Hình thức khơng thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp

Hình 3.4: Hình thức chuyển tiếp khơng tin cậy khơng thu thập năng lƣợng Hình 3.4 cho thấy giao thức chuyển tiếp cho truyền thông bảo mật thông qua Hình 3.4 cho thấy giao thức chuyển tiếp cho truyền thông bảo mật thông qua nút chuyển tiếp không tin cậy. Hai pha của khoảng thời gian T/2 bằng nhau đƣợc

chia ra. Trong pha đầu tiên, nguồn truyền thông tin tới nút chuyển tiếp với cơng suất PS. Cùng thời điểm đó, điểm đích gửi tín hiệu nhiễu với cơng suất PD tới nút chuyển để duy trì bảo mật của thơng tin nguồn từ nút chuyển. Trong pha thứ hai, nút chuyển tiếp chuyển tiếp các thông tin nhận đƣợc đến đích sau khi đã khuếch đại. Lƣu ý, trong cả hai pha nút chuyển tiếp đƣợc cung cấp một công suất PR để duy trì sự hoạt động.

3.5.1 Xử lý thơng tin tại nút chuyển tiếp

Tín hiệu nhận đƣợc trong pha 1 có tại R có thể đƣợc thể hiện nhƣ:

R S SR S D DR D R

y  P g x  P g x w (3.36)

Trong đó xS là tín hiệu từ nguồn với đơn vị là cơng suất, xD với đơn vị công suất là tín hiệu nhiễu cộng tác gửi từ điểm đích, và wR là nhiễu Gauusian trắng cộng (AWGN) tại nút chuyển. Dựa trên tín hiệu nhận đƣợc trong (3.36) nút chuyển có thể tìm cách để giãi mã thơng điệp nguồn xS. Ta có thể viết SNR tại nút chuyển tiếp nhƣ sau: 2 2 2 S SR R D DR P g SNR P g    (3.37)

Luận văn Chƣơng 3 Tiếp theo, tín hiệu phát đi tại nút R trong pha 2:

.

R R

x G y (3.38)

với hệ số khuếch đại: 2 2

2 R S SR D DR P G P g P g    

Tín hiệu nhận đƣợc tại D trong pha 2:

D RD R D RD R D S SR RD S D RD DR D RD R D y g x w g Gy w G P g g x G P g g x Gg w w          (3.39)

với wD là AWGD tại D với cơng suất 2. Vì xD là tín hiệu nhiễu cộng tác do D gửi đến trong pha 1. Nên D có thể loại G P gD RDgDRxD từ phƣơng trình trên và giải mã thơng tin nguồn từ phần cịn lại của tín hiệu nhận đƣợc. Do đó, kết quả nhận đƣợc tín hiệu yD tại D trở thành:

D S SR RD S RD R D

y G P g g x Gg w w (3.40)

thay G vào phƣơng trình (3.40) ta đƣợc:

2 2 2 2 2 2 S R SR RD S D S SR D DR R RD R D S SR D DR P P g g x y P g P g P g w w P g P g          (3.41) SNR tại D khi đó: 2 2 2 2 2 2 2 2 4 S R SR RD D R RD S SR D DR P P g g SNR P g  P g  P g       (3.42)

    sec 2 2 2 1 log 1 log 1 2 1 1 log , 2 1 D R D R R SNR SNR SNR SNR                      (3.43)

Xác suất dừng bảo mật đƣợc cho bởi:

 sec  2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 Pr 1 Pr 2 1 th out th S R SR RD R R RD S SR D D S SR D R R D P g P g OP R R P P g g P g P g P g                              (3.44)

Luận văn Chƣơng 4

CHƢƠNG 4

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chƣơng trình mơ phỏng

Bảng 4.1: Các tham số mô phỏng

Tham số Giá trị

Công suất nguồn PS 40dBm

Cơng suất tín hiệu nhiễu đích PD 40dBm

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng  0.7

Ngưỡng kích hoạt mạch thu năng lượng H  30dBm[23]

Công suất nhiễu 2 4

10

  

Khoảng cách nguồn - chuyển tiếp dSR 5m

Khoảng cách chuyển tiếp – đích dRD 5m

4.2 Kết quả mơ phỏng

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 10dRD . 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 thông 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