Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)

-

LÊ THỊ HỒNG NGỌC

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐƯỜNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA ĐƯỜNG SỬ DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VỚI

SỰ XUẤT HIỆN CỦA CÁC NÚT NGHE LÉN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH -2017

-

Lê Thị Hồng Ngọc

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐƯỜNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA ĐƯỜNG SỬ DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VỚI

SỰ XUẤT HIỆN CỦA CÁC NÚT NGHE LÉN

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên Học viên xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

Thầy TS Trần Trung Duy đã tận tình hướng dẫn, và đã trang bị cho Học viên

những kiến thức vô cùng quý báu để Học viên có thể vững tin bước tiếp trên con đường của mình Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (Nafosted, mã số đề tài 102.04 – 2017.317) đã tài trợ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt luận văn này

Học viên xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy cô của Học viện đã giảng dạy và truyền đạt cho Học viên những kiến thức quan trọng trong quá trình học tập tại Học viện

Và cuối cùng Học viên xin chân thành cảm ơn các các bạn khóa cao học

2016 đợt 1 đã động viên, tạo điều kiện cho Học viên hoàn thành khóa học

Tp HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện

Lê Thị Hồng Ngọc

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, tôi có tham khảo một số tài liệu liên quan nói chung và các bài báo nói riêng

Tôi xin cam đoan đề tài này là do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng

Tp HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện

Lê Thị Hồng Ngọc

MỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về chuyển tiếp và chuyển tiếp đa chặng 3

1.1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp 3

1.1.2 Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng 5

1.1.3 Giải pháp đa đường 6

1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý 6

1.2.1 Tổng quát 6

1.2.2 Ưu điểm bảo mật lớp vật lý 7

1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng 8

1.4 Các nghiên cứu liên quan và lý do chọn đề tài 9

1.4.1 Lý do chọn đề tài 9

1.4.2 Các nghiên cứu liên quan 11

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 12

2.1 Mô hình hệ thống 12

2.2 Công suất phát của các nút 14

2.3 Các phương pháp chọn đường 17

2.4 Mô hình kênh truyền 19

2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất 20

2.5.1 Xác suất dừng của giao thức RP 21

2.5.2 Xác suất dừng của giao thức SP 28

2.5.3 Xác suất dừng của giao thức BP 29

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 31

3.1 Xác suất dừng của giao thức RP 31

3.2 Xác suất dừng của giao thức SP 35

3.3 Xác suất dừng của giao thức BP 38

3.4 So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén không hợp tác với nhau 41

3.5 So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén hợp tác với nhau 43 CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 46

4.1 Kết luận 46

4.2 Hướng phát triển luận văn 48

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify-and-forward Khuếch đại và chuyển tiếp AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector

CDF Cumulative Density Function Hàm phân phối tích lũy DSDV Destination Sequenced Distance Vector

DF Decode-and-forward Giải mã và chuyển tiếp

MRC Maximal ratio combining Kết hợp độ lợi tối đa MIMO Multi-Input Multi-Output

MISO Multi-Input Singel-Output

OP Outage Probability Xác suất dừng

RF Radio Frequency Năng lượng tần số vô tuyến

RP Random Path Chọn đường ngẫu nhiên

SP Shortest Path Chọn đường ngắn nhất

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp 4

Hình 1.2 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng 5

Hình 1.3 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng 5

Hı̀nh 2.1: Mô hình nghiên cứu 12

Hı̀nh 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k 13

Hı̀nh 3.1: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi L={ }2,3 , Rth =0.05, 2, K = yE = −1 và α =0.1 32

Hı̀nh 3.2: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén không cộng tác với nhau, L={ }2,3 , Rth =0.05, yE = −1 và α =0.1 33

Hı̀nh 3.3: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L={ }2,3 , Rth =0.01, yE = −1 và K =2.34 Hı̀nh 3.4: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi L={1, 2,3 ,} th 0.05, R = K =2 và yE = −1 35

Hı̀nh 3.5: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi các nút nghe lén không phối hợp với nhau L={2,3, 4 ,} Rth =0.05, K =2, yE = −1 và α =0.25.36 Hı̀nh 3.6: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi những nút nghe cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L={2,3, 4 ,} Rth =0.05, yE = −1 và α =0.4 37 Hı̀nh 3.7: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi những nút nghe cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L={ }2, 4 , Rth =0.75, K =3, yE = −1 và 0.3 α = 38

