Đánh giá tổng dung lượng bảo mật cho mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng công nghệ NOMA (tt)

1

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.
TP.HCM, ngày 08 tháng 05 năm 2018
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Việt Trọng Khánh


2

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Trần
Trung Duy đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận
văn. Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững
tin bước tiếp trên con đường của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Em 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.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 20162018 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.

TP.HCM, ngày 08 tháng 05 năm 2018
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Việt Trọng Khánh


3

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
WSN
MIMO
AF
NOMA
DF
PDF
OP
RF
SIC
SNR

Tiếng Anh
Wireless Sensor Networks
Multiple Input Multiple Output
Amplify-and-forward
Non-Orthogonal Multiple
Access
Decode-and-Forward
Probability Density Function
Secrecy Outage Probability

Randomize-and-Forward
Successive Interference
Cancellation

Tiếng Việt
Mạng cảm biến không dây
Kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra
Khuếch đại và chuyển tiếp
Kỹ thuật đa truy nhập không trực
giao
Giải mã và chuyển tiếp
Hàm mật độ xác suất
Xác suất dừng
Ngẫu nhiên và chuyển tiếp
Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần
tự

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu


4

DANH SÁCH HÌNH VẼ


5

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về truyền thông đa chặng và mạng cụm
Trong thời gian gần đây, mạng truyền thông không dây (Wireless
Communication Systems) ngày càng phát triển mạnh bởi nhu cầu người dùng mạng
di động và các thiết bị vô tuyến phát triển ngày càng nhanh. Bởi khả năng di động
và linh hoạt, các thiết bị không dây gần như chiếm lĩnh thị trường. Các thiết bị và hệ
thống vô tuyến ngày nay xuất hiện khắp mọi nơi và là những thiết bị không thể
thiếu trong đời sống của con người như điện thoại di động [1], Bluetooth [2], Wifi
[3], những ứng dụng hiện tại cũng như trong tương lai như mạng cảm biến không
dây (Wireless Sensor Networks (WSN)) [4], mạng ad-hoc vô tuyến (wireless adhoc
networks) [5], v.v.
Tuy nhiên, khi nói đến nhược điểm của mạng truyền thông không dây (so
sánh với mạng có dây), ta có thể kể đến dung lượng thấp, tốc độ lỗi cao, dễ bị ảnh
hưởng của nhiễu và sự tác động của môi trường như fading, giao thoa, v.v. Do đó,
những nghiên cứu gần đây liên quan đến mạng vô tuyến thường tập trung vào các
kỹ thuật cải thiện tốc độ truyền dẫn và nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu.
Một số kỹ thuật nâng cao hiệu năng của các hệ thống vô tuyến mà Học viên được
biết có thể liệt kê có thể kể là: kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra (Multiple Input
Multiple Output (MIMO)) [6] được dùng để cải thiện tốc độ truyền, cũng như giảm
tốc độ lỗi của hệ thống dưới sự tác động của fading kênh truyền và giao thoa, trong
khi các kỹ thuật chuyển tiếp (relaying technique [7]) thường được sử dụng để nâng
cao hiệu năng cho các hệ thống vô tuyến trong điều kiện công suất phát của các
thiết bị hạn chế.
Trong luận văn này, Học viên sẽ nghiên cứu về mạng chuyển tiếp để nâng
cao hiệu năng cho các mạng truyền thông vô tuyến. Thật vậy, đối với một số mạng
vô tuyến như mạng cảm biến không dây, mạng ad-hoc vô tuyến, các thiết bị thường


6

đơn giản, công suất phát và khả năng xử lý dữ liệu hạn chế. Do đó, chuyển tiếp là

một giải pháp thực tế cho các mạng này. Như được mô tả trong hình vẽ 1.1, nguồn S
cần gửi dữ liệu đến đích D, tuy nhiên do nguồn S có công suất phát nhỏ, nên nguồn
S cần sự trợ giúp của các nút chuyển tiếp trung gian như

T1 T2
TN −1
, , …,
để gửi dữ

liệu đến đích. Dữ liệu sẽ lần lượt được chuyển tiếp từ nguồn, đến nút
T2

, v.v. đến nút

phải đi qua

N

TN −1

T1

, qua nút

và đến đích. Nói cách khác, dữ liệu của nguồn muốn đến đích

chặng hay

N

hop. Nếu

N

=1, có nghĩa là nguồn có thể truyền trực

tiếp dữ liệu đến D mà không cần thông qua bất cứ một nút chuyển tiếp nào (xem
hình 1.2). Nếu

N =2

, một nút chuyển tiếp được sử dụng để giúp nguồn gửi dữ liệu

đến đích. Trong thực tế, rất nhiều ứng dụng sử dụng chuyển tiếp hai chặng (dual
hop) có thể thấy như sự liên lạc giữa hai thiết bị di động thông qua cùng một trạm
gốc, hai thiết bị vô tuyến liên lạc với nhau thông qua một AP, v.v. Nếu n>2, mạng
chuyển tiếp thường có tên gọi: mạng chuyển tiếp đa chặng hay chuyển tiếp đa bước
nhảy (multi-hop relaying networks) [8],[9],[10],[11].

Hình 1.1: Mạng chuyển tiếp

N

chặng


7

Hình 1.2: Truyền trực tiếp giữa nguồn và đích (

Hình 1.3: Chuyển tiếp hai chặng (

N =2

N =1

)

)

Sau đây, những ưu điểm và nhược điểm của mạng chuyển tiếp sẽ được tóm
tắt như sau:
Ưu điểm của mạng chuyển tiếp đa chặng:
-

Giảm tổng công suất phát khi so sánh với truyền trực tiếp ở cùng ràng buộc

-

về tỷ lệ lỗi.
Tăng lưu lượng kênh truyền và cân bằng tải: việc truyền thông trên những
khoảng cách ngắn có thể nâng cao độ ổn định của việc truyền dữ liệu, cũng

-

như giảm công suất phát cho các nút chuyển tiếp.
Mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống: chuyển tiếp sẽ phù hợp cho việc mở
rộng vùng phủ cho các thiết bị hạn chế công suất phát.
Nhược điểm của mạng chuyển tiếp đa chặng:

-

Tăng thời gian trễ: khi số chặng càng nhiều thì thời gian trễ càng tăng
Hiệu quả sử dụng phổ tần thấp khi sử dụng nhiều chặng chỉ để chuyển tiếp

-

01 gói dữ liệu.
Phức tạp trong việc xử lý tín hiệu ở các nút chuyển tiếp, sự đồng bộ và định
tuyến.


8

Trong mạng chuyển tiếp, nút chuyển tiếp có thể sử dụng kỹ thuật khuếch đại
và chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF) [12], hoặc giải mã và chuyển tiếp
(Decode-and-forward (DF)) [13]. Trong kỹ thuật chuyển tiếp AF, mỗi nút chuyển
tiếp sẽ nhận dữ liệu từ nút phía trước, sau đó khuếch đại tín hiệu nhận được (trong
đó có cả nhiễu) và gửi tín hiệu đã khuếch đại tới những nút tiếp theo. Hơn nữa, 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 nhiễu, và nhiễu
có thể được tích lũy thêm khi tín hiệu được chuyền đi qua nhiều chặng.
Đối với kỹ thuật DF, các nút chuyển tiếp sau khi nhận được dữ liệu sẽ giải
mã tín hiệu, mã hoá lại và gửi đến những nút tiếp theo. Do đó, kỹ thuật DF sẽ tránh
được việc tích luỹ nhiễu theo từng chặng. Tuy nhiên, kỹ thuật DF này phức tạp hơn
kỹ thuật AF do kỹ thuật DF yêu cầu các nút chuyển tiếp phải giải mã chính xác dữ
liệu, mã hoá lại và gửi đi, trong khi kỹ thuật AF, các nút chuyển tiếp chỉ đơn giản
khuếch đại tín hiệu nhận được và gửi đi. Một đặc điểm nữa của kỹ thuật DF là 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. Nói cách khác, nút đích chỉ nhận được dữ liệu
thành công nếu dữ liệu trên tất cả các chặng được truyền đi thành công.

D

S
Cluster 1 Cluster 2

Cluster K

N1 Relays N2 Relays

NK Relays

Hình 1.4: Mô hình truyền thông đa chặng dạng cụm


9

Trong luận văn này, Học viên nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng sử
dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF). Hơn nữa, Học viên nghiên cứu mô hình
truyền thông đa chặng dạng cụm (cluster networks) [14],[15]. Như được vẽ trong
Hình 1.4, một nguồn S muốn gửi dữ liệu đến một đích D thông qua K +1 chặng và
đi qua K cụm. Mô hình cụm thường được sử dụng cho mạng cảm biến, mạng ad-hoc
và những loại mạng tự quản khác (mạng không được trang bị kiến trúc hạ tầng phục
vụ cho việc truyền thông). Trong những mạng loại mạng này, các nút gần nhau sẽ
được nhóm lại thành những cụm, mỗi cụm có thể bầu ra một chủ cụm làm nhiệm vụ
quản lý kết nối cũng như truyền thông với các cụm khác [16],[17]. Việc truyền dữ
liệu trong mạng cụm có thể được mô tả như sau: ở chặng đầu tiên, nguồn sẽ gửi dữ
liệu của mình đến cụm thứ nhất. Để nâng cao chất lượng truyền dữ liệu và hiệu quả

về mặt năng lượng, chỉ một trong các nút của cụm thứ nhất sẽ nhận dữ liệu của
nguồn, xử lý dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu này đến chặng tiếp theo. Cũng như vậy,
cụm thứ hai cũng sẽ chọn một nút để nhận dữ liệu từ cụm thứ nhất, và cứ thế, tiến
trình này được lặp lại cho đến cụm cuối cùng. Do đó, việc lựa chọn nút chuyển tiếp
tối ưu tại mỗi cụm sẽ được tiến hành, nhằm mục đích nâng cao chất lượng đường
truyền dữ liệu. Dựa vào sự chuyển tiếp tại từng chặng, hiệu năng của hệ thống được
tăng đáng kể.

1.2 Tổng quan về đa truy nhập không trực giao (NOMA)
Mặc dù kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng cụm có thể nâng cao được chất
lượng truyền dẫn nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề hiệu quả phổ hay hiệu quả
ghép kênh. Do đó, Học viên đề xuất sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao
(Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho
mạng chuyển tiếp đa chặng.
Thật vậy, gần đây kỹ thuật NOMA đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút
sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Đây là một kỹ thuật rất
mới, nâng cao đáng kể tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến. Ý tưởng


10

của kỹ thuật này đó là nguồn phát ghép các tín hiệu khác nhau bằng cách phân bổ
công suất khác nhau cho từng tín hiệu, và truyền đồng thời các tín hiệu đến máy
thu. Ở phía đầu thu, các tín hiệu sẽ được giải mã tuần tự theo phương pháp khử giao
thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)) [18],[19],[20]. Trong SIC,
tín hiệu được phân bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước. Sau khi
giải mã xong tín hiệu này, máy thu loại bỏ tín hiệu vừa được giải mã từ tín hiệu tổng
nhận được, rồi tiến hành giải mã tín hiệu được phân bổ công suất lớn tiếp theo. Với
phương thức như vậy, thiết bị thu có thể nhận được cùng lúc nhiều tín hiệu khác
nhau mà không cần nâng cao mức điều chế hay sử dụng những kỹ thuật mã hoá

phức tạp khác. Nói cách khác, tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống tăng lên gấp nhiều
lần mà không cần phải thay đổi kiểu điều chế, phương thức mã hoá của hệ thống.
Do đó, đa truy nhập không trực giao (NOMA) được xem như là một ứng viên tiềm
năng cho các mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới.

Hình 1.5: Nguồn gửi đồng thời hai dữ liệu khác nhau đến đích

Sau đây, một ví dụ đơn giản về NOMA sẽ được giới thiệu để mô tả tiến trình
hoạt động của kỹ thuật này. Trong Hình 1.5, một nguồn S sử dụng NOMA để gửi
cùng lúc hai dữ liệu

x1

và

x2

đến đích D. Đầu tiên, S kết hợp

x+ = a1 Px1 + a2 Px2 ,

x1

và

x2

như sau:

(1.1)

11

với
x2

a1

và

, ở đây

a2

là các hệ số phân chia tổng công suất P của nguồn S cho tín hiệu

a1 > a2

và

x1

và

a1 + a2 = 1.

Sau đó, nguồn S gửi

x+

đến đích D, và tín hiệu nhận được tại D là

y = hx+ + n
= a1Phx1 + a2 Phx2 + n,

với

h

là hệ số kênh truyền fading giữa S và D, và

n

(1.2)
là nhiễu cộng tại D.

Áp dụng kỹ thuật SIC, đích D tiến hành giải mã tín hiệu
được phân công công suất phát lớn hơn
để giải mã

x1

x2

x1

trước vì

. Tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) được

được đưa ra như sau:

a1 P | h |2
γ1 =
,
a2 P | h |2 + N 0

với

| h |2

N0

là độ lợi kênh truyền và

trong tín hiệu nhận được

y

(1.3)

là phương sai của nhiễu cộng tại D.

Giả sử đích D giải mã thành công

a1 Phx1

x1

x1

, nút này sẽ có thể khử thành phần

. Thật vậy, giả sử quá trình khử là hoàn hảo, tín

hiệu còn lại sẽ là:

y ' = a2 Phx2 + n.

(1.4)


12

Rồi đích D sẽ tiến hành giải mã

x2

γ2 =

, và tỷ số SNR đạt được để giải mã

a2 P | h |2
.
N0

x2

là

(1.5)

Hình 1.6: Nguồn gửi đồng thời nhiều dữ liệu khác nhau đến đích

Một cách tổng quát, nguồn S có thể kết hợp nhiều dữ liệu khác nhau để nâng
cao tốc độ truyền dữ liệu. Như được thể hiện trong Hình 1.6, nguồn S kết hợp M tín
hiệu khác nhau để gửi đến đích D.

M

x+ = ∑ ai P xi ,
Tín hiệu kết hợp sẽ là:

i =1

Trong đó, các hệ số phân chia công suất sẽ được thiết lập như sau:
M

∑a
và

i =1

i

(1.6)
a1 > a2 > ... > aM

= 1.

Một ứng dụng khác của NOMA được minh hoạ trong Hình 1.7, trong đó
nguồn S có thể gửi cùng lúc hai dữ liệu khác nhau đến hai đích khác nhau. Cụ thể,


13

nguồn S cũng kết hợp hai dữ liệu
thời hai dữ liệu này đến hai đích

x1

D1

và

và

x2

D2

như trong công thức (1.1), và gửi đồng

.

Hình 1.7: Nguồn gửi đồng thời hai dữ liệu khác nhau đến hai
đích khác nhau

Hơn nữa, dữ liệu

mong muốn của

D2

mã trực tiếp dữ liệu
mã dữ liệu

x1

x1

là dữ liệu mong muốn của

. Theo như cách phân bổ công suất
x1

bằng cách xem

trước, sau đó khử tín hiệu

x2
x1

D1

, và dữ liệu

a1 > a2

x2

, thì đích

là nhiễu, trong khi đích

D2

, rồi tiến hành giải mã dữ liệu

là dữ liệu
D1

sẽ giải

sẽ phải giải
x2 .

1.3 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý
Với sự thành công vượt trội của mạng internet và sự triển
khai rộng khắp của mạng vô tuyến, ngày nay đã cho phép truy cập
đồng thời vào các mạng giao tiếp khác nhau. Tuy nhiên việc truy
cập tràn lan vào các dịch vụ trực tuyến thường kèm theo sự mở
rộng của vấn đề bảo mật. Do đó, việc giao tiếp vô tuyến tự thân nó


14

đã trở nên nhạy cảm với sự nghe lén thông tin, từ đó nhu cầu giải
pháp giao tiếp an toàn càng trở nên cần thiết. Thật vậy, bởi tính
chất quảng bá của kênh vô tuyến, các thiết bị có thể nghe lén dữ

liệu một cách bất hợp pháp. Trong các hệ thống thực tế, 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. Tuy nhiên, việc triển khai các hệ thống này có thể tốn
kém, và có thể không bảo mật khi đối mặt với các thiết bị nghe lén
có khả năng tính toán cao. 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. Việc nghiên cứu các mô hình, phương pháp và
giải thuật nhằm mục đích nâng cao bảo mật của các hệ thống giao
tiếp bằng cách triển khai các đặc tính của lớp vật lý, đã phát triển
thành phạm vi nghiên cứu động, đó là bảo mật lớp vật lý (Physical
layer secrity) [21],[22]. Không giống như các phương pháp bảo
mật truyền thống là xử lý bảo mật tại lớp ứng dụng, thì bảo mật
lớp vật lý này hướng đến việc phát triển các sơ đồ giao tiếp bảo
mật hiệu quả, khai thác các đặc tính của lớp vật lý như khoảng
cách, độ lơi kênh truyền.
Để minh họa khái niệm tổng quát của bảo mật lớp vật lý, ta
xem xét ví dụ mạng vô tuyến có có ba nút như Hình 1.8, trong đó
Alice (A) muốn trao đổi thông tin với Bob (B) và Eva (E) muốn nghe
lén cuộc hội thoại này.


15

Hình 1.8: Mô hình bảo mật lớp vật lý với 03 nút cơ bản

Theo Shannon, dung lượng kênh giữa A và B, hay còn gọi là
dung lượng kênh dữ liệu, được tính như sau:

CAB

với
và

PA
N0

 PA | hAB |2 
= log 2 1 +
÷,
N0 


là công suất của A,

| hAB |2

(1.7)

là độ lợi kênh fading giữa A và B,

là phương sai của nhiễu cộng tại B.
Tương tự, dung lượng kênh giữa A và E, hay còn gọi là dung

lượng kênh nghe lén, được tính như sau:

CAE

với

| hAE |2

 PA | hAE |2 
= log 2 1 +
÷,
N0 


(1.8)

là độ lợi kênh fading giữa A và E.

Từ (1.7) và (1.8), dung lượng bảo mật được định nghĩa như
sau:


16

Cbm = max ( 0, CAB − CAE )
CAB − CAE , khi CAB > CAE
=
0, khi CAB ≤ CAE

(1.9)

Công thức (1.9) có nghĩa rằng dung lượng bảo mật là một đại
lượng không âm, và khi dung lượng kênh dữ liệu lớn hơn dung
lượng kênh nghe lén thì dung lượng bảo mật bằng hiệu của dung
lượng kênh dữ liệu trừ đi dung lượng kênh nghe lén.

Cũng từ công thức (1.9), ta có nhận xét rằng để tăng dung
lượng bảo mật, ta cần nâng cao dung lượng của kênh dữ liệu hoặc
giảm dung lượng của kênh nghe lén. Trong luận văn này, Học viên
nghiên cứu phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp trong mạng
cụmg nhằm nâng cao dung lượng của kênh dữ liệu.

Hình 1.9: Mô hình bảo mật lớp vật lý với NOMA

Kế tiếp, ta sẽ xét đến mô hình bảo mật lớp vật lý khi Alice sử
dụng kỹ thuật NOMA để gửi dữ liệu đến Bob. Như trong hình 1.9,
Alice gửi cùng lúc hai dữ liệu

x1

và

x2

đến Bob bằng cách kết hợp

hai dữ liệu này như trong công thức (1.1):


17

x+ = a1 PA x1 + a2 PA x2 ,
a1
Cũng vậy,
với

a1 > a2

và

và

a2

(1.10)

là các hệ số phân chia công suất A cho tín hiệu

x1

và

x2

,

a1 + a2 = 1.

Với sự xuất hiện của hai tín hiệu

x1

và

x2

, dung lượng đạt được

của hai tín hiệu này sẽ lần lượt được định nghĩa như sau:

CAB,x1


a1PA | hAB |2 
= log 2 1 +
÷,
2
 a2 PA | hAB | + N 0 

 a P | h |2 
CAB,x2 = log 2 1 + 2 A AB ÷.
N0



(1.11)

(1.12)

Giả sử rằng, nút nghe lén E cũng sử dụng SIC để giải mã các dữ liệu. Dung
lượng đạt được của các dữ liệu

CAE,x1

CAE,x2

x1

và

x2

được tính như sau:


a1PA | hAE |2 
= log 2 1 +
÷,
2
 a2 PA | hAE | + N 0 
 a2 PA | hAE |2 
= log 2 1 +
÷.
N0



Do đó, dung lượng bảo mật của

x1

(

và

x2

(1.13)

(1.14)

được định nghĩa tương tự như (1.9):

)

Cbm , x1 = max 0, CAB,x1 − CAE,x1 ,

(1.15)


18

(

)

Cbm , x2 = max 0, CAB,x2 − CAE,x 2 .

(1.16)

1.4 Lý do chọn đề tài
Thứ nhất, NOMA được xem là ứng viên đầy tiềm năng cho
công nghệ truyền thông 5G bởi NOMA nâng cao đáng kể tốc độ
truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến. Bởi vì đây là công
nghệ mới và đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên
cứu trong và ngoài nước, nên học viên mong muốn được nghiên

cứu theo hướng này trong đề tài.
Thứ hai, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là
một vấn đề hết sức quan trọng. So với các kỹ thuật mật mã thông
dụng, bảo mật lớp vật lý đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu
quả bảo mật. Như đã trình bày ở trên, trong bảo mật lớp vật lý,
thông số quan trọng để đánh giá hiệu năng hệ thống đó chính là
dung lượng bảo mật.
Cuối cùng, trong luận văn này, học viên nghiên cứu hiệu
năng bảo mật cho mạng truyền thông sử dụng công nghệ NOMA
thông qua đại lượng tổng dung lượng bảo mật. Để nâng cao hiệu
năng bảo mật lớp vật lý, đề tài khảo sát mô hình chuyển tiếp đa
chặng phân tập để nâng cao dung lượng của kênh dữ liệu, do đó sẽ
nâng cao tổng dung lượng bảo mật của hệ thống. Cụ thể, Học viên
nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm (cluster), sử
dụng kỹ thuật nút chuyển tiếp tại mỗi chặng để nâng cao chất
lượng kênh dữ liệu tại từng chặng một.
1.5 Các nghiên cứu liên quan


19

Theo sự hiểu biết tốt nhất của học viên, nâng cao hiệu quả bảo
mật cho các hệ thống sử dụng công nghệ NOMA là một hướng
nghiên cứu mới. Trong thời gian gần đây, chỉ có một số công trình
liên quan đến chủ đề nghiên cứu này:
Trong tài liệu tham khảo số [23], các tác giả nghiên cứu mô
hình đường xuống (downlink) sử dụng kỹ thuật NOMA với một trạm
gốc gửi dữ liệu cho những người dùng hợp pháp, với sự tấn công
của một người nghe lén. Các tác giả trong [23] đã đề ra thuật toán
để tối ưu tổng dung lượng bảo mật cho hệ thống.

Tương tự với công trình số [23], công trình số [24] cũng
nghiên cứu mô hình bảo mật đường xuống giữa một trạm gốc và
nhiều người dùng hợp pháp sử dụng NOMA. Hơn nữa, mô hình
trong [24] giả sử tất cả các thiết bị đều được trang bị với nhiều
ănten.
Tài liệu tham khảo số [25] nghiên cứu mô hình mạng ngẫu
nhiên, trong đó những người nhận và những người nghe lén đều có
vị trí ngẫu nhiên trong mạng.
Khác với các công trình [23],[24],[25], đề tài này nghiên cứu
mô hình chuyển tiếp đa chặng trong mạng cụm sử dụng NOMA với
sự xuất hiện của một người nghe lén. Đề tài sẽ đưa ra các biểu
thức toán học đánh giá tổng dung lượng bảo mật trên kênh truyền
fading Rayleigh.


20

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH VÀ HIỆU NĂNG

2.1 Giới thiệu mô hình đề xuất

Hình 2.1: Mô hình hệ thống khảo sát

Trong mô hình hệ thống như được thể hiện trong Hình 2.1, một nút nguồn S
muốn gửi dữ liệu đến nút đích D. Giả sử khoảng cách giữa S và D lớn và vì thế sự
truyền dữ liệu cần thực hiện thông qua các nút chuyển tiếp. Trong luận văn, ta xét
mạng cụm (cluster), ở đây các nút gần nhau được nhóm thành những cụm, và việc
truyền dữ liệu giữa các nút được thực thi thông qua những cụm kề nhau.
Một cách tổng quát, ta giả sử có tất cả K cụm (Cluser) giữa nguồn S và đích D,

K ≥ 1.

Ta cũng giả sử rằng cụm thứ nhất (Cluster 1) có

N1 ( N1 > 1)

nút, cụm thứ hai


21

(Cluster 2) có

N 2 ( N 2 > 1)

nút, …, và cụm thứ K (Cluster K) có

N K ( N K > 1)

nút.

Hơn nữa, các cụm được đánh số theo thứ tự gần nguồn nhất đến xa nguồn nhất, như
cụm 1 là gần nguồn nhất, và cụm K là xa nguồn nhất.
Tất cả các nút gồm nguồn và các nút trong mỗi cụm đều chỉ có 01 ănten và hoạt
động theo phương thức truyền bán song công (half-duplex). Trong khi đó, nút đích
D được trang bị với M ănten và sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa
(selection combining (SC)) [26],[27] để kết hợp các dữ liệu nhận được. Một ví dụ
thực tế cho mô hình của luận văn đó là mô hình truyền dữ liệu trong mạng cảm biến
không dây, ở đây các nút cảm biến gửi dữ liệu về trung tâm. Trung tâm dữ liệu
(home center hay data center) được trang bị với nhiều ănten, trong khi những nút

cảm biến chỉ có 01 ănten do sự hạn chế về kích thước và bộ thu phát rẻ tiền. Trong
mạng, một nút nghe lén E có mặt và cố gắng nghe lén và giải mã dữ liệu mà nguồn
gửi đến đích.
Sự chuyển tiếp dữ liệu từ S đến D được thực hiện qua K+1 chặng: ở chặng đầu
tiên, nguồn S sẽ gửi dữ liệu đến cụm thứ nhất. Như đã đề cập trong Chương 1, chỉ
một nút của cụm thứ nhất sẽ nhận, giải mã dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu đến cụm
thứ hai. Tương tự, dữ liệu sẽ lần lượt gửi đến cụm thứ hai, cụm thứ ba, … đến cụm
cuối rồi đến đích. Nút E sẽ nghe lén dữ liệu ở các chặng và cố gắng giải mã dữ liệu
mà nguồn gửi đến đích.
Xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ nhất như được thể hiện trong Hình 2.2. Trước
khi truyền dữ liệu, nút nguồn cần xác định nút của cụm thứ nhất mà nguồn cần gửi
dữ liệu đến.


22

Hình 2.2: Sự truyền dữ liệu ở chặng thứ nhất

R1,N1
R1,1 R1,2
Trong Hình 2.2, ta ký hiệu các nút ở cụm thứ nhất là
,
, …,
, ta cũng

γ 1,N1
γ 1,1 γ 1,2
R1,1
ký hiệu
,

, …,
lần lượt là độ lợi kênh truyền giữa nguồn S đến
, đến
R1,2

, …, đến

R1,N1

. Rồi thì, nguồn sẽ chọn nút có độ lợi kênh truyền lớn nhất để gửi

dữ liệu đến. Trong Hình 2.2, ta ký hiệu

R1,b

là nút chuyển tiếp được chọn, và ta có

thể viết:

γ 1,b = max ( γ 1,t ) .
t =1,2,..., N1

Sau khi xác định được nút
liệu

x1

và

x2

đến

R1,b

R1,b

(2.1)

, nguồn S sử dụng NOMA để gửi cùng lúc hai dữ

. Tương tự như công thức (1.1), tín hiệu mà nguồn S sẽ gửi đi

sẽ là tín hiệu tổng hợp của

x1

và

x2

:


23

x+ = a1 Px1 + a2 Px2 ,

với
x2

a1

và

, ở đây

a2

(2.2)

là các hệ số phân chia tổng công suất P của nguồn S cho tín hiệu

a1 > a2

và

a1 + a2 = 1.

x1

và

Ta cũng giả sử tổng công suất phát của tất cả các

nút phát đều bằng P.
Xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ nhất, tương tự như công thức (1.11) và (1.12),
dung lượng kênh đạt được của hai tín hiệu

