Hình 4.1 Xác suất dừng bảo mật theo I m

Hình 4.1 mô tả ảnh hưởng của mức công suất nhiễu tối đa mà máy thu sơ cấp R có thể chịu được đến xác suất dừng bảo mật của hệ thống Với hệ số phân chia thời gian 𝛼 = 0.6, hệ số phân chia công suất nhiễu 𝛽 = 0.5 và khoảng cách 𝑑 = 0.5 Tỉ số giữa công suất phát sơ cấp P t trên phương sai nhiễu N 0 lần lượt là 17, 21, 25 dB

Dựa vào hình trên ta thấy rằng với I m nhỏ hơn mức ngưỡng nào đó thì xác suất dừng bảo mật của hệ thống giảm khi I m tăng Tuy nhiên khi I m tăng quá mức ngưỡng thì giá trị SOP sẽ không thay đổi Mức ngưỡng này phụ thuộc vào tỉ số giữa công suất phát sơ cấp trên phương sai nhiễu 𝑃 𝑡 /𝑁 0 𝑃 𝑡 /𝑁 0 càng lớn thì mức ngưỡng càng cao Ví dụ

N = thì SOP bão hòa tại

N = thì SOP bão hòa tại

N Kết quả này được giải thích như sau Khi I m dưới mức ngưỡng, theo biểu thức (3.26) và biểu thức (3.27) ta có thể xác định s min m 2 , sm m 2 sr sr

Khi đó, I m tăng dẫn tới P s và P j cũng tăng đồng thời Mặt khác, P s chỉ có ở tử số của 𝛾 𝑑 trong biểu thức (3.11) trong khi đó 𝛾 𝑤 ở biểu thức (3.12) có sự xuất hiện của P s và P j lần lượt ở tử số và mẫu số Suy ra SINR tại D tăng nhanh hơn tại W Do đó, theo biểu thức (3.15), dung lượng bảo mật

=   −   +     tăng dẫn tới xác suất dừng bảo mật của hệ thống giảm

Trường hợp khi I m lớn hơn mức ngưỡng biểu thức (3.26) và (3.27) sẽ tương đương s sm

P =P và P j =P jm Do đó, P s và P j độc lập với I m nên khi I m tăng thì xác suất dừng bảo mật không thay đổi

Ngoài ra, hình 4.1 cũng cho ta thấy khi I m chưa đủ lớn thì xác suất dừng bảo mật sẽ tăng khi công suất phát sơ cấp tăng Ngược lại, khi I m vượt ngưỡng thì xác suất dừng bảo mật sẽ giảm khi P t tăng Tuy nhiên lúc này SOP đã bão hòa ở mức rất thấp nên sự chênh lệch là không đáng kể Điều này sẽ được giải thích cụ thể hơn ở mô phỏng tiếp theo

Hình 4.2: Xác suất dừng bảo mật theo P t

Hình 4.2 thể hiện ảnh hưởng của công suất phát sơ cấp đến hiệu năng bảo mật của hệ thống mạng vô tuyến nhận thức Với 𝛼 = 0.6, 𝛽 = 0.5, 𝑑 = 0.5 Tỉ số giữa

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 57 mức công suất nhiễu tối đa mà máy thu sơ cấp R có thể chịu được trên phương sai nhiễu trong mô phỏng lần lượt là 10, 13, 16 dB Ta thấy rằng khi

N = thì xác suất dừng bảo mật của hệ thống luôn tăng khi công suất phát sơ cấp P t tăng Nhưng khi tỉ số này bằng 13dB và 16dB thì xuất hiện điểm cực tiểu của SOP Tức là với P t nhỏ hơn một mức ngưỡng nào đó thì khi tăng P t xác suất dừng bảo mật của hệ thống giảm Ngược lại, khi P t lớn hơn mức ngưỡng thì SOP tăng khi công suất phát sơ cấp tăng Mức ngưỡng này phụ thuộc vào tỉ số giữa công suất nhiễu tối đa và phương sai nhiễu Tỉ số 𝐼 𝑚 /𝑁 0 càng lớn thì mức ngưỡng càng cao Ví dụ

N = thì SOP đạt cực tiểu tại

N = thì SOP đạt cực tiểu tại

N = Ngoài ra, với các điều kiện đầu vào như đã cho thì xác suất dừng bảo mật của hệ thống chỉ đạt cực tiểu khi

N  Kết quả này được giải thích như sau:

SOP tăng khi P t tăng tức là

N  và P t lớn hơn mức ngưỡng

Dựa vào biểu thức (3.19) và (3.20) dễ nhận thấy việc tăng công suất phát sơ cấp sẽ làm tăng công suất trung bình P sm và P jm mà S và J sử dụng để phát tín hiệu và nhiễu trong pha 2 dựa trên năng lượng thu thập được trong pha 1 Trong trường hợp này

