Nghiên Cứu Sự Đánh Đổi Giữa Bảo Mật Và Xác Suất Dừng Của Mạng Chuyển Tiếp Đa Chặng M2M Trong Môi Trường Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền (LV thạc sĩ)

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

VŨ TIẾN TRỰC

NGHIÊN CỨU SỰ ĐÁNH ĐỔI GIỮA BẢO MẬT
VÀ XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP
ĐA CHẶNG M2M TRONG MÔI TRƯỜNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2017


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

VŨ TIẾN TRỰC

NGHIÊN CỨU SỰ ĐÁNH ĐỔI GIỮA BẢO MẬT VÀ XÁC SUẤT
DỪNG CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG M2M TRONG
MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2017


i

LỜI CẢM ƠN
------Tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS. Trần Trung Duy đã trực tiếp hướng dẫn
khoa học để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô công tác tại Học Viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, những người đã truyền đạt các kiến thức quý báu,
các phương pháp nghiên cứu cho tôi trong thời gian học tại Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, cùng với bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn.

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Vũ Tiến Trực


ii

LỜI CAM ĐOAN
------Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Vũ Tiến Trực


iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ii
TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................................vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................... 2
1.1

Mạng chuyển tiếp ............................................................................................... 2

1.1.1

Giới thiệu ......................................................................................................... 2

1.1.2

Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng. ................................................................ 4

1.2

Mạng truyền thông M2M ................................................................................... 6

1.2.1

Giới thiệu mạng truyền thông M2M ............................................................... 6

1.2.2

Mạng IoT ......................................................................................................... 7

1.3

Vô tuyến nhận thức............................................................................................. 8

1.3.1

Giới thiệu ......................................................................................................... 8

1.3.2

Các mô hình trong vô tuyến nhận thức ......................................................... 10

1.4

Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) .................................................. 12

1.4.1

Giới thiệu ....................................................................................................... 12

1.4.2

Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý ..................................................... 13

1.5

Tổng quan về đề tài và chọn đề tài ................................................................... 15

1.6

Các nghiên cứu liên quan ................................................................................. 17

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 18
2.1

Mô hình hệ thống .............................................................................................. 18

2.2

Xây dựng biểu thức SNR cho kênh thông tin và kênh nghe lén ...................... 20

2.3

Sự đánh đổi giữa bảo mật và chất lượng dịch vụ ............................................. 22

2.4

Mô hình kênh truyền Rayleigh fading và Rayleigh fading đôi ........................ 22


iv

2.5

Đánh giá OP và IP ............................................................................................ 26

2.5.1 Tính chính xác OP ............................................................................................. 26
2.5.2 Tính chính xác IP ............................................................................................... 29
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN ................................................................... 31
3.1

Mô phỏng Monte Carlo .................................................................................... 31

3.2

Kết quả phân tích và mô phỏng ........................................................................ 32

3.3

Các kết quả đạt được ........................................................................................ 39

3.4

Kết luận............................................................................................................. 40

3.5

Hướng phát triển đề tài ..................................................................................... 41

PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 49

v

TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ

TIẾNG VIỆT

SC

Selection Combining

Lựa chọn kết hợp

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

CDF

Cumulative Distribution Function Hàm phân bố xác suất

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ phân bố xác suất

RN

Relay Network

Mạng chuyển tiếp

M2M

Mobile – to – Mobile

Di động tới di động


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp. ............................................................................. 2
Hình 1.2 : Mạng chuyển tiếp 2 chặng. ............................................................................. 5
Hình 1.3 : Mạng chuyển tiếp đa chặng. ........................................................................... 5
Hình 1.4 : Mô hình mạng M2M trong nhà. ...................................................................... 6
Hình 1.5 : Phổ đang sử dụng và phổ truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian
và tần số. ......................................................................................................................... 10
Hình 1.6 : Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản. .............................................................. 12
Hình 1.7: Sự đánh đổi giữa IP/OP trên kênh truyền fading Rayleigh. .......................... 14
Hình 2.1 : Mô hình hệ thống khảo sát. ........................................................................... 18
Hình 3.1: Kiểm chứng hàm CDF trong công thức (2.20) bằng mô phỏng Monte Carlo.
........................................................................................................................................ 31
Hình 3.2: Xác suất dừng (OP) là một hàm của I max (dB)............................................. 33
Hình 3.3 : Xác suất chặn (IP) là một hàm của I max (dB). ............................................. 34
Hình 3.4: Xác suất dừng (OP) là một hàm của N. ......................................................... 34
Hình 3.5: Xác suất chặn (IP) là một hàm của N. ............................................................ 35
Hình 3.6: Xác suất dừng (OP) là một hàm của M. ......................................................... 36
Hình 3.7: Xác suất chặn (IP) là một hàm của M. ........................................................... 37
Hình 3.8: Xác suất dừng (OP) và xác suất chặn (IP) là một hàm của  . ...................... 38
Hình 3.9: Sự đánh đổi giữa bảo mật và xác suất dừng. ................................................. 39


1

MỞ ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, các thiết bị di động đang dần thay thế các thiết bị cố
định. Do đó, các hệ thống truyền thông phải đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các
thiết bị di động. Để đáp ứng nhu cầu này, các hệ thống truyền thông không dây càng
phải phát triển và nâng cao hiệu năng mạng. Bên cạnh đó vấn đề bảo mật cũng ngày
càng được quan tâm nhiều hơn. Thế nên kỹ thuật bảo mật lớp vật lý (tên Tiếng Anh:
Physical Layer Security) [1-3] đã dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên
cứu. Bảo mật lớp vật lý (PLS) là một kỹ thuật đơn giản, sử dụng các tính chất vật lý
của kênh truyền như khoảng cách, thông tin trạng thái kênh truyền để đạt được hiệu
quả bảo mật
Để nâng cao hiệu năng của các mạng truyền thông vô tuyến, mạng chuyển tiếp
(Relay Networks) đã thật sự trở thành một kỹ thuật hiệu quả và ngày càng trở nên phổ
biến [4]. Việc bảo mật lớp vật lý trông môi trường chuyển tiếp đa chặng càng được chú
trọng. Không những thế thì mạng truyền thông M2M (mobile – to – mobile ) cũng
đang trên đà phát triền. Vì thế tôi muốn tìm hiểu về bảo mật lớp vật lý của mạng
chuyển tiếp đa chặng M2M. Và để khắc phục sự cạn kiệt nguồn tài nguyên về phổ tần
thì Mitola đã đề xuất phương pháp với tên gọi Cognitive Radio (tạm dịch là Vô tuyến
Nhận thức) [5].
Nội dung chính của luận văn sẽ nghiên cứu nghiên cứu sự đánh đổi giữa bảo
mật và xác suất dùng của mạng chuyển tiếp đa chặng M2M trong môi trường vô tuyến
nhận thức dạng nền.
Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1 – Lý thuyết tổng quan
Chương 2 – Mô hình hệ thống
Chương 3 – Kết quả và kết luận


2

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Mạng chuyển tiếp
1.1.1 Giới thiệu
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến ngày càng phát triển. Bên cạnh đó nhu cầu sử
dụng thiết bị di động cũng tăng theo. Thiết bị có dây đang dần được thay thế. Vấn đề
kết nối được đặt lên hàng đầu. Nhưng bên cạnh đó khả năng phủ sóng của các thiết bị
vẫn đang bị hạn chế và hiệu suất chưa cao. Vì thế các nhà nghiên cứu đã tiến hành phát
triển mạng chuyển tiếp để mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ
liệu thông qua sự truyền/nhận ở những khoảng cách ngắn, giảm công suất phát khi so
sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích.
Mạng vô tuyến chuyển tiếp được sử dụng phổ biến để giảm bớt ảnh hưởng của hiện
tượng fading và tăng cường khả năng bao phủ. Trong những mô hình như vậy, nút
chuyển tiếp có nhiệm vụ giúp đỡ các nút nguồn chuyển tiếp dữ liệu nguồn đến đích
mong muốn.

Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp

Mạng chuyển tiếp là một mạng lưới thường được sử dụng trong mạng không dây, nơi
mà nút nguồn và nút đích kết nối với nhau bằng các nút chuyển tiếp trung gian. Trong
một mạng lưới như vậy thì nút ngồn và đích không thế kết nối trược tiếp với nhau được


3

bởi vì khoảng cách giữa chúng lớn hơn phạm vi truyền. Do đó cần thêm nút trung gian
để chuyển tiếp.
Mạng chuyển tiếp là một phương pháp rất hiệu quả để thiết lập kết nối giữa các nút
mạng khi mà truyền thông theo đường truyền trực tiếp là không thể hoặc do hiệu suất
của công suất là không tối ưu. Trong mạng chuyển tiếp thì dữ liệu được truyền từ nút
đính tới nút nguồn sẽ đi qua một hoặc nhiều nút trung gian (Relay) để đảm bảo dữ liệu

được truyền tới nút đích. (xem hình 1.1).
Một mạng chuyển tiếp thì gồm ba thành phần chính là :
 Nút nguồn : nút này là nút gửi dữ liệu đi tới nút đích. Và muốn tới được nút đích
thì nó gửi dữ liệu thông qua các nút chuyển tiếp.
 Nút chuyển tiếp : các nút này có nhiệm vụ chuyền tiếp dữ liệu từ nút nguồn gửi
tới. Chúng chuyền tiếp dữ liệu thông qua các nút chuyển tiếp khác để tới được
nút đích, sẽ có một hoặc nhiều nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp có thể dùng kỹ
thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF).
 Nút đích : là nút mà nguồn muốn truyền dữ liệu tới. Nó sẽ nhận dữ liệu từ các
nút chuyển tiếp gửi tới.
Trong mạng chuyển tiếp thì dữ liệu được truyền đi tuần tự theo mỗi chặng. Như đã
nêu ở trên thì nút chuyển tiếp sẽ sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc
giải mã và chuyển tiếp (DF). Trong kỹ thuật AF, mỗi nút chuyển tiếp sẽ nhận dữ liệu từ
các nút chuyển tiếp hoặc từ nút ngồn, sau đó khuếch đại tín hiệu nhận được (trong đó
có cả nhiễu trên được truyền) và gửi tín hiệu đã khuếch đại đi tới nút chuyển tiếp tiếp
theo hoặc nút đích. Ta thấy được với kỹ thuật AF thì tín hiệu sẽ luôn được gửi đi và
bảo đảm rằng nút đích sẽ nhận được tín hiệu. Tuy nhiên tín hiệu nhận được ở nút đích
và các nút chuyển tiếp khác sẽ không được bảo đảm bởi vì khi khuếch đại tín hiệu cũng
đồng nghĩa với việc khuếch đại nhiệu, và nó được tích lũy thêm khi tín hiệu được
chuyền đi qua các chặng. Đối với kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ


4

nguồn hoặc các nút chuyển tiếp khác, sau đó tại mỗi nút chuyển tiếp sẽ giải mã tín hiệu
nhận được từ nút trước đó và gửi tín hiệu đã giải mã tới nút tiếp theo. Do đó tín hiệu
nhận được ở nút đích sẽ bảo đảm được chất lượng và khắc phục được việc tích lũy
nhiễu của kỹ thuật AF. Tuy nhiên trong kỹ thuật DF nếu một nút nào đó trên đường
truyền bị mất dữ liệu hoặc giải mã không thành công thì nút đích sẽ không nhận được
dữ liệu. Hay nút đích chỉ nhận được dữ liệu nếu dữ liệu trên tất cả các chặng được

truyền đi thành công. Trong luận văn thì chúng ta sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển
tiếp (DF).
 Ưu điểm của mạng chuyển tiếp :
-

Tăng khoảng cách phủ sóng của nút nguồn, có thể truyền dữ liệu tới nút đích
ở khoảng cách xa hơn.

