Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)

Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)Nâng Cao Hiệu Năng Mạng Thứ Cấp Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền Với Sự Xuất Hiện Của Nút Nghe Lén Thứ Cấp (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP

TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP

TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 19 tháng 05 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Dương Huỳnh Quang Phúc

Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học

2015-2017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học

TP.HCM, ngày 19 tháng 05 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Dương Huỳnh Quang Phúc

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các hình vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Mạng vô tuyến nhận thức 3

1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức 3

1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức 5

1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức 6

1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (spectrum sensing) 7

1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (energy detection) 11

1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần overlay (spectrum overlay) 16

1.1.3.4 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần underlay (spectrum underlay) 17

1.2 Bảo mật lớp vật lý 18

1.2.1 Khái niệm và ưu điểm của bảo mật lớp vật lý 18

1.2.2 Các phương pháp chuyển tiếp được sử dụng trong bảo mật lớp vật lý 20

1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp af (amplify-and-forward) 21

1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp df (decode-and-forward) 21

1.2.2.3 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp rf (randomize-and-forward) 22

1.3 Lý do chọn đề tài 22

1.4 Cấu trúc của luận văn 24

Chương 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 25

2.1 Mô hình nghiên cứu 25

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 35

3.1 Xác suất dừng (op) 35

3.2 Xác suất nút nghe lén giải mã thành công dữ liệu nhận được (xác suất chặn

(IP)) 42

Chương 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT 44

4.1 Môi trường mô phỏng 44

4.2 Ký hiệu trên các hình vẽ 45

4.3 Kết quả và biện luận các kết quả 45

4.4 So sánh xác suất dừng của trường hợp 1 và trường hợp 2 54

4.5 Kết luận 55

Chương 5 - KẾT LUẬN 56

5.1 Kết luận 56

5.2 Các kết quả đạt được 56

5.3 Hướng phát triển đề tài 57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

truyền

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

SOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mật

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian

RF Randomize-and-Forward Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và

miền tần số 4

Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và miền tần số 5

Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức 6

Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp 7

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một phổ tần với người dùng sơ cấp 8

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau 10

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần 11

Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và tần số 12

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập 16

Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay 17

Hình 1.11: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay 18

Hình 1.12: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản 20

Hình 2.1: Mô hình được nghiên cứu trong luận văn 25

Hình 4.1: Môi trường mô phỏng 44

Hình 4.2: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M1,3,5 ,  10dB,15dB , th I   th 0.75, xR 0.3, xP 0.5, yP 0.5, yE  0.3, D  0.1, E 0.1   và P 0 46

Hình 4.3: Xác suất dừng (OP) là hàm số của M khi M 1,10 , I th  0dB, 0.5, 0.75,1 , th   xR 0.5, xP 0.5, yP 0.5, yE 0.5, D  0.1, E  0.1 và P 0.1.   47

Hình 4.4: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M 2, 4 ,

MỞ ĐẦU

Ngày này, tốc độ phát triển của truyền thông vô tuyến tăng trưởng nhanh chóng Nó có thể phục vụ số lượng lớn các thiết bị thông minh Hơn thế nữa, ngay cả các điện thoại thông minh có thể tiêu thụ băng thông nhiều hơn các thiết bị điện thoại truyền thống Cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, bài toán về phân bổ phổ tần số một cách hiệu quả đã và đang trở thành một vấn đề thiết yếu Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên, khái niệm vô tuyến nhận thức ra đời

Trong vô tuyến nhận thức, có hai loại người dùng được phân cấp là người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp Gần đây, người ta đề nghị mô hình Underlay để giải quyết vấn đề sử dụng phổ liên tục cho người dùng thứ cấp Trong mô hình Underlay hay còn gọi là mô hình dạng nền, người dùng thứ cấp có thể sử dụng tần số cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép

Để tăng cường hoạt động của mô hình này, người ta sử dụng giao thức truyền thông hợp tác để chống lại vấn đề giới hạn công suất truyền, cũng như vấn đề fading của kênh truyền

Trong truyền thông hợp tác, một số nút chuyển tiếp nằm giữa nút nguồn và nút đích giúp nút nguồn chuyển tiếp dữ liệu đến nút đích Việc truyền dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích trong hệ thống truyền thông hợp tác diễn ra trong hai khe thời gian trực giao

Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Nhưng trong thực tế thì phần cứng của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ thống vô tuyến

Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý, trong đó chú trọng đến thông số hiệu năng Intercept Probability (IP) Hơn nữa, luận văn tập trung

nghiên cứu mô hình chuyển tiếp trong mạng thứ cấp (Secondary Network) sử dụng

kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong truyền thông vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)

Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:

 Chương 1 – Lý thuyết tổng quan

 Chương 2 – Mô hình hệ thống

 Chương 3 – Đánh giá hiệu năng bảo mật

 Chương 4 – Kết quả mô phỏng

 Chương 5 – Kết luận

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Mạng vô tuyến nhận thức

1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức

Những năm đầu thập kỷ 90, nền khoa học thế giới nói chung và ngành viễn thông nói riêng đã có những bước tiến đột phá lớn, khi nhà khoa học Joseph Mitola

