Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp

Ngoài ra để tăng khoảng cách truyền dẫn thì mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật hợp tác đó là việc sử dụng các nút chuyển tiếp nằm giữa máy phát thứ cấp và các máy thu thứ cấp, chín

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Văn Khương

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM Ngày …… tháng …… năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Lê Đăng Quang

2 PGS.TS Phạm Hồng Liên

3 TS Huỳnh Phú Minh Cường

4 TS Võ Quế Sơn

5 TS Chế Việt Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 01/08/1990 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60520208

I I TÊN ĐỀ TÀI: “Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến,

mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

2 Khảo sát các phương pháp chọn nút chuyển tiếp hiện có

3 Đề xuất phương pháp chọn nút chuyển tiếp

4 Phân tích, đánh giá và so sánh khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp theo các thông số hệ thống khác nhau

 Kết quả đạt được:

1 Nắm vững kiến thức về mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

2 Phương pháp chọn nút chuyển tiếp cải tiến

3 Kết quả phân tích và mô phỏng về khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp

4 Nắm vững được ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy PGS.TS Hồ Văn Khương Những lời nhận xét, góp ý và hướng dẫn tận tình của các Thầy đã giúp em có một định hướng đúng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, giúp em làm quen với việc nghiên cứu khoa học một cách nghiêm túc và từng bước hoàn thiện kiến thức của bản thân Thực tế quá trình nghiên cứu gặp khá nhiều trở ngại nhưng nhờ được các Thầy chỉ dạy tận tình, em đã có thể giải quyết những khó khăn vướng mắc, hoàn thành luận văn này, đồng thời quãng thời gian học tập, nghiên cứu đó cũng đã hình thành trong em niềm thích thú và hăng say nghiên cứu với lĩnh vực viễn thông

Em cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy/Cô của Trường Đại Học Bách Khoa nói chung và của khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã nhiệt tình dạy dỗ chúng em suốt quãng thời gian ngồi trên ghế nhà trường

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè trong thời gian học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa và trong quá trình hoàn thành Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sĩ này

Cuối cùng con xin cảm ơn cha mẹ đã sinh ra và giáo dục con, động viên để con hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện

Võ Phi Sơn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay nhiều ứng dụng truyền thông mới ra đời để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người như: cuộc gọi video, truyền dữ liệu tốc độ cao… tuy nhiên vấn đề thiếu hụt phổ tần số để cấp phát cho các ứng dụng truyền thông không dây ngày càng lớn Trong khi đó, theo báo cáo của ủy ban truyền thông liên ban FCC thì hiệu suất sử dụng các phổ tần số đã được cấp phát lại nhỏ Chính vì vậy sự ra đời của mạng vô tuyến nhận thức kết hợp giúp giải quyết các vấn đề thiếu hụt phổ tần

số Kỹ thuật vô tuyến nhận thức kết hợp cho phép các người dùng thứ cấp SUs và các người dùng sơ cấp PUs được sử dụng chung một băng tần số mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp

Tuy nhiên vấn đề bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức chưa được quan tâm nhiều Để tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống (ngoài việc sử dụng khóa bảo mật

ở các lớp trên) thì ta có thể bổ sung thêm một lớp bảo mật nữa Đối với mạng vô tuyến nhận thức kết hợp khi mà cấu trúc mạng dễ bị thay đổi thì một đề xuất mới cho việc bảo mật là bảo mật lớp vật lý

Trong luận văn này sẽ giới thiệu tổng quát về mạng vô tuyến nhận thức hợp tác, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý, phân tích đánh giá các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có trong việc bảo mật hệ thống Đồng thời luận văn cũng đề xuất phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới theo phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp lặp lại (reactive relay selection) và khảo sát đánh giá chúng để

từ đó đưa ra các trường hợp áp dụng cụ thể

ABSTRACT

Today, many new communication applications created to serve the increasing demand for communication such as video calls, high-speed data transferring, etc However, the problem of spectrum shortage for allocation to wireless application is growing Meanwhile, according to the report of the Federal Communication Commission (FCC), the spectrum utilization efficiency of licensed user can be low Therefore, the introduction of Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks can help to solve the spectrum shortage problems This technology allows the coexistence of secondary users (SUs) and primary users (PUs) on the frequency band inherently allotted to the latter while maintaining an acceptable quality of service (QoS) at PUs

The security issues are one of most important aspects in the cooperative cognitive radio networks To increase the security of the system (in addition to using encyption with key in the top layer), we can add one more layer of security Physical layer security is a new method which offer low complexity security technology This technology is suitable for the networks which have infrastructure susceptible to changes

This thesis presents an overview of Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks, the criteria for assessing the physical layer security and analyzes the methods of relay selection In addition, the thesis also proposes methods for new relay selection of physical layer security in Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks using reactive relay selection and the case in practice for each method

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu do chính bản thân tôi thực hiện, không có sự chỉnh sửa hay sao chép kết quả trong bất cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trước đây

Các số liệu, kết quả trong luận văn được trình bày hoàn toàn trung thực dựa trên quá trình làm việc thực tế của bản thân tôi Luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu khoa học được đăng tải trên các tạp chí, hội nghị được đề cập trong phần tài liệu tham khảo

TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện

Võ Phi Sơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

Chương 1: Giới thiệu 1

1.1 Bài toán bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác 1

1.2 Nhiệm vụ của luận văn 3

1.3 Ý nghĩa thực tế và phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Cấu trúc luận văn 4

Chương 2: Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hợp tác 6

2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức: 6

2.2 Thành phần mạng vô tuyến nhận thức 7

2.3 Các chức năng của một mạng vô tuyến nhận thức 8

2.4 Các tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức 10

2.5 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức 11

2.5.1 Mô hình dạng nền (underlay paradigm) 11

2.5.2 Mô hình dạng phủ (overlay paradigm) 13

2.5.3 Mô hình dạng đan xen (interweave paradigm) 14

2.5.4 So sánh ba mô hình của mạng vô tuyến nhận thức 14

2.6 Truyền thông hợp tác 16

2.7 Kênh truyền vô tuyến và mô hình kênh truyền vô tuyến có nhiễu 19

2.7.1 Fading trong kênh truyền vô tuyến 19

2.7.2 Mô hình thống kê kênh truyền Rayleigh fading 25

2.7.3 Dung lượng kênh truyền vô tuyến 26

2.8 Tóm tắt chương 2 26

Chương 3: Tổng quan về bảo mật lớp vật lý 27

3.2 Một vài phương pháp bảo mật lớp vật lý 29

3.2.1 Sử dụng kỹ thuật Beamforming để bào mật trong hệ thống MIMO 29

3.2.2 Sử dụng các phương thức kết hợp để bảo mật lớp vật lý 30

3.3 Các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý 31

3.3.1 Xác suất thiếu hụt bí mật 31

3.3.2 Độ tin cậy 32

3.3.3 Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D 32

3.4 Tóm tắt chương 3 33

Chương 4: Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp bảo mật lớp vật lý 34