-

Tăng sự ổn định của quá trình truyền dữ liệu bằng cách chuyền dữ liệu ở các
chặng ngắn tới các nút chuyển tiếp.

-

Giảm công suất phát cho các nút trung gian.

-

Tăng tốc đố truyền dữ liệu.

-

Tăng lưu lượng kênh truyền và cân bằng tải.

 Nhược điểm của mạng chuyển tiếp :
-

Tăng thời gian trễ.

-

Sẽ không hiệu quả nếu khu vực có mật độ các nút chuyển tiếp nhỏ.

1.1.2 Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng.
Chuyển tiếp hai chặng là mạng chuyển tiếp gồm có một nút nguồn, một nút chuyển
tiếp và một nút đích (xem hình 1.2).


5

Hình 1.2 : Mạng chuyển tiếp 2 chặng

Đối với chuyển tiếp hai chặng thì chúng ta chỉ có hai chặng là dữ liệu từ nút nguồn
tới nút chuyển tiếp SR và một chặng từ nút chuyển tiếp tới nút đích RD. Trong luận
văn này chúng ta sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF). Do đó nút chuyển tiếp
nhận dữ liệu từ nút nguồn sau đó giải mã tín hiệu và chuyển tới nút đích. Nút đích sẽ
không nhận được dữ liệu nếu một trong hai chặng không chuyền dữ liệu thành công
hoặc nút chuyển tiếp không giải mã thành công được dữ liệu.
Mạng chuyển tiếp đa chặng là mạng chuyển tiếp gồm có một nút nguồn, một nút đích
và nhiều nút chuyển tiếp (xem hình 1.3).

Hình 1.3 : Mạng chuyển tiếp đa chặng

Đối với mạng chuyển tiếp đa chặng như hình 1.3 ta có M chặng với M-1 nút chuyển
tiếp là T1 , T2 , …, TM 1  M  1 . Với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp thì dữ liệu từ nút
nguồn T0 được truyền tới nút chuyển tiếp T1 . Tại đây T1 giải mã dữ liệu nhận được từ


6

nút nguồn T0 sau đó truyền dữ liệu đã giải mã được tới nút chuyển tiếp tiếp theo là T2 .
Tương tự như T1 thì nút chuyển tiếp T2 cũng giải mã tín hiệu nhận được và truyền đi
nút chuyển tiếp tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho tới khi dữ liệu được gửi tới
nút đích TM . Nút đích sẽ không nhận được dữ liệu thành công nếu một chặng bị mất dữ
liệu hoặc không giải mã được dữ liệu.

1.2 Mạng truyền thông M2M
1.2.1 Giới thiệu mạng truyền thông M2M

Hình 1.4 : Mô hình mạng M2M trong nhà

Ngày nay, mạng truyền thông M2M ngày càng được dành nhiều sự quan tâm và phát
triển ngày càng mạnh mẽ. Trong mạng M2M, thì các thiết bị đầu cuối là các thiết bị di
động và được kết nối để truyền tín hiệu. Ví dụ các thiết bị này là máy móc di chuyển,
xe cộ, các thiết bị cảm biến chuyển động hoặc các thiết bị di động cầm tay. Nói chung


7

ngày may mọi thiết bị công nghệ cao có thể được thiết kế chở thành một thành phần
trong mạng truyền thông M2M.
Trong mô hình mạng M2M trong nhà ta thấy được tất cả các thiết bị vật dụng trong
nhà đều được kết nối với nhau qua mạng vô tuyến. Chúng được kết nối, phân tích cũng
như điều khiển. Như mô hình trên ta thấy đối với thiết bị trong nhà như bóng đèn chiếu
sáng, máy lạnh điều hòa chúng ta có thể điều khiển của như cảm biến trang thái của
thiết bị. Đối với camera hay vấn đề an ninh cảnh báo cũng được giám sát và phân tích.
Ta thấy rằng mọi thiết bị đều được kết nối với nhau và truyền thông tin qua mạng
không dây.
Ở trên là ví dụ về mạng M2M trong nhà. Mạng M2M còn được phát triển và có nhiều

