Nghiên cứu hiệu năng mạng truyền thông vô tuyến đa chặng trong điều kiện công suất phát hạn chế TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM PHẠM MINH NAM NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG TRONG ĐIỀU KIỆN CÔNG SUẤT PHÁT HẠN CHẾ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số chuyên ngành: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn khoa học 1: TS Trần Trung Duy Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phan Văn Ca Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Cấp Cơ sở họp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày 23 tháng 01 năm 2020 NHỮNG ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Đề xuất 1: Các cơng trình trước nghiên cứu sinh cho thấy hiệu mạng đa chặng thứ cấp (MUCRN) bị ảnh hưởng lớn từ yếu tố PUs mạng sơ cấp Dựa kết đó, nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp trang bị nhiều anten mạng sơ cấp với mong muốn tối ưu hiệu mạng sơ cấp Từ đó, trạm phát thứ cấp có hội nâng cao công suất phát, cải thiện hiệu mạng Do trạm thu phát có khả tính tốn hạn chế, kỹ thuật phân tập TAS/SC đề xuất sử dụng mạng sơ cấp có nhiều anten Kết nghiên cứu sinh cơng bố tạp chí SCIE (International Journal of Communication Systems - IJCS): P M Nam, T T Duy, and P V Ca, "End‐to‐end security‐reliability analysis of multi‐hop cognitive relaying protocol with TAS/SC‐based primary communication, total interference constraint and asymmetric fading channels," International Journal of Communication Systems, vol 32, no 2, pp 1-16, 2019 Đề xuất 2: Kỹ thuật thu hoạch lượng vô tuyến để truyền tin (SWIPT) giải pháp tốt để tăng tính linh động, thích nghi với hạ tầng sở truyền thông Tiếp tục kế thừa kết từ đề xuất 1, nghiên cứu sinh đề xuất nghiên cứu giải pháp trang bị nhiều anten mạng đa chặng MUCRN dùng phân tập thu/phát TAS/SC Kết hợp với kỹ thuật SWIPT, anten nâng cao hiệu truyền thơng mà cịn tăng mức thu hoạch lượng, góp phần cải thiện hiệu mạng Hai thông số hiệu bảo mật cần quan tâm SOP PNSC Các kết nghiên cứu nghiên cứu sinh đồng tác giả cơng bố tạp chí SCIE (Sensors): P T Tin, P M Nam, T T Duy, P T Tran, and M Voznak, "Secrecy Performance of TAS/SC-Based Multi-Hop Harvest-to-Transmit Cognitive WSNs Under Joint Constraint of Interference and Hardware Imperfection," Sensors, vol 19, no 5, p 1160, 2019 Đề xuất 3: Trong thực tế, nút mạng bố trí theo dạng lưới Vì vậy, thiết lập mạng MUCRN mạng lưới có trường hợp hai trạm trung gian gần khoảng cách địa lý (gần cự ly truyền thơng) xa xét theo xếp theo thứ tự truyền tin (cách qua nhiều chặng) Đề xuất nghiên cứu giao thức cộng tác trạm để trạm thu gần đích phát chuyển tiếp thơng tin khe thời gian kế tiếp, rút ngắn quãng đường thơng tin đến đích Các trạm thu phát có khả thu hoạch lượng vơ tuyến truyền tin bị hạn chế công suất phát Nghiên cứu tìm giá trị tối ưu hệ số phân chia thời gian α* kỹ thuật SWIPT trường hợp truyền tin thông thường truyền tin cộng tác Các kết nghiên cứu đề xuất nghiên cứu sinh cơng bố tạp chí SCIE (Electronics): P M Nam, T T Duy, P V Ca, P N Son, and N H An, "Outage Performance of Power Beacon-Aided Multi-Hop Cooperative Cognitive Radio Protocol Under Constraint of Interference and Hardware Noises," Electronics, vol 9, no 6, p 1054, 2020 Đề xuất 4: Các mơ hình đề xuất trước đặt bối cảnh có tuyến MUCRN truyền tin từ nguồn đến đích điều kiện hạn chế công suất phát Trong trường hợp xuất nhiều mạng đa chặng (tuyến đa chặng) truyền thơng tin từ nguồn đến đích, đề xuất đánh giá ba giao thức chọn đường BEST, MAXV, RAND, sử dụng mạng lưới gồm nhiều mạng MUCRN Nghiên cứu đồng thời so sánh ưu nhược điểm ba giao thức dựa yêu cầu CSI khác giao thức Kết nghiên cứu nghiên cứu sinh công bố hội nghị INISCOM2019, xuất Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering (SCOPUS) P M Nam, P V Ca, T T Duy, and K N Le, "Secrecy Performance Enhancement Using Path Selection over Cluster-Based Cognitive Radio Networks," in INISCOM2019, Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering, 2019, vol 293, pp 65-80: Springer Nature Switzerland AG NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN Luận án nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu truyền thông mạng MUCRN (Multi-hop Underlay Cognitive Radio Networks) bị ràng buộc cơng suất phát Bên cạnh đó, luận án nghiên cứu kỹ thuật thu hoạch lượng vô tuyến bảo mật lớp vật lý Đầu tiên, luận án đưa mơ hình chuyển tiếp đa chặng hiệu nhằm nâng cao hiệu mạng thứ cấp với điều kiện ràng buộc công suất phát ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ mạng sơ cấp Cụ thể, luận án đề xuất mô hình chọn đường, chuyển tiếp phân tập, chuyển tiếp cộng tác kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp hiệu Hơn nữa, luận án nghiên cứu mơ hình tổng qt mạng sơ cấp sử dụng kỹ thuật thu/phát có phân tập để nâng cao hiệu cho mạng sơ cấp, đồng thời nâng cao khả sử dụng phổ tần cho mạng thứ cấp Bên cạnh đó, tốn tối ưu số chặng, số anten nghiên cứu luận án Thứ hai, thiết bị vơ tuyến thứ cấp bị hạn chế kích thước lượng, kỹ thuật thu thập lượng sóng vơ tuyến sử dụng để cung cấp lượng cho thiết bị Luận án đề xuất mơ hình thu thập lượng hiệu từ trạm phát lượng đặt mạng thứ cấp Về mặt thiết kế, luận án thiết kế khoảng thời gian thu thập lượng tối ưu cho mạng chuyển tiếp đa chặng thứ cấp Kế tiếp, bảo mật thông tin cho mạng chuyển tiếp đa chặng vấn đề then chốt Do đó, luận án nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý cho mơ hình đề xuất Cụ thể, luận án nghiên cứu hiệu bảo mật đánh đổi độ tin cậy việc truyền liệu bảo mật thông tin Đối với mạng đa chặng đa anten, phân tập phát/thu theo dạng TAS/SC, đề xuất trang bị số lượng anten nhiều để giảm xác suất dừng bảo mật Đặc biệt, luận án đề xuất giải pháp chọn tuyến thông tin đa chặng theo ba giao thức BEST, MAXV, RAND có tính thực tiễn cao Hơn nữa, luận án đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác để đạt hiệu cao cho mạng chuyển tiếp đa chặng với nút thứ cấp đơn anten Cuối cùng, hiệu tất mơ hình đánh giá biểu thức toán học kiểm chứng xác thơng qua mơ Monte Carlo Bởi hầu hết biểu thức đưa dạng tường minh, nên chúng sử dụng hiệu việc đánh giá thiết kế hệ thống Hơn nữa, mơ hình đề xuất luận án cho thấy việc thiết kế mạng truyền thông đa chặng hoạt động điều kiện hạn chế công suất phát hoàn toàn khả thi Những đề xuất luận án triển khai hồn tồn nâng cao hiệu truyền thông bảo mật thông tin GIỚI THIỆU Lý chọn đề tài: Gần đây, việc giải khan phổ tần phục vụ thông tin vô tuyến ngày cấp bách Các mạng hệ WSNs, VANETs, MANET hoạt động đan xen với hạ tầng mạng sẵn có Mạng truyền thơng thứ cấp hoạt động chế độ vô tuyến nhận thức (UCRN) giải pháp tiết kiệm dải tần hiệu không cần cấp phát tần số Hơn nữa, môi trường thơng tin thay đổi liên tục khó khăn để trì kết nối ổn định, hiệu từ nguồn đến đích Chính vậy, mạng vơ tuyến đa chặng thứ cấp (MUCRN) giải pháp truyền tin hiệu so với truyền trực tiếp Bên cạnh đó, giải pháp cung cấp lượng truyền tin đồng thời (SWIPT) nên trang bị nhằm trì kết nối, kéo dài thời gian sống mạng nơi khơng có nguồn cung cấp Để bảo mật thông tin, bảo mật lớp vật lý (PLS) giải pháp thích hợp ứng dụng cho mạng có phần tử có khả xử lý thấp Với mục đích nghiên cứu giải pháp phục vụ cho yêu cầu thực tiễn trên, đề tài luận án “Nghiên cứu hiệu mạng truyền thông vô tuyến đa chặng điều kiện công suất phát hạn chế” nghiên cứu sinh lựa chọn để thực nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: a) Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần cách chia sẻ phổ tần mạng sơ cấp (PN) cho mạng đa chặng thứ cấp (MUCRN) b) Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu truyền thông mạng đa chặng mục tiêu nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) c) Đưa giải pháp nâng cao khả bảo mật truyền thông MUCRN phương pháp bảo mật lớp vật lý nhằm thích nghi với trạm thu phát có khả xử lí hạn chế d) Áp dụng khả thu thập lượng vô tuyến trạm phát MUCRN nhằm đa dạng hóa khả cung cấp nguồn, nâng cao hiệu sử dụng lượng, kéo dài thời gian sống mạng, tăng tính thực tiễn triển khai xây dựng mạng CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Đề cập đến phân tích chi tiết nghiên cứu sinh cơng trình trước lĩnh vực, bao gồm nghiên cứu quốc tế nước Từ phát triển hướng nghiên cứu phục vụ mục tiêu luận án Chi tiết