Nghiên cứu các phương pháp chọn đường trong mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng thu thập năng lượng với sự xuất hiện của các nút nghe lén (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1017.69 KB, 62 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
LÊ THỊ HỒNG NGỌC
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐƯỜNG
TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA
ĐƯỜNG SỬ DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VỚI
SỰ XUẤT HIỆN CỦA CÁC NÚT NGHE LÉN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH -2017
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
Lê Thị Hồng Ngọc
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐƯỜNG
TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA
ĐƯỜNG SỬ DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VỚI
SỰ XUẤT HIỆN CỦA CÁC NÚT NGHE LÉN
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN TRUNG DUY
THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH -2018
i
LỜI CẢM ƠN
Lời nói đầu tiên Học viên xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
Thầy TS. Trần Trung Duy đã tận tình hướng dẫn, và đã trang bị cho Học viên
những kiến thức vô cùng quý báu để Học viên có thể vững tin bước tiếp trên con
đường của mình. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển
khoa học và công nghệ quốc gia (Nafosted, mã số đề tài 102.04 – 2017.317) đã tài
trợ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt luận văn này.
Học viên xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy cô của Học viện đã giảng dạy và
truyền đạt cho Học viên những kiến thức quan trọng trong quá trình học tập tại Học
viện.
Và cuối cùng Học viên xin chân thành cảm ơn các các bạn khóa cao học
2016 đợt 1 đã động viên, tạo điều kiện cho Học viên hoàn thành khóa học.
Tp. HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện
Lê Thị Hồng Ngọc
ii
LỜI CAM ĐOAN
Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, tôi có tham khảo một số tài liệu liên
quan nói chung và các bài báo nói riêng.
Tôi xin cam đoan đề tài này là do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và
kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài
nghiên cứu khoa học nào. Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều được
trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng.
Tp. HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện
Lê Thị Hồng Ngọc
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................ vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .................................................. 3
1.1 Tổng quan về chuyển tiếp và chuyển tiếp đa chặng ............................. 3
1.1.1
Mạng vô tuyến chuyển tiếp ......................................................... 3
1.1.2
Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng............................................. 5
1.1.3
Giải pháp đa đường ..................................................................... 6
1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý .......................................................... 6
1.2.1
Tổng quát .................................................................................... 6
1.2.2
Ưu điểm bảo mật lớp vật lý ........................................................ 7
1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng ....................................................... 8
1.4 Các nghiên cứu liên quan và lý do chọn đề tài ..................................... 9
1.4.1
Lý do chọn đề tài ......................................................................... 9
1.4.2
Các nghiên cứu liên quan .......................................................... 11
CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ....................................................... 12
2.1 Mô hình hệ thống................................................................................ 12
iv
2.2 Công suất phát của các nút ................................................................. 14
2.3 Các phương pháp chọn đường ............................................................ 17
2.4 Mô hình kênh truyền .......................................................................... 19
2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất ..................................... 20
2.5.1 Xác suất dừng của giao thức RP .................................................... 21
2.5.2 Xác suất dừng của giao thức SP .................................................... 28
2.5.3 Xác suất dừng của giao thức BP .................................................... 29
CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................... 31
3.1 Xác suất dừng của giao thức RP ........................................................... 31
3.2 Xác suất dừng của giao thức SP............................................................ 35
3.3. Xác suất dừng của giao thức BP .......................................................... 38
3.4. So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén không hợp tác với
nhau ............................................................................................................ 41
3.5. So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén hợp tác với nhau 43
CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........... 46
4.1. Kết luận ................................................................................................ 46
4.2. Hướng phát triển luận văn.................................................................... 48
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 49
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Khuếch đại và chuyển tiếp
AF
Amplify-and-forward
AODV
Ad-hoc On-demand Distance Vector
BP
Best Path
Chọn đường tốt nhất
CDF
Cumulative Density Function
Hàm phân phối tích lũy
DSDV
Destination Sequenced Distance Vector
DF
Decode-and-forward
Giải mã và chuyển tiếp
LT
Lý thuyết
MP
Mô phỏng
Kết hợp độ lợi tối đa
MRC
Maximal ratio combining
MIMO
Multi-Input Multi-Output
MISO
Multi-Input Singel-Output
OP
