Bài viết đề xuất mô hình bảo mật lớp vật lý sử dụng mã Fountain với kỹ thuật chọn lựa ăng-ten phát tại trạm gốc. Trong mô hình đề xuất, một trạm gốc đa ăng-ten truyền dữ liệu đến một người dùng hợp pháp, trong sự xuất hiện của một nút nghe lén bất hợp pháp, với giả xử rằn cả D và E là các thiết bị đầu cuối được trang bị đơn ăng-ten.
Trang 1Phân Tích Hiªu N´ng Truy∑n B£o M™t S˚ Dˆng
Mã Fountain VÓi Kˇ Thu™t L¸a ChÂn
ãng-ten Phát
∞ng Th∏ Hùng⇤ và Nguyπn Th§c DÙng†,
⇤ HÂc Viªn Kˇ Thu™t Quân S¸, Hà NÎi
† §i hÂc Thông tin Liên l§c, Nha Trang Email: danghung8384@gmail.com, dnthacdung4@gmail.com
Tóm t≠t—Trong bài báo này, chúng tôi ∑ xußt mô hình
b£o m™t lÓp v™t l˛ s˚ dˆng mã Fountain vÓi kˇ thu™t chÂn
l¸a ´ng-ten phát t§i tr§m gËc (BS) Trong mô hình ∑ xußt,
mÎt tr§m gËc (BS) a ´ng-ten truy∑n d˙ liªu ∏n mÎt ng˜Ìi
dùng hÒp pháp (D), trong s¸ xußt hiªn cıa mÎt nút nghe lén
bßt hÒp pháp (E), vÓi gi£ s˚ r¨ng c£ D và E là các thi∏t b‡ ¶u
cuËi ˜Òc trang b‡ Ïn ´ng-ten Chúng tôi ˜a ra các bi∫u
th˘c d§ng t˜Ìng minh cıa xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông
tin thành công (SS) t§i nút ích, xác sußt ch∞n (IP) t§i nút
nghe lén và sË l˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc phát bi
BS (ANEP) trên kênh truy∑n pha- inh Rayleigh CuËi cùng,
chúng tôi th¸c hiªn mô ph‰ng Monte-Carlo ∫ ki∫m ch˘ng
các bi∫u th˘c toán hÂc ã tìm ra.
T¯ khóa—Mã Fountain, Kˇ thu™t l¸a chÂn ´ng-ten phát,
B£o m™t lÓp v™t l˛, Kênh truy∑n pha- inh Rayleigh.
I GIŒI THIõU Ngày nay, b£o m™t trong thông tin vô tuy∏n ã thu hút
˜Òc nhi∑u s¸ quan tâm, do tính chßt phát sóng qu£ng bá
t¸ nhiên cıa kênh truy∑n vô tuy∏n làm cho viªc truy∑n d˙
liªu dπ dàng b‡ tßn công [1] ∫ b£o £m an toàn thông tin,
nhi∑u thu™t toán mã hóa và gi£i mã d˙ liªu ã ˜Òc tri∫n
khai t§i lÓp ˘ng dˆng d¸a trên nhi∑u gi£ thuy∏t khác nhau,
nh˜ gi£ s˚ r¨ng liên k∏t gi˙a máy phát và máy thu t§i lÓp
v™t l˛ là không lÈi, không trπ ∫ £m b£o Î tin c™y cıa
viªc truy∑n d˙ liªu, trong khi nh˙ng k¥ nghe lén b‡ giÓi
h§n v∑ kh£ n´ng tính toán và thi∏u các thu™t toán hiªu qu£
∫ gi£i mã thông tin Tuy nhiên, gi£ ‡nh này ang b‡ suy
y∏u cùng vÓi viªc phát tri∫n các thu™t toán hiªu qu£ cÙng
nh˜ viªc t´ng lên kh£ n´ng tính toán cıa các thi∏t b‡ thông
tin hiªn §i, ví dˆ nh˜ máy tính l˜Òng t˚ Chính nh˙ng giÓi
h§n này là Îng l¸c thúc ©y ∫ nhi∑u nhà nghiên c˘u g¶n
ây ã t™p trung th£o lu™n v∑ các vßn ∑ b£o m™t thông
tin t§i lÓp v™t l˛ (Physical Layer Security: PLS) nh¨m §t
˜Òc b£o m™t b¨ng cách khai thác ∞c tính riêng biªt cıa
các kênh truy∑n vô tuy∏n khác nhau, nh˜ nhiπu nhiªt, nhiπu
và tính chßt thay Íi cıa các kênh pha- inh [2] Khái niªm
v∑ PLS l¶n ¶u tiên ˜Òc giÓi thiªu bi Shannon [3], và
sau ó ˜Òc m rÎng bi Wyner [4], vÓi i∑u kiªn b£o m™t