P sm và P jm đủ lớn để P s và P j trong biểu thức (3.26) và (3.27) nhận giá trị là hàm phụ thuộc I m , hay s m 2 sr

= − do đó P s và P j sẽ không đổi khi P t tăng

Mặt khác, can nhiễu sơ cấp P h t td 2 và P h t t w 2 tại máy thu thứ cấp D và bộ nghe lén

W gây ra bởi nguồn phát sơ cấp T cũng tăng Do đó, từ (3.11) và (3.12) dễ dàng nhận thấy khi tăng công suất phát sơ cấp thì cả 𝛾 𝑑 và 𝛾 𝑤 đều giảm nhưng tốc độ giảm của 𝛾 𝑑 nhanh hơn Suy ra, dung lượng bảo mật ( ) 2

=   −   +     giảm dẫn tới xác suất dừng bảo mật tăng đồng nghĩa hệ thống kém bảo mật hơn Các phân tích

HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 58 trong trường hợp này cho thấy ảnh hưởng tiêu cực của can nhiễu sơ cấp lên hiệu năng bảo mật của hệ thống

SOP giảm khi P t tăng tức là trường hợp

N  và P t nhỏ hơn mức ngưỡng Lúc này giá trị m 2 sr

− trong biểu thức (3.26) và (3.27) sẽ lớn hơn số hạng còn lại Suy ra P s =P sm và P j =P jm Mặt khác, từ (3.19) và (3.20) ta thấy P sm và P jm tăng khi ta tăng P t đồng nghĩa với việc sẽ làm tăng công suất phát tại S và J Kết hợp phân tích tăng P t dẫn tới tăng P s và P j ở trên vào biểu thức (3.11) và (3.12) ta nhận thấy rằng 𝛾 𝑑 và 𝛾 𝑤 cùng có số hạng P s ở tử số Tuy nhiên ở mẫu số 𝛾 𝑑 chỉ có P t trong khi đó 𝛾 𝑤 có cả P t và P j Từ đây có thể suy ra SINR tại D sẽ tăng nhanh hơn hoặc giảm chậm hơn SINR tại W Vì vậy, dung lượng bảo mật ( ) 2

=   −   +     của hệ thống sẽ tăng, hiệu năng bảo mật của hệ thống sẽ tốt hơn

Nhận xét đánh giá

Qua các kết quả chạy mô phỏng ở trên, ta thấy tất cả các tính toán trên lý thuyết đều cho kết quả trùng với kết quả chạy mô phỏng sử dụng kỹ thuật Monte-Carlo Đối với công suất phát sơ cấp P t , việc tăng P t tạo cơ hội cho máy phát thứ cấp S và bộ jammer J thu thập thêm năng lượng làm gia tăng công suất phát tín hiệu và nhiễu của chúng, do đó có thể làm tăng hiệu năng bảo mật của hệ thống Tuy nhiên, việc P t tăng quá cao trong khi mức giới hạn công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp I m thấp có thể gây phản tác dụng khi làm giảm khả năng bảo mật của hệ thống Vì vậy, khi thiết kế hệ thống cần lựa chọn P t và và I m phù hợp để tối đa khả năng bảo mật Đối với hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng, với P t nằm trong ngưỡng an toàn thì luôn tồn tại giá trị của 𝛼 để xác suất dừng bảo mật của hệ thống đạt cực tiểu tức là hệ thống bảo mật nhất Cuối cùng không thể không nói tới là kỹ thuật gây nhiễu được đánh giá qua hệ số phân chia công suất 𝛽 và khoảng cách từ bộ gây nhiễu đến thiết bị nghe lén Như đã phân tích ở trên, hai thống số này cũng ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu năng bảo mật Do đó, để tối ưu hiệu năng bảo mật cho hệ thống cần điều chỉnh 𝛽 phù hợp và gia tăng tín hiệu nhiễu tại thiết bị nghe lén bằng cách hướng jammer tới gần nó hơn

Tóm lại, qua các kết quả, nhận thấy rằng hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng trong đề tài phụ thuốc vào nhiều tham số đầu vào như công suất máy phát sơ cấp P t , mức nhiễu tối đa mà máy thu sơ cấp có thể chịu được I m , hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng 𝛼, hệ số phân chia công suất 𝛽, vị trí thiết bị gây nhiễu… Vì vậy, trong thiết kế hệ thống, để tối ưu hiệu năng bảo mật cần kết hợp lựa chọn các thông số một cách phù hợp