Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng

Nội dung text: Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng

1. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng Performance Enhancement of Underlay Cognitive Radio Networks with Relay Selection Methods under Presence of Eavesdropper and Hardware Impairments Phạm Thị Đan Ngọc, Trần Trung Duy, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Hồ Văn Khƣơng Abstract: In this paper, we study physical-layer I. GIỚI THIỆU security issue of secondary networks in cognitive Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) được đề radio (CR). In the considered system model, a xuất bởi Joseph Mitola, là một giải pháp hiệu quả, secondary source communicates with a secondary nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần trong các destination with assistance of multiple secondary mạng truyền thông vô tuyến [1]. Trong vô tuyến nhận relays in presence of multiple secondary thức, mạng sơ cấp (Primary network) được cấp phép eavesdroppers. The secondary users operate on an sử dụng phổ tần, trong khi mạng thứ cấp (Secondary underlay mode, where they must adjust their transmit network) chỉ có thể sử dụng các băng tần trống (các power to satisfy interference constraints required by băng tần đang không được sử dụng bởi mạng sơ cấp). primary users. Moreover, we propose three efficient relay selection methods to improve outage Thông thường, những người dùng thứ cấp performance for the data links as well as to reduce (Secondary users) phải thăm dò phổ [2], [3] để tìm ra decoding probability (DP) of the eavesdropping links. các băng tần trống và sử dụng chúng. Tuy nhiên, khi For performance evaluation and comparison, we những người dùng sơ cấp (Primary users) bắt đầu sử derive exact closed-form expressions of outage dụng các băng tần này, các người dùng thứ cấp phải probability (OP) and decoding probability (DP) over ngay lập tức tìm kiếm các phổ tần trống khác để truy Rayleigh fading channel under impact of imperfect nhập. Hệ quả là sự truyền dữ liệu của mạng thứ cấp sẽ hardware transceiver. Finally, Monte Carlo không được liên tục và hiệu năng của mạng cũng phụ simulations are performed to verify our theoretical thuộc hoàn toàn vào sự xuất hiện của người dùng sơ derivations. The results present that with the presence cấp. Hơn thế nữa, việc thăm dò phổ có thể không of the eavesdroppers, there always exists a trade-off chính xác, gây nên các hoạt động cảnh báo sai lầm between security and reliability. (miss detection và false alarm) [2], [3] làm ảnh hưởng Keywords: Underlay cognitive radio, physical- nghiêm trọng đến chất lượng dịch vụ (Quality of layer security, hardware impairments, relay selection, service (QoS)) của cả hai hệ thống. Rayleigh fading channel, outage probability, decoding Gần đây, các nhà nghiên cứu đề xuất một kỹ thuật probability. vô tuyến nhận thức hiệu quả, với tên gọi vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay cognitive radio) [4], [5], [6], nhằm đảm bảo tính liên tục truyền/nhận cho - 75 -
2. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 mạng thứ cấp. Trong kỹ thuật này, hai mạng sơ cấp và trong công trình [10] khảo sát vấn đề bảo mật thông thứ cấp có thể cùng lúc sử dụng phổ tần số. Tuy nhiên, tin lớp vật lý cho các hệ thống khuếch đại và chuyển người dùng thứ cấp phải sử dụng mức công suất phát tiếp với các nút chuyển tiếp không tin cậy. đủ thấp để giao thoa gây lên trên mạng sơ cấp không Các công trình [11], [12] nghiên cứu hiệu năng bảo ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng này [4], mật của mạng thứ cấp trong môi trường vô tuyến nhận [5], [6]. Với công suất phát giới hạn, hiệu năng của thức dạng nền trên kênh truyền fading Rayleigh, thông mạng thứ cấp bị suy giảm trầm trọng, đặc biệt trong qua các thông số hiệu năng như: dung lượng bảo mật môi trường kênh fading Rayleigh. Để đạt được hiệu trung bình (Average secrecy capacity), xác suất dừng năng cao hơn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật bảo mật (Secrecy outage probability) và xác suất dung chuyển tiếp cho mạng này. Các kết quả trong [4], [5], lượng bảo mật khác không (Probability of non-zero [6] cho thấy rằng các giao thức chuyển tiếp phân tập secrecy capacity). Cũng vậy, các mô hình trong [11], nâng cao độ lợi