ứng dụng khác nhau và các ngành nghề khác nhau. Như giao thông, dự báo thời tiết,
các mạng cảm biết không dây để thu thập thông tin, giám sát môi trường. Về quân sự
an ninh cũng được phát triển. Về công nghiệp ta có phân bổ năng lượng và chức năng
trong công nghiệp. Về ý tế và sức khỏe cũng được phát triển với như thiết bị thông
minh cảnh báo sức khỏe như đồng hồ thông minh, và còn nhiều ứng dụng khác để phục
vụ cuộc sống nữa.

1.2.2 Mạng IoT
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt
là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ
vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả
năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến
sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển
từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn
giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế
giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.


8

Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở
trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế
khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một
địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoT
là những liên kết (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng
dầu. Khả năng sản phẩm được tích hợp M2M thường được xem như là thông minh.

1.3 Vô tuyến nhận thức
1.3.1 Giới thiệu
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. Thông tin vô 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 đòi 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 1999, Mitola đã đề xuất
phương pháp với tên gọi Cognitive Radio (tạm dịch là Vô tuyến Nhận thức) [5]. Trong
kỹ thuật này, người sử dụng phổ tần được phân thành hai nhóm: nhóm sơ cấp
(Primary) và nhóm thứ cấp (Secondary). Những người dùng thuộc nhóm thứ nhất
(người dùng sơ cấp) được cấp phép sử dụng phổ tần và những người dùng này có
quyền sử dụng băng tần bất cứ lúc nào. Trong khi đó, những người dùng trong nhóm
thứ cấp không có bản quyền sử dụng tần số, và những người dùng này chỉ có thể sử
dụng những tần số nếu chúng không đang bị chiếm dụng bởi những người dùng sơ cấp
hoặc người dùng sơ cấp có thể chia sẽ phổ tần hoặc một phần phổ tần cho những người
dùng thứ cấp. Một trong những mô hình chia sẽ phổ tần thu hút được nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu là mô hình chia sẽ phổ tần dạng nền (Underlay) [6], [7].
Trong mô hình Underlay, người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với


9

người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ
cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Tuy nhiên, trong
khi những người dùng thứ cấp đang cố gắng sử dụng một cách hiệu quả nhất các phổ
tần được chia sẻ thì việc bảo mật trong hệ thống này vẫn chưa nhận được sự quan tâm
một cách đầy đủ.
J. Mitola đã định nghĩa [5] : “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.”
Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến nhận

thức như sau: “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện
nhạy bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần
thiết) các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống được
cấp phép khác.” Trích dẫn [5].
Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh hiện nay,
công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi người dùng
sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến. Qua các định nghĩa cốt
lõi trên ta có thể tóm tắt lại:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số truyền, dựa
vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh. Trích dẫn [5].


10

Hình 1.5 : Phổ đang sử dụng và phổ truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và
tần số

1.3.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức ra đời giùm cho việc quản lý phổ tầng tối ưu hơn, giải quyết
được nhiều hạn chế trong phương pháp quản lý trước đó. Công nghệ truy nhập phổ tần
động giúp Vô tuyến nhận thức hoạt động trên phổ tần có sẵn tốt nhất. Một số kỹ thuật
được sử dụng trong vô tuyến :
-

Mô hình xen kẽ (Interweave) : Người ta sử dụng thứ cấp thăm dò sự hiện diện

của người dùng sơ cấp để sử dụng những tần số trống một cách hiệu quả và không can
nhiễu tới người dùng sơ cấp.
-

Mô hình chia sẻ tần số (Overlay) : nút phát thứ cấp đóng vai trò như những bộ

chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp. Nhờ sự cộng tác này, hiệu năng của
mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm thấy những cơ hội để
truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn.


