Hình 4.1: Ảnh hƣởng tỉ lệ phân chia năng lƣợng và thời gian thu thập năng lƣợng tƣơng ứng trong hình thức phân chia năng lƣợng PS và
chuyển đổi thời gian TS lên xác suất dừng bảo mật,
0.5 / /
th
R bits s Hz
4.2.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ và
Hình 4.1 cho thấy ảnh hƣởng của tỉ lệ phân chia năng lƣợng dƣới hình thức phân chia năng lƣợng PS và thời gian thu thập năng lƣợng trong hình thức chuyển đổi thời gian TS lên xác suất dừng bảo mật. Trong hình thức PS, khi tăng
, xác suất dừng bảo mật giảm đến giá trị tối thiểu. Giá trị tƣơng ứng với xác suất dừng bảo mật nhỏ nhất chính là giá trị tối ƣu của . Nếu ta tăng vƣợt qua giá trị tối ƣu thì xác suất dừng bảo mật cũng tăng theo. Điều này là do khi tăng lên, nút chuyển tiếp sẽ thu nhiều năng lƣợng hơn do đó tăng cơng suất phát của nút chuyển tiếp làm cƣờng độ tín hiệu thơng tin thu đƣợc tại nút đích tăng lên. Nhƣng tăng lại làm giảm cƣờng độ tín hiệu thơng tin thu đƣợc tại nút chuyển tiếp do đó
Luận văn Chƣơng 4 làm giảm SNR nhận đƣợc SNRR. Điều này làm tăng tốc độ bảo mật truyền thông mà làm giảm xác suất dừng bảo mật. Nhƣng một khi vƣợt qua giá trị tối ƣu, cƣờng độ kém của tín hiệu nhận đƣợc sẽ tác động xấu đến xác suất dừng bảo mật. Do đƣợc khuếch đại từ tín hiệu yếu, nên nút chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nhiễu làm giảm SNR nhận đƣợc SNRD tại điểm đích. Sự gia tăng năng lƣợng thu thập do tăng làm cho công suất truyền tăng cao hơn ở nút chuyển tiếp nhƣng không thể bù đắp mất mát do cƣờng độ tín hiệu suy giảm. Điều này đẩy mức độ bảo mật của truyền thơng nguồn – đích vào trạng thái dừng nhiều hơn tƣơng ứng với xác suất dừng tăng.
Hình 4.1 cũng cho thấy trong hình thức TS khi thời gian thu thập năng lƣợng
tăng, xác suất dừng bảo mật giảm từ giá trị ban đầu cho đến giá trị nhỏ nhất trƣơng ứng khi đó với giá trị tối ƣu của . Tuy nhiên, xác suất dừng bảo mật bắt đầu tăng khi vƣợt qua khỏi giá trị tối ƣu của nó. Điều này bởi vì khi tăng, nút chuyển tiếp dành nhiều thời gian hơn để thu thập năng lƣợng làm tăng công suất truyền phát nâng cao SNR nhận đƣợc tại điểm đích. Trong khi tăng làm giảm thời gian xử lý thông tin ở cả nút chuyển tiếp và nút đích. Việc giảm thời gian xử lý thông tin tại nút chuyển tiếp đối mặt với hai ảnh hƣởng chính đến xác suất dừng bảo mật. Thứ nhất, nó làm giảm sự tiếp nhận tín hiệu tại nút chuyển tiếp do đó làm tăng xác suất dừng bảo mật. Thứ hai, kể từ khi khuếch đại và chuyển tiếp các tín hiệu nhận đƣợc đến đích, việc tiếp nhận tại điểm đích cũng giảm làm tăng xác suất dừng bảo mật. Khi xét giá trị nhỏ hơn giá trị tối ƣu của nó và trong quá trình tăng, năng lƣợng thu thập tại nút chuyển tiếp tăng và xác suất dừng bảo mật giảm. Khi vƣợt qua giá trị tối ƣu, ảnh hƣởng của việc giảm thời gian xử lý thông tin trở thành chủ đạo, tăng xác suất dừng bảo mật.
