Hcmute mô phỏng và phân tích các thông số của bảo mật lớp vật lý trong mạng truyền thông không trực giao noma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC THƠNG SỐ CỦA
BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG TRUYỀN
THÔNG KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2020-38TĐ

S KC 0 0 7 3 2 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2021

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ
CỦA BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG
TRUYỀN THÔNG KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
Mã số: T2020-38TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trương Ngọc Hà

TP. HCM, 9/2021
i

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC THƠNG SỐ
CỦA BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG
TRUYỀN THÔNG KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
Mã số: T2020-38TĐ
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trương Ngọc Hà
Thành viên đề tài: ThS. Nguyễn Văn Phúc
ThS. Đặng Phước Hải Trang

TP. HCM, 9/2021

ii

Luan van


DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU

STT

MSCB Họ và tên
2953

Trương
Ngọc Hà

1

Đơn vị công tác

Bộ môn Kỹ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết,
Thuật Máy Tính - xây dựng thuật tốn.
Viễn
Thơng,
Khoa Điện Điện Viết báo cáo.
Tử, ĐH SPKT
TPHCM.

Nguyễn Văn
Phúc
2

Nội dung cơng việc

Bộ mơn KT
Máy Tính – Viễn Triển khai ứng dụng, lưu đồ
Thông,
Khoa giải thuật
Điện – Điện Tử,
ĐH

SPKT

TP.HCM.

3

Đặng Phước Bộ môn KT Máy Mô phỏng và viết báo cáo
Hải Trang
Tính – Viễn tổng kết.
Thơng,
Khoa
Điện – Điện Tử,
ĐH
SPKT
TP.HCM

iii

Luan van


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ................................................................................... viii
CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................... 1
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .............................................................................. 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................. 3
2.1. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ .................................................................................. 3
2.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ............................................................................... 5

2.2.1

Tổng quan ............................................................................... 5

2.2.2

Khái niệm vô tuyến nhận thức. ............................................ 6

2.2.3

Mục tiêu của vô tuyến nhận thức ......................................... 7

2.2.4

Chức năng vơ tuyến nhận thức ............................................ 8

2.2.5

Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức ...................................... 9

2.3 TỔNG QUAN VỀ NOMA VÀ SIC ................................................................ 12

2.3.1

Kỹ thuât đa truy cập phi trực giao NOMA ....................... 12

2.3.2

Kỹ thuật loại bỏ giao thoa một cách tuần tự (SIC) .......... 13

2.4. LÝ THUYẾT VỀ MẢNG ANTEN .................................................................. 14

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH ................... 17
3.1. MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................................................... 17
3.2. KỸ THUẬT NOMA.......................................................................................... 18

3.3. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẢNG NOMA ..................................... 18
3.4. XÁC SUẤT DỪNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG NOMA
KẾT HỢP MẢNG ANTEN .................................................................................... 20

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ......................... 24
4.1 ĐÁNH GIÁ THEO HỆ SỐ ANPHA ................................................................ 24
4.2. ĐÁNH GIÁ THEO SỐ LƯỢNG ANTEN ...................................................... 25
4.3. ĐÁNH GIÁ THEO HỆ SỐ SNR (Q(DB)) ....................................................... 26

vi

Luan van


4.4. ĐÁNH GIÁ THEO VỊ TRÍ NÚT NGHE LÉN E ........................................... 27
4.5. ĐÁNH GIÁ TỶ LỆ LỖI BIT BER CỦA HỆ THỐNG .................................. 28

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................... 31

vii

Luan van


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Mơ hình bảo mật lớp vật lý cơ bản………………………………...…..6
Hình 2.2 Minh họa hố phổ.....................................................................................8
Hình 2.3 Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền..................................................13
Hình 2.4 Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen...........................................13
Hình 2.5 Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC...........................16

Hình 3.1 Mơ hình mạng NOMA gồm nút S là mảng anten, nút đích D và nút nghe
lén E .....................................................................................................................18
Hình 4.1 Xác suất dừng theo hệ số phân chia công suất α_(1 ) với
GSE=1..................................................................................................................24
Hình 4.2 Xác suất dừng theo hệ số phân chia cơng suất

