Tải bản đầy đủ

Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

VÕ ANH TRUNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG
CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG CLUSTER VỚI
KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP
VÀ NÚT TẠO NHIỄU

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016


1

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


1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong vài năm gần đây, vấn đề về mạng chuyển tiếp đa chặng có sự tăng cường của truyền thông
cộng tác đang bắt đầu được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Sơ đồ chuyển tiếp đa chặng mà trong đó
nút nguồn ở xa nút đích đang được xem xét nhiều trong mạng vô tuyến như mạng ad-hoc và mạng cảm biến
vô tuyến. Bằng cách sử dụng việc chuyển tiếp dữ liệu của nút nguồn thông qua nhiều chặng, những sơ đồ
này có thể giảm thiểu tiêu hao công suất và có thể tăng cường hiệu quả phổ khi được so sánh với truyền
thông trực tiếp giữa nguồn và đích. Ngoài ra, các chiến thuật truyền thông cộng tác được sử dụng để tăng
cường độ tin cậy của việc truyền dữ liệu tại từng chặng. Nhiều tác giả đã nghiên cứu sơ đồ chuyển tiếp đa
chặng dạng cụm (cluster network) mà trong đó sự chuyển tiếp phân tập giữa hai cụm liền kề được nhận ra
bởi thông tin trạng thái kênh truyền giữa các nút trong các cụm này.
Gần đây, bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến đã trở thành chủ đề thu hút nhiều tác giả. Ý tưởng
cơ bản của bảo mật lớp vật lý là sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo giao tiếp
bảo mật mà không cần dùng đến việc mã hóa. Tuy nhiên, hầu hết các công trình công bố chủ yếu tập trung
vào giao thức một chặng hoặc hai chặng, sử dụng các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất để tăng
cường dung lượng bảo mật.
Theo hiểu biết tốt nhất của học viên, thì có rất ít các công trình nghiên cứu công bố về chuyển tiếp
đa chặng trong bảo mật lớp vật lý. Xác suất dừng bảo mật của chuyển tiếp đa chặng đã được xem xét đến,
tuy nhiên trong giao thức này, chuyển tiếp phân tập tại mỗi chặng không được dùng để nâng cao hiệu năng
hệ thống. Việc nghiên cứu đánh giá xác suất dừng bảo mật và dung lượng bảo mật của hệ thống mạng
chuyển tiếp đa chặng dạng cluster với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất và kỹ thuật giải mã
chuyển tiếp thông thường đã được đưa ra. Tuy nhiên các công trình trên đều chưa có xem xét việc chọn lựa
nút tạo nhiễu để nâng cao hiệu năng bảo mật. Trong luận văn này, học viên xem xét chọn lựa một cặp nút

chuyển tiếp và nút tạo nhiễu tại mỗi cụm để đánh giá hiệu năng bảo mật của mô hình này. Đồng thời luận
văn này cũng xem xét đến thông tin trạng thái kênh truyền đến nút nghe lén là sẵn có hay không sẵn có, để từ
đó đề xuất những chiến lược lựa chọn cặp nút chuyển tiếp và nút nghe lén tối ưu nhất.
Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:
Chương 1 – Lý thuyết tổng quan
Chương 2 – Mô hình hệ thống
Chương 3 – Đánh giá hiệu năng bảo mật
Chương 4 – Kết quả mô phỏng
Chương 5 – Kết luận


2

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Bảo mật lớp vật lý
1.1.1

Khái niệm và ưu điểm của bảo mật lớp vật lý

1.1.2 Bảo mật lý thuyết thông tin
1.1.3 Giao tiếp bảo mật trên kênh nhiễu
1.2 Truyền thông đa chặng
1.2.1 Sơ lược truyền thông đa chặng
1.2.2 Truyền thông đa chặng trong mạng cụm (cluster network)
Trong phần này truyền thông đa chặng trong mạng cụm (cluster network) được giới thiệu, mô hình
này nâng cao độ tin cậy chuyển tiếp tại các chặng riêng lẻ. Hơn thế nữa, truyền thông cộng tác tăng cường
cũng được sử dụng để nâng cao hiệu quả phổ trong sự truyền dữ liệu tại các chặng. Mô hình của truyền
thông đa chặng dạng cụm được thể hiện trong hình sau:

Hình 1.7: Mô hình truyền thông đa chặng dạng cụm (cluster network)
Trong mô hình khảo sát, chúng ta xét một tuyến có (K+1) chặng giữa nguồn và đích, trong đó S là
nút nguồn, D là nút đích, và K cụm trung gian. Để tăng cường chất lượng truyền dữ liệu tại mỗi chặng,
truyền thông cộng tác đã được sử dụng. Trong cụm 1 sẽ có N1 nút chuyển tiếp, trong cụm 2 sẽ có N2 nút
chuyển tiếp,.., trong cụm K sẽ có NK nút chuyển tiếp. Để nâng cao chất lượng truyền dữ liệu, việc lựa chọn
nút chuyển tiếp tối ưu tại mỗi cụm sẽ được thực thi (xem các giao thức chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất
trong [3]). Dựa vào sự chuyển tiếp phân tập tại từng chặng, hiệu năng của hệ thống tang cường một cách
đáng kể, trong ngữ cảnh của độ lợi phân tập, tỷ lệ lỗi và dung lượng kênh.

1.3 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, việc đảm bảo an toàn thông tin là một trong những yêu cầu bắt buộc đối với các hệ thống
thông tin hiện đại. Tuy nhiên, hầu hết các thuật toán mã hóa, ví dụ như DES, RSA…đều là các thuật toán
chạy ở lớp ứng dụng và khá phức tạp khi triển khai trong các hệ thống. Gần đây, kỹ thuật bảo mật thông tin
lớp vật lý (Physical Layer Security) [4], [5] đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong
và ngoài nước. Trong phương pháp này, một hệ thống được đánh giá là có khả năng bảo đảm an toàn thông
tin khi mà dung lượng kênh chính lớn hơn dung lượng kênh của kênh nghe trộm. Đây là một kỹ thuật đơn
giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các kỹ thuật mã hoá phức tạp.


