Thực nghiệm và đỏnh giỏ giải thuật DCA-DF1E

2.2 Hệ thống cú một trạm nghe lộn

2.2.3 Thực nghiệm và đỏnh giỏ giải thuật DCA-DF1E

Theo đề xuất giải thuật DCA-DF1E như phần trờn, nội dung phần này trỡnh bày kết quả thực nghiệm thuật toỏn đề xuất và so sỏnh hiệu quả với phương phỏp giải dựa trờn kỹ thuật nới lỏng nửa xỏc định dương SDR-DF1E được đề xuất bởi cỏc tỏc giả trong [28] và phương phỏp sử dụng giải thuật DCA-DF.

Thực nghiệm được triển khai theo hệ thống truyền tin vụ tuyến chuyển tiếp cú sự xuất hiện của một trạm nghe lộn như Hỡnh 2.1, với giả thiết mỗi trạm chuyển tiếp, trạm thu hợp phỏp và trạm nghe lộn cú một ăng ten. Giả thiết kờnh truyền là một chiều, hệ số kờnh truyền Rayleigh fading được biết trước (Perfect channel state information) và cố định trong khoảng một thời gian ngắn để truyền một từ mó, cỏc giỏ trị này được sinh theo phõn bố Gauss. Trong thực tế truyền tin, cỏc giỏ trị hệ số kờnh Rayleigh fading là độc lập, ngẫu nhiờn và biến đổi theo thời gian, cỏc trạm thu phỏt cú thể sử dụng tớn hiệu pilot để biết giỏ trị này trước khi điều chế và truyền tin.

Thực tế truyền tin cú thể trạm nghe lộn cú lợi thế về vị trớ thu tớn hiệu tương ứng sẽ cú độ lợi kờnh tốt hơn kờnh truyền của trạm thu hợp phỏp. Quỏ trỡnh thực nghiệm sẽ thử với cỏc trường hợp giả thiết về chất lượng kờnh truyền khỏc nhau giữa trạm nghe lộn và trạm thu hợp phỏp để làm rừ hơn tớnh khả thi của bài toỏn PLS trong thực tế triển khai.

Trạm nguồn (S) Cỏc trạm chuyển tiếp (R) Trạm thu hợp phỏp (D) Trạm nghe lộn (E) hre hrd hsr w1 w2 wM

Hỡnh 2.1: Mụ hỡnh hệ thống truyền tin thực nghiệm giải thuật DCA-DF1E.

2.2.3.1 Sinh cơ sở dữ liệu thực nghiệm

Với mụ hỡnh truyền tin vụ tuyến cụ thể cú số trạm chuyển tiếp được sử dụng là M, dữ liệu dựng để thực nghiệm là cỏc trường hợp kờnh truyền Rayleigh fading cú chất lượng thay đổi tương ứng với hệ số kờnh truyền khỏc nhau. Cỏc hệ số kờnh truyền này là cỏc giỏ trị phức thể hiện mức độ khuếch đại biờn độ và gúc lệch pha của tớn hiệu. Do NCS khụng cú được bộ dữ liệu mẫu thực để thực nghiệm nờn cỏc giỏ trị hệ số kờnh truyền Rayleigh fading ở đõy được sinh theo phõn bố Rayleigh với kỳ vọng khụng và phương sai theo sigma_h và sigma_z như sau:

% channel coefficient between relays and destination, the complex value h = (sigma_h/sqrt(2))* (randn(M,1) + 1i * randn(M,1));

% channel coefficient between relays and eavesdropper,the complex value z = (sigma_z/sqrt(2))* (randn(M,1) + 1i * randn(M,1));

Sinh 100 bộ dữ liệu về giỏ trị của hệ số kờnh truyền giữa cỏc trạm chuyển tiếp tới trạm thu đớch và trạm nghe lộn theo cỏc tham số cấu hỡnh như giả thiết ở trờn. Bộ dữ liệu này được dựng chung cho cả ba giải thuật DCA-DF1E, DCA-DF và SDR-DF1E.

2.2.3.2 Chương trỡnh thực nghiệm giải thuật DCA-DF1E

Mụi trường thực nghiệm:

• Chương trỡnh thực nghiệm được xõy dựng trờn mụi trường lập trỡnh Matlab R2017 và cụng cụ giải cỏc bài toỏn quy hoạch lồi CVX6 của Matlab;

• Quỏ trỡnh thực hiện trờn một mỏy tớnh cỏ nhõn cú cấu hỡnh: Intel (R) core (TM) i3-6100 CPU @ 3.70Ghz 3.7 Ghz, 4.0 GB RAM;

Cỏc tham số của chương trỡnh:

• M: số trạm chuyển tiếp (relays) trong hệ thống;

• N_datasets: Số tập dữ liệu thực nghiệm, giỏ trị này tương ứng với số lần thực nghiệm (N_datasets = 100);

• Pt: Giới hạn tổng cụng suất nguồn phỏt của cỏc trạm chuyển tiếp;

• DCA_epsilon: Điều kiện dừng của giải thuật DCA, trong trường hợp này thỡ giỏ trị này được lấy là 10-5;

• Datasets: Bộ dữ liệu dựng để thực nghiệm, cỏc dữ liệu này đó được biết trước và được dựng chung cho cả giải thuật DCA-DF1E và thuật toỏn SDR- DF1E.