hoàn h£o ˜Òc phân tích d¸a trên quan i∫m cıa l˛ thuy∏t
thông tin t˜Ïng lai
Trong nh˙ng n´m g¶n ây, ã có nhi∑u công trình nghiên
c˘u v∑ PLS các góc Î khác nhau nh¨m nâng cao hiªu
n´ng b£o m™t trong truy∑n thông vô tuy∏n ∞c biªt, kˇ thu™t l¸a chÂn ´ng-ten phát (Transmit Antenna Selection: TAS) ã ˜Òc nghiên c˘u rÎng rãi do Î ph˘c t§p th¸c hiªn thßp cıa các chuÈi t¶n sË vô tuy∏n (Radio Frequence Chains) trong khi v®n §t ˜Òc b™c phân t™p ¶y ı [5], [6], [7] Các tác gi£ trong [8], ã phân tích hiªu n´ng b£o m™t cıa các kênh nghe lén MIMO vÓi kˇ thu™t TAS ˜Òc th¸c hiªn t§i máy phát và các ph˜Ïng pháp k∏t hÒp tín hiªu thu khác nhau Trong [9], ã nghiên c˘u TAS vÓi mã hóa Alamouti và phân bÍ công sußt trong các kênh nghe lén MIMO HÏn n˙a, trong [10] ã kh£o sát hiªu n´ng b£o m™t cıa hª thËng vÓi giao th˘c TAS và k∏t hÒp t sË tËi a (Maximal Ratio Combining: MRC) vÓi tín hiªu ph£n hÁi không hoàn h£o Ti∏p ∏n, trong [11] các tác gi£ ã kh£o sát hiªu n´ng b£o m™t cıa các m§ng a ng˜Ìi dùng ˜Ìng xuËng vÓi nhiπu nhân t§o b¨ng viªc thi∏t k∏ phân bÍ công sußt tËi ˜u ∫ tËi a tÍng dung l˜Òng d¯ng b£o m™t cıa hª thËng Trong [12], ∫ t´ng m˘c Î b£o m™t cıa kênh hÒp pháp, các ph˜Ïng pháp l¸a chÂn nút gây nhiπu cÏ hÎi khác nhau ã ˜Òc ∑ xußt trong các m§ng nghe lén a ng˜Ìi dùng Trong [13], ph˜Ïng pháp l¸a chÂn ng˜Ìi dùng tËi ˜u trong các m§ng chuy∫n ti∏p a ng˜Ìi dùng vÓi gây nhiπu cÎng tác ã ˜Òc phân tích d¸a vào bi∫u th˘c tËc Î d¯ng b£o m™t ˜Òc ˜a ra HÏn n˙a, các kˇ thu™t chÂn l¸a nút chuy∫n ti∏p, chuy∫n ti∏p cÎng tác, truy∑n thông a ch∞ng
và gây nhiπu nhân t§o cÙng ã ˜Òc khai thác rÎng rãi ∫ c£i thiªn PLS trong truy∑n thông vô tuy∏n [14], [15], [16], [17]
MÎt trong nh˙ng vßn ∑ cÏ b£n trong thông tin vô tuy∏n
là t´ng hiªu qu£ s˚ dˆng b´ng thông và Î tin c™y trong các kênh truy∑n bi∏n Íi liên tˆc theo thÌi gian Bên c§nh ó, viªc truy∑n tín hiªu trên các kênh vô tuy∏n ph£i Ëi m∞t vÓi s¸ suy gi£m v∑ chßt l˜Òng kênh truy∑n, nh˜ suy hao ˜Ìng truy∑n, pha- inh, nhiπu, và do v™y, ∫ §t ˜Òc hiªu sußt s˚ dˆng phÍ t¶n, các hª thËng vô tuy∏n c¶n ph£i thích ˘ng linh ho§t trong các i∑u kiªn kênh truy∑n bi∏n Íi khác nhau ∫ gi£i quy∏t nh˙ng vßn ∑ trên, thì mã Fountain (Fountain codes: FCs), hay mã Rateless (Rateless codes: RCs) ã ˜Òc ∑ xußt [18], [19], có th∫ thích ˘ng linh ho§t vÓi các i∑u kiªn kênh truy∑n khác nhau mà không c¶n bi∏t thông tin tr§ng thái kênh (Channel State Information: CSI)
Trang 2t§i máy phát Máy phát s˚ dˆng bÎ mã hóa Fountain có
th∫ t§o ra các symbol ˜Òc mã hóa không giÓi h§n, không
phˆ thuÎc vào tr§ng thái kênh t˘c thÌi t§i máy thu và máy
thu có th∫ gi£i mã b£n tin gËc khi nh™n ı sË l˜Òng các
gói mã hóa c¶n thi∏t Khi máy thu nh™n ı các symbol mã