Outage Probability
Xác suất dừng
RF
Radio Frequency
Năng lượng tần số vô tuyến
RP
Random Path
Chọn đường ngẫu nhiên
SP
Shortest Path
Chọn đường ngắn nhất
vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp................................................. 4
Hình 1.2. Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng. ............................... 5
Hình 1.3. Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng. ................................ 5
Hı̀nh 2.1: Mô hình nghiên cứu. ....................................................................... 12
Hı̀nh 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k. .............................................. 13
Hı̀nh 3.1: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi L = {2,3} , Rth = 0.05,
K = 2, yE = −1 và α = 0.1 . ............................................................................... 32
Hı̀nh 3.2: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén
không cộng tác với nhau, L = {2,3} , Rth = 0.05, yE = −1 và α = 0.1 ............... 33
Hı̀nh 3.3: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén
cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L = {2,3} , Rth = 0.01, yE = −1 và K = 2 .34
Hı̀nh 3.4: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi L = {1, 2,3} ,
Rth = 0.05, K = 2 và yE = −1 . .......................................................................... 35
Hı̀nh 3.5: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi các nút nghe lén
không phối hợp với nhau L = {2,3, 4} , Rth = 0.05, K = 2, yE = −1 và α = 0.25 .36
Hı̀nh 3.6: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi những nút nghe cộng
tác với nhau để giải mã dữ liệu, L = {2,3, 4} , Rth = 0.05, yE = −1 và α = 0.4 . 37
Hı̀nh 3.7: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi những nút nghe cộng
tác với nhau để giải mã dữ liệu, L = {2, 4} , Rth = 0.75, K = 3, yE = −1 và
α = 0.3 . ............................................................................................................ 38
vii
Hı̀nh 3.8: Xác suất dừng của giao thức BP vẽ theo P khi những nút nghe lén
không cộng tác với nhau, L = {1, 2,3} , Rth = 1, yE = −1 và α = 0.35 . .............. 39
Hı̀nh 3.9: Xác suất dừng của giao thức BP vẽ theo P khi những nút nghe lén
cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L = {1, 2,3, 4} , Rth = 0.5, yE = −1 và
K = 4 . .............................................................................................................. 40
Hı̀nh 3.10: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo P khi những nút
nghe lén không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L = {2,3, 4} , Rth = 0.5,
yE = −1, K = 4 và α = 0.1 . .............................................................................. 41
Hı̀nh 3.11: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo Rth khi những nút
nghe lén không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P = 10 dB, L = {2,3,5} ,
yE = −0.5, K = 1 và α = 0.5 . ............................................................................ 42
Hı̀nh 3.12: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo α khi những nút
nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P = -2.5 dB, L = {1, 2,3} ,
yE = −0.75, K = 2 và Rth = 0.05 ....................................................................... 43
Hı̀nh 3.13: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo yE khi những nút
nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P = 5 dB, L = {2,3, 4} , α = 0.3,
K = 3 và Rth = 0.05 . ......................................................................................... 44
Hı̀nh 3.14: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo K khi những nút
nghe lén cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P = 5 dB, L = {1, 2,3, 4,5} ,
α = 0.4, K = 3 và Rth = 0.05 . ........................................................................... 45
1
MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây (wireless communications) đạt được những ưu điểm về
tính linh hoạt và di động. Một trong những kỹ thuật cải thiện hiệu suất hoạt động
được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, đó là các giao thức chuyển tiếp.
Chuyển tiếp không những nâng cao tốc độ truyền dẫn, mà còn mở rộng được vùng
phủ sóng và hiệu quả về mặt năng lượng.
Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa nguồn và đích đủ xa, sự chuyển tiếp có thể
được thực hiện thông qua nhiều nút trung gian hay nhiều chặng (multi-hop). Truyền
thông đa chặng (multi-hop communications) được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm
biến không dây và mạng adhoc chuyển động. Đây là những mạng tự quản (không
dựa vào các kiến trúc hạ tầng) và các thiết bị trong mạng có công suất phát và năng
lượng giới hạn.
Kế đến, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là một vấn đề hết sức quan
trọng. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, thông tin được gửi đi có thể bị nghe
lén bởi những người nghe không hợp pháp. Và cuối cùng, vấn đề năng lượng sẽ trở
thành một vấn đề cấp thiết khi ta quan tâm đến các thiết bị nhỏ như điện thoại di
động và các thiết bị cảm biến. Việc hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của
các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, vì thế sẽ rút ngắn thời gian sống của các
mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này.
Với những nguyên nhân ở trên đã tạo động lực cho Học viên tìm hiểu và nghiên
cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức đa chặng đa đường sử dụng kỹ thuật
thu thập năng lượng sóng vô tuyến. Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên
cứu các phương pháp chọn đường (path selection) hiệu quả nhằm nâng cao chất
lượng dịch vụ cho các mô hình đề xuất.
Sau khi tìm hiểu kỹ các nghiên cứu liên quan, Học viên tập trung nghiên cứu mô
hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ một trạm
2
Beacon. Hơn nữa, Học viên đề xuất các phương pháp chọn đường nhằm nâng cao
hiệu năng của hệ thống khảo sát, dưới sự tấn công của các nút nghe lén.