Cỏc bước thực nghiệm:

Chạy chương trỡnh với bộ dữ liệu đó biết để sinh ra 100 kết quả về giỏ trị tốc độ truyền tin mật Rs và thời gian chạy tương ứng với mỗi bộ dữ liệu đối với cả hai thuật toỏn, lấy giỏ trị trung bỡnh từ 100 kết quả trờn để so sỏnh, đỏnh giỏ.

2.2.3.3 Kết quả thực nghiệm

Cỏc trường hợp thực nghiệm và kết quả:

Trường hợp 1: Hệ thống truyền tin sử dụng 5 trạm chuyển tiếp (M = 5).

Cỏc giỏ trị hệ số kờnh {hm} và {zm} là cỏc giỏ trị phức được sinh theo phõn bố Gauss với kỳ vọng khụng (zero mean) và phương sai là: 2

h

 và 2

z

 .

Quỏ trỡnh thực nghiệm đó kiểm tra theo hai giả thiết cho cỏc thụng số này là: - Khi kờnh truyền từ cỏc trạm chuyển tiếp đến trạm nghe lộn E (wire-tape

channel) tốt hơn kờnh truyền từ trạm chuyển tiếp đến trạm thu hợp phỏp D (main channel), tương ứng là h =1, z =2;

- Khi chất lượng của hai kờnh là tương đương, cụ thể là: h =2, z =2; Trong thực tế, giới hạn cụng suất truyền của mỗi trạm chuyển tiếp cú thể khỏc nhau. Tuy nhiờn, thực nghiệm được giả sử cỏc trạm chuyển tiếp cú giới hạn về cụng suất nguồn phỏt là như nhau, tương ứng là: r , .

m P

p m

M

= 

Kết quả thực nghiệm so sỏnh giữa thuật toỏn DCA-DF1E với thuật toỏn DCA-DF và SDR-DF1E theo cỏc giả thiết ở trờn được thể hiện trong BẢNG 2.1 và BẢNG 2.2. Theo đú, trong cả hai trường hợp về chất lượng kờnh truyền thỡ giỏ trị về tốc độ truyền tin bảo mật theo giải thuật DCA-DF1E đều cao hơn so với thuật toỏn DCA-DF và SDR-DF1E. Cụ thể:

- Giỏ trị RS của thuật toỏn DCA-DF1E gần như khụng thay đổi trong hai trường hợp về giỏ trị điểm ban đầu. Kết quả này cũng phự hợp với cỏc bài toỏn DCA là khi thay đổi điểm ban đầu thường ảnh hưởng nhiều đến tốc độ hội tụ và ớt làm thay đổi giỏ trị nghiệm và hàm mục tiờu của bài toỏn.

- Giỏ trị RS của thuật toỏn DCA-DF1E cao hơn khụng đỏng kể so với thuật toỏn DCA-DF nhưng cao hơn nhiều so với thuật toỏn SDR-DF1E trong tất cả cỏc trường hợp khỏc nhau về cụng suất truyền và giỏ trị hệ số kờnh. Kết quả này đó thể hiện tớnh ưu việt của thuật toỏn DCA-DF1E do NCS đề xuất trong trường hợp thực nghiệm này.

- Khi cụng suất truyền của cỏc trạm chuyển tiếp (PR) tăng thỡ giỏ trị RS cũng tăng theo. Kết quả này cũng phự hợp với thực tế kỹ thuật truyền tin vụ tuyến về quan hệ giữa cụng suất truyền với hiệu suất truyền.

- Kết quả trong BẢNG 2.2 cho thấy, ngay cả khi chất lượng của kờnh nghe lộn tốt hơn kờnh chớnh (h=1,z =2) thỡ với kỹ thuật truyền tin đa ăng ten vẫn cú thể truyền tin bảo mật với tốc độ RS > 0. Tuy nhiờn giỏ trị RS này thấp hơn trường hợp kờnh chớnh và kờnh nghe lộn cú chất lượng tương đương nhau ( h= z =2). BẢNG 2.1: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 5,  h= z =2. PR (mW) RS (bits/symbols) DCA-DF1E Điểm ban đầu

ngẫu nhiờn

DCA-DF1E

Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E

20 7.732 7.732 7.727 6.595

40 8.727 8.727 8.712 7.569

60 9.310 9.310 9.289 8.146

80 9.724 9.724 9.700 8.556

BẢNG 2.2: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 5, h=1,z =2.