3
Bởi vì chủ đề bảo mật lớp vật lý là một chủ đề mới, nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu trong thời gian gần đây, nên đây là lý do mà học viên chọn chủ đề này để nghiên cứu.
Để nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý, các phương pháp chuyển tiếp phân tập đã được đề xuất.
Để có thể đạt được hiệu quả bảo mật cao hơn nữa, các tác giả của các tài liệu [15], [16], [17], [18] đã đề
xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu nhân tạo tốt nhất. Các kết quả trong các bài
báo [15], [16], [17], [18] cho thấy rằng hiệu năng bảo mật của hệ thống tăng đáng kể, so với các phương
pháp chỉ chọn lựa nút chuyển tiếp thông thường.
Do đó, đề tài của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp chọn lựa cặp nút chuyển tiếp và tạo
nhiễu hiệu quả để nâng cao hiệu năng bảo mật cho hệ thống đề xuất.
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu (như [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16],
[17], [18]) chỉ xét sự bảo mật lớp vật lý trong các mạng chuyển tiếp một hoặc hai chặng. Các tác giả trong
công bố [19] lần đầu tiên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, xác suất dung lượng bảo mật khác không và
dung lượng bảo mật trung bình trong mạng chuyển tiếp đa chặng. Trong công bố số [20], các tác giả nghiên
cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng theo dạng cụm (cluster) phân tập để đạt được hiệu quả bảo mật với kỹ
thuật giải mã chuyển tiếp thông thường. Trong bài báo số [21], các tác giả cũng quan tâm đến vấn đề bảo
mật lớp vật lý trong mạng chuyển tiếp cluster trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền.
Tuy nhiên, các tác giả của [19], [20], [21] vẫn chưa khảo sát sự chọn lựa nút tạo nhiễu để nâng cao
hiệu quả bảo mật. Do đó, luận văn này tập trung nghiên cứu việc chọn nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu trong
mạng đa chặng cluster để đạt được hiệu quả bảo mật lớp vật lý. Sự khác biệt giữa nội dung của đề tài này và
các công bố liên quan sẽ được thể hiện rõ ở mục tiếp theo.
Theo sự hiểu biết tốt nhất của học viên, cho đến nay chỉ có vài công bố liên quan đến vấn đề bảo mật
lớp vật lý trong mạng chuyển tiếp đa chặng [19], [20], [21]. Sự khác biệt giữa mô hình đề xuất trong đề tài
và các mô hình đã công bố trong [19], [20], [21] có thể được đưa ra như sau:
Trong [19], các tác giả chỉ xét mô hình chuyển tiếp đa chặng thông thường (không sử dụng kỹ thuật
chọn lựa nút chuyển tiếp tại mỗi chặng). Trong đề cương này, sự chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất tại từng
chặng sẽ được đề xuất để nâng cao hiệu quả bảo mật tại từng chặng.
Trong [20], [21], các tác giả đã đề xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất trong mỗi
cluster, để nâng cao dung lượng của kênh truyền dữ liệu tại mỗi chặng. Tuy nhiên, các tác giả đã không quan
tâm đến sự chọn lựa nút tạo nhiễu trong các mô hình đề xuất. Hơn thế nữa, các tác giả trong [20], [21] cũng
không xem xét đến kênh truyền giữa các nút phát và nút nghe lén. Trong đề tài này, một cặp nút chuyển tiếp
và nút tạo nhiễu tại mỗi cluster sẽ được chọn để chuyển tiếp và tạo nhiễu đến nút nghe lén. Hơn thế nữa, đề
tài cũng quan tâm đến việc trạng thái thông tin kênh truyền đến nút nghe lén là sẵn có và không sẵn có, để từ
đó đề xuất những chiến thuật chọn lựa các nút chuyển tiếp và tạo nhiễu tối ưu.


4

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Mô hình nghiên cứu

T0

R1,1 R1,2

RM 1,1 RM1,2

R1,3 R1,K

RM 1,3

1

RM 1,KM1

TM RM ,K

M

RM ,2 RM ,3

E
Hı̀nh 2.1: Mô hình được nghiên cứu trong luận văn
Luận văn nghiên cứu và đánh giá hiệu năng bảo mật của mô hình chuyển tiếp đa chặng dạng cluster
trên kênh truyền fading Rayleigh. Hình 2.1 thể hiện các đối tượng khảo sát trong luận văn này: Nút nguồn

T0 muốn truyền dữ liệu đến nút đích TM thông qua M chặng (qua M-1 cụm). Giả sử, số nút tại mỗi cụm là
K1 , K 2 ,..., K M 1 và K M . Ta ký hiệu các nút trong cụm thứ 1 là R1,1 , R1,2 , …, R1,K1 , trong đó chỉ số 1
phía trước đánh dấu cho cụm thứ nhất, các chỉ số 1, 2, …, K1 là ký hiệu số thứ tự của các nút trong cụm thứ
nhất. Một cách tổng quát, các nút trong cụm thứ n ( n =1,2,…,M) là

Rn ,1 , Rn ,2 , …, Rn,K1 .

Giả sử tất cả các nút đều chỉ được trang bị bởi 1 ănten, do đó sự truyền dữ liệu từ nút nguồn T0 đến
nút đích TM sẽ được thực hiện thông qua M khe thời gian trực giao. Cụ thể là ở khe thời gian đầu tiên, nút

T0 sẽ truyền dữ liệu của mình đến một trong các nút thuộc cụm thứ nhất, gọi nút này là nút

 



T1 T1  R1,1 , R1,2 ,..., R1,K1 . Nút T1 sau khi nhận dữ liệu sẽ giải mã và mã hoá lại dữ liệu nhận được bằng
một từ mã khác (khác với từ mã của nút nguồn T0 ). Đây là kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp thường được
dùng trong bảo mật lớp vật lý, với mục đích tránh cho nút nghe lén E kết hợp các tín hiệu nghe lén lại (xem
chi tiết kỹ thuật này trong công trình [22]). Rồi thì, ở khe thời gian thứ hai, nút T1 gửi tín hiệu đã được mã
hoá đến một trong những nút thuộc cụm thứ hai, ta ký hiệu nút này là nút T2 . Tiến trình này được thực hiện
theo từng chặng 1 và ta ký hiệu các nút chuyển tiếp được chọn tại các cụm thứ 3,4,…, M 1 lần lượt là

T3 , T4 ,..., TM 1 . Ở chặng cuối, nút TM 1 truyền dữ liệu đến nút đích TM trong khe thời gian thứ M.