4.1 Mô hình hệ thống 34

4.1.1 Mô hình 34

4.1.2 Giai đoạn thứ nhất của truyền thông hợp tác 35

4.1.3 Giai đoạn thứ 2 của truyền thông hợp tác 36

4.1.4 Cấp phát công suất cho các người dùng thứ cấp 38

4.2 Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có 39

4.2.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp cơ hội ORS 40

4.2.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu lại SORS 54

4.2.3 Lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần PRS (partial relay selection) 63

4.3 Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới 69

4.3.1 Phân tích phương pháp chọn nút chuyển tiếp tối ưu (Optimum) 70

4.3.2 Chọn nút chuyển tiếp cơ hội cải tiến ORS_E 76

4.3.3 Phân tích phương pháp chọn nút chuyển tiếp SORS_E 87

4.3.4 Phân tích phương pháp chọn nút chuyển tiếp từng phần cải tiếp PRS_E 94

4.4 Tóm tắt chương 4: 99

Chương 5: Mô phỏng và phân tích kết quả 100

5.1 Mô hình mô phỏng: 100

5.2 Mô phỏng các phương pháp đã có: 101

5.2.1 Mô phỏng phương pháp ORS 102

5.2.2 Mô phỏng phương pháp SORS 109

5.2.3 Mô phỏng phương pháp PRS 113

5.2.4 So sánh ba phương pháp ORS, SORS, PRS 116

5.2.5 Nhận xét 120

5.3 Mô phỏng các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới 121

5.3.1 Mô phỏng phương pháp tối ưu tốc độ bí mật (Optimum) 121

5.3.2 Mô phỏng phương pháp ORS_E (ORS_Enhanced) 124

5.3.3 Mô phỏng phương pháp SORS _E (SORS_Enhanced) 130

5.3.4 Mô phỏng phương pháp PRS_E (PRS_Enhanced) 134

5.3.5 So sánh các phương pháp Optims, ORS_E, SORS_E, PRS_E 138

5.4 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi có can nhiễu từ phía máy phát sơ cấp 141

5.5 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E với sự thay đổi của ngưỡng so sánh RC 142

5.6 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E khi vị trí các nút mạng thay đổi 143

5.6.1 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu sơ cấp gần nút chuyển tiếp (PRx gần Rm) 144

5.6.2 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu sơ cấp gần máy thu thứ cấp (PRx gần D) 145

5.6.3 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi máy thu thứ cấp gần các nút chuyển tiếp (D gần Rm) 146

5.6.4 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén gần các nút chuyển tiếp (E gần Rm) 147

5.6.5 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén gần máy thu thứ cấp (E gần D) 148

5.6.6 Mô phỏng xác suất thiếu hụt bí mật khi thiết bị nghe lén ở gần máy thu sơ cấp 149

5.7 Kết luận chương 5 150

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 151

6.1 Kết luận 151

6.2 Hướng phát triển 151

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 154

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Chương 1:

Hình 1.1: Đo đạc hiệu suất sử dụng phổ tại BWRC 2

Chương 2: Hình 2.1: Lỗ phổ tần số (spectrum hole) trong băng tần được cấp phát 6

Hình 2.2: Khoảng trắng “white spaces” trong phổ tần số được cấp phát 7

Hình 2.3: Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 8

Hình 2.4: Các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức 10

Hình 2.5: Mô hình dạng nền: tín hiệu băng rộng (trải phổ) 12

Hình 2.6: Mô hình dạng nền với máy phát sử dụng anten dãy 12

Hình 2.7: Mô hình dạng phủ 13

Hình 2.8 (a) (b): Mô tả sự chuyển tiếp trong truyền thông không dây 17

Hình 2.8 (c): Mô hình toán học cho kênh truyền nút chuyển tiếp không dây 18

Hình 2.9: Biên độ tín hiệu tại máy thu khi xảy ra fading 20

Hình 2.10: Fading xảy ra trong quá trình truyền sóng 21

Hình 2.11: Suy hao đường truyền phụ thuộc vào sự lan truyền sóng trong không gian tự do 21

Hình 2.12: Hiệu ứng đa đường do chiều dài đường truyền khác nhau 23

Hình 2.13: Sự trải về mặt tần số tại máy thu do hiệu ứng Doppler 24

Hình 2.14: Xét tất cả các đường truyền trong miền thời gian và tần số 24

Hình 2.15: Mô hình hình toán học cho hiệu ứng đa đường 24

Chương 3: Hình 3.1: Mô tả phương thức bảo mật sử dụng khóa bí mật 27

Hình 3.2: Bảo mật ở lớp vật lý khi truyền tin từ Alice đến Bob 28

Hình 3.3: Hệ thống MIMO với kênh nghe lén 29

Hình 3.4: Sử dụng các nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến 30

Chương 4: Hình 4.1: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác có 1 thiết bị nghe lén E 34

Hình 4.2: S phát quảng bá tin tức x đến các nút chuyển tiếp trong trường hợp không có S

đường truyền trực tiếp SD 41 Hình 4.3: Tốc độ bảo mật khi S phát quảng bá, trường hợp không có đường truyền trực tiếp

S đến D 42 Hình 4.4: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D, E khi các nút chuyển tiếp phát tin tức

m

R

x 42 Hình 4.5: Tốc độ bí mật khi S phát đến Rm và tốc độ bí mật Rm chuyển tiếp đến D khi không có đường trực tiếp S đến D 43 Hình 4.6: Tốc độ bí mật sau khi dùng chiến lược nhỏ nhất để chọn 44 Hình 4.7: Lựa nút chuyển tiếp tốt nhất theo chiến lược max 45 Hình 4.8: Quá trình phát quảng bá từ S đến các nút chuyển tiếp khi tồn tại đường truyền

SD 48 Hình 4.9: Mô tả tốc độ bí mật khi S phát tín hiệu quảng bá trong trường hợp tồn tại đường truyền SD 49 Hình 4.10: Mô tả tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D, E khi mà các nút chuyển tiếp thực hiện chuyển tiếp tín hiệu trong trường hợp có sự kết hợp tín hiệu tại D, E 50 Hình 4.11: Thực hiện so sánh tốc độ bí mật trên đường truyền S R m , R mD khi có

sự kết hợp tín hiệu tại D, E 51 Hình 4.12: Kết quả sau khi dùng quy luật số nhỏ nhất để chọn tốc độ bí mật trong trường hợp có sự kết hợp tín hiệu tại D, E 52 Hình 4.13: Kết quả sau khi sử dụng quy luật số lớn nhất khi so sánh các tốc độ bí mật trong trường hợp tồn tại đường truyền SD 52 Hình 4.14: Giai đoạn đầu của phương pháp SORS 55 Hình 4.15 (a): Các nút chuyển tiếp tính toán độ lợi kênh truyền tức thời đến D và thông tin trung bình kênh truyền đến E 56 Hình 4.15 (b): So sánh tỉ lệ độ lợi kênh truyền trên cho thông tin trung bình tới E của hai giai đoạn 57