trình bày từ trang 10 đến trang 27 toàn văn luận án CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đề cập ngắn gọn tảng lý thuyết kênh truyền vơ tuyến, mơ hình giao thức mạng đa chặng với giao thức báo hiệu MAC Lý thuyết chế độ hạn chế công suất phát, khiếm khuyết phần cứng, bảo mật lớp lý hay thu hoạch lượng vô tuyến truyền tin trình bày phần Chi tiết nội dung từ trang 28 đến trang 40 toàn văn luận án CHƢƠNG MẠNG ĐA CHẶNG THỨ CẤP GỒM CÁC TRẠM THU PHÁT BỐ TRÍ THEO TẦM NHÌN THẲNG 3.1 Giới thiệu Các cơng trình trước nghiên cứu sinh [C2, J9] cho thấy hiệu mạng đa chặng thứ cấp (MUCRN) bị ảnh hưởng lớn từ yếu tố PUs mạng sơ cấp Dựa kết đó, nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp trang bị nhiều anten mạng sơ cấp với mong muốn nâng cao hiệu mạng sơ cấp Từ cải thiện hiệu mạng thứ cấp 3.2 Mơ hình đề xuất Hình 3.1: Mơ hình mạng chuyển tiếp đa chặng với tầm nhìn thẳng Mạng sơ cấp (PN) có nhiều anten phân tập TAS/SC (Transmit Anten Selection / Selection Combining) Mạng thứ cấp MUCRN có thơng tin truyền từ S0 đến SK qua K chặng, sử dụng giao thức Half-duplex (HD) Tầm nhìn từ trạm thứ cấp đến trạm hay trạm nghe LOS Tầm nhìn từ mạng sơ cấp NLOS Trạm nghe E đánh chặn thông tin chặng 3.3 Phân tích hiệu 3.3.1 Xác suất dừng mạng sơ cấp Tối    P  I P  1    ưu: OPPN  1  exp  PP      NT N R (3.20),    I P   ln  PP P      OP  NT NR      1 (3.21)       3.3.2 Xác suất dừng mạng đa chặng thứ cấp Trường hợp Rician fading: K   x   4   N R 1   OPe2e    1   PS   exp   exp PS x dx   3.27   k k  x  1 x    m 0  k 1   K  k 1  N R 1 OPe2e   1   PS   m 0  k     5 x 4 exp    exp PSk x dx  (3.28)  5 x  m  1S P  5 x  m  1 Sk 1P  k 1     Trường hợp Rayleigh fading: K  NR 1 PSk  OPe2e      k 1 K  m0  NR 1 PS  k OPe2e 1     k 1 7  m0 9       exp  PS  E1 PS  ,  3.29  k  k         m  1Sk 1P PSk exp   9     m  1Sk 1P PSk  E1  9      (3.30)   3.3.3 Xác suất nghe mạng mục tiêu Trường hợp Rician fading: K  NR 1  k 1  m 0 K  N R 1  k 1  m 0 IP      PE   IP      PE     1 x  2 4  exp   exp PE x dx ,  3.32  1 x  3  1 x  3      4 exp   5 x   m 1S P 5 x   m 1Sk 1P k 1  5 x    exp PE x dx .(3.33)    Trường hợp Rayleigh fading: N R 1 K  PE   IP    1  k 1  K  k 1   m 0 IP    1  N R 1  m 0 6      exp  PE  E1  PE  . 3.34  6   6      m  1 Sk 1P P E    m  1 Sk 1P PE   P E  exp   E1   .(3.35)  8 8 8      3.4 Các kết đạt đƣợc: 3.4.1 Ảnh hưởng tỉ số SNR phát lên mức xuyên nhiễu trạm thu sơ cấp Nghiên cứu cho thấy giá trị ngưỡng IP tăng với εOP 3.4.2 Xác suất dừng mạng đa chặng thứ cấp Hình 3.3 cho thấy với miền cơng suất phát (Δ) đủ lớn, đặc tuyến OPe2e dần hội tụ giá trị tiệm cận Δ > 20dB Hiệu cải thiện vượt trội bố trí trạm theo tầm nhìn thẳng LOS (KD ≠ 0) so với NLOS (KD = 0) Giá trị KD lớn, hiệu cải thiện Hình 3.3: OPe2e vẽ theo Δ 3.4.3 Xác suất nghe mạng đa chặng Trong Hình 3.4, trạm nghe cách xa mạng đa chặng thứ cấp (yE = 0.4) khả nghe giảm so với bố trí gần mạng (yE = 0.3) Hình 3.4: IP vẽ theo Δ 3.4.4 Ảnh hưởng số chặng thứ cấp lên hiệu hệ thống Hình 3.5: OPe2e vẽ theo số chặng K Trong Hình 3.5, số chặng K = tối ưu đặt mục tiêu xác suất dừng OPe2e thấp Hơn nữa, mạng đa chặng (3 chặng) hiệu mạng dual-hop (2 chặng) trường hợp khảo sát Nghiên cứu kết luận việc trang bị nhiều anten thu phát mạng sơ cấp cải thiện đáng kể hiệu mạng đa chặng 3.4.5 Ảnh hưởng phân bố anten phát thu lên hiệu mạng đa chặng Hình 3.7: OPe2e theo số anten NT Hình 3.7 khảo sát trường hợp thay đổi số lượng anten đầu phát giữ nguyên tổng số anten tuyến sơ cấp NT + NR = 10 Kết cho thấy lựa chọn số lượng anten phát tối ưu cho OPe2e thấp Nghĩa lượng anten phân phối hợp lý số lượng thu phát cải thiện hiệu tốt Hình 3.8 cho thấy IP giảm lớn 6% KE giảm từ 15 xuống Do đó, để giảm IP mà khơng ảnh hưởng nhiều đến hiệu truyền thông, cần thiết kế tuyến thông tin cho hệ số KE nhỏ Hình 3.8: IP theo số ăng ten phát NT 3.5 Kết luận chƣơng SNR phát trạm sơ cấp ảnh hưởng đến OPe2e mạng thứ cấp nhỏ 20dB Ngoài miền trên, hiệu mạng đa chặng thứ cấp không thay đổi Nhiều anten cải thiện OPe2e mạng đa chặng làm tăng IP Tuy nhiên, có tổng số anten việc phân phối hợp lý anten trạm phát/thu mạng sơ cấp đạt hiệu mạng đa chặng tốt Tăng số chặng K lớn cải thiện IP làm tăng OPe2e Ngược lại, K nhỏ, tồn giá trị số chặng tối ưu K* để OPe2e nhỏ Kết mô cho thấy mạng đa chặng (3 chặng) tối ưu tốt mạng dual-hop hiệu OPe2e điều kiện truyền tin OPe2e thấp hệ số Rician K-factor trạm mạng đa chặng thứ cấp lớn Ngược lại, IP giảm giá trị Rician K-factor thấp kênh nghe 4.4 Các kết đạt đƣợc 4.