5
Bây giờ ta sẽ xét đến tiến trình tạo nhiễu nhân tạo tại các chặng. Ta xét lại sự truyền dữ liệu tại chặng
thứ nhất giữa nguồn T0 và nút T1 : khi T0 phát dữ liệu đến T1 thì nút E cũng nghe lén được dữ liệu của T0 .
Để giảm chất lượng tín hiệu nghe lén tại E, ta sử dụng kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo. Cụ thể, trong cụm thứ
nhất, sau khi đã chọn ra được nút T1 , cụm này còn lại K1  1 nút. Từ K1  1 nút còn lại này, một nút sẽ
được chọn để tạo nhiễu lên nút nghe lén E. Ta ký hiệu nút này là nút J1 . Một cách tương tự, ta ký hiệu các
nút tạo nhiễu được chọn tại cụm thứ 2,3,…M lần lượt là J 2 ,..., J M . Hơn nữa, bởi vì nút chuyển tiếp Tn và
nút tạo nhiễu J n có khoảng cách rất gần nhau (do hai nút này nằm cùng một cụm), nên ta có thể giả sử rằng
nhiễu gây ra từ nút J n có thể được loại bỏ trong tín hiệu nhận được tại nút Tn (hai nút này có thể trao đổi bí
mật những thông tin về tín hiệu gây nhiễu với nhau mà không bị nút nghe lén phát hiện).
2.2 Mô hình kênh truyền và nhiễu đồng kênh

J
D

S

Hı̀ nh 2.2:Mô hình kênh truyền và giao thoa đồng kênh
Hình vẽ 2.2 miêu tả mô hình truyền dữ liệu dưới sự tác động của giao thoa đồng kênh. Trong hình vẽ
này, nút nguồn S muốn truyền dữ liệu xS đến nút đích D. Cùng lúc, nút J cũng sử dụng cùng kênh truyền
với S để phát dữ liệu và vì vậy tạo nên can nhiễu tại nút D. Tín hiệu nhận được tại nút D sẽ là:

y  PS hSD xS  PJ hJD x J  n,

(2.1)

với PS và PJ là công suất phát của S và J; hSD và hJD là hệ số kênh truyền giữa S và D; và giữa J và D;

xS và xJ là các tín hiệu được truyền đi từ S và J; n là nhiễu cộng tại nút đích.
Từ (2.1), tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và giao thoa tại nút D có thể được tính như sau:



PS | hSD |2
PS  SD

,
2
PJ | hJD |  N 0 PJ  JD  N 0

(2.2)

với  SD | hSD |2 và  JD | hJD |2 là các độ lợi kênh truyền, N 0 là phương sai của nhiễu cộng tại D, cụ thể

N 0  var  n  . Hơn nữa, để tiện lợi cho việc phân tích, giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tại tất cả các
nút thu đều bằng N 0 .
Nếu nút D có thể loại bỏ được thành phần giao thoa

PJ hJD x J ra khỏi tín hiệu nhận được, thì tỷ số

tín hiệu trên nhiễu tại D được được rút gọn như sau:

  PS  SD / N 0 .

(2.3)


6
Trong luận văn này, giả sử kênh truyền giữa hai nút bất kỳ là kênh fading Rayleigh. Do đó, các độ lợi
kênh truyền

 XY với X , Y  Tn , E , Ri , j  (với n  0,1,,..., M  1, M  ,

i  1, 2,..., M  1 và

j  1, 2,..., K n  ) sẽ có phân phối mũ. Thật vậy, hàm phân phối tích luỹ (Cumulative Distribution Function
(CDF)) và hàm mật độ xác suất (Probability Density Function (PDF)) của biến ngẫu nhiên

 XY lần lượt

được đưa ra như sau:

F XY  x   1  exp  XY x  ,
trong đó,

f XY  x   XY exp  XY x  ,

(2.4)

 XY là tham số đặc trưng của  XY , cụ thể E  XY  , với E  XY  là giá trị trung bình của  XY .

Mặt khác, để đưa suy hao đường truyền vào trong các tính toán, các tham số đặc trưng có thể được
tính bằng công thức sau (tham khảo trong tài liệu số [7]):


 XY   d XY  ,
Trong công thức (2.5), d XY là khoảng cách vật lý giữa hai nút X và Y; trong khi

(2.5)

 là hệ số suy hao

đường truyền và có giá trị từ 2 đến 6. Trong luận văn này, để đơn giản cho việc biểu diễn các công thức, ta
giả sử giá trị của

 là không đổi trên các liên kết truyền-nhận.

2.3 Các mô hình chọn lựa cặp nút chuyển tiếp và tạo nhiễu
Trong mục này, các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu sẽ được giới thiệu.
2.3.1 Mô hình BR-BJ (Best Relay-Best Jammer)
Mô hình BR-BJ là viết tắt của cụm từ Best Relay-Best Jammer, có nghĩa là chọn nút chuyển tiếp tốt
nhất và nút tạo nhiễu tốt nhất. Trong mô hình này, cặp nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu được chọn dựa vào
thông tin trạng thái kênh truyền tức thời (instantaneous channel state information (CSI)) của các liên kết. Để
thực hiện được phương pháp này, thông tin trạng thái kênh truyền tức thời được giả sử là sẵn có tại các nút.

T0

R1,1

R1,K12

T1

J1

E
Hı̀nh 2.3. Sự truyền dữ liệu ở chặng thứ nhất
Đầu tiên, ta xét sự chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất:


7
Xét sự chọn nút chuyển tiếp ở chặng đầu tiên (giữa nguồn và cụm nút thứ nhất) như trên hình vẽ 2.3.
Với sự sẵn có của thông tin trạng thái kênh truyền, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn theo phương pháp sau:





T1 :  T0T1  max  T0 R1,i ,
i 1,2,.., K1

với

 T0R1,i

(2.6)

là độ lợi kênh truyền giữa nút nguồn T0 và nút thuộc cụm thứ nhất R1,i .

Công thức (2.6) nói lên rằng, nút chuyển tiếp tốt nhất phải là nút có độ lợi kênh truyền giữa nó và
nút nguồn T0 là lớn nhất.
Bây giờ, ta xét đến sự chọn lựa nút tạo nhiễu (jammer) tốt nhất:





Sau khi đã chọn xong nút T1 , trong cụm thứ nhất còn lại K1  1 nút, đó là R1,1 , R1,2 ,..., R1, K \ T1 .
1
Từ K1  1 này, hệ thống sẽ chọn ra một nút tạo nhiễu tốt nhất, ký hiệu J1 , như sau:

J 1 :  J1E  max

j 1,2,.., K1 ,
J1 T1

với

 R1, j E

  ,
R1, j E

(2.7)

là độ lợi kênh truyền giữa 2 nút R1, j và E.