Dự kiến cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 04 chương, cụ thể như sau:
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
3
CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về chuyển tiếp và chuyển tiếp đa chặng
1.1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp
Trong các mạng thông tin vô tuyến ngày nay, việc tăng cường mở rộng phạm
vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn
thông. Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã
được giới thiệu như giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp. Vì thế, các
nhà nghiên cứu đã tiến hành phát triển mạng chuyển tiếp (relay network) để mở
rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu thông qua sự
truyền/nhận thông tin ở những khoảng cách ngắn, giảm đi công suất phát khi so
sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích.
Chuyển tiếp có thể mang lại hiệu suất vượt trội với mạng không dây một
cách hiệu quả; ví dụ, mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ lợi phân tập không gian và
chất lượng dịch vụ đồng nhất [1], [2]. Ở chế độ bán song công (half-duplex) cổ
điển, việc truyền tải giữa nguồn và đích chiếm hai khe thời gian, do đó thông lượng
hiệu quả của hệ thống giảm theo hệ số hai [1], [2]. Ở chế độ chuyển tiếp hai chiều
(two-way relaying) [3], [4], cho phép hai nút có thể giao tiếp trong ba khe thời gian
với sự trợ giúp của một nút chuyển tiếp, có thể được sử dụng để cải thiện thông
lượng cho mạng chuyển tiếp. Trong hai khe thời gian đầu, hai nút truyền tải thông
tin đến nút chuyển tiếp trung gian, nút chuyển tiếp này sẽ xử lý các thông tin nhận
được và quảng bá thông tin đến cả hai đích cùng lúc.
Chuyển tiếp gần như là một kỹ thuật không thể thiếu trong các mạng truyền
thông vô tuyến thế hệ mới như mạng cảm biến không dây (Wireless sensor
networks) [5], mạng adhoc chuyển động [6] (Mobile adhoc networks) hay mạng vô
tuyến nhận thức (cognitive radio networks) [7]. Trong những mạng này, các thiết bị
bị giới hạn về công suất, và vì thế chuyển tiếp là một công cụ đắc lực để gửi dữ liệu
trong mạng. Kể cả trong những mạng thông tin di động thế hệ mới, việc sử dụng
4
các trạm chuyển tiếp cũng được sử dụng để phục vụ những người dùng nằm ở rìa
vùng phủ sóng của trạm gốc. Như thể hiện trong Hình 1.1, trạm chuyển tiếp được
lắp đặt để phục vụ những thuê bao nằm ở xa trạm gốc.
S
D
Hình 1.1: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp
Một mô hình chuyển tiếp cơ bản bao gồm ba thành phần chính: Nút nguồn
(S), nút chuyển tiếp (N), nút đích (D).
- Nút nguồn: là nút sẽ gửi dữ liệu đi tới nút đích.
- Nút chuyển tiếp: các nút này có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ nút nguồn
gửi tới. Chúng chuyển tiếp để dữ liệu tới được nút đích. Nút chuyển tiếp có
thể dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF))
[2] hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) [2].
- Nút đích: là nút sẽ nhận dữ liệu.
Trong kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) [8], [9], nút chuyển tiếp sẽ
nhận dữ liệu từ nguồn, sau đó khuếch đại tín hiệu nhận được (trong đó có cả nhiễu)
và gửi tín hiệu đã khuếch đại đi tới nút đích. Ta thấy kỹ thuật AF tín hiệu sẽ luôn
được gửi đi và bảo đảm rằng nút đích sẽ nhận được tín hiệu. Tuy nhiên, chất lượng
tín hiệu nhận được ở nút đích có thể sẽ không được bảo đảm bởi vì khi khuếch đại
tín hiệu cũng đồng nghĩa với việc khuếch đại nhiễu (nhiễu có thể tích lũy nhiều hơn
khi tín hiệu được chuyền đi qua nhiều chặng).
5
Với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) [10], [11], nút chuyển tiếp sẽ nhận
tín hiệu từ nguồn, sau đó tại mỗi nút chuyển tiếp sẽ giải mã tín hiệu và gửi tín hiệu
đã giải mã tới nút tiếp theo (sau khí đã mã hoá lại). 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 nút chuyển tiếp bị mất dữ liệu hoặc giải
mã không thành công thì nút đích sẽ không nhận được dữ liệu. Tóm lại, nút đích chỉ
nhận được dữ liệu nếu dữ liệu trên tất cả các chặng được truyền đi thành công.
Trong luận văn này, kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng sử dụng giải mã và chuyển tiếp
(Decode and Forward (DF)) sẽ được xem xét.