α_1 với

GSE=0.1...............................................................................................................25
Hình

4.3

Xác

suất

dừng

theo

số

lượng

anten

ở

nút

S...........................................................................................................................26
Hình 4.4 Xác suất dừng theo hệ số Q(dB)..........................................................27
Hình 4.5

Xác

suất dừng theo vị trí nút nghe lén E

(đơn vị

độ).........................................................................................................................28
Hình 4.6 Xác xuất BER của hệ thống theo Q(dB) với bộ tách tín hiệu lý tưởng trên
nút D và nút E (với anten tại nút S=2) …................................................……….29
Hình 4.7 Xác xuất BER của hệ thống theo Q(dB) với bộ tách tín hiệu lý tưởng trên
nút D và nút E (với anten tại nút S=4)...................................................................29

viii

Luan van


ix

Luan van


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên Tiếng Việt

BS

Base Station

Trạm phát sóng di động

CDF
CR
NOMA
MAC

PDF

Cumulative Distribution
Function

Hàm phân phối tích lũy
Vơ tuyến nhận thức

Cognitive Radio
Non- Orthogonal Multiple
Access

Media Access Control
Probability Density
Function

Đa truy cập phi trực gia
Điều khiển truy cập bắt buộc
Hàm mật độ xác xuất

PU

Primary User

Người dùng chính

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Signal to Interference

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng

plus Noise Ratio

tạp âm

Secondary User

Người dùng thứ cấp

SNR

SU
SOP
UE

Secrecy Outage

Xác suất dừng bảo mật

Probability

Người sử dụng thiết bị

User Equipment

x

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ: ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
Tp. HCM, Ngày 04 tháng 09 năm 2021
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:
 Tên nghiên cứu: Mô phỏng và phân tích các thơng số của bảo mật lớp
vật lý trong mạng truyền thông không trực giao NOMA
 Mã số: T2020-38TĐ
 Chủ nhiệm: Trương Ngọc Hà
 Cơ quan chủ trì: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
 Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:
 Nghiên cứu và tìm hiểu mơ hình truyền cộng tác trong mạng vơ tuyến
nhận thức dạng nền, kỹ thuật đa truy cập phi trực giao và bảo mật lớp
vật lý.
 Xây dựng mơ hình hệ thống, từ đó phân tích hệ thống rút ra được cơng
thức tính tốn cho xác suất dừng với một tốc độ truyền ngưỡng cho trước
và giải quyết vấn đề can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng
thứ cấp không ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp. Cải thiện hệ thống
trong việc giải quyết vấn đề nghe lén thông tin truyền đi.
 Mô phỏng đánh giá xác suất dừng bảo mật lớp vật lý trên phần mềm
MatLab.
 Đánh giá kết quả đạt được và viết báo cáo tổng kết.
3. Tính mới và sáng tạo:
 Trong nghiên cứu này, các tác giả đưa vào đánh giá xác suất dừng bảo mật
lớp vật lý kết hợp sử dụng mảng anten để cải thiện vấn đề bảo mật.
 Đánh giá tỉ số BER để có so sách một cách trực quan giữa các mơ hình
nghiên cứu.
xi

Luan van


4. Kết quả nghiên cứu:

 Đã mô phỏng và đánh giá các thông số bảo mật lớp vật lý của hệ thống
khi có kết hợp sử dụng mảng anten.
5. Sản phẩm:
 Chương trình mơ phỏng, báo cáo tổng kết.
 Bài báo đang gởi tạp chí Khoa Học và Cơng Nghệ Đại Học Đà Nẳng
(đã được 1 phản biện chấp nhận)
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:
Tài liệu dùng trong giảng dạy môn hệ thống viễn thông, thông tin di động,
thông tin vô tuyến.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm nghiên cứu