Hı̀nh 3.8: Xác suất dừng của giao thức BP vẽ theo P khi những nút nghe lén

không cộng tác với nhau, L={1, 2,3 ,} Rth =1, yE = −1 và α =0.35 39

Hı̀nh 3.9: Xác suất dừng của giao thức BP vẽ theo P khi những nút nghe lén

cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L={1, 2,3, 4 ,} Rth =0.5, yE = −1 và

4

K = 40

Hı̀nh 3.10: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo P khi những nút

nghe lén không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L={2,3, 4 ,} Rth =0.5,

y = − K =4 và α =0.1 41 Hı̀nh 3.11: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo Rth khi những nút nghe lén không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P=10 dB, L={2,3,5 ,}

y = − K =1 và α =0.5 42 Hı̀nh 3.12: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo α khi những nút nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P=-2.5 dB, L={1, 2,3 ,}

E 0.75,

y = − K =2 và Rth =0.05 43 Hı̀nh 3.13: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo yE khi những nút nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P=5 dB, L={2,3, 4 ,} α =0.3,3

K = và Rth =0.05 44 Hı̀nh 3.14: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo K khi những nút nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P=5 dB, L={1, 2,3, 4,5 ,}

0.4,

α = K =3 và Rth =0.05 45

MỞ ĐẦU

Truyền thông không dây (wireless communications) đạt được những ưu điểm về tính linh hoạt và di động Một trong những kỹ thuật cải thiện hiệu suất hoạt động được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, đó là các giao thức chuyển tiếp Chuyển tiếp không những nâng cao tốc độ truyền dẫn, mà còn mở rộng được vùng phủ sóng và hiệu quả về mặt năng lượng

Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa nguồn và đích đủ xa, sự chuyển tiếp có thể được thực hiện thông qua nhiều nút trung gian hay nhiều chặng (multi-hop) Truyền thông đa chặng (multi-hop communications) được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây và mạng adhoc chuyển động Đây là những mạng tự quản (không dựa vào các kiến trúc hạ tầng) và các thiết bị trong mạng có công suất phát và năng lượng giới hạn

Kế đến, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là một vấn đề hết sức quan trọng Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, thông tin được gửi đi có thể bị nghe

lén bởi những người nghe không hợp pháp Và cuối cùng, vấn đề năng lượng sẽ trở thành một vấn đề cấp thiết khi ta quan tâm đến các thiết bị nhỏ như điện thoại di động và các thiết bị cảm biến Việc hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, vì thế sẽ rút ngắn thời gian sống của các mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này

Với những nguyên nhân ở trên đã tạo động lực cho Học viên tìm hiểu và nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức đa chặng đa đường sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu các phương pháp chọn đường (path selection) hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho các mô hình đề xuất

Sau khi tìm hiểu kỹ các nghiên cứu liên quan, Học viên tập trung nghiên cứu mô hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ một trạm

Beacon Hơn nữa, Học viên đề xuất các phương pháp chọn đường nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống khảo sát, dưới sự tấn công của các nút nghe lén

Dự kiến cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 04 chương, cụ thể như sau:

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chuyển tiếp và chuyển tiếp đa chặng

Trong các mạng thông tin vô tuyến ngày nay, việc tăng cường mở rộng phạm

vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã được giới thiệu như giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp Vì thế, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phát triển mạng chuyển tiếp (relay network) để mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu thông qua sự truyền/nhận thông tin ở những khoảng cách ngắn, giảm đi công suất phát khi so sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích

Chuyển tiếp có thể mang lại hiệu suất vượt trội với mạng không dây một cách hiệu quả; ví dụ, mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ lợi phân tập không gian và chất lượng dịch vụ đồng nhất [1], [2] Ở chế độ bán song công (half-duplex) cổ điển, việc truyền tải giữa nguồn và đích chiếm hai khe thời gian, do đó thông lượng hiệu quả của hệ thống giảm theo hệ số hai [1], [2] Ở chế độ chuyển tiếp hai chiều (two-way relaying) [3], [4], cho phép hai nút có thể giao tiếp trong ba khe thời gian với sự trợ giúp của một nút chuyển tiếp, có thể được sử dụng để cải thiện thông lượng cho mạng chuyển tiếp Trong hai khe thời gian đầu, hai nút truyền tải thông tin đến nút chuyển tiếp trung gian, nút chuyển tiếp này sẽ xử lý các thông tin nhận được và quảng bá thông tin đến cả hai đích cùng lúc

