Đánh giá hiệu năng bảo mật hệ thông DSSC sử dụng năng lượng thu thập vô tuyến (tt)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.45 MB, 26 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------
NGUYỄN THỤY BẢO LINH
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT
CỦA HỆ THỐNG DSSC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
THU THẬP VÔ TUYẾN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8520208
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HCM - 2018
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
Phản biện 1: TS. Nguyễn Thanh Bình
Phản biện 2: PGS. TS. Hồ Văn Khương
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 06 tháng 01 năm 2018
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi mà mạng thông tin vô tuyến đang xâm nhập sâu rộng
và trở thành các công cụ đắc lực trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế - xã
hội và an ninh - quốc phòng thì các vấn đề về bảo mật và an toàn thông tin
trong mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới đang ngày càng tỏ rõ tầm quan
trọng. Do tính chất quảng bá của kênh truyền, bất kỳ người sử dụng không
dây trái phép trong phạm vi giao tiếp có thể nghe lén và giải mã các tín hiệu
truyền đi, dẫn đến bảo mật thông tin cho hệ thống thông tin vô tuyến là một
vấn đề quan trọng và đầy thử thách. Bảo mật lớp vật lý khai thác các đặc
điểm của kênh không dây nhằm cung cấp truyền dữ liệu bảo mật. Gần đây,
bảo mật lớp vật lý đã thu hút được nhiều nghiên cứu và quan tâm rất lớn.
Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong những năm gần đây đã được
những nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương án triển khai cho
công nghệ mới mẻ này trong tương lai gần. Cùng với các công nghệ mới
như “vô tuyến thông minh”, “truyền thông hợp tác” sẽ là những cơ sở tốt để
các nhà sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G
trong tương lai. Trong mạng 5G, mạng truyền thông vạn vật (Internet of
Things) là một thành phần không thể thiếu mà ở đó các hệ thống cảm biến
vô tuyến kết nối với nhau. Việc đảm bảo năng lượng cho các hệ thống cảm
biến được triển khai rộng với nhu cầu sử dụng liên tục là một thử thách lớn.
Việc sử dụng nguồn năng lượng lưu trữ từ pin, acquy có thời gian hoạt động
giới hạn và rất khó thay thế hoặc nạp lại năng lượng trong điều kiện khó
khăn như địa hình hiểm trở hoặc môi trường độc hại hoặc khí hậu khắc
nghiệt. Những khó khăn này đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu, tìm
giải pháp thay thế nguồn năng lượng hữu hạn đáp ứng nhu cầu sử dụng và
công nghệ thu thập năng lượng cho hệ thống vô tuyến được ra đời.
Trong luận văn này, học viên sẽ nghiên cứu đánh giá hiệu năng bảo
mật của hệ thống kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC có sử dụng năng
lượng thu thập vô tuyến.
Bố cục luận văn được chia làm các chương sau:
Chương 1 - Lý thuyết tổng quan
Tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật DSSC, kỹ thuật thu thập năng lượng
và bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến.
Chương 2 - Đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống DSSC sử
dụng năng lượng thu thập vô tuyến
2
Mô tả mô hình hệ thống đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng bảo
mật của hệ thống.
Chương 3 - Kết quả mô phỏng và thảo luận
Trong chương này, học viên sử dụng phương pháp mô phỏng MonteCarlo trên phần mềm Matlab để để kiểm chứng phần tính toán đưa ra ở
chương 2.
Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương này nêu các vấn đề luận văn đã làm được, đề xuất hướng
phát triển luận văn.
3
Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Các nghiên cứu liên quan
1.2 Tổng quan về kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC
1.2.1 Giới thiệu các kỹ thuật phân tập
1.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu kết hợp
1.2.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC
Để có thể đạt được phân tập không gian thông qua sử dụng truyền
chuyển tiếp là một khái niệm đầy hứa hẹn gần đây đã được phát triển để
thay thế cho các kỹ thuật phân tập phổ biến, đặc biệt là khi truyền hoặc
nhận từ nhiều ăng-ten là không khả thi. Đối với trường hợp sử dụng một nút
chuyển tiếp, một số giao thức hợp tác đã được đề xuất trong. Trong số đó,
giao thức được gọi là "relaying incremental"- “Chuyển tiếp gia tăng” cho
xác suất dừng thấp nhất bằng cách sử dụng phản hồi từ nút đích để kích
hoạt nút chuyển tiếp chỉ khi chất lượng của kênh nguồn - đích không đủ
cao. Tuy nhiên, nếu theo giao thức này thì cần phải có một bộ kết hợp tỷ số
tối đa (MRC) ở nút đích, điều này làm cho việc xây dựng hệ thống khó thực
hiện trong những trường hợp đòi hỏi phần cứng có độ phức tạp thấp.
Kỹ thuật SC khi được sử dụng cho hệ thống truyền tín hiệu liên tục
thì cần có bộ giám sát SNR để theo dõi liên tục SNR trên mỗi nhánh. Để
tránh việc sử dụng bộ giám sát trên mỗi nhánh, gây phức tạp cho hệ thống,
người ta dùng 1 kỹ thuật đơn giản hơn là “Threshold Combining”. Với kỹ
thuật này, chỉ cần giám sát SNR trên mỗi nhánh theo 1 tuần tự và khi SNR
trên nhánh nào vượt ngưỡng “ th ” thì chọn nhánh đó. Khi SNR trên nhánh
đang được chọn có SNR xuống thấp hơn ngưỡng cho trước thì bộ thu sẽ
chuyển sang nhánh khác.
Có rất nhiều tiêu chí cho bộ thu lựa chọn nhánh thu tốt và cách
đơn giản nhất là bộ thu sẽ chuyển sang 1 nhánh thu bất kì khi SNR trên
nhánh đang chọn xuống thấp dưới ngưỡng. Khi hệ thống chỉ có 2 nhánh thu
thì ta gọi đây là kỹ thuật “Switch and stay Combining” - SSC. Do tính chất
phân bố (distributed) của hệ thống truyền thông cộng tác nên kỹ thuật SSC
trong truyền thông cộng tác được gọi là kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ
phân bố (distributed Switch and stay combining (DSSC)). Đặc điểm chính
kỹ thuật DSSC là không sử dụng bất kỳ bộ kết hợp nào tại nút đích. Phân
tập không gian đạt được bằng cách sử dụng phản hồi thích hợp được gửi bởi
nút đích.
4
1.2.4 Mô hình cơ bản của kỹ thuật DSSC
1.2.4.1 Điều kiện chuyển liên kết thu
1.2.4.2 Xác suất được sử dụng của mỗi liên kết
1.2.4.3 Hiệu năng hệ thống sử dụng DSSC
Xác suất dừng (Outage Probability - OP) là xác suất mà chất lượng
tín hiệu trên kênh truyền giảm dưới một mức ngưỡng chất lượng quy định,
đó có thể là khi SNR của tín hiệu giảm dưới mức SNR cho phép, dung
lượng kênh nhỏ hơn ngưỡng cho trước hay khi tỉ số bit lỗi BER vượt quá tỉ
số BER cho phép của hệ thống.
Dung lượng kênh truyền trên liên kết trực tiếp:
CSD log 2 1 SD
(1.8)
Xác suất dừng trên liên kết trực tiếp:
Pr CSD Rth Pr SD 2Rth 1
(1.9)
Dung lượng kênh truyền trên liên kết chuyển tiếp:
1
CSRD log 2 1 SRD
2
Xác suất dừng trên liên kết chuyển tiếp:
Pr CSRD Rth Pr SRD 22 Rth 1
(1.10)
(1.11)
-Theo Định lý Bayes, Xác suất dừng hệ thống được lấy tổng từ 4
trường hợp sau:
Trường hợp 1: Đang sử dụng nhánh trực tiếp và (giữ lại nhánh
trực tiếp)
dl Pr SD th , SD 2Rth 1
(1.12)
Trường hợp 2: Đang sử dụng nhánh trực tiếp và (chuyển nhánh)
dl Pr SD th , SRD 22 Rth 1
(1.13)
Trường hợp 3: Đang sử dụng nhánh chuyển tiếp và (giữ lại nhánh
chuyển tiếp)
rl Pr SRD th , SRD 22 Rth 1
Trường hợp 4: Đang sử dụng nhánh chuyển tiếp và
(1.14)
(chuyển
nhánh)
rl Pr SRD th , SD 2Rth 1
1.3.Tổng quan về kỹ thuật thu thập năng lượng
(1.15)
5
1.3.1 Giới thiệu
1.3.2 Nguồn năng lượng RF
1.3.3 Kiến trúc mạng thu thập năng lượng RF
1.3.4 Mô hình thiết bị thu thập năng lượng RF
1.3.5 Phương pháp thu thập năng lượng RF
1.3.5.1 Chuyển mạch thời gian TS
Hình 1.6: Thu thập năng lượng theo phương pháp chuyển mạch thời
gian
Hình 1.6 mô tả thu thập năng lượng theo phương pháp Timeswitching, thời gian T được sử dụng cho thu thập năng lượng từ nguồn
với
là chỉ số thời gian thu thập năng lượng 0 1 . Thời gian
(1 )T được dùng để truyền thông tin gồm (1 )T / 2 truyền từ S đến
R và (1 )T / 2 còn lại truyền từ R đến D . Năng lượng thu hoạch trong
giai đoạn thu hoạch năng lượng được R sử dụng để chuyển tiếp các tín
hiệu từ S đến D .
Tín hiệu nhận được tại R:
yR Ps hSR x nR ,
(1.17)
Năng lượng thu hoạch được tại R:
ER Ps | hSR |2 T,
(1.18)
trong đó là hiệu suất chuyển đổi năng lượng 0 1 .
Công suất phát trung bình của nút R:
ER
PR
1
T / 2
P | h
s
SR
|2 T
1 T / 2
2
Ps | hSR |2
1
(1.19)
6
Tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu tại R
SR
Ps | hSR |2
,
N0
(1.20)
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tại D
RD
PR | hRD |2
N0
2 Ps | hSR |2 | hRD |2
1 N0
(1.21)
1.3.5.2 Chia công suất PS
1.4 Bảo mật thông tin lớp vật lý
1.4.1 Giới thiệu
1.4.2 Hiệu năng bảo mật hệ thống
Xét một hệ thống cơ bản như Hình 1.8 gồm: 1 nút nguồn S ,
truyền thông tin trên kênh chính đến nút đích D và nút nghe lén E .
Hình 1.8: Mô hình bảo mật hệ thống cơ bản
Gọi M , E lần lượt là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời của kênh
2
chính và kênh nghe lén, hM , hE
2
lần lượt là độ lợi kênh truyền: từ nút
nguồn S đến nút đích D và từ nút nguồn S đến nút đích nghe lén
E , Công suất phát từ nguồn là P .
Hiệu năng bảo mật hệ thống chủ yếu thể hiện qua 3 thông số: Dung
lượng bảo mật hệ thống, xác suất bảo mật khác không và xác suất dừng
bảo mật.
1.4.2.1 Dung lượng bảo mật hệ thống
Gọi CM , CE lần lượt là dung lượng kênh chính và kênh nghe lén.
Theo [23] ta có:
7
P hM
CM log 2 1
N0
2
log 2 1 M
(1.32)
P hE 2
log 2 1 E
CE log 2 1
(1.33)
N0
Dung lượng bảo mật của hệ thống được định nghĩa là tốc độ tối đa
hệ thống có thể truyền mà vẫn đảm bảo độ an toàn thông tin được tính bằng
hàm của dung lượng kênh chính và dung lượng kênh nghe lén.
C S C M CE
log 2 1 M log 2 1 E
(1.34)
1 M
log 2
1 E
Như vậy ta có dung lượng kênh fading được cho bởi [24] :
CS
log2 1 M log 2 1 E ,
0,
M > E
M E
(1.35)
Nếu dung lượng bảo mật kênh chính CM lớn hơn dung lượng bảo
mật kênh nghe lén C E thì ta có dung lượng bảo mật hệ thống lớn hơn 0 và
ngược lại, dung lượng bảo mật hệ thống bằng 0 nghĩa là truyền thông
không bảo mật.
1.4.2.2 Xác suất bảo mật khác không
Từ định nghĩa dung lượng bảo mật, ta có xác suất bảo mật khác
không là xác suất sao cho dung lượng kênh chính lớn hơn dung lượng kênh
nghe lén tức xác suất mà tỷ số tín hiệu trên nhiễu của kênh chính lớn hơn
kênh nghe lén. Tức là:
Pr CS 0 Pr M E
(1.36)
1.4.2.3 Xác suất dừng bảo mật
Gọi RS 0 là tốc độ bảo mật mong muốn của hệ thống. Ta định
nghĩa xác suất dừng bảo mật là xác suất mà dung lượng bảo mật CS nhỏ
hơn giá trị ngưỡng RS hay:
SOP Pr CS RS
(1.37)
8
Từ công thức tính dung lượng bảo mật ta có xác suất dừng bảo mật
như sau:
1 M
SOP Pr
2RS
(1.38)
1
E
Từ việc phân tích các thông số hiệu năng ở trên cho thấy rằng khi
tăng dung lượng kênh chính thì dung lượng bảo mật cũng tăng. Để thực
hiện điều đó ta có thể tăng công suất nguồn phát, tuy nhiên việc này cũng
vô tình làm tăng hiệu suất thu của người nghe lén. Như vậy, để đảm bảo
được độ an toàn thông tin thì hướng nghiên cứu bảo mật thông tin lớp vật lý
phải đạt yêu cầu là tối ưu hóa dung lượng kênh chính mà dung lượng kênh
nghe lén vẫn không thay đổi.
1.4.3 Bảo mật thông tin lớp vật lý tại nút chuyển tiếp.
Mô hình cơ bản của mạng chuyển tiếp bao gồm ba nút mạng: một
nút nguồn S , nút chuyển tiếp R , một nút đích D . Trong mô hình
mạng vô tuyến chuyển tiếp, nút chuyển tiếp có nhiệm vụ giúp đỡ các nút
nguồn chuyển dữ liệu nguồn đến các đích mong muốn. Trong những mạng
hai chặng thông thường, thông tin nguồn có thể được chuyển tới đích thông
qua một nút chuyển tiếp tốt nhất. Giả sử tồn tại một nút E có thể nghe lén
thông tin được truyền trong mô hình ba nút mạng ban đầu.
Hình 1.9: Mô hình hệ thống 4 nút mạng
Xem xét hệ thống gồm 4 nút (Hình 1.9): nút nguồn S , nút
chuyển tiếp R , đích D , nút nghe lén E . Giả sử truyền thông hợp tác
qua hai chặng. Chặng 1, nút nguồn truyền thông tin đến nút chuyển tiếp.
Chặng 2, nút chuyển tiếp truyền thông tin đến nút đích. Nút E nghe lén
được trên cả 2 chặng.
1.4.3.1 Giải mã và chuyển tiếp DF
9
1.4.3.2 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp RF
Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp R khi giải mã được dữ liệu từ
nút nguồn và sau đó sẽ mã hóa lại dữ liệu với một từ mã khác với từ mã của
nút nguồn. Kỹ thuật này được sử dụng để tránh nút nghe lén kết hợp dữ liệu
nhận được. Đây là một biến đổi của kỹ thuật giải mã chuyển tiếp DF: kỹ
thuật RF chỉ khác kỹ thuật DF ở chỗ các từ mã sẽ được tạo ra một cách
ngẫu nhiên tại nút chuyển tiếp.
Theo [26], truyền dữ liệu bảo mật khi cả 2 chặng đều được bảo mật.
Dung lượng bảo mật chặng 1:
1
1 SR
C1RF max 0, log 2
2
1 SE
Dung lượng bảo mật chặng 2:
,
(1.43)
1
1 RD
2
CRF
max 0, log 2
(1.44)
,
2
1 RE
Từ công thức số (6) thuộc bài báo [26], dung lượng bảo mật hệ thống
sử dụng kỹ thuật ngẫu nhiên chuyển tiếp RF có được như sau:
RF
1
2
CSec
min CRF
, CRF
1 SR 1 RD
1
log 2 min
,
2
1 SE 1 RE
,
(1.45)
10
Chương 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT
CỦA HỆ THỐNG DSSC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
THU THẬP VÔ TUYẾN
2.1 Mô hình hệ thống
Hình 2.1: Mô hình bảo mật hệ thống DSSC trong mạng thu thập năng
lượng
Trong luận văn này, tôi xem xét mô hình hệ thống như Hình 2.1, bao
gồm 1 nút nguồn S ,1 nút đích D , 2 nút chuyển tiếp ký hiệu là
R1 , R2 và 1 nút nghe lén E nghe lén thông tin từ quá trình truyền tin.
Luận văn giả định các vấn đề như sau:
Mỗi nút có 1 ăng-ten và hoạt động ở chế độ bán song công.
Hệ thống sử dụng kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố (DSSC),
nên tại mỗi thời điểm, nút đích chỉ kết nối với một kênh truyền hoặc
S R1 D hoặc S R2 D .
Không tồn tại kết nối trực tiếp từ nguồn đến đích. Đồng thời, nút
nguồn và nút đích sử dụng năng lượng từ pin, tuy nhiên hai nút chuyển tiếp
thì sử dụng năng lượng thu thập vô tuyến với cấu trúc thu thập năng lượng
thực hiện theo phương pháp chuyển mạch thời gian TS [30]. So với năng
lượng được sử dụng để truyền tin, năng lượng dùng cho xử lý yêu cầu của
truyền/nhận tiêu hao trên nút chuyển tiếp là không đáng kể, có thể bỏ qua.
11
Quá trình truyền tin giữ nút nguồn S và nút đích D được sự giúp
đỡ của hai nút chuyển tiếp R1 và R2 thông qua kỹ thuật chuyển tiếp giải
mã và chuyển tiếp có lựa chọn, nghĩa là chỉ chuyển tiếp khi nút chuyển tiếp
giải mã đúng hay tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút chuyển tiếp lớn
hơn một mức ngưỡng cho trước, th .
2.2 Phân tích mô hình
Gọi
2
2
2
2
2
hSR1 , hR1D , hSR2 , hR2 D , hSE , hR1E
2
và
hR2 E
2
lần
lượt là độ lợi kênh truyền: từ S R1 , R1 D , S R2 , R2 D ,
S E , R1 E và R2 E . Do hoạt động trong môi trường Rayleigh
fading, các độ lợi kênh sẽ có phân bố mũ có các tham số đặc trưng là: SR1 ,
,
R1D , SR2 , R2 D , SE , R1E và R2 E với SR1 E hSR1
R1 D
,
E h
và
E hR1 D
2
, E h , E h ,
E h
trong đó E . là toán tử kỳ vọng toán học [31]. Công suất
SR2 E hSR2
R2 E
2
2
2
R2 D
2
2
SE
R2 D
SE
R1 E
R1 E
2
R2 E
phát từ nguồn là PS và công suất phát từ nút chuyển tiếp là PRi với i 1, 2
Mô hình tín hiệu được phân tích trong 2 chặng:
2.2.1 Chặng 1
Tín hiệu nhận tại Ri với i 1, 2 khi S truyền:
ySRi hSRi xS nRi ,
P ,
trong đó xS là tín hiệu phát với E xS
2
S
(2.1)
PS là công suất phát từ
nguồn, nRi là nhiễu Gauss tại Ri có phương sai N 0 .
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tức thời từ S Ri là:
SRi
Ps hSRi
N0
2
,
Dung lượng bảo mật chặng 1 khi Ri được sử dụng:
(2.2)
12
1
1 SRi
(2.3)
C1Ri max 0,
log 2
,
2
1 SE
Năng lượng thu thập trong khoảng thời gian T tại nút chuyển
tiếp Ri là :
2
ERi PS T hSRi ,
(2.4)
trong đó là hiệu suất chuyển đổi năng lượng với 0 1 và là chỉ
số thời gian thu thập năng lượng 0 1 .
2.2.2 Chặng 2
Vì năng lượng mà nút chuyển tiếp Ri với i 1, 2 thu thập được ở
chặng 1 được sử dụng để chuyển tiếp tín hiệu của nút nguồn S trong
chặng 2 với thời gian 1 T / 2 .
Công suất phát của nút chuyển tiếp Ri với i 1, 2 có được như sau:
ERi
PRi
(1 )T / 2
2
PS hSRi T
(2.5)
1 T / 2
2
2 PS hSRi
,
1
Tín hiệu nhận tại D khi Ri truyền:
yRi D hRi D xRi nD ,
(2.6)
P , P là công suất
trong đó xRi là tín hiệu truyền của Ri với E xRi
2
Ri
Ri
phát của Ri , nD là nhiễu Gauss tại D với phương sai N 0 .
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tức thời từ Ri D là:
Ri D
PRi hRi D
N0
2
2 PS hSRi
2
hRi D
1 N 0
2
.
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tức thời từ Ri E là:
(2.7)
13
Ri E
PRi hRi E
N0
2
2 PS hSRi
Dung lượng bảo mật chặng 2 khi
2
hRi E
2
.
1 N0
Ri được sử dụng:
1
1 RiD
C2Ri max 0,
log 2
1 R E
2
i
,
(2.8)
(2.9)
Dung lượng bảo mật trên nhánh Ri sử dụng kỹ thuật ngẫu nhiên
chuyển tiếp RF có được như sau:
Ri
CRF
min C1Ri , C2Ri
(2.10)
1 SRi 1 R i D
1
log 2 min
,
,
1 SE 1 R E
2
i
Từ xác suất sự kiện dung lượng bảo mật chặng 2 nhỏ hơn chặng 1
xảy ra rất lớn do công suất phát của nút chuyển tiếp dựa vào năng lượng thu
thập được là rất nhỏ. Suy ra dung lượng bảo mật nhánh Ri với i 1, 2 gần
như chỉ dựa vào dung lượng bảo mật chặng 2.
2.3 Bảo mật trong kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố (DSSC)
Vào đầu mỗi khe thời gian truyền, một kết nối hoặc S R1 D
hoặc S R2 D cần được kích hoạt. Cụ thể, giả định nhánh
S R1 D được sử dụng để truyền trong khe thời gian hiện tại, nút đích
D
so sánh dung lượng bảo mật hiện tại với ngưỡng Rs cho trước. Việc
chuyển nhánh xảy ra khi:
C2R1 Rs ,
(2.11)
R1
2
trong đó C là dung lượng bảo mật chặng 2 nhánh S R1 D .
Nếu không, liên kết S R1 D vẫn tiếp tục là liên kết hoạt
động để truyền thông tin trong khe thời gian tiếp theo.
Tương tự, khi liên kết S R2 D được kích hoạt trong khe thời
gian truyền hiện tại, sự chuyển đổi liên kết xảy ra khi:
C2R2 Rs ,
R2
2
trong đó C là dung lượng bảo mật chặng 2 nhánh S R2 D .
(2.12)
14
Nút chuyển tiếp Ri với i 1, 2 sẽ chuyển tiếp các tín hiệu nhận
được từ nguồn về phía đích nếu nó giải mã chính xác, tức là SRi th , ta có:
Pr SRi th exp PS thSR
N i
0
.
(2.13)
Biểu thức dạng đóng cho Pr(C2Ri R) trong đó R Ro , Rs , Ro là
ngưỡng dừng bảo mật và Rs là ngưỡng chuyển tại nút đích.
Pr(CR2i R)
2
2 PS hSRi hRi D
1
1 N0
Pr
2
2 PS hSRi hRi E
1
1 N0
2
2R
2
21
2R
Đặt 21 , X | hSRi |2 , Y | hRi D |2 , Z | hRi E |2 ,
.
(2.14)
2 PS
, (2.14)
1 N 0
trở thành:
1 XY
Pr
1 XZ
Đặt U XY và V XZ , ta có thể viết lại như sau:
1 U
Pr
1 V
1 v 1
FU
fV v dv
0
Sau quá trình tính toán ta được:
(2.15)
1 U
1 v 1
Pr
FU
fV v dv
1 V
0
=
2
4 1 v 1
4 1 v 1 4v
1
K1
K 0
x y
z x 0
y x
x z
Tích phân trên không tồn tại dạng đóng nên tôi đề xuất một phương pháp
dv.
15
mới xấp xỉ tại vùng tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cao: 1 XY XY khi
XY 1 .
1 U
Áp dụng xấp xỉ này cho Pr
, ta được:
1
V
1 U
1 XY
Pr
Pr
1
V
1
XZ
Y
Pr .
Z
Y
Ở kênh truyền fading Rayleigh, ta có Pr có dạng như sau:
Z
| hR D |2
Y
Pr Pr i 2
| hR E |
Z
i
.
R D
i
Ri E
(2.21)
2.4 Xác suất dừng bảo mật-SOP
Xác suất dừng bảo mật là một tham số hiệu năng quan trọng, nó
thường được dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của bất kì hệ thống vô
tuyến nào và được định nghĩa là xác suất mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn
giá trị ngưỡng chuyển cho trước.
Gọi Rs và Ro lần lượt là ngưỡng chuyển và ngưỡng dừng bảo mật
của hệ thống, áp dụng định luật tổng xác suất, ta có xác suất dừng bảo mật
của toàn hệ thống được viết như sau:
SOP 1 Pr SR1 th Pr C2R1 Ro , C2R1 Rs Pr C2R1 Ro , C2R2 Rs Pr SR1 th Pr C2R2 Rs
I12
I11
2 Pr SR2 th Pr C2R2 Ro , C2R2 Rs Pr C2R2 Ro , C2R1 Rs Pr SR2 th Pr C2R1 Rs
I22
I 21
(2.22)
trong đó 1 và 2 tương ứng là xác suất kết nối nhánh S R1 D và nhánh
S R2 D ở trạng thái ổn định, theo [33], 1 và 2 được cho bởi:
16
1
p1
p1 p2
(2.23)
2
p2
p1 p2
(2.24)
trong đó pi với i 1, 2 là xác suất kết nối của nhánh S Ri D . Do đó,
ta có thể tính p1 thông qua xác suất mà nút đích không thể kết nối với R2
thông qua hai sự kiện: hoặc là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của chặng S - R 2
hoặc là dung lượng bảo mật của chặng 2 là không đảm bảo, khi đó ta có:
1 Pr SR2 th | C2R2 Rs
Pr SR2 th Pr C2R2 Rs Pr SR2 th Pr C2R2 Rs
(2.25)
Tương tự như vậy, ta có:
2 Pr SR1 th Pr C2R1 Rs Pr SR1 th Pr C2R1 Rs
(2.26)
Từ công thức (2.13) và (2.21), ta có:
○ Xác suất Ri với i 1, 2 giải mã thành công dữ liệu truyền từ S :
Pr SRi th e
th
PS SR
i
N0
.
○ Biểu thức dạng đóng cho Pr(C2Ri R) được tính như sau:
2R
21
Pr(C R) 2 R
.
Ri D
1
2
Ri E
Ri
2
Áp dụng kết quả đã tìm trên vào (2.25) và (2.26), ta có được các giá trị p1
và p2 như bên dưới:
p1 Pr SR2 th Pr C2R2 Rs Pr SR2 th Pr C2R2 Rs
17
2 Rs
P th
S SR2
1
2
1 e N0 2 Rs
R D
21 2
R2 E
P th
1 e S NSR0 2
2 Rs
1
2
2 Rs R D
21 2
R2 E
,
p2 Pr SR1 th Pr C2R1 Rs Pr SR1 th Pr C2R1 Rs
(2.27)
2 Rs
P th
21
1 e SNSR0 1
.
(2.28)
2 R s R D
1
1
2
R1E
Bây giờ, ta có thể tìm được các giá trị thành phần của xác suất dừng bảo
mật hệ thống đề xuất gồm I11 , I12 , I 21 , I 22 .
2 Rs
P th
S SR1
1
2
= 1 e N0 2 Rs
R D
21 1
R1E
Đầu tiên, ta xét I11 trong hai trường hợp của ngưỡng chuyển bảo mật Rs và
ngưỡng dừng bảo mật Ro , tức là Rs Ro và Rs Ro . I11 được tính như
sau:
I11 Pr SR1 th Pr C2R1 Ro , C2R1 Rs Pr C2R1 Ro , C2R2 Rs
Rs Ro
0,
2 Rs
2 Ro
2 Ro
2 Rs
P th
S
SR
1
1
1
1
1
2
2
2
2
, R R
N0
e
s
o
2 Rs
2 Rs 2 Ro 2 Ro
R
D
R
D
R
D
R
D
21 1
21 1 21 1 21 2
R1E
R1E
R1E
R2 E
(2.29)
Đối với I12 , vì Pr SR1 th và Pr C2R2 Rs là 2 xác suất độc lập nên ta
có:
I12 Pr SR1 th Pr C2R2 Rs
2 Rs
P th
S SR1
1
2
N0
1 e
2 Rs
R D
21 2
R2 E
(2.30)
18
Với I 21 , ta tính toán tương tự như I11 , cần lưu ý rằng I 21 0 khi Rs Ro .
I 21 Pr SR2 th Pr C2R2 Ro , C2R2 Rs Pr C2R2 Ro , C2R1 Rs
0,
P th
S SR2
e N0
Rs Ro
2 Rs
2 Ro
21
21
2 Rs 2 Ro
21 R2 D 21 R2 D
R2 E
R2 E
2 Ro
2 Rs
21
21
2 Rs
2 Ro
21 R2 D 21 R1D
R2 E
R1E
, R R
s
o
(2.31)
Tương tự với I12 , vì Pr SR2 th và Pr C Rs là 2 xác suất độc lập
R1
2
nên I 22 ta có được như sau:
I 22 Pr SR2 th Pr C2R1 Rs
2 Rs
P th
S SR2
1
2
N0
1 e
2 Rs
RD
21 1
R1 E
(2.32)
Cuối cùng, kết hợp tất cả giá trị tìm được ở (2.27), (2.28), (2.29), (2.30),
(2.31), (2.32) vào (2.22), ta được xác suất dừng bảo mật của hệ thống đề
xuất.
19
Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Ở Chương 3, tôi thực hiện mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm
Matlab. Các kết quả thu được từ chương trình mô phỏng sẽ dùng kiểm
chứng tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết dựa trên mô hình toán học
đã xây dựng ở Chương 2.
3.1 Mô hình hóa
3.2 Kết quả mô phỏng
Trong luận văn này, các vòng tròn nhỏ biểu thị cho kết quả mô
phỏng Monte-Carlo và các đường liền nét, đứt nét biểu thị cho kết quả mô
phỏng cho lý thuyết. Ngoài ra, còn một số tham số được sử dụng trong mô
phỏng như sau:
- là hệ số thời gian trong thu thập năng lượng
- Rs là ngưỡng chuyển bảo mật
- Ro là ngưỡng dừng bảo mật
- th là ngưỡng giải mã chặng 1
Hình 3.2 khảo sát xác suất dừng bảo mật hệ thống đề xuất trong
mối quan hệ giữa ngưỡng dừng Ro và ngưỡng chuyển bảo mật Rs . Tôi giữ
cố định giá trị ngưỡng dừng bảo mật với Ro 2 và thay đổi giá trị ngưỡng
chuyển bảo mật Rs . Tôi khảo sát sự thay đổi xác suất dừng bảo mật hệ
thống trong ba trường hợp như bên dưới:
Trường hợp 1 Rs Ro : Rs 1, Ro 2 .
Trường hợp 2 Rs Ro : Rs 2, Ro 2 .
Trường hợp 3 Rs Ro : Rs 3, Ro 2 .