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

xii

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Ngay nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra một cách mạnh
mẽ trên tồn cầu, trong đó lĩnh vực viễn thơng là đầu tàu của cuộc cách mạng đó.
Hàng loạt các hệ thống vô tuyến và các chuẩn giao tiếp như Wifi, LTE, Wimax,
HSPA+…đã ra đời [1],[2], điều đó góp phần thoả mãn nhu cầu về truyền thông vô
tuyến. Tuy nhiên, tần số là tài nguyên có hạn và sự xuất hiện của các hệ thống này

làm nguồn tài nguyên này ngày càng cạn kiệt, hiệu suất sử dụng phổ tần số còn
thấp. Một kỹ thuật đa truy cập đầy tiềm năng và triển vọng được cho rằng sẽ cải
thiện hiệu suất phổ của mạng thông tin di động vừa được cơng nhận, đó là kỹ thuật
đa truy cập phi trực giao (NOMA) [3], [4]. NOMA là kỹ thuật cho phép với cùng
một người dùng gởi cùng lúc nhiền tín hiệu trên cùng một băng tần đến một hoặc
nhiều người dùng khác . Điều đó được thực hiện bằng cách ghép ghép tuyến tính
các dữ liệu lại với nhau rồi gởi tín hiệu đã ghép tới các bên nhận. Ở phía thu dữ
liệu, chúng sẽ được giải mã theo cơ chế khử nhiễu tuần tự (Successive Interference
Cancellation (SIC)) [5].
Tuy nhiên, do tín hiệu truyền từ nguồn đến nơi nhận qua mơi trường vô tuyến
nên dễ bị tấn công hoặc nghe lén. Hiện tại, các phương pháp bảo mật thường được
triển khai ở lớp ứng dụng: các kỹ thuật mã hóa, xác thực(như WEP, WPA,…).
Việc triển khai các giải pháp bảo mật trên địi hỏi nhiều về các kỹ thuật, tính tốn,
và tích hợp vào hệ thống. Bên cạnh đó, các phương thức tấn công mạng cũng thay
đổi và phát triển không ngừng[6]. Ngay nay, một hướng nghiên cứu mới nhằm tìm
ra các giải pháp tăng cường khả năng bảo mật cho mạng vô tuyến ở lớp vật lý [7].
Hướng tiếp cận này dựa trên lý thuyết về bảo mật thông tin: một hệ thống truyền
thơng khơng dây có khả năng bảo mật nếu dung lượng kênh truyền hợp pháp lớn
hơn dung lượng kênh truyền nghe lén. Đây là một kỹ thuật đơn giản để đạt được
hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật tốn mã hóa phức tạp trên tầng ứng
dụng [7].
1

Luan van


Một trong những hướng nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý là dùng kỹ thuật
beamforming. Beamforming là kỹ thuật dựa trên việc điều chỉnh dòng và pha cung
cấp cho một mảng anten để điều chỉnh tín hiệu đến được nơi cần đến tốt nhất cịn
các hướng khác tín hiệu sẽ rất nhỏ [8], [9], [10].

2

Luan van


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ
Trong môi trường làm việc hiện đại, việc truy cập tìm kiếm và trao đổi thơng
tin đã trở thành thói quen hàng ngày không thể thiếu của con người. Cùng với sự
ra đời của các thiết bị công nghê cao như smartphone, laptop, smart tv,… Và nhu
cầu làm việc năng động, di chuyển dể dàng của con người trong thời buổi cách
mạng cơng nghiệp 4.0 thì thơng tin vơ tuyến cũng theo đó phát triển khơng ngừng.
Do bản chất phát sóng ra khơng gian tự do, truyền thơng khơng dây giữa
những người dùng hợp pháp rất dễ bị tấn công nghe lén đánh cắp dữ liệu thông tin
từ bên thứ ba [6]. Đặc biệt trong các lĩnh vực như an ninh, qn sự, tài chính ngân
hàng và truyền hình trả tiền thì việc nghe lén thơng tin làm đe dọa đến an ninh
quốc gia, bảo mật thông tin, bản quyền truyền hình,… Do đó cần tìm ra một giải
pháp bảo mật hiệu quả để đảm bảo tính bảo mật thơng tin, tính tồn vẹn đối với
việc truyền thơng tin đi là rất cần thiết.
Trong mạng không dây hiện nay, hầu hết các hệ thống bảo mật đều sử dụng
cơ chế bảo mật dựa trên việc tính tốn phức tạp, mà người ta cho rằng chưa có
cách nào hiểu quả ngồi cách vét cạn vì với giả định kẻ xấu có khả năng tính tốn
hạn chế và khơng đủ những thuật toán hiệu quả. Tuy nhiên, việc giả định này hết
sức thiếu thuyết phục vì tri thức của con người là vơ tận và cùng với đó là sự phát
triển khơng ngừng của khoa học công nghệ cho ra đời nhiều siêu máy tính để phục
vụ cho một khối lượng tính tốn khổng lồ (như máy tính lượng tử) và được cung
cấp trang bị, lập trình trước bằng những thuật tốn hiệu quả có hiệu suất cao hơn.
Do đó, đã có những nghiên cứu đáng chú ý gần đây về khả năng cơ bản của
lớp vật lý để cung cấp thông tin liện lạc khơng dây an tồn. Mơ hình này được gọi

