Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp

Ngoài ra để tăng khoảng cách truyền dẫn thì mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật hợp tác đó là việc sử dụng các nút chuyển tiếp nằm giữa máy phát thứ cấp và các máy thu thứ cấp, chín

Giới thiệu

Bài toán bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

Các mạng vô tuyến hiện tại thường được cấp phát một dải tần số cố định Tuy nhiên hiệu suất sử dụng phổ tần số đƣợc cấp phát lại thấp Theo công bố của Ủy ban truyền thông liên ban FCC (Federal Communication Commission) thì hiệu suất sử dụng phổ tần số đƣợc cấp phát (thời gian sử dụng và vị trí địa lý sử dụng các phổ tần số) nằm trong khoảng từ 15% đến 85% trên khoảng tần số đƣợc cấp phát [2], chính vì vậy tạo ra các khoảng trắng “white spaces” và các lỗ phổ “spectrum hole” trên các dải tần đƣợc cấp phát Nhƣ hình 1.1 cho thấy kết quả khảo sát về hiệu suất sử dụng phổ tần số trong khoảng 1 GHz đến 6 GHz của trung tâm nghiên cứu vô tuyến Berkeley (Berkeley Wireless Research Center) thì trong khoảng tần số từ 1GHz đến 3 GHz thì hiệu suất sử dụng phổ tần số lớn, tuy nhiên từ 3 GHz trở đi thì hiệu suất sử dụng phổ thấp

Trong khi đó việc mở rộng các ứng dụng không dây ngày càng nhiều nhƣ: video call, truy cập internet tốc độ cao, truyền dữ liệu tốc độ cao… cho nên sẽ cần các phổ tần số để chạy các ứng dụng này Kỹ thuật vô tuyến nhận thức đƣợc đƣa ra để giải quyết vấn đề thiếu hụt này Một mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio) là một mạng vô tuyến thông minh có thể đƣợc lập trình và cấu hình động Kỹ thuật này cho phép tồn tại đồng thời các người dùng thứ cấp (secondary users) và các người dùng sơ cấp (primary users) trên dải tần số vốn được phẩn bổ cho các người dùng sơ cấp (primary users) mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp Pus

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 2 HVTH: VÕ PHI SƠN

[6] Do đó hiệu quả sử dụng phổ tần số đƣợc nâng lên Ngoài ra để tăng khoảng cách truyền dẫn thì mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật hợp tác đó là việc sử dụng các nút chuyển tiếp nằm giữa máy phát thứ cấp và các máy thu thứ cấp, chính điều đó làm cho mạng vô tuyến nhận thức hợp tác trở nên tối ƣu hơn Tuy nhiên, vấn đề bảo mật trong truyền dẫn dữ liệu trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác để tránh các hiện tương nghe lén chưa được quan tâm nhiều

Hình 1.1: Đo đạc hiệu suất sử dụng phổ tại BWRC Để giải quyết vấn đề bảo mật trong truyền dẫn, các kỹ thuật truyền thống đƣợc áp dụng chủ yếu là các giao thức ở các lớp trên trong mô hình 7 lớp OSI thông qua việc sử dụng các khóa cá nhân (private – key) và khóa công cộng (public – key)

Tuy nhiên với công nghệ ngày càng phát triển thì các thiết bị nghe lén vẫn có xác suất giải mã thành công tín hiệu, chính vì vậy ta có thể bảo mật thêm ở một lớp nữa (ngoài việc sử dụng khóa bảo mật ở các lớp trên) để tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống Ngày nay thông qua các kết quả trong nghiên cứu lý thuyết thông tin, xử lý tín hiệu cho thấy rằng có thể tăng khả năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý [9] Ví

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 3 HVTH: VÕ PHI SƠN dụ: nhiễu và fading có thể sử dụng làm “ẩn” tin tức ở các thiết bị nghe lén mà không cần phải sử dụng các mã bí mật

Việc bảo mật ở lớp vật lý có thể thực hiện đƣợc thông qua: kỹ thuật

Beamforming, truyền thông kết hợp (sử dụng các bộ chuyển tiếp, tạo nhiễu),…

Trong đó, kỹ thuật sử dụng các bộ chuyển tiếp thường đơn giản mà vẫn đảm bảo việc bảo mật cho hệ thống Đây cũng chính là lý do em chọn đề tài: “ Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp ”.

Nhiệm vụ của luận văn

Trong luận văn này tôi sẽ nghiên cứu về vấn đề bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp Để thực hiện đƣợc luận văn thì chúng ta cần phải thực hiện các nhiệm vụ nhƣ sau:

Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Khảo sát các phương pháp chọn nút chuyển tiếp hiện có Đề xuất phương pháp chọn nút chuyển tiếp

Phân tích, đánh giá và so sánh khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp theo các thông số hệ thống khác nhau thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Kết quả dự kiến đạt đƣợc :

Nắm vững kiến thức về mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Phương pháp chọn nút chuyển tiếp cải tiến

Kết quả phân tích và mô phỏng về khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp

Nắm vững được ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp.

Ý nghĩa thực tế và phạm vi nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp cho công đồng nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến hợp tác nhƣ sau:

Các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có sẽ được phân tích, đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng, từ đó giúp cho người đọc có cái nhìn tổng quát về các phương pháp và trong tương lai có thể nhúng các thuật toán vào các phần cứng thực tế để tăng độ bảo mật cho mạng vô tuyến nhận thức kết hợp, mạng 5G [8]

Việc đưa ra các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới, so sánh, đánh giá so với các phương pháp cũ để người dùng có thể hiểu được các tình huống sử dụng trong thực tế, đồng thời đóng góp hướng nghiên cứu mới trong kỹ thuật bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác hoặc rộng hơn là trong mạng vô tuyến hợp tác

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ bao gồm các nội dung sau:

Tập trung nghiên cứu mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác để hiểu rõ hơn các thành phần, đặc điểm trong mạng

Nghiên cứu các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp: nguyên lý, hàm toán, các trường hợp sử dụng

Từ các phương pháp đã ta đề xuất các phương pháp mới, khảo sát đánh giá bằng phần mềm mô phỏng Matlab

Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm có 5 chương:

Giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về đề tài, những nội dung chính thực hiện trong luận văn và kết quả dự kiến đạt đƣợc, ý nghĩa thực tế của luận văn

Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mới cung cấp khả năng chia sẻ hoặc sửa dụng phổ tần số theo phương thức cơ hội, có thể nhận biết được các điều kiện môi trường và thay đổi các tham số truyền dẫn của nó phụ thuộc vào các điều kiện môi trường Kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho phép tồn tại đồng thời các người dùng thứ cấp SUs (secondary users) và các người dùng sơ cấp PUs (primary users) sử dụng chung một băng tần số 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]

Mạng vô tuyến nhận thức có thể cảm nhận đƣợc các phổ tần số chƣa sử dụng (spectrum holes) tại một thời gian và địa điểm cụ thể Do việc nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số đƣợc cấp phát

Hình 2.1: Lỗ phổ tần số (spectrum hole) trong băng tần đƣợc 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 nhƣ lựa chọn lại băng tần tốt nhất cho việc truyền nhận dữ liệu giữa máy phát và máy thu [1]

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Hình 2.2: Khoảng trắng “white spaces” trong phổ tần số đƣợc cấp phát

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 PUs 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 đƣợc 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 vô 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 sẽ nguồn phổ tần số giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau

Như trên hình 2.3 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 thứ cấp trong cả băng tần đƣợc cấp phép và không đƣợc cấp phép

 Truy cập tuy 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 đƣợc cấp phép và không đƣợc cấp phép

 Truy cập mạng sơ cấp (Primary network access): người dùng mạng vô tuyến nhận thức có thể truy cập vào trạm gốc sơ cấp thông qua băng tần số đã đƣợc cấp phép, nếu nhƣ mạng sơ cấp cho phép

Hình 2.3: Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức

Các chức năng của một mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức đặt ra các thách thức đó là tồn tại kênh truyền sơ cấp sơ cấp và kênh truyền thứ cấp dùng chung một băng tần số đồng thời phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ (QoS) Do đó mạng vô tuyến nhận thức yêu cầu có các chức năng quản lý phổ trong việc thiết kế nhƣ sau:

Tránh can nhiễu (interference avoidance): Mạng vô tuyến nhận thức tránh gây can nhiễu tới các mạng sơ cấp

Nhận thức chất lƣợng dịch vụ (QoS awareness): Để quyết định một băng tần thích hợp, mạng vô tuyến nhận thức phải hỗ trợ để đảm bảo chất lƣợng truyền thông, quan tâm tới sự thay đổi các phổ tần số

Truyền thông liên tục (Seamless communication): mạng vô tuyến nhận thức phải cung cấp quá trình truyền thông một cách liên tục kể cả khi có sự xuất hiện của các người dùng sơ cấp Để đáp ứng đƣợc các thách thức trên thì mạng vô tuyến nhận thức có các chức năng nhƣ sau:

Cảm nhận phổ tần số (Spectrum sensing): Các người dùng vô tuyến nhận thức có khả năng cảm nhận đƣợc các phổ tần số không đƣợc sử dụng tại bất kỳ thời điểm và vị trí

Quản lý phổ tần số (Spectrum management): Dựa trên các phổ tần số có thể sử dụng được và các quy định khác người dùng vô tuyến nhận thức sẽ được gán cho băng tần tốt nhất có thể

Di chuyển phổ tần số sử dụng (Spectrum mobility): Khi người dùng sơ cấp sử dụng phổ tần số tại bất kỳ thời điểm nào thì người dùng vô tuyến nhận thức phải di chuyển sang một băng phổ tần tốt hơn để trả lại băng phổ cho người dùng sơ cấp

Chia sẻ phổ tần số (Spectrum sharing): mạng vô tuyến nhận thức cung cấp một cách công bằng và thực hiện theo phương thức tối ưu nhất trong việc gán các phổ tần giữa các người dùng vô tuyến nhận thức

Trong hình 2.4 mô tả các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức Mỗi một lớp mạng có các chức năng khác nhau:

Lớp vật lý (Physical layer): cảm nhận phổ tần, có thể cấu hình việc truyền dữ liệu dựa trên phần mềm SDR (software defined radio)

Lớp liên kết (Link layer): thực hiện phân tích phổ, lựa chọn phổ, phối hợp các phổ

Lớp MAC (Mac layer): lấy thông tin kênh truyền, thực hiện đàm phán giữa người dùng sơ cấp PUs và người dùng thứ cấp SUs cho việc gán các phổ tần số và việc lấy thông tin và truy cập kênh truyền giữa các người dùng thứ cấp Đồng bộ các tham số truyền nhận (kênh truyền, khe thời gian,…) giữa máy phát và máy thu

Hình 2.4: Các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức

Các tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức

Theo cách thức hoạt động ta chia hệ thống vô tuyến nhận thức thành hai loại: hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system) và hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system)

Hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system): các người dùng thứ cấp quan sát các hoạt động (sử dụng hay không sử dụng kênh truyền) của các người dùng sơ cấp trong một băng phổ cố định và truy cập vào toàn bộ băng phổ tần nếu có cơ hội Mạng này đƣợc xây dựng dựa trên tiêu chuẩn: 802.11, 802.15, 802.3

Hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system): các người dùng thứ cấp có thể truyền sử dụng các băng thông khác nhau bởi việc thay đổi các tham số truyền ở trong lớp vật lý (dựa trên kỹ thuật OFDM hoặc MC – CDMA)

Tiêu chuẩn IEEE 802.22: là tiêu chuẩn đầu tiên của IEEE sử dụng kỹ thuật vô tuyến nhận thức để khai thác khoảng trắng “white spaces” trong phổ sử dụng cho truyền hình.

Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

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

 Dạng đan xen (interweave) Mô hình dạng nền (underlay) cho phép các người dùng thứ cấp có thể hoạt động nếu như mức can nhiễu của nó tới các người dùng sơ cấp ở dưới một mức ngưỡng được đưa ra Hệ thống dạng phủ (overlay): 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 sử lý tín hiệu phức tạp và kỹ thuật mã hóa để duy trì hoặc cải thiện chất lƣợng của các người dùng sơ cấp và hơn nữa có thêm băng thông cho việc truyền nhận dữ liệu của chính mình Trong điều kiện lý 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

2.5.1 Mô hình dạng nền (underlay paradigm)

Hình 2.5 và hình 2.6 cho ta thấy việc truyền nhận dữ liệu đồng thời trong mạng sơ cấp và thứ cấp chỉ có thể diễn ra khi mà can nhiễu đƣợc gây ra bởi các máy phát thứ cấp tại máy thu sơ cấp ở dưới mức ngưỡng cho phép Thay vì xác định một cách chính xác mức can nhiễu mà nó gây ra, các người dùng thứ cấp có thể trải tín hiệu

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 12 HVTH: VÕ PHI SƠN của nó trên một băng thông rộng để mật độ phổ công suất nhiễu ở dưới mức nhiễu nền khi người dùng sơ cấp ở bất cứ vị trí nào Các tín hiệu được trải phổ sau khi nhận đƣợc sẽ đƣợc giải trải phổ (de-spread) ở các máy thu thứ cấp Ngoài ra máy phát thứ cấp có thể vẫn giữ công suất đầu ra của nó nhƣng mức can nhiễu đến các máy thu sơ cấp vẫn ở dưới mức ngưỡng cho phép Trong trường hợp này do hạn chế về mặt can nhiễu nên các người dùng thứ cấp ở dạng nền (underlay) thường thực hiện truyền thông ở khoảng cách ngắn Cả trải phổ và giới hạn nghiêm ngặt của việc tính toán chính xác công suất can nhiễu của các máy phát thứ cấp tại máy thu sơ cấp đƣợc thay thế bằng việc thiết kế sao cho tập các công suất nhiễu của máy phát thứ cấp là nhỏ ở mọi nơi đƣợc gọi là công suất can nhiễu (interference temperature)

Công suất can nhiễu là sự đo đạc công suất RF có thể tại anten máy thu đƣợc phân phối tới một máy thu – công suất đƣợc tạo ra bởi một nguồn nhiễu hoặc một nguồn phát khác

Hình 2.5: Mô hình dạng nền: tín hiệu băng rộng (trải phổ)

Hình 2.6: Mô hình dạng nền với máy phát sử dụng anten dãy

2.5.2 Mô hình dạng phủ (overlay paradigm)

Trong mô hình dạng phủ ở hình 2.7 thì các máy phát thứ cấp biết chuỗi dữ liệu đƣợc phát đi của các máy phát sơ cấp và cách chuỗi dữ liệu đƣợc mã hóa

(codebook) Thông tin về cách mã hóa dữ liệu có thể đạt đƣợc ví dụ nhƣ máy phát sơ cấp phát các tin tức (message) tuân theo một chuẩn thống nhất của các phương thức mã hóa đã đƣợc công bố Hơn nữa, các máy phát sơ cấp có thể phát quảng bá codebook của nó có tính chu kỳ, các máy thu thứ cấp có thể giải mã nó Các hiểu biết về chuỗi dữ liệu của máy phát sơ cấp có thể đƣợc sử dụng trong nhiều cách khác nhau để giảm thiểu hoặc loại bỏ can nhiễu tại máy thu sơ cấp và thứ cấp Các máy phát thứ cấp sử dụng một phần công suất cho việc truyền thông của nó đồng thời sử dụng phần công suất còn lại cho việc hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu của mạng sơ cấp Bằng cách lựa chọn việc chia công suất một cách cẩn thận, việc tăng tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cộng can nhiễu tại máy thu sơ cấp phụ thuộc vào sự kết hợp với các máy phát thứ cấp Nếu máy thu sơ cấp có thể điều chỉnh việc giải mã cả chuỗi dữ liệu do máy phát sơ cấp phát đi và một phần hoặc toàn bộ chuỗi dữ liệu do máy phát thứ cấp phát tới thì có thể loại bỏ một phần hoặc toàn bộ can nhiễu do máy phát thứ cấp gây ra Điều này đảm bảo rằng tốc độ truyền của người dùng sơ cấp có thể được duy trì hoặc tăng trong khi đó người dùng thứ cấp có thể đạt dung lƣợng dựa trên công suất của nó đƣợc xác định cho việc truyền thông trong mạng thứ cấp Đê thực hiện đƣợc những yêu cầu trên thì mô hình dạng phủ (overlay) yêu cầu các kỹ thuật phức tạp

Hình 2.7: Mô hình dạng phủ

2.5.3 Mô hình dạng đan xen (interweave paradigm)

Mô hình đan xen dựa trên ý tưởng truyền thông cơ hội và là cơ sở ban đầu cho vô tuyến nhận thức Nhƣ hình 2.1 ta thấy phần lớn phổ tần số thì không đƣợc sử dụng hết trong hầu hết thời gian Nói cách khác có tồn tại khoảng trắng “white spaces” hoặc lỗ phổ (spectrum hole) trong băng phổ đƣợc cấp phép và không đƣợc cấp phép Các lỗ phổ (spectral holes) có thể được sử dụng bởi các người dùng thứ cấp hoạt động theo nguyên lý trực giao trong miền không gian, thời gian, tần số liên quan đến tín hiệu của các người dùng sơ cấp Kỹ thuật đan xen yêu cầu phải nhận biết được người dùng sơ cấp ở một hoặc nhiều chiều không gian, thời gian hoặc tần số của người dùng sơ cấp Việc nhận biết này là một thách thức lớn vì các hoạt động của người dùng sơ cấp thay đổi theo thời gian và hơn nữa phụ thuộc vào vị trí địa lý Đối với mô hình đan xen nhiều người dùng thứ cấp thì giao thức MAC là cần thiết để chia sẻ các lỗ phổ (spectrum holes) giữa các người dùng thứ cấp với nhau

2.5.4 So sánh ba mô hình của mạng vô tuyến nhận thức Để hiểu rõ hơn ta thực hiện so sánh ba mô hình của mạng vô tuyến nhận thức nhƣ sau:

Bảng 2.1: So sánh ba mô hình trong mạng vô tuyến nhận thức

Thông tin về mạng sơ cấp

Máy phát thứ cấp biết thông tin can nhiễu lên máy thu sơ cấp

Các nút mạng thứ cấp biết về độ lợi kênh truyền, kỹ thuật mã hóa, và chuỗi dữ liệu đã đƣợc phát của máy phát sơ cấp

Các người dùng thứ cấp xác định đƣợc các lỗ phổ (spectrum holes) trong không gian, thời gian hoặc tần số mà các người dùng sơ cấp vắng mặt

Người dùng thứ cấp truyền dẫn

Người dùng thứ cấp có thể truyền đồng

Người dùng thứ cấp chỉ truyền dẫn tại cùng thời

(interweave) thời đồng thời với người dùng sơ cấp với điều kiện công suất can nhiễu mà nó gây ra tại máy thu sơ cấp ở dưới mức ngƣỡng cho phép thời với người dùng sơ cấp, can nhiễu tới người dùng sơ cấp có thể đƣợc bù đắp bởi việc sử dụng một phần công suất của người dùng thứ cấp để chuyển tiếp chuỗi dữ liệu của người dùng sơ cấp điểm với người dùng sơ cấp khi mà không nhận ra các hoạt động của người dùng sơ cấp

Giới hạn công suất phát

Công suất của máy phát thứ cấp bị giới hạn bởi mức can nhiễu tối đa lên các máy thu sơ cấp

Máy phát sơ cấp có thể phát với bất kỳ công suất nào, mức can nhiễu tại máy thu sơ cấp có thể đƣợc bù đắp bằng việc chuyển tiếp chuỗi dữ liệu của người dùng sơ cấp từ máy phát thứ cấp tới các máy thu sơ cấp

Công suất phát của máy phát thứ cấp bị giới hạn bởi cự ly hoạt động của máy phát sơ cấp để các nút mạng thứ cấp có thể nhận ra đƣợc

Người dùng thứ cấp phải đo đạc mức can nhiễu mà nó gây ra tại máy thu sơ cấp bằng thông qua việc kết hợp các cảm biến

Người dùng thứ cấp phải nhận biết đƣợc sự truyền dẫn của người dùng sơ cấp

Việc mã hóa và giải mã cũng phức tạp hơn hai mô hình còn lại

Máy thu phải có tần số linh hoạt là có một băng rộng cho việc nhận biết các lỗ phổ (spectrum holes)

Truyền thông hợp tác

Để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các người dùng sơ cấp PUs thì sự can nhiễu không mong muốn do các máy phát thứ cấp gây ra tại máy thu sơ cấp phải đƣợc điều khiển Để thực hiện đƣợc điều này thì có ba mô hình điển hình đƣợc đƣa ra nhƣ ở phần 2.5 đã trình bày: dạng nền (underlay), dạng phủ (overlay) và dạng đan xen (interweave) Theo kết quả so sánh nhƣ bảng 2.1 thì ta thấy mô hình dạng nền (underlay) là đơn giản nhất Đây chính là lý do tôi chọn mô hình này để khảo sát trong luận văn Trong mô hình này thì chất lượng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp được đảm bảo thông qua các đặc điểm về cấp phát công suất của người dùng thứ cấp Việc cấp phát công suất này có thể chia làm hai kiểu: ngắn hạn (short – term) và dài hạn (long – term) Trong kiểu ngắn hạn (short – term) thì công suất phát của các máy phát thứ cấp đƣợc cấp phát dựa vào mức giới hạn công suất can nhiễu tối đa hoặc cả công suất can nhiễu tối đa và công suất phát lớn nhất mà máy phát thứ cấp có thể phát đƣợc Trong khi đó, kiểu dài dạn (long – term) thì cách cấp phát công suất cho các SUs để thỏa mãn giới hạn xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại các máy thu sơ cấp [6]

Do giới hạn công suất phát của các máy phát thứ cấp nên sẽ giới hạn cự ly truyền dẫn của các máy phát thứ cấp Điều này có thể giải quyết đƣợc bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác Thông qua việc tận dụng các lợi thế của các nút chuyển tiếp (các người dùng nằm giữa nguồn S (source) và đích D (destination)) để chuyển tiếp các thông tin ban đầu (source), mạng vô tuyến nhận thức dạng nền có thể khắc phục đƣợc các điểm hạn chế trong việc bị giới hạn khoảng cách truyền dẫn với ảnh hưởng thấp của suy hao đường truyền Các nút chuyển tiếp có thể hoạt động dựa vào các kiểu truyền thông hợp tác nhƣ: giải mã và chuyển tiếp DF (decode and forward), khuếch đại và chuyển tiếp AF (amplify and forward) Trong kiểu thứ nhất, các nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận đƣợc và sau đó mã hóa lại các thông tin đã nhận được trước khi chuyển tiếp nó tới đích Trong kiểu thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ khuếch đại tín hiệu nhận đƣợc và chuyển tiếp nó tới đích D Trong truyền thông hợp tác, nhiều nút chuyển tiếp có thể hỗ trợ việc truyền thông tin từ

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 17 HVTH: VÕ PHI SƠN nguồn S đến đích D nhƣng hiệu suất băng thông thấp bởi vì trực giao kênh truyền đƣợc thực hiện giữa các nút chuyển tiếp khác nhau để tránh can nhiễu lẫn nhau Vì vậy để trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác ta chỉ chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất trong số các nút chuyển tiếp có sẵn để tối thiểu hóa yêu cầu về tài nguyên của hệ thống chẳng hạn nhƣ băng thông, công suất Để hiểu rõ hơn truyền thông hợp tác ta khảo sát kênh truyền chuyển tiếp (relay channel) trong mạng không dây các nút chuyển tiếp trong hệ thống mạng vô tuyến với phương thức bán song công (half duplex) nhƣ sau:

Hình 2.8 (a) (b): Mô tả sự chuyển tiếp trong truyền thông không dây

Trong hình 2.8 ta khảo sát kênh truyền từ nguồn S (source) tới đích D (destination) có sử dụng một nút chuyển tiếp R (relay) Để truyền một tin tức (message) W ta thực hiện trong hai giai đoạn: Đầu tiên: S phát quảng bá tin tức W tới R và D trong khoảng thời gian (1 ) Sau đó, nếu nhƣ quá trình nhận thành công thì R sẽ gửi trở lại W tới D trong khoảng thời gian 

Ta có thể vẽ lại theo dạng mô hình toán học nhƣ sau:

(2.4) Hình 2.8 (c): Mô hình toán học cho kênh truyền nút chuyển tiếp không dây

Trong mô hình 2.8 (c) thì ta ký hiệu nhƣ sau:

 w là tin tức ban đầu

 S là nguồn, D là đích, R là nút chuyển tiếp

 x là tín tức sau khi đƣợc mã hóa và đƣợc nguồn S phát đi

 z R nhiễu của kênh truyền S  R , z D (1) , z (2) D là nhiễu của kênh truyền từ

R  D và S  D , nhiễu có phân bố Gaussian có trung bình bằng 0 và phương sai N0

 h SR là hệ số ngẫu nhiên kênh truyền S  R , thông thường ta ký hiệu   h ij là hệ số kênh truyền giữa nút i và nút j với i j ,   S R D , ,  Hệ số kênh truyền bao gồm sự ảnh hưởng của suy hao đường truyền, sự che khuất trong truyền dẫn không dây và fading

Tín hiệu nhận đƣợc tại nút chuyển tiếp: y R h SR  x z R Tín hiệu nhận đƣợc tại D sẽ có hai tín hiệu độc lập, một tín hiệu từ S và một tín hiệu từ R.:

 Trong giai đoạn truyền trực tiếp S  D : y (1) D  h SD   x z D (1)

 Trong giai đoạn truyền thông qua nút chuyển tiếp: y D (2)  h RD   x z D (2) Nếu tại D sử dụng thuật toán giải mã tối đa hóa (maximum - likelihood) Với  là tổng khoảng thời gian cho việc chuyển tiếp Chúng ta có tốc độ có thể đạt đƣợc kênh truyền S  R :

R      Tốc độ có thể đặt đƣợc tại D phụ thuộc vào sự kết hợp của hai giai đoạn truyền:

Trong công thức (2.5) ta giả sử rằng nguồn S và nút chuyển tiếp R không truyền cùng một khoảng thời gian

Nếu nhƣ   0 thì nút chuyển tiếp sẽ lắng nghe trong toàn khoảng thời gian và không cho phép chuyển tiếp Trong trường hợp này thì nguồn S có thể bỏ qua nút chuyển tiếp và chỉ xét đường truyền trực tiếp S  D , khi đó tốc độ kênh truyền có thể đạt đƣợc:

Chú ý: công thức (2.6) là khi nguồn S chủ động phát trực tiếp tín hiệu đến D

Tốc độ đƣợc tạo bởi kênh truyền sử dụng nút chuyển tiếp trong truyền thông không dây:

Khi   0 hay   1 thì không sử dùng phương pháp kết hợp hay kết hợp toàn bộ (full cooperation), trong trường hợp kết hợp toàn bộ đạt được 0 b/s Trong trường hợp 1

  2 thì thời gian đƣợc phân bố đều cho nguồn S và nút chuyển tiếp D.

Kênh truyền vô tuyến và mô hình kênh truyền vô tuyến có nhiễu

Kênh truyền vô tuyến hoạt động thông qua việc bức xạ sóng điện từ từ máy phát đến máy thu Khi truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu thì tín hiệu sẽ bị tác động rất nhiều bởi nhiều hiện tƣợng Các hiện tƣợng nhƣ: phản xạ, che khuất, đa đường,… làm cho biên độ tín hiệu phía máy thu có các hiện tượng thăng gián gọi là

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 20 HVTH: VÕ PHI SƠN fading Nếu xét về sự thăng giáng của tín hiệu tín theo khoảng cách thì ta có fading diện rộng (biên độ tín hiệu thay đổi chậm trong một khoảng cách lớn) và fading diện hẹp (biên độ tín hiệu thay đổi nhanh trong một khoảng cách nhỏ), nếu xét về sự thay biên độ tín hiệu theo thời gian thì ta có fading nhanh (fast fading) và fading chậm (slow fading)

Hình 2.9: Biên độ tín hiệu tại máy thu khi xảy ra fading Nhƣ trên hình 2.9 ta thấy biên độ của tín hiệu bị thay đổi, đối với fading diện hẹp thì trong một khoảng cách rất nhỏ

  thì biên độ tín hiệu có sự thay đổi nhiều

Còn đối với fading diện rộng thì có sự thay đổi với khoảng cách

 Trong đó  là bước sóng hoạt động của máy phát

Hình 2.10: Fading xảy ra trong quá trình truyền sóng a Fading diện rộng (lager scare fading): đây là loại fading phụ thuộc vào suy hao đường truyền mà chủ yếu là suy hao trong không gian tự do

Hình 2.11: Suy hao đường truyền phụ thuộc vào sự lan truyền sóng trong không gian tự do

Như hình 2.11 ta thấy khi sử dụng một ăn ten đẳng hướng để bức xạ một sóng điện từ ra ngoài không gian thì với khoảng cách thu càng xa thì công suất tín hiệu thu sẽ bị giảm Điều này đồng nghĩa với việc khoảng cách thu phát ngày càng tăng

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 22 HVTH: VÕ PHI SƠN thì biên độ tín hiệu tại máy thu sẽ giảm Nếu ta sử dụng một máy phát có bước sóng làm việc c

 f , phát một công suất phát là P t , sử dụng ăn ten đẳng hướng để phát thì ta có công suất nhận đƣợc tại một điểm cách máy phát một đoạn d là:

     b Fading diện trung bình (medium scale fading): Fading này tạo ra do sự che khuất của các tòa nhà xây dựng, các cây, vật che chắn,…

Khi đó công suất tổn hao tính theo đơn vị dB là một biến ngẫu nhiên:

Trong đó E   là giá trị trung bình,  là biến ngẫu nhiên có giá trị xấp xỉ nhiễu Gaussian với    6 12dB

 là số mũ trong hệ số tổn hao đường truyền, L 0 là tổn hao đường truyền tại một khoảng cách tham chiếu, d 0 là khoảng cách tham chiếu với d 0  1 10m trong trường hợp là trong nhà (indoor) và d 0 10 100 m trong trường hợp ngoài trời (outdoor)

Các giá trị của  tùy thuộc vào môi trường khảo sát:

   2 : trong môi trường tự do

   2.7 3.5  trong môi trường thành thị

    4 6 trong trường hợp trong nhà (indoor) c Fading diện hẹp (small scale fading): Fading diện hẹp do hiệu ứng da đường gây ra Các đường truyền khác nhau có chiều dài khác nhau làm cho tín hiệu bị trải ra về mặt thời gian

Hình 2.12: Hiệu ứng đa đường do chiều dài đường truyền khác nhau

Nhƣ trên hình 2.12 ta thấy ban đầu ta máy phát một xung tại thời điểm t 0 tuy nhiên do chiều dài các đường truyền là khác nhau nên tại máy thu sẽ nhận được 3 xung với thời gian nhận đƣợc lần lƣợt là    1 , 2 , 3 làm cho tín hiệu bị trải ra về mặt thời gian

Khi mà khoảng cách thu – phát bị thay đổi theo thời gian (do sự dịch chuyển giữa máy phát và máy thu) làm cho tần số thu bị thay đổi do hiệu ứng Doppler nên gây ra hiện tƣợng trải về mặt tần số

Nhƣ hình 2.13 ta thấy ban đầu tín hiệu phát ở tần số là F c nhƣng do hiệu ứng Doppler nên tại máy thu ta thu đƣợc tần số F c  F Theo hình 2.15 thì cho ta mô hình toán học cho hiệu ứng đa đường Nếu đường truyền thứ l có hệ số suy hao đường truyền của là a t l  , độ dịch chuyển mặt thời gian  l , độ dịch chuyển tần số

 thì tín hiệu thu đƣợc tại máy thu là:

Hình 2.13: Sự trải về mặt tần số tại máy thu do hiệu ứng Doppler

Hình 2.14: Xét tất cả các đường truyền trong miền thời gian và tần số

Hình 2.15: Mô hình toán học cho hiệu ứng đa đường

2.7.2 Mô hình thống kê kênh truyền Rayleigh fading

Thống kê mô hình kênh truyền dựa trên một lƣợng lớn các thống kê độc lập các đường phản xạ và tán xạ với biên độ ngẫu nhiên trong một cửa sổ có đắp ứng trễ cho một tap duy nhất Hệ số kênh truyền của tap thứ l (channel tap) là một biến ngẫu nhiên: h l  x iy

Trong đó phần thực x là tổng của rất nhiều biến ngẫu nhiên thực độc lập rất nhỏ và đƣợc mô hình hóa nhƣ một biến ngẫu nhiên có phần bố Gaussian có trung bình bằng không Tương tự như vậy phần ảo y cũng là một biến ngẫu nhiễn có phân bố Gaussian và có trung bình bằng không cho nên ta mô hình hóa kênh truyền h l nhƣ một biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian phức có trung bình bằng 0 và phương sai  l 2 ký hiệu h l CN  0,  l 2 

Khi đó với kênh truyền mô hình Rayleigh fading ta có hệ số kênh truyền:

Biên độ h l là một biến ngẫu nhiên Rayleigh có mật độ:

Bình phương biên độ được phân phối theo hàm mũ với mật độ:

  Mô hình này xấp xỉ khi có rất nhiều đường phản xạ trong kênh truyền

Khi kênh truyền có cộng thêm nhiễu cộng là nhiễu trăng có phân bố Gaussian có trung bình bằng không và phương sai N 0 : W CN(0,N 0 ) thì tín hiệu nhận được: l w y   h x

2.7.3 Dung lƣợng kênh truyền vô tuyến

Dung lƣợng kênh truyền vô tuyến AWGN:

Tổng quan về bảo mật lớp vật lý

Giới thiệu về bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến

Để giải quyết vấn đề bảo mật trong truyền dẫn, các kỹ thuật truyền thống đƣợc áp dụng chủ yếu là các giao thức ở các lớp trên trong mô hình 7 lớp OSI thông qua việc sử dụng các khóa cá nhân (private – key) và khóa công cộng (public – key) [7]

Hình 3.1: Mô tả phương thức bảo mật sử dụng khóa bí mật

Hình 3.1 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 phải 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 đƣợc thì Bob phải có thông tin về khóa bảo mật

Tuy nhiên nếu thiết bị nghe lén nhận đƣợc tín hiệu thì vẫn có xác suất giải mã thành công (làm giảm độ bảo mật của hệ thống) 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 phức tạp và khó khăn trong một mô hình mạng mà cấu trúc của nó bị thay đổi liên tục [9], ví dụ nhƣ mạng vô tuyến nhận thức: ad – hoc

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 28 HVTH: VÕ PHI SƠN Ý tưởng được đưa ra là để làm giảm độ phức tạp của hệ thống là thực hiện bảo mật lớp vật lý Trong các mạng vô tuyến truyền thống, thì nhiễu và fading thường sẽ làm suy giảm tín hiệu và đƣợc xem nhƣ các yếu tố làm suy giảm chất lƣợng 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 tận dụng đặc tính của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo độ bảo mật khi có thiết bị nghe lén

Hình 3.2: Bảo mật ở lớp vật lý khi truyền tin từ Alice đến Bob

Hình 3.2 ta thấy ở kênh truyền từ Alice đến Bod thì chất lƣợng kênh truyền tốt nên tại Bod có thể giải mã thành công tin tức còn kênh truyền từ Alice đến thiết bị nghe lén (Eve) thì chất lƣợng kênh truyền không tốt, nên tại Eve không thể giải mã thành công tín hiệu

Tốc độ kênh truyền lớn nhất tại Bob: R B Tốc độ kênh truyền lớn nhất tại Eve: R E Khi đó tốc độ bí mật: C S BE   R B  R E   (3.1)

C càng lớn thì khả năng bảo mật của hệ thống càng lớn.