Chuyển tiếp gần như là một kỹ thuật không thể thiếu trong các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ mới như mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks) [5], mạng adhoc chuyển động [6] (Mobile adhoc networks) hay mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio networks) [7] Trong những mạng này, các thiết bị

bị giới hạn về công suất, và vì thế chuyển tiếp là một công cụ đắc lực để gửi dữ liệu trong mạng Kể cả trong những mạng thông tin di động thế hệ mới, việc sử dụng

các trạm chuyển tiếp cũng được sử dụng để phục vụ những người dùng nằm ở rìa vùng phủ sóng của trạm gốc Như thể hiện trong Hình 1.1, trạm chuyển tiếp được lắp đặt để phục vụ những thuê bao nằm ở xa trạm gốc

Hình 1.1: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp

Một mô hình chuyển tiếp cơ bản bao gồm ba thành phần chính: Nút nguồn (S), nút chuyển tiếp (N), nút đích (D)

- Nút nguồn: là nút sẽ gửi dữ liệu đi tới nút đích

- Nút chuyển tiếp: các nút này có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ nút nguồn gửi tới Chúng chuyển tiếp để dữ liệu tới được nút đích Nút chuyển tiếp có thể dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF)) [2] hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) [2]

S

D

Với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) [10], [11], nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ nguồn, sau đó tại mỗi nút chuyển tiếp sẽ giải mã tín hiệu và gửi tín hiệu

đã giải mã tới nút tiếp theo (sau khí đã mã hoá lại) Do đó, tín hiệu nhận được ở nút đích sẽ bảo đảm được chất lượng và khắc phục được việc tích lũy nhiễu của kỹ thuật AF Tuy nhiên trong kỹ thuật DF nếu nút chuyển tiếp bị mất dữ liệu hoặc giải

mã không thành công thì nút đích sẽ không nhận được dữ liệu Tóm lại, nút đích chỉ nhận được dữ liệu nếu dữ liệu trên tất cả các chặng được truyền đi thành công Trong luận văn này, kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng sử dụng giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward (DF)) sẽ được xem xét

1.1.2.1 Chuyển tiếp hai chặng

Chuyển tiếp hai chặng là mạng chuyển tiếp gồm có một nút nguồn, một nút chuyển tiếp và một nút đích (xem hình 1.2)

Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng

Đối với chuyển tiếp hai chặng thì chúng ta chỉ có hai chặng là dữ liệu từ nút nguồn (S) tới nút chuyển tiếp (R) và một chặng từ nút chuyển tiếp (R) tới nút đích (D) Khi thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) được sử dụng, nút chuyển tiếp (R) nhận

dữ liệu từ nút nguồn sau đó giải mã tín hiệu và chuyển tới nút đích Nút đích sẽ không nhận được dữ liệu nếu một trong hai chặng không gửi dữ liệu thành công

1.1.2.2 Chuyển tiếp đa chặng

Hình 1.3: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng

Mạng chuyển tiếp đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết truyền dẫn ngắn để có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng thiết bị

S Nk,1 Nk,2 Nk,3 Nk L, k D

chuyển tiếp trung gian giữa nút nguồn và nút đích (xem hình 1.3) Trong các mô hình thực tế, mạng truyền thông vô tuyến thế hệ mới như mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks), mạng adhoc chuyển động (Mobile adhoc networks), mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio networks),v.v nút nguồn có khoảng cách

xa đến nút đích, và sự truyền dữ liệu thường phải được thực hiện thông qua nhiều chặng và nhiều nút trung gian

Trong truyền thông đa chặng thì giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF) được

sử dụng trong truyền tín hiệu số ở các trạm chuyển tiếp và nó tránh được lỗi hơn giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Tuy nhiên một hệ thống truyền thông đa chặng sử dụng giao thức DF lại dễ bị lỗi lan truyền do sự xuất hiện của nhiều nút chuyển tiếp Đây là vấn đề giới hạn của giao thức DF trong hệ thống đa chặng

Để giúp giải quyết lỗi và tính đa dạng đường của giao thức DF trong chuyển

tiếp đa chặng, truyền thông đa đường với sự chọn lựa đường tốt có thể giải quyết

vấn đề lỗi lan truyền [12]

1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý

Công nghệ viễn thông gần đây có những bước tiến nhảy vọt và có vai trò ngày càng quan trọng đối với xã hội, trong đó thông tin vô tuyến ngày càng được phát triển và mở ra nhiều dịch vụ song song với nó là nhu cầu người sử dụng cũng không ngừng nâng cao yêu cầu này chủ yếu là dịch vụ phong phú, tốc độ cao Trong môi trường truyền thông không dây, bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu chia sẻ thông tin qua mạng vô tuyến cũng vô cùng lớn, do tính chất truyền quảng bá làm cho mạng dễ bị tấn công, nghe lén thông qua giao tiếp không dây Đối với các cuộc trao đổi thông tin mang tính chất riêng tư, kinh doanh, chứng khoán thị trường ngoài đòi hỏi các yêu cầu nêu trên còn vừa phải mang tính chính xác (ở nơi thu sẽ thu được đúng những gì bên phát gửi) vừa phải mang tính chất bảo mật Vấn đề bảo

mật này càng quan trọng đến thông tin liên quan đến quốc gia 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