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất phát trung bình Hình 4.3: Cơng suất phát trung bình trạm thứ cấp theo vị trí PB, PU Cơng suất trung bình trạm thứ cấp phụ thuộc vào cơng suất tối đa danh định trạm phát vị trí tương quan chúng với trạm phát lượng (PB) hay trạm thu sơ cấp (PU) 4.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến xác suất dừng bảo mật Hình 4.4: SOP 0& 3,v Hình 4.5: SOP 0 0& 3,v Các Hình 4.4, Hình 4.5 Hình 4.6 vẽ với thơng số D2 , E2 khác Hình 4.6: SOP 0& 3,v kiểm chứng tính đắn SOP mục 4.3 Trong hình 4.7, SOP có xu hướng tăng tăng giá trị hệ số phân chia thời gian thu hoạch lượng vơ tuyến α Vì vậy, đề xuất thiết kế hệ số α vùng giá trị thấp có hiệu bảo mật tốt Ngồi ra, mức 11 khiếm khuyết phần cứng kênh D nhỏ kênh nghe E làm giảm SOP Về ảnh hưởng số anten, Hình 4.8 cho thấy số lượng anten trang bị trạm thứ cấp nhiều SOP có xu hướng giảm trạm nghe trang bị số anten tương đương Hình 4.8: SOP theo K số anten Hình 4.7: Ảnh hưởng α lên SOP 4.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến xác suất dung lượng bảo mật khác khơng Hình 4.9: PNSC theo cơng suất phát Hình 4.10: PNSC theo K số anten Hình 4.9 vẽ đặc tuyến PNSC theo cơng suất PS với tương quan mức khiếm khuyết phần cứng D2 , E2 khác Khi D2 E , giá trị PNSC không phụ thuộc PS Khi trường hợp D D E E , có gia tăng PNSC tăng PS Ngược lại, , PNSC giảm PS lớn Quan sát PNSC lần Hình 4.10 cho thấy PNSC suy giảm nhanh E D D vượt qua giá trị mốc 0.2 Điều khẳng định tầm quan trọng thiết kế mạng có E cải thiện thông số hiệu bảo mật PNSC mạng đa chặng đa anten 12 4.5 Kết luận chƣơng Giá trị SOP thấp mức khiếm khuyết phần cứng (HI) kênh thấp Đặc biệt, HI tuyến thấp tuyến nghe E D hiệu cải thiện SOP PNSC SOP PS lớn 20 (dB) gần đặc tính tiệm cận Trong miền nhỏ hơn, tìm cơng suất phát tối ưu để SOP thấp trường hợp cụ thể SOP tăng trạm nghe tăng số lượng anten NE trạm thu phát giữ nguyên số lượng anten ND Ở chiều ngược lại, SOP thấp trạm thứ cấp trang bị nhiều anten (ND lớn) cho dù trạm nghe trang bị giống (ND = NE) Ngoài ra, thiết kế K lớn nâng cao hiệu nhờ kéo giảm SOP trường hợp ND = NE SOP giảm nhanh α thấp, nhiên nghiên cứu chưa tìm mức tối ưu α* Việc tìm kiếm giá trị tối ưu nằm phần sau luận án CHƢƠNG TRUYỀN TIN CỘNG TÁC TRONG MẠNG ĐA CHẶNG THỨ CẤP CĨ THU HOẠCH NĂNG LƢỢNG VƠ TUYẾN 5.1 Giới thiệu Trong hai chương trước, luận án sử dụng giao thức trạm trung gian bắt buộc chuyển tiếp thông tin theo thứ tự xếp từ nguồn đến đích (thơng tin bắt buộc qua tất trạm trung gian trước đến trạm đích) Vấn đề đặt thông tin truyền phép bỏ qua số trạm trung gian chuyển tiếp hiệu mạng dự đốn nâng cao thay phải qua hết tất trạm trung gian Trong chương này, luận án đề xuất nghiên cứu giao thức cộng tác truyền tin trạm thu phát tuyến thông tin mạng MUCRN Các trạm thu phát có khả thu hoạch lượng vơ tuyến truyền tin bị hạn chế công suất phát Tiếp theo chương 4, luận án nghiên cứu tìm giá trị tối ưu hệ số phân chia thời gian α* kỹ thuật SWIPT trường hợp truyền tin thông thường (DIRECT) truyền tin cộng tác (COOP) 13 5.2 Mơ hình đề xuất Hình 5.1: Mơ hình mạng đa chặng cộng tác có thu hoạch lượng vơ tuyến Mơ hình hoạt động mạng đơn anten MUCRN tương tự chương trước Điểm khác biệt thông tin từ Sk phát đến Sk+1 nhận chuyển tiếp Sk+i (i>k) thay mặc định Sk+1 Ngồi ra, tất trạm mạng MUCRN thu hoạch lượng vô tuyến để truyền tin theo giao thức HD 5.3 Phân tích hiệu 5.3.1 Cơng suất trạm phát thứ cấp Công suất rút công thức (5.10) (5.12) toàn văn luận án 5.3.2 Truyền thông điểm – điểm St OPStSr    N B 1  p!  PBS S S   t p 0 N B 1 L  t r  1q 1 2CLq Sr  K1 p PBSt StSr   PBS   p 1 t p! p  q 1 p 1 StSr  1  p 1    K1 p PBSt 1 ,(5.17) 5.3.3 Truyền thông điểm – đa điểm Trường hợp H   : OP công thức (5.21) OPSt H ,G    PBS    p p! t  1r 1 m    p r  l1 l2  lr 1, l1 l2  lr N B 1 L m m    p q r  p 1 1 l1 l2  lr 1, l1 l2  lr p!  