Hình 4.2: Hiệu năng bảo mật theo trong hình thức PS.
Hình 4.2 thể hiện tác động của tỷ lệ chia năng lƣợng theo hình thức PS đối với hiệu suất xác suất dừng bảo mật. Nếu chúng ta gia tăng , xác suất dừng bảo mật chủ yếu giảm xuống một giá trị tối thiểu. Giá trị tối ƣu của cái gọi là xác suất dừng bảo mật tối thiểu . Ngƣợc lại, tăng xa hơn giá trị tối ƣu, xác suất gián đoạn sẽ tăng lên. Ngoài ra, tăng làm giảm cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc ở nút chuyển tiếp làm SNR nhận đƣợc ở nút chuyển tiếp giảm. Điều này làm tăng tỷ lệ bảo mật của đƣờng truyền làm giảm xác suất dừng. Cần phải tính tốn cẩn thận
Luận văn Chƣơng 4
Hình 4.3: Hiệu năng bảo mật theo trong hình thức TS
Hình 4.3 hiển thị các ảnh hƣởng của tỷ lệ chuyển đổi thời gian theo hình thức TS đối với suất xác suất dừng bảo mật. Khi đạt đƣợc mức chuyển mạch nhỏ, sự cố ngừng hoạt động có thể đƣợc kiểm tra rõ ràng. Nếu chúng ta gia tăng , xác suất dừng bảo mật chủ yếu giảm xuống một giá trị tối thiểu. Giá trị ứng với khi đó gọi là xác suất dừng bảo mật tối thiểu. Nếu chúng ta tăng trong vƣợt quá giá trị tối ƣu đó, xác suất dừng sẽ tăng lên. Tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc cũng có ảnh hƣởng đến xác suất dừng. Do đó, tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng thấp hơn dẫn đến xác suất dừng tốt hơn.
4.2.2 Ảnh hƣởng của tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc Rth
Hình 4.4: Ảnh hƣởng của tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng đến xác suất dừng bảo mật cho hình thức PS và TS
Hình 4.4 thể hiện xác suất dừng bảo mật theo tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc Rth . Khi tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc tăng, xác suất đừng bảo mật cũng tăng. Hình 4.4 cũng cho thấy rằng hình thức TS đạt đƣợc xác suất dừng thấp hơn hình thức PS tại Rth thấp (cho đến 0.5 bit/s/Hz). Ngƣợc lại, ở mức Rth cao hơn, hình thức PS thì tốt cho xác suất dừng tốt hơn hình thức TS.
Luận văn Chƣơng 4
4.2.3 Ảnh hƣởng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Hình 4.5: Xác suất dừng bảo mật tƣơng ứng với SNR truyền 2
( /P ) cho hình thức PS và TS, 2 10dBm
Hình 4.5 cho thấy ảnh hƣởng của tí số tín hiệu trên nhiễu SNR cụ thể là
2
( /P ) trên xác suất dừng bảo mật cho cả hình thức PS và TS. Cho một công suất nhiễu cố định 2, sự thay đổi của SNR truyền tƣơng ứng với sự biến thiên của công suất truyền P. Sự gia tăng của SNR truyền có tác động tích cực lẫn tiêu cực
đến bảo mật đƣờng truyền. Việc tăng SNR truyền làm tăng cƣờng độ tín hiệu cả tín hiệu thơng tin từ nguồn và tín hiệu nhiễu jamming từ nút đích. Từ biểu thức SNR thu SNRR tại nút chuyển tiếp đƣợc cho trong (3.5) và (3.26) cho cả hình thức PS và TS tƣơng ứng, ta có thể lƣu ý thấy rằng SNRR tăng với việc tăng SNR truyền. Điều này làm tăng cơ hội giải mã thông tin chuyển tiếp không tin cậy, dẫn đến sự gia tăng xác suất dừng bảo mật. Mặt khác, tăng SNR thì năng lƣợng thu thập tại nút chuyển tiếp nhận đƣợc cũng tăng lên từ nguồn thơng tin và tín hiệu gây nhiễu. Điều
ra, khi nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu nhận đƣợc tới đích, cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc tại đích tăng do cƣờng độ tín hiệu tăng lên tại nút chuyển tiếp nhƣ là một kết quả của việc tăng SNR truyền. Nhƣ hình 4.5 cho thấy, tăng SNR truyền có một tác động tích cực tổng thể về hiệu suất bảo mật của hệ thống.