Trong các hệ thống giao tiếp thông tin, thì vấn đề xác thực, bảo mật và riêng

tư được thực hiện trong các lớp trên của giao thức, với việc sử dụng nhiều hệ thống

từ khóa riêng, từ khóa chung Những hệ thống này thường dựa trên các hoạt động toán học, như an ninh máy tính Trên thực tế sẽ khó khăn trong việc triển khai an ninh máy tính này trong một số cấu trúc mạng cụ thể Các kết quả lý thuyết thông tin đã chỉ ra rằng nhiễu và suy hao thường được xử lý không tốt trong môi trường giao tiếp vô tuyến, và sẽ khó để giấu thông tin từ các nút nghe lén tiềm ẩn hoặc các thiết bị xác thực mà không cần khóa bảo mật được chia sẻ Do đó, chúng ta có thể triển khai theo cách ít tốn kém mà lại không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ dữ liệu cho việc thiết kế các giải pháp bảo mật tại lớp vật lý để bổ sung các cơ chế bảo mật máy tính

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 để đảm bảo rằng khi truy cập chỉ có thể là máy của thuê bao và dữ liệu gửi đi chỉ có thể là của thuê bao nhất định và chỉ có đích cần nhận mới hiểu được thông tin nhận được là gì, tất cả các kỹ thuật đó gọi là

kỹ thuật bảo đảm an toàn thông tin

Thông thường, các phương pháp mật mã được sử dụng để bảo mật thông tin Tuy nhiên, các phương pháp bảo mật này thường phức tạp và việc triển khai chúng trên những thiết bị nhỏ như các nút cảm biến có thể gặp nhiều khó khăn và tốn kém

Để đạt được hiệu quả bảo mật với độ phức tạp thấp hơn, gần đây, phương thức bảo mật trên lớp vật lý (Physical layer security) [13], [15] đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Đây là phương pháp bảo mật vừa đơn giản và vừa hiệu quả,

bởi vì kỹ thuật này chỉ yêu cầu các thông tin về khoảng cách và thông tin trạng thái kênh truyền giữa các thiết bị đầu cuối để thiết lập các cơ chế bảo mật 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 Do đó, chủ đề nghiên cứu trong đề cương cũng sẽ quan tâm đến vấn đề bảo mật sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền

1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng

Ngày nay, dưới sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị truyền thông vô tuyến vấn đề năng lượng sẽ trở thành một vấn đề cấp thiết khi ta quan tâm đến các thiết bị nhỏ như điện thoại di động và các thiết bị cảm biến, sự tiêu thụ năng lượng trong mạng không dây đang dần tăng lên nhưng khả năng lưu trữ năng lượng bị hạn

chế và việc hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, do đó cũng rút ngắn thời gian sống của các mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này Nếu sử dụng nguồn điện lưới đã được chỉnh lưu và hạ áp thì nút cảm biến sẽ được cấp nguồn ổn định, nhưng lại mất đi tính “không dây” Vấn đề không dây được giải quyết khi nút cảm biến được cấp năng lượng bằng pin Nhưng vấn đề khó khăn khi sử dụng pin cấp nguồn cho nút cảm biến là nếu sử dụng pin thì nút cảm biến sẽ mang tính di động và không dây, nhưng sẽ bị hạn chế bởi nguồn năng lượng của pin là hữu hạn Năng lượng được cung cấp bằng pin hoặc từ năng lượng được tích trữ từ môi trường Đã có rất nhiều nghiên cứu kể cả về phần cứng lẫn phần mềm nhằm tăng hiệu suất sử dụng năng lượng của các nút không dây nhưng dù có giảm công suất sử dụng đi bao nhiêu, tăng thời gian sử dụng pin lên bao lâu đi nữa thì đến một lúc nào đó năng lượng của pin vẫn cạn kiệt và nút cảm biến sẽ ngừng hoạt động Việc tối ưu năng lượng phải được thực hiện ở cả cấp độ phần cứng và phần mềm nhưng vẫn không đủ năng lượng hoạt động, vì thế việc thu thập năng lượng là cần thiết