Công thức (2.7) cho thấy rằng nút jammer tốt nhất phải là nút tạo được nhiễu lớn nhất lên nút nghe
lén E.
Sau khi đã chọn xong các nút T1 và J 1 , nút T0 truyền dữ liệu đến nút T1 . Cùng lúc đó, nút J 1 sẽ
phát một tín hiệu ngẫu nhiên để tạo nhiễu lên nút E. Như đã đề cập ở trên, bởi vì hai nút T1 và J1 gần nhau
nên nhiễu từ nút J 1 có thể được loại bỏ bởi nút T1 .
Xét cặp nút T0 và J1 (đây là hai nút đồng thời phát tín hiệu ở khe thời gian thứ nhất), để đảm bảo sự
công bằng khi so sánh với các mô hình không sử dụng nút tạo nhiễu, ta giả sử tổng công suất phát của hai nút
này là không đổi và bằng P. Ta phân bổ công suất phát cho hai nút này như sau: công suất phát của nút
nguồn T0 là

 P , trong khi công suất phát của nút tạo nhiễu J1 sẽ là 1    P , với   0    1 là hệ

số phân chia công suất dành cho việc truyền tín hiệu. Nếu hệ thống không sử dụng nút tạo nhiễu, toàn bộ
công suất sẽ dành cho việc truyền dữ liệu và trong trường hợp này thì

  1.

Từ các lập luận ở trên, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút T1 (sau khi khử được
nhiễu gây ra bởi nút J1 ) có thể được tính như sau (tương tự như công thức (2.3))

1 

 P T0T1
N0

  T0T1 ,

(2.8)


8
với N 0 là phương sai của nhiễu cộng tại nút T1 (như đã được đề cập trong mục (2.2), phương sai của nhiễu
cộng tại tất cả các nút nhận đều bằng N 0 ); và   P / N 0 là tỷ số công suất phát trên công suất nhiễu.
Với sự tác động của thành phần nhiễu nhân tạo gây ra tại nút J1 , tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu
nhận được tại nút nghe lén E có thể được tính tương tự như trong công thức (2.2):

1 

 P T0 E
 T0 E

,
1    P J1E  N 0 1  1     J1E

(2.9)

Từ công thức (2.8) và (2.9), ta có thể xây dựng nên biểu thức tính dung lượng kênh truyền của các liên
kết giữa T0 và T1 ; và giữa T0 và E lần lượt là:

C1d 

C1e 

1
1
log 2 1   1  
log 2 1   T0T1 ,
M
M






 T0 E
1
1
log 2 1  1  
log 2  1 
 1  1     J E
M
M

1

(2.10)


.



(2.11)

Ta có lưu ý từ biểu thức (2.11) như sau: hệ số 1/M ngụ ý rằng sự truyền dữ liệu của hệ thống được
thực thi qua M khe thời gian trực giao, sử dụng kỹ thuật truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).
Từ các công thức (2.10) và (2.11), dung lượng bảo mật (bm) của chặng thứ nhất được tính bởi (xem
[23]):

C1bm  max  0, C1d  C1e 




1   T0T1
1

 max 0, log 2 
 M

 T0 E
1


 1  1     J E


1




 .

 


(2.12)

Một cách tương tự, xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ n  n  2, 3,..., M  1 giữa nút phát Tn 1
thuộc cụm thứ n  1 giao tiếp với nút chuyển tiếp được chọn Tn thuộc cụm thứ n . Đầu tiên, nút Tn sẽ
được chọn tương tự như trong công thức (2.6):





Tn :  Tn 1Tn  max  Tn 1Rn ,i ,
i 1,2,.., K n

(2.13)





Sau khi chọn xong nút Tn , trong cụm thứ n còn lại K n  1 nút, cụ thể: Rn ,1 , Rn ,2 ,..., Rn , K \ Tn , và
n
nút tạo nhiễu tốt nhất, ký hiệu J n , sẽ được chọn như sau:


9

J n :  J n E  max

j 1,2,.., K n ,
J n Tn

Trong các công thức (2.13) và (2.14),

 Tn1Rn ,i



 Rn , j E

  ,

(2.14)

Rn , j E

lần lượt là độ lợi kênh truyền giữa các liên kết

Tn 1  Rn ,i và Rn , j  E .
Tương tự như công thức (2.12), dung lượng bảo mật ở chặng thứ n sẽ được xác định bằng biểu thức
sau:

Cnbm  max  0, Cnd  Cne 




1   Tn 1Tn
1

 max 0, log 2 
 M

 Tn 1E
1


 1  1     J E


n




 .

 


(2.15)

Ta có lưu ý sau: nếu số lượng nút trong 1 cụm nào đó bằng 1, thì đó cũng chính là nút sẽ chuyển tiếp
dữ liệu đến chặng kế tiếp và sẽ không có sự chọn lựa nút tạo nhiễu.

TM1 JM1

TM RM,K

RM 1,3

JM

M

RM1,KM1

RM ,3

E
Hình 2.4: Sự truyền dữ liệu tại chặng cuối cùng
Bây giờ ta đến với sự truyền dữ liệu ở chặng cuối cùng (xem hình vẽ 2.4). Trong hình vẽ này, nút

TM 1 sẽ truyền dữ liệu đến nút đích TM . Bởi vì nút đích TM là nút đã được xác định trước trong cụm thứ M
(nút mà nguồn T0 muốn gửi dữ liệu đến). Do đó, trong K M -1 nút còn lại, nút tạo nhiễu tốt nhất sẽ được
chọn, một các tương tự như ở các chặng trước như sau:

J M :  J M E  max

j 1,2,.., K M ,
J M TM

Cuối cùng, ta cũng có dung lượng bảo mật ở chặng này là:



RM , j E

,

(2.16)


10

CMbm  max  0, CMd  CMe 




1   TM 1TM
1
 max  0, log 2 
 M

 TM 1E
1


 1  1     J E


M




 .