hóa cho viªc gi£i mã thành công b£n tin gËc thì k∏t thúc
quá trình nh™n, có nghæa r¨ng tËc Î thay Íi phˆ thuÎc
vào CSI t˘c thÌi [20], [21] Ngoài ra, b¨ng cách s˚ dˆng
FCs, máy thu chø g˚i mÎt bít thông tin ∏n máy phát ∫
b≠t ¶u quá trình truy∑n b£n tin mÓi Tuy nhiên, do ∞c
tính qu£ng bá t¸ nhiên cıa thông tin vô tuy∏n, nh˙ng nút
nghe lén có th∫ dπ dàng thu ch∞n nh˙ng gói tin ˜Òc mã
hóa này ∫ gi£i mã b£n tin gËc Do ó, b£o m™t là vßn ∑
rßt quan trÂng trong các hª thËng vô tuy∏n s˚ dˆng FCs
Hiªn nay, ã có mÎt sË công trình nghiên c˘u vßn ∑
b£o m™t lÓp v™t l˛ trong các hª thËng có s˚ dˆng FCs [22],
[23], [24], [25], [26], [27], [28] Tuy nhiên, khác vÓi các
mô hình ã ∑ c™p tr˜Óc ó, trong bài báo này chúng tôi
s˚ dˆng kˇ thu™t TAS nh¨m nâng cao hiªu n´ng b£o m™t,
d¸a vào bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã
và b£o m™t thông tin thành công ˜Òc ˜a ra, vÓi gi£ s˚
r¨ng ph¶n c˘ng cıa cıa các thi∏t b‡ trong m§ng là hoàn
h£o và hª thËng không ch‡u tác Îng cıa nhiπu Áng kênh
do s¸ phân bÍ t¶n sË phù hÒp Trong mô hình ∑ xußt s˚
dˆng FCs, mÎt tr§m gËc (BS) s˚ dˆng kˇ thu™t TAS ∫
§t ˜Òc chßt l˜Òng kênh truy∑n tËt nhßt trên kênh chính,
nh¨m th¸c hiªn gi£i mã các gói tin mã hóa và b£o m™t
d˙ liªu ˜Òc g˚i i, trong khi ó c£ máy thu hÒp pháp
(D) và máy nghe lén (E) là các thi∏t b‡ Ïn ´ng-ten ∫
ánh giá hiªu n´ng b£o m™t cıa hª thËng, chúng tôi ˜a
ra các bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã và
b£o m™t thông tin thành công (Probability of Successful
and Secure: SS), xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP)
và sË l˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc phát bi BS
(Average Number of Encoded Packets: ANEP) trên kênh
truy∑n pha- inh Rayleigh Nh˙ng bi∫u th˘c toán hÂc này
s≥ ˜Òc ki∫m ch˘ng thông qua các mô ph‰ng máy tính
Ph¶n còn l§i cıa bài báo ˜Òc tÍ ch˘c nh˜ sau: Trong
ph¶n II, chúng tôi miêu t£ mô hình hª thËng ˜Òc ∑ xußt
Trong ph¶n III, chúng tôi ánh giá hiªu n´ng b£o m™t cıa
hª thËng Ph¶n IV cung cßp các k∏t qu£ mô ph‰ng và phân
tích l˛ thuy∏t CuËi cùng, chúng tôi k∏t lu™n bài báo trong
ph¶n V
II MÔ HÌNH Hõ TH»NG
Nh˜ ˜Òc th∫ hiªn trong Hình 1, mô hình hª thËng ∑
xußt bao gÁm mÎt tr§m gËc (Base Station: BS) muËn truy∑n
d˙ liªu ∏n mÎt nút ích (Destination: D) trên kênh chính,
trong s¸ xußt hiªn cıa mÎt nút nghe lén (Eavesdropper: E)
ang cË g≠ng nghe lén các gói tin ˜Òc mã hóa ∫ gi£i
mã d˙ liªu gËc t¯ tr§m gËc Chúng tôi cÙng gi£ s˚ r¨ng
tßt c£ các thi∏t b‡ ¶u cuËi trong m§ng ∑u ˜Òc trang
b‡ Ïn ´ng-ten và ho§t Îng theo ch∏ Î bán song công
(half-duplex)
Hª thËng s˚ dˆng FCs, d˙ liªu gËc cıa BS có th∫ chia
thành T gói có Î dài b¨ng nhau, rÁi mã hóa mÎt cách
Kênh chính Kênh nghe lén
Hình 1 Mô hình nghiên c˘u ∑ xußt.