Hệ thống thu thập năng lượng cho phép các thiết bị thu thập năng lượng từ mặt trời, độ rung, gió, hiệu ứng nhiệt điện và môi trường vô tuyến điện và chuyển

chúng thành năng lượng điện Các anten trong thiết bị cũng có thể thu hoạch năng lượng từ năng lượng tần số vô tuyến, năng lượng này sẽ chuyển thành năng lượng một chiều (DC) cung cấp cho thiết bị Tuy nhiên, các nguồn năng lượng từ mặt trời, gió rất phụ thuộc nhiều vào môi trường, trong khi thu thập năng lượng tần số vô tuyến (RF) có thể đạt được sự ổn định cao hơn Thật vậy, gần đây phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến (Radio frequency energy harvesting) đã được nghiên cứu

để duy trì hoạt động cho các nút mạng [16], [19]

Khác với các phương pháp thu hoạch năng lượng khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, v.v., phương pháp thu hoạch sóng vô tuyến có thể vượt qua được một số điều kiện khách quan bên ngoài như ngày và đêm, điều kiện thời tiết Thật vậy, thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến chỉ cần yêu cầu một hoặc nhiều nguồn phát sóng vô tuyến ổn định Hơn nữa, việc tích hợp giữa truyền thông tin và thu hoạch năng lượng có thể được thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến Đây chính là ưu điểm của thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến cho các thiết bị truyền thông vô tuyến

1.4 Các nghiên cứu liên quan và lý do chọn đề tài

Lý do mà Học viên chọn đề tài “Nghiên Cứu Các Phương Pháp Chọn Đường Trong Mạng Chuyển Tiếp Đa Chặng Đa Đường Sử Dụng Thu Thập Năng Lượng Với Sự Xuất Hiện Của Các Nút Nghe Lén” có thể được đưa ra như sau:

Một là, truyền thông không dây (wireless communications) đạt được những

ưu điểm về tính linh hoạt và di động Vì vậy, những hệ thống vô tuyến nhận được

sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu trong những thập niên gần đây Cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, yêu cầu về chất lượng dịch vụ, như tốc độ truyền dẫn, tốc độ lỗi, hiệu quả năng lượng, hiệu quả phổ tần, v.v., đã và đang trở thành những vấn đề thiết yếu Đó là lý do mà các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung đề xuất các kỹ thuật mới nhằm nâng cao các thông số hiệu năng cho các mạng thông tin vô tuyến

Tiếp theo, một trong những kỹ thuật cải thiện hiệu suất hoạt động được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, đó là các giao thức chuyển tiếp Chuyển tiếp gần như là một kỹ thuật không thể thiếu trong các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ mới như mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks), mạng adhoc chuyển động (Mobile adhoc networks), mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio networks), mạng thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến (radio frequency energy harvesting) và kể cả các mạng truyền thống như mạng thông tin di động Chuyển tiếp không những nâng cao tốc độ truyền dẫn, mà còn mở rộng được vùng phủ sóng

và hiệu quả về mặt năng lượng Đối với các thiết bị nhỏ, công suất phát thấp như các nút cảm biến (sensor nodes) và các thiết bị vô tuyến IoT (Internet of Things), việc thiết lập những cơ chế chuyển tiếp dữ liệu trong mạng sẽ là một phương pháp phổ biến trong tương lai

Ba là, chuyển tiếp hai chặng (dual-hop relay) hay chuyển tiếp hai bước nhảy được sử dụng phổ biến trong thực tế Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa nguồn và đích đủ xa, sự chuyển tiếp có thể được thực hiện thông qua nhiều nút trung gian hay nhiều chặng (multi-hop) Truyền thông đa chặng (multi-hop communications) được

sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây và mạng adhoc chuyển động Đây

là những mạng tự quản (không dựa vào các kiến trúc hạ tầng) và các thiết bị trong mạng có công suất phát và năng lượng giới hạn

Kế đến, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là một vấn đề hết sức quan trọng Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, thông tin được gửi đi có thể bị nghe lén bởi những người nghe không hợp pháp Thông thường, các phương pháp mật mã được sử dụng để bảo mật thông tin Tuy nhiên, các phương pháp bảo mật này thường phức tạp và việc triển khai chúng trên những thiết bị nhỏ như các nút cảm biến có thể gặp nhiều khó khăn và tốn kém Để đạt được hiệu quả bảo mật với