Hình 4.20: Mô tả giai đoạn đầu của phương pháp PRS khi có đường truyền trực tiếp SD

66

Hình 4.21: Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất của phương pháp PRS khi có đường truyền trực tiếp SD 67

Hình 4.22: Lựa chọn các nút chuyển tiếp thành công từ các nút chuyển tiếp ban đầu của phương pháp Optimum 70

Hình 4.23: Các nút chuyển tiếp tính toán công suất tín hiệu trên nhiễu tại D, E 71

Hình 4.24: Các nút chuyển tiếp tính toán tốc độ bí mật khi chuyển tiếp tín hiệu đến D trong phương pháp Optimum 72

Hình 4.25: Kết quả sử dụng chiến lược max để lựa chọn nút chuyển tiếp của phương pháp Optimum 73

Hình 4.26: Giả sử có nút mạng giải mã không thành công trong phương pháp ORS 76

Hình 4.27: Tính toán tốc độ bí mật trong giai đoạn đầu phương pháp ORS (trong trường hợp chọn nút chuyển tiếp bị sai) 77

Hình 4.28: Tính toán tốc độ bí mật trong giai đoạn 2 của phương pháp ORS (trong trường hợp chọn nút chuyển tiếp bị sai) 78

Hình 4.29: Kết quả sau khi sử dụng chiến lược min để lựa chọn các đường theo tốc độ bí mật của phương pháp ORS (trường hợp bị lỗi) 79

Hình 4.30: Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp khi dùng chiến lược max để lựa chọn nút chuyển tiếp theo phương pháp ORS (trường hợp bị lỗi) 80

Hình 4.31: Tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công của phương pháp ORS_E 81

Hình 4.32: Tính toán tốc độ bí mật ở giai đoạn 1 của phương pháp ORS_E 82

Hình 4.33: Tính toán tốc độ bí mật trong giai đoạn 2 của phương pháp ORS_E 83

Hình 4.34: Kết quả sau khi sử dụng chiến lược số nhỏ nhất để chọn ra tốc độ bí mật của phương pháp ORS_E 84

Hình 4.35: Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của phương pháp ORS_E 85

Hình 4.36: Giai đoạn đầu của phương pháp SORS_E 89

Hình 4.37: Mô tả giai đoạn 2 của phương pháp SORS_E 90

Hình 4.38: Kết quả lựa chọn sau khi sử dụng chiến lược min của phương pháp SORS_E 91 Hình 4.39: Mô tả kết quả chọn nút chuyển tiếp của phương pháp SORS_E 92

Hình 4.40: Tính toán độ lợi các kênh truyền trong phương pháp PRS_E 95

Hình 4.41: Kết quả sau khi sử dụng chiến lược số nhỏ nhất để lựa chọn độ lợi kênh truyền của phương pháp PRS_E 96

Hình 4.42: Mô tả kết quả chọn nút chuyển tiếp của phương pháp PRS_E 97

Chương 5:

Hình 5.1: Mô hình mô phỏng 100 Hình 5.2: Mô phỏng Pout của phương pháp ORS, không có đường truyền trực tiếp với K =

5, R s 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ / 102 Hình 5.3: Mô phỏng Pout của phương pháp ORS, khi có đường truyền trực tiếp SDvà

sự kết hợp tín hiệu tại E và D với K = 5 103 Hình 5.4: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật giữa hai trường hợp của phương pháp chọn nút chuyển tiếp ORS 104 Hình 5.5: Xác suất giải mã tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp SD 105 Hình 5.6: Sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp ORS khi không có đường truyền trực tiếp SD 106 Hình 5.7: Xác suất giải mã tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi có đường truyền trực tiếp SD 106 Hình 5.8: So sánh xác suất giải mã thành công tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS khi có và không có đường truyền SD 107 Hình 5.9: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật trong phương pháp ORS giữa hai trường hợp 108 Hình 5.10: Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp ORS trong hai trường hợp 109 Hình 5.11: Xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS ở cả hai trường hợp 110 Hình 5.12: So sánh xác xuất giải mã thành công tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS ở cả hai trường hợp 111 Hình 5.13: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp SORS ở cả hai trường hợp 112 Hình 5.14: Xác suất thiếu hụt khả năng giải mã thành công tại D của phương pháp SORS trong cả hai trường hợp 112 Hình 5.15: Xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp PRS ở cả hai trường hơp, với

R  bits s Hz R  bits s Hz 113 Hình 5.16: Xác suất giải mã thành công tại E và xác xuất thiếu hụt bí mật của phương pháp PRS ở cả hai trường hợp 115 Hình 5.17: So sánh sự đánh đổi chất lượng bảo mật của phương pháp PRS ở cả hai trường hợp 115

Hình 5.18: Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp PRS trong hai trường hợp 116 Hình 5.19: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của ba phương pháp ORS, SORS, PRS trong

trường hợp không có đường truyền SD 117 Hình 5.20: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của ba phương pháp ORS, SORS, PRS trong

trường hợp có đường truyền SD 117 Hình 5.21: So sánh xác xuất giải mã thành công tại E của ba phương pháp trong trường hợp không có đường truyền SD 118 Hình 5.22: So sánh xác suất giải mã thành công tại E của ba phương pháp ORS, SORS,

PRS khi có đường truyền SD 118 Hình 5.23: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của ba phương pháp ORS, SORS,

PRS trong trường hợp không có đường truyền SD 119 Hình 5.24: So sánh sự đánh đổi chất lượng bảo mật của ba phương pháp ORS, SORS, PRS

khi không có đường truyền SD 120 Hình 5.25: So sánh xác xuất thiếu hụt giải mã thành công tại D của ba phương pháp ORS,

SORS, PRS khi không có đường truyền SD 121 Hình 5.26: So sánh xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của ba phương pháp ORS,

SORS, PRS khi có đường truyền SD 121 Hình 5.27: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum khi thay đổi số nút chuyển tiếp trong mạng 122 Hình 5.28: Xác suất giải mã thành công tại E và xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum với K = 5 123 Hình 5.29: Sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp Optimum với K = 5 123 Hình 5.30 Xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp Optimum 124 Hình 5.31: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E với phương pháp ORS với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ / 126 Hình 5.32 So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E với phương pháp

ORS khi có đường truyền trực tiếp SD và có sự kết hợp tín hiệu tại D, E với

R  bits s Hz R  bits s Hz 126 Hình 5.33: Xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp ORS_E khi thay đổi số nút chuyển tiếp K = 1, 3, 5,R C 0.1bits s Hz R/ / ; S 0.2bits s Hz/ / 127 Hình 5.34: Xác suất giải mã thành công tại E của phương pháp ORS_E và phương pháp ORS với R S 0.4bits s Hz/ / 127