đã phát biểu những ý tưởng đầu tiên của mình về vô tuyến và được định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR) [1] Sau đó thì vô tuyến này bao gồm một tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) và một tunner được điều khiển bởi phần mềm Các tín hiệu băng gốc được đưa vào một bộ chuyển đổi tương tự - số, tại đó được lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình như FPGA, bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP), hoặc máy tính cá nhân (PC) Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm Vào năm 1998 trong một kỳ hội thảo tại KTH (Royal Institute of Technology - Stockholm), những ý tưởng về vô tuyến nhận thức (CR) đã được manh nha Và sau đó được công bố trong một bài viết của J Mitola và Gerald Q Maguire, Jr vào năm 1999 Lúc đó là một phương pháp mới trong truyền thông vô tuyến, và được J Mitola định nghĩa như sau:

Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông

số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến

Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến nhận thức như sau:

Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện nhạy bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần thiết) các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác

Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh hiện nay, công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi

người dùng sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến Qua các định nghĩa cốt lõi trên ta có thể tóm tắt lại:

Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số truyền, dựa vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh

Về bản chất các CR là các SDR với trí tuệ nhân tạo, có khả năng cảm nhận

và phản ứng với môi trường Từ đó cấp phát tài nguyên vô tuyến và các dịch vụ không dây phù hợp với nhu cầu sử dụng Công nghệ mới này dựa trên một nền tảng thông minh giúp cho việc cấp phát phổ tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện

có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và

miền tần số

Vô tuyến nhận thức được nghiên cứu để cho phép một đầu cuối vô tuyến

có thể cảm nhận và sử dụng bất kỳ phổ tần số vô tuyến nào có trong thời điểm hiện tại, nhảy vào sử dụng vùng phổ rỗi và thoát ra ngay khi vùng phổ này cần sử dụng

Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và

miền tần số

1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là công nghệ cho phép tận dụng các khoảng tần số nhàn rỗi tạo ra do chính sách quy hoạch tần số tĩnh Hiện nay, công nghệ vô tuyến nhận thức đang thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học khắp nơi trên thế giới Các nút mạng sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức có khả năng hoạt động song song với mạng sơ cấp (Primary Networks) (là mạng có bản quyền sử dụng tần số) với điều kiện ràng buộc là hoạt động truyền phát dữ liệu của mạng thứ cấp (Secondary Networks) không gây can nhiễu cho mạng sơ cấp

Hiện nay có ba phương pháp chính để thiết kế mạng vô tuyến nhận thức đó là: Interweave [2], Overlay [3] và Underlay [4] Trong ba phương pháp này thì phương pháp Underlay nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học nghiên cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho phép các mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có thể tiến hành song song hai hoạt động truyền và phát

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can nhiễu nhận được tại phía máy thu sơ cấp, công suất phát của các máy phát thứ cấp phải được điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu và kết quả là vùng phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới hạn

Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức

1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức ra đời giúp cho việc quản lý phổ tần tối ưu hơn, giải quyết được những hạn chế trong phương pháp quản lý trước đó Công nghệ truy nhập phổ tần động giúp vô tuyến nhận thức hoạt động trên phổ tần có sẵn tốt nhất Vô tuyến nhận thức có các tính năng quan trọng sau đây:

 Điều khiển công suất: được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia

sẻ phổ trong hệ thống CR, để tìm các mức sụt SNR, hỗ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp

 Spectrum Sensing (SS): phát hiện các phần phổ sẵn có (chưa được sử dụng) và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến những người sử dụng khác, đây là một yêu cầu quan trọng của mạng CR để cảm nhận được vùng phổ trống Tìm kiếm những người dùng sơ cấp là phương pháp hiệu quả nhất để tìm ra vùng phổ trống

 Wideband Spectrum Sensing (WSS): về cơ bản là giống với SS trên một vùng phổ rộng, điển hình như một vùng phổ hàng trăm MHz hoặc vài GHz Hiện tại thì công nghệ truy cập phổ tần động không hỗ trợ tỷ lệ lấy mẫu cao, hiệu quả, WSS yêu cầu một công nghệ mang tính cách mạng hơn, ví dụ như: Compressive Sensing và sub-Nyquist sampling

 Quản lý phổ: lựa chọn phổ có sẵn tốt nhất

 Linh động phổ: CR sử dụng công nghệ truy cập phổ tần động, điều đó

có nghĩa là CR phải hoạt động trên băng tần tốt nhất, để tìm được các khoảng phổ trống tốt nhất, CR cần phải thu thập các khoảng phổ trống lại

 Chia sẻ phổ: khi CR hoạt động trong môi trường có nhiều CR khác thì yêu cầu nó phải chia sẻ các cùng phổ trống với những người dùng khác Có 5 bước

để thực hiện chia sẻ phổ là: spectrum sensing, phân bố phổ tần số, truy cập phổ, kết nối thu phát và sự linh động phổ

1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (Spectrum Sensing)

Được hiểu đơn giản là một thuật toán tính toán lượng phổ, nhiễu trong một dải phổ Các thông số trong thuật toán đó gồm: thời gian, không gian, tần số, mã hóa

Nó còn có thể xác định được các loại tín hiệu chiếm giữ phổ, điều chế, dạng sóng, băng thông …

Theo đó các người dùng không được cấp phép phải cảm biến phổ tần định

kỳ Ví dụ là sau mỗi khoảng thời gian Tp Nếu như khoảng phổ đó được xác định là

đang rỗi thì người dùng này sẽ được cấp phép truy cập và sử dụng khoảng phổ [2]

Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp

Tuy nhiên, trong suốt thời gian sử dụng, người sử dụng thứ cấp này không được thông báo về việc truy cập sử dụng lại khoảng phổ của người dùng sơ cấp, do