là bảo mật thông tin ở lớp vật lý. Bảo mật ở lớp vật lý là một lĩnh vực nghiên cứu
mới về khả năng truyền đạt, truyền tải dữ liệu được bảo mật hoàn hảo giữa máy
thu và máy phát.

3

Luan van


Hướng tiếp cận bảo mật lớp vật lý xây dựng dựa trên lý thuyết bảo mật
thông tin, với nguyên lý cơ bản: một hệ thống truyền thơng khơng dây có khả năng
bảo mật nếu dung lượng kênh truyền hợp pháp lớn hơn dung lượng kênh truyền
bất hợp pháp.
Cách tiếp cận này tuy đơn giản nhưng hiệu quả do tập trung giải quyết vấn
đề bảo mật ngay ở mức thông tin nhằm hạn chế khả năng thu nhận thông tin bất
hợp pháp [8].
Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) là một kỹ thuật đơn giản để đạt
được hiệu quả bảo mật mà khơng cần đến các thuật tốn mã hóa phức tạp ở các
lớp trên [7]. Hình 2.1 miêu tả mơ hình bảo mật lớp vật lý đơn giản, trong đó Alice
(A) muốn giao tiếp với Bob (B) và Eva (E) muốn nghe lén thông tin mà Alice gửi
đến Bob. Giả sử, dung lượng kênh của liên kết giữa A và B là C𝐴𝐵 và dung lượng
kênh của kênh nghe lén là C𝐴𝐸 , thì dung lượng kênh bảo mật được định nghĩa như
sau.
C𝑆𝑒𝑐 = max(0, C𝐴𝐵 − C𝐴𝐸 )
={

C𝐴𝐵 − C𝐴𝐸 khi C𝐴𝐵 > C𝐴𝐸
0 𝑘ℎ𝑖
C𝐴𝐵 ≤ C𝐴𝐸

(2.1)

C𝐴𝐵
A

B

A

C𝐴𝐸

E

Hình 2.1. Mơ hình bảo mật lớp vật lý với 3 nút cơ bản
Theo như cơng thức (2.1) có định nghĩa rằng dung lượng bảo mật là một đại
lượng không âm, và khi dung lượng kênh dữ liệu lớn hơn dung lượng kênh nghe
4

Luan van


lén thì dung lượng bảo mật bằng hiệu của dung lượng kênh dữ liệu trừ đi dung
lượng kênh nghe lén.
Để so sánh cũng như đánh giá mức độ bảo mật của các hệ thống vô tuyến,
các nhà nghiên cứu đã đưa ra các thông số sau:
 Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability(SOP)) được
định nghĩa là xác suất dung lượng bảo mật nhỏ hơn một giá trị dương
cho trước 𝐶𝑡ℎ nào đó và có cơng thức như sau:
SOP = Pr (C𝑆𝑒𝑐 < 𝐶𝑡ℎ )

(2.2)

 Xác suất dung lượng bảo mật khác không (Probability of Non-Zero
Secrecy Capacity (PNSC)) là thông số bảo mật của hệ thống thể hiện
xác suất mà dung lượng Shannon của kênh truyền dữ liệu lớn hơn
kênh nghe trộm, và có cơng thức như sau:
PNSC = Pr(C𝑆𝑒𝑐 > 0 ) = Pr(C𝐴𝐵 − C𝐴𝐸 > 0 )
= Pr(C𝐴𝐵 > C𝐴𝐸 )

(2.3)