Một vài phương pháp bảo mật lớp vật lý

Hình 3.3: Hệ thống MIMO với kênh nghe lén

Trong kênh truyền MIMO fading với các máy phát, máy thu và thiết bị nghe lén có số anten tương ứng là N N N T , r , E Khi đó tín hiệu nhận được tại Bob và thiết bị nghe lén Eve là: b b a b y H  x n e e a e y H  x n

Với x a  N T  1 là tín hiệu phát với ma trận đồng phương sai E x x  a a H   Q x , công suất trung bình lớn nhất Tr Q   x P , H b  N R  N T , H e  N E  N T là ma trận kênh truyền Gaussian MIMO, n n b , e là các véc tơ nhiễu trắng có phân bố Gaussian Khi đó tốc độ bí mật:

Khi đó ta sẽ sử dụng các kỹ thuật nhƣ Beamforming (thay đổi pha của tín hiệu để lái búp sóng ăn ten phát theo hướng mong muốn) để tăng SNR tại phí máy thu Bob và giảm tối đa SNR tại E từ đó tăng tốc độ bí mật [10], để thực hiện đƣợc yêu cầu phải có sự kết hợp với ƣớc lƣợng kênh truyền CSI

3.2.2 Sử dụng các phương thức kết hợp để bảo mật lớp vật lý

Trong phương pháp này chúng ta sẽ dụng các nút mạng tin cậy trong hệ thống để có thể đảm bảo độ bảo mật của hệ thống trong quá trình truyền dữ liêu từ nút mạng nguồn đến máy nút mạng đích chẳng hạn nhƣ sử dụng các nút chuyển tiếp, lựa chọn các nút trong mạng để tạo nhiễu có chủ đích tới thiết bị nghe lén, lựa chọn ra nút mạng để chuyển tiếp thông tin mà thiết bị nghe lén có xác suất giải mã thành công thấp nhất,…

Việc lựa chọn các nút chuyển tiếp trong mạng sẽ giúp tăng tốc độ bí mật nếu nhƣ nút chuyển tiếp đƣợc chọn sao cho tốc độ tại thiết bị thu đích D là lớn nhất và tốc độ tại thiết bị nghe lén là nhỏ nhất Việc lựa chọn nút chuyển tiếp sẽ phụ thuộc vào thông tin kênh truyền từ máy phát tới thiết bị nghe lén, thông tin kênh truyền từ nguồn tới đích, phương pháp chọn khác nhau sẽ cho các kết quả khác nhau của độ bảo mật

Hình 3.4: Sử dụng các nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến

Ta sẽ sử dụng các phương pháp khác nhau tùy vào các tham số của hệ thống như hệ số ƣớc lƣợng kênh truyền CSI, để lựa chọn nút chuyển tiếp sao cho tốc độ bí mật: C S   R B  R E   là đạt đƣợc lớn nhất

Ta thấy rằng phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để bảo mật vật lý đơn giản và có thể ứng dụng trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác cho nên đây chính là lý do tôi chọn phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để tăng thêm độ bảo mật cho mạng vô tuyến nhận thức hợp tác.

Các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Như đã phân tích ở phần trước đó ta sẽ có nhiều phương pháp để bảo mật lớp vật lý Tuy nhiên chúng ta cần có các tiêu chí đánh giá cụ thể để có thể đánh giá xem phương pháp đó là tốt hay không tốt đồng thời thông qua các tiêu chí đánh giá ta có thể xác định được ưu và nhược điểm của từng phương pháp

Ta đánh giá theo các tiêu chí sau:

 Xác suất thiếu hụt bí mật

 Xác suất giải mã thành công tại E

 Xác suất giải mã thành công tại D

3.3.1 Xác suất thiếu hụt bí mật

Xác suất thiếu hụt bí mật đƣợc định nghĩa là xác suất mà tốc độ bí mật thấp hơn một ngƣỡng đã cho [3]:

Trong một số trường hợp khi sử dụng các nút chuyển tiếp người ta có thể đánh giá xác suất thiếu hụt trên cả đường truyền như sau [10]:

Trong đó R D ,R E là tốc độ tại D, E; ,

C C là tốc độ bí mật của đường truyền từ

SR b , R b D , R b là nút chuyển tiếp tốt nhất đƣợc chọn

Nếu chỉ đánh giá dựa vào xác suất thiếu hụt bí mật thì chƣa đủ bởi vì có thể xác suất thiếu hụt bí mật thấp do tốc độ tại D lớn hơn tại E tuy nhiên nếu nhƣ E vẫn giải mã thành công thì coi nhƣ độ tin cậy của hệ thống là không có Do đó độ tin cậy của phương pháp bảo mật là một tham số quan trọng ta cần phải xác định Độ tin cậy đƣợc xem xét chính là sự đánh đổi giữa xác suất thiếu thụt bí mật và xác suất giải mã thành công tại thiết bị nghe lén khi ta xét ngƣỡng so sánh tốc độ bí mật R C bằng với mức ngƣỡng tốc độ yêu cầu kênh truyền thứ cấpR S [10]

Xác suất giải mã thành công tại E [10]:

Xác suất thiếu hụt bí mật khi so sánh tốc độ bí mật với RS

Trong một số trường hợp khi sử dụng các nút chuyển tiếp người ta có thể đánh giá xác suất thiếu hụt trên cả đường truyền như sau:

C C là tốc độ bí mật của đường truyền từ S R b , R b D

R R lần lƣợt là tốc độ tại D và E

R R lần lượt là tốc độ tại E tương ứng với kênh truyền S E R, b E R b là nút chuyển tiếp tốt nhất đƣợc chọn

3.3.3 Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D

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

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 33 HVTH: VÕ PHI SƠN của hệ thống thì việc đánh giá xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D là hết sức cần thiết

Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D đƣợc xác định nhƣ sau [6]:

Trong đó R D là tốc độ tại D, R S là ngƣỡng yêu cầu tốc độ kênh truyền (ngƣỡng yêu cầu tốc độ kênh truyền thứ cấp nếu xét trong mạng vô tuyến nhận thức).

Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp bảo mật lớp vật lý

Mô hình hệ thống

Trong luận văn này ta thực hiện khảo sát tính bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức với mô hình dạng nền nhƣ trong hình 4.1

Hình 4.1: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác có 1 thiết bị nghe lén E

Trong hình 4.1, truyền thông hợp tác đƣợc thực hiện trong mạng thứ cấp với nút chuyển tiếp tốt nhất đƣợc chọn R b trong nhóm gồm K nút chuyển tiếp

R R R R để vừa đảm bảo khả năng bảo mật khả năng bảo mật của hệ thống, vừa phải đảm bảo hỗ trợ truyền tin từ nguồn S đến đích D là tốt nhất Trong mô hình ở dạng nền, S và R b sẽ gây can nhiễu trong việc truyền thông giữa máy phát sơ cấpP Tx và máy thu sơ cấpP Rx Để đơn giản ta giả sử rằng can nhiễu từ mạng sơ cấp gây ra cho mạng thứ cấp là không có Để không có can nhiễu từ mạng sơ cấp

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 35 HVTH: VÕ PHI SƠN tác động lên mạng thứ cấp, ta giả sử rằng các người dùng thứ cấp SUs thì ở xa các máy phát sơ cấp

Chúng ta sẽ khảo sát độc lập các kênh truyền Rayleigh fading phẳng tần số (frequency flat Rayleigh fading channels) Các kênh truyền đƣợc mô hình hóa nhƣ một biến ngẫu nhiễn phân bố Gaussian đối xứng vòng (circular symmetric complex Gaussian random variable) có trung bình bằng 0 Hơn nữa hệ số kênh truyền giữa máy phát và máy thu sơ cấp là h P 1 CN  0,  P 1  với h CN m v  ,  là tiêu chuẩn cho biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian với trung bình bằng m và phương sai v Hệ số kênh truyền giữa máy phát thứ cấp t   S R R , 1 , 2 , , R K  và máy thu thứ cấp, thiết bị nghe lén r R R 1, 2, ,R K , ,D E  và đƣợc mô hình h tr CN  0, tr  Hệ số kênh truyền giữa một máy phát thứ cấp t   S R R , 1 , 2 , , R K  và một máy thu sơ cấp đƣợc ký hiệu

 0,  tP tP h CN  Chúng ta khảo sát phân phối Rayleigh do đó  xy ,  x y , không cần thiết phải bằng nhau Trong hình 4.1 truyền thông hợp tác với việc lựa chọn nút chuyển tiếp đƣợc thực hiện thông qua hai giai đoạn [6]

4.1.2 Giai đoạn thứ nhất của truyền thông hợp tác

Trong giai đoạn đầu tiên, S sẽ phát quảng bá tín hiệu x s với công suất phát P S

(chẳng hạn nhƣ P S  E x   s 2 , với E  ký hiệu là kỳ vọng thống kê) Khi đó S sẽ gây can nhiễu lên quá trình truyền thông giữa P Tx và P Rx đang gửi một tín hiệu x P 1 với công suất phát là P p Do sự ảnh hưởng này nên tín hiệu nhận được tại

Với n tr CN 0,N 0  là nhiễu cộng trắng có phân bố Gaussian (AWGN) tại máy thu r với t S R , b  và r R R 1, 2, ,R K , ,D E , n P 1 CN(0,N 0 ) là AWGN tại máy thu sơ cấp, n tr CN  0, N 0  là AWGN tại máy thu thứ cấp và E

Khi đó ta tính đƣợc tỉ số tín hiệu trên tín trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR) tại máy thu sơ cấp P Rx trong giai đoạn đầu tiên:

Tương tự ta có tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại R D E m , , có thể được tính như sau:

4.1.3 Giai đoạn thứ 2 của truyền thông hợp tác

Sau khi nhận được tín hiệu từ S, các nút chuyển tiếp sẽ lưu trữ thông tin nguồn

Theo nguyên lý thông tin của Shannon, sự kiện thiếu hụt hoặc máy thu thất bại trong việc giải mã tín hiệu phát xảy ra trong mạng thứ cấp nếu bất đẳng thức xảy ra:

1 log 1 2    R hoặc   với  là tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại máy thu

(SNR),  2 2 R 1 với R là tốc độ truyền yêu cầu, và hệ số 1

2 trước hàm logarithm thể hiện hai giai đoạn truyền thông hợp tác Tập hợp các nút chuyển tiếp C d giải mã thành công thông tin nguồn có thể đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó:  S  2 2 R S  1 với R S là tốc độ truyền yêu cầu trong mạng thứ cấp

Ta sẽ có hai trường hợp: C d 0 và C d l với ký hiệu A là số lượng các phần tử có trong tập hợp A

Trường hợp C d 0 Trong trường hợp này, không có một nút chuyển tiếp nào giải mã thành công tín hiệu từ nguồn S truyền tới Do đó tất cả các nút chuyển tiếp ở trạng thái rỗi trong giai đoạn thứ 2 và D sẽ khôi phục các thông tin nguồn dựa trên tín hiệu nhận duy nhất từ nguồn S Khi đó SNR tại D là:  SD

Trường hợp C d  l 0 Trong trường hợp này có ít nhất một nút chuyển tiếp trong tập hợp các nút chuyển tiếp ban đầu giải mã thành công thông tin nguồn Sau đó ta sẽ sử dụng các phương pháp khác nhau để lựa chọn ra nút chuyển tiếp tốt nhất R b C d Nút chuyển tiếp này sẽ chuyển tiếp thông tin nguồn x Rb đến D trong giai đoạn thứ hai với công suất phát P Rb

Các phương pháp khác nhau sẽ có cách lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào các thông số khác nhau của hệ thống Ta đƣa ra một vài thông số: SNR tại máy thu D, SNR tại thiết bị nghe lén E,… các thông số còn lại sẽ đƣợc trình bày trong việc phân tích từng phương pháp cụ thể

Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu nhận đƣợc tại D, E từ R m :

Trong đó P R m là công suất phát của nút chuyển tiếp R m Có hai trường hợp xảy ra khi thực hiện giải mã thông tin tại D và E

 TH1: Khi mà đường truyền S  D không tồn tại do che chắn hoặc che khuất đồng thời không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Khi đó tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D và E là:

 TH2: Khi có đường tuyền S  D , có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Khi đó D, E sử dụng MRC (maximum ratio combining) để kết hợp tín hiệu từ S và R b Khi đó tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D, E là:

Hơn nữa, khi R b chuyển tiếp thông tin đến D sẽ gây ra nhiễu tại máy thu sơ cấp

Giả sử máy phát sơ cấp P Tx phát tín hiệu x P 2 với công suất phát là P p trong giai đoạn thứ 2

Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại P Rx trong giai đoạn thứ 2 có thể đƣợc xác định:

Sau khi chọn xong nút chuyển tiếp tốt nhất, ta sẽ đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống dựa trên các tiêu chí đã đƣợc trình bày trong phần 3.3

4.1.4 Cấp phát công suất cho các người dùng thứ cấp

Trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, chất lƣợng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp được đảm bảo khi mức can nhiễu từ các máy phát thứ cấp gây ra

Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có

Theo các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trong các bài báo ở phần tài liệu tham khảo [3, 13] thì có 3 phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác phổ biến đó là:

 Lựa chọn nút chuyển tiếp cơ hội ORS (opportunistic relay selection)

 Lựa chon nút chuyển tiếp tối ƣu lại SORS (sub-optimal relay selection)

 Lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần (partial relay selection) Các phương pháp này lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào các chiến lược max, min và không quan tâm tới việc các nút chuyển tiếp có giải mã thành công hay không

Các phương pháp đã có này không xét đến trường hợp có sự kết hợp tín hiệu tại D,

E khi D và E nhận tín hiệu từ S và từ nút chuyển tiếp đƣợc chọn Trong phần này chúng ta sẽ phân tích cách chọn của các phương pháp để từ đó làm cơ sở cho việc đề xuất các phương pháp mới

4.2.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp cơ hội ORS

Giả sử rằng thông tin trạng thái kênh truyền CSI (channel state information) của các kênh truyền từ máy phát trong mạng thứ cấp X đến E là hoàn toàn biết đƣợc tại X, với X   S R , m  Trong phương pháp này việc lựa chọn nút chuyển tiếp sẽ dựa vào việc so sánh tốc độ bí mật giữa kênh truyền S R m và kênh truyền R m D Trong các nghiên cứu trước đây chỉ xét trường hợp không có đường truyền trực tiếp

S  D và không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Tuy nhiên trong luận văn này để hiểu rõ vấn đề ta sẽ phân tích ở cả hai trường hợp:

 TH1: Không có đường truyền trực tiếp S đến D, không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E

 TH2: Có đường truyền trực tiếp S đến D, có sự kết hợp tín hiệu tại D, E

4.2.1.1 Phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp S  D và không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Để mô tả phương pháp ta giả sử trong mạng vô tuyến nhận thức có một nguồn phát thứ cấp S, một cặp máy thu phát sơ cấp, 5 nút chuyển tiếp R R R R R R 1, 2, 3, 4, 5 

, một máy thu thứ cấp D và một thiết bị nghe lén E Giả sử mức ngƣỡng của tốc độ kênh truyền thứ cấp là R S , mức ngƣỡng của tốc độ bí mật là R C (R C R S ) Giai đoạn đầu S phát quảng bá tin tức x S đến các nút chuyển tiếp tá sẽ có đƣợc các tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại R m , tại E là: , 1, 2,3, 4,5

Hình 4.2: S phát quảng bá tin tức x S đến các nút chuyển tiếp trong trường hợp không có đường truyền trực tiếp S  D

Khi đó ta thực hiện tín tỉ số tính lại tốc độ bí mật tại khi S phát tín hiệu đến các nút chuyển tiếp theo công thức sau:

Ta đƣợc kết quả nhƣ hình 4.3 Trong giai đoạn tiếp theo các nút chuyển tiếp sẽ giải mã tính hiệu nhận đƣợc từ nguồn S, thực hiện mã hóa lại và chuyển tiếp tin tức

R m x m  đến cho nút mạng đích D, mỗi nút chuyển tiếp sẽ ƣớc lƣợng kênh truyền của mình đến D, E, trong trường hợp này ta xét thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo, tức tại các nút chuyển tiếp hoàn toàn biết về thông tin kênh truyền đến D, E Trong giai đoạn 2 này tại D và E sẽ có các mức SNR nhƣ hình 4.4

Hình 4.3: Tốc độ bảo mật khi S phát quảng bá, trường hợp không có đường truyền trực tiếp S đến D

Hình 4.4: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D, E khi các nút chuyển tiếp phát tin tức

Ta tính toán tốc độ bí mật trong giai đoạn 2 theo công thức sau:

Khi đó ta có thông tin về tốc độ bí mật khi S phát tin tức tới các nút chuyển tiếp và tốc độ bí mật khi các nút chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp tin tức tới D nhƣ hình 4.5

Hình 4.5: Tốc độ bí mật khi S phát đến R m và tốc độ bí mật R m chuyển tiếp đến

D khi không có đường trực tiếp S đến D Khi đó phương pháp sẽ dựa vào quy luật nhỏ nhất (min) trước để lựa chọn tốc độ bí mật giữa đường truyền S đến R m và R m đến D Ví dụ

C C  C  bits s Hz Sau khi chọn theo quy luật nhỏ nhất ta đƣợc kết quả nhƣ hình 4.6

Lý do dùng chiến lƣợc nhỏ nhất để đảm bảo rằng khi ta chọn nút chuyển tiếp đó để chuyển tiếp tin tức thì tốc độ bí mật nhỏ nhất giữa đường truyền S đến R m và R m đến D thì vẫn phải lớn hơn ngƣỡng cho phép thì mới đảm bảo đƣợc độ bảo mật của hệt thống Giả sử sau khi dùng chiến lƣợc nhỏ nhất ta còn lại véc tơ tốc độ bí mật

Hình 4.6: Tốc độ bí mật sau khi dùng chiến lƣợc nhỏ nhất để chọn

Tiếp theo ta sử dụng chiến lƣợc chọn ra số lớn nhất giữa các tốc độ bí mật còn lại nhƣ hình 4.7

Hình 4.7: Lựa nút chuyển tiếp tốt nhất theo chiến lƣợc max Giả sử sau khi dùng chiến lƣợc số lớn nhất ta đƣợc kết quả là nhƣ sau:

  Ở đây ta dùng chiến lƣợc số lớn nhất để chọn ra tốc độ bí mật cao nhất khi chọn nút đó làm nút chuyển tiếp Dựa vào kết quả ta chọn đƣợc nút chuyển tiếp R 3 là nút chuyển tiếp đảm bảo độ bảo mật khi ta chuyển tiếp tin tức đến D Đường bị loại bỏ ở chiến lƣợc max

Công thức toán học dùng để chọn nút chuyển tiếp theo phương pháp ORS trong trường hợp không có đường truyền trực tiếp S D, và không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E là:

C C là tốc độ bí mật của kênh truyền SR R m , m Dđƣợc xác định theo công thức:

Khi đó xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS được xác định theo công thức sau:

Trong đó R C là ngƣỡng so sánh tốc tộc bí mật

Xác suất giải mã thành công tại E khi chọn nút chuyển tiếp theo phương pháp ORS khi xét trên từ nguồn S đến D:

OR int S r max SE , RbE S

Trong đó R S là ngƣỡng yêu cầu của tốc độ kênh truyền thứ cấp, tốc độ tại E khi S phát quảng bá đến nút chuyển tiếp tốt nhất và khi nút chuyển tiếp tốt nhất thực hiện chuyển tiếp tín hiệu đến D đƣợc xác định:

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 47 HVTH: VÕ PHI SƠN Để tăng độ tin cậy của phương pháp ORS ta xét tốc độ bí mật so sánh với ngưỡng chính là ngƣỡng tốc độ yêu cầu cho kênh truyền thứ cấp RS

Trong đó tốc độ bí mật:

Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới

Nhược điểm của các phương pháp chuyển tiếp cũ là lựa chọn các nút chuyển tiếp tuy nhiên không chắc chắn là nút chuyển tiếp đó có giải mã thành công hay không Đồng thời cách chọn nút chuyển tiếp tối ưu của phương pháp cũ chỉ áp dụng trong trường hợp không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Trên thực tế thì sự kết hợp tín hiệu tại D và E có thể diễn ra nếu như môi trường có vật cản tuy nhiên không đáng kể do đó đường truyền từ nguồn S đến đích D vẫn tồn tại Trong phần này ta đưa ra bốn phương pháp chọn nút chuyển tiếp:

 Chọn nút chuyển tiếp tối ƣu (optimum)

 Chọn nút chuyển tiếp cơ hội cải tiến ORS_E

 Chọn nút chuyển tiếp tối ƣu lại cải tiến SORS_E

 Chọn nút chuyển tiếp từng phần cải tiến PRS_E

4.3.1 Phân tích phương pháp chọn nút chuyển tiếp tối ưu (optimum)

Trong phương pháp này, đầu tiên ta sẽ lựa chọn ra được một tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công C d nhƣ đã trình bày trong phần 3.1.3 Tập hợp các nút chuyển tiếp C d giải mã thành công thông tin nguồn có thể đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó:  S  2 2 R S  1 với R S là tốc độ truyền yêu cầu trong mạng thứ cấp,

 là SNR tại các nút chuyển tiếp, m  1, 2,3, , K , K là số nút chuyển tiếp ban đầu

Hình 4.22: Lựa chọn các nút chuyển tiếp thành công từ các nút chuyển tiếp ban đầu của phương pháp Optimum

Giả sử nhƣ hình 4.22 ban đầu ta có 5 nút chuyển tiếp là R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 Giả sử tại thời điểm ta xét thì R 4 , R 5 giải mã không thành công, chỉ có R 1 , R 2 , R 3 giải mã thành công Vậy tập hợp các nút chuyển tiếp giải mã thành công C d  R R R 1, 2, 3 

Tiếp theo, dựa vào thông tin trạng thái kênh truyền SE R, m E tại các máy phát thứ cấp để ta tính toán tốc độ bí mật khi chuyển tiếp tín hiệu từ nút chuyển tiếp đến D Trong phương pháp này ta xét có sự kết hợp tín hiệu sử dụng MRC (maximum ratio combining) tại D, E Do đó giả sử R 1 phát tín hiệu chuyển tiếp thì SNR tại D và E lần lƣợt là:

   , quá trình đƣợc mô tả nhƣ hình 4.23

Do đó việc tính toán tốc độ bí mật tại mỗi nút chuyển tiếp khi thực hiện giải mã, mã hóa và chuyển tiếp tín hiệu đến D sẽ đƣợc tính toán theo công thức sau:

Hình 4.23: Các nút chuyển tiếp tính toán công suất tín hiệu trên nhiễu tại D, E

Các nút chuyển tiếp sẽ tính toán tốc độ bí mật khi nó chuyển tiếp tín hiệu đến D đƣợc mô tả nhƣ hình 4.24 Sau khi tính toán xong tốc độ bí mật, chúng ta sẽ đƣợc

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 72 HVTH: VÕ PHI SƠN một vectơ gồm các tốc độ bí mật khi giả sử chọn lần lƣợt các nút chuyển tiếp thực hiện chuyển tiếp tín hiệu đến D

Hình 4.24: Các nút chuyển tiếp tính toán tốc độ bí mật khi chuyển tiếp tín hiệu đến D trong phương pháp Optimum