Hình 5.35: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp ORS_E và phương pháp ORS với R S 0.4bits s Hz/ / 128 Hình 5.36: Xác suất thiếu hụt giải mã thành công của phương pháp ORS_E, ORS với

R  bits s Hz R  bits s Hz 129 Hình 5.37: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS_Enhance, SORS với

R  bits s Hz R  bits s Hz 130 Hình 5.38: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp SORS_E khi số nút chuyển tiếp thay đổi 131 Hình 5.39: So sánh xác suất giải mã thành công tại E của phương pháp SORS_E với phương pháp SORS 132 Hình 5.40: So sánh sự đánh đổi chất lượng bảo mật của phương pháp SORS_E và SORS 132 Hình 5.41: So sánh xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp SORS_E

và SORS 133 Hình 5.42: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp PRS_E, PRS với

R  bits s Hz R  bits s Hz 135 Hình 5.43: Xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp PRS_E khi thay đổi số nút chuyển tiếp K = 1, 3, 5; R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ / 135 Hình 5.44: So sánh xác xuất giải mã thành công tại E của phương pháp PRS_E và phương pháp PRS 136 Hình 5.45: So sánh sự đánh đổi về chất lượng bảo mật của phương pháp PRS_E, PRS với

S

R  bits s Hz 136 Hình 5.46: So sánh xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại D của phương pháp PRS_E , PRS với R S 0.2bits s Hz/ / 137 Hình 5.47 So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với R S 0.2bits s Hz R/ / ; C 0.1bits s Hz/ / 138 Hình 5.48 So sánh xác suất giải mã thành công tại E của phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với R S 0.4bits s Hz/ / 139 Hình 5.49 So sánh sự đánh đổi về mặt chất lượng bảo mật của phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với R S 0.4bits s Hz/ / 139 Hình 4.50 So sánh xác thiếu hụt giải mã thành công tại D của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với R S 0.2bits s Hz/ / 141

Hình 5.54: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp khi máy P có vị trí gần Rx

D 145 Hình 5.55: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi D gần các nút chuyển tiếp 146 Hình 5.56: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi vị trí của E gần Rm 147 Hình 5.57: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của phương pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi E gần D 148 Hình 5.58: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật của các phương pháp : Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E khi E gần P 149

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh ba mô hình trong mạng vô tuyến nhận thức 14

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive white Gaussian noise

BWRC Berkeley Wireless Research Center

FCC Federal Communication Commission

SINR Signal to noise plus interference ratio

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1: Giới thiệu

Mạng vô tuyến nhận thức hợp tác là một mô hình mạng mới giúp giải quyết vấn

đề thiếu hụt phổ tần số hiện nay Vấn đề tăng thêm bảo mật trong truyền dữ liệu (ngoài việc sử dụng các khóa bảo mật ở các lớp trên) của mạng một cách hiệu quả

mà không làm tăng độ phức tạp của hệ thống là một vấn đề mới và thu hút nhiều công trình nghiên cứu Trong các phương pháp được đề xuất thì có phương pháp bảo mật lớp vật lý Trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu các phương pháp chọn nút chuyển tiếp nhằm tăng độ bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

1.1 Bài toán bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

Các mạng vô tuyến hiện tại thường được cấp phát một dải tần số cố định Tuy nhiên hiệu suất sử dụng phổ tần số được cấp phát lại thấp Theo công bố của Ủy ban truyền thông liên ban FCC (Federal Communication Commission) thì hiệu suất sử dụng phổ tần số được cấp phát (thời gian sử dụng và vị trí địa lý sử dụng các phổ tần số) nằm trong khoảng từ 15% đến 85% trên khoảng tần số được cấp phát [2],

chính vì vậy tạo ra các khoảng trắng “white spaces” và các lỗ phổ “spectrum hole”

trên các dải tần được cấp phát Như hình 1.1 cho thấy kết quả khảo sát về hiệu suất

sử dụng phổ tần số trong khoảng 1 GHz đến 6 GHz của trung tâm nghiên cứu vô tuyến Berkeley (Berkeley Wireless Research Center) thì trong khoảng tần số từ 1GHz đến 3 GHz thì hiệu suất sử dụng phổ tần số lớn, tuy nhiên từ 3 GHz trở đi thì hiệu suất sử dụng phổ thấp

Trong khi đó việc mở rộng các ứng dụng không dây ngày càng nhiều như: video call, truy cập internet tốc độ cao, truyền dữ liệu tốc độ cao… cho nên sẽ cần các phổ tần số để chạy các ứng dụng này Kỹ thuật vô tuyến nhận thức được đưa ra để giải quyết vấn đề thiếu hụt này Một mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio) là một mạng vô tuyến thông minh có thể được lập trình và cấu hình động Kỹ thuật này cho phép tồn tại đồng thời các người dùng thứ cấp (secondary users) và các người dùng

sơ cấp (primary users) trên dải tần số vốn được phẩn bổ cho các người dùng sơ cấp (primary users) mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp Pus

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

[6] Do đó hiệu quả sử dụng phổ tần số được nâng lên Ngoài ra để tăng khoảng cách truyền dẫn thì mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật hợp tác đó là việc sử dụng các nút chuyển tiếp nằm giữa máy phát thứ cấp và các máy thu thứ cấp, chính điều đó làm cho mạng vô tuyến nhận thức hợp tác trở nên tối ưu hơn Tuy nhiên, vấn đề bảo mật trong truyền dẫn dữ liệu trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác để tránh các hiện tương nghe lén chưa được quan tâm nhiều

Hình 1.1: Đo đạc hiệu suất sử dụng phổ tại BWRC

Để giải quyết vấn đề bảo mật trong truyền dẫn, các kỹ thuật truyền thống được

áp dụng chủ yếu là các giao thức ở các lớp trên trong mô hình 7 lớp OSI thông qua việc sử dụng các khóa cá nhân (private – key) và khóa công cộng (public – key) Tuy nhiên với công nghệ ngày càng phát triển thì các thiết bị nghe lén vẫn có xác suất giải mã thành công tín hiệu, chính vì vậy ta có thể bảo mật thêm ở một lớp nữa (ngoài việc sử dụng khóa bảo mật ở các lớp trên) để tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống Ngày nay thông qua các kết quả trong nghiên cứu lý thuyết thông tin, xử lý tín hiệu cho thấy rằng có thể tăng khả năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý [9] Ví

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

dụ: nhiễu và fading có thể sử dụng làm “ẩn” tin tức ở các thiết bị nghe lén mà không cần phải sử dụng các mã bí mật