4.2.4 Ảnh hƣởng của vị trí chuyển tiếp
Hình 4.6: Ảnh hƣởng của vị trí nút chuyển tiếp đến xác suất dừng cho hình thức PS và TS với hệ số suy giảm đƣờng truyền khác nhau 2.7, 4 Hình 4.6 mơ tả ảnh hƣởng của vị trí nút chuyển tiếp đối với xác suất dừng bảo mật tối ƣu cho các tốc độ đạt bảo mật khác nhau và hệ số suy hao đƣờng truyền
theo cả hai hình thức PS và TS. Ta thay đổi khoảng cách nguồn - chuyển tiếp dSR , khi đó khoảng cách chuyển tiếp - đích là 10dRD . Các giá trị của hệ số suy hao kênh truyền lần đƣợc đƣợc xét 2.7 và 4. Trƣớc khi thảo luận hình 4.6. Điều quan trọng là hiểu đƣợc sự ảnh hƣởng của dSR lên hiệu năng bảo mật trong cả hai
Luận văn Chƣơng 4 hƣớng tích cực và tiêu cực. Dƣới hai hình thức TS và PS, khi dSR tăng, độ mạnh tín hiệu thơng tin nhận đƣợc giảm với hệ số suy hao đƣờng truyền dSR cao. Điều này khơng khuyến khích ý định nghe trộm của nút chuyển tiếp không tin cậy, nâng cao hiệu suất bảo mật. Khi dSR tăng, khoảng cách chuyển tiếp-đích dRD giảm làm cho tín hiệu gây nhiễu nhận đƣợc tại nút chuyển tiếp mạnh mẽ hơn. Điều này làm tăng thêm hiệu suất bảo mật. Việc giảm dRD mang lại cho điểm chuyển tiếp gần điểm đích hơn, do đó lƣợng năng lƣợng thu hoạch thấp hơn đủ để thực hiện giao tiếp tin cậy giữa nút chuyển tiếp và đích do giảm suy hao đƣờng truyền đi dRD. Sự tiết kiệm năng lƣợng này là quan trọng vì, năng lƣợng thu hoạch tại nút chuyển tiếp giảm với sự gia tăng dSR. Một hiệu ứng tiêu cực của tăng dSR về hiệu suất bảo mật là do bản chất khuếch đại và chuyển tiếp của nút chuyển tiếp, đó là cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc tại nút chuyển tiếp giảm với sự gia tăng dSR, cƣờng độ tín hiệu thơng tin tại điểm đích cũng giảm đi. Điều này làm giảm tỷ lệ bảo mật và do đó làm tăng xác suất dừng mật.
Hình 4.6 cho thấy rằng các tác động tích cực của sự gia tăng dSR vƣợt qua các hiệu ứng tiêu cực của nó khơng phân biệt tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc Rth Theo cả hai hình thức PS và TS và xác suất dừng bảo mật tối ƣu sẽ giảm đơn điệu với sự gia tăng dSR Vì vậy, vị trí tối ƣu của nút chuyển tiếp là gần với đích đến. Lƣu ý rằng, trong trƣờng hợp truyền thơng thu hoạch năng lƣợng không dây thông qua một nút chuyển tiếp mà khơng có sự ràng buộc bảo mật, vị trí tiếp sức tối ƣu là gần với nguồn [4]. Nhƣng, nhƣ thể hiện trong hình 4.6, để có giao tiếp an tồn, vị trí chuyển tiếp gần với nguồn khơng đƣợc khuyến khích.