độ phức tạp thấp hơn, gần đây, phương thức bảo mật trên lớp vật lý (Physical layer security) đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Đây là phương pháp bảo mật vừa đơn giản và vừa hiệu quả, bởi vì kỹ thuật này chỉ yêu cầu các thông tin

về khoảng cách và thông tin trạng thái kênh truyền giữa các thiết bị đầu cuối để

thiết lập các cơ chế bảo mật Do đó, chủ đề nghiên cứu trong đề cương cũng sẽ quan tâm đến vấn đề bảo mật sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền

Và cuối cùng, vấn đề năng lượng sẽ trở thành một vấn đề cấp thiết khi ta quan tâm đến các thiết bị nhỏ như điện thoại di động và các thiết bị cảm biến Việc hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, vì thế sẽ rút ngắn thời gian sống của các mạng hoạt động dựa trên các thiết

bị này Để duy trì hoạt động cho các nút mạng, gần đây phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến (Radio frequency energy harvesting) đã thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước

Các nguyên nhân liệt kê ở trên đã tạo động lực cho Học viên tìm hiểu và nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức đa chặng đa đường sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu các phương pháp chọn đường (path selection) hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho các mô hình đề xuất

Cho đến nay, chỉ có một vài công bố nghiên cứu về mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến Cụ thể, trong tài liệu [20], các tác giả nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng với năng lượng thu thập được từ các nguồn giao thoa ở ngoài Trong công trình [21], mô hình chuyển tiếp đa chặng trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền đã được đề xuất

Sau khi tìm hiểu kỹ các nghiên cứu liên quan, Học viên tập trung nghiên cứu

mô hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ một trạm Beacon Khác với mô hình đã đề xuất trong [21], mô hình trong đề cương khoa học này bao gồm nhiều đường giữa nguồn và đích Hơn nữa, Học viên đề xuất các phương pháp chọn đường nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống khảo sát, dưới sự tấn công của các nút nghe lén

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mô hình hệ thống

Hı̀nh 2.1: Mô hình nghiên cứu

Hình 2.1 mô tả mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sẽ được khảo sát trong luận văn Trong hình vẽ này, nút nguồn S muốn truyền dữ liệu đến nút đích D Giả

sử rằng nút nguồn S và nút đích D cách xa nhau và vì thế nút nguồn không thể gửi

dữ liệu trực tiếp đến nút D Trong mạng này, K nút nghe lén E , E , , E1 2 K nỗ lực

nghe lén các thông tin được gửi đi từ nguồn và các nút chuyển tiếp

Giả sử rằng, giữa nút nguồn và nút đích có M tuyến (route), với M là một số

nguyên dương (M ≥1) Ta cũng giả sử rằng các tuyến này đã được thiết lập theo các giao thức ở lớp mạng như giao thức Destination Sequenced Distance Vector

(DSDV) [22] hay Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [23] v.v Giả sử các tuyến giữa nguồn và đích là sẵn có và nút nguồn S có thể chọn một trong các tuyến sẵn có này để gửi dữ liệu đến nút nguồn D

Ta đánh số các tuyến này lần lượt là 1, 2,…, M Ví dụ, xét tuyến thứ nhất,

tuyến này có tất cả L1+ chặng (1 L1+ hops) với 1 L 1 là số nút trung gian giữa nguồn

và đích Ta cũng đặt tên tất cả các nút giữa nguồn và đích lần lượt là: N , 1,1 N , …, 1,2

Hı̀nh 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k

Giả sử rằng, sự chuyển tiếp dữ liệu trên tất cả các tuyến đều sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward (DF)) [24], [26] Cụ thể, các nút chuyển tiếp sẽ cố gắng giải mã dữ liệu, rồi mã hoá lại dữ liệu trước khi chuyển tiếp

đến chặng tiếp theo Ví dụ, giả sử nút nguồn S chọn tuyến thứ k như trong Hình 2.2

để truyền dữ liệu đến nút đích D Đầu tiên, nút nguồn sẽ truyền dữ liệu đến nút

liệu đến N k,2 và ta có thể xem như dữ liệu nguồn bị rớt tại chặng này Một cách tương tự, nút chuyển tiếp N k,2 sẽ gửi dữ liệu đến nútN k,3 theo phương pháp giải mã

và chuyển tiếp Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi nút N k L, k truyền dữ liệu đến nút đích D thành công Tuy nhiên, nếu sự truyền dữ liệu ở một chặng nào đó trên tuyến này không thành công, thì dữ liệu không thể chuyển tiếp được đến đích Nói cách khác, để nút đích D nhận dữ liệu của nút nguồn S thành công thì sự chuyển tiếp trên tất cả các chặng đều phải thành công