PR (mW)

RS (bits/symbols)

DCA-DF1E Điểm ban đầu

ngẫu nhiờn

DCA-DF1E

Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E

20 5.842 5.842 5.839 4.153 40 6.825 6.825 6.818 5.086 60 7.405 7.405 7.395 5.647 80 7.817 7.817 7.804 6.049 100 8.137 8.137 8.123 6.364

Trường hợp 2: Hệ thống sử dụng số trạm chuyển tiếp nhiều hơn, cụ thể trong trường hợp này là M = 10. Cỏc tham số khỏc trong hệ thống như: hệ số

kờnh {hm}, {zm} và pm được giả thiết như Trường hợp 1.

Kết quả thực nghiệm so sỏnh giữa giải thuật DCA-DF1E với giải thuật DCA-

DF và SDR-DF1E theo cỏc giả thiết ở trờn được thể hiện như BẢNG 2.3 và BẢNG 2.4. Kết quả cho thấy, tương tự như với trường hợp M = 5, trong cả hai trường hợp về chất lượng kờnh truyền thỡ giỏ trị về tốc độ truyền tin mật theo giải thuật DCA-DF1E đều cao hơn so với giải thuật DCA-DF và SDR-DF1E. Đặc biệt, với trường hợp M = 10, giỏ trị tốc độ mật của tất cả cỏc trường hợp đều cao hơn khi M = 5. Trong đú, với M = 10 thỡ giỏ trị Rs lớn nhất khi PR = 100 mW theo giải thuật DCA-DF1E cho trường hợp chất lượng của hai kờnh truyền tương đương nhau (h =z =2) và bằng Rs = 11,267 bits/symbol, khi M = 5 thỡ giỏ trị tương ứng này là Rs = 10,045 bits/symbol.

BẢNG 2.3: GIÁ TRỊ Rs VỚI M =10,  h= z =2.

PR (mW)

RS (bits/symbols)

DCA-DF1E Điểm ban đầu

ngẫu nhiờn

DCA-DF1E

Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E

20 8.948 8.948 8.932 7.998 40 9.946 9.946 9.916 8.994 60 10.530 10.530 10.483 9.578 80 10.945 10.945 10.884 9.992 100 11.267 11.267 11.192 10.314 BẢNG 2.4: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 10, h=1,z =2. PR (mW) RS (bits/symbols) DCA-DF1E Điểm ban đầu

ngẫu nhiờn

DCA-DF1E

Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E

20 7.036 7.036 7.027 5.110

40 8.030 8.030 8.011 6.085

60 8.613 8.613 8.585 6.661

80 9.027 9.027 8.989 7.072

100 9.348 9.348 9.301 7.391

Kết quả thực nghiệm cũng thể hiện sự phự hợp với lý thuyết truyền tin là hiệu suất truyền tin mật tăng theo cụng suất truyền và số lượng trạm chuyển tiếp. Tuy nhiờn, trong thực tế triển khai thỡ cả hai tham số này đều được giới hạn để đảm bảo tớnh khả thi. Ngoài ra, khi chất lượng kờnh truyền của trạm nghe lộn tốt thỡ hiệu suất truyền tin mật thấp, tuy nhiờn đặc điểm này cú thể được khắc phục bằng cỏch tăng cụng suất phỏt và tăng số trạm chuyển tiếp. Kết quả này cũng cho thấy rằng, với kỹ thuật truyền tin hiện đại như ngày nay, điều kiện tiờn quyết của Wyner là để cú thể truyền tin mật được theo bài toỏn PLS thỡ chất lượng kờnh của kờnh chớnh phải tốt hơn kờnh nghe lộn đó được gỡ bỏ.

Về thời gian thực hiện thuật toỏn: Kết quả chạy chương trỡnh của cả ba

giải thuật DCA-DF1E, DCA-DF và SDR-DF1E cho cả 2 trường hợp về số lượng trạm chuyển tiếp được thể hiện trong BẢNG 2.5 và BẢNG 2.6. Theo đú, giải thuật DCA-DF cú tốc độ nhanh nhất do cỏc bài toỏn con được giải tỡm nghiệm trực tiếp. Tuy nhiờn, giải thuật DCA-DF1E cú thời gian chạy nhanh hơn nhiều lần so với thuật toỏn SDR-DF1E, đặc biệt là khi chọn điểm ban đầu x0=eig(H1).