đó nếu như người dùng sơ cấp truy cập vào khoảng cách giữa 2 Tp thì sẽ có tranh

chấp xảy ra, và hiển nhiên người sử dụng sơ cấp sẽ bị nhiễu Vậy nên hiệu suất chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) của cả người dùng sơ cấp và thứ cấp sẽ

được dựa trên chu kỳ cảm biến Tp này, nếu khoảng Tp này lớn thì thời gian có thể

xảy ra nhiễu cho người dùng sơ cấp cũng tỷ lệ thuận

Ví dụ trên hình cho ta thấy, khoảng Tp là 10 ms, đây cũng là khoảng thời

gian mà người dùng sơ cấp bị người dùng thứ cấp chiếm giữ phổ dài nhất Để đảm

bảo sự cân bằng, khoảng Tp càng thấp thì khoảng thời gian bị nhiễu càng thấp, và đương nhiên khoảng Tp này sẽ được giảm ở phía người dùng thứ cấp Tùy thuộc vào

độ can nhiễu giới hạn ở máy thu của người dùng sơ cấp, mà cả người dùng thứ cấp

và sơ cấp có thể truyền dữ liệu của họ cùng một lúc Phạm vi can nhiễu được định nghĩa là khoảng cách nhỏ nhất mà máy phát của người dùng thứ cấp phải cách xa để

nó không gây nhiễu (ở mức có thể chấp nhận được) đến nguồn thu của người dùng thứ cấp

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một

phổ tần với người dùng sơ cấp

Khoảng cách đó dựa vào các tiêu chí sau:

 Kênh không chắc chắn: kênh không chắc chắn phát sinh do biến động trong kênh fading và shadowing có điều kiện Tín hiệu năng lượng nhận được từ một máy phát sơ cấp có thể thấp hơn so với độ nhạy cảm biến, tùy vào "deep fade" khi

mà máy thu thứ cấp ở trong phạm vi can nhiễu của một người dùng thứ cấp

 Nhiễu không chắc chắn: để tính toán độ nhạy cảm biến của một người dùng thứ cấp, thì công suất nhiễu là cần thiết, tuy thông thường không được tính đến

Sự không chắc chắn trong công suất nhiễu này sẽ ảnh hưởng đến việc ước lượng độ nhạy cảm biến, đặc biệt là trong trường hợp cảm biến phổ thông qua một máy dò tìm năng lượng, vì phương pháp này không thể phân biệt được giữa tín hiệu từ một người

dùng sơ cấp và các tín hiệu nhiễu, nên ngoài phương pháp này còn có phương pháp cảm biến phổ dựa theo đặc điểm tính năng, phương pháp này không ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiễu không chắc chắn này

 Tổng hợp của can nhiễu không chắc chắn: khi có nhiều người sử dụng thứ cấp trong cùng một mạng vô tuyến nhận thức, họ có thể gây nhiễu cho chính họ Vì

số lượng người dùng thứ cấp và các thông số truyền của họ không được biết, nên sự ước tính của độ can nhiễu do các người dùng thứ cấp gây nên trở thành một thách thức Đặc biệt, một người dùng thứ cấp có thể không cảm biến được sự truyền từ một người dùng sơ cấp gần đó do sự can nhiễu gây ra bởi người dùng thứ cấp khác Mô hình can nhiễu tổng hợp này sẽ hữu ích để diễn tả các ảnh hưởng của các thông số mạng (số lượng, vị trí, công suất phát, chi tiết và quảng bá của người sử dụng) trên hiệu suất của mạng vô tuyến nhận thức

Trong hệ thống vô tuyến nhận thức có 2 loại cảm biến phổ tần là:

 Cảm biến sự chiếm giữ phổ: phát hiện ra những vùng phổ bị chiếm giữ từ

đó xác định được những dải phổ trống hoặc đang được sử dụng Bộ phát hiện dựa vào năng lượng là một điển hình cho phương pháp này, do bản thân CR không có nhiều thông tin về tín hiệu sơ cấp nên việc sử dụng phương pháp này rất hiệu quả, tuy nhiên trong điều kiện SNR thấp thì phương pháp này bộc lộ yếu điểm, xác suất phát hiện vùng trống thấp Do đó ta còn gọi loại này là cảm biến phổ dựa theo năng lượng

 Cảm biến các đặc trưng: phân biệt được dải phổ đang được sử dụng bởi người dùng sơ cấp, hay là một người dùng thứ cấp khác Điển hình cho phương pháp này là bộ cảm biến dựa vào các đặc điểm hiệu quả trong điều kiện SNR thấp, xác suất phát hiện khoảng trống cao

Để giảm thiểu những tác động gây ra của những vấn đề không chắc chắn trong cảm biến phổ tần của mạng vô tuyến nhận thức, thì có thể sử dụng sự kết hợp trong cảm biến phổ tần Cảm biến phổ tần kết hợp cho ra nhiều lợi ích, giúp cải thiện khả năng cảm biến của người dùng thứ cấp Trong trường hợp này, nhiều người sử dụng thứ cấp hợp tác cảm biến phổ tần nhắm tới và chia sẻ các kết quả, phổ cảm biến được với nhau Một ưu điểm lớn của cảm biến phổ kết hợp được thể hiện ở hình 1.6

dưới đây Trong hình, người dùng thứ cấp U1 có thể không cảm biến được sự truyền

từ người dùng sơ cấp L1 do kênh truyền fading Nếu U1 bắt đầu truyền, ít sẽ can nhiễu với sự tiếp nhận dữ liệu tại nút L2 được cấp phép Tuy nhiên nếu người dùng thứ cấp