2.2 Công suất phát của các nút

Giả sử nút nguồn và tất cả các nút chuyển tiếp là những nút có năng lượng giới hạn và vì vậy chúng phải thu hoạch năng lượng nhằm phục vụ cho sự chuyển tiếp dữ liệu Để phục vụ việc thu thập năng lượng của các nút, người ta đặt trạm phát sóng vô tuyến (Beacon B) trong mạng Trước khi gửi dữ liệu đi, tất cả các nút đều dành một khoảng thời gian để thu thập năng lượng từ trạm B

Giả sử tất cả các nút đều chỉ được trang bị với 01 ănten và hoạt động theo cơ chế bán song công (half-duplex) Do đó, sự chuyển tiếp dữ liệu từ S đến D trên

một tuyến được chọn (giả sử là tuyến thứ k) sẽ thực hiện thông qua L k + 1 khe thời

gian trực giao Gọi T là tổng thời gian truyền từ nguồn đến đích trên tuyến thứ k thì

thời gian dành cho 01 khe thời gian truyền dữ liệu sẽ là:

.1

k k

T L

+ (2.1) Trong mỗi khe thời gian, một khoảng thời gian ατk được sử dụng để thu hoạch năng từ trạm B, ở đây α là phần thời gian dành cho việc thu thập năng lượng Rồi thì, khoảng thời gian còn lại (1−α τ) k sẽ được sử dụng để gửi dữ liệu

Để đơn giản cho việc phân tích và diễn đạt, giá trị α sẽ không đổi trên tất cả các chặng và trên tất cả các đường giữa nguồn và đích

Tương tự như trong các tài liệu [18], [27], năng lượng thu thập của nút X

- P là công suất phát của trạm phát sóng B

- η (0≤ ≤ là hiệu suất thu thập năng lượng η 1)

- γX,B là độ lợi kênh truyền giữa X và B

Từ công thức (2.2), ta tìm được công suất phát trung bình của X được dùng trong khoảng thời gian (1−α τ) k là:

.1

ηαχ

α

=

− (2.4) Bây giờ, ta sẽ chú ý đến sự xuất hiện của các nút nghe lén Ta sẽ xét hai trường hợp xảy ra:

Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu

Xét sự truyền dữ liệu giữa nút X và nút Y, với (X,Y) {S, ,1, , , , D }

k

∈Nếu các nút nghe lén không phối hợp với nhau, thì dung lượng kênh nghe lén được

từ X sẽ được tính như sau (xem [28], [29]):

1,2, , 2

0

max

1 klog 1 t K t ,

P C

với P X là công suất phát của nút X, và γX,Et là độ lợi kênh truyền giữa nút X và nút nghe lén Et(t =1, 2, ,K)

Để các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu của nút phát X, nút X cần giảm công suất phát của mình Gọi R th là tốc độ dữ liệu yêu cầu, và nếu như dung

lượng C nhỏ hơn giá trị này thì các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu thành

công Thật vậy, ta có:

th 1

( 1 th)

2 k 1

R k

Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu

Khi các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu (theo phương thức kết hợp độ lợi tối đa (maximal ratio combining (MRC))), dung lượng kênh nghe lén đạt được ở các nút nghe lén sẽ là: (xem [30], [31])

th X

X,E 1

t

k K

t

k K

, 1 ,

, ,

X 2

Chú ý rằng: công suất phát P X đạt được từ (2.8) và (2.11)

Hơn nữa, dung lượng kênh toàn trình trên tuyến thứ k sẽ được xác định như

X 1,2, ,

,

, 2

k

N

N n

N

N L

C

P N

Phương pháp 1: Phương pháp chọn đường ngẫu nhiên (RP: Random Path)

Trong phương pháp đầu tiên, với tên gọi chọn lựa ngẫu nhiên, nút nguồn sẽ chọn ngẫu nhiên 01 tuyến để truyền dữ liệu đến đích Đây là phương pháp đơn giản nhất để chọn lựa tuyến, tuy nhiên phương pháp này có thể không đạt được hiệu

năng tốt trên các kênh truyền fading bởi không quan tâm đến chất lượng kênh truyền trên các tuyến cũng như số chặng trên các tuyến

Ta gọi tên tuyến được chọn là tuyến thứ k

Phương pháp 2: Phương pháp chọn đường ngắn nhất (SP: Shortest Path)

Trong phương pháp thứ hai, với tên gọi chọn lựa đường ngắn nhất, tuyến nào

có số chặng ngắn nhất sẽ được chọn để truyền dữ liệu Trong nhiều giao thức ví dụ như AODV, thông thường tuyến ngắn nhất giữa nguồn và đích sẽ được chọn để gửi

dữ liệu Phương pháp này có thể được viết ra như sau:

s s= M , và L s + là số chặng có giá trị nhỏ nhất trong tất cả các tuyến 1

Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp có nhiều tuyến có cùng số chặng (cùng số nút trung gian) Nếu xảy ra trường hợp có nhiều tuyến có cùng giá trị 1

và phương pháp SP sẽ hoàn toàn giống nhau

Hơn nữa, các phương pháp RP và SP không hề quan tâm đến chất lượng kênh truyền, cũng như không quan tâm đến dung lượng kênh toàn trình Có thể thấy rằng, mặc dù hệ thống chọn được đường truyền ngắn nhất nhưng chưa chắc tuyến

đó là tốt nhất, nếu xét về mặt chất lượng kênh truyền

Phương pháp 3: Phương pháp chọn đường tốt nhất (BP: Best Path)

Trong phương pháp này, nút nguồn S sẽ chọn tuyến có dung lượng kênh lớn nhất để truyền dữ liệu đến đích Thật vậy, ta có thể diễn đạt phương pháp này bằng công thức toán học sau:

Tuy nhiên, sự thực thi giao thức này sẽ đối mặt với các khó khăn như sau:

- Nút nguồn phải biết được tất cả các thông số của các tuyến như số lượng chặng, độ lợi kênh truyền tại mỗi chặng, dung lượng kênh trên mỗi chặng Một khi đạt được tất cả các thông số này, nút nguồn S có thể tính được dung lượng toàn trình của mỗi tuyến, rồi thì mới có thể chọn được tuyến tốt nhất

- Việc đạt được chính xác độ lợi kênh truyền giữa các nút trên mỗi chặng có thể khó khăn: yêu cầu các nút có bộ thăm dò kênh truyền chính xác, cần có thời gian để trao đổi các giá trị về độ lợi kênh truyền, cập nhật giá trị về độ lợi kênh truyền thường xuyên, cần nhiều năng lượng để trao đổi giữa các nút, v.v

2.4 Mô hình kênh truyền

Giả sử kênh truyền giữa tất cả các nút đều là kênh fading Rayleigh Do đó, các độ lợi kênh truyền γXY, (X,Y)∈{S,N k,1, ,N k L, k, D}, sẽ có phân phối mũ với hàm CDF và PDF lần lượt là:

Trong công thức (2.16), λXY là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên có

phân phối mũ và sẽ bằng 1 chia cho giá trị trung bình của γXY

Hơn nữa, để đưa suy hao đường truyền vào trong các tính toán, tham số đặc

trưng λXY có thể được viết như sau:

( ) ,

λ = (2.17) với d XY là khoảng cách giữa hai nút X và Y, và β là hệ số suy hao đường truyền

2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất

Trong luận văn này, hiệu năng xác suất dừng (OP: Outage Probability) của

các mô hình RP, SP và BP sẽ được đánh giá Tương tự như công thức (2.6), xác

suất dừng của các mô hình này sẽ lần lượt được viết như sau:

Trong công thức (2.18), lý do xuất hiện hệ số 1/ M là vì sự chọn lựa ngẫu

nhiên Cụ thể, bất cứ tuyến nào cũng có khả năng chọn như nhau nên xác suất của

mô hình RP sẽ bằng tổng xác suất dừng trên mỗi tuyến và chia trung bình

Sử dụng công thức (2.13), ta có thể tính xác suất dừng trên tuyến thứ k như

sau:

1 t

dạng như sau:

th 1

N L

N

C C

R R

− < trong công thức (2.21) là xác suất dừng tại chặng thứ

n Do đó, để tính xác suất dừng trên tuyến thứ k của giao thức RP, ta cần

tính xác suất dừng tại chặng thứ n

- Pr( , 1 , , th)

C − <R là xác suất dừng tại chặng thứ u trong giao thức SP Do

đó, để tính xác suất dừng toàn trình của giao thức SP, ta cần tính xác suất dừng tại chặng thứ u

- Công thức (2.23) cũng cho ta thấy rằng chỉ cần tính được xác suất dừng toàn trình trên tuyến thứ k, ta sẽ tính được xác suất dừng của giao thức BP, bằng cách nhân tất cả các xác suất dừng toàn trình này lại với nhau

Ta xét hai trường hợp:

Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu

Từ các công thức (2.8), (2.12) và (2.21), xác suất dừng ở chặng thứ n trên

tuyến thứ k của giao thức RP sẽ được viết dưới dạng sau:

k

t n

k n

k N

,B

,E 1,2, ,

t n

k X