1.1.2 Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng
1.1.2.1 Chuyển tiếp hai 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).
S
R
D
Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng
Đối với chuyển tiếp hai chặng thì chúng ta chỉ có hai chặng là dữ liệu từ nút
nguồn (S) tới nút chuyển tiếp (R) và một chặng từ nút chuyển tiếp (R) tới nút đích
(D). Khi thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) được sử dụng, nút chuyển tiếp (R) 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 gửi dữ liệu thành công.
1.1.2.2 Chuyển tiếp đa chặng
S
Nk,1
Nk,2
Nk,3
N k , Lk
D
Hình 1.3: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng
Mạng chuyển tiếp đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết truyền dẫn
ngắn để có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng thiết bị
6
chuyển tiếp trung gian giữa nút nguồn và nút đích (xem hình 1.3). Trong các mô
hình thực tế, mạng truyền thông vô tuyến thế hệ mới như mạng cảm biến không dây
(Wireless sensor networks), mạng adhoc chuyển động (Mobile adhoc networks),
mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio networks),v.v. nút nguồn có khoảng cách
xa đến nút đích, và sự truyền dữ liệu thường phải được thực hiện thông qua nhiều
chặng và nhiều nút trung gian.
1.1.3 Giải pháp đa đường
Trong truyền thông đa chặng thì giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF) được
sử dụng trong truyền tín hiệu số ở các trạm chuyển tiếp và nó tránh được lỗi hơn
giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF). Tuy nhiên một hệ thống truyền thông đa
chặng sử dụng giao thức DF lại dễ bị lỗi lan truyền do sự xuất hiện của nhiều nút
chuyển tiếp. Đây là vấn đề giới hạn của giao thức DF trong hệ thống đa chặng.
Để giúp giải quyết lỗi và tính đa dạng đường của giao thức DF trong chuyển
tiếp đa chặng, truyền thông đa đường với sự chọn lựa đường tốt có thể giải quyết
vấn đề lỗi lan truyền [12].
1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý
1.2.1 Tổng quát
Công nghệ viễn thông gần đây có những bước tiến nhảy vọt và có vai trò
ngày càng quan trọng đối với xã hội, trong đó thông tin vô tuyến ngày càng được
phát triển và mở ra nhiều dịch vụ song song với nó là nhu cầu người sử dụng cũng
không ngừng nâng cao yêu cầu này chủ yếu là dịch vụ phong phú, tốc độ cao. Trong
môi trường truyền thông không dây, bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu
chia sẻ thông tin qua mạng vô tuyến cũng vô cùng lớn, do tính chất truyền quảng bá
làm cho mạng dễ bị tấn công, nghe lén thông qua giao tiếp không dây. Đối với các
cuộc trao đổi thông tin mang tính chất riêng tư, kinh doanh, chứng khoán thị trường
ngoài đòi hỏi các yêu cầu nêu trên còn vừa phải mang tính chính xác (ở nơi thu sẽ
thu được đúng những gì bên phát gửi) vừa phải mang tính chất bảo mật. Vấn đề bảo
7
mật này càng quan trọng đến thông tin liên quan đến quốc gia. Các phương pháp
bảo mật hiện tại là áp dụng các kỹ thuật mã hóa, xác thực phức tạp (như WEP,
WPA…) và thường được triển khai ở lớp ứng dụng. Nhưng các giải pháp bảo mật
trên ngày càng khó triển khai, kém hiệu quả do các yêu cầu tích hợp, kỹ thuật tính
toán và phương thức tấn công mạng không dây thay đổi không ngừng.
Trong các hệ thống giao tiếp thông tin, thì vấn đề xác thực, bảo mật và riêng
tư được thực hiện trong các lớp trên của giao thức, với việc sử dụng nhiều hệ thống
từ khóa riêng, từ khóa chung. Những hệ thống này thường dựa trên các hoạt động
toán học, như an ninh máy tính. Trên thực tế sẽ khó khăn trong việc triển khai an
ninh máy tính này trong một số cấu trúc mạng cụ thể. Các kết quả lý thuyết thông
tin đã chỉ ra rằng nhiễu và suy hao thường được xử lý không tốt trong môi trường
giao tiếp vô tuyến, và sẽ khó để giấu thông tin từ các nút nghe lén tiềm ẩn hoặc các
thiết bị xác thực mà không cần khóa bảo mật được chia sẻ. Do đó, chúng ta có thể
triển khai theo cách ít tốn kém mà lại không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ dữ liệu cho
việc thiết kế các giải pháp bảo mật tại lớp vật lý để bổ sung các cơ chế bảo mật máy
tính.
1.2.2 Ưu điểm bảo mật lớp vật lý
Bảo vệ quyền lợi của thuê bao, và bảo vệ bí mật dữ liệu trên mạng cho thuê
bao cần có những phương pháp đặc biệt để đảm bảo rằng khi truy cập chỉ có thể là
máy của thuê bao và dữ liệu gửi đi chỉ có thể là của thuê bao nhất định và chỉ có
đích cần nhận mới hiểu được thông tin nhận được là gì, tất cả các kỹ thuật đó gọi là
kỹ thuật bảo đảm an toàn thông tin.