4.2.5 Ảnh hƣởng của hệ số chuyển đổi Năng lƣợng
Hình 4.7: Ảnh hƣởng của hệ số chuyển đổi năng lƣợng lên xác suất đừng bảo mật
Hệ số chuyển đổi năng lƣợng Xác định những gì các phần của năng lƣợng nhận đƣợc các nút chuyển tiếp thực sự có thể thu hoạch. Nhƣ vậy, giá trị cao của Cho phép thu đƣợc năng lƣợng thu đƣợc nhiều hơn, và nó làm tăng cơng suất truyền của nút chuyển tiếp. Điều này dẫn đến tăng SNR nhận đƣợc tại điểm đến, giảm xác suất mất dừng bảo mật, nhƣ thể hiện trong hình 4.7.
Luận văn Chƣơng 4
4.2.6 Hiệu năng bảo mật mơ hình khơng thu thập năng lƣợng
Hình 4.8: Hiệu năng bảo mật trƣờng hợp không thu thập năng lƣợng
Hình 4.8 thể hiện ảnh hƣởng của SNR đến xác suất dừng bảo mật trong trƣờng hợp hệ thống không thu thập năng lƣợng. Khi tăng SNR thì xác suất dừng càng giảm. Điều đó cũng chỉ ra rằng càng tăng công suất nguồn PS thì xác suất dừng cũng càng tốt hơn.
4.2.7 So sánh hiệu năng giữa hệ thống có thu năng lƣợng và khơng thu năng lƣợng năng lƣợng
Hình 4.9: Hiệu năng bảo mật trƣờng hợp thu năng lƣợng PS và không thu năng lƣợng theo SNR truyền 2
Luận văn Chƣơng 4
Hình 4.10: Hiệu năng bảo mật trƣờng hợp thu năng lƣợng TS và không thu năng lƣợng theo SNR truyền 2
( /P ) với 2 10dBm
Nhƣ thể hiện ở hình 4.9 và 4.10, khi tăng chỉ số SNR xác xuất dừng bảo mật ở tất cả các trƣờng hợp đều giảm, hay có thể nói ràng càng tăng cơng suất nguồn phát
S
P thì xác suất dừng càng tốt. Tuy nhiên nhƣ hình ta có thể dễ nhận ra rằng xác suất dừng ở trƣờng hợp không thu thập năng lƣợng luôn tốt hơn các trƣờng hợp có thu thập năng lƣợng. Điều này có thể giải thích đƣợc do xác suất dừng của trƣờng hợp có thu năng lƣợng bị ảnh hƣởng bởi tình huống dừng bảo mật do không thu thập đủ năng lƣợng cho hệ thống chuyển tiếp hoạt động dẫn đến tổng xác suất dừng bảo mật luôn cao hơn trƣờng hợp nút chuyển luôn đƣợc cấp năng lƣợng sẵn.
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận
Trong luận văn này, tôi đã khảo sát hiệu năng bảo mật của truyền thơng nguồn-đích thơng qua một nút chuyển tiếp khơng tin cậy có thu hoạch năng lƣợng và chuyển tiếp. Nút chuyển đƣợc cung cấp năng lƣợng bởi năng lƣợng thu đƣợc năng lƣợng từ tín hiệu tần số vơ tuyến nhận đƣợc. Trong trƣờng hợp này, tín hiệu gây nhiễu cộng tác điểm đích ngồi việc giữ bí mật thơng tin từ nút chuyển tiếp khơng tin cậy, nó cịn cung cấp năng lƣợng để chuyển tiếp. Năng lƣợng này làm tăng năng lƣợng thu đƣợc từ tín hiệu thơng tin nhận đƣợc. Các hình thức PS và TS tại nút chuyển tiếp cho phép thu hoạch năng lƣợng và xử lý các thông tin đã nhận. Đối với kịch bản này, tôi đã đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống dựa trên biểu thức xác suất dừng bảo mật.