Việc bảo mật ở lớp vật lý có thể thực hiện được thông qua: kỹ thuật Beamforming, truyền thông kết hợp (sử dụng các bộ chuyển tiếp, tạo nhiễu),… Trong đó, kỹ thuật sử dụng các bộ chuyển tiếp thường đơn giản mà vẫn đảm bảo

việc bảo mật cho hệ thống Đây cũng chính là lý do em chọn đề tài: “Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp”

1.2 Nhiệm vụ của luận văn

Trong luận văn này tôi sẽ nghiên cứu về vấn đề bảo mật lớp vật lý trong mạng

vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp Để thực hiện được luận văn thì chúng ta cần phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Khảo sát các phương pháp chọn nút chuyển tiếp hiện có

Đề xuất phương pháp chọn nút chuyển tiếp

Phân tích, đánh giá và so sánh khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp theo các thông số hệ thống khác nhau thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Kết quả dự kiến đạt được :

Nắm vững kiến thức về mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mô hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Phương pháp chọn nút chuyển tiếp cải tiến

Kết quả phân tích và mô phỏng về khả năng bảo mật thông tin của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Nắm vững được ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các phương pháp chọn nút chuyển tiếp

1.3 Ý nghĩa thực tế và phạm vi nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp cho công đồng nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến hợp tác như sau:

Các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có sẽ được phân tích, đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng, từ đó giúp cho người đọc có cái nhìn tổng quát về các phương pháp và trong tương lai có thể nhúng các thuật toán vào các phần cứng thực tế để tăng độ bảo mật cho mạng vô tuyến nhận thức kết hợp, mạng 5G [8]

Việc đưa ra các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới, so sánh, đánh giá so với các phương pháp cũ để người dùng có thể hiểu được các tình huống sử dụng trong thực tế, đồng thời đóng góp hướng nghiên cứu mới trong kỹ thuật bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác hoặc rộng hơn là trong mạng vô tuyến hợp tác

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ bao gồm các nội dung sau:

Tập trung nghiên cứu mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác để hiểu rõ hơn các thành phần, đặc điểm trong mạng

Nghiên cứu các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp: nguyên lý, hàm toán, các trường hợp sử dụng

Từ các phương pháp đã ta đề xuất các phương pháp mới, khảo sát đánh giá bằng phần mềm mô phỏng Matlab

1.4 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm có 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu

Giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về

đề tài, những nội dung chính thực hiện trong luận văn và kết quả dự kiến đạt được,

ý nghĩa thực tế của luận văn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 2: Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

Tìm hiểu tổng quan về cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức hợp tác, các mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến

Chương 3: Tổng quan về bảo mật lớp vật lý

Tìm hiểu các khái niệm bảo mật lớp vật lý, các phương pháp bảo mật, các tiêu chí đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý

Chương 4: Phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp bảo mật lớp vật lý

Đầu tiên sẽ trình bày mô hình mạng vô tuyến nhận thức hợp tác sẽ khảo sát Tiếp theo đó, sẽ phân tích các phương pháp chọn nút chuyển tiếp đã có và cuối cùng là đề xuất các phương pháp chuyên tiếp mới

Chương 5: Mô phỏng và phân tích kết quả

Trong chương này ta sẽ mô phỏng các phương pháp bằng phần mềm Matlab, so sánh các kết quả và rút ra nhận xét Chương này đồng thời giúp ta đánh giá xem các phương pháp chọn nút chuyển tiếp mới có tốt hơn các phương pháp đã có hay không

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tóm tắt lại các kết quả thu được của luận văn, và đề xuất hướng phát triển

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Chương 2: Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức:

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mới cung cấp khả năng chia sẻ hoặc sửa dụng phổ tần số theo phương thức cơ hội, có thể nhận biết được các điều kiện môi trường và thay đổi các tham số truyền dẫn của nó phụ thuộc vào các điều kiện môi trường Kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho phép tồn tại đồng thời các người dùng thứ cấp SUs (secondary users) và các người dùng sơ cấp PUs (primary users) sử dụng chung một băng tần số mà không gây can nhiễu lên các người dùng sơ cấp để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) tại các người dùng sơ cấp PUs Chính vì vậy kỹ thuật vô tuyến nhận thức giúp chia sẻ nguồn phổ tần số được cấp phép giữa người dùng thứ cấp SUs và người dùng sơ cấp Pus [1]

Mạng vô tuyến nhận thức có thể cảm nhận được các phổ tần số chưa sử dụng (spectrum holes) tại một thời gian và địa điểm cụ thể Do việc nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số được cấp phát

Hình 2.1: Lỗ phổ tần số (spectrum hole) trong băng tần được cấp phát Ngoài ra mạng vô tuyến nhận thức còn có khả năng tự cấu hình lại các tham số của hệ thống (công suất phát, tốc độ phát, …) cũng như lựa chọn lại băng tần tốt nhất cho việc truyền nhận dữ liệu giữa máy phát và máy thu [1]

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Hình 2.2: Khoảng trắng “white spaces” trong phổ tần số được cấp phát

 Trạm gốc thứ cấp (Secondary base station): Một thành phần cơ sở hạ tầng

cố định có khả năng sử dụng kỹ thuật vô tuyến nhận thức và cung cấp kết nối tới người dùng thứ cấp

 Spectrum Broker: là một máy chủ tạo ra lịch trình để chia sẽ nguồn phổ tần số giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau

Như trên hình 2.3 các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc sử dụng phương thức nhiều bước nhảy (multi-hop manner) hoặc truy cập trạm gốc Do đó trong cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức có một vài kiểu truy cập khác nhau:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

 Truy cập mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio network access): các người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập vào trạm gốc thứ cấp trong cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

 Truy cập tuy biến vô tuyến nhận thức (Cognitive radio ad hoc access): các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc với những người dùng vô tuyến nhận thức khác thông qua kết nối tùy biến (ad-hoc connection) cho cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

 Truy cập mạng sơ cấp (Primary network access): người dùng mạng vô tuyến nhận thức có thể truy cập vào trạm gốc sơ cấp thông qua băng tần số đã được cấp phép, nếu như mạng sơ cấp cho phép

Hình 2.3: Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức

2.3 Các chức năng của một mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức đặt ra các thách thức đó là tồn tại kênh truyền sơ cấp

sơ cấp và kênh truyền thứ cấp dùng chung một băng tần số đồng thời phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) Do đó mạng vô tuyến nhận thức yêu cầu có các chức năng quản lý phổ trong việc thiết kế như sau:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Tránh can nhiễu (interference avoidance): Mạng vô tuyến nhận thức tránh gây can nhiễu tới các mạng sơ cấp

Nhận thức chất lượng dịch vụ (QoS awareness): Để quyết định một băng tần thích hợp, mạng vô tuyến nhận thức phải hỗ trợ để đảm bảo chất lượng truyền thông, quan tâm tới sự thay đổi các phổ tần số