11

-

Mô hình dạng nền (Underlay) : Trong mô hình này thì người sử dụng thứ cấp

có thể sử dụng chung tần số với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu của người dùng
thứ cấp tới người dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép. Để làm được điều này thì công
suất phát của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời hiệu năng của mạng thứ cấp
cũng giảm theo.
Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp phải điều chỉnh
công suất phát sao cho thoả mãn mức giao thoa định mức tối đa được quy định bởi
mạng sơ cấp. Khi mạng sơ cấp có nhiều nút, công suất phát tối đa mà một nút phát thứ
cấp Tm  m  1, 2,..., M  1 có thể sử dụng được đưa ra tương tự như trong tài liệu [8,
công thức (8)]:
PTm 

I th



max  Tm PUn

n 1,2,..., N



,

(1.1)

với I th là một hằng số quy định mức giao thoa tối đa,  TmPUn là độ lợi kênh truyền giữa
nút thứ cấp Tm và nút sơ cấp PUn  n  1, 2,..., N  .
Rồi thì, các nút phát Tm sẽ phải điều chỉnh công suất phát của mình để thoả mãn điều
kiện (1):
PTm 

 I th
,
max   T PU 

n 1,2,..., N

m

(1.2)

n

ở đây,   0    1 là hệ số điều khiển công suất phát tại nút Tm . Nếu   1 có nghĩa
là Tm sẽ sử dụng công suất phát tối đa có thể đạt được để truyền dữ liệu.

12

1.4 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)
1.4.1 Giới thiệu
Ngày nay mạng viễn thông ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu người dùng hệ
thống mạng vô tuyến ngày càng tăng, tạo điều kiện cho các ngày dịch vụ cũng như
nâng cao tốc độ đường truyền. Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ như vậy thì nhu cầu
chia sẻ thông tin qua mạng vô tuyến cũng vô cùng lớn. Một số thông tin nhạy cảm như
thông tin cá nhân, thông tin tài chính… Ta thấy được thật sự nguy hiểm nến thông tin
của chúng ta bị đánh cắp trên đường truyền vô tuyến. Vì thế vấn đề bảo mật được đặt
lên hàng đầu và chở nên vô cùng quan trọng khi muốn phát triển hạ tầng hay dịch vụ.
Bảo mật trong truyền thông vô tuyến đã trở thành một vấn đề được các nhà nghiên
cứu qua tâm. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến, tín hiệu được truyền đi
có thể bị nghe trộm bởi các thiết bị nghe lén. Trong thực tế có nhiều phương pháp bảo
mật và nhận dạng khác nhau, 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.

Hình 1.6 : Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Và một phương pháp được cho là ít tốn kém và không ảnh hưởng nhiều tới tốc độ dữ
liệu bảo mật lớp vật lý (Physical – layer security) được ra đời. Trong phương pháp này


13

là khai thác các tinh chất vật lý của kênh truyền vô tuyến để tăng cường hiệu quả bảo
mật mà không cần sử dụng các công cụ mã hóa.
Bảo mật lớp vật lý (Physical-layer security) là một kỹ thuật đơn giản hiệu quả mà
không cần tới các phương pháp bảo mật mã hóa dữ liệu phức tạp ở các lớp trên. Như ta

thấy ví dụ ở hình 1.6 ta có ba nút. Một nút nguồn (S) muốn truyền dữ liệu tới nút đích
(D) và xuất hiện một nút nghe lén ( E) muốn nghe lén thông tin truyền từ S qua D. Ta
có CSD là dung lượng kênh truyền giữa S tới D, và CSE là dung lượng kênh truyền giữa
S và nút nghe lén E. Thì dung lượng bảo mật của hệ thống sẽ được tính như sau :
Csec  max  0, CSD  CSE 
CSD  CSE , khi CSD  CSE

khi CSD  CSE
0,

(1.3)

1.4.2 Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý
Để đánh giá khả năng bảo mật thì ta tìm hiểu các thông số đánh giá bảo mật:
Xác suất dừng của 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 được
tính như sau :

SOP=Pr  Csec  Cth  .