 


(2.17)

Như đã được thảo luận ở trên, các nút phát (chuyển tiếp) T0 , T1 , T2 ,..., TM 1 sẽ sử dụng kỹ thuật phát
ngẫu nhiên và chuyển tiếp (Randomize and Forward) [9]. Trong kỹ thuật này, các nút T0 , T1 , T2 ,..., TM 1 sẽ
mã hoá lại dữ liệu nhận được, sử dụng các từ mã khác nhau để nút nghe lén E không thể kết hợp các từ mã
nhận được. Do đó, dung lượng bảo mật toàn trình (end-to-end (e2e)) được xác định bởi công thức sau:

Cebm2 e  min

n 1,2,..., M

C .
bm
n

(2.18)

2.3.2 Mô hình BR-RJ (Best Relay-Random Jammer)
Tên BR-RJ là viết tắt của cụm từ Best Relay-Random Jammer, có nghĩa là chọn nút chuyển tiếp tốt
nhất và nút tạo nhiễu ngẫu nhiên.
Thật vậy, xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ n  n  1, 2, 3,..., M  1 giữa nút phát Tn 1 thuộc cụm
thứ

n  1 giao tiếp với nút Tn thuộc cụm thứ n . Tương tự như giao thức BR-BJ, nút Tn sẽ được chọn bởi

(xem lại công thức (2.13)):





Tn :  Tn 1Tn  max  Tn 1Rn ,i .
i 1,2,.., K n

(2.19)

Tuy nhiên, khác với mô hình BR-BJ, sau khi chọn xong nút Tn , một trong K n  1 nút còn lại sẽ được
chọn một cách ngẫu nhiên để tạo nhiễu đến nút nghe lén E.
Cuối cùng, ở chặng thứ M, nút tạo nhiễu cũng sẽ được chọn ngẫu nhiên từ K M  1 nút còn lại trong
cụm thứ M.
2.3.3 Mô hình RR-RJ (Random Relay-Random Jammer)
Mô hình RR-RJ (Random Relay-Random Jammer) đưa ra một giải pháp đơn giản hơn nữa, trong đó
cặp nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu Tn và J n của cụm nút thứ n đều được chọn lựa một cách ngẫu nhiên.
Trong thực tế, việc xác định thông tin kênh truyền tức thời các nút đòi hỏi nhiều năng lượng để thực hiện.


11

CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT
3.1 Định nghĩa xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability)
Xác suất dừng bảo mật là xác suất mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn một đại lượng dừng dương Cth ,

Cth  0 . Từ định nghĩa này, sử dụng công thức (2.18), ta đạt được xác suất dừng bảo mật cho mô hình
chuyển tiếp đa chặng như sau:

 min C
  C .

OPSec  Pr  Cebm2e  Cth   Pr
 1  Pr



min

n 1,2,..., M

 Cnbm

n1,2,..., M

bm
n

C

th



(3.1)

th

Bởi vì sự chuyển tiếp dữ liệu trên mỗi chặng là độc lập với nhau, vì thế ta có thể viết lại công thức
(3.1) dưới dạng sau:
M

OPSec  1   Pr  Cnbm  Cth 
n 1
M

(3.2)



 1   1  Pr  C

bm
n



 Cth  .

n 1

3.2 Mô hình RR-RJ (Random Relay-Random Jammer)
Trong mô hình này, bởi sự chọn lựa ngẫu nhiên nút chuyển tiếp Tn và nút tạo nhiễu

J n  n  1, 2,..., M  , nên ta có thể viết lại Pn dưới dạng sau:


Pn   FT
0

với

Z

 Tn 1E
1  1     J n E

F T

n 1Tn

công thức (2.4), ta dễ dàng đạt được

F T

n 1Tn

D ,n  dn

ở chặng thứ n; và

  1 
 z  f Z  z  dz,

 


(3.5)

.

Trong công thức (3.5),

trong đó,

n 1Tn

  1 
 z  chính là hàm CDF của  Tn 1Tn . Sử dụng hàm CDF trong

 

  1 
 z  như sau:

n 1Tn
 


F T

 1
  1 

 z   1  exp  D,n
exp  D ,n z  ,

 
 



là hằng số đặc trưng của biến ngẫu nhiên

 là hệ số suy hao đường truyền.

(3.6)

 Tn 1Tn , với d n là khoảng cách giữa hai cụm


12
Kế tiếp, ta tìm hàm PDF của
được hàm CDF của

Z  f Z  z   trong công thức (3.5). Nhưng trước tiên, ta phải xác định

Z  FZ  z   , rồi tiến hành đạo hàm theo z để tìm hàm PDF. Thật vậy, hàm CDF

FZ  z  có thể đạt được bằng công thức sau:



 Tn 1E
FZ  z   Pr  Z  z   Pr 
 z
 1  1     J E

n




z z 1    
 Pr   Tn 1E  
 JnE 





(3.7)

 z 1     
zy  f J E  y  dy.
 
n 1E
n







  F T
0

Cũng vậy, hàm CDF

F T

n 1 E

trong đó,

E ,n1  ln1

FT

n 1E

 z 1     
zy  trong (3.6) được xác định như sau:
 




 
 z 1     
 

1     zy  ,
zy   1  exp   E ,n1 z  exp   E ,n1

 









là hằng số đặc trưng của biến ngẫu nhiên

(3.8)

 Tn1E , với ln1 là khoảng cách giữa cụm

thứ n  1 và nút nghe lén E.
Hơn nữa, hàm PDF

f J E  y  trong (3.7) có thể được đưa ra bởi sử dụng hàm PDF có trong công
n

thức (2.4):

f J E  y   E ,n exp  E ,n y  ,

(3.9)

n

trong đó,

E ,n  ln

là hằng số đặc trưng của biến ngẫu nhiên

 J n E , với ln là khoảng cách giữa cụm thứ n

và nút nghe lén E.
Thay (3.8) và (3.9) vào trong (3.6), sau một số phép tính tích phân, ta dẫn ra được công thức (3.10)
như bên dưới:


 
 
1     zy  dy
FZ  z   1  E ,n exp   E ,n1 z   exp  E ,n y  exp  E ,n1




 0


E ,n
 

 1
exp   E ,n 1 z 
(3.10)
E ,n  E ,n1 1    z




 1  1 exp  2 z  .
z  1


13

Trong công thức trên, ta ký hiệu

1 

E ,n1
E ,n
và 2 
để đơn giản biểu thức cũng

E ,n 1 1    

như để dễ dàng sử dụng cho các tính toán về sau.
Đạo hàm (3.10) theo z, ta sẽ được hàm PDF của Z:

fZ  z  

1

exp  2 z   1 2 exp  2 z  .
2
z  1
 z  1 

(3.11)

Thay (3.6), (3.11) vào trong (3.5), ta đưa Pn về dạng tích phân sau:

 1 exp  2 z  12 exp  2 z  
  1  

Pn  1  exp  D,n
exp


z






D ,n
2
  0
z  1

  z  1 






  exp   D,n  2  z

  1

dz
2
0


z



 1 

1
 1  exp  D,n
.

      exp       z


1 2
D,n
2
dz 
 0
z  1





(3.12)



Đến đây, để tính hai tích phân trong (3.12), ta sử dụng công cụ phần mềm Mathematica [24]. Thật
vậy, ta đạt được các kết quả là:





0

1



exp   D,n  2  z

 z  1 

2

 dz



 



 1  1  D ,n  2  exp 1  D ,n  2  E1 1  D ,n  2  ,







12 exp   D ,n  2  z

với E1  x  

1

z  1

0





x

 dz    exp  
 
2

1

D,n

(3.13)

 



 2  E1 1  D,n  2  ,

exp  t 
dt là hàm tích phân mũ (Exponential Integral Function).
t

Thay (3.13) vào (3.12), ta đạt được:

 1 

Pn  1  1  1D,n exp 1  D,n  2  E1 1  D, n  2   exp  D,n
.