Dung lượng bảo mật trung bình (Average Secrecy Capacity (ASC)): là giá
trị trung bình của dung lượng bảo mật.
ASC = ̅̅̅̅̅
C𝑆𝑒𝑐

2.2

(2.4)

VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

2.2.1 Tổng quan
Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của mạng truyền thông vô
tuyến(wireless communications) đã tăng trưởng một cách nhanh chóng. Thơng tin
vơ tuyến đã và đang phát triển mạnh mẽ, phục vụ số lượng ngày càng tăng các thiết
bị thông minh. Tuy nhiên, đi đôi với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ,
sự cạn kiệt nguồn tài nguyên về phổ tần là một vấn đề không thể tránh khỏi. Bởi
vì băng tần là tài nguyên hữu hạn, vì vậy địi hỏi các nhà nghiên cứu và các nhà
đầu tư phải đưa ra những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Năm 1998,

5

Luan van


trong một cuộc hội thảo tại Viện Cơng nghệ Hồng gia ở Stockholm, Joseph Mitola
đã đưa ra khái niệm vô tuyến nhận thức(Cognitive Radio) và được công bố năm
1999 [3].
Các mạng thông tin vô tuyến hiện nay đang ứng dụng nhiều công nghệ hiện
đại để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả bằng tần
được cấp phép. Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưa được
khai thác một cách triệt để, vẫn còn những hố phổ (những nơi chưa được khai thác,
sử dụng).

Hình 2.2: Minh họa hố phổ
Cơng nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng
phổ tần, các người dùng phụ có khả năng sử dụng phổ tần được chia sẻ mà khơng
gây nhiễu tới các người dùng chính được cấp phép. Vô tuyến nhận thức cho phép
sử dụng những phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng
trắng (Hình 2.2). Nếu phổ tần này được người dùng chính (người dùng cấp phép)
sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác
hoặc nếu vẫn ở trong cùng một phổ tần thì phải thay đổi mức cơng suất phát hoặc
sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến người dùng chính.
2.2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức.
Vô tuyến nhận thức là một mơ hình mới có khả năng tự nhận thức được các
thực thể, rất nhạy cảm với môi trường xung quanh và có khả năng tương tác với
6

Luan van

mơi trường xung quanh nhanh chóng để tự cấu hình hoặc tái thiết lập mạng, đây là
một ý tưởng hoàn tồn mới dành cho mạng vơ tuyến. Vơ tuyến nhận thức khơng
chỉ là một cơng nghệ mới, mà nó là một sự thay đổi mang tính cách mạng trong
việc sử dụng phổ tần vô tuyến. Vô tuyến nhận thức cho phép đầu cuối có thể cảm
biến, nhận biết và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất
định. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như:
J. Mitola đã định nghĩa : Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó
có thể thiết lập các thông số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi
trường biến đổi theo không gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô
tuyến.
Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà
được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay không,
và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ tạm thời
không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác”.
Còn Theo giáo sư Saymon Haykin , vô tuyến nhận thức là một hệ thống
truyền thơng vơ tuyến thơng minh có khả năng nhận biết mơi trường xung quanh
từ đó tự thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số
tương ứng (công suất phát, tần số sóng mang, phương pháp điều chế,…) trong thời
gian thực, với hai đặc tính chính:
 Sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến.
 Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm.

2.2.3 Mục tiêu của vô tuyến nhận thức
Mục đích của mạng vơ tuyến nhận thức là sử dụng hiệu quả tài nguyên bao
gồm tần số, thời gian và công suất truyền tải. Hiệu quả trong việc sử dụng quang
phổ đang đóng vai trị ngày càng quan trọng các hệ thống truyền thơng vơ tuyến
trong tương lai vì sẽ có nhiều người dùng với các yêu cầu dịch vụ cao. Cơng nghệ
vơ tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong các hệ thống có mức ưu tiên thấp
hơn để cải thiện hiệu quả phổ bằng cách cảm nhận mơi trường phổ và sau đó phát

