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 (tt)

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM - 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Trung Duy

Phản biện 1: ………………………………………………………………
Phản biện 2: ………………………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

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

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.

4

1.1.2 Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng
1.1.2.1 Chuyển tiếp hai chặng
1.1.2.2 Chuyển tiếp đa chặng
1.1.3 Giải pháp đa đường
1.2 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý
1.2.1 Tổng quát
1.2.2 Ưu điểm bảo mật lớp vật lý
1.3 Tổng quan về thu thập năng lượng
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.
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

5

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
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.

6

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.


7

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

Hin
̀ 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


8

(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

Hin
̀ h 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k

2.2 Công suất phát của các nút
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
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:


9

Rth

2

C  Rth  PX 

1  k

1



max  X,Et

t 1,2,..., K





k
,
max   X,E 

t 1,2,..., K

(2.6)

t

với
Rth

k  2

1  k

 1.

(2.7)

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:


k
PX  min   P X,B ,

max  X,Et
t 1,2,..., K







.




(2.8)

Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
(2.11)
Bây giờ, ta xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ n trên tuyến thứ k giữa hai nút

N k ,n 1 và N k ,n với n  1, 2,..., Lk  1 . Hơn nữa, N k ,0  S và N k , Lk 1  D . Dung lượng
kênh đạt được trên chặng này được tính bởi:

 PX N k , n 1 , Nk , n
C N k , n 1 , Nk , n  1    k log 2 1 
N0



 .


(2.12)

Chú ý rằng: công suất phát PX đạt được từ (2.8) và (2.11).
Hơn nữa, dung lượng kênh toàn trình trên tuyến thứ k sẽ được xác định như
sau:

Cke 2 e 

min

n 1,2,..., Lk 1

C

N k , n 1 , N k , n




 PX Nk , n 1 , N k , n
 min  1    k log 2 1 
n 1,2,..., Lk 1 
N0




  .


(2.13)


10

2.3 Các phương pháp chọn đường
Phương pháp 1: Phương pháp chọn đường ngẫu nhiên (RP: Random Path)
Trong phương pháp đầu tiên, với tên gọi chọn lựa ngẫu nhiên, nút nguồn sẽ
chọn ngẫu nhiên 01 tuyến để truyền dữ liệu đến đích. Đây là phương pháp đơn giản
nhất để chọn lựa tuyến, tuy nhiên phương pháp này có thể không đạt được hiệu

năng tốt trên các kênh truyền fading bởi không quan tâm đến chất lượng kênh
truyền trên các tuyến cũng như số chặng trên các tuyến.
Ta gọi tên tuyến được chọn là tuyến thứ k .
Phương pháp 2: Phương pháp chọn đường ngắn nhất (SP: Shortest Path)
Trong phương pháp thứ hai, với tên gọi chọn lựa đường ngắn nhất, tuyến nào
có số chặng ngắn nhất sẽ được chọn để truyền dữ liệu. Trong nhiều giao thức ví dụ
như AODV, thông thường tuyến ngắn nhất giữa nguồn và đích sẽ được chọn để gửi
dữ liệu. Phương pháp này có thể được viết ra như sau:

s : Ls  1  min

k 1,2,..., M

 Lk  1 .

(2.14)

Trong công thức (2.14), ta đặt tên cho tuyến ngắn nhất là tuyến thứ

s  s  1, 2,..., M  , và Ls  1 là số chặng có giá trị nhỏ nhất trong tất cả các tuyến.
Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp có nhiều tuyến có cùng số chặng
(cùng số nút trung gian). Nếu xảy ra trường hợp có nhiều tuyến có cùng giá trị
Ls  1 thì nút nguồn S sẽ chọn ngẫu nhiên một trong các tuyến này để truyền dữ

liệu.
Phương pháp 3: Phương pháp chọn đường tốt nhất (BP: Best Path)
Trong phương pháp này, nút nguồn S sẽ chọn tuyến có dung lượng kênh lớn
nhất để truyền dữ liệu đến đích. Thật vậy, ta có thể diễn đạt phương pháp này bằng
công thức toán học sau:

b :Cbe 2 e  max  Cke 2e  .
k 1,2,..., M

(2.15)


11

Công thức (2.15) có ý nghĩa rằng nếu tuyến thứ b được chọn để truyền dữ
liệu thì dung lượng kênh Shannon trên tuyến b phải đạt giá trị lớn nhất, trong đó

Cke 2 e là dung lượng kênh toàn trình của tuyến thứ k được đưa ra trong công thức
(2.13).