PBSt 4   1 r q p! 2CLq N B 1 L q 1     1 p! 2C  K p 1 PBSt   N B 1 m  N B 1 p 1 p 0 q 1  K p 1 PBSt   PBSt  p 1 q L   6  p 1   K p 1 PBSt 6 Trường hợp H   : OP công thức (5.24) 14  PBSt   p 1  2 5  p 1  K p 1 PBSt 5  OPSt  ,G   N B 1 m m    p 0 r 1 l l  l 1  N B 1 L m r    p 0 q 1 r 1 l l  l 1 r 1 p! ,  PBSt 3  p 1  K p 1 PBSt 3  l1 l2  lr m  1 r  1 , r q p! 2CLq p 1  PBSt  3    p 1   K p 1 PBSt 7 , l1 l2  lr 5.3.4 Truyền thông từ nguồn đến đích Giao thức truyền thơng qua chặng DIRECT: p 1  NB 1 PBSk 1 Sk 1Sk   K1 p PBSk 1 Sk 1Sk     K p 0 p ! OP DIRECT     q1 N B 1 L p 1 p 1 1 k 1       2CKq  PBS   S S  1  K1 p PBS 1 k 1 k 1 k k 1  p 0 q 1 p !           Giao thức truyền thông cộng tác COOP: OPCOOP   OP  COOP S0 H1 ,G1 H1 ,G1 Số chặng giới hạn tối đa từ nguồn đến đích: K max  (1   ) log (1  1/  D2 ) / Rth  5.4 Những kết đạt đƣợc 5.4.1 Ảnh hưởng số lượng trạm phát lượng số trạm sơ cấp Trong giá trị NB L vẽ, xác suất dừng OP COOP thấp DIRECT, đặc biệt vùng Δ lớn Độ dốc đặc tuyến cho thấy độ lợi phân tập COOP cao hẳn DIRECT Bên cạnh đó, xác suất dừng hai giao thức giảm NB lớn L nhỏ Hình 5.4: Ảnh hưởng NB L 15 5.4.2 Ảnh hưởng số chặng mạng thứ cấp Hình 5.6: Ảnh hưởng K,α lên đặc tuyến OP Hình 5.5: OPDIRECT OPCOOP với giá trị K khác Hình 5.5 cho giá trị tốt OP đạt với K = hai giao thức DIRECT COOP Nghĩa K = hiệu mạng tốt so với giảm K = hay tăng lên K = Vì vậy, kết cho thấy có tồn giá trị số chặng tối ưu K* để OP thấp DIRECT COOP Hình 5.6 lại cho thấy K* phụ thuộc vào α khác hai giao thức Hơn nữa, K K max OP =1 5.4.3 Ảnh hưởng hệ số phân chia thời gian thu hoạch lượng Hình 5.7: OP vẽ α = 0.05 so sánh K* với K 2, K Hình 5.8: Ảnh hưởng α lên OP 16 Hình 5.10: Ảnh hưởng Hình 5.9: Vẽ giá trị α* theo K D lên OP Hình 5.7 cho thấy ưu điểm vượt trội OP chọn số chặng thiết kế tối ưu K* so với giá trị K không tối ưu với hệ số thời gian thu hoạch lượng α = 0.05 Do đó, đề xuất cần tối ưu K khơng thể thay đổi α Ngược lại, Hình 5.9 đưa giá trị tối ưu hệ số thời gian α* tuỳ theo số chặng K Dựa vào số liệu trên, tối ưu hệ số α số chặng K mạng không thay đổi Trong hình Hình 5.10, xác suất dừng hai giao thức D D,max 5.5 Kết luận chƣơng Xác suất dừng OPCOOP nhỏ OPDIRECT Độ lợi phân tập giao thức COOP cao DIRECT Ngoài ra, số trạm phát lượng N B lớn OP cải thiện Ngược lại, số trạm sơ cấp nhiều (L lớn) OP giảm COOP DIRECT Với giá trị α, tìm thấy số chặng thiết kế tối ưu K* để OP tốt Nghiên cứu cho thấy K*(COOP) thường lớn K*(DIRECT) Ở chiều ngược lại, với K giá trị tối ưu α* có xu hướng thấp K lớn dù giao thức DIRECT hay COOP Tuy nhiên giá trị α* COOP cao DIRECT điều kiện khảo sát Ngồi ra, mức khiếm khuyết phần cứng (HI) ảnh hưởng đến giá trị α* HI thấp cải thiện hiệu tốt Nếu HI vượt giá trị giới hạn hay K K max OP = 17 D,max CHƢƠNG PHƢƠNG THỨC CHỌN ĐƢỜNG ĐI TRONG MẠNG ĐA CHẶNG THỨ CẤP DẠNG CỤM 6.1 Giới thiệu Trong cấu trúc mạng vô tuyến MANETs, WSNs, V2V, nút mạng (các trạm thu phát) bố trí xếp theo hình lưới Vì vậy, có đồng thời nhiều tuyến thơng tin MUCRN mạng lưới thực chuyển thơng tin từ nguồn đến đích Ngồi giải pháp tắt qua trạm thu phát tuyến MUCRN cố định nghiên cứu chương 5, vấn đề cần nghiên cứu chọn tuyến đa chặng phù hợp M tuyến MUCRN sẵn sàng truyền tin? Nếu có giải pháp chọn tuyến MUCRN tốt theo tiêu chí cho trước đồng nghĩa với giải pháp cải thiện hiệu mạng lưới Nội dung Chương trình bày sau đề cập đến ba giao thức chọn đường BEST, MAXV, RAND mạng lưới gồm nhiều tuyến MUCRN đồng thời so sánh ưu nhược điểm ba giao thức 6.2 Mơ hình đề xuất Hình 6.1: Mơ hình tổng qt M tuyến đa chặng Hình 6.2: Tuyến đa chặng thứ m Có M tuyến MUCRN mạng lưới Giả định tuyến thứ m chọn có Km+1 cụm gồm cụm nguồn (S), cụm đích (D) cụm chuyển tiếp (Sm,k ) 18 Mỗi cụm có Nm,k trạm thu phát Trong cụm phát có trạm phát tin gọi Tm,k Trong cụm thu có trạm thu Tm,k trạm phát jamming gọi J m , k 6.3 Phân tích hiệu 6.3.1 Xác suất dừng mạng sơ cấp Tm,k 1PR PP Jm,k PR PP    K m 1PT PR P Km 1  (6.10) OPm  1-exp   PP   k 1  Tm,k 1PR PP PT PR PTm ,k 1 P Jm,k PR PP PT PR PJm ,k  P  6.3.2 Cấp phát công suất mạng thứ cấp Qm,k  Tm,k PR PP     1    exp   K m  1 PT PR P   2 Km 1  1 (6.14)  OP    PT PR P  PP     6.3.3 Xác suất dung lượng bảo mật khác không MUCRN thứ m PNSCm  Km 1  Nm , k  1    v 1 k 1   CNv 0,k ,vk  I1,k ,v  I 2,k ,v  I3,k ,v  I 4,k ,v .