Sau đó ta sử dụng chiến lƣợc lấy số lớn nhất để chọn ra nút chuyển tiếp mà tốc độ bí mật khi nó chuyển tiếp tín hiệu đến E là lớn nhất Giả sử sau khi sử dụng chiến lƣợc số lớn nhất ta chọn đƣợc tốc độ bí mật khi chuyển tiếp tín hiệu từ R3 đến D là lớn nhất, nên nút chuyển tiếp đƣợc chọn là R 3

Quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp của phương pháp Optimum được mô tả như hình 4.25 Trong phương pháp này, việc chọn nút chuyển tiếp chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ bí mật khi các nút chuyển tiếp thực hiện chuyển tiếp thông tin đến D Cho nên phương pháp này chỉ thích hợp khi mà D rất xa S và E cũng ở rất xa S, để đảm bảo tốc độ bí mật chỉ phụ thuộc vào giai đoạn 2

Hình 4.25: Kết quả sử dụng chiến lƣợc max để lựa chọn nút chuyển tiếp của phương pháp Optimum

Như vậy phương pháp Optimum muốn thực hiện được phải có thông tin trạng thái kênh truyền tại CSI của kênh truyền SE, R m E Đường bị loại bỏ bởi chiến lƣợc max

Cách chọn nút chuyển tiếp của phương pháp Optimum được mô tả như sau: Giả sử rằng thông tin trạng thái kênh truyền CSI (channel state information) của các kênh truyền từ máy phát trong mạng thứ cấp X đến E là hoàn toàn biết đƣợc tại X với

X S R Khi đó nút chuyển tiếp tốt nhất sẽ đƣợc lựa chọn nhƣ sau:

    lần lƣợt là SNR tại D và E khi tín hiệu đƣợc phát từ nguồn S và đƣợc chuyển tiếp từ R m

Phương pháp Optimum này dùng khi có đường truyền trực tiếp SD, có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Thông thường thì khoảng cách S đến các nút chuyển tiếp R m sẽ ngắn hơn so với khoảng cách tử S đến E nên tốc độ bí mật khi S phát quảng bá đến các nút chuyển tiếp thường sẽ lớn hơn tốc độ bí mật khi các nút chuyển tiếp thực hiện giải mã, mã hóa và chuyển tiếp thông tin nguồn đến D (vì E thường nằm gần D) Nên để đánh giá xác suất thiếu hụt bí mật ta xét nhƣ sau:

Trong đó R C là ngƣỡng tốc độ bí mật yêu cầu R D , R E là tốc độ tại D, E đƣợc xác định theo công thức sau:

C d là tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công tín hiệu từ S phát đến các nút chuyển tiếp

Xét độ tin cậy của phương pháp Optimum, ta xét đến xác suất giải mã thành công tại E, xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp khi xét ngưỡng tốc độ bí mật yêu cầu bằng với mức ngƣỡng tốc độ yêu cầu của kênh truyền thứ cấp Xác xuất giải mã thành công tại E đƣợc xác định nhƣ sau:

Trong đó R S là ngƣỡng tốc độ yêu cầu của kênh truyền thứ cấp, ,

R R lần lƣợt là tốc độ tại E của kênh truyền S  E, R m  E đƣợc xác định:

Xác suất thiếu hụt bí mật khi ta so sánh tốc độ bí mật với tốc độ của kênh truyền thứ cấp:

Trong đó R D , R E đƣợc xác định theo công thức (4.83), (4.84)

Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp Optimum là:

Trong đó R D là tốc độ tại D đƣợc xác định theo công thức (4.83)

Như vậy, ta thấy phương pháp Optimum đơn giản hơn phương pháp ORS, tuy nhiên chúng ta vẫn cần thông tin trạng thái kênh truyền CSI của kênh truyền S E,

R m E Tuy nhiên ta thấy rằng phương pháp này đảm bảo các nút chuyển tiếp là đáng tin cậy vì giải nút chuyển tiếp tối ƣu đƣợc chọn ra từ tập hợp các nút chuyển tiếp giải mã thành công Tuy nhiên phương pháp này chưa xét đến khả năng E có thể nghe lén khi S phát tín hiệu đến các nút chuyển tiếp

4.3.2 Chọn nút chuyển tiếp cơ hội cải tiến ORS_E

4.3.2.1 Ví dụ nhược điểm của phương pháp ORS

Trước khi đi vào phân tích phương pháp cải tiến của phương pháp ORS ta đi khảo sát một ví dụ để thấy được nhược điểm của phương pháp ORS Ta giả sử ban đầu trong hệ thống gồm 4 nút mạng: R 1 , R 2 , R 3 , R 4 Ngƣỡng tốc độ kênh truyền thứ cấp yêu cầu là R S = 0.4 bits/s/Hz Ngƣỡng tốc độ bí mật yêu cầu R C = 0.1 bits/s/Hz

Giả sử rằng vị trí các nút mạng và tốc độ khi S phát quảng bá tin tức nguồn đến các nút chuyển tiếp nhƣ trên hình 4.26

Hình 4.26: Giả sử có nút mạng giải mã không thành công trong phương pháp ORS

Mô phỏng và phân tích kết quả

Mô hình mô phỏng

Hình 5.1: Mô hình mô phỏng

Ta sẽ sử dụng mô hình này dùng để mô phỏng khả năng bảo mật của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận hợp tác Trong mô hình 4 vị trí các nút mạng S, D, P Tx , P Rx , R m , E đƣợc lựa chọn sao cho khoảng cách các máy thu thứ cấp có vị trí xa đối với máy phát sơ cấp Trong mô hình trên ta lựa chọn vị trí nút mạng sao khoảng cách giữa S và D ở vị trí xa nhất Số lƣợng nút mạng chuyển tiếp đƣợc lựa chọn tối đa là 5, đồng thời xét vị trị của các nút chuyển tiếp nằm ở giữa so S và D Cụ thể trong mô hình 1 gồm các thành phần nhƣ sau:

 1 nguồn phát sóng thứ cấp S có tọa độ (0.0; 0.0)

 1 máy thu thứ cấp D có tọa độ (1.0; 0.0)

 Máy phát sơ cấp P Tx có tọa độ (0.2; 0.8)

 Máy thu sơ cấp P Rx có tọa độ (0.7; 0.6)

 Gọi K là số lƣợng nút chuyển tiếp, khi đó ta sẽ khảo sát với K = 1, K = 3, K = 5 có tọa độ (x m ; y m ) trong x m và y m có tọa độ (0.5014; -0.0974); (0.3909; 0.1010); (0.3528; 0.0336);

 1 thiết bị nghe lén E có tọa độ (0.9; -0.9)

Ngoài ra, công suất fading cho kênh truyền x – y là  xy d xy   trong đó  là số mũ của tổn hao đường truyền, d xy là khoảng cách giữa máy phát x   S R R , 1 , 2 , , R K , P Tx  và máy thuy R R 1, 2, ,R K , , ,D E P Rx  Trong các khảo sát, ta chọn  3, công suất phát của các máy phát thứ cấp P tm ,   t  S R R , 1 , 2 , , R K  đƣợc cấp phát sao cho công suất can nhiễu tại máy thu sơ cấp ở dưới mức ngưỡng I m như đã trình bày trong phần 4.1.4 Trong các mô phỏng ban đầu ta chọn tỉ số m 1 tm

Tốc độ truyền trong mạng thứ cấp R S 0.2bits s Hz/ / , tốc độ bí mật

R C  bis s Hz ,ta xét công suất nhiễu N 0 1

Trong trường hợp mô phỏng độ tin cậy của các phương pháp ta để ngưỡng tốc độ kênh truyền thứ cấp và ngƣỡng so sánh tốc độ bí mật trong hệ thống bằng nhau và ở mức R S R C 0.4bits s Hz/ / Để mô phỏng các phương pháp chọn nút chuyển tiếp ta sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng với chuỗi 5.10 5 độc lập.

Mô phỏng các phương pháp đã có

Trong 3 phương pháp đã có ORS (opportunistic relay selection), SORS (sub optimal relay selection), PRS (partial relay selection) thì ta sẽ khảo sát hai trường hợp:

 TH1: Không có đường truyền trực tiếp từ S  D và không có sự kết hợp tín hiệu tại D (tín hiệu S  D và R b D), tương tự cũng không có sự kết hợp tín hiệu tại E (tín hiệu S  E và R b E)

 TH2: Dựa trên phương pháp đã có, ta thực hiện hiệu chỉnh lại và khảo sát lại các phương pháp nhưng có đường truyền trực tiếp từ S  D và có sự kết hợp tín hiệu tại D (tín hiệu S  D và R b D), tương tự cũng có sự kết hợp tín hiệu tại E (tín hiệu S  E và R b E)

5.2.1 Mô phỏng phương pháp ORS

5.2.1.1 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp S  D và không có sự kết hợp tín hiệu tại E và D

Kết quả mô phỏng ta đƣợc nhƣ hình 5.2, ta thấy xác suất thiếu hụt sẽ giảm dần khi mà công suất phát của các máy phát thứ cấp P tm tăng Khi P tm 0dB thì xác suất thiếu hụt P out 0.0035, khi P tm 10dBthì xác suất thiếu hụt bị bão hòa ở mức

P out  Vì khi công suất phát tăng lên thì công suất thu đƣợc ở cả máy thu thứ cấp và E đều tăng lên cho nên xác suất thiếu hụt sẽ bão hòa

Hình 5.2: Mô phỏng P out của phương pháp ORS, không có đường truyền trực tiếp với K = 5, R s 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB)

S e c re c y o u ta g e p ro b a b ili ty

Sim ORS Paper0 No direct: K=5

5.2.1.2 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi có đường truyền trực tiếp S  D và sự kết hợp tín hiệu tại E và D

Khi ta tính đến đường truyền trực tiếp giữa nguồn (S) và đích (D) và có sự kết hợp tín hiệu tại D (tín hiệu từ kênh truyền S  D và R b D) thì tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D:

   , tương tự ta có tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại E:

Kết quả mô phỏng như hình 5.3 ta thấy xác suất thiếu hụt tăng khi xét có đường truyền trực tiếp từ S đến D và có sự kết hợp tín hiệu tại D và E Tại điểm công suất phát của nguồn thứ cấp P tm 10 dB thì P out 0.01

Hình 5.3: Mô phỏng P out của phương pháp ORS, khi có đường truyền trực tiếp

S  D và sự kết hợp tín hiệu tại E và D với K = 5

Theo kết quả như trong hình 5.4 thì ta thấy khi có đường truyền trực tiếp từ

S  D và sự kết hợp tín hiệu tại D, E thì xác suất thiếu hụt bí mật sẽ tăng, điều đó đồng nghĩa với việc khả năng bảo mật của hệ thống không tốt khi áp dụng phương pháp ORS mà có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Khả năng bảo mật của hệ thống giảm vì khi có đường truyền trực tiếp giữa nguồn (S) và đích (D) do đó khi có sự kết hợp tín hiệu tại D làm cho tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D tăng, tuy nhiên tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại E cũng sẽ tăng theo vì tại E cũng có sự kết hợp tín hiệu từ S  E vàR b E Đồng thời việc chọn các nút chuyển tiếp không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ bí mật nên xác suất thiếu hụt bí mật tăng

Ta thực hiện so sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS ở cả hai trường hợp

Hình 5.4: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật giữa hai trường hợp của phương pháp chọn nút chuyển tiếp ORS

5.2.1.3 Mô phỏng độ tin cậy của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp S  D và sự kết hợp tín hiệu tại D, E Để đánh giá về khả năng bảo mật của hệ thống, ta xem xét đến khả năng giải mã thành công tại E khi ta tiến hành chọn các nút mạng chuyển tiếp Để tăng tính thuyết phục trong trường hợp này ta để tốc độ truyền của mạng thứ cấp tăng lên, ta để RS = 0.4 bits/s/Hz

Kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.5 Ta thấy khi công suất phát của các máy phát thứ cấp P tm tăng thì xác suất thiếu hụt bí mật giảm tuy nhiên xác suất giải mã tại E cũng tăng Khi công suất phát P tm  10 dBthì xác suất thiếu hụt bí mật gần bằng 1 và xác suất giải mã tại E cũng rất thấp, xấp xỉ 10 -4 vì khi công suất phát thấp thì khả năng giải mã thành công tại D và E đều giảm Trong mô phỏng này ta đặt R S = 0.4 bits/s/Hz nên xác suất bảo mật sẽ giảm và bão hòa ở mức P out OR _ Re S l  0.003 Thông qua đồ thị hình 5.5 ta cũng thấy rằng khi công suất phát tăng thì khả năng bảo mật

Sim ORS Paper0 no direct: K=5Sim ORS Paper0 direct: K=5

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 105 HVTH: VÕ PHI SƠN cũng tăng do tốc độ tại D tăng lên Những theo nhƣ đồ thì tốc độ tại E cũng sẽ tăng lên nên khả năng mà E giải mã thành công tại E cũng sẽ tăng lên Điều này cho thấy điểm hạn chế khi ta tăng công suất phát của máy phát thứ cấp

Hình 5.5: Xác suất giải mã tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp S  D

Hình 5.6 cho ta thấy sự đánh đổi giữa xác suất thiếu hụt bí mật và xác suất giải mã thành công của thiết bị nghe lén E

Trong hình 5.6 thì ta thấy khi xác suất giả mã thành công tại E là thấp int

P   thì xác suất thiếu hụt bí mật rất lớn P out OR _ Re S l  0.89, điều này cho thấy sự đánh đổi giữa xác suất thiếu hụt bí mật và xác suất giả mã thành công tại E Ở đây để tăng độ tin cậy ta so sánh tốc độ bí mật với tốc độ của kênh truyền thứ cấp nên xác suất thiếu hụt bí mật lớn

Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) p ro b a b ili ty

Sim.:ORS Paper0 no direct P i nt,K=5 Sim ORS Paper0 no direct: P

Hình 5.6: Sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp S  D

5.2.1.4 Mô phỏng độ tin cậy của phương pháp ORS khi có đường truyền trực tiếp S  D

Hình 5.7: Xác suất giải mã tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi có đường truyền trực tiếp S  D

S e c re c y O u ta g e p ro b a b ili ty

Sim.:ORS Paper0 direct P i nt,K=5Sim ORS Paper0 direct: P R el,K=5

Cũng giống nhƣ hình 5.6 ta thấy hình 5.7 thì khi tăng công suất phát của các máy phát thứ cấp thì xác suất thiếu hụt bí mật sẽ giảm tuy nhiên xác suất giải mã thành công tại E lại tăng lên do tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại E cũng sẽ tăng Khi có đường truyền trực tiếp thì tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D cũng tăng lên nhưng đồng thời tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại E cũng tăng lên nên sẽ làm cho xác suất thiếu hụt bí mật tăng nếu nhƣ SNR tại E tăng nhiều hơn

Hình 5.8: So sánh xác suất giải mã thành công tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi có và không có đường truyền S  D

Trong hình 5.8 ta thực hiện so sánh độ tin cậy của phương pháp ORS khi xét có đường truyền trực tiếp và không có đường truyền trực tiếp từ S  D Như trong hình 5.8 ta thấy rõ ràng với cách chọn nút chuyển tiếp theo phương pháp ORS thì với cùng một công suất phát của các máy phát thứ cấp, nếu có sự che chắn trên đường truyền S  D và S  E thì xác suất thiếu hụt bí mật sẽ nhỏ hơn khi có sự kết hợp tín hiệu tại D và E Đồng thời xác suất giải mã thành công tại E sẽ nhỏ hơn

Nhƣ trong hình 5.8 ta thấy khi công suất máy phát thứ cấp P tm 0dBthì xác suất thiếu hụt bí mật là lớn tuy nhiên không có sự khác biệt nhiều giữa việc có đường

Sim.:ORS Paper0 no direct P i nt,K=5 Sim ORS Paper0 no direct: P

R el,K=5 Sim.:ORS Paper0 direct P i nt,K=5 Sim ORS Paper0 direct: P

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 108 HVTH: VÕ PHI SƠN truyền trực tiếp S  D , có sự kết hợp tín hiệu tại E, D và khi không tồn tại đường truyền này bởi vì với công suất phát là nhỏ, do đó mặc dù có tín hiệu từSD và có sự kết hợp tín hiệu tại D và E nhƣng tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D và E cũng không thay đổi nhiều Khi công suất phát thứ cấp tăng lên, khi có đường truyền trực tiếp, xác suất giải mã thành công tại E cũng tăng lên nên xác suất bí mật bị giảm đi

Hình 5.9: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật trong phương pháp ORS giữa hai trường hợp

Mô phỏng các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới

Ta thực hiện mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum khi có sự thay đổi số nút chuyển tiếp trong mạng là K= 1, 3, 5 và để ngƣỡng so sánh

R C  bits s Hz đƣợc kết quả nhƣ hình 5.27

Sim.:ORS Paper0 no direct RD,K=5 Sim SORS Paper0 no direct: RD,K=5 Sim.:PRS Paper0 no direct RD,K=5

Sim.:ORS Paper0 direct RD,K=5Sim SORS Paper0 direct: RD,K=5Sim.:PRS Paper0 direct RD,K=5

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.27 thì xác suất thiếu hụt bí mật sẽ giảm nếu nhƣ số nút chuyển tiếp trong mạng tăng Ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật giảm nhiều khi tăng số nút chuyển tiếp, bởi vì khi số nút chuyển tiếp trong mạng lớn thì tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công sẽ lớn, đồng nghĩa với cơ hội lựa chọn đƣợc nút chuyển tiếp sao cho tốc độ bí mật là lớn nhất sẽ tăng lên Với số nút chuyển tiếp là K = 5 thì khi công suất phát của các máy phát thứ cấp tăng lên thì xác suất thiếu hụt bí mật sẽ bão hòa và ở mức P out 0.007

Hình 5.27: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum khi thay đổi số nút chuyển tiếp trong mạng

5.3.1.2 Mô phỏng độ tin cậy của phương pháp Optimum

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.28 thì ta thấy khi xác suất thiếu hụt bí mật giảm thì xác suất giải mã thành công tại E cũng tăng lên bởi vì khi công suất phát thứ cấp tăng lên thì tốc độ tại D tăng, nhƣng đồng thời tốc độ tại E cũng tăng

Hình 5.28: Xác suất giải mã thành công tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum với K = 5

Hình 5.29: Sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp Optimum với K= 5

Hình 5.29 cho ta thấy sự đánh đổi giữa xác suất thiếu hụt bí mật và xác suất giải mã thành công tại E Khi có thêm điều kiện là các nút chuyển tiếp phải giải mã thành công và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E thì ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật tăng lên Nhƣ trên hình 5.29 thì xác suất thiếu hụt P out _ Re l  10  2 điều này là bởi vì khi thêm điều kiện nút chuyển tiếp phải giải mã thành công thì số nút chuyển tiếp đƣợc chọn sẽ giảm đi so với số nút chuyển tiếp ban đầu, đồng thời có sự kết hợp tín hiệu tại D, E nghĩa là khi công suất phát của các máy phát thứ cấp tăng lên thì tín tốc độ tại E sẽ tăng lên, điều này sẽ làm giảm tốc độ bí mật của hệ thống

5.3.1.3 Mô phỏng xác suất giải mã thành công tại D của phương pháp Optimum

Ta thiết đặt R S 0.2bits s Hz/ /

Hình 5.30 Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp Optimum

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.30 thì xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D sẽ giảm khi công suất tăng Tại điểmP tm 5dB thì xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D: P out RD _  10  5

5.3.2 Mô phỏng phương pháp ORS_E (ORS_Enhanced) 5.3.2.1 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E

Ta thực hiện mô phỏng với thông số sau:

- Vị trí các nút mạng giống nhƣ mô hình 1 - R S 0.2bits s Hz/ /

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.31 ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E cao hơn phương pháp ORS trong trường hợp 1 (không có sự kết hợp tín hiệu tại D, E).Phương ORS_E có xác suất thiếu hụt bí mật gần bằng phương pháp ORS trong trường hợp 2 (có sự kết hợp tín hiệu tại D, E) Điều này là bởi vì ta để tham số mô phỏng R S 0.2bits s Hz/ / là thấp nên với công suất phát của các máy phát thứ cấp thì gần nhƣ xác suất giải mã thành công của các nút chuyển tiếp lớn nên không tạo ra đƣợc sự khác biệt Để so sánh mang tính tổng quát hơn ta thực hiện mô phỏng với

R  bits s Hz R  bits s Hz đƣợc kết quả nhƣ hình 5.32

Theo kết quả mô phỏng như hình 5.32 thì ta thấy có sự khác biệt giữa phương pháp ORS_E và phương pháp ORS khi có đường truyền SD và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Ta thấy khi công suất phát của các máy phát thứ cấp P tm 10dB thì xác suất thiếu hụt của phương pháp ORS_E sẽ cao hơn bởi với công suất phát thấp thì số nút chuyển tiếp giải mã thành công sẽ giảm, do đó xác suất thiếu hụt bí mật tăng Trong khi đó phương pháp ORS chỉ lựa chọn nút chuyển tiếp mà gần như không cần biết nút chuyển tiếp đó có giải mã thành công hay không Khi công suất phát của các máy phát thứ cấp lớn P tm 10 dBthì ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật của hai phương pháp gần như bằng nhau bởi vì khi công suất phát tăng lên thì xác suất giải mã thành công tại các nút chuyển tiếp cũng tăng cho nên việc lựa chọn nút chuyển tiếp của hai phương pháp là gần như nhau

Ta thực hiện mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E với số nút chuyển tiếp trong mạng thay đổi Ta thực hiện mô phỏng với K = 1, 3, 5 Tốc độ bí mật R C 0.1bits s Hz/ / , tốc độ kênh truyền thứ cấp R S 0.2bits s Hz/ /

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.33 thì ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật thay đổi khi độ phân tập của các nút chuyển tiếp thay đổi Khi tăng số nút chuyển tiếp lên thì xác suất thiếu hụt bí mật giảm nhanh Vì vậy để đảm bảo khả năng bảo mật trong mạng tốt thì số nút chuyển tiếp trong mạng phải lớn

Hình 5.31: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E với phương pháp ORS với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Sim ORS Enhance direct: K=5 Sim ORS Paper0 no direct: K=5 Sim ORS Paper0 direct: K=5

Sim.:ORS Direct K=5 Sim : ORS E nhance K=5

Hình 5.32 So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E với phương pháp ORS khi có đường truyền trực tiếp và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E với

Hình 5.33: Xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E khi thay đổi số nút chuyển tiếp K = 1, 3, 5,R C 0.1bits s Hz R/ / ; S 0.2bits s Hz/ /

5.3.2.2 Mô phỏng độ tín cậy của phương pháp ORS_E (ORS_Enhanced)

Hình 5.34: Xác suất giải mã thành công tại E của phương pháp ORS_E và phương pháp ORS với R S 0.4bits s Hz/ /

Sim.:ORS Paper0 direct K5Sim.:ORS Enhance K5

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.34 ta thấy xác suất giải mã thành công tại E khi có đường truyền trực tiếp SD và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E thì ta thấy phương pháp ORS_E và ORS gần như bằng nhau

Hình 5.35: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp ORS_E và phương pháp ORS với R S 0.4bits s Hz/ /

Trong hình 5.35 So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp ORS_E và phương pháp ORS, ta thấy phương pháp ORS_E đánh đổi nhiều hơn nhƣng các nút chuyển tiếp mà ta chọn luôn đảm bảo đó là các nút chuyển tiếp giải mã thành công

5.3.2.3 Mô phỏng xác suất giải mã thành công tại D của phương pháp ORS_E (ORS_Enhanced)

Theo kết quả mô phỏng hình 5.36 thì ta thấy phương pháp ORS_E có xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D là thấp nhất Kết quả mô phỏng nhƣ vậy là bởi vì phương pháp ORS_E ta xét có sự kết hợp tín hiệu tại D, E Đồng thời các nút chuyển tiếp trong mạng đƣợc lựa chọn với điều kiện phải giải mã thành công nên tỉ

S e c re c y O u ta g e p ro b a b ili ty

Sim.:ORS Paper0 no direct K5Sim.:ORS Paper0 direct K5Sim.:ORS Enhance K5

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 129 HVTH: VÕ PHI SƠN số tín hiệu trên nhiễu tại D là lớn Như vậy phương pháp ORS_E vừa đảm bảo được xác suất thiếu hụt bí mật thấp, vừa đảm bảo đƣợc độ tin cậy khi lựa chọn các nút chuyển tiếp và xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D cũng nhỏ

Hình 5.36: Xác suất thiếu hụt giải mã thành công của phương pháp ORS_E, ORS với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Qua kết quả mô phỏng ta thấy rằng trong trường hợp có đường truyền trực tiếp

S  D và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E thì phương pháp ORS_E sẽ tốt hơn phương pháp ORS về việc đảm bảo xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D là thấp hơn, nút chuyển tiếp đƣợc chọn đảm bảo sẽ chất lƣợng vì giải mã thành công tin tức nguồn từ S phát đến Tuy nhiên phương pháp ORS_E không cải thiện được về mặt xác suất thiếu hụt bí mật và xác xuất giải mã thành công của thiết bị nghe lén E

Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) o u ta g e p ro b a b ili ty

Sim ORS Paper0 no direct: K=5Sim ORS Paper0 direct: K=5Sim ORS Enhance: K=5

5.3.3 Mô phỏng phương pháp SORS _E (SORS_Enhanced) 5.3.3.1 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS_E

Thực hiện so sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS_E với hai trường hợp của phương pháp SORS với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Hình 5.37: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS_Enhanced,

SORS với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi có can nhiễu từ phía máy phát sơ cấp

Ta vẫn dựa vào mô hình mô phỏng như hình 5.1, tuy nhiên trong trường hợp khảo sát này ta sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của can nhiễu từ máy phát sơ cấp P Tx đến xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E

Trong mô phỏng này ta để công suất phát của máy phát sơ cấp là P Tx 15dB,

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.51 thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp bị giảm khá nhiều khi có can nhiễu từ máy phát sơ cấp, điều này là bởi vì khi có can nhiễu sẽ làm giảm tỉ số tí hiệu trên nhiễu tại các nút chuyển tiếp cũng nhƣ D, E Tuy nhiên trong mô hình 5.1 thì ta thấy răng máy phát sơ cấp nằm ở

Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) o u ta g e p ro b a b ili ty

Sim.:OPtim K=5Sim.ORS Enhanced: K=5Sim.SORS Enhanced: K=5Sim.PRS Enhanced: K=5

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 142 HVTH: VÕ PHI SƠN vị trí gần các nút chuyển tiếp và D hơn là E, do đó mức can nhiễu của máy phát sơ cấp lên các nút chuyển tiếp và D sẽ lơn hơn so với E

Hình 5.51: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum,

ORS_E, SORS_E, PRS_E khi có can nhiễu với

P  dB R  bits s Hz R  bits s Hz

Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E với sự thay đổi của ngƣỡng so sánh R C

Trong mô phỏng này ta vẫn sử dụng mô hình 5.1 để mô phỏng, tuy nhiên thiết lập công suất phát của các máy phát thứ cấp là cố định P tm 10dB ,

R S  bits s Hz Ta sẽ khảo sát sự thay đổi của xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp khi ngưỡng so sánh tốc độ bí mật thay đổi: R C  0 2bits s Hz/ /

Sim.:OPtim K=5Sim.OSR Enhanced: K=5Sim.SORS Enhanced: K=5Sim.PRS Enhanced: K=5

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.52 thì xác suất thiếu hụt bí mật tăng khi ngƣỡng so sánh tăng Khi ngƣỡng so sánh R C 2bits s Hz/ / thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp gần như là bằng nhau và tiến tới 1 Điều này có nghĩa là nếu chất lƣợng bảo mật của hệ thống yêu cầu càng cao thì xác suất thiếu hụt bí mật càng cao

Hình 5.52: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với P tm 10 dB R; S 0.2bits s Hz R/ / ; C  0 2bits s Hz/ /

Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E

Trong phần này ta sẽ vẫn giữ nguyên các tham số mô phỏng nhƣ công suất phát của máy phát thứ cấp, tốc độ kênh truyền thứ cấp R S 0.2bits s Hz/ / , ngƣỡng so sánh tốc độ bí mật R C 0.1bits s Hz/ / và vẫn giữa nguyên mô hình mô phỏng nhƣ hình 5.1 Tuy nhiên ta sẽ lần lƣợt thay đổi vị trí của các nút trong mạng để xem xét

RC Secrecy rate bits/s/Hz

Sim.RC:OPtim K=5Sim.RC: OSR Enhanced K=5Sim.RC:SORS Enhanced K=5Sim.RC: PRS Enhanced K=5

GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 144 HVTH: VÕ PHI SƠN sự thay đổi xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E

5.6.1 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu sơ cấp gần nút chuyển tiếp (PRx gần Rm)

Ta thực hiện điều chỉnh lại vị trí của máy thu sơ cấp lại gần các nút chuyển tiếp Trong mô phỏng này ta để P Rx   0.6, 0.3 

ORS_E, SORS_E, PRS_E khi vị trí P Rx gần R m

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.53 thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp giảm bởi vì khi máy thu sơ cấp ở vị trí gần các nút chuyển tiếp thì công suất phát của nguồn phát S cũng sẽ giảm, đồng thời công suất phát của các nút chuyển tiếp sẽ giảm để đảm bảo mức can nhiễu tại máy thu sơ cấp do các máy phát thứ cấp gây ra ở dưới mức ngưỡng tối đa Chính vì vậy mà tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại các nút chuyển tiếp cũng nhƣ D sẽ giảm Cho nên tốc độ bí mật sẽ giảm theo

Sim.outage probability due to P near Relay

Sim.:OPtim K=5Sim.OSR: K=5Sim.SORS: K=5Sim.PRS: K=5

5.6.2 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu sơ cấp gần máy thu thứ cấp (P Rx gần D)

Trong mô phỏng này ta thiết đặt vị trí của máy thu sơ cấp P Rx   0.9, 0.2  gần vị trí của máy thu thứ cấp R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ /

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.54 thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp bị giảm đi Khi ta chưa đổi vị trí của máy thu sơ cấp thì theo hình 5.47 thì phương pháp Optimum có: P out  10  2 , nhưng kết quả mô phỏng ở hình 5.54 thì phương pháp Optimum có P out  10  2 Kết quả mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật giảm bởi vì khi máy thu sơ cấp ở gần máy thu thứ cấp thì công suất phát của các nút chuyển tiếp thấp để đảm bảo mức can nhiễu đói với máy thu sơ cấp ở dưới mức ngƣỡng tối đa Chính điều này làm giảm tốc độ bí mật của hệ thống

Hình 5.54 So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp khi P Rx có vị trí gần D

Sim.outage probability due to P near D

5.6.3 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu thứ cấp gần các nút chuyển tiếp (D gần R m )

Ta thực hiện khảo sát ảnh hưởng lên xác suất thiếu hụt bí mật khi vị trí của máy thu thứ cấp gần các nút chuyển tiếp Ta vẫn sử dụng mô hình 1 để mô phỏng, tuy nhiên điều chỉnh vị trí của máy thu thứ cấp D  0.8, 0.0 

ORS_E, SORS_E, PRS_E khi D gần các nút chuyển tiếp

Theo kết quả mô phỏng hình 5.55 thì ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp giảm khi D ở vị trí gần các nút chuyển tiếp Kết quả như vậy là bởi vì khi D gần các nút chuyển tiếp thì tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D sẽ tăng làm cho tốc độ bí mật cũng đƣợc cải thiện Trong thực tế nếu máy thu thứ cấp nằm ở vị trí gần các nút chuyển tiếp thì độ bảo mật của hệ thống sẽ tăng lên

Sim.outage probability due to D near Relay

5.6.4 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén gần các nút chuyển tiếp (E gần R m )

Trong mục này ta xét khi E gần các nút chuyển tiếp sẽ tác động nhƣ thế nào đến xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Ta vẫn sử dụng mô hình 5.1 để mô phỏng tuy nhiên vị trí của thiết bị nghe lén đƣợc điều chỉnh E  0.7, 0.2  

Theo kết quả mô phỏng nhƣng hình 5.56 thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp bị giảm đi khá nhiều Điều này là bởi vì khi mà vị trí của các thiết bị nghe lén nằm gần các nút chuyển tiếp thì mặc dù ta đã sử dụng các phương pháp khác nhau để lựa chọn nút chuyển tiếp sao cho tốc độ bí mật là lớn nhất, tuy nhiên vì thiết bị nghe lén gần các nút chuyển tiếp nên công suất mà thiết bị nghe lén nhận đƣợc vẫn rất lớn Chính điều này làm cho tốc độ bí mật bị giảm Nên trong thực tế, nếu nhƣ các thiết bị nghe lén đặt gần các nút chuyển tiếp của hệ thống mạng vô tuyến nhận thức hợp tác thì để đảm bảo độ bí mật ta phải có số lƣợng lớn nút chuyển tiếp và độ phân tập về vị trí của các nút chuyển tiếp phải lớn

Hình 5.56: So sánh xác thiếu hụt suất bí mật của các phương pháp Optimum,

ORS_E, SORS_E, PRS_E khi vị trí của E gần R m

Sim.outage probability due to E near Relay

5.6.5 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén gần máy thu thứ cấp (E gần D)

Trong phần này ta xem xét sự ảnh hưởng đến xác suất thiếu hụt bí mật khi mà vị trí của thiết bị nghe lén nằm gần máy thu thứ cấp Trong mô phỏng này ta vấn sử dụng mô hình 4.1 tuy nhiên sẽ điều chỉnh vị trí của thiết bị nghe lén ở vị trí gần máy thu thứ cấp Vị trí của E nhƣ sau: E  0.9, 0.3  , vị trí của D (1.0, 0.0)

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.57 thì xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp tăng, điều này có nghĩa là khi mà các thiết bị nghe lén nằm gần máy thu thứ cấp thì việc lựa chọn các nút chuyển tiếp khác nhau chỉ làm giảm xác suất thiếu hụt bí mật đi một phần rất nhỏ Khi máy thiết bị nghe lén ở vị trí gần máy thu thứ cấp thì thông tin về kênh truyền SE R, m Eđóng vai trò quan trọng trong việc giảm xác suất thiếu hụt bí mật Ta thấy giữa xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum, ORS_E và hai phương pháp còn lại có sự chênh lệch rất lớn

Hình 5.57: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum, ORS_E,

Sim.outage probability due to E near D

5.6.6 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén ở gần máy thu sơ cấp

Trong phần này ta mô phỏng sự thay đổi xác suất thiếu hụt bí mật khi vị trí của E nằm gần máy thu sơ cấp Ta vẫn sử dụng mô hình mô phỏng ở hình 5.1 tuy nhiên ta điều chỉnh vị trí của thiết bị nghe lén về gần máy thu sơ cấp E  0.8, 0.7 , vị trí của máy thu sơ cấp P  0.7, 0.6 

Theo kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.58 thì ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật của hệ thống khi dùng các phương pháp chọn nút chuyển tiếp khác nhau nhưng đều ở mức lớn Điều này là bởi vì vị trí của E đang khảo sát gần máy thu sơ cấp nhƣng cũng gần các nút chuyển tiếp và máy thu thứ cấp D (1.0,0.0) và trong trường hợp mô phỏng này ta cũng không xét đến can nhiễu từ máy phát sơ cấp tới các thiết bị thu thứ cấp Do đó xác suất thiếu hụt bị mật sẽ tăng do công suất mà E nhận đƣợc vẫn lớn

Hình 5.58: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp: Optimum,

ORS_E, SORS_E, PRS_E khi E gần P

Sim.outage probability due to E near P