 




 



(3.14)

Sau khi đã tính được Pn , ta dễ dàng tìm được xác suất dừng bảo mật toàn trình bằng cách thay kết quả
đạt được vào trong (3.3):


14



 1    exp      
1 D ,n
1
D,n
2

 1   
n 1    E   
1
1
D , n  2 

M

RR-RJ
Sec

OP








  1 

exp  D ,n
 .

 




(3.15)

Ta thấy, công thức trong (3.15) là một biểu thức tường minh, là tổng và tích của các hàm mũ và hàm
tích phân mũ.
3.3 Mô hình BR-RJ (Best Relay-Random Jammer)
Đầu tiên, ta có nhận xét rằng, hai mô hình RR-RJ và BR-RJ sẽ có hiệu năng bảo mật ở chặng cuối
cùng giống nhau.
Cuối cùng, xác suất dừng bảo mật của mô hình BR-RJ được tính chính xác như sau:
BR-RJ
OPSec
 1

 Kn
  1 
t 1 t

  1 CK n 1  t1D,n exp 1 2  tD,n  E1 1 2  tD,n  exp  tD ,n


  

n 1  t 1
 1

 1  1D ,M exp 1  D ,M  2  E1 1  D ,M  2   exp  D,M
.


 

M 1







 

 





(3.22)
3.4 Mô hình BR-BJ (Best Relay-Best Jammer)
Một lần nữa, ta sử dụng lại công thức (3.5):


Pn   FT

n 1Tn

0

  1 
 z  f Z  z  dz,

 


(3.23)

Tuy nhiên, khác với hai mô hình ở trên, trong mô hình này có sự chọn lựa nút tạo nhiễu nhân tạo. Vì
vậy, ta cần phải tìm lại hàm PDF của Z. Sau cùng, ta có xác suất dừng bảo mật của mô hình này là:

BR-BJ
OPSec

 Kn Kn 1
 1
t  v 1
 1 CKt n CKv n 2  K n  1 exp  tD ,n

M 1  
 
 t 1 v 0

 1 
n 1   1

 t1D ,n exp  v  1 1  tD,n  2  E1  v  1 1  tD ,n  2 
  v  1



 

 Kn  2
 1 
v

v
   1 CKn 2  K n  1 exp  D,M  


  v 0
  1
 1D ,M exp  v  1 1  D ,M  2  E1  v  1 1  D,M  2 
 
  v 1



 








 





 




(3.33)
3.5 Tính Pn trong trường hợp đặc biệt   1


15
Nếu

  1 có nghĩa là toàn bộ công suất phát P sẽ được dành để truyền dữ liệu (không có sự tạo

nhiễu nhân tạo). Trong trường hợp này, công thức (2.15) được viết lại dưới dạng sau:

Cnbm  max  0, Cnd  Cne 
 1
 1   Tn1Tn
 max  0, log 2 
 1   T E
 M
n 1




  .



(3.34)

Bây giờ, ta sử dụng công thức (3.34) để lần lượt tính các giá trị Pn và PM trong các mô hình đề xuất.
3.5.1 Mô hình RR-RJ
Khi

  1 thì Z   T

n 1 E

, và ta có kết quả xác suất dừng bảo mật toàn trình trong (3.15) được viết

lại dưới dạng sau:
M 
Tn 1 ,E
  1 

RR-RJ
OPSec
1 
exp  D ,n
 .






 
n 1 
Tn 1 , E
 D ,n

(3.39)

3.5.2 Mô hình BR-BJ và mô hình BR-RJ
Rõ ràng rằng, khi

  1 cả hai mô hình BR-BJ và BR-RJ sẽ có hiệu năng bảo mật giống nhau.

Cuối cùng, ta đạt được biểu thức xác suất dừng chung cho cả hai giao thức BR-BJ và BR-RJ như
sau:
M 1  K n
Tn1 , E
  1 
t 1

OPSec  1     1 CKt n
exp  tD,n

Tn 1 ,E  tD ,n
  

n 1 
 t 1

TM 1 , E
 1 


exp  D,M
.
D ,M   TM 1 ,E
 


(3.43)


16

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1 Kết quả mô phỏng Monte-Carlo
Trong mỗi kết quả mô phỏng MATLAB,

5*105 phép thử được thực hiện, và giá trị của xác suất

dừng bảo mật được tính bằng số lần hệ thống dừng bảo mật chia cho số phép thử.
Môi trường mô phỏng là một hệ trục tọa độ hai chiều Oxy. Giả sử nút nguồn T0 được đặt cố định ở
gốc toạ độ (0, 0), các nút trong cụm thứ n  n  1, 2,..., M  được giả sử nằm trên trục Ox với hoành độ là

n / M (cụ thể hơn. toạ độ của các nút Rn,1 , Rn ,2 ,..., Rn, K là  n / M , 0  . Với cách sắp xếp như vậy,
n

khoảng cách giữa các nút trong hai cụm kề nhau là d n  1 / M . Hơn nữa, vị trí của nút nghe lén trong mạng
khảo sát là

 xE , y E 

với xE và yE là hoàng độ và tung độ của nút E. Vì vậy, ta tính được khoảng cách

  n  1 / M  x 

2

E

 y E2 . Tương tự, khoảng cách

Trong tất cả các mô phỏng máy tính, hệ số suy hao đường truyền

 được cố định bởi 3 (   3 ).

giữa nút chuyển tiếp Tn 1 đến nút E như sau:
giữa nút tạo nhiễu J n đến nút E sẽ là:

ln 

ln1 

 n / M  xE 

Do đó, các tham số đặc trưng của các biến ngẫu nhiên sẽ là

2

 yE2 .

D ,n  dn3



E ,n  ln3 .