Thông thường, các phương pháp mật mã được sử dụng để bảo mật thông tin.
Tuy nhiên, các phương pháp bảo mật này thường phức tạp và việc triển khai chúng
trên những thiết bị nhỏ như các nút cảm biến có thể gặp nhiều khó khăn và tốn kém.
Để đạt được hiệu quả bảo mật với độ phức tạp thấp hơn, gần đây, phương thức bảo
mật trên lớp vật lý (Physical layer security) [13], [15] đã thu hút nhiều sự quan tâm
của các nhà nghiên cứu. Đây là phương pháp bảo mật vừa đơn giản và vừa hiệu quả,
8
bởi vì kỹ thuật này chỉ yêu cầu các thông tin về khoảng cách và thông tin trạng thái
kênh truyền giữa các thiết bị đầu cuối để thiết lập các cơ chế bảo mật. Trong
phương pháp này là khai thác các tính 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. Do đó, chủ đề
nghiên cứu trong đề cương cũng sẽ quan tâm đến vấn đề bảo mật sử dụng các tính
chất vật lý của kênh truyền.
1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng
Ngày nay, dưới sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị truyền thông vô
tuyến vấn đề năng lượng sẽ trở thành một vấn đề cấp thiết khi ta quan tâm đến các
thiết bị nhỏ như điện thoại di động và các thiết bị cảm biến, sự tiêu thụ năng lượng
trong mạng không dây đang dần tăng lên nhưng khả năng lưu trữ năng lượng bị hạn
chế và việc hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của các thiết bị này suy
giảm nhanh chóng, do đó cũng rút ngắn thời gian sống của các mạng hoạt động dựa
trên các thiết bị này. Nếu sử dụng nguồn điện lưới đã được chỉnh lưu và hạ áp thì
nút cảm biến sẽ được cấp nguồn ổn định, nhưng lại mất đi tính “không dây”. Vấn đề
không dây được giải quyết khi nút cảm biến được cấp năng lượng bằng pin. Nhưng
vấn đề khó khăn khi sử dụng pin cấp nguồn cho nút cảm biến là nếu sử dụng pin thì
nút cảm biến sẽ mang tính di động và không dây, nhưng sẽ bị hạn chế bởi nguồn
năng lượng của pin là hữu hạn. Năng lượng được cung cấp bằng pin hoặc từ năng
lượng được tích trữ từ môi trường. Đã có rất nhiều nghiên cứu kể cả về phần cứng
lẫn phần mềm nhằm tăng hiệu suất sử dụng năng lượng của các nút không dây
nhưng dù có giảm công suất sử dụng đi bao nhiêu, tăng thời gian sử dụng pin lên
bao lâu đi nữa thì đến một lúc nào đó năng lượng của pin vẫn cạn kiệt và nút cảm
biến sẽ ngừng hoạt động. Việc tối ưu năng lượng phải được thực hiện ở cả cấp độ
phần cứng và phần mềm nhưng vẫn không đủ năng lượng hoạt động, vì thế việc thu
thập năng lượng là cần thiết.
Hệ thống thu thập năng lượng cho phép các thiết bị thu thập năng lượng từ
mặt trời, độ rung, gió, hiệu ứng nhiệt điện và môi trường vô tuyến điện và chuyển
9
chúng thành năng lượng điện. Các anten trong thiết bị cũng có thể thu hoạch năng
lượng từ năng lượng tần số vô tuyến, năng lượng này sẽ chuyển thành năng lượng
một chiều (DC) cung cấp cho thiết bị. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng từ mặt trời,
gió rất phụ thuộc nhiều vào môi trường, trong khi thu thập năng lượng tần số vô
tuyến (RF) có thể đạt được sự ổn định cao hơn. Thật vậy, gần đây phương pháp thu
thập năng lượng vô tuyến (Radio frequency energy harvesting) đã được nghiên cứu
để duy trì hoạt động cho các nút mạng [16], [19].
Khác với các phương pháp thu hoạch năng lượng khác như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, v.v., phương pháp thu hoạch sóng vô tuyến có thể vượt qua
được một số điều kiện khách quan bên ngoài như ngày và đêm, điều kiện thời tiết.
Thật vậy, thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến chỉ cần yêu cầu một hoặc nhiều
nguồn phát sóng vô tuyến ổn định. Hơn nữa, việc tích hợp giữa truyền thông tin và
thu hoạch năng lượng có thể được thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến.
Đây chính là ưu điểm của thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến cho các thiết bị
truyền thông vô tuyến.