phân tập và giảm tốc độ lỗi cho mạng [12] cải thiện đáng kể hiệu quả bảo mật nhờ vào các người dùng thứ cấp. phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo Trong khi các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra nhiễu (jammer). các giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của mạng thứ Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu về bảo mật lớp cấp, thì việc bảo mật thông tin cho mạng này vẫn chưa vật lý không quan tâm đến khả năng giải mã tín hiệu nhận được sự quan tâm đúng mức. Bởi tính chất của nút nghe lén. Thật vậy, một khi nút nghe lén có quảng bá của kênh truyền vô tuyến, những người dùng thể giải mã thành công dữ liệu nghe trộm thì sự bảo không hợp pháp có thể dễ dàng nghe trộm thông tin mật là không còn nữa. Trong công trình [13] các tác được phát đi trong mạng. Cho đến nay, những thuật giả nghiên cứu khả năng giải mã dữ liệu tại nút nghe toán bảo mật phổ biến như Data Encryption Standard lén và xác suất dừng tại nút đích trong mạng chuyển (DES), Advanced Encryption Standard (AES), RSA, tiếp thứ cấp. Các kết quả trong [13] cho thấy rằng có v.v. đều là các kỹ thuật khá phức tạp, và có thể khó một sự đánh đổi giữa khả năng bảo mật thông tin và khả thi khi triển khai trên các thiết bị sử dụng trong xác suất dừng của hệ thống. mạng thứ cấp. Tuy nhiên, các tác giả trong các công trình [11], Gần đây, bảo mật thông tin lớp vật lý (physical- [12], [13] đều giả sử rằng phần cứng của các bộ layer security) [7], [8] đã được phát triển nhằm đạt thu/phát thứ cấp là lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế, được hiệu quả bảo mật, trong khi giảm thiểu đáng kể phần cứng của các thiết bị này là không lý tưởng, xuất sự phức tạp trong quá trình hiện thực. Thật vậy, sự bảo phát từ sự không tuyến tính của bộ khuếch đại, sự mật này có thể đạt được dựa vào các tính chất vật lý nhiễu pha hay sự mất cân bằng I/Q, v.v Sự khiếm của kênh truyền như khoảng cách, thông tin trạng thái khuyết phần cứng sẽ làm giảm đáng kể về hiệu năng kênh truyền (Channel state information) hay bằng việc của các hệ thống truyền thông vô tuyến [14], [15]. tạo nhiễu nhân tạo (Artifial noise) lên các thiết bị nghe Trong tài liệu tham khảo [16], các tác giả lần đầu tiên lén. Một lần nữa, chuyển tiếp phân tập lại trở thành đánh giá chính xác xác suất dung lượng bảo mật khác một giải pháp hiệu quả nâng cao hiệu năng bảo mật 0 trong chuyển tiếp đa chặng. Tuy nhiên, mô hình này lớp vật lý cho các hệ thống truyền thông vô tuyến. chỉ khảo sát sự truyền dữ liệu trực tiếp (Direct Trong tài liệu tham khảo [9], nhóm các tác giả đề transmission), mà không đưa ra các phương pháp chọn xuất mô hình chọn nút chuyển tiếp cho mạng chuyển lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu năng bảo mật của tiếp cộng tác, trong đó nút chuyển tiếp tốt nhất là nút hệ thống. đạt được dung lượng bảo mật cực đại. Các tác giả - 76 -
3. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Trong bài báo này, chúng tôi sẽ nghiên cứu sự ảnh nút sơ cấp, số nút nghe lén và ngưỡng giao thoa định hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng mức ảnh hưởng đáng kể lên các giá trị OP và DP. của mạng thứ cấp trong vô tuyến nhận thức dạng nền, Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. thông qua đại lượng xác suất dừng (OP) tại nút đích Mô hình hệ thống và các giao thức đề xuất được giới thứ cấp và khả năng giải mã DP (Decoding thiệu trong Phần II. Phần III phân tích và đánh giá Probability) của nút nghe lén thứ cấp1. Các kết quả hiệu năng của các phương pháp đề xuất. Kết quả mô trong bài báo này được phát triển từ công trình [17] phỏng và lý thuyết sẽ được thể hiện trong phần IV. của chúng tôi. Tuy nhiên, khác với [17], chúng tôi Cuối cùng, các biện luận và hướng phát triển của xem xét mô hình tổng quát với sự xuất hiện của nhiều nghiên cứu này sẽ được trình bày trong Phần V. người nghe lén thứ cấp. Bài báo đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG chuyển tiếp thứ cấp nhằm giảm giá trị OP cho hệ thống, đồng thời cũng giảm chất lượng kênh truyền đến nút nghe lén. Trong phương pháp thứ nhất (được đặt tên là HCG-D (Highest Channel Gain to Destination)), nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền đến nút đích lớn nhất sẽ được chọn để chuyển tiếp dữ liệu. Trong phương pháp thứ hai (với tên gọi MCG-E (Minimum Channel Gain to Eavesdroppers)), hệ thống sẽ chọn nút chuyển tiếp, tương ứng với độ lợi kênh truyền nhỏ nhất đến các nút nghe lén. Cuối cùng, đề xuất thứ ba mang tên COMB (Combine) là mô hình Hình 1. Mô hình hệ thống nghiên cứu kết hợp giữa hai đề xuất trước đó, nhằm tận dụng các Hình 1 mô tả mô hình hệ thống được khảo sát ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của HCG-D và trong bài báo. Trong mạng thứ cấp, nút nguồn thứ cấp MCG-E. (S) muốn gửi dữ liệu đến nút đích thứ cấp (D), thông Hơn thế nữa, chúng tôi đưa ra các công thức dạng qua sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp (R1, R2, , RM). đóng chính xác (Exact closed-form expression) cho Giả sử rằng, nút nguồn S không có đường liên kết trực các đại lượng OP và DP trên kênh truyền fading tiếp đến nút đích D bởi khoảng cách xa hay hiệu ứng Rayleigh, trong sự xuất hiện của nhiều nút nghe lén fading che khuất. Do đó, các nút chuyển tiếp được sử dụng để đưa dữ liệu từ nguồn đến đích. Ngoài ra, thứ cấp và nhiều nút sơ cấp. Kế tiếp, chúng tôi thực trong mạng thứ cấp còn xuất hiện K nút nghe lén thứ hiện những mô phỏng máy tính, sử dụng phương pháp cấp được ký hiệu là E , E , , E . Các nút này cố Monte Carlo, để kiểm tra độ chính xác của các biểu 1 2 K gắng nghe trộm dữ liệu được gửi đi từ các nút chuyển thức toán học. Các kết quả cho thấy rằng mô hình tiếp. Ta cũng giả sử rằng, các nút nghe lén nằm gần COMB đạt được hiệu năng ở giữa hai mô hình còn lại; nút đích D, và vì thế các nút này cũng không thể nhận và các thông số như mức suy hao phần cứng, số lượng dữ liệu được truyền từ nút nguồn. Cũng trong hình vẽ này, hệ thống sơ cấp gồm có N người sơ cấp được đặt tên là P , P , , P . 1 2 N 1 Ta ký hiệu h , h , h , h và h lần lượt Trong tài liệu [13], các tác giả sử dụng khái niệm xác suất chặn SRm RDm SPn RPmn REmk (Intercept probability) thay cho khái niệm khả năng giải mã là hệ số kênh truyền fading Rayleigh của các liên kết (DP) như trong công trình này. - 77 -
4. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 SR m , RDm , SP n , RPmn và REmk , II P , (2) với mM 1,2, , , nN 1,2, , và kK 1,2, , . Như S  1 P max SP 1 P X max nN 1,2, , n đã đề cập trong các tài liệu [4], [5], các độ lợi kênh 2 2 truyền như  ||h ,  ||h , với X max max  SP và P là tổng mức suy hao SRmm SR RDRDmm nN 1,2, , n  ||h 2 ,  ||h 2 và  ||h 2 sẽ là SPnn SP RPRPm n m n REREm k m k phần cứng bao gồm cả sự suy hao tại nguồn và tại các các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ (Exponential nút sơ cấp. random variable). Cụ thể, hàm phân phối tích luỹ Tiếp theo, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu tức (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) của các biến thời (SNR) của đường truyền từ SR m sẽ được biểu ngẫu nhiên  XY X,Y S,Rm ,D,E k ,P n có thể lần diễn dạng (3): lượt được đưa ra như trong biểu thức (1): PS SR QXSR/ max  mm , (3) SRm 2 DP S  SR  DQX  SR/1 max F x 1 exp XY x , mm XY (1) f x expx , 2  XY XY XY ở đây  là phương sai của nhiễu cộng (nhiễu Gauss) 2 tại nút chuyển tiếp R m , QI / 1P / và D là trong đó XY 1/ E XY  với E  XY  là giá trị trung tổng mức suy hao phần cứng trên kênh dữ liệu từ S bình của  XY . đến R. Để thuận tiện cho việc trình bày và phân tích, ta giả m sử các biến ngẫu nhiên ,,,    và  Nút R m được giả sử là nhận thành công dữ liệu từ SRm R m D SP n R m P n REmk nguồn nếu nút tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu là độc lập và đồng nhất, nghĩa là SR SR , m  cao hơn mức ngưỡng  . Ngược lại, nút này SRm th  ,  ,  và  , với Rm D RD SPn SP Rmn P RP Rmk E EK được xem là không thể giải mã dữ liệu thành công và mọi giá trị của m, n và k. Hơn nữa, chúng tôi cũng xin xem như rơi vào trạng thái dừng. lưu ý rằng, các phương pháp phân tích và đánh giá Sau khi nhận được tín hiệu từ nguồn, tất cả các nút trong bài báo này hoàn toàn có thể được áp dụng trong chuyển tiếp cố gắng giải mã dữ liệu. Không mất tính các trường hợp mà các biến ngẫu nhiên không đồng tổng quát, ta có thể giả sử rằng R,R,,R là các nhất. 12 t nút chuyển tiếp giải mã thành công, trong khi Giả sử rằng tất cả các nút trong hệ thống sơ cấp và R,R,,R là các nút nhận không thể giải mã thứ cấp đều được trang bị với một anten và hoạt động t 12 t M được, với t là một số nguyên chạy từ 0 đến M. Khi t = dưới chế độ bán song công (Half duplex). Do đó, hoạt 0 có nghĩa là không có nút chuyển tiếp nào giải mã động chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn tới đích được thực được dữ liệu nguồn, và trong trường hợp này hệ thống hiện trên hai khe thời gian trực giao. Trong khe thời sẽ bị dừng vì nút đích không thể nhận được dữ liệu từ gian đầu, nút nguồn S sẽ phát quảng bá dữ liệu tới tất nguồn. Ta có thể nhận thấy rằng, t là một biến ngẫu cả các nút chuyển tiếp. Tuy nhiên, trước khi truyền nhiên và xác suất mà số nút chuyển tiếp thành công tin, nút nguồn phải điều chỉnh công suất phát để giao bằng t được tính bằng biểu thức (4) như sau: thoa tác động lên các nút sơ cấp không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Tương tự  ,,,   SR1 th SRt th AC t Pr . (4) như [18, công thức (8)], dưới sự xuất hiện của khiếm tM  ,,   khuyết phần cứng và định mức giao thoa I, công suất SRtM 1 th SR th phát tối đa mà nút nguồn có thể sử dụng được tính bởi: Thay (3) vào (4), ta được công thức (5) như sau: - 78 -
5. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017  XX,,,    QY / t SR1 D max SRt D max Rbk Eb ,max ACtM Pr , (5)  RE max b kK 1,2, ,  XX,,    EQY R E/1b ,max SRtM 1 D max SR D max bk (9) QZbb,max/ Y ,max với DD th /Q / 1   th . Ở đây, ta giả sử rằng , EQZbb ,max/1 Y ,max mức suy hao phần cứng D đủ nhỏ để mà D 1/ th . với  là tổng mức suy hao phần cứng trên kênh nghe Ta không xét trường hợp D 1/ th bởi vì hệ thống E khảo sát luôn bị dừng trong trường hợp này [14], [15]. lén và Zb,max max  RE . kK 1,2, , bk Xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ hai, một Từ các công thức (8) và (9), xác suất dừng tại nút trong những nút chuyển tiếp thành công đích D (OP) và khả năng giải mã tại các nút nghe lén R,R,,R . Bây giờ, chúng tôi sẽ lần lượt giới 12 t E (DP) có thể được đưa ra như biểu thức (10): thiệu các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp. OPHCG-D Pr RD  th , b Trong giao thức đề xuất đầu tiên với tên gọi HCG- (10) D, nút chuyển tiếp được chọn là nút có độ lợi kênh DPHCG-D Pr RE  th . b truyền đến nút đích lớn nhất. Thật vậy, sự chọn lựa được thực hiện theo thuật toán sau: Mặc dù giao thức HCG-D nâng cao chất lượng đường truyền dữ liệu giữa nút chuyển tiếp và nút đích, Rb :RD maxRD , (6) bvvt 1,2, , nhưng kỹ thuật này không giảm khả năng giải mã của các kênh nghe lén. Chúng ta có thể thấy rằng, để giảm trong đó R là nút chuyển tiếp được chọn. b chất lượng kênh truyền nghe lén, hệ thống phải chọn Tương tự (2), trước khi phát dữ liệu tới nút đích, nút chuyển tiếp đạt được tỷ số tín hiệu trên nhiễu đối nút điều chỉnh công suất phát như công thức (7): với kênh nghe lén là thấp nhất. Do đó, nút chuyển tiếp IIđược chọn trong giao thức MCG-E được đưa ra bởi PR , (7) công thức (11): b  1 P max RP 1 P Yb ,max bn nN 1,2, , Rc : max RE min max RE . (11) k 1,2, , K c k vt 1,2, , k1,2, , K v k với Yb,max max  RP . nN 1,2, , bn với R c là nút chuyển tiếp được chọn. Rồi thì, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu tức thời nhận được tại nút đích được tính bởi công thức (8): Tương tự, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời nhận được tại nút đích và các nút nghe lén trong giao thức QY /  Rb Db ,max . (8) MCG-E có thể lần lượt được diễn đạt như trong biểu RDb QY/1 D Rb Db ,max thức (12) bên dưới: Ta có nhận xét rằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn QY /  Rc Dc ,max , nhất nhận được tại các nút nghe lén sẽ đặc trưng cho RDc QY/1 D Rc Dc ,max tỷ số tín hiệu trên nhiễu của kênh nghe lén (xem [16, (12) QZ/ Y công thức (8)]). Kí hiệu  là tỷ số tín hiệu trên  cc,max ,max , REb REc EQZcc ,max/1 Y ,max nhiễu của kênh nghe lén, ta có: với Zc,max max  RE và Yc,max max  RP . kK 1,2, , ck nN 1,2, , cn Từ (12), các giá trị OP và DP của giao thức MCG- E được tính bởi biểu thức (13): - 79 -
6. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 OPMCG-E Pr RD  th , OPCOMB Pr RD  th , c d (13) (16) DPMCG-E Pr RE  th . DPCOMB Pr RE  th . c d Tuy nhiên, giao thức MCG-E chỉ tập trung làm Cuối cùng, chúng tôi đưa ra công thức tổng quát giảm chất lượng kênh nghe lén mà không quan tâm tính giá trị trung bình của OP và DP cho giao thức đến việc nâng cao chất lượng kênh dữ liệu. Trong giao X X HCG-D,MCG-E,COMB được đưa ra bằng thức COMB, phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp sẽ một công thức hợp nhất như trong (17): được trình bày cụ thể như sau: M Xét tập các nút chuyển tiếp nhận dữ liệu nguồn OPX  At OPX , t 0 thành công: R,R,,R12 t , không mất tính tổng quát, (17) M ta giả sử rằng:     . Đầu tiên, hệ DPX A DP . RDRD12 RDt  t X t 1 thống sẽ chọn ra một nhóm các nút chuyển tiếp này có độ lợi kênh truyền cao nhất như sau: R,R,,R1 2 L , III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG trong đó, L được xác định bởi: Lt /2 với t /2 III.1. Chuẩn bị toán học là số nguyên nhỏ nhất lớn hơn hoặc bằng t/2. Từ tập L Đầu tiên, ta xét biến ngẫu nhiên U với U = nút chuyển tiếp này, giao thức COMB sẽ chọn ra một max 12 ,  , , V và V là một số tự nhiên lớn hơn nút chuyển tiếp theo thuật toán được diễn đạt như hoặc bằng 1. ,  , ,  và  là các biến ngẫu trong (14): 1 2V 1 V nhiên có phân bố mũ và có cùng tham số đặc trưng Rd : max RE min max RE . (14)   k 1,2, , K d k uL 1,2, , k1,2, , K u k 1/E v  , vV 1,2, ,  . Sử dụng [19, công Ta thấy rằng, giao thức COMB sẽ nâng cao chất thức (12)], ta viết ra hàm PDF của U như: V 1 lượng kênh dữ liệu của việc chọn nút chuyển tiếp từ v v fUV x  1 C V exp. v 1 x (18) tập các nút có độ lợi kênh đến nút đích lớn. Hơn thế v 0 nữa, bằng việc chọn nút chuyển tiếp có độ lợi kênh Hơn nữa, với [19, công thức (11)], ta có thể đưa ra thấp đến các nút E, COMB cũng làm giảm chất lượng hàm CDF của U. kênh nghe lén. V Tương tự, các tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu v v FUV x 1  1 C exp v x . (19) tức thời (SNR) tại nút nghe lén và nút đích trong mô v 1 hình COMB lần lượt đạt được bởi (15): Tiếp theo, ta nghiên cứu các hàm phân bố của biến QY / ngẫu nhiên W, W min max ( ij ) , ở đây  ij cũng là  Rd Dd ,max , iR 1,2, , jV 1,2, , RDd QY/1 D Rd Dd ,max các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ và có cùng tham (15) QZ/ Y số đặc trưng  . Cũng vậy, R là một số tự nhiên lớn  dd,max ,max . REd hơn hoặc bằng 1. Tiếp theo, ta có thể xây dựng hàm EQZdd ,max/1 Y ,max CDF cho biến ngẫu nhiên W bởi: Từ đây, các xác suất OP và DP được viết dưới công thức (16): - 80 -
7. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 M t N 1 FW x Pr W x t uv u v ACt M  1 CCM t N 1 V R uv 00 1 {1 1 exp x } (24) N R SP . r 1 r rV (20)     1 CxR 1 exp  v1 SP u t SR D r 1 R rV III.3. Tính giá trị OP và DP của các giao thức rv 1 rv  1 CR C rV exp v x . Xét phương pháp đề xuất đầu tiên HCG-D, xác rv 10 suất dừng OPHCG-D trong (10) có thể được đưa ra dưới Xét độ lợi kênh truyền  trong giao thức RDd dạng biểu thức (25):  COMB, chúng ta thấy rằng RDd nhận giá trị lớn nhất OPHCG-D Pr R D DYb ,max b (25) trong tập các biến ngẫu nhiên RDRDRD,  , ,   12 t F D x fY x dx.  0 RDb b,max khi d = 1. Khi d = 2 thì RDd đạt giá trị lớn thứ hai, Thay hàm CDF của Fx D như trong (19) và và có giá trị cao thứ L khi d = L. khi d = l, với l = RDb hàm PDF của fx như trong (18) vào công thức 1,2, ,L, sử dụng thống kê bậc thứ l [20, phương trình Yb,max  (5)], hàm phân phối tích lũy của RDd có thể được viết (25) sau vài bước tính toán, ta tính được chính xác ra trong công thức (21): OPHCG-D như trong công thức (26): tN 1 l t u 1 v uv 1 vn vn F x 1 CC OP 1 1 CC  RD  t t u 1 HCG-D  tN1 d uv 10 (21) vn 10 (26)  NRP exp u v 1 RD x . . nv 1    Hơn nữa, bởi sự đồng nhất của các biến ngẫu RP RD D nhiên, xác suất nhận giá trị lớn thứ l sẽ là: Một cách tương tự, khả năng giải mã của các nút 1 nghe lén thứ cấp trong giao thức HCG-D cũng được Pr dl . (22) đưa về dạng biểu thức (27): L III.2. Tính giá trị A trong công thức (5) DPHCG-D Pr R E EYb ,max t b (27) Từ (5), ta có thể viết lại dưới dạng công thức 1,F E x fY x dx (23) bên dưới: 0 REb b,max t t     AtM C1 F D x với EEth /Q / 1 th . Cũng vậy, trong bài báo, 0 SRm (23) ta cũng chỉ xét trường hợp  1/ , bởi vì nếu Mt E th F D x fX x dx. SRm max E 1/ th , các nút nghe lén sẽ không thể giải mã được dữ liệu với mọi giá trị của các tham số khác. Thay hàm CDF của  trong công thức (1) và SRm Một lần nữa, ta sử dụng hàm CDF trong (19) cho hàm PDF của X max trong công thức (18) vào công Fx E và hàm PDF trong (18) cho fxY , để REb b,max thức (23) ở trên; sau vài bước biến đổi và tính toán, ta tính chính xác PHCG-D như trong công thức (28) sau: đạt được rằng: KN 1 kn 1 kn DPHCG-D  1 CCKN 1 kn 10 (28) N RP . nk 1 RP  RE  E - 81 -
8. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Bây giờ, thay các kết quả thu được từ (23), (26) và DPCOMB Pr R E EYd ,max (28) vào trong (17), ta thu được các biểu thức dạng d L vK N 1 đóng chính xác cho các giá trị trung bình của OP và IP v u n 1 v u n 11  CCCL vK N 1 (33) của giao thức HCG-D. v 1 u 0 n 0 N Tiếp đến, xét giao thức MCG-E, xác suất dừng của RP . giao thức này có thể đạt được như trong (29): nu 1 RP RE OPMCG-E Pr R D DYc ,max Cuối cùng, với các kết quả đạt được trong các công c N 1 n thức (23), (32) và (33), ta dễ dàng tính được xác suất n CN (29) 1 1 N 1 RP .  dừng trung bình OPCOMB và DPCOMB như được đưa ra n 0 n 1 RP  RD  D trong (17). Xét giá trị DPMCG-E , sử dụng hàm CDF đạt được trong (20) cho Fx , ta có: REc IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trong phần này, chúng tôi thực hiện mô phỏng DPMCG-E Pr R E EYc ,max c Monte Carlo để kiểm chứng các kết quả lý thuyết 1 F E x fY x dxn được đưa ra trong Phần trước. Để các kết quả mô 0 REc c,max t vK N 1 phỏng hội tụ về các kết quả lý thuyết, chúng tôi đã v u n 1 (30) v u n 6 11  CCCt vk N 1 thực hiện 10 phép thử cho mỗi kết quả mô phỏng. v 1 u 0 n 0 Hơn nữa, chúng tôi cố định tất cả các tham số đặc NRP . trưng bằng 1: SR  RD  SP  RD  RP 1, và giá nu 1 RP RE trị của ngưỡng dừng  cũng không thay đổi  1 Từ các kết quả đạt được trong (23), (29) và (30), ta th th trong các mô phỏng. dễ dàng tính được OPMCG-E và DPMCG-E . Hình 2 biểu diễn giá trị xác suất dừng (OP) như Đối với giao thức cuối cùng (COMB), biểu thức một hàm số của Q. Trong mô phỏng này, số lượng nút của OP có thể được viết lại như trong công thức COMB chuyển tiếp (M) bằng 3 và 6, số nút nghe lén (K) bằng (31): 2 và số các nút thứ cấp N bằng 3. Các thông số suy  OPCOMB Pr R D DYd ,max hao phần cứng được thiết lập như sau: P 0.1 và d L (31) PP 0.5. Kết quả trong Hình 2 cho thấy rằng xác Pr d l F D x fY x dx.  0 RDd d ,max suất dừng (OP) của tất cả các giao thức giảm khi giá l 1 trị Q tăng. Mặc khác, giá trị OP trong giao thức HCG- Sử dụng hàm CDF đạt được trong công thức (21) D là thấp nhất bởi giao thức này chọn nút chuyển tiếp và hàm PDF được đưa ra trong công thức (18), sau vài có độ lợi kênh truyền lớn nhất tới đích. Giá trị OP của bước biến đổi và tính toán, ta đạt được kết quả bởi mô hình MCG-E là lớn nhất bởi mô hình này chỉ quan biểu thức (32): L l t u 11 N tâm đến việc tối thiểu hóa chất lượng kênh nghe lén. 1 vn Mô hình COMB đạt được hiệu năng nằm giữa hai mô OPCOMB    1 L l 1 u 1 v 0 n 0 hình HCG-D và MCG-E. Cũng quan sát trên hình vẽ (32) CCCNu1 v n  này, ta thấy rằng giá trị xác suất dừng của hai mô hình t t u 1 N 1 RP . n 11 RP u v RD  D HCG-D và COMB giảm nhanh khi tăng số lượng nút chuyển tiếp từ 3 lên 6. Tuy nhiên, đối với giao thức Trong giao thức COMB này, khả năng giải mã của MCG-E, giá trị này chỉ giảm nhẹ khi thay đổi số nút các nút nghe lén được tính tương tự như (30) và được chuyển tiếp. Một kết quả đáng chú ý nữa mà ta có thể biểu diễn bởi công thức (33): - 82 -
9. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 thấy trên hình vẽ là các kết quả mô phỏng (MP) trùng Hơn thế nữa, giá trị này tăng mạnh khi số lượng nút khớp với các kết quả lý thuyết (LT), điều này chứng tỏ nghe lén tăng từ 1 lên 3. Một lần nữa, các kết quả mô các công thức đưa ra trong Phần III là chính xác. phỏng đã kiểm chứng sự chính xác của các biểu thức toán học đánh giá giá trị DP. Hình 4 khảo sát sự biến thiên của giá trị xác suất dừng (OP) theo số lượng nút sơ cấp (N) khi Q 5 dB, M 7 , K 2 , DE 0.2 và P 0. Nhìn vào hình vẽ, ta thấy rằng giá trị OP của các giao thức tăng theo sự gia tăng của số lượng nút sơ cấp. Đó là vì khi số lượng N tăng sẽ làm giảm công suất phát của nút nguồn thứ cấp và các nút chuyển tiếp thứ cấp, kéo theo sự tăng của giá trị OP. Hình 2. Xác suất dừng (OP) theo Q (dB) khi N = 3, K = 2, PE 0.5 và P 0.1 Hình 4. Xác suất dừng (OP) theo N khi Q 5 dB, M 7 , K 2 , DE 0.2 và P 0 Hình 3. Khả năng giải mã của các nút nghe lén (DP) theo Q (dB) khi M = 4, N = 3, DE 0.5 và P 0.1 Trong Hình 3, chúng tôi biểu diễn khả năng giải mã (DP) của các nút nghe lén theo giá trị của Q. Các thông số của hình vẽ này là M = 4, N = 3, DE 0.5 và P 0.1. Quan sát hình vẽ, ta thấy rằng giá trị DP của giao thức MCG-E là thấp nhất, trong khi giá trị DP trong giao thức COMB nằm giữa hai giao thức còn lại. Đó là vì các mô hình MCG-E và Hình 5. Xác suất dừng (OP) theo  khi Q 5 dB, COMB quan tâm đến việc hạn chế chất lượng kênh E M 5 , K = 1, N = 3,  0.5 và  0.1 nghe lén. Nhìn vào hình vẽ, ta cũng thấy rằng giá trị D P DP của tất cả các giao thức tăng với sự gia tăng của Q. - 83 -
10. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Trong Hình 5, giá trị DP của các mô hình đề xuất phỏng này, chúng tôi cố định các giá trị của OP và sử được vẽ theo giá trị mức suy hao phần cứng E khi dụng các công thức tính OP của các giao thức để tìm ra các giá trị Q tương ứng (xem Bảng 1). Sau đó, các Q 5 dB, M = 5, K = 1, N = 3, D 0.5 vàP 0.1. kết quả mô phỏng và lý thuyết của DP và OP sẽ được Hình 5 cho thấy rằng giá trị DP giảm mạnh khi tăng thực hiện, sử dụng các thông số vừa được thiết lập.  từ 0 đến 0.9. Một lần nữa, ta có thể thấy từ Hình 4 E Quan sát hình vẽ, ta thấy rằng có một sự đánh đổi giữa và Hình 5 rằng mô hình HCG-D đạt hiệu năng OP tốt hiệu năng bảo mật và hiệu năng dừng của các mô nhất, mô hình MCG-E nhận giá trị DP nhỏ nhất và hình. Cụ thể, để đạt được một giá trị xác suất dừng hiệu năng của mô hình COMB nằm giữa hai mô hình (OP) thấp thì giá trị DP lại lớn và ngược lại. Trong còn lại. hình vẽ này, ta cũng thấy một điều thú vị là ở cùng giá Bảng 1. Giá trị của Q (dB) trong Hình 6 trị của OP thì giá trị DP của mô hình MCG-E là lớn nhất, trong khi giá trị DP trong các mô hình HCG-D 0.5 1.5 2 2.5 3 10 1 10 10 10 10 và COMB là gần như xấp xỉ. Điều đó cho thấy rằng OP 10 mô hình MCG-E có hiệu năng thấp hơn khi so với hai Q mô hình còn lại. 8.4 11.4 13.7 15.8 17.7 19.5 (HCG-D) VI. KẾT LUẬN Q Trong bài báo nghiên cứu bảo mật lớp vật lý trong 10.4 15.8 20.9 26.0 31.0 36.0 (MCG-E) mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức dạng nền này, Chúng tôi đã đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút Q chuyển tiếp để cải thiện hiệu năng của mạng người 8.8 12.2 15.0 17.6 20.1 22.6 (COMB) dùng thứ cấp thông qua tham số là xác suất dừng (OP) và khả năng giải mã của các nút nghe lén (DP). Các biểu thức dạng đóng chính xác của OP và DP đã được đưa ra và được kiểm chứng bởi các mô phỏng Monter Carlo. Các kết quả cho thấy rằng mô hình HCG-D đạt được hiệu năng OP tốt nhất, mô hình MCG-E đạt được hiệu năng DP tốt nhất. Tuy nhiên, khi quan tâm đến sự đánh đổi giữa OP và DP, hai mô hình HCG-D và COMB đạt được hiệu quả tốt hơn. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông với đề tài mã số X_HV- 2017-RD_ĐT2. Hình 6. Khả năng giải mã của các nút nghe lén (DP) vẽ theo xác suất dừng (OP) khi M 3 , K 2 , TÀI LIỆU THAM KHẢO N 3 , DE 0.5 và P 0.1 [1] J. MITOLA, G. Q. J. MAGUIRE, "Cognitive Radio: Hình 6 mô tả sự đánh đổi giữa xác suất dừng (OP) Making Software Radios More Personal," IEEE Pers. Commun., vol. 6, no. 4, pp. 13 - 18, 1999. và xác suất giải mã (DP) của các giao thức khi M 3 , [2] H. N. VU, T. D. TRAN, H. Y. KONG, "An Optimal K 2 , N 3 ,  0.5 và  0.1. Trong mô DE P Cooperative Spectrum Sensing Method in Cognitive - 84 -
11. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Radio Network over Rayleigh Fading Channel,” Proc. Personal Communications, vol. 85, no. 4, pp. 2619 - of IFIP Wireless Days, Niagara Falls, Canada, pp. 1 – 5, 2641, Dec. 2015. Oct. 2011. [13] Y. ZOU, B. CHAMPAGNE, W. P. ZHU, L. HANZO, [3] T. T. TRUC, H. Y. KONG, "Block-time of “Relay-Selection Improves the Security-Reliability Arrival/Leaving Estimation to Enhance Local Spectrum Trade-Off in Cognitive Radio Systems,” IEEE Trans. on Sensing under the Practical Traffic of Primary User,” Commun., vol. 63, no. 1, pp. 215 – 228, Jan. 2015. Journal of Communications and Networks, vol. 15, no. [14] M. MATTHAIOU, A. PAPADOGIANNIS, “Two-Way 5, pp. 514 – 526, Oct. 2013. Relaying Under the Presence of Relay Transceiver [4] T. Q. DUONG, V. N. Q. BAO, H. J. ZEPERNICK, Hardware Impairments,” IEEE Commun. Lett., vol. 17, "Exact Outage Probability of Cognitive AF Relaying no. 6, pp. 1136 1139, Jun. 2013. with Underlay Spectrum Sharing,” IET Electronics [15] E. BJORNSON, M. MATTHAIOU, M. DEBBAH, Letters, vol.47, no.17, pp. 1001 - 1002, Aug. 2011. “New Look at Dual-hop Relaying: Performance Limits [5] P. N. SON, H. Y. KONG, "Exact Outage Analysis of with Hardware Impairments,” IEEE Trans. Commun., Energy Harvesting Underlay Cooperative Cognitive vol. 61, no. 11, pp. 4512 - 4525, Nov. 2013. Networks,” IEICE Trans. on Commun., vol. E98-B, no. [16] D. T. HUNG, T. T. DUY, D. Q. TRINH, V. N. Q. 4, pp. 661 - 672, Apr. 2015. BAO, T. HANH, “Impact of Hardware Impairments on [6] T. T. DUY, G. C. ALEXANDROPOULOS, T. T. VU, Secrecy Performance of Multi-hop Relay Networks in N.-S. VO, T. Q. DUONG, "Outage Performance of Presence of Multiple Eavesdroppers,” Proc. of Cognitive Cooperative Networks with Relay Selection NICS2016, Danang city, Viet Nam, pp. 113 – 118, Sep. over Double-Rayleigh Fading Channels,” IET 2016. Communications, vol. 10, no. 1, pp. 57 - 64, Jan. 2016. [17] P. T. D. NGOC, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, N. L. [7] A. D. WYNER, “The Wire-tap Channel,” In: AT&T NHAT, “Security-Reliability Analysis for Underlay Bell Labs. Tech. J., vol. 54, no. 8, pp. 1355 – 1387, Oct. Cognitive Radio Networks with Relay Selection Methods 1975. under Impact of Hardware Noises,” Proc. of ATC2016, [8] P. K. GOPALA, L. LAI, H. E. GAMAL, “On the Hanoi, Viet Nam, pp. 174 – 179, Otc. 2016. Secrecy Capacity of Fading Channels,” IEEE Trans. Inf. [18] P. T. D. NGOC, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, H. V. Theory, vol. 54, no. 10, pp. 4687 – 4698, Oct. 2008. KHUONG, “Transmit Antenna Selection Protocols in [9] I. KRIKIDIS, “Opportunistic Relay Selection for Random Cognitive Networks under Impact of Hardware Cooperative Networks with Secrecy Constraints,” IET Impairments,” Proc. of NICS2016, Danang city, Viet Communications, vol. 4, no. 15, pp. 1787 – 1791, Oct. Nam, pp. 38 – 43, Sep. 2016. 2010. [19] P. M. QUANG, T. T. DUY AND V. N. Q. BAO, [10] L. SUN, T. ZHANG, Y. LI, H. NIU, “Performance “Energy Harvesting-based Spectrum Access Model in Study of Two-Hop Amplify-and-Forward Systems With Overlay Cognitive Radio,” Proc. of ATC2015, Ho Chi Untrustworthy Relay Nodes,'' IEEE Trans. Veh. Tech., Minh city, Viet Nam, pp. 231 – 236, Oct. 2015. vol. 61, no. 8, pp. 3801 – 3807, Oct. 2012. [20] T. T. DUY AND H. Y. KONG, “Performance Analysis [11] Y. LIU, L. WANG, T. T. DUY, M. ELKASHLAN, of Incremental Amplify-and-Forward Relaying TRUNG Q. DUONG, “Relay Selection for Security Protocols with Nth Best Partial Relay Selection under Enhancement in Cognitive Relay Networks,” IEEE Interference Constraint,” Wireless Personal Wireless Commun. Lett., vol. 4, no. 1, pp. 46 – 49, Feb. Communications, vol. 71, no. 4, pp. 2741 – 2757, Aug. 2015. 2013. [12] D.-B. HA, TUNG T. VU, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, “Secure Cognitive Reactive Decode-and-Forward Relay Networks: With and Without Eavesdropper,” Wireless Nhận bài ngày: 10/11/2016 - 85 -
12. Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ PHẠM THỊ ĐAN NGỌC VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO Sinh năm 1985. Năm sinh 1979. Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành vô Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành tuyến tại Học viện Công nghệ vô tuyến tại ĐH Ulsan, Hàn Quốc Bưu chính Viễn thông cơ sở TP. năm 2010. Được phong PGS năm HCM năm 2013. 2014. Hiện công tác tại Học viện Công Hiện công tác tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở TP. HCM. TP. HCM. Hướng nghiên cứu : thông tin vô tuyến, vô tuyến nhận Hướng nghiên cứu: vô tuyến nhận thức, truyền thông thức và khiếm khuyết phần cứng. hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp vật lý và thu Email: ngocptd@ptithcm.edu.vn thập năng lượng vô tuyến. Email : baovnq@ptithcm.edu.vn TRẦN TRUNG DUY Sinh năm 1984. HỒ VĂN KHƢƠNG Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên Năm sinh 1978. ngành vô tuyến tại ĐH Ulsan, Nhận bằng Kỹ sư và Thạc sĩ Hàn Quốc năm 2013. trường ĐH Bách Khoa TP. Hiện là giảng viên Khoa Viễn HCM năm 2003, bằng Tiến sĩ Thông 2, Học viện Công nghệ Đại học Ulsan, Hàn Quốc năm Bưu chính Viễn thông cơ sở 2007. TP. HCM. Hiện công tác tại trường ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Hướng nghiên cứu: khiếm khuyết phần cứng, bảo mật gia TP. HCM. lớp vật lý và thu hoạch năng lượng vô tuyến. Hướng nghiên cứu: kỹ thuật điều chế và mã hóa, kỹ Email: trantrungduy@ptithcm.edu.vn thuật phân tập, xử lý tín hiệu số, thu thập năng lượng, bảo mật lớp vật lý, và vô tuyến nhận thức. Email: khuong.hovan@gmail.com - 86 -