U2 cảm biến được và báo cáo sự hiện diện của người dùng sơ cấp L1 tới bộ phận điều khiển, U2 có thể thông báo cho bộ phận điều khiển, thì nó sẽ trì hoãn các sự truyền dẫn để tránh làm nhiễu đến nút L2 thứ cấp

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau

Khi hoạt động trong một hệ thống vô tuyến nhận thức thì các người dùng thứ cấp cần phải chia sẻ phổ tần mở Có nhiều tiêu chí để phân loại các công nghệ chia sẻ phổ: dựa theo kiến trúc, phương pháp cấp phát phổ tần, hay công nghệ truy nhập phổ tần

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần

1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection)

Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection) là một phương pháp cảm biến phổ để phát hiện khoảng phổ đã được đăng ký có thể sử dụng được hay không Theo phương pháp phát hiện bằng năng lượng này, giải thuật để đưa ra quyết định có được sử dụng khoảng phổ đó hay không là dựa vào sự so sánh của tín hiệu đầu ra của bộ cảm biến này với một mức ngưỡng đã xác định trước Khó khăn ở việc cần phải lựa chọn mức ngưỡng thích hợp ứng với các primary signals Phương pháp này hoạt động hiệu quả khi chỉ số SNR cao

Giải thuật của phương pháp này thì giả sử rằng môi trường hoạt động của tín hiệu không có hiện tượng Fading và xác suất phát hiện đúng tín hiệu, xác suất báo hiệu sai tín hiệu lần lượt được cho bởi:

f

m P

Đồng thời nó có đặc điểm như sau:

 Bộ phát hiện này làm việc nhạy cảm với môi trường có công suất nhiễu không xác định Khi môi trường có công suất nhiễu thay đổi thì bộ phát hiện này có thể đáp ứng ngay Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện

 Bộ phát hiện này chỉ làm nhiệm vụ phát hiện, nó không có khả năng phân biệt được đâu là tín hiệu PU hay SU

Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích tín hiệu như FFT (Fast Fourier Transform) FFT chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số Kỹ thuật này xác định công suất của tín hiệu thông qua giá trị mật

độ phổ công suất của tín hiệu đó Nếu công suất này vượt quá giá trị ngưỡng thì điều

đó thể hiện sự có mặt của PU

Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và tần số

Để có được một đánh giá chính xác về năng lượng của tín hiệu tại tần số

mà ta quan tâm, ta phải tính toán để ước lượng giá trị của tín hiệu nhận được Điều

đó có nghĩa là việc lấy mẫu các giá trị của tín hiệu thì cần thiết để có được kết quả tốt nhất

Tuy nhiên, bộ phát hiện năng lượng vẫn còn được sử dụng bởi vì nó đơn giản và nó được sử dụng làm nền tảng cho việc thiết kế những bộ phát hiện mạnh hơn Ngoài ra, có đề nghị rằng sử dụng nó để làm dải tần bảo vệ an toàn để đánh giá nhiễu của băng tần PU và tăng khả năng nhận biết nhiễu chưa xác định

Giải thuật của phương pháp này được trình bày như sau: (Theo [7])

Để phát hiện 1 tín hiệu nằm trong dải băng thông B biết trước, ta có thể thử

đặt vấn đề về giả thiết như sau :

   

     

0 1

:: , n=1,2, , ,

 Giả thiết H0 thể hiện sự không tồn tại của tín hiệu, tức là tín hiệu nhận

được x(n) chứa đựng chỉ là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN), v(n) ~CN(0,σV2)

 Giả thiết H1 thể hiện cho sự có mặt của tín hiệu, tức là tín hiệu nhận

được x(n) gồm 1 tín hiệu sơ cấp S(n) cộng với nhiễu v(n)

 N tương ứng với số lần lấy mẫu

Quá trình quyết định được thực hiện như sau:

1

€

N n





Giá trị €(y) này được so sánh với giá trị ngưỡng γ để đánh giá sự có mặt

của tín hiệu Nếu €(y) > γ thì:

 Theo giả thiết H1; nghĩa là tồn tại tín hiệu trong kênh tần số này

 Theo giả thiết H0; nghĩa là kết quả phát hiện là sai, trường hợp này là

không có tín hiệu nhưng bộ phát hiện vẫn báo có phát hiện được

Ngược lại, nếu €(y) < γ thì không hiện diện tín hiệu trong kênh tần số này

Trong giải thuật này, người ta đưa ra 2 định nghĩa về xác suất phát hiện đúng tín hiệu

Pd và xác suất phát hiện sai của bộ phát hiện Pf:

d fa

giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cho trước, khi đó số lần lấy mẫu sẽ được xác định

như sau thỏa mãn yêu cầu trên:

N  Q P Q P  SNR SNR (1.7)

Theo công thức trên, ta thấy số lần lấy mẫu N thì tỷ lệ nghịch với bình

phương của SNR Giải thích một cách đơn giản như sau, với tín hiệu đã được đăng

ký PU mà có tỷ số SNR càng cao thì số lần lấy mẫu sẽ càng thấp mà vẫn đảm bảo

được chất lượng của bộ phát hiện Và ngược lại, khi tỷ số SNR của tín hiệu PU thấp

thì đòi hỏi ta phải tăng giá trị của số lần lấy mẫu nếu muốn bộ phát hiện hoạt động