1.4 Các nghiên cứu liên quan và lý do chọn đề tài
1.4.1 Lý do chọn đề tài
Lý do mà Học viên chọn đề tài “Nghiên Cứu Các Phương Pháp Chọn Đường
Trong Mạng Chuyển Tiếp Đa Chặng Đa Đường Sử Dụng Thu Thập Năng Lượng
Với Sự Xuất Hiện Của Các Nút Nghe Lén” có thể được đưa ra như sau:
Một là, truyền thông không dây (wireless communications) đạt được những
ưu điểm về tính linh hoạt và di động. Vì vậy, những hệ thống vô tuyến nhận được
sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu trong những thập niên gần đây. Cùng
với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, yêu cầu về chất lượng dịch vụ,
như tốc độ truyền dẫn, tốc độ lỗi, hiệu quả năng lượng, hiệu quả phổ tần, v.v., đã và
đang trở thành những vấn đề thiết yếu. Đó là lý do mà các nghiên cứu gần đây chủ
yếu tập trung đề xuất các kỹ thuật mới nhằm nâng cao các thông số hiệu năng cho
các mạng thông tin vô tuyến.
10
Tiếp theo, một trong những kỹ thuật cải thiện hiệu suất hoạt động được quan
tâm nhiều trong thời gian gần đây, đó là các giao thức chuyển tiếp. Chuyển tiếp gần
như là một kỹ thuật không thể thiếu trong các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ
mới như mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks), mạng adhoc
chuyển động (Mobile adhoc networks), mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio
networks), mạng thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến (radio frequency energy
harvesting) và kể cả các mạng truyền thống như mạng thông tin di động. Chuyển
tiếp không những nâng cao tốc độ truyền dẫn, mà còn mở rộng được vùng phủ sóng
và hiệu quả về mặt năng lượng. Đối với các thiết bị nhỏ, công suất phát thấp như
các nút cảm biến (sensor nodes) và các thiết bị vô tuyến IoT (Internet of Things),
việc thiết lập những cơ chế chuyển tiếp dữ liệu trong mạng sẽ là một phương pháp
phổ biến trong tương lai.
Ba là, chuyển tiếp hai chặng (dual-hop relay) hay chuyển tiếp hai bước nhảy
được sử dụng phổ biến trong thực tế. Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa nguồn và
đích đủ xa, sự chuyển tiếp có thể được thực hiện thông qua nhiều nút trung gian hay
nhiều chặng (multi-hop). Truyền thông đa chặng (multi-hop communications) được
sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây và mạng adhoc chuyển động. Đây
là những mạng tự quản (không dựa vào các kiến trúc hạ tầng) và các thiết bị trong
mạng có công suất phát và năng lượng giới hạn.
Kế đến, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là một vấn đề hết sức
quan trọng. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, thông tin được gửi đi có thể bị
nghe lén bởi những người nghe không hợp pháp. Thông thường, các phương pháp
mật mã được sử dụng để bảo mật thông tin. Tuy nhiên, các phương pháp bảo mật
này thường phức tạp và việc triển khai chúng trên những thiết bị nhỏ như các nút
cảm biến có thể gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Để đạt được hiệu quả bảo mật với
độ phức tạp thấp hơn, gần đây, phương thức bảo mật trên lớp vật lý (Physical layer
security) đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Đây là phương pháp
bảo mật vừa đơn giản và vừa hiệu quả, bởi vì kỹ thuật này chỉ yêu cầu các thông tin
về khoảng cách và thông tin trạng thái kênh truyền giữa các thiết bị đầu cuối để
11
thiết lập các cơ chế bảo mật. Do đó, chủ đề nghiên cứu trong đề cương cũng sẽ quan
tâm đến vấn đề bảo mật sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền.
Và cuối cùng, vấn đề năng lượng sẽ trở thành một vấn đề cấp thiết khi ta
quan tâm đến các thiết bị nhỏ như điện thoại di động và các thiết bị cảm biến. Việc
hoạt động thường xuyên sẽ làm năng lượng của các thiết bị này suy giảm nhanh
chóng, vì thế sẽ rút ngắn thời gian sống của các mạng hoạt động dựa trên các thiết
bị này. Để duy trì hoạt động cho các nút mạng, gần đây phương pháp thu thập năng
lượng vô tuyến (Radio frequency energy harvesting) đã thu hút được sự chú ý của
các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.
Các nguyên nhân liệt kê ở trên đã tạo động lực cho Học viên tìm hiểu và
nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức đa chặng đa đường sử dụng kỹ
thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến. Trong đề cương khoa học này, Học viên
nghiên cứu các phương pháp chọn đường (path selection) hiệu quả nhằm nâng cao
chất lượng dịch vụ cho các mô hình đề xuất.