Truyền thông liên tục (Seamless communication): mạng vô tuyến nhận thức phải cung cấp quá trình truyền thông một cách liên tục kể cả khi có sự xuất hiện của các người dùng sơ cấp

Để đáp ứng được các thách thức trên thì mạng vô tuyến nhận thức có các chức năng như sau:

Cảm nhận phổ tần số (Spectrum sensing): Các người dùng vô tuyến nhận thức có khả năng cảm nhận được các phổ tần số không được sử dụng tại bất

kỳ thời điểm và vị trí

Quản lý phổ tần số (Spectrum management): Dựa trên các phổ tần số có thể

sử dụng được và các quy định khác người dùng vô tuyến nhận thức sẽ được gán cho băng tần tốt nhất có thể

Di chuyển phổ tần số sử dụng (Spectrum mobility): Khi người dùng sơ cấp

sử dụng phổ tần số tại bất kỳ thời điểm nào thì người dùng vô tuyến nhận thức phải di chuyển sang một băng phổ tần tốt hơn để trả lại băng phổ cho người dùng sơ cấp

Chia sẻ phổ tần số (Spectrum sharing): mạng vô tuyến nhận thức cung cấp một cách công bằng và thực hiện theo phương thức tối ưu nhất trong việc gán các phổ tần giữa các người dùng vô tuyến nhận thức

Trong hình 2.4 mô tả các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức Mỗi một lớp mạng có các chức năng khác nhau:

Lớp vật lý (Physical layer): cảm nhận phổ tần, có thể cấu hình việc truyền dữ liệu dựa trên phần mềm SDR (software defined radio)

Lớp liên kết (Link layer): thực hiện phân tích phổ, lựa chọn phổ, phối hợp các phổ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Lớp MAC (Mac layer): lấy thông tin kênh truyền, thực hiện đàm phán giữa người dùng sơ cấp PUs và người dùng thứ cấp SUs cho việc gán các phổ tần

số và việc lấy thông tin và truy cập kênh truyền giữa các người dùng thứ cấp Đồng bộ các tham số truyền nhận (kênh truyền, khe thời gian,…) giữa máy phát và máy thu

Hình 2.4: Các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức

2.4 Các tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức

Theo cách thức hoạt động ta chia hệ thống vô tuyến nhận thức thành hai loại: hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system) và hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system)

Hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system): các người dùng thứ cấp quan sát các hoạt động (sử dụng hay không sử dụng kênh truyền) của các người dùng sơ cấp trong một băng phổ cố định và truy cập vào toàn bộ băng phổ tần nếu có cơ hội Mạng này được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn: 802.11, 802.15, 802.3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system): các người dùng thứ cấp có thể truyền sử dụng các băng thông khác nhau bởi việc thay đổi các tham số truyền ở trong lớp vật lý (dựa trên kỹ thuật OFDM hoặc MC – CDMA) Tiêu chuẩn IEEE 802.22: là tiêu chuẩn đầu tiên của IEEE sử dụng kỹ thuật vô tuyến nhận thức để khai thác khoảng trắng “white spaces” trong phổ sử dụng cho truyền hình

2.5 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

Có ba kiểu chính trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức:

 Dạng nền (underlay)

 Dạng phụ (overlay)

 Dạng đan xen (interweave)

Mô hình dạng nền (underlay) cho phép các người dùng thứ cấp có thể hoạt động nếu như mức can nhiễu của nó tới các người dùng sơ cấp ở dưới một mức ngưỡng được đưa ra Hệ thống dạng phủ (overlay): các người dùng thứ cấp lắng nghe sự truyền nhận của các người dùng sơ cấp sau đó sử dụng thông tin này với việc sử lý tín hiệu phức tạp và kỹ thuật mã hóa để duy trì hoặc cải thiện chất lượng của các người dùng sơ cấp và hơn nữa có thêm băng thông cho việc truyền nhận dữ liệu của chính mình Trong điều kiện lý tưởng, thì các kỹ thuật mã hóa phức tạp cũng như các chiến lược giải mã cho phép cả người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp loại

bỏ một phần hay toàn bộ can nhiễu do các người dùng khác gây ra Trong hệ thống dạng đan xen (interweave) các người dùng thứ cấp nhận biết được sự vắng mặt của các tín hiệu của người dùng sơ cấp trong không gian, thời gian hoặc tần số và có cơ hội thực hiện truyền thông trong suốt quá trình vắng mặt đó của người dùng sơ cấp

2.5.1 Mô hình dạng nền (underlay paradigm)

Hình 2.5 và hình 2.6 cho ta thấy việc truyền nhận dữ liệu đồng thời trong mạng

sơ cấp và thứ cấp chỉ có thể diễn ra khi mà can nhiễu được gây ra bởi các máy phát thứ cấp tại máy thu sơ cấp ở dưới mức ngưỡng cho phép Thay vì xác định một cách chính xác mức can nhiễu mà nó gây ra, các người dùng thứ cấp có thể trải tín hiệu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

của nó trên một băng thông rộng để mật độ phổ công suất nhiễu ở dưới mức nhiễu nền khi người dùng sơ cấp ở bất cứ vị trí nào Các tín hiệu được trải phổ sau khi nhận được sẽ được giải trải phổ (de-spread) ở các máy thu thứ cấp Ngoài ra máy phát thứ cấp có thể vẫn giữ công suất đầu ra của nó nhưng mức can nhiễu đến các máy thu sơ cấp vẫn ở dưới mức ngưỡng cho phép Trong trường hợp này do hạn chế

về mặt can nhiễu nên các người dùng thứ cấp ở dạng nền (underlay) thường thực hiện truyền thông ở khoảng cách ngắn Cả trải phổ và giới hạn nghiêm ngặt của việc tính toán chính xác công suất can nhiễu của các máy phát thứ cấp tại máy thu sơ cấp được thay thế bằng việc thiết kế sao cho tập các công suất nhiễu của máy phát thứ cấp là nhỏ ở mọi nơi được gọi là công suất can nhiễu (interference temperature) Công suất can nhiễu là sự đo đạc công suất RF có thể tại anten máy thu được phân phối tới một máy thu – công suất được tạo ra bởi một nguồn nhiễu hoặc một nguồn phát khác

Hình 2.5: Mô hình dạng nền: tín hiệu băng rộng (trải phổ)