Điều này hàm ý rằng bộ phát hiện bằng năng lượng không phải là lựa chọn tốt khi mà

tín hiệu có chỉ số SNR thấp Xa hơn nữa, khi mà nhiễu trong môi trường không xác

định mà luôn thay đổi thì bộ phát hiện này được dùng với mục đích khác

Trong phần cảm biến phổ này, ta trọng tâm vào tín hiệu năng lượng được

xây dựng trong miền tần số Tín hiệu này được nhận dạng bởi mật độ phổ công suất

Như vậy mật độ phổ công suất được tính như sau:

Để đơn giản công thức trên, chúng ta tiến hành ước lượng giá trị của mật

độ phổ công suất với số lần lấy mẫu hợp lý, khi đó thì ta có công thức tương đối đơn

Trong thực tế thì người ta tính mật độ phổ công suất dựa trên FFT với sơ

đồ giải thuật như trên, tín hiệu được đưa vào, sau khi qua bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, quá trình lấy mẫu sẽ được xử lý trong bộ FFT, sau đó bình phương, lấy trung bình như công thức đã nêu trên Cuối cùng, kết quả này sẽ được so sánh với giá trị ngưỡng để quyết định sự có mặt của tín hiệu trong nền nhiễu hay không Tuy nhiên, trong bộ FFT này ta cần chú ý đến độ rộng băng thông có phù hợp với dãi băng mà chúng ta quan tâm hay không Đồng thời kích thước của FFT cũng

có giới hạn của nó bởi vì một FFT có kích thước lớn thì sẽ đảm bảo chất lượng của quá trình xử lý nhưng nó lại làm tăng thời gian cảm biến

Ưu, nhược điểm của phương pháp:

 Nhược điểm:

Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích tín hiệu như FFT Mặc dù bộ phát hiện này đơn giản để thực hiện nhưng bên cạnh đó

nó cũng có những hạn chế:

 Tốc độ cảm biến phổ tín hiệu chậm

 Ngưỡng để thực hiện phát hiện tín hiệu lại nhạy cảm với sự thay đổi của nhiễu trong môi trường truyền tín hiệu

 Không phân biệt được đâu là tín hiệu, đâu là nhiễu

 PU and SU không thể phân biệt được, trong khi PU thì cần được ưu tiên trong việc sử dụng

 Ưu điểm:

Phương pháp phát hiện năng lượng này được xem là phương pháp phổ biến

và đơn giản nhất về cả khái niệm lẫn thực hiện Một bộ phát hiện này được ví như là một bức xạ kế, hoạt động tối ưu trong điều kiện môi trường chỉ có công suất của tín hiệu và nhiễu Vì vậy, tuy nó đơn giản nhưng lại chính là phần trọng tâm của quá trình cảm biến phổ

Phương pháp cảm biến dựa vào năng lượng này thường được dùng chủ yếu

để phát hiện tín hiệu với một giá trị nhiễu xác định Sở dĩ nó được lựa chọn trong kế hoạch cảm biến phổ của hệ thống Cognitive Radio là vì:

 Nó không cần nhiều thông tin của tín hiệu do đó xử lý đơn giản

 Quá trình cài đặt, thực hiện tương đối đơn giản khi sử dụng giải thuật FFT, giải thuật có thể cảm biến nhanh và dễ dàng phân tích với hệ thống OFDM

 Đánh giá được mật độ phổ công suất (PSD) của tín hiệu nhận được trong vùng lân cận và sau đó thiết lập được giá trị ngưỡng dựa vào việc xác định white spaces và gray spaces

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Trong phạm vi của đề tài, lựa chọn nút chuyển tiếp trong vô tuyến nhận thức trên nền đa người dùng, ta sẽ tập trung vào phương pháp chia sẻ tần số theo phương pháp truy nhập phổ tần Theo công nghệ truy nhập chia sẻ phổ tần có thể chia thành công nghệ Spectrum Overlay và Spectrum Underlay

1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần Overlay (Spectrum Overlay)

Trong kỹ thuật chia sẻ tần số Overlay, người dùng sơ cấp chia sẻ băng tần với người dùng thứ cấp với điều kiện người dùng thứ cấp phải giúp đỡ người dùng

sơ cấp nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng sơ cấp Trong mô hình này, người dùng thứ cấp sẽ đóng vai trò là người chuyển tiếp các dữ liệu cho mạng sơ cấp

Từ việc giúp đỡ mạng sơ cấp, các người dùng thứ cấp sẽ có cơ hội truy cập băng thông và truyền dữ liệu của chúng [3], [5] - [6]

Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay

Như được mô tả trong hình 1.9, những bộ phát thứ cấp (Secondary Transmitter - ST) sẵn sàng giúp đỡ máy phát sơ cấp (Primary Transmitter - PT) bằng cách chuyển tiếp dữ liệu của PT đến máy thu sơ cấp (Primary Receiver - PR)

Với phương pháp này, hiệu năng của mạng sơ cấp sẽ được nâng cao nhờ vào độ lợi phân tập đạt được Hơn thế nữa, các máy phát STn (n=1, 2, , N) sẽ có cơ hội sử dụng băng thông và truyền dữ liệu của nó đến máy thu sơ cấp (Secondary Receiver - SR) SRn [3], [5] - [6]

Ưu điểm của phương pháp Overlay là khả năng nâng cao hiệu năng của cả hai mạng sơ cấp và thứ cấp Tuy nhiên, tương tự như kỹ thuật Spectrum Sensing, kỹ thuật này có nhược điểm là không đảm bảo tính liên tục trong quá trình truyền dữ liệu của mạng thứ cấp Ví dụ trong trường hợp mạng sơ cấp đã thoả mãn chất lượng dịch

vụ, mạng này sẽ không cần sự giúp đỡ từ mạng thứ cấp nữa

1.1.3.4 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần Underlay (Spectrum Underlay)

