Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 12 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
12
Dung lượng
562,54 KB
Nội dung
Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu mạng vô tuyến nhận thức dạng với xuất nút nghe khiếm khuyết phần cứng Performance Enhancement of Underlay Cognitive Radio Networks with Relay Selection Methods under Presence of Eavesdropper and Hardware Impairments Phạm Thị Đan Ngọc, Trần Trung Duy, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Hồ Văn Khƣơng Abstract: In this paper, we study physical-layer security issue of secondary networks in cognitive radio (CR) In the considered system model, a secondary source communicates with a secondary destination with assistance of multiple secondary relays in presence of multiple secondary eavesdroppers The secondary users operate on an underlay mode, where they must adjust their transmit power to satisfy interference constraints required by primary users Moreover, we propose three efficient relay selection methods to improve outage performance for the data links as well as to reduce decoding probability (DP) of the eavesdropping links For performance evaluation and comparison, we derive exact closed-form expressions of outage probability (OP) and decoding probability (DP) over Rayleigh fading channel under impact of imperfect hardware transceiver Finally, Monte Carlo simulations are performed to verify our theoretical derivations The results present that with the presence of the eavesdroppers, there always exists a trade-off between security and reliability Keywords: Underlay cognitive radio, physicallayer security, hardware impairments, relay selection, Rayleigh fading channel, outage probability, decoding probability I GIỚI THIỆU Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đề xuất Joseph Mitola, giải pháp hiệu quả, nhằm giải vấn đề khan phổ tần mạng truyền thông vô tuyến [1] Trong vô tuyến nhận thức, mạng sơ cấp (Primary network) cấp phép sử dụng phổ tần, mạng thứ cấp (Secondary network) sử dụng băng tần trống (các băng tần không sử dụng mạng sơ cấp) Thông thường, người dùng thứ cấp (Secondary users) phải thăm dị phổ [2], [3] để tìm băng tần trống sử dụng chúng Tuy nhiên, người dùng sơ cấp (Primary users) bắt đầu sử dụng băng tần này, người dùng thứ cấp phải tìm kiếm phổ tần trống khác để truy nhập Hệ truyền liệu mạng thứ cấp không liên tục hiệu mạng phụ thuộc hoàn toàn vào xuất người dùng sơ cấp Hơn nữa, việc thăm dị phổ khơng xác, gây nên hoạt động cảnh báo sai lầm (miss detection false alarm) [2], [3] làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng dịch vụ (Quality of service (QoS)) hai hệ thống Gần đây, nhà nghiên cứu đề xuất kỹ thuật vô tuyến nhận thức hiệu quả, với tên gọi vô tuyến nhận thức dạng (Underlay cognitive radio) [4], [5], [6], nhằm đảm bảo tính liên tục truyền/nhận cho - 75 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông mạng thứ cấp Trong kỹ thuật này, hai mạng sơ cấp thứ cấp lúc sử dụng phổ tần số Tuy nhiên, người dùng thứ cấp phải sử dụng mức công suất phát đủ thấp để giao thoa gây lên mạng sơ cấp không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ mạng [4], [5], [6] Với công suất phát giới hạn, hiệu mạng thứ cấp bị suy giảm trầm trọng, đặc biệt môi trường kênh fading Rayleigh Để đạt hiệu cao hơn, nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp cho mạng Các kết [4], [5], [6] cho thấy giao thức chuyển tiếp phân tập nâng cao độ lợi phân tập giảm tốc độ lỗi cho mạng người dùng thứ cấp cơng trình [10] khảo sát vấn đề bảo mật thơng tin lớp vật lý cho hệ thống khuếch đại chuyển tiếp với nút chuyển tiếp không tin