Hình 2.6: Mô hình dạng nền với máy phát sử dụng anten dãy

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

2.5.2 Mô hình dạng phủ (overlay paradigm)

Trong mô hình dạng phủ ở hình 2.7 thì các máy phát thứ cấp biết chuỗi dữ liệu được phát đi của các máy phát sơ cấp và cách chuỗi dữ liệu được mã hóa (codebook) Thông tin về cách mã hóa dữ liệu có thể đạt được ví dụ như máy phát

sơ cấp phát các tin tức (message) tuân theo một chuẩn thống nhất của các phương thức mã hóa đã được công bố Hơn nữa, các máy phát sơ cấp có thể phát quảng bá codebook của nó có tính chu kỳ, các máy thu thứ cấp có thể giải mã nó Các hiểu biết về chuỗi dữ liệu của máy phát sơ cấp có thể được sử dụng trong nhiều cách khác nhau để giảm thiểu hoặc loại bỏ can nhiễu tại máy thu sơ cấp và thứ cấp Các máy phát thứ cấp sử dụng một phần công suất cho việc truyền thông của nó đồng thời sử dụng phần công suất còn lại cho việc hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu của mạng sơ cấp Bằng cách lựa chọn việc chia công suất một cách cẩn thận, việc tăng tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cộng can nhiễu tại máy thu sơ cấp phụ thuộc vào

sự kết hợp với các máy phát thứ cấp Nếu máy thu sơ cấp có thể điều chỉnh việc giải

mã cả chuỗi dữ liệu do máy phát sơ cấp phát đi và một phần hoặc toàn bộ chuỗi dữ liệu do máy phát thứ cấp phát tới thì có thể loại bỏ một phần hoặc toàn bộ can nhiễu

do máy phát thứ cấp gây ra Điều này đảm bảo rằng tốc độ truyền của người dùng

sơ cấp có thể được duy trì hoặc tăng trong khi đó người dùng thứ cấp có thể đạt dung lượng dựa trên công suất của nó được xác định cho việc truyền thông trong mạng thứ cấp Đê thực hiện được những yêu cầu trên thì mô hình dạng phủ (overlay) yêu cầu các kỹ thuật phức tạp

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

2.5.3 Mô hình dạng đan xen (interweave paradigm)

Mô hình đan xen dựa trên ý tưởng truyền thông cơ hội và là cơ sở ban đầu cho

vô tuyến nhận thức Như hình 2.1 ta thấy phần lớn phổ tần số thì không được sử dụng hết trong hầu hết thời gian Nói cách khác có tồn tại khoảng trắng “white spaces” hoặc lỗ phổ (spectrum hole) trong băng phổ được cấp phép và không được cấp phép Các lỗ phổ (spectral holes) có thể được sử dụng bởi các người dùng thứ cấp hoạt động theo nguyên lý trực giao trong miền không gian, thời gian, tần số liên quan đến tín hiệu của các người dùng sơ cấp Kỹ thuật đan xen yêu cầu phải nhận biết được người dùng sơ cấp ở một hoặc nhiều chiều không gian, thời gian hoặc tần

số của người dùng sơ cấp Việc nhận biết này là một thách thức lớn vì các hoạt động của người dùng sơ cấp thay đổi theo thời gian và hơn nữa phụ thuộc vào vị trí địa lý Đối với mô hình đan xen nhiều người dùng thứ cấp thì giao thức MAC là cần thiết để chia sẻ các lỗ phổ (spectrum holes) giữa các người dùng thứ cấp với nhau

2.5.4 So sánh ba mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

Để hiểu rõ hơn ta thực hiện so sánh ba mô hình của mạng vô tuyến nhận thức như sau:

Bảng 2.1: So sánh ba mô hình trong mạng vô tuyến nhận thức

sơ cấp

Các nút mạng thứ cấp biết về độ lợi kênh truyền, kỹ thuật mã hóa, và chuỗi dữ liệu

đã được phát của máy phát sơ cấp

Các người dùng thứ cấp xác định được các

lỗ phổ (spectrum holes) trong không gian, thời gian hoặc tần số mà các người dùng sơ cấp vắng mặt

Truyền

dẫn đồng

Người dùng thứ cấp truyền dẫn

Người dùng thứ cấp

có thể truyền đồng

Người dùng thứ cấp chỉ truyền dẫn tại cùng thời

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

nó gây ra tại máy thu sơ cấp ở dưới mức ngưỡng cho phép

thời với người dùng

sơ cấp, can nhiễu tới người dùng sơ cấp có thể được bù đắp bởi việc sử dụng một phần công suất của người dùng thứ cấp

để chuyển tiếp chuỗi

dữ liệu của người dùng sơ cấp

điểm với người dùng

sơ cấp khi mà không nhận ra các hoạt động của người dùng sơ cấp

Máy phát sơ cấp có thể phát với bất kỳ công suất nào, mức can nhiễu tại máy thu

sơ cấp có thể được bù đắp bằng việc chuyển tiếp chuỗi dữ liệu của người dùng sơ cấp từ máy phát thứ cấp tới các máy thu sơ cấp

Công suất phát của máy phát thứ cấp bị giới hạn bởi cự ly hoạt động của máy phát sơ cấp để các nút mạng thứ cấp có thể nhận ra được

Phần

cứng

Người dùng thứ cấp phải đo đạc mức can nhiễu mà

nó gây ra tại máy thu sơ cấp bằng thông qua việc kết hợp các cảm biến

Người dùng thứ cấp phải nhận biết được

sự truyền dẫn của người dùng sơ cấp

Việc mã hóa và giải

mã cũng phức tạp hơn hai mô hình còn lại

Máy thu phải có tần số linh hoạt là có một băng rộng cho việc nhận biết các lỗ phổ (spectrum holes)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

2.6 Truyền thông hợp tác

Để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các người dùng sơ cấp PUs thì sự can nhiễu không mong muốn do các máy phát thứ cấp gây ra tại máy thu sơ cấp phải được điều khiển Để thực hiện được điều này thì có ba mô hình điển hình được đưa ra như ở phần 2.5 đã trình bày: dạng nền (underlay), dạng phủ (overlay) và dạng đan xen (interweave) Theo kết quả so sánh như bảng 2.1 thì ta thấy mô hình dạng nền (underlay) là đơn giản nhất Đây chính là lý do tôi chọn mô hình này để khảo sát trong luận văn Trong mô hình này thì chất lượng dịch vụ tại các người dùng sơ cấp được đảm bảo thông qua các đặc điểm về cấp phát công suất của người dùng thứ cấp Việc cấp phát công suất này có thể chia làm hai kiểu: ngắn hạn (short – term) và dài hạn (long – term) Trong kiểu ngắn hạn (short – term) thì công suất phát của các máy phát thứ cấp được cấp phát dựa vào mức giới hạn công suất can nhiễu tối đa hoặc cả công suất can nhiễu tối đa và công suất phát lớn nhất mà máy phát thứ cấp có thể phát được Trong khi đó, kiểu dài dạn (long – term) thì cách cấp phát công suất cho các SUs để thỏa mãn giới hạn xác suất thiếu hụt giải mã thành công tại các máy thu sơ cấp [6]