Kết quả mô phỏng cho thấy: trường hợp 1 Rs Ro có xác suất
dừng bảo mật hệ thống thấp nhất và trường hợp 3 Rs Ro có xác suất
dừng bảo mật hệ thống cao nhất. Hình 3.2 cũng cho thấy ở vùng tỉ số tín
hiệu trên nhiễu cao, các kết quả mô phỏng thỏa mãn với kết quả phân tích
khẳng định tính đúng đắn của phương pháp phân tích đề xuất.
20
Hình 3.2: SOP hệ thống trong ba trường hợp của Rs và Ro
Tiếp theo, tôi khảo sát ảnh hưởng của th lên xác suất dừng bảo
mật của hệ thống bằng cách thay đổi các giá trị của th từ 1 đến 3. Kết quả
mô phỏng ở Hình 3.3 cho thấy càng giảm giá trị th thì xác suất dừng bảo
mật của hệ thống càng được cải thiện.
Hình 3.3: Ảnh hưởng của th lên SOP hệ thống
21
Xác suất dừng bảo mật của hệ thống cũng bị ảnh hưởng bởi vị trí
nút nghe lén E .Tôi xem xét ba vị trí nghe lén: (0.3, 0.3), (0.6, 0.6) và
(0.9, 0.9).
Hình 3.4: Ảnh hưởng của vị trí nút nghe lén lên hiệu suất bảo
mật hệ thống.
Từ kết quả mô phỏng ở Hình 3.4, có thể thấy hiệu suất bảo mật
được cải thiện khi những nút nghe lén được đặt xa nguồn và xa nút chuyển
tiếp.
Hình 3.5: Ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp lên hiệu suất
bảo mật hệ thống
22
Hệ thống đề xuất có hai nút chuyển tiếp là R1 và R2 , tôi khảo
sát vị trí của hai nút chuyển tiếp này ở 5 trường hợp khác nhau như sau:
-Trường hợp 1: d1 ; d 2 0.1; 0.9
-Trường hợp 2: d1 ; d 2 0.2; 0.8
-Trường hợp 3: d1 ; d 2 0.3;0.7
-Trường hợp 4: d1 ; d 2 0.4; 0.6
-Trường hợp 5: d1 ; d 2 0.5; 0.5
trong đó d1 đại diện cho khoảng cách từ nguồn đến nút chuyển tiếp R1 ,
d2 đại diện cho khoảng cách từ nguồn đến nút chuyển tiếp R2 và kết quả
khảo sát đươc thể hiện ở Hình 3.5 cho thấy, nút chuyển tiếp bất kì càng gần
nguồn thì xác suất dừng bảo mật của hệ thống càng giảm.
Trong Hình 3.6, tôi khảo sát giá trị tối ưu, nghĩa là giá trị mà
xác suất dừng của hệ thống nhỏ nhất. Ta có thể thấy rằng, khi tỷ lệ tín hiệu
trên nhiễu của hệ thống tăng thì giá trị tối ưu cũng thay đổi và có xu
hướng tăng.
Hình 3.6: Xác suất dừng theo hệ số thời gian thu thập năng
lượng với các trường hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu khác nhau.
Cuối cùng, tôi cố định các giá trị sau: d1 ; d 2 0.3;0.7 ,
Rs Ro 2 , tọa độ nút E 0.6, 0.6 , 0.3 , th 1 để thực hiện mô
23
phỏng so sánh xác suất dừng bảo mật hệ thống có thu thập năng lượng và
không có thu thập năng lượng. Kết quả mô phỏng ở Hình 3.7 chỉ ra rằng,
xác suất dừng bảo mật của hệ thống không có thu thập năng lượng thấp hơn
hệ thống có thu thập năng lượng trong cùng một điều kiện về khoảng cách,
ngưỡng giải mã, ngưỡng chuyển bảo mật, ngưỡng dừng bảo mật. Điều này
xảy ra vì năng lượng của nguồn tương đối thấp, nút chuyển tiếp không thể
thu thập đủ để cải thiện hiệu năng hệ thống. Tuy nhiên, vì trong hệ thống
không thu thập năng lượng, nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng từ pin,
acquy…, nguồn năng lượng này không thể cải thiện hơn nữa khi tăng năng
lượng nút nguồn, trong khi đó, với hệ thống có thu thập năng lượng, nguồn
năng lượng mà nút chuyển tiếp thu thập tăng khi năng lượng nguồn tăng.
Ngoài ra, như đã trình bày từ đầu luận văn, do các hệ thống không thu thập
năng lượng nên nguồn năng lượng để duy trì hoạt động được lấy từ pin,
acquy…gây khó khăn khi phải liên tục thay mới hoặc nạp lại. Hệ thống có
thu thập năng lượng có thể đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục.
Hình 3.7: Xác suất dừng của hệ thống có thu thập năng lượng
và không thu thập năng lượng