Thời gian chạy trong cỏc trường hợp của cả ba thuật toỏn đều tăng theo số lượng trạm chuyển tiếp M. Kết quả này phự hợp với thực tế bài toỏn là khi M tăng thỡ số chiều của bài toỏn tăng.

BẢNG 2.5: TỐC ĐỘ CỦA CÁC THUẬT TOÁN VỚI M = 5.

(σh = 2, σz = 2, số trạm chuyển tiếp M = 5, đơn vị tớnh: giõy)

PR

(mW)

DCA-DF1E (Chọn điểm ban đầu)

DCA-DF1E

(Điểm ban đầu ngẫu nhiờn)

DCA-DF SDR- DF1E 20 1.9628 2.2735 0.0137 9.3582 40 1.5745 2.2759 0.0199 9.1173 60 1.5777 2.2703 0.0216 9.1752 80 1.6087 2.1408 0.0264 9.2675 100 1.6520 2.2212 0.0306 9.4811

BẢNG 2.6: TỐC ĐỘ CỦA CÁC THUẬT TOÁN VỚI M = 10.

(σh = 2, σz = 2, số trạm chuyển tiếp M = 10, đơn vị tớnh: giõy)

PR

(mW)

DCA-DF1E (Chọn điểm ban đầu)

DCA-DF1E

(Điểm ban đầu ngẫu nhiờn)

DCA-DF SDR- DF1E 20 2.2785 3.2172 0.0384 10.4243 40 2.1768 3.0164 0.0533 9.5984 60 2.1121 2.8813 0.0636 9.4698 80 2.1968 2.8512 0.0668 9.5115 100 2.1441 2.8224 0.0750 9.6255 Một số nhận xột về kết quả thực nghiệm:

Kết quả thực nghiệm trong BẢNG 2.1, BẢNG 2.2, BẢNG 2.3 và BẢNG 2.4 đó cho thấy tớnh ưu việt của thuật toỏn đề xuất, giải thuật DCA-DF1E luụn cho giỏ trị nghiệm cận tối ưu tốt hơn so với giải thuật DCA-DF và SDR-DF1E trong

tất cả cỏc trường hợp, trong khi đú thỡ thời gian chạy của giải thuật DCA-DF1E lại nhanh hơn nhiều lần so với phương phỏp khụng ỏp dụng quy hoạch DC (BẢNG 2.5 và BẢNG 2.6). Đặc biệt là khi chọn điểm ban đầu x0 = eig (H1) cho thuật toỏn

DCA-DF1E thỡ tốc độ được nõng lờn đỏng kể so với trường hợp chọn điểm ban

đầu ngẫu nhiờn.

- Kết quả trong BẢNG 2.2 và BẢNG 2.4 cho thấy luụn tồn tại giỏ trị truyền tin mật Rs > 0 ngay cả khi điều kiện của kờnh nghe lộn tốt hơn kờnh truyền của người thu hợp phỏp. Tuy nhiờn, giỏ trị tốc độ truyền tin an toàn tăng lờn khi kờnh của người dựng hợp phỏp cú chất lượng tương đương với kờnh của người nghe lộn (h=z =2).

- Tương tự như vậy, khi số trạm chuyển tiếp M tăng lờn, tốc độ truyền tin đảm bảo bớ mật cũng tăng theo. Kết quả này phự hợp với lý thuyết thụng tin, tuy nhiờn, trong thực tế số trạm chuyển tiếp luụn bị giới hạn để đảm bảo tớnh khả thi.

- Nhỡn chung, biểu đồ đó thể hiện một xu hướng tăng về giỏ trị tốc độ truyền tin mật đạt được từ cả ba thuật toỏn trong tất cả cỏc trường hợp khi tổng cụng suất nguồn phỏt của cỏc trạm chuyển tiếp (PR) tăng. Kết quả này phự hợp với cỏc hệ thống truyền tin trong thực tế. Tuy nhiờn, cụng suất truyền luụn bị giới hạn đặc biệt là trong cỏc hệ thống truyền tin di động.

Nội dung khoa học đề xuất giải thuật DCA-DF1E và kết quả thực nghiệm ở trờn đó được NCS trỡnh bày và bỏo cỏo tại Hội nghị Chõu Á về Hệ thống cơ sở dữ liệu và tớnh toỏn thụng minh (Asean Conference on Intelligent Information and Database Systems - ACIIDS) năm 2016. Kỷ yếu của Hội nghị được đăng trờn ấn bản Lecture Note in Computer Science (LNCS) của nhà xuất bản Springer [T.9]. Cụng trỡnh này cũng được trớch dẫn trong [51], tuy nhiờn trong [51] chỉ đề cập đến giải thuật DCA-DF như bài toỏn (2.8) mà khụng trỡnh bày giải thuật DCA-DF1E.