Công nghệ Spectrum Underlay là một nguyên tắc quản lý tần số, mà các tín hiệu với phổ công suất rất thấp có thể cùng tồn tại Người dùng sơ cấp triển khai

hệ thống với mức mật độ năng lượng cao hơn nhiều, mô hình Underlay dẫn đến một

sự hạn chế nhiễu tầng cho những người dùng sơ cấp

Hình 1.11: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay

Người sử dụng mạng vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổ như: CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động băng rộng)

để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép Việc sử dụng các công nghệ trải phổ sẽ giúp cho người sử dụng vô tuyến nhận thức có thể dùng tràn lên băng tần của người sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng được cấp phép có sử dụng phổ tần đó hay không Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này là người sử dụng vô tuyến nhận thức phải kiểm soát được công suất phát của mình để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép Công nghệ chia sẻ phổ tần chìm thường được áp dụng đối với các mạng tổ ong

1.2 Bảo mật lớp vật lý

1.2.1 Khái niệm và ưu điểm của bảo mật lớp vật lý

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của truyền thông không dây đã ảnh hưởng ngày càng lớn đến các lĩnh vực kinh tế xã hội Điều này dẫn đến vấn đề bảo mật thông tin trong mạng không dây cũng ngày được quan tâm và nổi lên như một vấn đề nóng, đặc biệt trong lĩnh vực tài chính, ngân hàng, an ninh và quân sự Việc tìm ra các phương pháp bảo mật hiệu quả để đảm bảo tính bảo mật, tính toàn vẹn và tính xác thực cho tất cả các truyền thông không dây là rất cần thiết đối với việc truyền thông tin

Đối với các cuộc trao đổi thông tin mang tính chất riêng tư vừa phải mang tính chính xác vừa phải mang tính chất bảo mật Trong thông tin nói chung bảo mật

đã rất quan trọng, mà như chúng ta đã biết môi trường truyền thông tin vô tuyến là

môi trường truyền dẫn vô tuyến, môi trường này rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm

đường truyền Bảo vệ quyền lợi của thuê bao, và bảo vệ bí mật dữ liệu trên mạng cho

thuê bao cần có những phương pháp đặc biệt, tất cả các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật

bảo mật an toàn thông tin

Trong môi trường mạng không dây, do tính chất truyền quảng bá làm cho

mạng dễ bị tấn công, nghe lén thông qua giao tiếp không dây Các phương pháp bảo

mật hiện tại là áp dụng các kỹ thuật mã hóa, xác thực phức tạp (như WEP, WPA…)

và thường được triển khai ở lớp ứng dụng Nhưng các giải pháp bảo mật trên ngày

càng khó triển khai, kém hiệu quả do các yêu cầu tích hợp, kỹ thuật tính toán và

phương thức tấn công mạng không dây thay đổi không ngừng

Gần đây, kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical-Layer Security) đã

thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Trong

phương pháp này là khai thác các tính chất vật lý của kênh truyền vô tuyến để tăng

cường hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các công cụ mã hóa [8-17]

Hướng tiếp cận bảo mật lớp vật lý xây dựng dựa trên lý thuyết bảo mật

thông tin, với nguyên lý cơ bản: một hệ thống truyền thông không dây có khả năng

bảo mật nếu dung lượng kênh truyền hợp pháp lớn hơn dung lượng kênh truyền bất

hợp pháp Cách tiếp cận này tuy đơn giản nhưng hiệu quả do tập trung giải quyết vấn

đề bảo mật ngay ở mức thông tin nhằm hạn chế khả năng thu nhận thông tin bất hợp

pháp

Hình 1.11 miêu tả mô hình bảo mật lớp vật lý đơn giản, trong đó Alice (A)

muốn truyền dữ liệu đến Bob (B), cùng lúc đó Eva (E) cố gắng nghe lén thông tin mà

Alice gửi đến Bob Giả sử, dung lượng kênh của liên kết giữa A và B là và dung

lượng kênh của kênh nghe lén giữa A và E là, thì dung lượng kênh bảo mật được định

nghĩa bằng công thức sau:

Sec max 0, AB AE

C  C C (1.10)

Bảo mật lớp vật lý là một phương pháp đơn giản nhằm đạt được hiệu quả

bảo mật Đây là một hướng nghiên cứu mới, được các nhà khoa học trên thế giới quan

Hình 1.12: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Trong công thức (1.10), ta chú ý rằng dung lượng bảo mật là một giá trị

không âm Để có thể so sánh cũng như đánh giá mức độ bảo mật của các hệ thống vô

tuyến, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các thông số đánh giá bảo mật như sau:

 Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability (SOP)): là xác suất

mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn một giá trị xác định trước (ví dụ như R):

SOPPr C R (1.11)

 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (Probability of Non-zero Secrecy

Capacity (NSC)): là xác suất mà dung lượng bảo mật lớn hơn 0

NSCPr C 0 (1.12)

 Dung lượng bảo mật trung bình (Average Secrecy Capacity (ASC)): là

giá trị trung bình của dung lượng bảo mật

Sec

ASCC (1.13)

1.2.2 Các phương pháp chuyển tiếp được sử dụng trong bảo mật lớp

vật lý

1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplify-and-Forward)