thích hÒp b¨ng cách chÂn ng®u nhiên mÎt ho∞c mÎt sË gói t¯ T gói này ∫ th¸c hiªn XOR vÓi nhau nh¨m t§o
ra các gói Fountain T§i cuËi mÈi khe thÌi gian, D và E s≥ cË g≠ng gi£i mã các gói Fountain nh™n ˜Òc và gi£ s˚ r¨ng các máy thu này có th∫ gi£i mã thành công b£n tin gËc n∏u chúng nh™n chính xác ít nhßt H gói Fountain, vÓi
H = (1 + ") T và " là h¨ng sË phˆ thuÎc vào viªc thi∏t k∏
mã [21] Ngay sau khi nh™n thành công H gói Fountain,
D s≥ g˚i mÎt b£n tin ACK ∫ thông báo cho BS d¯ng phát các gói tin mã hóa Trong tr˜Ìng hÒp này, n∏u E không th∫ §t ˜Òc ı sË l˜Òng các gói Fountain c¶n thi∏t, thì E không th∫ gi£i mã ˜Òc b£n tin gËc Ng˜Òc l§i, thông tin gËc cıa BS b‡ thu ch∞n
VÓi viªc xem xét quá trình truy∑n d˙ liªu t§i mÎt khe thÌi gian bßt k˝ Chúng tôi gi£ s˚ r¨ng mô hình kênh truy∑n
˜Òc s˚ dˆng trong bài báo là kênh pha- inh phØng bi∏n
Íi ch™m, có nghæa là hª sË kênh truy∑n s≥ không thay Íi trong mÎt khe thÌi gian nh˜ng thay Íi Îc l™p gi˙a các khe thÌi gian khác nhau ∫ thu™n tiªn cho viªc th∫ hiªn các k˛ hiªu toán hÂc, ta s≥ b‰ qua k˛ hiªu chø sË thÌi gian trên các hª sË kênh truy∑n Do v™y, ta k˛ hiªu hn là hª
sË kênh truy∑n gi˙a ´ng-ten phát th˘ n cıa BS và D, vÓi
n = 1, 2, , NA.M∞t khác, ta cÙng gi£ s˚ r¨ng kênh truy∑n gi˙a các thi∏t b‡ là kênh pha- inh Rayleigh và các hª sË kênh truy∑n hn có phân bË Îc l™p và Áng nhßt vÓi nhau (independent and identically distributed: iid) Ti∏p theo, gn
˜Òc k˛ hiªu là hª sË kênh truy∑n cıa ´ng-ten phát th˘ n cıa BS và E, t˜Ïng ˘ng Do các hª sË kênh truy∑n có phân
bË Rayleigh, nên Î lÒi kênh truy∑n có phân bË hàm mÙ và
ta k˛ hiªu các Î lÒi nh˜ sau: D,n=|hn|2, E,n=|gn|2 HÏn n˙a, ta cÙng k˛ hiªu D, E l¶n l˜Òt là các tham sË
∞c tr˜ng cıa Î lÒi kênh truy∑n (cˆ th∫ b¨ng ngh‡ch £o giá tr‡ trung bình cıa Î lÒi kênh truy∑n)
D= 1 D,n
, E= 1
E,n
T¯ bi∫u th˘c (1), ta bi∫u diπn hàm phân bË tích lÙy
Trang 3(Cumulative Distribution Function: CDF) cıa bi∏n ng®u
nhiên phân bË mÙ X nh˜ sau:
FX(x) = 1 exp ( !x) , (2)
vÓi X 2 { D,n, E,n} và ! 2 { D, E}
T§i mÎt khe thÌi gian bßt k˝, BS s≥ chÂn ´ng-ten tËt nhßt
cıa mình ∫ truy∑n các gói Fountain ∏n D theo ph˜Ïng
pháp l¸a chÂn ´ng-ten phát tËt nhßt [29], nh˜ sau:
b⇤: D,b ⇤ = max ( D,n)
n=1,2, ,N A
trong ó, b⇤ là chø sË ´ng-ten tËt nhßt ˜Òc chÂn ∫ phát
d˙ liªu t§i BS, vì chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a ´ng-ten này
và D là tËt nhßt T¯ công th˘c (3), hàm CDF cıa D,b ⇤
˜Òc ˜a ra nh˜ sau:
F D,b⇤(x) =
N A
Y n=1
F D,n(x)
= (1 exp ( Dx))NA
= 1 +
N A
X n=1 ( 1)nCNnAexp ( n Dx) (4) Ti∏p theo, ta xây d¸ng công th˘c tính t sË tín hiªu trên
nhiπu (Signal to Noise Ratio: SNR) §t ˜Òc t§i c£ D và
E nh˜ sau:
D= PBS D,b⇤
N0
E= PBS E,b⇤
N0
vÓi PBSlà công sußt phát cıa BS, N0là ph˜Ïng sai nhiπu
cÎng t§i máy thu (gi£ s˚ tßt c£ các nhiπu cÎng ∑u có phân
bË Gauss vÓi giá tr‡ trung bình b¨ng 0 và ph˜Ïng sai b¨ng
N0), = PBS/N0 là SNR phát
Ti∏p theo, gi£ s˚ r¨ng mÎt gói tin mã hóa có th∫ ˜Òc
gi£i mã thành công n∏u SNR nh™n ˜Òc t§i máy thu lÓn
hÏn mÎt ng˜Ông th cho tr˜Óc Ng˜Òc l§i, gói d˙ liªu mã
hóa s≥ không ˜Òc nh™n thành công V™y nên, xác sußt mà
c£ D và E không th∫ nh™n chính xác mÎt gói mã hóa ˜Òc
cho bi:
⇢D= Pr ( D th) ,
⇢E= Pr ( E th) (7) M∞t khác, xác sußt ∫ c£ D và E có th∫ nh™n chính xác
mÎt gói d˙ liªu s≥ l¶n l˜Òt là 1 ⇢D và 1 ⇢E