(6.16  6.18) v 1  m ,k 6.3.4 Các giao thức chọn mạng MUCRN M Giao thức BEST: PNSC BEST    1  PNSC m  m1 Giao thức MAXV: PNSCMAXV  max m 1,2, , M  PNSCm  Giao thức RAND: PNSCRAND  M M  PNSCm m1 6.4 Các kết đạt đƣợc 6.4.1 Ảnh hưởng công suất phát sơ cấp đến mức hạn chế công suất thứ cấp Hình 6.3: Ảnh hưởng PP đến Q1,k tuyến thông tin chặng Kết cho thấy tương quan vị trí cụm trung gian S1,k so với PR khác nên mức công suất bị hạn chế khác 19 6.4.2 Ảnh hưởng công suất phát trạm sơ cấp lên PNSC mạng thứ cấp Hình 6.4: Ảnh hưởng PP lên PNSC ba giao thức Nhìn chung, ba giao thức cải thiện tăng PP Tuy nhiên, mức độ cải thiện vùng PP thấp Khi PP đủ lớn, PNSC thay đổi 6.4.3 Ảnh hưởng vị trí trạm nghe lên xác suất bảo mật khác không Hình 6.5: Ảnh hưởng vị trí trạm nghe lên PNSC PNSC thấp ba giao thức (0.5, 0) thực di chuyển trạm nghe theo trục xE = 0.5 Do trạm nghe điểm có vị trí gần trạm phát thứ cấp quỹ đạo dịch chuyển Vì vậy, thiết kế mạng cần có giải pháp phân luồng tuyến để thay cho tuyến thông tin gần trạm nghe 6.5 Kết luận chƣơng Công suất phát sơ cấp PP ảnh hưởng đến PNSC mạng MUCRN có giá trị nhỏ 20 (dB) gần không thay đổi vùng giá trị lớn Giao thức BEST đạt hiệu cao nhất, giao thức MAXV đạt thứ hai, giao thức RAND thấp Tuy nhiên để sử dụng giao thức có hiệu cao địi hỏi mức tính tốn, ước lượng CSI lớn vốn khơng thích hợp với trạm có lực xử lý thấp Vị trí trạm nghe ảnh hưởng lớn đến bảo mật Vì vậy, luận án đề xuất thiết kế mạng hay thực định tuyến mạng đa chặng cần có giải pháp phân luồng tuyến hợp lý để tránh sử dụng tuyến thông tin gần trạm nghe lén, không đảm bảo hiệu bảo mật 20 CHƢƠNG KẾT LUẬN 7.1 Kết luận đóng góp luận án Với mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tồn mơ hình mạng luận án mạng vô tuyến đa chặng bị hạn chế công suất phát Trong mơ hình thứ (từ chương 3), nghiên cứu cho thấy trường hợp trạm thu phát sơ cấp trạm thu phát thứ cấp có xảy can nhiễu lẫn mức cơng suất phát trạm sơ cấp có ảnh hưởng đến hiệu mạng đa chặng thứ cấp Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng đáng kể công suất nhỏ 20 (dB) Khi công suất lớn giá trị này, hiệu mạng đa chặng giữ nguyên Điều khẳng định lại kết luận Chương Trong trường hợp trạm đa chặng thứ cấp không cấp nguồn đặt cách xa trạm phát sơ cấp, luận án đề xuất sử dụng kỹ thuật thu hoạch lượng vô tuyến tạo công suất phát trạm Kết nghiên cứu (từ Chương 5) kết luận công suất trạm thứ cấp phụ thuộc nhiều vào số lượng trạm thu sơ cấp (PU), trạm phát lượng (PB) với vị trí tương quan trạm phát so với trạm PU hay PB Từ đó, luận án kết luận việc hạn chế công suất phát để thực truyền thông mạng đa chặng hoàn toàn khả thi tin cậy, góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số, kể trường hợp không cấp lượng từ nguồn điện trực tiếp Để nghiên cứu hiệu truyền thông mạng vô tuyến đa chặng MUCRN, luận án quan tâm đến thông số hiệu xác suất dừng từ nguồn đến đích (OP) đưa nhiều giải pháp để nâng cao hiệu mạng Giải pháp thứ xây dựng mạng đa chặng có trạm thu phát liền kề nằm tầm nhìn thẳng LOS Nghiên cứu (trong Chương 3) cho thấy xác suất dừng OP mạng có tầm nhìn thẳng thấp hẳn so với trường hợp ngược lại (NLOS) Sự chênh lệch OP phụ thuộc vào hệ số K-factor kênh truyền Rician Mức độ cải thiện hiệu lớn thiết kế giá trị Rician K-factor kênh truyền lớn Cụ thể KD = 10 có OP = 0.17, so sánh với KD = có OP = 0.6 Giải pháp sử dụng kỹ thuật đa anten với phân tập TAS/SC mạng sơ cấp Kết nghiên cứu cho thấy giải pháp hiệu để giảm OP mạng đa chặng thứ cấp số lượng anten trang bị nhiều Trong trường hợp tăng số lượng anten việc phân chia hợp lý số lượng anten có trạm phát trạm thu sơ cấp có tác dụng cải thiện hiệu mạng đa chặng mục tiêu Giải pháp thứ ba (trình bày Chương 5) dùng kỹ thuật truyền thông cộng tác để nâng cao hiệu mạng 21 Cụ thể, giao thức truyền thông cộng tác COOP đề xuất, thơng tin tắt để trạm đích sớm Kết nghiên cứu cho thấy độ lợi phân tập giao