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

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

-

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

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TRUNG DUY

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc

sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

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

1.1 Mạng vô tuyến nhận thức

1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức

1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức

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

1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (Spectrum Sensing) 1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection):

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

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

1.2 Bảo mật lớp vật lý

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

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]

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 tâm

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

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 1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp DF 1.2.2.3 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp RF

1.3 Lý do chọn đề tài

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 mã ở nút đích (xác suất dừng)

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

Trong mô hình hệ thống được mô tả trong hình vẽ 2.1, mạng sơ cấp (Primary Network) được biểu thị bằng nút PU (người dùng sơ cấp: Primary User) Trong mạng thứ cấp (Secondary Network), một nút nguồn thứ cấp S muốn truyền dữ liệu đến một nút đích thứ cấp D, thông qua sự

giúp đỡ của M nút chuyển tiếp thứ cấp (các nút này được đặt tên là

1, 2, , M

R R R ) Giả sử không có đường truyền trực tiếp giữa nguồn và đích, do đó, nút nguồn cần sự giúp đỡ của các nút chuyển tiếp để đưa dữ liệu của nguồn về đích

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)]:

Trong mô hình khảo sát, nút nghe lén E muốn nghe trộm các thông tin được gửi đến đích Nút nghe lén cũng là nút thứ cấp và nút này được giả sử là ở gần nút đích Do đó, ta giả sử rằng nút nghe lén E không thể nghe được dữ liệu phát đi từ nút nguồn S Ta giả sử rằng, nút chuyển tiếp sau khi đã giải mã thành công dữ liệu của nguồn, nút này chuyển tiếp

dữ liệu đến đích Tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút đích D và nút nghe lén E có thể được đưa ra như bên dưới:

 lần lượt là độ lợi kênh truyền của liên kết giữa

Ri và D; và giữa Ri và E; và E là tổng mức suy hao phần cứng gây nên

do sự khiếm khuyết phần cứng ở các nút phát (S, R) và nút nghe lén E

Bây giờ ta xét đến khả năng nghe lén của nút E; như đã được định nghĩa trong tài liệu [30] và [33], khả năng chặn (Intercept Probability (IP)) hay khả năng giải mã thành công dữ liệu từ Ri của nút nghe lén E có thể được biểu diễn như sau:

Rõ ràng rằng, hệ thống cần hạn chế xác suất chặn của nút nghe lén đến mức thấp nhất có thể Tuy nhiên, phương pháp đơn giản nhất để làm giảm giá trị IP đó là giảm công suất phát của các nút chuyển tiếp Ri Tuy

nhiên, việc giảm công suất phát như thế nào? giảm đến mức nào? giảm như thế nào thì phù hợp? sẽ là một vấn đề cần được giải quyết trong luận văn này

Để trả lời các câu hỏi đã đặt ra, ta cần xét các trường hợp cụ thể như sau:

 Trường hợp 1: Các nút chuyển tiếp Ri có thông tin trạng thái kênh truyền đến nút nghe lén

Trong trường hợp này, nút chuyển tiếp Ri phải điều khiển công suất phát sao cho nút nghe lén không thể nhận được thành công dữ liệu nghe lén, cụ thể:

R

E R E

1

i

i

th th

với E

E

1

th th

Trong trường hợp này, nút chuyển tiếp Ricó thể tính được xác suất chặn trung bình của nút nghe lén theo định nghĩa trong công thức (2.10) như sau:

th

N F

cụ thể:

RE 0 E

IP R

i

N P

 Trường hợp 3: Các nút chuyển tiếp Ri KHÔNG có bất

kỳ thông tin nào liên quan đến nút nghe lén

Trong trường hợp này, công suất phát tối đa của nút chuyển tiếp Ri sẽ đạt được từ công thức (2.1) như sau:

R

P R P R P

1

 Trong trường hợp 1: Các nút chuyển tiếp Ri có thông tin trạng thái kênh truyền đến nút nghe lén, giá trị của IP luôn luôn bằng 0

 Trong trường hợp 2: Các nút chuyển tiếp Ri KHÔNG

có thông tin trạng thái kênh truyền tức thời đến nút nghe lén, tuy nhiên các nút này biết được các đặc tính thống kê trung bình đến nút nghe lén Như đã đưa ra ở trên, giá trị IP luôn luôn bằng IP

 Trong trường hợp 3: Các nút chuyển tiếp Ri KHÔNG

có bất kỳ thông tin nào liên quan đến nút nghe lén Sử dụng công thức (2.10) và (2.21), giá trị của IP tại nút nghe lén E có thể được đưa ra như sau:

Mặt dù, phương pháp (2.25) tốt hơn so với phương pháp được

đề xuất trong (2.22), tuy nhiên việc thực thi phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp này rất phức tạp do sự yêu cầu các thông tin kênh truyền từ các nút chuyển tiếp đến nút sơ cấp PU và nút nghe lén E

CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT

th th

 Trường hợp 1: Các nút chuyển tiếp có thông tin trạng

thái kênh truyền đến nút nghe lén

Biểu thức tính chính xác cho xác suất dừng tại nút đích như sau:

 Trường hợp 2: Các nút chuyển tiếp chỉ biết các đặc tính

thống kê trung bình đến nút nghe lén

Xác suất dừng trong trường hợp 2 có thể được viết ra như sau:

 Trường hợp 3: Các nút chuyển tiếp Ri KHÔNG có bất

kỳ thông tin nào liên quan đến nút nghe lén

Trong trường hợp này, xác suất dừng tại nút đích được tính như sau:

k k N k

1 OP

Cũng vậy, giá trị của IP tại nút nghe lén E cũng được tính theo

03 trường hợp như sau:

 Trường hợp 1: Các nút chuyển tiếp có thông tin trạng

thái kênh truyền đến nút nghe lén

Trong trường hợp này, giá trị của IP luôn luôn bằng 0:

IP  0. (3.30)

 Trường hợp 2: Các nút chuyển tiếp chỉ biết các đặc tính

thống kê trung bình đến nút nghe lén

Trong trường hợp thứ 2 này, giá trị của IP bằng với hệ số điều khiển:

IP

IP   (3.31)

 Trường hợp 3: Các nút chuyển tiếp KHÔNG có bất kỳ

thông tin nào liên quan đến nút nghe lén

Trong trường hợp này, giá trị trung bình của IP tại nút nghe lén

E sẽ được tính bằng công thức sau:

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

4.1 Môi trường mô phỏng

Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng MATLAB Trong mỗi kết quả mô phỏng, 105 5*105 phép thử được thực hiện, và giá trị của xác suất dừng (OP) và xác suất chặn (IP) được tính bằng số lần hệ thống dừng chia cho số phép thử

Ngoài các ký hiệu toán học thông thường, luận văn quy định các

ký hiệu khác trên các hình vẽ như sau:

 Xác suất dừng được ký hiệu bằng chữ OP

 Xác suất chặn được đánh dấu bằng chữ IP

 Kết quả mô phỏng được đánh dấu bằng các ký hiệu và

 Đối với mô hình tối ưu (xem công thức (2.25) Chương 2)

sẽ được ký hiệu bằng chữ OPT (Optimal protocol)

4.3 Kết quả và biện luận các kết quả

 Trường hợp 1: Các nút chuyển tiếp có thông tin trạng

thái kênh truyền đến nút nghe lén

Trong hình 4.2, xác suất dừng OP được vẽ theo giá trị của ngưỡng giao thoa định mức Ith (dB)

Hình 4.2: Xác suất dừng (OP) là hàm số của Ith (dB) khi

Hình 4.3: Xác suất dừng (OP) là hàm số của M khi

P 0.5,

Trong hình 4.4 so sánh hiệu năng OP của mô hình đề xuất và

mô hình tối ưu (OPT)

Hình 4.4: Xác suất dừng (OP) là hàm số của Ith (dB) khi

P 0.5,

y  yE  0.3, D 0.15, E  0.15 và P  0.1.

 Trường hợp 2: Các nút chuyển tiếp chỉ biết các đặc tính

thống kê trung bình đến nút nghe lén

Trong hình 4.5, xác suất dừng OP được vẽ theo giá trị của Ith

Hình 4.6: Xác suất dừng (OP) là hàm số của xR khi

Hình 4.7: Xác suất dừng (OP) là hàm số của IP khi

 Trường hợp 3: Các nút chuyển tiếp KHÔNG có bất kỳ

thông tin nào liên quan đến nút nghe lén

Trong các hình 4.8 và 4.9, xác suất dừng OP và xác suất chặn

IP lần lượt được biểu diễn như một hàm của Ith (dB)

Hình 4.8: Xác suất dừng (OP) là hàm số của Ith (dB) khi

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN

5.1 Kết luận

- Bảo mật là một vấn đề cấp thiết và quan trọng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến, trong đó bảo mật lớp vật lý đã và đang trở thành một phương pháp đơn giản và hiệu quả được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm

- Trong luận văn 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

- Để nâng cao hiệu quả bảo mật, đề tài nghiên cứu mô hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp trên kênh truyền Rayleigh fading trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền Cụ thể, luận văn 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

5.2 Các kết quả đạt được

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của phương pháp bảo mật lớp vật lý, từ

đó đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả bảo mật cho hệ thống truyền thông chuyển tiếp không dây

- Tìm hiểu các phương pháp chuyển tiếp phân tập để nâng cao độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị

- Tìm hiểu khái niệm vô tuyến nhận thức, đặc biệt là kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong vô tuyến nhận thức

- Tìm hiểu các giao thức chuyển tiếp phân tập trong truyền thông vô tuyến

- Tìm hiểu kỹ thuật bảo mật lớp vật lý và các thông số đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý

- Nghiên cứu khái niệm xác suất đánh chặn và xác suất dừng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến

- Thực hiện các mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các tính toán của mình

- Từ các kết quả đạt được, học viên đưa ra các nhận xét để nêu ra các ưu điểm và khuyết điểm của mô hình

5.3 Hướng phát triển đề tài

- Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất trên các kênh truyền tổng

quát hơn như kênh Rician hay kênh Nakagami- m …

- Nghiên cứu các mô hình với nhiều nút nghe lén, đặc biệt là mô hình mà các nút nghe lén hợp tác với nhau để chia sẽ thông tin nghe lén

- Mô hình đề xuất có thể được mở rộng trong mạng chuyển tiếp đa chặng

- Nghiên cứu các mô hình mới trong đó các nút có thể hoạt động trong chế

độ song công (full-duplex)