Trong mô hình này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nguồn trong pha thời gian đầu tiên Trong pha thời gian kế tiếp, nút chuyển tiếp chỉ đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận được trong nửa pha thời gian đầu Trong kỹ thuật này nút chuyển tiếp không có khả năng giải mã tín hiệu nhận được nhưng có thể khuếch đại tín hiệu nhận được từ nguồn và gửi nó đến đích Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp còn được gọi

là mô hình chuyển tiếp không tái tạo Kỹ thuật này thường được dùng thời gian tính toán hoặc công suất vốn có của trạm chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hoãn Trạm chuyển tiếp nhận được tín hiệu đã bị suy hao và cần phải khếch đại lên trước khi truyền tiếp

 Ưu điểm: phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp là đơn giản

 Nhược điểm: phương pháp này là nhiễu được khuếch đại tại nút chuyển tiếp

1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp DF (Decode-and-Forward)

Với giao thức giải mã và chuyển tiếp, nút chuyển tiếp sẽ giải điều chế tín hiệu nhận được tại nút nguồn tại pha thời gian đầu tiên Ở pha thời gian thứ hai nút chuyển tiếp thực hiện điều chế lại và chuyển tiếp tín hiệu về nút đích Ở kỹ thuật này nút chuyển tiếp hoạt động như một trạm lặp thông minh So với kỹ thuật AF, kỹ thuật

DF phức tạp hơn bởi sự yêu cầu giải mã và mã hóa lại tại các nút chuyển tiếp Nhiễu tại nút chuyển tiếp trong kỹ thuật DF sẽ được loại bỏ, với kỹ thuật AF thì nhiễu từ nguồn sẽ được khuếch đại trước khi truyền đến đích Kỹ thuật này thường dùng trong việc truyền tín hiệu số

 Ưu điểm: phương pháp giải mã và chuyển tiếp là dễ dàng tích hợp vào

hệ thống số Trong phương pháp này, nhiễu được loại bỏ tại nút chuyển tiếp

 Nhược điểm: nút chuyển tiếp cần giải mã tín hiệu và mã hoá lại tín hiệu trước khi truyền đến đích Quá trình giải điều chế có thể bị sai và nút chuyển tiếp có thể chuyển tiếp tín hiệu sai tới đích

Trong bảo mật lớp vật lý, các nhà nghiên cứu còn đề xuất một phương pháp chuyển tiếp khác, đó là ngẫu nhiên và chuyển tiếp

1.2.2.3 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp RF Forward)

Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp R khi được dữ liệu từ nguồn giải mã

và sau đó sẽ mã hóa lại dữ liệu với một từ mã khác với từ mã từ nguồn Kỹ thuật này được sử dụng để tránh nút nghe lén kết hợp dữ liệu nhận được Đây là một biến đổi của kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF): kỹ thuật RF chỉ khác kỹ thuật DF ở chỗ các

từ mã sẽ được tạo ra một cách ngẫu nhiên tại nút chuyển tiếp

1.3 Lý do chọn đề tài

Bảo mật thông tin trong truyền thông vô tuyến đang trở thành một chủ đề

“nóng”, thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nước và quốc tế Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, sự truyền dữ liệu vô tuyến có thể bị nghe trộm bởi những thiết bị nghe lén trong mạng Cho đến nay, những thuật toán bảo mật phổ biến như DES, RSA…đều là các thuật toán chạy ở lớp ứng dụng và khá phức tạp khi triển khai trong các hệ thống Gần đây, bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical Layer Security) [18-22] đã được phát triển nhằm đạt được hiệu quả bảo mật, trong khi giảm thiểu đáng kể sự phức tạp khi triển khai kỹ thuật này Thật vậy, trong bảo mật lớp vật

lý, sự bảo mật có thể đạt được dựa vào các tính chất vật lý của kênh truyền như khoảng cách, thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information), nhiễu nhân tạo, v.v

Trong hầu hết các nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý, các thông số đánh giá hiệu năng bảo mật được đưa ra đó là dung lượng kênh bảo mật trung bình (Average Secrecy Capacity), xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability) và xác suất dung lượng bảo mật khác không (Probability of Non-zero Secrecy Capacity) [18-24] Tuy nhiên, các thông số này không quan tâm đến khả năng giải mã của nút nghe lén

Rõ ràng rằng, một khi nút nghe lén có khả năng giải mã các tín hiệu nhận được, thì

sự bảo mật của dữ liệu là không còn nữa Trong [25]-[26], các tác giả lần đầu tiên đưa ra khái niệm xác suất đánh chặn (Intercept Probability (IP)) của nút nghe lén Đây là xác suất mà nút nghe lén có thể giải mã được dữ liệu nghe trộm

Trong đề cương này, học viên nghiên cứu đề tài bảo mật lớp vật lý, trong

đó chú trọng đến thông số hiệu năng Intercept Probability (IP) Đề tài xem xét các phương pháp hiệu chỉnh công suất phát của các máy phát nhằm giảm xác suất đánh chặn IP tại nút nghe lén Tuy nhiên, việc giảm công suất phát ở các nút phát cũng đồng nghĩa với việc làm giảm chất lượng dịch vụ hay giảm hiệu năng của hệ thống

Do đó, đề tài cũng đề xuất các phương pháp chuyển tiếp phân tập hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho mạng khảo sát Cuối cùng, mô hình hệ thống được xem xét ở đây là mô hình chuyển tiếp trong mạng thứ cấp (Secondary Network) sử dụng

kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong truyền thông vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) [27]-[28]

Bảo mật lớp vật lý là một chủ đề mới được nhiều chuyên gia trong nước và quốc tế nghiên cứu Ở trong nước, các tác giả trong các tài liệu [20]-[22], [23]-[24]