Cdx1,1 =

x1

và

x2

lần lượt là


a1 Pγ 1,b 
1
log 2 1 +
,
 a Pγ + N ÷
÷
K +1
2
1,b
0 


Cdx2,1 =

Pγ 

1
log 2 1 + a2 1,b ÷.
K +1
N0 



Trong các công thức (2.3) và (2.4),

N0

K +1

(2.4)

là phương sai của nhiễu cộng (được

giả sử là không đổi ở tất cả các thiết bị thu), và hệ số
dữ liệu được thực hiện trên

(2.3)

1/ ( K + 1)

chỉ rằng sự truyền

khe thời gian trực giao. Hơn nữa, đặt

∆ = P / N0

,

ta có thể viết lại (2.3) và (2.4) như sau:

Cdx1,1 =

Cdx2,1 =



a ∆γ
1
log 2 1 + 1 1,b ÷,
 a ∆γ + 1 ÷
K +1
2
1,b



1
log 2 ( 1 + a2 ∆γ 1,b ) .
K +1

(2.5)

(2.6)


24

Tiếp theo, nếu độ lợi kênh truyền giữa S và E là
được của các dữ liệu

x1

và

x2

ϕ1

, dung lượng kênh đạt

tại E tính như sau:


1
a1Pϕ1 
log 2 1 +
÷
K +1
 a2 Pϕ1 + N 0 

Cex,11 =
=


a ∆ϕ 
1
log 2 1 + 1 1 ÷,
K +1
 a2 ∆ϕ1 + 1 

Cex,12 =

 a Pϕ 
1
log 2 1 + 2 1 ÷
K +1
N0 


=

1
log 2 ( 1 + a2 ∆ϕ1 ) ,
K +1

(2.7)

(2.8)

Ta chú ý các ký hiệu rằng: chữ d dùng cho dung lượng kênh dữ liệu (data),
còn chữ e đại diện cho dung lượng kênh nghe lén (eavesdropping).
Tiếp theo, sử dụng công thức (1.15) và (1.16), dung lượng bảo mật của
x2

x1

và

ở chặng thứ nhất được tính như sau:

(

x1
Cbm,1
= max 0, Cdx1,1 − Cex,11

)


a1∆γ 1,b  

1
+


÷÷
a
∆
γ
+
1
1
2
1,
b

÷÷.
= max 0,
log 2 
 K +1
a1∆ϕ1 ÷÷



 1 + a ∆ϕ + 1 ÷÷
÷
2
1




(

x2
Cbm,1
= max 0, Cdx2,1 − Cex,12

(2.9)

)


 1 + a2 ∆γ 1,b  
1
= max  0,
log 2 
÷÷
÷.
 1 + a2 ∆ϕ1  
 K +1

(2.10)


25

Bây giờ, ta xét đến chặng thứ hai, ở chặng này nút
x2

đến cụm thứ hai. Tương tự như chặng thứ nhất,

tốt nhất của cụm thứ hai, ký hiệu là

R2,b

nhất được chọn ở cụm thứ

Rk −1,b

-1 là

Trong Hình 2.3, ta ký hiệu

Nk

k

, với

có chuyển tiếp

x1

và

sẽ phải xác định được nút

, và gửi dữ liệu đến

quát, ta xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ
k

R1,b

R1,b

k = 2,3,..., K

R2,b

. Một cách tổng

, ở chặng này nút tốt

sẽ gửi dữ liệu đến cụm thứ

k

.

Rk , Nk

Rk ,1 Rk ,2
nút ở cụm thứ k là
,
, …,
, ta cũng

γ k , Nk
γ k ,1 γ k ,2
Rk −1,b
Rk ,1 Rk ,2
ký hiệu
,
, …,
lần lượt là độ lợi kênh truyền giữa
và
,
,
…,

Rk , Nk

. Rồi thì,

Rk −1,b

sẽ chọn nút có độ lợi kênh truyền lớn nhất để gửi dữ liệu

đến. Trong Hình 2.3, ta ký hiệu

Rk ,b

là nút chuyển tiếp được chọn. Tương tự như

công thức (2.1), ta có:

γ k ,b = max ( γ k ,t ) .
t =1,2,..., N k

Tương tự như nguồn,

x+ = a1Px1 + a2 Px2

đến

Rk −1,b

Rk ,b

.

cũng sẽ kết hợp

(2.11)
x1

và

x2

như trong (2.2) và gửi