2.2 Hệ thống có một trạm nghe lén
2.2.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-DF1E
Theo đề xuất giải thuật DCA-DF1E như phần trên, nội dung phần này trình bày kết quả thực nghiệm thuật tốn đề xuất và so sánh hiệu quả với phương pháp giải dựa trên kỹ thuật nới lỏng nửa xác định dương SDR-DF1E được đề xuất bởi các tác giả trong [28] và phương pháp sử dụng giải thuật DCA-DF.
Thực nghiệm được triển khai theo hệ thống truyền tin vơ tuyến chuyển tiếp có sự xuất hiện của một trạm nghe lén như Hình 2.1, với giả thiết mỗi trạm chuyển tiếp, trạm thu hợp pháp và trạm nghe lén có một ăng ten. Giả thiết kênh truyền là một chiều, hệ số kênh truyền Rayleigh fading được biết trước (Perfect channel state information) và cố định trong khoảng một thời gian ngắn để truyền một từ mã, các giá trị này được sinh theo phân bố Gauss. Trong thực tế truyền tin, các giá trị hệ số kênh Rayleigh fading là độc lập, ngẫu nhiên và biến đổi theo thời gian, các trạm thu phát có thể sử dụng tín hiệu pilot để biết giá trị này trước khi điều chế và truyền tin.
Thực tế truyền tin có thể trạm nghe lén có lợi thế về vị trí thu tín hiệu tương ứng sẽ có độ lợi kênh tốt hơn kênh truyền của trạm thu hợp pháp. Quá trình thực nghiệm sẽ thử với các trường hợp giả thiết về chất lượng kênh truyền khác nhau giữa trạm nghe lén và trạm thu hợp pháp để làm rõ hơn tính khả thi của bài toán PLS trong thực tế triển khai.
hsr
Trạm nguồn (S)
w1
w2 hrd
hre
Các trạm chuyển tiếp (R)
Trạm nghe lén (E)
Hình 2.1: Mơ hình hệ thống truyền tin thực nghiệm giải thuật DCA-DF1E.
2.2.3.1 Sinh cơ sở dữ liệu thực nghiệm
Với mơ hình truyền tin vơ tuyến cụ thể có số trạm chuyển tiếp được sử dụng là M, dữ liệu dùng để thực nghiệm là các trường hợp kênh truyền Rayleigh fading có chất lượng thay đổi tương ứng với hệ số kênh truyền khác nhau. Các hệ số kênh truyền này là các giá trị phức thể hiện mức độ khuếch đại biên độ và góc lệch pha của tín hiệu. Do NCS khơng có được bộ dữ liệu mẫu thực để thực nghiệm nên các giá trị hệ số kênh truyền Rayleigh fading ở đây được sinh theo phân bố Rayleigh
với kỳ vọng không và phương sai the o và 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 giá trị của hệ số kênh truyền giữa các trạm chuyển tiếp tới trạm thu đích và trạm nghe lén theo các tham số cấu hình như giả thiết ở trên. Bộ dữ liệu này được dùng chung cho cả ba giải thuật DCA-DF1E, DCA- DF và SDR-DF1E.
2.2.3.2 Chương trình thực nghiệm giải thuật DCA-DF1E
Mơi trường thực nghiệm:
• Chương trình thực nghiệm được xây dựng trên mơi trường lập trình Matlab R2017 và cơng cụ giải các bài tốn quy hoạch lồi CVX6 của Matlab;
• Q trình thực hiện trên một máy tính cá nhân có cấu hình: Intel (R) core (TM) i3-6100 CPU @ 3.70Ghz 3.7 Ghz, 4.0 GB RAM;
• M: số trạm chuyển tiếp (relays) trong hệ thống;
• N_datasets: Số tập dữ liệu thực nghiệm, giá trị này tương ứng với số lần thực nghiệm (N_datasets = 100);
• Pt: Giới hạn tổng cơng suất nguồn phát của các trạm chuyển tiếp;
• DCA_epsilon: Điều kiện dừng của giải thuật DCA, trong trường hợp này thì giá trị này được lấy là 10-5;
• Datasets: Bộ dữ liệu dùng để thực nghiệm, các dữ liệu này đã được biết trước và được dùng chung cho cả giải thuật DCA-DF1E và thuật toán SDR-DF1E.
Các bước thực nghiệm:
6 CVX – Software for Disciplined Convex Programming là phần mềm chạy trên môi trường matlab để giải trực tiếp các bài toán quy hoạch lồi. CVX được viết và hoàn thiện bởi Tiến sĩ Michael Grant và Giáo sư của Stanford là Stephen Boyd;
Chạy chương trình với bộ dữ liệu đã biết để sinh ra 100 kết quả về giá trị tốc độ truyền tin mật Rs và thời gian chạy tương ứng với mỗi bộ dữ liệu đối với cả hai thuật toán, lấy giá trị trung bình từ 100 kết quả trên để so sánh, đánh giá.