7

Luan van


hiện các khoảng phổ còn trống để cấp phép sử dụng. Tần số khơng sử dụng có thể
được coi như một hố phổ mà từ đó có thể được cấp cho người sử dụng phụ. Sự liên
kết trong việc sử dụng phổ vô tuyến là một trường hợp đặc biệt của mạng vơ tuyến
nhận thức. Ngồi ra, kỹ thuật vơ tuyến nhận thức có thể được sử dụng trong mạng
lưới được cấp phép để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.
2.2.4 Chức năng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính[4]. Đó là:
 Cảm biến phổ:Cảm nhận phổ tần được xác định nếu người sử dụng chính
có mặt trong dải tần. Vơ tuyến nhận thức có thể chia sẻ kết quả phát hiện của
nó với các mạng vơ tuyến khác sau khi cảm nhận. Mục tiêu của cảm nhận
phổ là xác định tình trạng phổ tần và hoạt động của người dùng chính bằng
cách phát hiện chu kỳ của băng tần gốc để việc truyền tín hiệu khơng ảnh
hưởng đến băng tần gốc.
 Quản lí phổ: Sau khi cảm biến phổ và quyết định được khoảng phổ nào
trống, mạng vô tuyến nhận thức (CR) tiến hành việc quản lí để chọn ra
khoảng phổ nào tối ưu, đáp ứng yêu cầu về chất lượng trong mạng thơng tin
nhu QoS (Quality of service). Quản lí phổ bao gồm hai chức năng nhỏ là
phân tích phổ và quyết đinh phổ.
 Phân tích phổ: tính tốn ước lượng dung lượng phổ và chất
lượng những hố phổ tốt nhất. Một trong những nhiệm vụ quan trọng
của chức năng phân tích phổ là tính tốn ước lượng dung lượng phổ.
Một phương pháp ước lượng dung lượng phổ được đề cập đến dựa
vào băng thông và công suất truyền cho phép. Theo đó, dung lượng
phổ được tính như sau.

8

Luan van


𝐶 = 𝐵log(1 +

𝑆
)
𝑁+1

(2.5)

Trong đó B là băng thơng, S là cơng suất tín hiệu nhận từ CR
user, N là công suất nhiễu của bộ nhận, và I là công suất nhiễu xuyên
kênh tại bộ nhận CR bị gây ra bởi sự truyền dẫn của PU. Tuy nhiên,
ngoài dung lượng ra, chúng ta còn chú ý đến những yếu tố khác như
thời gian trễ, tốc độ lỗi liên kết và thời gian chiếm giữ cũng ảnh
hưởng đến chất lượng của dịch vụ. Hơn nữa, dung lượng thì cũng
liên quan đến cả nhiễu liên kênh và suy hao. Cho đến ngày nay, việc
phân tích và mơ hình hố của phổ trong hệ thống CR thì đang được
phát triển. Thế nhưng, để tìm ra một khoảng phổ thích hợp cho nhiều
ứng dụng khác nhau, đòi hỏi chúng ta cần phải mở thêm nhiều nghiên
cứu về các dải phổ và kết nối tất cả các thơng số đặc trưng của nó để
đưa ra quyết định hợp lý.
 Quyết định phổ: Dựa trên những yêu cầu của người sử dụng thì tốc
độ của dữ liệu, tốc độ lỗi có thể chấp nhận được, giới hạn trễ, cách
thức truyền dẫn tín hiệu và băng thơng của sự truyền dẫn có thể xác
định được. Sau đó,theo luật quy định, các thiết lập cho dải phổ tương
thích cũng có thể được chọn.

 Linh hoạt phổ: CR có thể linh hoạt thay đổi tần số đang sử dụng để chuyển
qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiện được chất lượng mạng thông
tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể.
 Chia sẽ phổ: trong mạng hệ thống CR chia sẽ phổ có thể được coi tương tự
như sự điều khiển truy cập bắt buộc (MAC). Khi các người dùng (hệ thống)
thứ cấp luôn cố gắng truy cập vào các dải phổ trống, do đó cần thiết phải điều
phối các truy cập để tránh sự xung đột trong những phần phổ chồng lấn lên
nhau.