Nghiên cứu các số liệu bảo mật đối với các tham số hệ thống khác nhau cung cấp những điểm thiết kế hữu ích. Chẳng hạn, sự khác nhau về tỉ số thu thập năng lƣợng trong hình thức PS và thời gian thu hoạch năng lƣợng trong TS ảnh hƣởng đến hiệu suất bảo mật theo cả cách tích cực và tiêu cực. Do đó, tồn tại tỷ lệ phân chia năng lƣợng tối ƣu và thời gian thu hoạch năng lƣợng tối ƣu, tối đa hóa hiệu suất bảo mật. Các giá trị tối ƣu của các thƣớc đo bảo mật phụ thuộc vào các tham số hệ thống. Ví dụ, tăng tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng làm tăng xác suất dừng bảo mật. Ngoài ra, ở tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng cao hơn, hình thức PS đạt đƣợc xác suất bảo mật thấp hơn hình thức TS. Tăng SNR truyền làm tăng khả năng chuyển tiếp giải mã thơng tin chính xác, năng lƣợng thu thập cao hơn làm tăng công suất chuyển tiếp tín hiệu. Do đó, sự gia tăng SNR truyền là có lợi cho truyền thơng an tồn. Địa điểm chuyển tiếp là rất quan trọng trong giao tiếp an tồn. Nói chung, nút chuyển tiếp nằm cách xa nguồn là điều rất cần thiết để giữ thơng tin chính xác từ nút chuyển tiếp. Điều này tƣơng phản với trƣờng hợp chuyển tiếp tin cậy thu năng lƣợng, nơi mà nút chuyển đƣợc ƣu tiên đặt gần nguồn hơn. Cuối cùng, yếu tố hiệu
Luận văn Chƣơng 5 suất chuyển đổi năng lƣợng cao làm tăng năng lƣợng thu hoạch và cải thiện hiệu năng bảo mật.
Đồng thời, đề tài so sánh hiệu năng bảo mật của hệ thống có thu thập năng lƣợng và không thu thập năng lƣợng. Nên tùy ứng dụng thực tế cần tối ƣu nguồn hay cần xác suất dừng bảo mật tốt mà ta có thể áp dụng hệ thống chuyển tiếp có tự thu thập năng lƣợng hay hệ thống không thu thập năng lƣợng.
5.2 Hƣớng phát triển
Trong luận văn này, tôi đã khảo sát hiệu năng bảo mật của truyền thông hợp tác thông qua một chuyển tiếp khơng tin cậy có thu hoạch năng lƣợng và chuyển tiếp. Phân tích ảnh hƣởng của các thông số nhƣ tỉ lệ phân chia năng lƣợng, tỉ lệ chuyển đổi thời gian, tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc, SNR, khoảng cách giữa chuyển tiếp và nguồn, hệ số suy hao đƣờng truyền, hệ số chuyển đổi năng lƣợng đến xác suất dừng bảo mật cho các trƣờng hợp PS, TS.
Đồng thời, đề tài cũng so sánh xác suất dừng giữa trƣờng hợp chuyển tiếp có thu năng lƣợng và khơng thu năng lƣợng.
Trong bƣớc tiếp theo đề tài sẽ xây dựng mơ hình tính tốn và khảo sát hiệu năng bảo mật cho trƣờng hợp mơ hình thu năng lƣợng theo giao thức kết hợp giữa phân chia năng lƣợng và chuyển đổi thời gian (TPS).
Bên cạch đó, tốc độ ergodic (Tốc độ truyền thơng tin mà các nút nghe trộm không thể giải mã đƣợc thông tin) cũng là một thông số quan trọng trong việc đánh