(1.4)

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 truyền nghe trộm, và được tính như sau :
PNSC  Pr  Csec  0   Pr  CSD  CSE  0 
 Pr  CSD  CSE  .

Dung lượng bảo mật trung bình: là giá trị trung bình của dung lượng bảo mật:

(1.5)


14

Csec  E Csec  ,

(1.6)

với E 
. là toán tử kỳ vọng toán học.
Tuy nhiên, các hiệu năng bảo mật ở trên không quan tâm đến khả năng giải mã của
nút đích cũng như nút nghe lén. Trong các tài liệu [9], [10], các tác giả nghiên cứu sự
đánh đổi giữa xác suất dừng (Outage Probability (OP)) xảy ra tại nút đích D và khả
năng nghe lén tại nút nghe lén E (Intercept Probability (IP)).
Xác suất dừng (OP) là xác suất mà dung lượng Shannon của kênh dữ liệu nhỏ hơn
một ngưỡng xác định trước:

OP=Pr  CSD  Rth  .

(1.7)

Xác suất chặn hay xác suất mà nút nghe lén có thể giải mã thành công dữ liệu nghe lén
được định nghĩa như sau:

IP=Pr  CSE  Rth  .

Hình 1.7: Sự đánh đổi giữa IP/OP trên kênh truyền fading Rayleigh

(1.8)

15

Hình vẽ 1.7 cho thấy sự đánh đổi giữa các giá trị OP và IP, cụ thể để đạt được giá trị
OP thấp, hệ thống phải chịu một ngưỡng chặn IP lớn và ngược lại. Do đó, việc nghiên
cứu sự đánh đổi giữa các giá trị OP và IP sẽ phục vụ cho việc thiết kế các hệ thống
truyền thông vô tuyến, với sự xuất hiện của các nút nghe lén.

1.5 Tổng quan về đề tài và chọn đề tài
Gần đây, các nhà nghiên cứu trong nước và quốc tế dành sự quan tâm đặc biệt đến kỹ
thuật bảo mật lớp vật lý (tên Tiếng Anh: Physical Layer Security) [1], [2], [3]. Bảo mật
lớp vật lý (PLS) là một kỹ thuật đơn giản, sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền
như khoảng cách, thông tin trạng thái kênh truyền để đạt được hiệu quả bảo mật.
Để nâng cao hiệu năng của các mạng truyền thông vô tuyến, mạng chuyển tiếp
(Relay Networks) đã thật sự trở thành một kỹ thuật hiệu quả và ngày càng trở nên phổ
biến [4]. Thật vậy, với việc sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp dữ liệu từ nút
nguồn đến nút đích, mạng chuyển tiếp có thể mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy
cho việc truyền dữ liệu thông qua sự truyền/nhận ở những khoảng cách ngắn, giảm
công suất phát khi so sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích. Gần đây, mạng
chuyển tiếp đã được áp dụng một cách có hiệu quả nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật
của các hệ thống truyền thông vô tuyến [11], [12]. Hơn thế nữa, các tác giả trong các
tài liệu tham khảo [13], [14] cũng đã xem xét các mô hình bảo mật lớp vật lý trong môi
trường chuyển tiếp đa chặng. Bởi vì mạng chuyển tiếp có thể được sử dụng để nâng
cao hiệu năng bảo mật của hệ thống, cho nên đây cũng là lý do để Học viên tìm hiểu,
đề xuất và đánh giá hiệu năng của những mạng chuyển tiếp đa chặng trong “Bảo mật
lớp vật lý”.
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. Thông tin vô tuyến
đã và đang phát triển mạnh mẽ, phục vụ số lượng ngày càng tăng các thiết bị thông

16

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 đòi 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 1999, Mitola đã đề xuất
phương pháp với tên gọi Cognitive Radio (tạm dịch là Vô tuyến Nhận thức) [5]. Trong
kỹ thuật này, người sử dụng phổ tần được phân thành hai nhóm: nhóm sơ cấp
(Primary) và nhóm thứ cấp (Secondary). Những người dùng thuộc nhóm thứ nhất
(người dùng sơ cấp) được cấp phép sử dụng phổ tần và những người dùng này có
quyền sử dụng băng tần bất cứ lúc nào. Trong khi đó, những người dùng trong nhóm
thứ cấp không có bản quyền sử dụng tần số, và những người dùng này chỉ có thể sử
dụng những tần số nếu chúng không đang bị chiếm dụng bởi những người dùng sơ cấp
hoặc người dùng sơ cấp có thể chia sẽ phổ tần hoặc một phần phổ tần cho những người
dùng thứ cấp. Một trong những mô hình chia sẽ phổ tần thu hút được nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu là mô hình chia sẽ phổ tần dạng nền (Underlay) [6], [7].
Trong mô hình Underlay, người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với
người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ
cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Tuy nhiên, trong
khi những người dùng thứ cấp đang cố gắng sử dụng một cách hiệu quả nhất các phổ
tần được chia sẻ thì việc bảo mật trong hệ thống này vẫn chưa nhận được sự quan tâm
một cách đầy đủ. Đó cũng là lý do mà Học viên mong muốn nghiên cứu vấn đề bảo
mật (lớp vật lý) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền.
Ngày nay, mạng truyền thông M2M (Mobile-to-Mobile) cũng dành được nhiều sự
quan tâm. Trong mạng M2M, các thiết bị đầu cuối là các thiết bị di động, ví dụ các
thiết bị này có thể là các máy móc di chuyển, hoặc là xe hơi, cũng có thể là các sensor
chuyển động. Các thiết bị chuyển động này được trang bị để có thể giao tiếp với nhau
bằng sóng vô tuyến. Việc sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức cho sự truyền thông

M2M [15], [16], [17] cũng đang là một hướng nghiên cứu mới hiện nay. Đây cũng là lý


17

do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng, trong việc định hướng hướng
nghiên cứu của đề tài theo các chủ đề đang “nóng” hiện nay.

1.6 Các nghiên cứu liên quan
Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, cho đến nay chỉ có một vài công trình
nghiên cứu hiệu năng của mạng chuyển tiếp M2M hoạt động trong môi trường vô
tuyến nhận thức dạng nền, tiêu biểu là các công trình [16] và [17]. Tuy nhiên, các công
trình này chỉ nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng trong mạng chuyển tiếp hai chặng
(dual-hop networks). Trong đề tài này, những điểm mới và điểm khác biệt so với các
công trình khác, có thể được liệt kê như sau:
-

Điểm khác biệt đầu tiên so với các công trình [16] và [17] nằm ở mô hình hệ
thống. Đề tài này quan tâm đến vấn đề bảo mật lớp vật lý, khi trong hệ thống thứ
cấp xuất hiện nút nghe lén thứ cấp.

-

Với sự xuất hiện của nút nghe lén, đề tài nghiên cứu sự đánh đổi giữa bảo mật và
hiệu năng xác suất dừng của mạng thứ cấp trong môi trường vô tuyến nhận thức
dạng nền.

-

Đề tài xem xét mô hình chuyển tiếp đa chặng, trong đó nút nguồn thứ cấp truyền

dữ liệu đến nút đích thứ cấp thông qua nhiều nút chuyển tiếp thứ cấp, trong khi
các công trình [16] và [17] chỉ xem xét sự truyền thông hai chặng.
-

Đề tài xem xét môi trường vô tuyến nhận thức với nhiều người dùng
sơ cấp. Đây sẽ là mô hình mở rộng so với các mô hình trong [16] và
[17], mà trong đó các tác giả của các công trình [16] và [17] chỉ xét
mô hình với 01 người dùng sơ cấp.

-

Đề tài khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số quan trọng lên hiệu
năng của mạng thứ cấp, cụ thể: số chặng, số người dùng sơ cấp, vị trí
của nút nghe lén, vị trí của các nút sơ cấp ảnh hưởng như thế nào lên
hiệu năng hệ thống thứ cấp?