2.2.5 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức

9

Luan van


Có ba loại mơ hình cho mạng vơ tuyến nhận thức[5], bao gồm dạng nền
(Underlay), dạng chồng chập (Overlay) và đang xen (Interweave).
 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng nền (Underlay).
Trong mơ hình này thì người dùng thứ cấp có thể sử dụng chung tần số
với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiểu của người dùng thứ cấp tới người
dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép. Để làm được điều này thì cơng suất phát
của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời hiệu năng của mạng thứ cấp cũng
giảm theo. Trong mơ hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp
phải điều chỉnh công suất sao cho thỏa mãn mức giao thoa định mức tối đa được
quy định bởi mạng sơ cấp. Trong thực tế, thông tin kênh truyền này có độ trễ và
có lỗi dẫn đến hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại
người dùng sơ cấp[6].

Hình 2.3 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng nền

(Underlay).
 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng đan xen (Interweave).
Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen là mơ hình hoạt động dựa trên
khái niệm lỗ phổ dưới dạng không gian và thời gian như mơ tả trong (Hình 2.4),
nghĩa là người dùng thứ cấp sẽ thăm dò sự hiện diện của người dùng sơ cấp và
10

Luan van


sẽ phát dữ liệu nếu người dùng thứ cấp phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm
bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu của hệ thống. Do đó người dùng thứ cấp sẽ
không can nhiễu tới người dùng sơ cấp.

Hình 2.4: Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen.
Nhược điểm của mơ hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian
thực do hoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của
hệ thống sơ cấp. Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo
hoạt động khi mà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục. Do đó, việc kết hợp mơ
hình đan xen với mơ hình dạng nền, cịn gọi là mơ hình lai, là một giải pháp hữu
hiệu.
 Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng chồng chập (Overlay).
Trong mơ hình này, mạng sơ cấp và thứ cấp hoạt động trên cùng
băng tần với giả định rằng hai mạng phải trao đổi thông tin và kết hợp lẫn
nhau để loại bỏ/tránh can nhiễu giữa hai mạng bằng các kỹ thuật xử lý tín
hiệu phức tạp, ví dụ dirty code[7]. Nhờ sự cộng tác này, hiệu năng của mạng sơ
cấp tăng lên, trong khi đó nút phát thứ cấp có cơ hội để truyền những tín hiệu
của chúng đến bộ thu thứ cấp mong muốn.

11

Luan van


Trong ba dạng mơ hình thì dạng nền nhận được nhiều sự quan tâm của các
nhà khoa học nghiên cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho phép các mạng
sơ cấp và mạng thứ cấp có thể tiến hành song song hai hoạt động truyền và phát.

2.3 TỔNG QUAN VỀ NOMA VÀ SIC
2.3.1 Kỹ thuât đa truy cập phi trực giao NOMA
NOMA (Non- Orthogonal Multiple Access) kỹ thuật đa truy cập phi trực giao
là một kỹ thuật đa truy cập được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất phổ của mạng thông
tin di động[8].
Khác với các kỹ thuật đa truy cập khác suất hiện trước đó trong thông tin di
động chủ yếu thực hiện đa truy cập dựa vào miền thời gian, miền tần số hay số hóa
thì NOMA sử dụng miền cơng suất để thực hiện đa truy cập.
NOMA là có những tín hiệu khác biệt đáng kể về cơng suất. Sau đó cách ly
hồn tồn tín hiệu mức cao tại máy thu rồi triệt tiêu nó chỉ để lại tín hiệu mức thấp.
Theo cách này, NOMA khai thác được sự khác biệt về độ suy hao giữa những
người dùng. Mặc dù, nó cần phải xử lý cơng suất bổ sung trong máy thu.
Nhìn vào NOMA chi tiết hơn một chút, tính phi trực giao được giới thiệu một
cách có chủ ý về miền thời gian, miền tần số hoặc số hóa. Sau đó tín hiệu nhận đã
tách kênh thu được do sự chênh lệch công suất giữa hai người dùng. Để trích xuất
tín hiệu, khữ giao thoa một cách tuần tự (SIC) được sử dụng trong máy thu. Độ lợi
kênh bao gồm các yếu tố độ suy hao kênh truyền và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
giữa các người dùng. Mặc dù chia sẻ năng lượng làm giảm công suất được phân
bổ cho mỗi người dùng, cả người dùng với độ lợi kênh truyền cao và người dùng
với độ lợi kênh truyền thấp đều được hưởng lợi bằng cách lênh lịch thường xuyên
hơn và được chỉ định thêm băng thông. Điều này cho phép NOMA cải thiện hiệu
suất hệ thống và phân bổ công bằng cho tất cả người dùng.