2.4 Mô hình kênh truyền
2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất
Pr



min

n 1,2 ,..., Lk 1







Lk 1







CNk ,n 1 , Nk , n  Rth  1   1  Pr CNk , n 1 , Nk , n  Rth .
n 1

(2.21)
Tương tự, xác suất dừng toàn trình của mô hình SP cũng được biểu diễn dưới
dạng như sau:

OPSP  Pr



min

u 1,2,..., Ls 1

Ls 1



C

N s , u 1 , N s , u

R

th


(2.22)





 1   1  Pr C N s ,u 1 , N s ,u  Rth ,
u 1

Đối với giao thức BP, xác suất dừng của mô hình này sẽ được tính như sau:



OPBP  Pr max  Cke 2 e   Rth
k 1,2,..., M

   Pr
k 1 
M



min

n 1,2,..., Lk 1

C



N k , n 1 , N k , n

R

th



.



(2.23)

2.5.1 Xác suất dừng của giao thức RP
Ta xét hai trường hợp:
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
Thay (2.21) và (2.37) vào trong (2.18), ta sẽ được một biểu thức tính chính
xác giá trị xác suất dừng của mô hình RP khi các nút nghe lén không phối hợp với
nhau:


12

1
OPRP 
M

M


k 1











 2 N 0  k N , N  N ,B K1 2 N 0  k N , N  N ,B 

k , n 1
k ,n
k , n 1
k , n 1
k ,n
k , n 1




 Lk 1  K
 
v
v

1       1 CK 2Nk , n 1 , Nk , n

 n 1  v 1



 
N


v



0
k
N
,B
N
,E

k , n 1
k , n 1

 2 N 0  k  N , N 

 

K


1
N
,B
k
,
n

1
k
,
n
k
,
n

1



v Nk , n 1 ,E 
N 0  k 
 


 

 N k , n 1 , Nk , n 

N0 k

 






(2.38)
Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
Từ (2.48), ta đạt được biểu thức tính chính xác xác suất dừng của mô hình
RP:





2 N  

0 k N k , n 1 , N k , n  N k , n 1 ,B K1 2 N 0  k N k , n 1 , N k , n  N k , n 1 ,B   





w1





2

w



1 M  Lk 1  K 1 2N k , n 1 , N k , n   Nk , n 1 ,E   N 0  k  N k , n 1 ,B 
 .
OPRP   1   


 N     N ,E


M k 1  n1  w0
w!
0 k 
k , n 1

 Nk , n 1 , Nk , n 






 N0 k








  N k , n 1 ,E






 Nk , n 1 , N k , n 
K w1 2 N 0  k  N k , n 1 ,B 


N



 0 k


 







(2.49)

2.5.2 Xác suất dừng của giao thức SP
Sử dụng kết quả của giao thức RP, ta có thể tính được xác suất dừng của giao
thức SP theo hai trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.


13

Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP sẽ là:







 2 N 0  s N , N  N ,B K1 2 N 0  s N , N  N ,B 

s , n 1
s ,n
s , n 1
s , n 1
s ,n
s , n 1



Ls 1 
K

v
OPSP  1       1 CKv 2N s , n 1 , N s , n
,
n 1  v 1




N 0  s  N s , n 1 ,B
v N s , n 1 ,E 



K  2 N 0  s  N s , n 1 , N s , n 
  N s , n 1 ,B  

v N s , n 1 ,E 1 
N0 s 




 N s , n 1 , N s , n 
N0 s







(2.50)
với
Rth

s  2

1  s

 1.

(2.51)

Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.
Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP được tính
như sau:



2 N  

0 s N s , n 1 , N s , n  N s , n 1 ,B K1 2 N 0  s N s , n 1 , N s , n  N s , n 1 ,B  



w1




2
w



Ls 1 K 1 2
N 0  s  N s , n 1 ,B
N s , n 1 , N s , n   N s , n 1 ,E 

.