2.2.3.3 Kết quả thực nghiệm
Các trường hợp thực nghiệm và kết quả:
Trường hợp 1: Hệ thống truyền tin sử dụng 5 trạm chuyển tiếp (M = 5).
Các giá trị hệ số kênh {hm} và {zm} là các giá trị phức được sinh theo phân bố Gauss với kỳ vọng không (zero mean) và phương sai là: h2 và z 2 .
Quá trình thực nghiệm đã kiểm tra theo hai giả thiết cho các thông số này là: - Khi kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp đến trạm nghe lén E (wire-tape
channel) tốt hơn kênh truyền từ trạm chuyển tiếp đến trạm thu hợp pháp D (main channel), tương ứng là h =1, z = 2 ;
- Khi chất lượng của hai kênh là tương đương, cụ thể là: h = 2 , z = 2 ; Trong thực tế, giới hạn cơng suất truyền của mỗi trạm chuyển tiếp có thể khác nhau. Tuy nhiên, thực nghiệm được giả sử các trạm chuyển tiếp có giới hạn
về cơng suất nguồn phát là như nhau, tương ứng là: pm = MP
r , m.
Kết quả thực nghiệm so sánh giữa thuật toán DCA-DF1E với thuật toán DCA-DF và SDR-DF1E theo các giả thiết ở trên được thể hiện trong BẢNG 2.1 và BẢNG 2.2. Theo đó, trong cả hai trường hợp về chất lượng kênh truyền thì giá trị về tốc độ truyền tin bảo mật theo giải thuật DCA-DF1E đều cao hơn so với thuật toán DCA-DF và SDR-DF1E. Cụ thể:
- Giá trị RS của thuật tốn DCA-DF1E gần như khơng thay đổi trong hai trường hợp về giá trị điểm ban đầu. Kết quả này cũng phù hợp với các bài toán DCA là khi thay đổi điểm ban đầu thường ảnh hưởng nhiều đến tốc độ hội tụ và ít làm thay đổi giá trị nghiệm và hàm mục tiêu của bài toán.
- Giá trị RS của thuật tốn DCA-DF1E cao hơn khơng đáng kể so với thuật toán DCA-DF nhưng cao hơn nhiều so với thuật toán SDR-DF1E trong tất cả các trường hợp khác nhau về công suất truyền và giá trị hệ số kênh. Kết quả này đã thể hiện tính ưu việt của thuật tốn DCA-DF1E do NCS đề xuất trong trường hợp thực nghiệm này.
- Khi công suất truyền của các trạm chuyển tiếp (PR) tăng thì giá trị RS cũng tăng theo. Kết quả này cũng phù hợp với thực tế kỹ thuật truyền tin vô tuyến về quan hệ giữa công suất truyền với hiệu suất truyền.
- Kết quả trong BẢNG 2.2 cho thấy, ngay cả khi chất lượng của kênh nghe lén tốt hơn kênh chính ( h = 1, z = 2 ) thì với kỹ thuật truyền tin đa ăng ten vẫn có thể truyền tin bảo mật với tốc độ RS > 0. Tuy nhiên giá trị RS này thấp hơn trường hợp kênh chính và kênh nghe lén có chất lượng tương đương nhau ( h = z = 2 ).
BẢNG 2.1: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 5, h = z = 2 .
RS (bits/symbols)
PR DCA-DF1E DCA-DF1E
(mW) Điểm ban đầu Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E
ngẫu nhiên 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 8.556 100 10.045 10.046 10.018 8.875
BẢNG 2.2: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 5, h = 1, z = 2 .
RS (bits/symbols)
PR DCA-DF1E DCA-DF1E
(mW) Điểm ban đầu Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E
ngẫu nhiên 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. Các tham số khác trong hệ thống như: hệ số
kênh {hm}, {zm} và pm được giả thiết như Trường hợp 1.
Kết quả thực nghiệm so sánh giữa giải thuật DCA-DF1E với giải thuật
DCA-DF và SDR-DF1E theo các giả thiết ở trên 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 kênh truyền thì giá 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, giá trị tốc độ mật của tất cả các trường hợp đều cao hơn khi M = 5. Trong đó, với M = 10 thì giá trị Rs lớn nhất khi PR = 100 mW theo giải thuật DCA-DF1E cho trường hợp chất lượng của hai kênh truyền tương đương nhau ( h = z = 2 ) và bằng Rs = 11,267 bits/symbol, khi M = 5 thì giá trị tương ứng này là Rs = 10,045 bits/symbol.
BẢNG 2.3: GIÁ TRỊ Rs VỚI M =10, h = z = 2 .