thức truyền thông cộng tác COOP đề xuất vượt trội so với giao thức truyền thông thường DIRECT, góp phần chứng minh hiệu đề xuất việc nâng cao hiệu truyền thông Dựa vào kết thu được, luận án đề xuất thiết kế số chặng tối ưu mạng MUCRN để giảm xác suất dừng Các kịch nghiên cứu cho thấy mạng đa chặng thiết kế với số chặng tối ưu có hiệu tốt mạng hai chặng điều kiện truyền tin Tiếp tục nghiên cứu hiệu bảo mật thông tin phương pháp bảo mật lớp vật lý, luận án tập trung đánh giá đưa nhiều đề xuất để cải thiện hiệu bảo mật Đa số giải pháp cải thiện OP dẫn đến tăng xác suất nghe thông tin (IP) mạng đa chặng Do đó, đề xuất cần cân yếu tố truyền thông yếu tố bảo mật thiết kế mạng đa chặng Kết Chương cho thấy giải pháp khác không cần đánh đổi OP giảm phần IP Đó thiết kế mạng có giá trị Rician K-factor thấp kênh nghe (IP giảm lớn 6% KE từ 15 xuống 0) Giải pháp sử dụng kỹ thuật đa anten với phân tập TAS/SC mạng đa chặng (trình bày chương 4) Qua nghiên cứu, luận án đề xuất trang bị số lượng anten nhiều để giảm xác suất dừng bảo mật SOP Ngoài ra, giải pháp tăng hiệu kết hợp với tăng số chặng mạng mục tiêu, trạm nghe tăng số anten trạm Xét thông số hiệu xác suất dung lượng bảo mật khác không (PNSC), luận án đề xuất sử dụng công nghệ có mức khiếm khuyết phần cứng (HI) thấp mạng đa chặng để tăng PNSC Cụ thể hơn, HI trạm thu phát đa chặng thấp trạm nghe Giải pháp thứ ba nhằm nâng cao hiệu bảo mật dựa vào PNSC để chọn tuyến thơng tin đa chặng (trình bày Chương 6) Luận án nghiên cứu so sánh ba giao thức đề xuất BEST, MAXV, RAND phù hợp tình trạng mạng khác Giao thức BEST đạt hiệu bảo mật cao nhất, giao thức MAXV đạt thứ hai, giao thức RAND thấp Tuy nhiên, giao thức BEST địi hỏi mức tính tốn, ước lượng CSI đầy đủ, vốn khơng thích hợp với trạm có lực xử lý thấp Ngoài ra, hiệu bảo mật phụ thuộc lớn vào vị trí trạm nghe lén, luận án đề xuất giải pháp thứ tư thiết kế mạng hay thực định tuyến mạng đa chặng cần có kịch phân luồng tuyến hợp lý để 22 tránh sử dụng tuyến thông tin gần trạm nghe lén, không đảm bảo an tồn thơng tin Cuối cùng, luận án nghiên cứu ảnh hưởng việc thu thập lượng vô tuyến truyền tin (SWIPT) lên hiệu mạng đa chặng Tương tự đề cập trước đó, việc tăng số lượng anten trạm thu phát tăng lượng thu hoạch được, góp phần tăng cơng suất phát mạng thứ cấp, giảm SOP (trình bày Chương 4) Vì vậy, luận án đề xuất thiết kế hệ số thời gian thu hoạch (α) nhỏ để dành nhiều thời gian truyền tin, cải thiện hiệu mạng đa chặng đa anten Đối với mạng đa chặng đơn anten (trình bày Chương 5), kết nghiên cứu cho thấy có tồn giá trị α tối ưu (α*) để hiệu tốt nhất, phù hợp với kết cơng trình trước dual-hop [44, 79] hay multihop [138] Đặc biệt hơn, luận án đưa mối liên hệ α* với thông số thiết kế mạng khác số chặng K hay giao thức truyền tin dùng mạng Giải pháp tối ưu hiệu mạng đưa trường hợp mạng sử dụng giao thức có giá trị α thay đổi, luận án đề xuất thiết kế tối ưu số chặng K = K* Ngược lại, mạng có sẵn khơng thể thay đổi số chặng K, luận án đề xuất sử dụng hệ số thời gian thu hoạch α = α* tùy theo K để tăng hiệu Toàn kết luận luận án cho thấy việc thiết kế mạng truyền thông đa chặng hoạt động điều kiện hạn chế cơng suất phát hồn tồn khả thi Để mạng hoạt động hiệu quả, nghiên cứu chứng minh giải pháp nguồn thay từ sóng vơ tuyến để truyền tin Hơn nữa, luận án đưa nhiều đề xuất có giá trị nhằm đạt hiệu truyền thông hiệu bảo mật mạng tốt 7.2 Hƣớng phát triển luận án Mặc dù có đóng góp cụ thể luận án chưa thể nghiên cứu hết giải pháp để đạt mục tiêu ban đầu Một số hướng nghiên cứu phát triển mở rộng thời gian tới sau: - Sử dụng đặc tả kênh truyền dạng tổng quát Nakagami-m, Generalized-K cho kênh truyền vô tuyến liên quan - Ứng dụng kỹ thuật truyền thông vào mạng đa chặng NOMA, Massive MIMO - Nghiên cứu hiệu mạng đa chặng hai chiều (two-way) hay mạng đa chặng song công (full-duplex) 23 - Phát triển giao thức hiệu việc chọn đường đi, giao thức truy nhập lớp MAC thích hợp mơi trường mạng lưới - o0o - 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ P M Nam, T T Duy, P V Ca, P N Son, and N H An, "Outage Performance of Power BeaconAided Multi-Hop Cooperative Cognitive Radio Protocol Under Constraint of Interference and Hardware Noises," Electronics, vol 9, no 6, p 1054, 2020 (SCIE – IF 2.42) P M Nam, T T Duy, and P V Ca, "End-to-end security-reliability analysis of multi-hop cognitive relaying protocol with TAS/SC-based primary communication, total interference constraint and asymmetric fading channels," International Journal of Communication Systems, vol 32, no 2, pp 1-16, 2019 (SCIE – IF 1.278) M N Pham, "On the secrecy outage probability and performance trade-off of the multi-hop cognitive relay networks," Telecommunication Systems, vol 73, no 3, pp 349-358, 2020 (SCIE – IF 1.99) P M Nam, D.-T Do, N T Tung, and P T Tin, "Energy harvesting assisted cognitive radio: random location-based transceivers scheme and performance analysis," Telecommunication Systems, vol 65, no 1, pp 123–132, 2018 (SCIE – IF 1.99) P M Nam, T T Duy, and P V Ca, "Performance of Cluster-based Cognitive Multihop Networks under Joint Impact of Hardware Noises and Non-identical Primary Co-channel Interference," TELKOMNIKA Telecommunication, Computing, Electronics and Control, vol 17, no 1, 2019 (SCOPUS) P T Tin, P M Nam, T T Duy, P T Tran, and M Voznak, "Secrecy Performance of TAS/SC-Based Multi-Hop Harvest-to-Transmit Cognitive WSNs Under Joint Constraint of Interference and Hardware Imperfection," Sensors, vol 19, no 5, p 1160, 2019 (SCIE – IF 3.031) N T Tung, P M Nam, and P T Tin, "Performance evaluation of two-way with energy harvesting and hardware noises," Digital Communications and Networks, 2020 (SCIE – IF 3.41) T T Nguyen, N M Pham, and D T Do, "Wireless powered underlay cognitive radio network with multiple primary transceivers: Energy constraint, node arrangement, and performance analysis," International Journal of Communication Systems, vol 30, no 18, pp 1-11, 2017 (SCIE – IF 1.278) P T Tin, P M Nam, T T Duy, and M Voznak, "Security–Reliability Analysis for a Cognitive Multihop Protocol in Cluster Networks with Hardware Imperfections," IEIE Transactions on Smart Processing & Computing, vol 6, no 3, pp 200-209, 2017 2017 10 P M Nam and P T Tin, "Analysis of Security-Reliability Trade-off for Multi-hop Cognitive Relaying Protocol with TAS/SC Technique," Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, vol 5, no 5, pp 54-62, 2020 11 P M Nam, P V Ca, T T Duy, and K N Le, "Secrecy Performance Enhancement Using Path Selection over Cluster-Based Cognitive Radio Networks," in INISCOM2019, Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering, Springer, vol 293, pp 65-80, 2019 (SCOPUS) 12 P M Nam, P V Ca, P V Tuan, T T Duy, and V N Q Bao, "Security versus Reliability Study for Multi-hop Cognitive M2M Networks With Joint Impact of Interference Constraint and Hardware Noises," presented at the International Conference on Advanced Technologies for Communications, Ho Chi Minh, 2018 (IEEE Indexed) 13 P T Tin, P M Nam, T T Duy, T T Phuong, and M Voznak, "Throughput Analysis of Power Beacon-Aided Multi-hop Relaying Networks Employing Non-Orthogonal Multiple Access With Hardware Impairments," presented at the AETA2018, part of the Lecture Notes in Electrical Engineering book series Ostrava-Poruba, Czech Republic 2018 14 N X Tuyên, P M Nam, T T Duy, and P V Ca, "Phân tích hiệu mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng NOMA ảnh hưởng giao thoa đồng kênh khiếm khuyết phần cứng," in Hội thảo Quốc gia lần thứ XXII điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT 2019), Hanoi, Vietnam, 2019, vol 2, pp 106-111 ... tài luận án ? ?Nghiên cứu hiệu mạng truyền thông vô tuyến đa chặng điều kiện công suất phát hạn chế? ?? nghiên cứu sinh lựa chọn để thực nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: a) Nâng cao hiệu suất sử dụng... đề xuất trước đặt bối cảnh có tuyến MUCRN truyền tin từ nguồn đến đích điều kiện hạn chế công suất phát Trong trường hợp xuất nhiều mạng đa chặng (tuyến đa chặng) truyền thơng tin từ nguồn đến... thiết kế mạng truyền thông đa chặng hoạt động điều kiện hạn chế cơng suất phát hồn toàn khả thi Để mạng hoạt động hiệu quả, nghiên cứu chứng minh giải pháp nguồn thay từ sóng vơ tuyến để truyền