OPSP  1   

  



w!
n 1 w 0
 N 0  k   N s , n 1 ,E  



N s , n 1 , N s , n 
N




 0 k




  N s , n 1 ,E



 N s , n 1 , N s , n  
K w1  2 N 0  s  N s , n 1 ,B 


N0 s












(2.52)

2.5.3 Xác suất dừng của giao thức BP

Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.
Như đã đề cập trong công thức (2.23), sử dụng công thức (2.38), ta có:


14











 2 N 0  k N , N  N ,B K1 2 N 0  k N , N  N ,B 

k , n 1
k ,n
k , n 1
k , n 1
k ,n
k , n 1



Lk 1 
K 
K

 
v

OPBP   1       1 CKv 2Nk , n 1 , N k , n 
 .
k 1 
n 1  v 1




 
N 0  k  N k , n 1 ,B
v Nk , n 1 ,E 




K  2 N 0  k  N k , n 1 , N k , n 
  N k , n 1 ,B   


v N k , n 1 ,E 1 
N0 k 



 
 Nk ,n 1 , Nk , n 


N



0 k

 





(2.53)
Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.
Như đã đề cập trong công thức (2.23), sử dụng công thức (2.49), ta đạt được:





2 N  


K
2
N





0
k
N
,
N
N
,B
1
0
k
N
,
N
N
,B

k , n 1
k ,n
k , n 1
k , n 1
k ,n
k , n 1





w1

2






w



Lk 1 K 1 2
M

N




N
,
N
N
,E
0
k
N
,B

 .
k , n 1
k ,n

k , n 1
k , n 1


OPBP   1    


 N     N ,E



w!
k 1 
n 1 w 0
0 k 
k , n 1

 N k , n 1 , Nk , n 




N



 0 k








  N k , n 1 ,E






 Nk , n 1 , Nk , n 
K w1 2 N 0  k  Nk , n 1 ,B 


N



0
k



 







(2.54)


15

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1 Xác suất dừng của giao thức RP

Hin
̀ h 3.1: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi L  2,3 , Rth  0.05,

K  2, yE  1 và   0.1 .

Hin
̀ h 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   0.1 .


16

Hin
̀ h 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 .

3.2 Xác suất dừng của giao thức SP

Hin
̀ h 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 .


17

Hin
̀ h 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   0.25 .

Hin
̀ h 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   0.4 .

Trong hình vẽ 3.6, xác suất dừng của giao thức SP cũng được vẽ theo P khi
ta thay đổi số lượng nút nghe lén. Trong hình vẽ này, các nút nghe lén sẽ hợp tác
với nhau để giải mã dữ liệu. Nhìn vào hình vẽ ta thấy rằng khi tăng số lượng nút
nghe lén, giá trị của OP cũng tăng nhanh.


18

3.3. Xác suất dừng của giao thức BP

Hin
̀ h 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   0.3 .

Hin
̀ h 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   0.35 .

Hình vẽ 3.8 cho ta thấy rằng khi số lượng nút nghe lén tăng sẽ kéo theo xác
suất dừng của mô hình BP tăng.


19

Hin
̀ h 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 .

Hình 3.9 cho kết quả tương tự như Hình 3.3 và 3.5: OP của giao thức BP
cũng sẽ hội tụ đến một giá trị khi công suất phát P đủ lớn.

3.4. So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén không hợp tác
với nhau

Hin
̀ h 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   0.1 .


20

Hin
̀ h 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   0.5 .

3.5. So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén hợp tác với nhau

Hin
̀ h 3.12: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo  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 .

Trong Hình 3.12, xác suất dừng OP được vẽ theo giá trị của khoảng thời gian
được sử dụng cho việc thu thập năng lượng tại mỗi chặng   . Nhìn vào hình vẽ ta


21

thấy rằng giá trị OP của các giao thức hầu như thay đổi nhẹ khi  thay đổi từ 0.2
đến 0.8. Ngoài vùng này, giá trị OP của các giao thức sẽ tăng nhanh. Ví dụ: OP của
các giao thức sẽ tăng nhanh khi  tăng từ 0.8 đến 0.975.

Hin
̀ h 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 ,   0.3, K  3 và

Rth  0.05 .

Hin
̀ h 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 ,   0.4, K  3
và Rth  0.05 .