đã nghiên cứu kỹ các phương pháp chuyển tiếp phân tập nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý cho các giao thức chuyển tiếp Hơn thế nữa, nhóm các tác giả trong [22] và [23] đã khảo sát hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, các tác giả trong [20]-[22], [23]-[24] đánh giá hiệu năng bảo mật qua các thông số như dung lượng kênh bảo mật trung bình, xác suất dừng bảo mật và xác suất dung lượng bảo mật khác không, mà chưa quan tâm đến khả năng giải mã dữ liệu ở nút nghe lén (xác suất đánh chặn), cũng như khả năng giải

Trong đề cương này, học viên đề xuất mô hình chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa mô hình nghiên cứu trong

đề tài và các nghiên cứu liên quan khác có thể được liệt kê như sau:

 Đầu tiên, tương tự với [29], đề tài cũng sẽ đưa ra các biểu thức toán học

để đánh giá chính xác giá trị IP ở nút nghe lén Tuy nhiên, khác với [15], dựa vào các biểu thức IP, đề tài đưa ra các biểu thức tính công suất phát của các nút phát sơ cấp, nhằm hạn chế khả năng đánh chặn của nút nghe lén Sau khi đã xác lập các biểu thức tính toán công suất phát của các nút phát sơ cấp, đề tài đề xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp nhằm nâng cao hiệu năng xác suất dừng của hệ thống khảo sát

 Thứ hai, đề tài xem xét các trường hợp khác nhau, trong đó thông tin trạng thái kênh truyền từ các nút phát thứ cấp đến nút nghe lén thứ cấp là sẵn có hoặc không, khoảng cách giữa các nút phát thứ cấp đến nút nghe lén thứ cấp là sẵn có hoặc không Tùy thuộc vào các trường hợp khác nhau, đề tài đánh giá hiệu năng của các giao thức đề xuất thông qua thông số hiệu năng xác suất dừng

 Thứ ba, khác với [29], đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng xác suất dừng của hệ thống, cũng như xác suất đánh chặn tại nút nghe lén

1.4 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn gồm có bốn chương:

Trong chương 1 là phần lý thuyết tổng quan, ở chương này chúng tôi tìm hiểu về khái niệm vô tuyến nhận thức, đặc biệt là kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong vô tuyến nhận thức, các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức: Spectrum Sensing, Energy Detection, Spectrum Overlay, Spectrum Underlay

Trong chương 2 chúng tôi sẽ đưa ra các giải pháp nâng cao hiệu năng xác suất dừng hệ thống dưới sự tác động của mức giao thoa định mức, suy hao phần cứng

và định mức của xác suất đánh chặn

Trong chương 3 chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

để kiểm tra và đánh giá hoạt động của mô hình chuyển tiếp trong mạng thứ cấp (Secondary Network) sử dụng kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong truyền thông vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)

Cuối cùng là chương 4, ở chương này chúng tôi kết luận và đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Hi ̀nh 2.1: Mô hình được nghiên cứu trong luận văn

Trong hình vẽ 2.1, mô hình chuyển tiếp hai chặng trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền Trong mạng sơ cấp, người dùng sơ cấp PU được phép sử dụng băng tần bất cứ lúc nào Trong mạng thứ cấp, nút nguồn thứ cấp S muốn gửi dữ liệu đến nút đích thứ cấp D Tuy nhiên, do khoảng cách xa giữa nút nguồn và nút đích, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích được thực hiện thông qua các nút chuyển tiếp thứ cấp Giả sử có tất cả M nút chuyển tiếp và các nút này được đặt tên là R , R , , R1 2 M Các nút phát thứ cấp truy cập kênh theo phương pháp vô tuyến nhận thức dạng nền [20], ở đây các nút phát thứ cấp như nút nguồn hay các nút chuyển tiếp phải hiệu chỉnh công suất phát của chúng, sao cho thỏa mãn định mức giao thoa được quy định bởi nút PU Trong mạng thứ cấp, giả sử có một nút nghe lén E cố gắng nghe lén thông tin được gửi đến đích D Ở đây, E cũng là một nút thứ cấp và chỉ mong muốn nghe trộm thông tin được gửi đến D Do đó, ta có thể giả sử rằng E ở gần D và cũng không thể nghe được dữ liệu truyền từ S vì khoảng cách xa Ta cũng giả định rằng các

chuyển tiếp thứ cấp được gần nhau, tạo thành một cụm [31] Tất cả các thiết bị đầu cuối được trang bị với một ăng-ten duy nhất và hoạt động trong chế độ bán song công

Do đó, việc truyền tải dữ liệu được thực hiện thông qua một kỹ thuật phân chia thời gian qua các kênh trực giao

Với sự xuất hiện của suy hao phần cứng và dưới sự ảnh hưởng của mức giao thoa tới hạn   Ith , công suất phát của nút nguồn S phải được hiệu chỉnh theo công thức sau [30, phương trình (8)]:

đa được quy định bởi nút PU, cuối cùng, Plà tổng mức suy hao phần cứng gây nên

do sự khiếm khuyết phần cứng ở các nút phát (S, R) và nút thu PU

Từ công thức (2.1), công suất phát lớn nhất mà nút nguồn S có thể sử dụng

th

I P

i i

 là độ lợi kênh truyền giữa S và Ri, và N là phương sai của nhiễu 0

trắng và D là tổng mức suy hao phần cứng gây nên do sự khiếm khuyết phần cứng