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 (tt)

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM - 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trung Duy

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

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

1.1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp

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]

- Nút đích: là nút sẽ nhận dữ liệu

S

D

1.1.2 Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng

1.1.2.1 Chuyển tiếp hai chặng

1.1.2.2 Chuyển tiếp đa chặng

1.1.3 Giải pháp đa đường

1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý

1.2.1 Tổng quát

1.2.2 Ưu điểm bảo mật lớp vật lý

1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng

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

1.4.1 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

1.4.2 Các nghiên cứu liên quan

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

Hình 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 L  chặng (1 1 L  hops) với 1 1 L là số nút trung gian giữa nguồn 1

và đích Ta cũng đặt tên tất cả các nút giữa nguồn và đích lần lượt là: N1,1, N1,2, …,

Hình 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k

2.2 Công suất phát của các nút

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

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 là tốc độ dữ liệu yêu cầu, và nếu như dung th

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

công Thật vậy, ta có:

  , 1 , , 1 ,

, ,

X 2

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

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

X 1,2, ,

,

, 2

n L

k

N

N n

N

N L

C

P N

2.3 Các phương pháp chọn đường

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  là số chặng có giá trị nhỏ nhất trong tất cả các tuyến s 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

s

L  thì nút nguồn S sẽ chọn ngẫu nhiên một trong các tuyến này để truyền dữ

liệu

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:

Công thức (2.15) có ý nghĩa rằng nếu tuyến thứ b được chọn để truyền dữ

liệu thì dung lượng kênh Shannon trên tuyến b phải đạt giá trị lớn nhất, trong đó

2.4 Mô hình kênh truyền

2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất

1 t

1,2, , 1 1

th 1

s u

u

N L

N L

N

C C

R R

e e k

k M M

n L N N k

R

R C

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

Thay (2.21) và (2.37) vào trong (2.18), ta sẽ được một biểu thức tính chính

xác giá trị xác suất dừng của mô hình RP khi các nút nghe lén không phối hợp với

nhau:

1OP

K

v v K

N

N N

k N

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

Từ (2.48), ta đạt được biểu thức tính chính xác xác suất dừng của mô hình RP:

2.5.2 Xác suất dừng của giao thức SP

Sử dụng kết quả của giao thức RP, ta có thể tính được xác suất dừng của giao thức SP theo hai trường hợp như sau:

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

Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP sẽ là:

v v K v

s

N

s N

 1 th

2 s 1

R s

 

    (2.51)

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

Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP được tính như sau:

N

N N

2.5.3 Xác suất dừng của giao thức BP

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

Như đã đề cập trong công thức (2.23), sử dụng công thức (2.38), ta có:

v v K v

k

k

k N

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

Như đã đề cập trong công thức (2.23), sử dụng công thức (2.49), ta đạt được:

N

N N

k

L M

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

3.1 Xác suất dừng của giao thức RP

Hình 3.1: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi L  2,3 , R th 0.05,

2,

K  y  E 1 và  0.1

Hình 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 , R th 0.05, y  E 1 và  0.1

Hình 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 , R th 0.01, y  E 1 và K 2

3.2 Xác suất dừng của giao thức SP

Hình 3.4: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi L 1, 2,3 , R th 0.05,

2

K  và y  E 1

Hình 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 , R th 0.05, K 2, y  E 1 và  0.25

Hình 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 , R th 0.05, y  E 1 và  0.4

Trong hình vẽ 3.6, xác suất dừng của giao thức SP cũng được vẽ theo P khi

ta thay đổi số lượng nút nghe lén Trong hình vẽ này, các nút nghe lén sẽ hợp tác với nhau để giải mã dữ liệu Nhìn vào hình vẽ ta thấy rằng khi tăng số lượng nút nghe lén, giá trị của OP cũng tăng nhanh

3.3 Xác suất dừng của giao thức BP

Hình 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 , R th 0.75, K 3, y  E 1 và  0.3

Hình 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 , R th 1, y  E 1 và  0.35

Hình vẽ 3.8 cho ta thấy rằng khi số lượng nút nghe lén tăng sẽ kéo theo xác suất dừng của mô hình BP tăng