Trong các hình vẽ, kết quả mô phỏng được đánh dấu bằng các ký hiệu và bằng chữ MP.
4.2 Kết quả lý thuyết
Kết quả lý thuyết được vẽ bằng cách nhập các công thức đã được tìm ra trong Chương 3 vào phần
mềm m.file trong MATLAB. Cụ thể, xác suất dừng bảo mật của mô hình RR-RJ được vẽ bằng công thức
(3.15), của mô hình BR-RJ được vẽ bằng công thức (3.22) và của mô hình BR-BJ được xác định bằng công
thức (3.33). Hơn nữa, khi nhiễu nhân tạo không được sử dụng, xác suất dừng bảo mật của mô hình RR-RJ
được vẽ bằng công thức (3.39) và của hai mô hình BR-BJ và BR-RJ được vẽ bằng công thức (3.43).
Trong tất cả các hình vẽ, kết quả lý thuyết được biểu thị bằng các đường thằng liền nét và được ký
hiệu bằng chữ LT.
4.3 Kết quả và biện luận các kết quả


17

Hı̀nh 4.1: Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm của P / N 0 (dB) khi kỹ thuật tạo nhiễu nhân
tạo lên nút nghe lén không được sử dụng
Hình vẽ 4.1: Xác suất dừng bảo mật OPSec được vẽ như một hàm của tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu

P / N 0 (dB) khi các mô hình không sử dụng kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo (   1 ).
Các thông số: Số chặng giữa nguồn và đích bằng 3 ( M

 3 ), số nút chứa trong mỗi cụm đều bằng là

K1  3 , K 2  2 và K 3  1 , hệ số phân chia công suất bằng 1 (   1 ), ngưỡng dừng bằng 0.1 và 0.5
( Cth  0.1, 0.5 ), hoàng độ và tung độ của nút nghe lén đều bằng 0.5 ( xE  y E  0.5 ).
Các lưu ý: Khi

  1 , hiệu năng xác suất dừng bảo mật của hai mô hình BR-BJ và BR-RJ là tương

đương. Cũng vậy, khi kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo không được sử dụng, số nút trong cụm cuối cùng không
ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật của các mô hình. Do đó, ta thiết lập giá trị này bằng 1 ( K 3  1 ) trong mô
phỏng này.
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.1, ta thấy các kết quả sau:
- Giá trị OPSec của cả các mô hình ban đầu giảm dần khi giá trị của P / N 0 tăng. Tuy nhiên, khi P / N 0
tăng đến một giá trị nào đó, giá trị của OPSec sẽ không giảm nữa mà sẽ hội tụ về một giá trị xác định, và giá
trị đó không phụ thuộc vào P / N 0 .
- Hai mô hình BR-BJ và BR-RJ đạt được hiệu năng bảo mật cao hơn (giá trị của OPSec thấp hơn) mô hình
RR-RJ. Nguyên nhân là bởi hai mô hình BR-BJ và BR-RJ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp phân tập để nâng cao
dung lượng của sự truyền dữ liệu.


18
- Giá trị của OPSec giảm khi ngưỡng dừng Cth giảm.
- Các kết quả mô phỏng (MP) và lý thuyết (LT) trùng khớp nhau, điều này kiểm chứng cho các phân tích lý
thuyết trong Chương 3.

Hı̀nh 4.2: Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm của P / N 0 (dB)
Hình vẽ 4.2: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec được vẽ như một hàm của tỷ số công suất tín
hiệu trên nhiễu P / N 0 (dB):
Các thông số: Số chặng giữa nguồn và đích bằng 3 ( M  3 ), số nút chứa trong mỗi cụm đều bằng 3
( K1  K 2  K 3  3 ), hệ số phân chia công suất bằng 0.9 ( 

 0.9 ), ngưỡng dừng bằng 0.5 ( Cth  0.5 ),

hoàng độ và tung độ của nút nghe lén đều bằng 0.5 ( xE  yE  0.5 ).
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.2, ta thấy các kết quả sau:
- Khác với hình vẽ 4.2, xác suất dừng bảo mật OPSec trong hình vẽ này giảm khi giá trị của P / N 0 tăng.
Nguyên nhân là vì trong mô phỏng 4.2, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe lén E được sử dụng.
- Mô hình BR-BJ đạt được giá trị OPSec thấp nhất, trong khi mô hình RR-RJ có giá trị OPSec cao nhất. Ta
có thể giải thích điều này như sau: mô hình BR-BJ đạt hiệu năng tốt nhất là vì mô hình này kết hợp cả hai kỹ
thuật chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất và chọn lựa nút tạo nhiễu tốt nhất.
- Ở các giá trị P / N 0 thấp, hai giao thức BR-BJ và BR-RJ có hiệu năng bảo mật gần như nhau, tuy nhiên
khi tăng P / N 0 thì độ lợi hiệu năng giữa hai mô hình càng tăng.
- Các kết quả mô phỏng (MP) và lý thuyết (LT) trùng khít với nhau, một lần nữa chứng tỏ sự đúng đắn trong
các phân tích lý thuyết trong Chương 3.


19

Hı̀nh 4.3. Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm số của số chặng giữa nguồn và đích
Hình vẽ 4.3: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec được vẽ như một hàm của số chặng M giữa
nguồn và đích.
Các thông số: Tỷ số công suất phát trên nhiễu bằng 10 dB ( P / N 0  10 dB ), số nút chứa trong mỗi cụm
đều bằng 3 ( K n  3 ), hệ số phân chia công suất bằng 0.9 (   0.9 ), ngưỡng dừng bằng 0.5 ( Cth  0.5 ),
hoàng độ và tung độ của nút nghe lén đều bằng 0.5 ( xE  y E  0.5 ).
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.3, ta thấy các kết quả sau:
- Xác suất dừng bảo mật OPSec thay đổi khi số chặng M tăng. Đối với mô hình RR-RJ, giá trị OPSec sẽ
giảm đến một giá trị cực tiểu rồi tăng dần lên. Trong hình vẽ 4.3, hiệu năng bảo mật của mô hình RR-RJ tốt
nhất khi số chặng bằng 6. Đối với 02 mô hình còn lại, giá trị của OPSec giảm theo sự tăng của số chặng. Tuy
nhiên, khi giá trị của M lớn thì OPSec chỉ giảm nhẹ khi M tăng.
- Khi số chặng M = 1, hai mô hình BR-RJ và RR-RJ có cùng hiệu năng bảo mật.