cậy Các cơng trình [11], [12] nghiên cứu hiệu bảo mật mạng thứ cấp môi trường vô tuyến nhận thức dạng kênh truyền fading Rayleigh, thông qua thông số hiệu như: dung lượng bảo mật trung bình (Average secrecy capacity), xác suất dừng bảo mật (Secrecy outage probability) xác suất dung lượng bảo mật khác không (Probability of non-zero secrecy capacity) Cũng vậy, mơ hình [11], [12] cải thiện đáng kể hiệu bảo mật nhờ vào phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu (jammer) Trong nhà nghiên cứu nỗ lực tìm giải pháp nhằm cải thiện hiệu mạng thứ cấp, việc bảo mật thơng tin cho mạng chưa nhận quan tâm mức Bởi tính chất quảng bá kênh truyền vơ tuyến, người dùng khơng hợp pháp dễ dàng nghe trộm thông tin phát mạng Cho đến nay, thuật toán bảo mật phổ biến Data Encryption Standard (DES), Advanced Encryption Standard (AES), RSA, v.v kỹ thuật phức tạp, khó khả thi triển khai thiết bị sử dụng mạng thứ cấp Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu bảo mật lớp vật lý khơng quan tâm đến khả giải mã tín hiệu nút nghe Thật vậy, nút nghe giải mã thành cơng liệu nghe trộm bảo mật khơng cịn Trong cơng trình [13] tác giả nghiên cứu khả giải mã liệu nút nghe xác suất dừng nút đích mạng chuyển tiếp thứ cấp Các kết [13] cho thấy có đánh đổi khả bảo mật thông tin xác suất dừng hệ thống Gần đây, bảo mật thông tin lớp vật lý (physicallayer security) [7], [8] phát triển nhằm đạt hiệu bảo mật, giảm thiểu đáng kể phức tạp trình thực Thật vậy, bảo mật đạt dựa vào tính chất vật lý kênh truyền khoảng cách, thông tin trạng thái kênh truyền (Channel state information) hay việc tạo nhiễu nhân tạo (Artifial noise) lên thiết bị nghe Một lần nữa, chuyển tiếp phân tập lại trở thành giải pháp hiệu nâng cao hiệu bảo mật lớp vật lý cho hệ thống truyền thông vô tuyến Trong tài liệu tham khảo [9], nhóm tác giả đề xuất mơ hình chọn nút chuyển tiếp cho mạng chuyển tiếp cộng tác, nút chuyển tiếp tốt nút đạt dung lượng bảo mật cực đại Các tác giả Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Tuy nhiên, tác giả cơng trình [11], [12], [13] giả sử phần cứng thu/phát thứ cấp lý tưởng Tuy nhiên, thực tế, phần cứng thiết bị không lý tưởng, xuất phát từ khơng tuyến tính khuếch đại, nhiễu pha hay cân I/Q, v.v Sự khiếm khuyết phần cứng làm giảm đáng kể hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến [14], [15] Trong tài liệu tham khảo [16], tác giả lần đánh giá xác xác suất dung lượng bảo mật khác chuyển tiếp đa chặng Tuy nhiên, mơ hình khảo sát truyền liệu trực tiếp (Direct transmission), mà không đưa phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu bảo mật hệ thống - 76 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Trong báo này, nghiên cứu ảnh hưởng phần cứng không lý tưởng lên hiệu mạng thứ cấp vô tuyến nhận thức dạng nền, thông qua đại lượng xác suất dừng (OP) nút đích thứ cấp khả giải mã DP (Decoding Probability) nút nghe thứ cấp1 Các kết báo phát triển từ cơng trình [17] chúng tơi Tuy nhiên, khác với [17], chúng tơi xem xét mơ hình tổng quát với xuất nhiều người nghe thứ cấp nút sơ cấp, số nút nghe ngưỡng giao thoa định mức ảnh hưởng đáng kể lên giá trị OP DP Bài báo đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp thứ cấp nhằm giảm giá trị OP cho hệ thống, đồng thời giảm chất lượng kênh truyền đến nút nghe Trong phương pháp thứ (được đặt tên HCG-D (Highest Channel Gain to Destination)), nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền đến nút đích lớn chọn để chuyển tiếp liệu Trong phương pháp thứ hai (với tên gọi MCG-E (Minimum Channel Gain to Eavesdroppers)), hệ thống chọn nút chuyển tiếp, tương ứng với độ lợi kênh truyền nhỏ đến nút nghe Cuối cùng, đề