Do giới hạn công suất phát của các máy phát thứ cấp nên sẽ giới hạn cự ly truyền dẫn của các máy phát thứ cấp Điều này có thể giải quyết được bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác Thông qua việc tận dụng các lợi thế của các nút chuyển tiếp (các người dùng nằm giữa nguồn S (source) và đích D (destination)) để chuyển tiếp các thông tin ban đầu (source), mạng vô tuyến nhận thức dạng nền có thể khắc phục được các điểm hạn chế trong việc bị giới hạn khoảng cách truyền dẫn với ảnh hưởng thấp của suy hao đường truyền Các nút chuyển tiếp có thể hoạt động dựa vào các kiểu truyền thông hợp tác như: giải mã và chuyển tiếp DF (decode and forward), khuếch đại và chuyển tiếp AF (amplify and forward) Trong kiểu thứ nhất, các nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận được và sau đó mã hóa lại các thông tin đã nhận được trước khi chuyển tiếp nó tới đích Trong kiểu thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ khuếch đại tín hiệu nhận được và chuyển tiếp nó tới đích D Trong truyền thông hợp tác, nhiều nút chuyển tiếp có thể hỗ trợ việc truyền thông tin từ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

nguồn S đến đích D nhưng hiệu suất băng thông thấp bởi vì trực giao kênh truyền được thực hiện giữa các nút chuyển tiếp khác nhau để tránh can nhiễu lẫn nhau Vì vậy để trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác ta chỉ chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất trong số các nút chuyển tiếp có sẵn để tối thiểu hóa yêu cầu về tài nguyên của

hệ thống chẳng hạn như băng thông, công suất Để hiểu rõ hơn truyền thông hợp tác

ta khảo sát kênh truyền chuyển tiếp (relay channel) trong mạng không dây các nút chuyển tiếp trong hệ thống mạng vô tuyến với phương thức bán song công (half duplex) như sau:

Hình 2.8 (a) (b): Mô tả sự chuyển tiếp trong truyền thông không dây Trong hình 2.8 ta khảo sát kênh truyền từ nguồn S (source) tới đích D (destination)

có sử dụng một nút chuyển tiếp R (relay)

Để truyền một tin tức (message) W ta thực hiện trong hai giai đoạn:

Đầu tiên: S phát quảng bá tin tức W tới R và D trong khoảng thời gian (1 ) Sau đó, nếu như quá trình nhận thành công thì R sẽ gửi trở lại W tới D trong khoảng thời gian 

Ta có thể vẽ lại theo dạng mô hình toán học như sau:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

(2.4)

Hình 2.8 (c): Mô hình toán học cho kênh truyền nút chuyển tiếp không dây Trong mô hình 2.8 (c) thì ta ký hiệu như sau:

 w là tin tức ban đầu

 S là nguồn, D là đích, R là nút chuyển tiếp

 x là tín tức sau khi được mã hóa và được nguồn S phát đi

 z R nhiễu của kênh truyền S R , (1) (2)

,

D D

z z là nhiễu của kênh truyền từ

RDvà S D , nhiễu có phân bố Gaussian có trung bình bằng 0 và phương sai N0

 h SR là hệ số ngẫu nhiên kênh truyền S R, thông thường ta ký hiệu  hij là

hệ số kênh truyền giữa nút i và nút j với i j, S R D, ,  Hệ số kênh truyền bao gồm sự ảnh hưởng của suy hao đường truyền, sự che khuất trong truyền dẫn không dây và fading

Khi đó ta có:

Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp: y R h SR x z R

Tín hiệu nhận được tại D sẽ có hai tín hiệu độc lập, một tín hiệu từ S và một tín hiệu từ R.:

 Trong giai đoạn truyền trực tiếp SD : (1) (1)

Nếu tại D sử dụng thuật toán giải mã tối đa hóa (maximum - likelihood) Với 

là tổng khoảng thời gian cho việc chuyển tiếp Chúng ta có tốc độ có thể đạt được kênh truyền SR:

(2.1)

(2.2)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

R     Tốc độ có thể đặt được tại D phụ thuộc vào sự kết hợp của hai giai đoạn truyền:

Nếu như   0 thì nút chuyển tiếp sẽ lắng nghe trong toàn khoảng thời gian

và không cho phép chuyển tiếp Trong trường hợp này thì nguồn S có thể bỏ qua nút chuyển tiếp và chỉ xét đường truyền trực tiếp SD, khi đó tốc độ kênh truyền

có thể đạt được:

2log 1

Chú ý: công thức (2.6) là khi nguồn S chủ động phát trực tiếp tín hiệu đến D

Tốc độ được tạo bởi kênh truyền sử dụng nút chuyển tiếp trong truyền thông không dây:

  thì thời gian được phân bố đều cho nguồn S và nút chuyển tiếp D

2.7 Kênh truyền vô tuyến và mô hình kênh truyền vô tuyến có nhiễu

2.7.1 Fading trong kênh truyền vô tuyến

Kênh truyền vô tuyến hoạt động thông qua việc bức xạ sóng điện từ từ máy phát đến máy thu Khi truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu thì tín hiệu sẽ bị tác động rất nhiều bởi nhiều hiện tượng Các hiện tượng như: phản xạ, che khuất, đa đường,… làm cho biên độ tín hiệu phía máy thu có các hiện tượng thăng gián gọi là

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.8)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

fading Nếu xét về sự thăng giáng của tín hiệu tín theo khoảng cách thì ta có fading diện rộng (biên độ tín hiệu thay đổi chậm trong một khoảng cách lớn) và fading diện hẹp (biên độ tín hiệu thay đổi nhanh trong một khoảng cách nhỏ), nếu xét về sự thay biên độ tín hiệu theo thời gian thì ta có fading nhanh (fast fading) và fading chậm (slow fading)

Hình 2.9: Biên độ tín hiệu tại máy thu khi xảy ra fading Như trên hình 2.9 ta thấy biên độ của tín hiệu bị thay đổi, đối với fading diện

hẹp thì trong một khoảng cách rất nhỏ

2



 thì biên độ tín hiệu có sự thay đổi nhiều

Còn đối với fading diện rộng thì có sự thay đổi với khoảng cách

2

 Trong đó 

là bước sóng hoạt động của máy phát

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC

Hình 2.10: Fading xảy ra trong quá trình truyền sóng

a Fading diện rộng (lager scare fading): đây là loại fading phụ thuộc vào suy hao

đường truyền mà chủ yếu là suy hao trong không gian tự do

Hình 2.11: Suy hao đường truyền phụ thuộc vào sự lan truyền sóng trong không

gian tự do Như hình 2.11 ta thấy khi sử dụng một ăn ten đẳng hướng để bức xạ một sóng điện từ ra ngoài không gian thì với khoảng cách thu càng xa thì công suất tín hiệu thu sẽ bị giảm Điều này đồng nghĩa với việc khoảng cách thu phát ngày càng tăng