Khái niệm NOMA có thể được sử dụng trong một loạt các hệ thống không
dây và gần đây đã được mở rộng cho nhiều ứng dụng. NOMA đường lên được đề
xuất có thể đạt được tỷ lệ lỗi bit rất gần với hệ thống đa truy cập phân chia tần số
trực giao (OFDMA) nhưng với hiệu suất phổ cao hơn, việc áp dụng NOMA trong
12

Luan van


các mạng vô tuyến nhận thức dạng nền quy mô lớn với người dùng được triển khai
ngẫu nhiên đã được nghiên cứu sử dụng phương pháp hình học ngẫu nhiên. NOMA
cũng được đề xuất cho hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO). Hơn nữa,
NOMA cũng được mở rộng trong hợp tác, tức người dùng trong điều kiện kênh tốt
có thể được sử dụng làm chuyển mạch trung gian cho người dùng khác trong điều
kiện kênh kém.
Ngoài phương pháp đa truy cập phi trực giao này, nhiều đa truy cập phi trực
giao khác có thể hổ trợ nhiều kết nối hơn các hệ thống khác và điều này sẽ trở nên
đặc biệt hữu dụng trong quan điểm về sự gia tăng lớn mạnh về khả năng kết nối
cho mạng 5G.

2.3.2 Kỹ thuật loại bỏ giao thoa một cách tuần tự (SIC)
Trong kỹ thuật NOMA đã trình bày ở trên có sữ dụng một kỹ thuật để để giải
mã tín hiệu ở máy thu đó là kỹ thuật loại bỏ giao thoa một cách tuần tự. Với kỹ
thuật này máy thu có thể nhận nhiều dữ liệu khác nhau, vì vậy sẽ nâng cao tốc độ
truyền nhận dữ liệu trong hệ thống [9].
Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự (SIC)[10] được sử dụng
trong NOMA để giải mã tín hiệu của từng UE. Trong NOMA, cơng suất được phân
bổ cho UE nằm xa trạm gốc nhất và công suất nhỏ dành cho UE gần gốc nhất.
Trong mạng tất cả UE đều nhận được cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả
người dùng. Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu

giải mã từ tín hiệu nhận được. SIC sẽ nhận và lặp lại phép trừ cho đến khi nó tín
thấy tín hiệu riêng của nó. UE nằm gần với trạm gốc có thể loại bỏ tín của UE ở
xa.

13

Luan van


Hình 2.5: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC
Trong hình 2.5 nguồn phát hai tín hiệu cho hai UE cùng lúc có cùng tần số
và cùng bằng thơng, tại mỗi UE tín hiệu nhận được gồm cả hai tín hiệu trên, UE
sẽ giải mã tín hiệu mạnh trước và xem tín hiệu cịn lại là nhiễu. Sau khi được giải
mã thành cơng, nó sẽ bị loại trừ ra. Lúc này chỉ cịn lại một tín hiệu. Đối với có
nhiều UE thì q trình SIC sẽ lặp lại cho đến khi giải mã được tín hiệu mong
muốn[11].
2.4. LÝ THUYẾT VỀ MẢNG ANTEN
Mảng anten là một hệ thống gồm nhiều anten đặt gần nhau, cách nhau một
khoảng cách nhau nhằm tạo ra chùm bức xạ cho mảng khác nhau ở những vị trí
khác nhau [12]. Mảng anten có nhiều loại khác nhau hai chiều, một chiều, tuyến
tính, khơng tuyến tính… [12]. Trong nghiên cứu này, mảng anten được xem xét là
mảng tuyến tính: gồm các anten sắp xếp trên 1 đường thẳng, được cấp dòng bằng
nhau về biên độ (khác nhau về pha), khi đó trường gây ra tại vùng xa của hệ thống
này là [12]:
ET = Eref*AF

14

Luan van