20

Hı̀nh 4.4: Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm số của số nút trong mỗi cụm
Hình vẽ 4.4: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec được vẽ như một hàm của số nút trong mỗi
cụm. Để thực hiện được mô phỏng này, ta giả sử số nút chứa trong mỗi cụm là bằng nhau và bằng K
( K n  K , n ).
Các thông số: Tỷ số công suất phát trên nhiễu bằng 15 dB ( P / N 0  15 dB ), số chặng bằng 4 ( M
hệ số phân chia công suất bằng 0.9 ( 

 4 ),

 0.9 ), ngưỡng dừng bằng 0.5 ( Cth  1 ), hoàng độ và tung độ của

nút nghe lén đều bằng 0.5 ( xE  yE  0.5 ).
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.4, ta thấy các kết quả sau:
- Xác suất dừng bảo mật OPSec của hai mô hình BR-BJ và BR-RJ giảm khi số lượng nút tại mỗi cụm tăng
lên.
- Xác suất dừng bảo mật OPSec của mô hình RR-RJ không phụ thuộc vào số lượng nút tại mỗi cụm (với
điều kiện M phải lớn hơn hoặc bằng 2).
- Khi số nút tại mỗi cụm bằng 2 ( K =2 ), hiệu năng của hai mô hình BR-BJ và BR-RJ là tương đương.


21

Hı̀nh 4.5: Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm số của hệ số phân chia công suất



Hình vẽ 4.5: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec được vẽ như một hàm của hệ số phân chia
công suất

.

Các thông số: Tỷ số công suất phát trên nhiễu bằng 0 dB ( P / N 0  0dB ), số chặng bằng 2 ( M

 2 ), số

nút trong mỗi cụm đều bằng 4 ( K1  K 2  4 ), ngưỡng dừng bằng 0.25 ( Cth  0.25 ), hoàng độ và tung độ
của nút nghe lén đều bằng 0.5 ( xE  yE  0.5 ).
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.5, ta thấy các kết quả sau:
- Đối với tất cả các giao thức, luôn tồn tại một giá trị của
hình BR-RJ, giá trị tối ưu của

 để giá trị OPSec là thấp nhất. Ví dụ, đối với mô

 trong hình vẽ này khoảng 0.4, điều này có nghĩa rằng: nếu hệ thống sử

dụng giao thức BR-RJ thì công suất phát tối ưu là 0.4P, và công suất phát tối ưu của nút tạo nhiễu là 0.6 P.
- Mô hình BR-BJ đạt hiệu quả bảo mật tốt hơn mô hình BR-RJ ở tất cả các giá trị của

  1 ).

 (trừ trường hợp


22

Hı̀nh 4.6: Xác suất dừng bảo mật OPSec là hàm số của tung độ yE
Hình vẽ 4.6: Hình vẽ này khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí nút nghe lén E lên giá trị của xác suất dừng bảo
mật OPSec . Để thực hiện điều này, ta cố định hoàng độ xE của nút nghe lén và thay đổi giá trị tung độ yE .
Các thông số: Tỷ số công suất phát trên nhiễu bằng 15 dB ( P / N 0  15dB ), hệ số phân chia công suất
bằng 0.7 (   0.7 ), số chặng bằng 4 ( M

 4 ), số nút trong mỗi cụm là K1  2 , K 2  4 , K 3  3



K 4  3 , ngưỡng dừng bằng 1 ( Cth  1 ), hoàng độ nút nghe lén bằng 0.5 ( xE  0.5 ).
Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.6, ta thấy các kết quả sau:
- Giá trị của OPSec trong tất cả các giao thức đều giảm khi giá trị yE tăng. Đó là bởi vì khi yE tăng, nút
nghe lén E sẽ cách xa các nút trên tuyến giữa nguồn và đích, vì vậy khả năng nghe lén của nút E sẽ suy giảm.
- Khi nút E gần các nút truyền dữ liệu ( yE nhỏ), mô hình BR-BJ vẫn đạt hiệu quả bảo mật cao hơn nhiều khi
so sánh với hai mô hình còn lại.


23

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN
5.1 Kết luận
Trong luận văn này, học viên nghiên cứu về vấn đề bảo mật lớp vật lý trong môi trường truyền thông
vô tuyến chuyển tiếp đa chặng. Hơn thế nữa, luận văn khảo sát những mô hình mạng tự tổ chức (như mạng
Ad-hoc, mạng cảm biến, v.v.) mà ở đó các nút mạng tự tập hợp thành những cụm (cluster) để truyền thông
với nhau.
Để nâng cao hiệu quả bảo mật, các giải pháp truyền thông phân tập đã được đề xuất. Cụ thể, luận
văn đưa ra 03 giao thức chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu nhân tạo. Hơn thế nữa, hiệu năng bảo mật
của cả 03 mô hình đều được đánh giá bằng mô phỏng và lý thuyết, thông qua thông số xác suất dừng bảo
mật.
5.2 Các kết quả đạt được
Học viên đã tìm hiểu nguyên lý hoạt động của phương pháp bảo mật lớp vật lý, từ đó đưa ra các giải
pháp nhằm nâng cao hiệu quả bảo mật cho hệ thống truyền thông chuyển tiếp không dây.
Học viên đã tìm hiểu các phương pháp chuyển tiếp phân tập để nâng cao độ tin cậy cho việc truyền
dữ liệu giữa các thiết bị.
Học viên đã tìm hiểu các phương pháp tạo nhiễu nhân tạo để nâng cao hiệu quả bảo mật cho các mô
hình khảo sát.
Học viên đề xuất các mô hình chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu năng bảo mật của mô hình
chuyển tiếp dạng cụm. Cụ thể, dung lượng bảo mật của các mô hình đề xuất sẽ được nâng cao thông qua hai
phương pháp: 1) Chọn lựa các nút chuyển tiếp tốt để tăng cường dung lượng cho kênh dữ liệu, 2) Chọn lựa
các nút tạo nhiễu nhân tạo tốt để làm giảm dung lượng của kênh nghe lén.
Học viên sử dụng các công cụ toán học để đánh giá chính xác hiệu năng bảo mật của 03 mô hình đề
xuất, thông qua đạt lượng xác suất dừng bảo mật.
Học viên thực hiện các mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các tính toán của mình.
Từ các kết quả đạt được, học viên đưa ra các nhận xét để nêu ra các ưu điểm và khuyết điểm của
từng mô hình. Cụ thể, mô hình BR-BJ luôn đạt được hiệu quả bảo mật tốt nhất, trong khi mô hình RR-RJ đạt
hiệu năng bảo mật kém nhất. Tuy nhiên, nhìn từ góc độ phức tạp, mô hình RR-RJ dễ dàng thực thi hơn 02
mô hình còn lại. Hơn nữa, việc thực hiện mô hình BR-RJ trong thực tế cũng khá khả thi bởi mô hình này chỉ
yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền giữa các nút tại mỗi cụm.
5.3 Hướng phát triển đề tài
Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất trên các kênh truyền tổng quát hơn như kênh Rician hay
kênh Nakagami- m …


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×