xuất thứ ba mang tên COMB (Combine) mơ hình kết hợp hai đề xuất trước đó, nhằm tận dụng ưu điểm khắc phục nhược điểm HCG-D MCG-E II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hơn nữa, chúng tơi đưa cơng thức dạng đóng xác (Exact closed-form expression) cho đại lượng OP DP kênh truyền fading Rayleigh, xuất nhiều nút nghe thứ cấp nhiều nút sơ cấp Kế tiếp, chúng tơi thực mơ máy tính, sử dụng phương pháp Monte Carlo, để kiểm tra độ xác biểu thức tốn học Các kết cho thấy mơ hình COMB đạt hiệu hai mơ hình cịn lại; thông số mức suy hao phần cứng, số lượng Trong tài liệu [13], tác giả sử dụng khái niệm xác suất chặn (Intercept probability) thay cho khái niệm khả giải mã (DP) cơng trình Phần cịn lại báo trình bày sau Mơ hình hệ thống giao thức đề xuất giới thiệu Phần II Phần III phân tích đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Kết mô lý thuyết thể phần IV Cuối cùng, biện luận hướng phát triển nghiên cứu trình bày Phần V Hình Mơ hình hệ thống nghiên cứu Hình mơ tả mơ hình hệ thống khảo sát báo Trong mạng thứ cấp, nút nguồn thứ cấp (S) muốn gửi liệu đến nút đích thứ cấp (D), thơng qua giúp đỡ M nút chuyển tiếp (R1, R2, …, RM) Giả sử rằng, nút nguồn S khơng có đường liên kết trực tiếp đến nút đích D khoảng cách xa hay hiệu ứng fading che khuất Do đó, nút chuyển tiếp sử dụng để đưa liệu từ nguồn đến đích Ngồi ra, mạng thứ cấp xuất K nút nghe thứ cấp ký hiệu E1, E2, …, EK Các nút cố gắng nghe trộm liệu gửi từ nút chuyển tiếp Ta giả sử rằng, nút nghe nằm gần nút đích D, nút khơng thể nhận liệu truyền từ nút nguồn Cũng hình vẽ này, hệ thống sơ cấp gồm có N người sơ cấp đặt tên P1, P2, …, PN Ta ký hiệu hSR m , hR m D , hSPn , hR m Pn hR m Ek hệ số kênh truyền fading Rayleigh liên kết - 77 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông S R m , R m D , S Pn , R m Pn R m E k , với m 1,2, , M , n 1,2, , N k 1,2, , K Như đề cập tài liệu [4], [5], độ lợi kênh truyền SP | hSP |2 , R n n m Pn SR | hSR |2 , R m m mD | hR m D |2 , | hR m Pn |2 R m Ek | hR m Ek |2 biến ngẫu nhiên có phân phối mũ (Exponential random variable) Cụ thể, hàm phân phối tích luỹ (CDF) hàm mật độ xác suất (PDF) biến ngẫu nhiên XY X,Y S,R m ,D,E k ,Pn đưa biểu thức (1): F XY x exp XY x , f XY x XY exp XY x , I sử biến ngẫu nhiên SR m , R m D , SPn , R m Pn R m Ek độc lập đồng nhất, nghĩa SR m SR , RD , SPn SP , R m Pn RP R m Ek EK , với giá trị m, n k Hơn nữa, xin lưu ý rằng, phương pháp phân tích đánh giá báo hồn tồn áp dụng trường hợp mà biến ngẫu nhiên không đồng Giả sử tất nút hệ thống sơ cấp thứ cấp trang bị với anten hoạt động chế độ bán song cơng (Half duplex) Do đó, hoạt động chuyển tiếp liệu từ nguồn tới đích thực hai khe thời gian trực giao Trong khe thời gian đầu, nút nguồn S phát quảng bá liệu tới tất nút chuyển tiếp Tuy nhiên, trước truyền tin, nút nguồn phải điều chỉnh công suất phát để giao thoa tác động lên nút sơ cấp không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ mạng sơ cấp Tương tự [18, công thức (8)], xuất khiếm khuyết phần cứng định mức giao thoa I, công suất phát tối đa mà nút nguồn sử dụng tính bởi: I 1 P nmax SP 1 P X max 1,2, , N , (2) n với X max max SPn n 1,2, , N P tổng mức suy hao phần cứng bao gồm suy hao nguồn nút sơ cấp Tiếp theo, tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu tức thời (SNR) đường truyền từ S R m biểu diễn dạng (3): PS SR m D PS SR m (1) Để thuận tiện cho việc trình bày phân tích, ta giả mD PS SR m XY 1/ E XY với E XY giá trị trung bình XY R Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Q SR m / X max DQ SR / X max , (3) m phương sai nhiễu cộng (nhiễu Gauss) nút chuyển tiếp R m , Q I / 1 P / D tổng mức suy hao phần cứng kênh liệu từ S đến R m Nút R m giả sử nhận thành công liệu từ nguồn nút tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu SR m cao mức ngưỡng th Ngược lại, nút xem giải mã liệu thành công xem rơi vào trạng thái dừng Sau nhận tín hiệu từ nguồn, tất nút chuyển tiếp cố gắng giải mã liệu Khơng tính tổng qt, ta giả sử R1 ,R ,,R t nút chuyển tiếp giải mã thành công, R t 1 ,R t ,,R M nút nhận giải mã được, với t số nguyên chạy từ đến M Khi t = có nghĩa khơng có nút chuyển tiếp giải mã liệu nguồn, trường hợp hệ thống bị dừng nút đích khơng thể nhận liệu từ nguồn Ta nhận thấy rằng, t biến ngẫu nhiên xác suất mà số nút chuyển tiếp thành cơng t tính biểu thức (4) sau: SR1 th ,, SRt th , At CMt Pr SR th ,, SR th t 1 M Thay (3) vào (4), ta công thức (5) sau: - 78 - (4) Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông SR1 D X max ,, SRt D X max , At CMt Pr , (5) SR D X max ,, SR D X max M t1 Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Q R b Ek / Yb ,max R b E max k 1,2, , K Q E R b Ek / Yb ,max QZ b ,max / Yb,max , E QZb,max / Yb,max với D th / Q / 1 D th Ở đây, ta giả sử mức suy hao phần cứng D đủ nhỏ D 1/ th (9) Ta không xét trường hợp D 1/ th hệ thống với E tổng mức suy hao phần cứng kênh nghe khảo sát bị dừng trường hợp [14], [15] Zb,max max Rb Ek Xét truyền liệu khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp thành công k 1,2, , K R1 ,R ,,R t thiệu phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp DPHCG-D (6) Tương tự (2), trước phát liệu tới nút đích, nút R b điều chỉnh công suất phát công thức (7): I I 1 P nmax R P 1 P Yb,max 1,2, , N , (7) b n Q Rb D / Yb,max DQ R D / Yb,max th với R c nút chuyển tiếp chọn Rồi thì, tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu tức thời nhận nút đích tính cơng thức (8): RbD RbE R c : max R c Ek max Rv Ek (11) v 1,2, ,t k 1,2, , K k 1,2, , K với Yb,max max Rb Pn n 1,2, , N (10) Mặc dù giao thức HCG-D nâng cao chất lượng đường truyền liệu nút chuyển tiếp nút đích, kỹ thuật không giảm khả giải mã kênh nghe Chúng ta thấy rằng, để giảm chất lượng kênh truyền nghe lén, hệ thống phải chọn nút chuyển tiếp đạt tỷ số tín hiệu nhiễu kênh nghe thấp Do đó, nút chuyển tiếp chọn giao thức MCG-E đưa công thức (11): R b nút chuyển tiếp chọn PRb Pr OPHCG-D Pr R b D th , Trong giao thức đề xuất với tên gọi HCGD, nút chuyển tiếp chọn nút có độ lợi kênh truyền đến nút đích lớn Thật vậy, chọn lựa thực theo thuật toán sau: v 1,2, ,t Từ công thức (8) (9), xác suất dừng nút đích D (OP) khả giải mã nút nghe E (DP) đưa biểu thức (10): Bây giờ, giới R b : Rb D max R v D , (8) Tương tự, tỷ số tín hiệu nhiễu tức thời nhận nút đích nút nghe giao thức MCG-E diễn đạt biểu thức (12) bên dưới: b Ta có nhận xét tỷ số tín hiệu nhiễu lớn nhận nút nghe đặc trưng cho tỷ số tín hiệu nhiễu kênh nghe (xem [16, cơng thức (8)]) Kí hiệu R b E tỷ số tín hiệu Q R c D / Yc ,max RcD DQ R D / Yc ,max , c RcE nhiễu kênh nghe lén, ta có: QZ c ,max / Yc ,max E QZ c ,max / Yc ,max (12) , với Zc ,max max R c Ek Yc ,max max R c Pn k 1,2, , K n 1,2, , N Từ (12), giá trị OP DP giao thức MCGE tính biểu thức (13): - 79 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Pr OPMCG-E Pr R c D th , DPMCG-E RcE th Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Pr OPCOMB Pr R d D th , (13) DPCOMB Tuy nhiên, giao thức MCG-E tập trung làm giảm chất lượng kênh nghe mà không quan tâm đến việc nâng cao chất lượng kênh liệu Trong giao thức COMB, phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp trình bày cụ thể sau: Rd E th Cuối cùng, đưa công thức tổng qt tính giá trị trung bình OP DP cho giao thức X X HCG-D,MCG-E,COMB đưa công thức hợp (17): M Xét tập nút chuyển tiếp nhận liệu nguồn thành công: R1 ,R ,,R t , khơng tính tổng qt, OP X At OPX , ta giả sử rằng: R1D R 2D Rt D Đầu tiên, hệ DP X At DPX thống chọn nhóm nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền cao sau: R1 ,R ,,R L , III ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG t 0 Ta thấy rằng, giao thức COMB nâng cao chất lượng kênh liệu việc chọn nút chuyển tiếp từ tập nút có độ lợi kênh đến nút đích lớn Hơn nữa, việc chọn nút chuyển tiếp có độ lợi kênh thấp đến nút E, COMB làm giảm chất lượng kênh nghe t 1 III.1 Chuẩn bị toán học Đầu tiên, ta xét biến ngẫu nhiên U với U = max , , , V V số tự nhiên lớn , , , V 1 V biến ngẫu nhiên có phân bố mũ có tham số đặc trưng 1/ E v , v 1,2, ,V Sử dụng [19, công thức (12)], ta viết hàm PDF U như: fU x Q R d D / Yd ,max DQ R D / Yd ,max QZ d ,max / Yd ,max E QZ d ,max / Yd ,max 1 C V exp v 1 x (18) v v 0 v V V FU x 1 CVv exp v x v (19) v 1 Tiếp theo, ta nghiên cứu hàm phân bố biến ngẫu nhiên W, W max ( ij ) , ij i 1,2, , R j 1,2, ,V , d Rd E V 1 Hơn nữa, với [19, cơng thức (11)], ta đưa hàm CDF U Tương tự, tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu tức thời (SNR) nút nghe nút đích mơ hình COMB đạt (15): Rd D (17) M đó, L xác định bởi: L t / 2 với t / 2 số nguyên nhỏ lớn t/2 Từ tập L nút chuyển tiếp này, giao thức COMB chọn nút chuyển thuật toán diễn đạt (14): R d : max R d Ek max Ru Ek (14) k 1,2, , K u 1,2, , L k 1,2, , K (16) (15) Từ đây, xác suất OP DP viết công thức (16): biến ngẫu nhiên có phân phối mũ có tham số đặc trưng Cũng vậy, R số tự nhiên lớn Tiếp theo, ta xây dựng hàm CDF cho biến ngẫu nhiên W bởi: - 80 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thơng Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 FW x Pr W x M t N 1 At CMt 1 CMu t CNv 1 {1 1 exp x }R V R 1 r 1 r 1 R CRr 1 exp x rV 1 r v 1 u 0 v 0 rV r 1 v N SP v 1 SP u t SR D (20) C C exp v x r R v rV Xét độ lợi kênh truyền R d D giao thức R1D , R D , , R t D dạng biểu thức (25): OPHCG-D Pr Rb D DYb,max 1, 2, , L , sử dụng thống kê bậc thứ l [20, phương trình (5)], hàm phân phối tích lũy R d D viết công thức (21): l F R D x d t u 1 1 u 1 v v Ctu 1Ctvu 1 F R D D x fYb ,max x dx Thay hàm CDF F R D D x (19) b hàm PDF fYb ,max x (18) vào công thức (25) sau vài bước tính tốn, ta tính xác OPHCG-D cơng thức (26): L t F SR D x M t f X max x dx m (23) Thay hàm CDF SR m công thức (1) hàm PDF X max công thức (18) vào công thức (23) trên; sau vài bước biến đổi tính tốn, ta đạt rằng: CtvCNn 1 N RP n 1 RP vRD D (26) Một cách tương tự, khả giải mã nút nghe thứ cấp giao thức HCG-D đưa dạng biểu thức (27): DPHCG-D Pr Rb E EYb,max III.2 Tính giá trị At cơng thức (5) Từ (5), ta viết lại At dạng công thức (23) bên dưới: At CMt 1 F SR D x m vn v 1 n (21) (22) N 1 OPHCG-D 1 exp u v 1 RD x Pr d l (25) b t Hơn nữa, đồng biến ngẫu nhiên, xác suất R d D nhận giá trị lớn thứ l là: d = Khi d = R d D đạt giá trị lớn thứ hai, … R d D có giá trị cao thứ L d = L d = l, với l = (24) III.3 Tính giá trị OP DP giao thức Xét phương pháp đề xuất HCG-D, xác suất dừng OPHCG-D (10) đưa COMB, thấy R d D nhận giá trị lớn tập biến ngẫu nhiên u v 1 F R E E x fYb ,max x dx, b (27) với E th / Q / 1 E th Cũng vậy, báo, ta xét trường hợp E 1/ th , E 1/ th , nút nghe giải mã liệu với giá trị tham số khác Một lần nữa, ta sử dụng hàm CDF (19) cho F R E E x hàm PDF (18) cho fYb ,max x , để b tính xác PHCG-D cơng thức (28) sau: K N 1 DPHCG-D 1 k 1 n k n 1 CKk CNn 1 N RP n 1 RP k RE E - 81 - (28) Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Bây giờ, thay kết thu từ (23), (26) (28) vào (17), ta thu biểu thức dạng đóng xác cho giá trị trung bình OP IP giao thức HCG-D DPCOMB Pr R d E EYd ,max L N 1 1 n n 0 C N RP n RP RD D (29) n N 1 Xét giá trị DPMCG-E , sử dụng hàm CDF đạt (20) cho F R E x , ta có: c DPMCG-E Pr R c E EYc ,max 1 F R E E x fYc ,max x dxn c vK N 1 t 1 v u n 1 v 1 u n Ctv Cvku CNn 1 (30) N RP n 1 RP uRE Từ kết đạt (23), (29) (30), ta dễ dàng tính OPMCG-E DPMCG-E Đối với giao thức cuối (COMB), biểu thức OPCOMB viết lại công thức (31): OPCOMB Pr R d D DYd ,max L Pr d l F R D D x fYd ,max x dx l 1 (31) d Sử dụng hàm CDF đạt công thức (21) hàm PDF đưa công thức (18), sau vài bước biến đổi tính tốn, ta đạt kết biểu thức (32): OPCOMB L l t u 1 N 1 vn 1 L l 1 u 1 v 0 n 0 Ctu 1Ctvu 1CNn 1 N RP n 1 RP u v 1 RD D (32) Trong giao thức COMB này, khả giải mã nút nghe tính tương tự (30) biểu diễn công thức (33): vK N 1 1 v 1 u n Tiếp đến, xét giao thức MCG-E, xác suất dừng giao thức đạt (29): OPMCG-E Pr R c D DYc ,max Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 v u n 1 u CLvCvK CNn 1 (33) N RP n 1 RP uRE Cuối cùng, với kết đạt công thức (23), (32) (33), ta dễ dàng tính xác suất dừng trung bình OPCOMB DPCOMB đưa (17) IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trong phần này, chúng tơi thực mơ Monte Carlo để kiểm chứng kết lý thuyết đưa Phần trước Để kết mô hội tụ kết lý thuyết, thực 106 phép thử cho kết mô Hơn nữa, cố định tất tham số đặc trưng 1: SR RD SP RD RP , giá trị ngưỡng dừng th không thay đổi th 1 mơ Hình biểu diễn giá trị xác suất dừng (OP) hàm số Q Trong mô này, số lượng nút chuyển tiếp (M) 6, số nút nghe (K) số nút thứ cấp N Các thông số suy hao phần cứng thiết lập sau: P 0.1 P P 0.5 Kết Hình cho thấy xác suất dừng (OP) tất giao thức giảm giá trị Q tăng Mặc khác, giá trị OP giao thức HCGD thấp giao thức chọn nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền lớn tới đích Giá trị OP mơ hình MCG-E lớn mơ hình quan tâm đến việc tối thiểu hóa chất lượng kênh nghe Mơ hình COMB đạt hiệu nằm hai mơ hình HCG-D MCG-E Cũng quan sát hình vẽ này, ta thấy giá trị xác suất dừng hai mơ hình HCG-D COMB giảm nhanh tăng số lượng nút chuyển tiếp từ lên Tuy nhiên, giao thức MCG-E, giá trị giảm nhẹ thay đổi số nút chuyển tiếp Một kết đáng ý mà ta - 82 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông thấy hình vẽ kết mơ (MP) trùng khớp với kết lý thuyết (LT), điều chứng tỏ công thức đưa Phần III xác Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Hơn nữa, giá trị tăng mạnh số lượng nút nghe tăng từ lên Một lần nữa, kết mô kiểm chứng xác biểu thức tốn học đánh giá giá trị DP Hình khảo sát biến thiên giá trị xác suất dừng (OP) theo số lượng nút sơ cấp (N) Q dB, M , K , D E 0.2 P Nhìn vào hình vẽ, ta thấy giá trị OP giao thức tăng theo gia tăng số lượng nút sơ cấp Đó số lượng N tăng làm giảm công suất phát nút nguồn thứ cấp nút chuyển tiếp thứ cấp, kéo theo tăng giá trị OP Hình Xác suất dừng (OP) theo Q (dB) N = 3, K = 2, P E 0.5 P 0.1 Hình Xác suất dừng (OP) theo N Q dB, M 7, K 2, D E 0.2 P Hình Khả giải mã nút nghe (DP) theo Q (dB) M = 4, N = 3, D E 0.5 P 0.1 Trong Hình 3, chúng tơi biểu diễn khả giải mã (DP) nút nghe theo giá trị Q Các thơng số hình vẽ M = 4, N = 3, D E 0.5 P 0.1 Quan sát hình vẽ, ta thấy giá trị DP giao thức MCG-E thấp nhất, giá trị DP giao thức COMB nằm hai giao thức cịn lại Đó mơ hình MCG-E COMB quan tâm đến việc hạn chế chất lượng kênh nghe Nhìn vào hình vẽ, ta thấy giá trị DP tất giao thức tăng với gia tăng Q Hình Xác suất dừng (OP) theo E Q dB, M , K = 1, N = 3, D 0.5 P 0.1 - 83 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thơng Trong Hình 5, giá trị DP mơ hình đề xuất vẽ theo giá trị mức suy hao phần cứng E này, cố định giá trị OP sử dụng cơng thức tính OP giao thức để tìm giá trị Q tương ứng (xem Bảng 1) Sau đó, kết mơ lý thuyết DP OP thực hiện, sử dụng thông số vừa thiết lập Quan sát hình vẽ, ta thấy có đánh đổi hiệu bảo mật hiệu dừng mơ hình Cụ thể, để đạt giá trị xác suất dừng (OP) thấp giá trị DP lại lớn ngược lại Trong hình vẽ này, ta thấy điều thú vị giá trị OP giá trị DP mơ hình MCG-E lớn nhất, giá trị DP mơ hình HCG-D COMB gần xấp xỉ Điều cho thấy mơ hình MCG-E có hiệu thấp so với hai mơ hình cịn lại Q dB, M = 5, K = 1, N = 3, D 0.5 P 0.1 Hình cho thấy giá trị DP giảm mạnh tăng E từ đến 0.9 Một lần nữa, ta thấy từ Hình Hình mơ hình HCG-D đạt hiệu OP tốt nhất, mơ hình MCG-E nhận giá trị DP nhỏ hiệu mơ hình COMB nằm hai mơ hình cịn lại Bảng Giá trị Q (dB) Hình OP 100.5 Q 8.4 101 11.4 101.5 102 102.5 103 13.7 17.7 15.8 Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 19.5 (HCG-D) VI KẾT LUẬN Trong báo nghiên cứu bảo mật lớp vật lý mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức dạng này, Chúng đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để cải thiện hiệu mạng người dùng thứ cấp thông qua tham số xác suất dừng (OP) khả giải mã nút nghe (DP) Các biểu thức dạng đóng xác OP DP đưa kiểm chứng mô Monter Carlo Các kết cho thấy mơ hình HCG-D đạt hiệu OP tốt nhất, mơ hình MCG-E đạt hiệu DP tốt Tuy nhiên, quan tâm đến đánh đổi OP DP, hai mơ hình HCG-D COMB đạt hiệu tốt Q 10.4 15.8 20.9 26.0 31.0 36.0 8.8 12.2 15.0 17.6 20.1 22.6 (MCG-E) Q (COMB) LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng với đề tài mã số X_HV2017-RD_ĐT2 Hình Khả giải mã nút nghe (DP) vẽ theo xác suất dừng (OP) M , K , N , D E 0.5 P 0.1 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình mơ tả đánh đổi xác suất dừng (OP) xác suất giải mã (DP) giao thức M , K , N , D E 0.5 P 0.1 Trong mô [1] J MITOLA, G Q J MAGUIRE, "Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal," IEEE Pers Commun., vol 6, no 4, pp 13 - 18, 1999 [2] H N VU, T D TRAN, H Y KONG, "An Optimal Cooperative Spectrum Sensing Method in Cognitive - 84 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Radio Network over Rayleigh Fading Channel,” Proc of IFIP Wireless Days, Niagara Falls, Canada, pp – 5, Oct 2011 [3] T T TRUC, H Y KONG, "Block-time of Arrival/Leaving Estimation to Enhance Local Spectrum Sensing under the Practical Traffic of Primary User,” Journal of Communications and Networks, vol 15, no 5, pp 514 – 526, Oct 2013 [4] T Q DUONG, V N Q BAO, H J ZEPERNICK, "Exact Outage Probability of Cognitive AF Relaying with Underlay Spectrum Sharing,” IET Electronics Letters, vol.47, no.17, pp 1001 - 1002, Aug 2011 [5] P N SON, H Y KONG, "Exact Outage Analysis of Energy Harvesting Underlay Cooperative Cognitive Networks,” IEICE Trans on Commun., vol E98-B, no 4, pp 661 - 672, Apr 2015 [6] T T DUY, G C ALEXANDROPOULOS, T T VU, N.-S VO, T Q DUONG, "Outage Performance of Cognitive Cooperative Networks with Relay Selection over Double-Rayleigh Fading Channels,” IET Communications, vol 10, no 1, pp 57 - 64, Jan 2016 [7] A D WYNER, “The Wire-tap Channel,” In: AT&T Bell Labs Tech J., vol 54, no 8, pp 1355 – 1387, Oct 1975 [8] P K GOPALA, L LAI, H E GAMAL, “On the Secrecy Capacity of Fading Channels,” IEEE Trans Inf Theory, vol 54, no 10, pp 4687 – 4698, Oct 2008 [9] I KRIKIDIS, “Opportunistic Relay Selection for Cooperative Networks with Secrecy Constraints,” IET Communications, vol 4, no 15, pp 1787 – 1791, Oct 2010 [10] L SUN, T ZHANG, Y LI, H NIU, “Performance Study of Two-Hop Amplify-and-Forward Systems With Untrustworthy Relay Nodes,'' IEEE Trans Veh Tech., vol 61, no 8, pp 3801 – 3807, Oct 2012 Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Personal Communications, vol 85, no 4, pp 2619 2641, Dec 2015 [13] Y ZOU, B CHAMPAGNE, W P ZHU, L HANZO, “Relay-Selection Improves the Security-Reliability Trade-Off in Cognitive Radio Systems,” IEEE Trans on Commun., vol 63, no 1, pp 215 – 228, Jan 2015 [14] M MATTHAIOU, A PAPADOGIANNIS, “Two-Way Relaying Under the Presence of Relay Transceiver Hardware Impairments,” IEEE Commun Lett., vol 17, no 6, pp 1136 1139, Jun 2013 [15] E BJORNSON, M MATTHAIOU, M DEBBAH, “New Look at Dual-hop Relaying: Performance Limits with Hardware Impairments,” IEEE Trans Commun., vol 61, no 11, pp 4512 - 4525, Nov 2013 [16] D T HUNG, T T DUY, D Q TRINH, V N Q BAO, T HANH, “Impact of Hardware Impairments on Secrecy Performance of Multi-hop Relay Networks in Presence of Multiple Eavesdroppers,” Proc of NICS2016, Danang city, Viet Nam, pp 113 – 118, Sep 2016 [17] P T D NGOC, T T DUY, V N Q BAO, N L NHAT, “Security-Reliability Analysis for Underlay Cognitive Radio Networks with Relay Selection Methods under Impact of Hardware Noises,” Proc of ATC2016, Hanoi, Viet Nam, pp 174 – 179, Otc 2016 [18] P T D NGOC, T T DUY, V N Q BAO, H V KHUONG, “Transmit Antenna Selection Protocols in Random Cognitive Networks under Impact of Hardware Impairments,” Proc of NICS2016, Danang city, Viet Nam, pp 38 – 43, Sep 2016 [19] P M QUANG, T T DUY AND V N Q BAO, “Energy Harvesting-based Spectrum Access Model in Overlay Cognitive Radio,” Proc of ATC2015, Ho Chi Minh city, Viet Nam, pp 231 – 236, Oct 2015 [11] Y LIU, L WANG, T T DUY, M ELKASHLAN, TRUNG Q DUONG, “Relay Selection for Security Enhancement in Cognitive Relay Networks,” IEEE Wireless Commun Lett., vol 4, no 1, pp 46 – 49, Feb 2015 [20] T T DUY AND H Y KONG, “Performance Analysis of Incremental Amplify-and-Forward Relaying Protocols with Nth Best Partial Relay Selection under Interference Constraint,” Wireless Personal Communications, vol 71, no 4, pp 2741 – 2757, Aug 2013 [12] D.-B HA, TUNG T VU, T T DUY, V N Q BAO, “Secure Cognitive Reactive Decode-and-Forward Relay Networks: With and Without Eavesdropper,” Wireless Nhận ngày: 10/11/2016 - 85 - Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ PHẠM THỊ ĐAN NGỌC VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO Sinh năm 1985 Năm sinh 1979 Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành vô tuyến Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng sở TP HCM năm 2013 Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành vô tuyến ĐH Ulsan, Hàn Quốc năm 2010 Được phong PGS năm 2014 Hiện cơng tác Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông sở Hiện công tác Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng sở TP HCM TP HCM Hướng nghiên cứu : thông tin vô tuyến, vô tuyến nhận thức khiếm khuyết phần cứng Hướng nghiên cứu: vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp vật lý thu thập lượng vô tuyến Email: ngocptd@ptithcm.edu.vn Email : baovnq@ptithcm.edu.vn TRẦN TRUNG DUY Sinh năm 1984 HỒ VĂN KHƢƠNG Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành vô tuyến ĐH Ulsan, Hàn Quốc năm 2013 Năm sinh 1978 Hiện giảng viên Khoa Viễn Thông 2, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng sở TP HCM Hướng nghiên cứu: khiếm khuyết phần cứng, bảo mật lớp vật lý thu hoạch lượng vô tuyến Email: trantrungduy@ptithcm.edu.vn Nhận Kỹ sư Thạc sĩ trường ĐH Bách Khoa TP HCM năm 2003, Tiến sĩ Đại học Ulsan, Hàn Quốc năm 2007 Hiện công tác trường ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc gia TP HCM Hướng nghiên cứu: kỹ thuật điều chế mã hóa, kỹ thuật phân tập, xử lý tín hiệu số, thu thập lượng, bảo mật lớp vật lý, vô tuyến nhận thức Email: khuong.hovan@gmail.com - 86 -