22

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận
Những công việc được thực hiện trong luận văn có thể được liệt kê như sau:
- Nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường. Đây là mô hình hiệu quả
nhằm nâng cao hiệu năng cho các mạng chuyển tiếp đa chặng. Mô hình này
có thể áp dụng cho các mạng adhoc hay mạng cảm biến trong thực tế, trong
đó số lượng nút mạng là lớn, do đó sẽ có nhiều tuyến đi từ nguồn đến đích.
- Đưa ra công thức tính công suất phát cho các nút phát dưới sự ràng buộc về
năng lượng thu thập và sự xuất hiện của các nút nghe lén. Thật vậy, các nút
trong mạng có năng lượng hữu hạn và phải thu thập năng lượng từ một trạm
phát sóng vô tuyến được triển khai trong mạng. Hơn nữa, các nút phát cũng
phải giảm công suất phát của mình để các nút nghe lén không thể giải mã
thành công dữ liệu nhận được.
- Nghiên cứu hai mô hình nghe lén: các nút nghe lén có thể hợp tác với nhau
hoặc không hợp tác với nhau để giải mã dữ liệu.
- Khảo sát 03 phương pháp chọn tuyến: trong phương pháp thứ nhất (RP),
một tuyến ngẫu nhiên sẽ được chọn để chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn đến
đích. Trong phương pháp thứ hai (SP), tuyến có số chặng ngắn nhất sẽ được
chọn để chuyển tiếp dữ liệu. Trong phương pháp cuối cùng (BP), tuyến nào
có dung lượng kênh truyền lớn nhất sẽ được chọn để gửi dữ liệu.
- Mô phỏng các mô hình đề xuất trên kênh truyền fading Rayleigh để đánh
giá hiệu năng xác suất dừng của hệ thống.
- Sử dụng các công cụ toán học để đưa ra các biểu thức tường minh đánh giá
chính xác hiệu năng xác suất dừng của các mô hình đề xuất. Hơn nữa, các
biểu thức toán học còn được kiểm chứng sự chính xác thông qua các kết
quả mô phỏng.

23

- Từ các kết quả mô phỏng và lý thuyết, Học viên trình bày một số kết quả để
làm rõ những đặc trưng của các mô hình khảo sát, cũng như cho thấy được
sự tác động của các tham số hệ thống lên hiệu năng xác suất dừng.
Sau đây, Học viên sẽ trình bày các kết quả đạt được trong luận văn:
- Trong ba mô hình khảo sát, mô hình BP đạt được hiệu năng tốt nhất, bởi vì
mô hình này quan tâm đến việc chọn tuyến dựa vào chất lượng kênh truyền.
Trong hai mô hình RP và SP, mô hình RP thường đạt hiệu năng tốt hơn mô
hình SP. Điều này có thể được giải thích như sau: khi khoảng cách giữa
nguồn và đích cố định, việc chọn tuyến ngắn nhất để truyền dữ liệu sẽ làm
cho khoảng cách giữa hai nút liền kề tăng, dẫn đến việc truyền dữ liệu
không ổn định trên từng chặng, kéo theo hiệu năng của hệ thống cũng giảm
theo. Tuy nhiên, một số kết quả cho thấy hiệu năng của mô hình SP vẫn tốt
hơn mô hình RP khi tốc độ yêu cầu lớn. Tuy vậy, cả hai mô hình SP và RP
đều đạt hiệu năng rất kém khi trong mạng xuất hiện nhiều nút nghe lén, đặc
biệt các nút nghe lén có thể phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.
- Hiệu năng của các mô hình RP, SP và BP đều suy giảm nghiêm trọng khi
trong mạng xuất hiện nhiều nút nghe lén. Cũng vậy, khi các nút nghe lén ở
gần các tuyến giữa nguồn và đích thì hiệu năng của các mô hình RP, SP và
BP đều giảm.
- Các giải pháp để nâng cao hiệu năng cho các giao thức đề xuất: một là tăng
công suất phát của trạm phát sóng. Tuy nhiên, xác suất dừng của các mô
hình sẽ không thay đổi khi công suất phát của trạm phát sóng B đủ lớn. Hai
là, thiết kế giá trị phân chia thời gian cho việc thu thập năng lượng một cách
thích hợp. Như đã thể hiện trong các hình vẽ, để nâng cao hiệu năng cho
các mô hình, thời gian dành cho việc thu thập năng lượng ở mỗi chặng nên
không quá thấp hoặc quá lớn. Ba là, tăng số chặng đường giữa nguồn và
đích. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả đối với phương pháp BP.