1.4.2 Các nghiên cứu liên quan
Cho đến nay, chỉ có một vài công bố nghiên cứu về mạng chuyển tiếp đa
chặng sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến. Cụ thể, trong tài liệu
[20], các tác giả nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng với năng lượng thu thập
được từ các nguồn giao thoa ở ngoài. Trong công trình [21], mô hình chuyển tiếp đa
chặng trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền đã được đề xuất.
Sau khi tìm hiểu kỹ các nghiên cứu liên quan, Học viên tập trung nghiên cứu
mô hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ một trạm
Beacon. Khác với mô hình đã đề xuất trong [21], mô hình trong đề cương khoa học
này bao gồm nhiều đường giữa nguồn và đích. Hơn nữa, Học viên đề xuất các
phương pháp chọn đường nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống khảo sát, dưới sự
tấn công của các nút nghe lén.
12
CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Mô hình hệ thống
B
S
N1,1
N1,2
N1,L1
N k ,1
N k ,2
N k ,Lk
N M ,1
N M ,2
N M , LM
E1
E2
D
EK
Hın
̀ h 2.1: Mô hình nghiên cứu
Hình 2.1 mô tả mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường sẽ được khảo sát trong
luận văn. Trong hình vẽ này, nút nguồn S muốn truyền dữ liệu đến nút đích D. Giả
sử rằng nút nguồn S và nút đích D cách xa nhau và vì thế nút nguồn không thể gửi
dữ liệu trực tiếp đến nút D. Trong mạng này, K nút nghe lén E1 , E 2 ,..., E K nỗ lực
nghe lén các thông tin được gửi đi từ nguồn và các nút chuyển tiếp.
Giả sử rằng, giữa nút nguồn và nút đích có M tuyến (route), với M là một số
nguyên dương ( M ≥ 1) . Ta cũng giả sử rằng các tuyến này đã được thiết lập theo
các giao thức ở lớp mạng như giao thức Destination Sequenced Distance Vector
13
(DSDV) [22] hay Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [23] v.v. Giả sử
các tuyến giữa nguồn và đích là sẵn có và nút nguồn S có thể chọn một trong các
tuyến sẵn có này để gửi dữ liệu đến nút nguồn D.
Ta đánh số các tuyến này lần lượt là 1, 2,…, M. Ví dụ, xét tuyến thứ nhất,
tuyến này có tất cả L1 + 1 chặng ( L1 + 1 hops) với L1 là số nút trung gian giữa nguồn
và đích. Ta cũng đặt tên tất cả các nút giữa nguồn và đích lần lượt là: N1,1 , N1,2 , …,
N1,L1 . Một cách tổng quát, ta xét tuyến thứ k giữa nguồn và đích, với k = 1, 2,..., M .
Tuyến này sẽ có tất cả Lk + 1 chặng với Lk là số nút trung gian giữa nguồn và đích
và được đặt tên là N k ,1 , N k ,2 , …, N k , Lk .
B
S
N k ,1
E1
N k ,2
E2
N k ,Lk
D
EK
Hın
̀ h 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k
Giả sử rằng, sự chuyển tiếp dữ liệu trên tất cả các tuyến đều sử dụng kỹ thuật
giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward (DF)) [24], [26]. Cụ thể, các nút
chuyển tiếp sẽ cố gắng giải mã dữ liệu, rồi mã hoá lại dữ liệu trước khi chuyển tiếp
đến chặng tiếp theo. Ví dụ, giả sử nút nguồn S chọn tuyến thứ k như trong Hình 2.2
để truyền dữ liệu đến nút đích D. Đầu tiên, nút nguồn sẽ truyền dữ liệu đến nút
N k ,1 . Nút N k ,1 sẽ cố gắng giải mã dữ liệu nhận được, rồi mã hoá lại dữ liệu trước
khi truyền dữ liệu đến nút N k ,2 . Nếu nút N k ,1 không thể giải mã dữ liệu từ nút nguồn
S (giải mã sai hoặc không nhận được dữ liệu), thì nút này sẽ không chuyển tiếp dữ
14
liệu đến N k ,2 và ta có thể xem như dữ liệu nguồn bị rớt tại chặng này. Một cách
tương tự, nút chuyển tiếp N k ,2 sẽ gửi dữ liệu đến nút N k ,3 theo phương pháp giải mã
và chuyển tiếp. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi nút N k , Lk truyền dữ liệu đến
nút đích D thành công. Tuy nhiên, nếu sự truyền dữ liệu ở một chặng nào đó trên
tuyến này không thành công, thì dữ liệu không thể chuyển tiếp được đến đích. Nói
cách khác, để nút đích D nhận dữ liệu của nút nguồn S thành công thì sự chuyển
tiếp trên tất cả các chặng đều phải thành công.