Tr˜Óc tiên, ta tính giá tr‡ cıa ⇢D nh˜ sau:
⇢D= Pr ( D,b ⇤ th)
= Pr⇣
D,b ⇤ th⌘
= F D,b⇤⇣ th⌘
Thay hàm CDF cıa D,b ⇤ trong (4) vào (8), ta có:
⇢D= 1 +
N A
X n=1
( 1)nCn
N Aexp⇣
n D th
⌘ (9)
T˜Ïng t¸, ta có giá tr‡ cıa ⇢E ˜Òc tính nh˜ sau:
⇢E= Pr ( E,b ⇤ th)
= Pr⇣
E,b ⇤ th⌘
= F E,b⇤⇣ th⌘
Thay hàm CDF cıa E,b ⇤ trong (2) vào (10), ta ˜Òc:
⇢E= 1 exp⇣
E th
⌘
III PHÂN TÍCH HIõU NãNG Hõ TH»NG Chúng ta k˛ hiªu LBS là tÍng sË gói Fountain mà BS g˚i ∏n D và LD là sË gói Fountain mà D có th∫ nh™n úng ∫ khôi phˆc b£n tin gËc (LD= H) L˜u ˛ r¨ng,
LBS luôn luôn lÓn hÏn ho∞c b¨ng sË gói Fountain ˜Òc yêu c¶u (H) và BS có th∫ phát sË l˜Òng gói Fountain rßt lÓn n∏u nh˜ chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a BS và D là xßu Ng˜Òc l§i, n∏u nh˜ chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a BS và D
là tËt, thì ta k˝ vÂng r¨ng D có th∫ nh™n ı H gói Fountain sau H khe thÌi gian (LBS= H)
MÎt cách t˜Ïng t¸, chúng ta cÙng k˛ hiªu LElà sË l˜Òng gói tin mà E nh™n úng trong LBSkhe thÌi gian và chúng
ta cÙng mong Òi r¨ng LE nh‰ hÏn H ∫ E không th∫ gi£i
mã thành công b£n tin gËc cıa BS
Nh˜ ã ∑ c™p trên, ta có xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công (Probability of Successful and Secure: SS) có th∫ ˜Òc ‡nh nghæa nh˜ sau:
SS = Pr (LD= H, LE< H) (12) K∏ ti∏p, xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP) t§i E
˜Òc vi∏t nh˜ sau:
IP = Pr (LE= H, LD H) (13) CuËi cùng, sË l˜Òng các gói Fountain trung bình ˜Òc phát bi BS là E {LA}
A Xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công (Probability of Successful and Secure: SS)
T¯ bi∫u th˘c (12), ta có bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công, nh˜ sau:
SS = + 1 X
L BS =H
h
CLBS H
L BS 1 (1 ⇢D)H(⇢D)LBS Hi
⇥
"H 1 X
L E =0
CLE
L BS(⇢E)LBS L E
(1 ⇢E)LE
# (14)
∫ th∫ hiªn các k∏t qu£ l˛ thuy∏t, ta c¶n ph£i c≠t chuÈi
vô cùng trong (14) b¨ng mÎt giá tr‡ h˙u h§n nào ó Th™t v™y, ta có th∫ vi∏t l§i bi∫u th˘c (14) d˜Ói d§ng nh˜ sau:
SS⇡
N T
X
L BS =H
h
CLBS H
L BS 1 (1 ⇢D)H(⇢D)LBS Hi
⇥
"H 1 X
L E =0
CLE
L BS(1 ⇢E)LE
(⇢E)LBS L E
# (15)
Trang 4Trong bi∫u th˘c (15), NTlà mÎt h¨ng sË và khi NT ı
lÓn thì giá tr‡ cıa SS s≥ hÎi tˆ v∑ giá tr‡ chính xác
B Xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP)
T˜Ïng t¸, t¯ công th˘c (13), ta có bi∫u th˘c chính xác
cıa xác sußt thu ch∞n t§i nút nghe lén nh˜ sau:
IP =CLBS H
L BS 1 CLBS H
L BS 1 (⇢D)LBS H
(1 ⇢D)H(⇢E)LBS H
⇥ (1 ⇢E)H+ CLBS H
L BS 1 (1 ⇢E)H(⇢E)LBS H
⇥
"H 1
X
u=0
CLuBS(⇢D)LBS u
(1 ⇢D)u
#
C SË l˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc phát bi BS
(Average Number of Encoded Packets: ANEP)
Bi∫u th˘c chính xác cıa sË l˜Òng các gói Fountain trung
bình ˜Òc phát bi tr§m gËc (BS) cho bi nh˜ sau (xem
[30, eq (8)]
E{LA} = 1 H⇢
D
1 exp⇣
D N 0
P BS th
⌘⌘N A (17)
IV KòT QUÉ MÔ PHƒNG VÀ Lfi THUYòT
Trong ph¶n này, chúng tôi th¸c hiªn các mô ph‰ng
Monte-Carlo ∫ ki∫m ch˘ng các bi∫u th˘c toán hÂc ã
˜Òc ˜a ra trong ph¶n III Trong tßt c£ các mô ph‰ng,
chúng tôi cË ‡nh ng˜Ông d¯ng th b¨ng 1, sË gói mã hóa
Fountain c¶n thi∏t ph£i §t ˜Òc ∫ khôi phˆc l§i d˙ liªu
gËc là H = 5 và giá tr‡ cıa NT ˜Òc cË ‡nh b¨ng 500
∆ (dB)
0 5 10 15 20 25
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
MO PHONG (λ
E = 0.5)
MO PHONG (λE = 1)
MO PHONG (λE = 1.5)
LY THUYET
Hình 2 SS là mÎt hàm cıa (dB) khi D = 0.5 và NA = 3.
Trong Hình 2, giá tr‡ cıa SS ˜Òc th∫ hiªn nh˜ là mÎt
hàm cıa SNR phát ( = PBS/N0) (dB) khi thay Íi
các tham sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n cıa kênh nghe lén l¶n
∆ (dB)
0 5 10 15 20 25
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
MO PHONG (N
A = 1)
MO PHONG (NA = 2)
MO PHONG (N
A = 3)
LY THUYET
Hình 3 SS là mÎt hàm cıa (dB) khi D = 0.5 và E = 1.
∆ (dB)
0 5 10 15 20 25
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
MO PHONG (λE = 1)
MO PHONG (λ
E = 1.5)
MO PHONG (λ
E = 2)
LY THUYET
Hình 4 IP là mÎt hàm cıa (dB) khi D = 0.5 và NA = 3.
l˜Òt là: E= 0.5, E = 1, và E= 1.5 Ta cË ‡nh tham
sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n trên kênh chính D = 0.5, sË
´ng-ten phát ˜Òc trang b‡ t§i BS là NA = 3 Quan sát hình v≥, ta thßy r¨ng xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công (SS) gi£m nhanh khi t´ng giá tr‡ cıa i∑u này có nghæa là khi t´ng hay t´ng m˘c công sußt phát t§i BS thì kh£ n´ng nghe lén cıa E s≥ t´ng lên, Áng thÌi kh£ n´ng gi£i mã thành công thông tin gËc t§i D t´ng lên M∞t khác, khi giá tr‡ E= 1.5 t§i m˘c công sußt phát là
0 dB, thì giá tr‡ cıa SS g¶n b¨ng 1, có nghæa là thông tin
Trang 5D
1 2 3 4 5 6 7
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
MO PHONG (λE = 2)
MO PHONG (λ
E = 4)
MO PHONG (λ
E = 6)
LY THUYET
Hình 5 IP v≥ theo D khi = 10 (dB) và NA = 2.
λ
D
1 2 3 4 5 6 7
5
6
7
8
9
10
11
MO PHONG (N
A = 1)
MO PHONG (NA = 2)
MO PHONG (NA = 3)
LY THUYET
Hình 6 SË l˜Òng gói tin mã hóa trung bình (ANEP) ˜Òc phát bi BS
là mÎt hàm cıa Dkhi = 10 (dB).
gËc s≥ ˜Òc gi£i mã và b£o m™t thành công t§i D HÏn
n˙a, nh˜ th∫ hiªn trong Hình 2, thì giá tr‡ cıa SS t´ng khi
E t´ng
Hình 3, ti∏p tˆc th∫ hiªn giá tr‡ cıa SS theo
( = PBS/N0)(dB), khi cË ‡nh D= 0.5và E= 1
Nh˜ ta có th∫ quan sát, giá tr‡ cıa SS gi£m khi t´ng
M∞t khác, khi t´ng sË ´ng-ten t§i máy phát NA= (1÷ 3)
thì t§i m˘c công sußt phát nh‰ hÏn 15 dB, giá tr‡ SS t´ng
lên Tuy nhiên, khi t´ng công sußt phát thì giá tr‡ SS s≥
hÎi tˆ khi t´ng NA
H
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7 8
9
MO PHONG (λ
D = 1)
MO PHONG (λD = 3)
MO PHONG (λ
D = 5)
LY THUYET
Hình 7 ANEP là mÎt hàm cıa H khi NA = 2.
Trong Hình 4, chúng tôi v≥ giá tr‡ cıa IP theo ( = PBS/N0)(dB), khi cË ‡nh D= 0.5và NA= 3 Nhìn t¯ Hình v≥ ta thßy r¨ng, giá tr‡ cıa IP t´ng khi t´ng Tuy nhiên, t§i m˘c công sußt phát nh‰ hÏn 0 (dB), giá tr‡ IP tiªm c™n v∑ không, có nghæa r¨ng thông tin gËc ˜Òc b£o m™t thành công M∞t khác, khi t´ng E, Áng nghæa vÓi chßt l˜Òng kênh nghe lén xßu, giá tr‡ cıa IP gi£m Trong Hình 5, chúng tôi kh£o sát £nh h˜ng cıa tham
sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n lên giá tr‡ cıa IP khi = 10 (dB) và NA= 2 Nh˜ ta có th∫ ‡nh l˜Òng, IP s≥ gi£m khi
E lÓn HÏn n˙a, giá tr‡ cıa IP t´ng khi D t´ng Trong Hình 6, sË l˜Òng các gói tin mã hóa trung bình (ANEP) phát bi BS ˜Òc v≥ theo hàm cıa Dkhi cË ‡nh
= 10 (dB), vÓi sË ´ng-ten phát khác nhau t§i BS, cˆ th∫ NA= 1, 2, 3.Nh˜ ˜Òc th∫ hiªn trong Hình 6, ANEP t´ng khi t´ng D và khi NA ˜Òc trang b‡ t§i BS t´ng thì ANEP gi£m
Hình 7, chúng tôi ti∏p tˆc th∫ hiªn ANEP là mÎt hàm cıa H khi cË ‡nh NA = 2 và thay Íi các tham sË ∞c tr˜ng cıa kênh chính, cˆ th∫ D= 1, 3, 5.Nhìn vào Hình v≥ ta thßy r¨ng, ANEP t´ng khi t´ng sË gói Fountain ˜Òc yêu c¶u (H) t§i D ∫ có th∫ gi£i mã thành công thông tin gËc và ANEP gi£m khi gi£m D HÏn n˙a, khi chßt l˜Òng kênh chính là xßu thì BS có th∫ phát nhi∑u gói tin mã hóa tÓi D, i∑u này s≥ làm t´ng sË khe thÌi gian ˜Òc s˚ dˆng
và thÌi gian trπ cıa hª thËng
Nh˜ chúng ta quan sát t¯ Hình 2 ∏n Hình 7, các k∏t qu£ phân tích l˛ thuy∏t và k∏t qu£ mô ph‰ng hoàn toàn trùng khít nhau, i∑u này th∫ hiªn tính chính xác cıa các k∏t qu£ phân tích
Trang 6V KòT LUäN Trong bài báo này, chúng tôi ã ∑ xußt và ánh giá hiªu
n´ng b£o m™t lÓp v™t l˛ s˚ dˆng mã Fountain vÓi kˇ thu™t
TAS t§i tr§m gËc (BS) Chúng tôi ˜a ra các bi∫u th˘c
d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin
thành công (SS) t§i nút ích (D), xác sußt ch∞n (IP) t§i nút
nghe lén (E) và sË l˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc
phát bi BS Các k∏t qu£ ã th∫ hiªn r¨ng, ∫ §t ˜Òc hiªu
n´ng b£o m™t cıa hª thËng thì yêu c¶u công sußt phát cıa
BS ph£i nh‰ và c¶n t´ng sË ´ng-ten phát t§i BS mÎt cách
thích hÒp M∞t khác, hiªu n´ng b£o m™t cıa hª thËng phˆ
thuÎc rßt lÓn bi các tham sË ∞c tr˜ng cıa kênh truy∑n
TÀI LIõU THAM KHÉO [1] Y Huang, F S Al-Qahtani, T Q Duong, and J Wang, “Secure
transmission in mimo wiretap channels using general-order transmit
antenna selection with outdated csi,” IEEE Trans Commun., vol 63,
no 8, pp 2959–2971, Aug 2015.
[2] M Bloch, J Barros, M R D Rodrigues, and S W McLaughlin,
“Wireless information-theoretic security,” IEEE Trans Inf Theory,
vol 54, no 6, pp 2515–2534, Jun 2008.
[3] C E Shannon, “Communication theory of secrecy systems,” Bell
Syst Technol J., vol 28, no 4, pp 656–715, Oct 1949.
[4] A D Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst Technol J., vol 54,
no 8, pp 1355–1387, Oct 1975.
[5] F A Khan, K Tourki, M.-S Alouini, and K A Qaraqe, “Outage
and ser performance of spectrum sharing system with tas/mrc,” in
Communications Workshops (ICC), Proc IEEE Commun Conf.,
Budapest, Hungary, Jun 2013, pp 381–385.
[6] F A Khan, K Tourki, M Alouini, and K A Qaraqe, “Performance
analysis of a power limited spectrum sharing system with tas/mrc,”
IEEE Trans Signal Process., vol 62, no 4, pp 954–967, Feb 2014.
[7] K Tourki, F A Khan, K A Qaraqe, H.-C Yang, and M.-S Alouini,
“Exact performance analysis of mimo cognitive radio systems using
transmit antenna selection,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 32,
no 3, pp 425–438, Mar 2014.
[8] N Yang, P L Yeoh, M Elkashlan, R Schober, and I B Collings,
“Transmit antenna selection for security enhancement in mimo
wiretap channels,” IEEE Trans Commun., vol 61, no 1, pp 144–
154, Jan 2013.
[9] S Yan, N Yang, R Malaney, and J Yuan, “Transmit antenna
selection with alamouti coding and power allocation in mimo
wiretap channels,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 13, no 3,
pp 1656–1667, Mar 2014.
[10] J Xiong, Y Tang, D Ma, P Xiao, and K.-K Wong, “Secrecy
performance analysis for tas-mrc system with imperfect feedback,”
IEEE Trans Inf Forensics Security, vol 10, no 8, pp 1617–1629,
Aug 2015.
[11] N Li, X Tao, H Wu, J Xu, and Q Cui, “Large-system analysis of
artificial-noise-assisted communication in the multiuser downlink:
Ergodic secrecy sum rate and optimal power allocation,” IEEE
Trans Veh Technol., vol 65, no 9, pp 7036–7050, Sept 2016.
[12] J H Lee and W Choi, “Multiuser diversity for secrecy
communica-tions using opportunistic jammer selection: Secure dof and jammer
scaling law,” IEEE Trans Signal Process., vol 62, no 4, pp 828–
839, Feb 2014.
[13] S.-I Kim, I.-M Kim, and J Heo, “Secure transmission for multiuser
relay networks,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 14, no 7, pp.
3724–3737, Jul 2015.
[14] T T Duy, T Q Duong, T L Thanh, and V N Q Bao, “Secrecy
performance analysis with relay selection methods under impact of
co-channel interference,” IET Communications, vol 9, no 11, pp.
1427–1435, Jul 2015.
[15] D T Hung, T T Duy, D Q Trinh, V N Q Bao, and T Hanh,
“Impact of hardware impairments on secrecy performance of
multi-hop relay networks in presence of multiple eavesdroppers,” in The
Third Nafosted Conference on Information and Computer Science (NICS2016), Danang city, Vietnam, Sep 2016, pp 113–118.
[16] T T Phu, D T Hung, T D Tran, and M Vozˇnák, “Analysis of probability of non-zero secrecy capacity for multi-hop networks in presence of hardware impairments over nakagami-m fading
chan-nels,” RadioEngineering, vol 25, no 4, pp 774–782, Dec 2016.
[17] P T Tin, T T Duy, P T Tran, and M Voznak, “Secrecy per-formance of joint relay and jammer selection methods in cluster
networks: With and without hardware noises,” in The International
Conference on Advanced Engineering–Theory and Applications (AETA2016), Busan, Korea, Dec 2016, pp 769–779.
[18] M Luby, “Lt codes,” in Proc 43rd Annual IEEE Symp on
Foun-dations of Computer Science, Vancouver, Canada, Nov 2002, pp.
271–282.
[19] A Shokrollahi, “Raptor codes,” IEEE Trans Inf Theory, vol 52,
no 6, pp 2551–2567, Jun 2006.
[20] J Castura and Y Mao, “Rateless coding for wireless relay channels,”
IEEE Trans Wireless Commun., vol 6, no 5, pp 1638–1642, May
2007.
[21] T T Duy and H Y Kong, “Secondary spectrum access in cognitive radio networks using rateless codes over rayleigh fading channels,”
Wireless Pers Commun., vol 77, no 2, pp 963–978, Jul 2014.
[22] D T Hung, T T Duy, D Q Trinh, and V N Q Bao, “Secrecy performance evaluation of tas protocol exploiting fountain codes and cooperative jamming under impact of hardware impairments,”
in The 2nd International Conference on Recent Advances in Signal
Processing, Telecommunications and Computing (SigTelCom2018),
HoChiMinh City, Vietnam, Jan 2018, pp 164–169.
[23] D T Hung, T T Duy, D Q Trinh, V N Q Bao, and T Hanh,
“Security-reliability analysis of power beacon-assisted multi-hop relaying networks exploiting fountain codes with hardware
im-perfection,” in The 2018 International Conference on Advanced
Technologies for Communications (ATC 2018), HoChiMinh City,
Vietnam, Oct 2018, pp 354 – 359.
[24] Q Du, Y Xu, and H Song, “Security enhancement for multicast over internet of things by dynamically constructed fountain codes,”
Wireless Communications and Mobile Computing, vol 2018, no.
Article ID 8404219, pp 1–11, 2018.
[25] D T Hung, T T Duy, and D Q Trinh, “Security-reliability analysis
of multi-hop leach protocol with fountain codes and cooperative
jamming,” EAI Transactions on Industrial Networks and Intelligent
Systems, vol 6, no 18, pp 1–7, Mar 2019.
[26] P T Tin, N N Tan, N Q Sang, T T Duy, T T Phuong, and
M Voznak, “Rateless codes based secure communication employing transmit antenna selection and harvest-to-jam under joint effect of
interference and hardware impairments,” Entropy, vol 21, no 7
(700), Jul 2019.
[27] D T Hung, T T Duy, T T Phuong, D Q Trinh, and T Hanh, “Per-formance comparison between fountain codes-based secure mimo protocols with and without using non-orthogonal multiple access,”
Entropy, vol 21, no 10 (928), Oct 2019.
[28] D T Hung, T T Duy, V N Q Bao, D Q Trinh, and T Hanh,
“Phân tích hiªu n´ng mô hình truy∑n ˜Ìng xuËng s˚ dˆng kˇ thu™t chÂn l¸a ãnten phát và mã fountain d˜Ói s¸ Énh h˜ng cıa nhiπu
Áng kênh,” in HÎi th£o QuËc gia 2017 v∑ iªn t˚, Truy∑n thông
và Công nghª Thông tin (REV-ECIT 2017), TP HCM, Viet Nam,
12/ 2017, pp 270–274.
[29] P T D Ngoc, T T Duy, V N Q Bao, and H V Khuong, “ ánh giá hiªu n´ng m§ng vô tuy∏n nh™n th˘c d§ng n∑n vÓi tas/sc và suy
hao ph¶n c˘ng,” HÎi th£o QuËc gia 2015 v∑ iªn t˚, Truy∑n thông
và Công nghª Thông tin (REV-ECIT 2015), pp 477–481, 12/ 2015.
[30] X Wang, W Chen, and Z Cao, “A rateless coding based multi-relay cooperative transmission scheme for cognitive radio networks,” in
IEEE GLOBECOM, Honolulu, HI, Dec 2009, pp 1–6.