RS (bits/symbols)
PR DCA-DF1E DCA-DF1E
(mW) Điểm ban đầu Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E
ngẫu nhiên 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 . RS (bits/symbols) PR DCA-DF1E DCA-DF1E
(mW) Điểm ban đầu Chọn điểm ban đầu DCA-DF SDR-DF1E
ngẫu nhiên 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 phù hợp với lý thuyết truyền tin là hiệu suất truyền tin mật tăng theo công suất truyền và số lượng trạm chuyển tiếp. Tuy nhiên, trong thực tế triển khai thì cả hai tham số này đều được giới hạn để đảm bảo tính khả thi. Ngoài ra, khi chất lượng kênh truyền của trạm nghe lén tốt thì hiệu suất truyền tin mật thấp, tuy nhiên đặc điểm này có thể được khắc phục bằng cách tăng công suất phát 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 tiên quyết của Wyner là để có thể truyền tin mật được theo bài tốn PLS thì chất lượng kênh của kênh chính phải tốt hơn kênh nghe lén đã được gỡ bỏ.
Về thời gian thực hiện thuật tốn: Kết quả chạy chương trình 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 đó, giải thuật DCA-DF có tốc độ nhanh nhất do các bài tốn con được giải tìm nghiệm trực tiếp. Tuy nhiên, giải thuật DCA-DF1E có thời gian chạy nhanh hơn nhiều lần so với thuật toán SDR-DF1E, đặc biệt là khi chọn điểm ban đầu x0=eig(H1).
Thời gian chạy trong các trường hợp của cả ba thuật toán đều tăng theo số lượng trạm chuyển tiếp M. Kết quả này phù hợp với thực tế bài toán là khi M tăng thì số chiều của bài tốn 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 tính: giây)
PR DCA-DF1E DCA-DF1E DCA-DF SDR-
DF1E
(mW) (Chọn điểm ban đầu) (Điểm ban đầu ngẫu nhiên)
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 tính: giây)
PR DCA-DF1E DCA-DF1E DCA-DF SDR-
DF1E
(mW) (Chọn điểm ban đầu) (Điểm ban đầu ngẫu nhiên)
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 xét về kết quả thực nghiệm:
Kết quả thực nghiệm trong BẢNG 2.1, BẢNG 2.2, BẢNG 2.3 và BẢNG 2.4
đã cho thấy tính ưu việt của thuật tốn đề xuất, giải thuật DCA-DF1E luôn cho giá trị nghiệm cận tối ưu tốt hơn so với giải thuật DCA-DF và SDR-DF1E trong
tất cả các trường hợp, trong khi đó thì thời gian chạy của giải thuật DCA-DF1E lại nhanh hơn nhiều lần so với phương pháp không áp dụng quy hoạch DC (BẢNG 2.5 và BẢNG 2.6). Đặc biệt là khi chọn điểm ban đầu x0 = eig (H1) cho thuật toán DCA-DF1E thì tốc độ được nâng lên đáng kể so với trường hợp chọn điểm ban đầu ngẫu nhiên.
- Kết quả trong BẢNG 2.2 và BẢNG 2.4 cho thấy luôn tồn tại giá trị truyền tin mật Rs > 0 ngay cả khi điều kiện của kênh nghe lén tốt hơn kênh truyền của người thu hợp pháp. Tuy nhiên, giá trị tốc độ truyền tin an toàn tăng lên khi kênh của người dùng hợp pháp có chất lượng tương đương với kênh của người nghe lén ( h = z = 2) .
- Tương tự như vậy, khi số trạm chuyển tiếp M tăng lên, tốc độ truyền tin đảm bảo bí mật cũng tăng theo. Kết quả này phù hợp với lý thuyết thông tin, tuy nhiên, trong thực tế số trạm chuyển tiếp ln bị giới hạn để đảm bảo tính khả thi.
- Nhìn chung, biểu đồ đã thể hiện một xu hướng tăng về giá trị tốc độ truyền tin mật đạt được từ cả ba thuật toán trong tất cả các trường hợp khi tổng công suất nguồn phát của các trạm chuyển tiếp (PR) tăng. Kết quả này phù hợp với các hệ thống truyền tin trong thực tế. Tuy nhiên, công suất truyền luôn bị giới hạn đặc biệt là trong các hệ thống truyền tin di động.
Nội dung khoa học đề xuất giải thuật DCA-DF1E và kết quả thực nghiệm ở trên đã được NCS trình bày và báo cáo tại Hội nghị Châu Á về Hệ thống cơ sở dữ liệu và tính tốn thơng minh (Asean Conference on Intelligent Information and Database Systems - ACIIDS) năm 2016. Kỷ yếu của Hội nghị được đăng trên ấn bản Lecture Note in Computer Science (LNCS) của nhà xuất bản Springer [T.9]. Cơng trình này cũng được trích dẫn trong [51], tuy nhiên trong [51] chỉ đề cập đến giải thuật DCA-DF như bài tốn (2.8) mà khơng trình bày giải thuật DCA-DF1E.