2.2 Công suất phát của các nút
Giả sử nút nguồn và tất cả các nút chuyển tiếp là những nút có năng lượng
giới hạn và vì vậy chúng phải thu hoạch năng lượng nhằm phục vụ cho sự chuyển
tiếp dữ liệu. Để phục vụ việc thu thập năng lượng của các nút, người ta đặt trạm
phát sóng vô tuyến (Beacon B) trong mạng. Trước khi gửi dữ liệu đi, tất cả các nút
đều dành một khoảng thời gian để thu thập năng lượng từ trạm B.
Giả sử tất cả các nút đều chỉ được trang bị với 01 ănten và hoạt động theo cơ
chế bán song công (half-duplex). Do đó, sự chuyển tiếp dữ liệu từ S đến D trên
một tuyến được chọn (giả sử là tuyến thứ k) sẽ thực hiện thông qua Lk + 1 khe thời
gian trực giao. Gọi T là tổng thời gian truyền từ nguồn đến đích trên tuyến thứ k thì
thời gian dành cho 01 khe thời gian truyền dữ liệu sẽ là:
τk =
T
.
Lk + 1
(2.1)
Trong mỗi khe thời gian, một khoảng thời gian ατ k được sử dụng để thu
hoạch năng từ trạm B, ở đây α là phần thời gian dành cho việc thu thập năng
lượng. Rồi thì, khoảng thời gian còn lại (1 − α )τ k sẽ được sử dụng để gửi dữ liệu.
Để đơn giản cho việc phân tích và diễn đạt, giá trị α sẽ không đổi trên tất cả các
chặng và trên tất cả các đường giữa nguồn và đích.
15
Tương tự như trong các tài liệu [18], [27], năng lượng thu thập của nút X
( X ∈ {S, N
k ,1
,..., N k , Lk
}) trong khoảng thời gian ατ
k
sẽ là:
EH = ηατ k Pγ X,B .
(2.2)
Trong công thức (2.2), các ký hiệu được nêu ra như sau:
- P là công suất phát của trạm phát sóng B.
- η ( 0 ≤ η ≤ 1) là hiệu suất thu thập năng lượng.
- γ X,B là độ lợi kênh truyền giữa X và B.
Từ công thức (2.2), ta tìm được công suất phát trung bình của X được dùng
trong khoảng thời gian (1 − α )τ k là:
=
PXEH
ηα
EH
=
Pγ
(1 − α )τ k 1 − α X,B
(2.3)
= χ Pγ X,B ,
với
χ=
ηα
.
1−α
(2.4)
Bây giờ, ta sẽ chú ý đến sự xuất hiện của các nút nghe lén. Ta sẽ xét hai
trường hợp xảy ra:
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
{
}
Xét sự truyền dữ liệu giữa nút X và nút Y, với ( X,Y ) ∈ S, N k ,1 ,..., N k , Lk , D .
Nếu các nút nghe lén không phối hợp với nhau, thì dung lượng kênh nghe lén được
từ X sẽ được tính như sau (xem [28], [29]):
(
PX max γ X,E
t
C=
(1 − α )τ k log 2 1 + t =1,2,...,K
N0
)
,
(2.5)
16
với PX là công suất phát của nút X, và γ X,Et là độ lợi kênh truyền giữa nút X và nút
nghe lén E t ( t = 1, 2,..., K ) .
Để các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu của nút phát X, nút X cần
giảm công suất phát của mình. Gọi Rth là tốc độ dữ liệu yêu cầu, và nếu như dung
lượng C nhỏ hơn giá trị này thì các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu thành
công. Thật vậy, ta có:
Rth
C ≤ Rth ⇔ PX ≤
2
(1−α )τ k
(
−1
max γ X,Et
)
ρ
= k
,
max γ X,Et
(2.6)
− 1.
(2.7)
K
t 1,2,..., K
=t 1,2,...,
=
(
)
với
Rth
ρk 2
=
(1−α )τ k
Từ các công thức (2.3) và (2.6), ta đạt được biểu thức tính công suất phát tối
đa mà nút X có thể sử dụng là:
ρk
PX = min χ Pγ X,B ,
max γ X,Et
t =1,2,..., K
(
)
.
(2.8)
Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
Khi các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu (theo phương thức
kết hợp độ lợi tối đa (maximal ratio combining (MRC))), dung lượng kênh nghe lén
đạt được ở các nút nghe lén sẽ là: (xem [30], [31])
K
C=
(1 − α )τ k log 2 1 + PX ∑ γ X,Et .
t =1
(2.9)
Cũng vậy, nút X cần hiệu chỉnh công suất phát của mình để các nút nghe lén
cho dù có hợp tác cũng không giải mã được dữ liệu nhận được:
