Phân tích hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain với kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát

Nội dung text: Phân tích hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain với kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Phân Tích Hiªu N´ng Truy∑n B£o M™t S˚Dˆng Mã Fountain VÓi KˇThu™t L¸a ChÂn ãng-ten Phát ∞ng Th∏Hùng⇤ và Nguyπn Th§c DÙng†, ⇤ HÂc Viªn KˇThu™t Quân S¸, Hà NÎi † §i hÂc Thông tin Liên l§c, Nha Trang Email: danghung8384@gmail.com, dnthacdung4@gmail.com Tóm t≠t—Trong bài báo này, chúng tôi ∑ xußt mô hình n´ng b£o m™t trong truy∑n thông vô tuy∏n. ∞c biªt, kˇ b£o m™t lÓp v™t l˛s˚dˆng mã Fountain vÓi kˇthu™t chÂn thu™t l¸a chÂn´ng-ten phát (Transmit Antenna Selection: l¸a´ng-ten phát t§i tr§m gËc (BS). Trong mô hình ∑ xußt, TAS) ã˜Òc nghiên c˘u rÎng rãi do Î ph˘c t§p th¸c mÎt tr§m gËc (BS) a´ng-ten truy∑n d˙liªu∏n mÎt ng˜Ìi hiªn thßp cıa các chuÈi t¶n sËvô tuy∏n (Radio Frequence dùng hÒp pháp (D), trong s¸xußt hiªn cıa mÎt nút nghe lén bßt hÒp pháp (E), vÓi gi£s˚r¨ng c£D và E là các thi∏t b‡ ¶u Chains) trong khi v®n§t˜Òc b™c phân t™p¶yı[5], cuËi˜Òc trang b‡ Ïn´ng-ten. Chúng tôi ˜a ra các bi∫u [6], [7]. Các tác gi£trong [8], ã phân tích hiªu n´ng b£o th˘c d§ng t˜Ìng minh cıa xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông m™t cıa các kênh nghe lén MIMO vÓi kˇthu™t TAS ˜Òc tin thành công (SS) t§i nút ích, xác sußt ch∞n (IP) t§i nút th¸c hiªn t§i máy phát và các ph˜Ïng pháp k∏t hÒp tín nghe lén và sËl˜Òng các gói mã hóa trung bình˜Ò c phát bi hiªu thu khác nhau. Trong [9], ã nghiên c˘u TAS vÓi mã BS (ANEP) trên kênh truy∑n pha-inh Rayleigh. CuËi cùng, hóa Alamouti và phân bÍcông sußt trong các kênh nghe chúng tôi th¸c hiªn mô ph‰ng Monte-Carlo∫ ki∫m ch˘ng lén MIMO. HÏn n˙a, trong [10] ã kh£o sát hiªu n´ng b£o các bi∫u th˘c toán hÂcã tìm ra. T¯khóa—Mã Fountain, Kˇthu™t l¸a chÂn´ng-ten phát, m™t cıa hªthËng vÓi giao th˘c TAS và k∏t hÒp tsËtËia B£o m™t lÓp v™t l˛, Kênh truy∑n pha-inh Rayleigh. (Maximal Ratio Combining: MRC) vÓi tín hiªu ph£n hÁi không hoàn h£o. Ti∏p∏n, trong [11] các tác gi£ ã kh£o I. GIŒI THIõU sát hiªu n´ng b£o m™t cıa các m§ng a ng˜Ìi dùng ˜Ìng Ngày nay, b£o m™t trong thông tin vô tuy∏nã thu hút xuËng vÓi nhiπu nhân t§o b¨ng viªc thi∏t k∏phân bÍcông ˜Òc nhi∑u s¸quan tâm, do tính chßt phát sóng qu£ng bá sußt tËi˜u∫ tËia tÍng dung l˜Òng d¯ng b£o m™t cıa hª t¸nhiên cıa kênh truy∑n vô tuy∏n làm cho viªc truy∑n d˙ thËng. Trong [12], ∫ t´ng m˘cÎb £o m™t cıa kênh hÒp liªu dπdàng b‡tßn công [1]. ∫ b£o£m an toàn thông tin, pháp, các ph˜Ïng pháp l¸a chÂn nút gây nhiπu cÏhÎi khác nhi∑u thu™t toán mã hóa và gi£i mã d˙liªuã˜Òc tri∫n nhau ã˜Òc∑ xußt trong các m§ng nghe lén a ng˜Ìi khai t§i lÓp˘ng dˆng d¸a trên nhi∑u gi£thuy∏t khác nhau, dùng. Trong [13], ph˜Ïng pháp l¸a chÂn ng˜Ìi dùng tËi˜u nh˜gi£s˚r¨ng liên k∏t gi˙a máy phát và máy thu t§i lÓp trong các m§ng chuy∫n ti∏pa ng˜Ìi dùng vÓi gây nhiπu v™t l˛là không lÈi, không trπ ∫ £m b£oÎ tin c™y cıa cÎng tác ã˜Òc phân tích d¸a vào bi∫u th˘c tËcÎ d¯ng viªc truy∑n d˙liªu, trong khi nh˙ng k¥nghe lén b‡giÓi b£o m™t˜Òc˜a ra. HÏn n˙a, các kˇthu™t chÂn l¸a nút h§n v∑kh£n´ng tính toán và thi∏u các thu™t toán hiªu qu£ chuy∫n ti∏p, chuy∫n ti∏p cÎng tác, truy∑n thông a ch∞ng ∫ gi£i mã thông tin. Tuy nhiên, gi£ ‡nh này ang b‡suy và gây nhiπu nhân t§o cÙng ã˜Òc khai thác rÎng rãi ∫ y∏u cùng vÓi viªc phát tri∫n các thu™t toán hiªu qu£cÙng c£i thiªn PLS trong truy∑n thông vô tuy∏n [14], [15], [16], nh˜viªc t´ng lên kh£n´ng tính toán cıa các thi∏t b‡thông [17]. tin hiªn§i, ví dˆnh˜máy tính l˜Òng t˚. Chính nh˙ng giÓi MÎt trong nh˙ng vßn∑ cÏb£n trong thông tin vô tuy∏n h§n này là Îng l¸c thúc© y∫ nhi∑u nhà nghiên c˘u g¶n là t´ng hiªu qu£s˚dˆng b´ng thông và Î tin c™y trong các ây ã t™p trung th£o lu™n v∑các vßn∑b £o m™t thông kênh truy∑n bi∏nÍi liên tˆc theo thÌi gian. Bên c§nh ó, tin t§i lÓp v™t l˛(Physical Layer Security: PLS) nh¨m§t viªc truy∑n tín hiªu trên các kênh vô tuy∏n ph£iËi m∞t vÓi ˜Òc b£o m™t b¨ng cách khai thác ∞c tính riêng biªt cıa s¸suy gi£m v∑chßt l˜Òng kênh truy∑n, nh˜suy hao ˜Ìng các kênh truy∑n vô tuy∏n khác nhau, nh˜nhiπu nhiªt, nhiπu truy∑n, pha-inh, nhiπu,. . . và do v™y, ∫ §t˜Òc hiªu sußt và tính chßt thay Íi cıa các kênh pha-inh [2]. Khái niªm s˚dˆng phÍt¶n, các hªthËng vô tuy∏n c¶n ph£i thích˘ ng v∑PLS l¶n¶u tiên˜Ò c giÓi thiªu bi Shannon [3], và linh ho§t trong các i∑u kiªn kênh truy∑n bi∏nÍi khác sau ó˜Òc mrÎng bi Wyner [4], vÓii∑u kiªn b£o m™t nhau. ∫ gi£i quy∏t nh˙ng vßn∑ trên, thì mã Fountain hoàn h£o˜Òc phân tích d¸a trên quan i∫m cıa l˛thuy∏t (Fountain codes: FCs), hay mã Rateless (Rateless codes: thông tin t˜Ïng lai. RCs) ã˜Òc∑ xußt [18], [19], có th∫thích˘ ng linh ho§t Trong nh˙ng n´m g¶nây, ã có nhi∑u công trình nghiên vÓi các i∑u kiªn kênh truy∑n khác nhau mà không c¶n bi∏t c˘u v∑PLS các góc Î khác nhau nh¨m nâng cao hiªu thông tin tr§ng thái kênh (Channel State Information: CSI) ISBN: 978-604-80-5076-4 108
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) t§i máy phát. Máy phát s˚dˆng bÎmã hóa Fountain có th∫t§o ra các symbol ˜Òc mã hóa không giÓi h§n, không phˆthuÎc vào tr§ng thái kênh t˘c thÌi t§i máy thu và máy thu có th∫gi£i mã b£n tin gËc khi nh™nı sËl˜Òng các gói mã hóa c¶n thi∏t. Khi máy thu nh™nıcác symbol mã hóa cho viªc gi£i mã thành công b£n tin gËc thì k∏t thúc quá trình nh™n, có nghæa r¨ng tËcÎ thay Íi phˆthuÎc vào CSI t˘c thÌi [20], [21]. Ngoài ra, b¨ng cách s˚dˆng FCs, máy thu chøg˚i mÎt bít thông tin ∏n máy phát ∫ b≠t¶u quá trình truy∑n b£n tin mÓi. Tuy nhiên, do∞ c tính qu£ng bá t¸nhiên cıa thông tin vô tuy∏n, nh˙ng nút nghe lén có th∫dπdàng thu ch∞n nh˙ng gói tin ˜Òc mã Kênh chính hóa này ∫ gi£i mã b£n tin gËc. Do ó, b£o m™t là vßn∑ Kênh nghe lén rßt quan trÂng trong các hªthËng vô tuy∏n s˚dˆng FCs. Hiªn nay, ã có mÎt sËcông trình nghiên c˘u vßn∑ b£o m™t lÓp v™t l˛trong các hªthËng có s˚dˆng FCs [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]. Tuy nhiên, khác vÓi các Hình 1. Mô hình nghiên c˘u∑ xußt. mô hình ã∑ c™p tr˜Ócó, trong bài báo này chúng tôi s˚dˆng kˇthu™t TAS nh¨m nâng cao hiªu n´ng b£o m™t, d¸a vào bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã thích hÒp b¨ng cách chÂn ng®u nhiên mÎt ho∞c mÎt sË và b£o m™t thông tin thành công ˜Òc˜a ra, vÓi gi£s˚ gói t¯ T gói này ∫ th¸c hiªn XOR vÓi nhau nh¨m t§o r¨ng ph¶n c˘ng cıa cıa các thi∏t b‡trong m§ng là hoàn ra các gói Fountain. T§i cuËi mÈi khe thÌi gian, D và E h£o và hªthËng không ch‡u tác Îng cıa nhiπuÁng kênh s≥cËg≠ng gi£i mã các gói Fountain nh™n˜Òc và gi£s˚ do s¸phân bÍt¶n sËphù hÒp. Trong mô hình∑ xußt s˚ r¨ng các máy thu này có th∫gi£i mã thành công b£n tin dˆng FCs, mÎt tr§m gËc (BS) s˚dˆng kˇthu™t TAS∫ gËc n∏u chúng nh™n chính xác ít nhßt H gói Fountain, vÓi §t˜Òc chßt l˜Òng kênh truy∑n tËt nhßt trên kênh chính, H =(1+") T và " là h¨ng sËphˆthuÎc vào viªc thi∏t k∏ nh¨m th¸c hiªn gi£i mã các gói tin mã hóa và b£o m™t mã [21]. Ngay sau khi nh™n thành công H gói Fountain, d˙liªu˜Òc g˚ii, trong khi ó c£máy thu hÒp pháp D s≥g˚i mÎt b£n tin ACK ∫ thông báo cho BS d¯ng phát (D) và máy nghe lén (E) là các thi∏t b‡ Ïn´ng-ten. ∫ các gói tin mã hóa. Trong tr˜Ìng hÒp này, n∏u E không ánh giá hiªu n´ng b£o m™t cıa hªthËng, chúng tôi ˜a th∫ §t˜Òcı sËl˜Òng các gói Fountain c¶n thi∏t, thì E ra các bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã và không th∫gi£i mã ˜Òc b£n tin gËc. Ng˜Òc l§i, thông tin b£o m™t thông tin thành công (Probability of Successful gËc cıa BS b‡thu ch∞n. and Secure: SS), xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP) VÓi viªc xem xét quá trình truy∑n d˙liªu t§i mÎt khe và sËl˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc phát bi BS thÌi gian bßt k˝. Chúng tôi gi£s˚r¨ng mô hình kênh truy∑n (Average Number of Encoded Packets: ANEP) trên kênh ˜Òc s˚dˆng trong bài báo là kênh pha-inh phØng bi∏n truy∑n pha-inh Rayleigh. Nh˙ng bi∫u th˘c toán hÂc này Íi ch™m, có nghæa là hªsËkênh truy∑n s≥không thay Íi s≥ ˜Òc ki∫m ch˘ng thông qua các mô ph‰ng máy tính. trong mÎt khe thÌi gian nh˜ng thay ÍiÎc l™p gi˙a các Ph¶n còn l§i cıa bài báo ˜Òc tÍch˘c nh˜sau: Trong khe thÌi gian khác nhau. ∫ thu™n tiªn cho viªc th∫hiªn ph¶n II, chúng tôi miêu t£mô hình hªthËng ˜Òc∑ xußt. các k˛hiªu toán hÂc, ta s≥b‰qua k˛hiªu chøsËthÌi gian Trong ph¶n III, chúng tôi ánh giá hiªu n´ng b£o m™t cıa trên các hªsËkênh truy∑n. Do v™y, ta k˛hiªu hn là hª hªthËng. Ph¶n IV cung cßp các k∏t qu£mô ph‰ng và phân sËkênh truy∑n gi˙a´ng-ten phát th˘ n cıa BS và D, vÓi tích l˛thuy∏t. CuËi cùng, chúng tôi k∏t lu™n bài báo trong n =1, 2, ,NA. M∞t khác, ta cÙng gi£s˚r¨ng kênh truy∑n ph¶n V. gi˙a các thi∏t b‡là kênh pha-inh Rayleigh và các hªsË kênh truy∑n hn có phân bË Îc l™p và Áng nhßt vÓi nhau II. MÔ HÌNH HõTH»NG (independent and identically distributed: iid). Ti∏p theo, gn Nh˜ ˜Òc th∫hiªn trong Hình 1, mô hình hªthËng ∑ ˜Òc k˛hiªu là hªsËkênh truy∑n cıa´ng-ten phát th˘ n xußt bao gÁm mÎt tr§m gËc (Base Station: BS) muËn truy∑n cıa BS và E, t˜Ïng˘ ng. Do các hªsËkênh truy∑n có phân d˙liªu∏n mÎt nút ích (Destination: D) trên kênh chính, bËRayleigh, nên Î lÒi kênh truy∑n có phân bËhàm mÙvà ta k˛hiªu các Î lÒi nh˜sau: = h 2, = g 2. trong s¸xußt hiªn cıa mÎt nút nghe lén (Eavesdropper: E) D,n | n| E,n | n| ang cËg≠ng nghe lén các gói tin ˜Òc mã hóa ∫ gi£i HÏn n˙a, ta cÙng k˛hiªu D,E l¶n l˜Òt là các tham sË mã d˙liªu gËc t¯tr§m gËc. Chúng tôi cÙng gi£s˚r¨ng ∞c tr˜ng cıaÎ lÒi kênh truy∑n (cˆth∫b¨ng ngh‡ch £o tßt c£các thi∏t b‡ ¶u cuËi trong m§ng ∑u˜Òc trang giá tr‡trung bình cıaÎ lÒi kênh truy∑n). b‡ Ïn´ng-ten và ho§tÎng theo ch∏ Î bán song công 1 1 (half-duplex). D = ,E = . (1) D,n E,n HªthËng s˚dˆng FCs, d˙liªu gËc cıa BS có th∫chia thành T gói có Îdài b¨ng nhau, rÁi mã hóa mÎt cách T¯bi∫u th˘c (1), ta bi∫u diπn hàm phân bËtích lÙy ISBN: 978-604-80-5076-4 109
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) (Cumulative Distribution Function: CDF) cıa bi∏n ng®u T˜Ïng t¸, ta có giá tr‡cıa ⇢E ˜Òc tính nh˜sau: nhiên phân bËmÙ X nh˜sau: ⇢E =Pr(E,b⇤ th) F (x)=1 exp ( !x) , (2)  X =Pr th E,b⇤  vÓi X D,n,E,n và ! D,E . 2{ } 2{ } ⇣ th ⌘ T§i mÎt khe thÌi gian bßt k˝, BS s≥chÂn´ng-ten tËt nhßt = F . (10) E,b⇤ cıa mình ∫ truy∑n các gói Fountain∏ n D theo ph˜Ïng Thay hàm CDF cıa trong⇣ ⌘ (2) vào (10), ta ˜Òc: pháp l¸a chÂn´ng-ten phát tËt nhßt [29], nh˜sau: E,b⇤ th b⇤ : = max ( ), (3) ⇢E =1 exp E . (11) D,b⇤ D,n n=1,2, ,NA ⇣ ⌘ III. PHÂN TÍCH HIõU NãNG HõTH»NG trong ó, b⇤ là chøsË ´ng-ten tËt nhßt˜Òc chÂn∫ phát d˙liªu t§i BS, vì chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a´ng-ten này Chúng ta k˛hiªu LBS là tÍng sËgói Fountain mà BS g˚i∏n D và LD là sËgói Fountain mà D có th∫nh™n và D là tËt nhßt. T¯công th˘c (3), hàm CDF cıa D,b⇤ ˜Òc˜a ra nh˜sau: úng ∫ khôi phˆc b£n tin gËc (LD = H) . L˜u˛r¨ng, L NA BS luôn luôn lÓn hÏn ho∞c b¨ng sËgói Fountain ˜Òc yêu c¶u (H) và BS có th∫phát sËl˜Òng gói Fountain rßt F (x)= F (x) D,b⇤ D,n n=1 lÓn n∏u nh˜chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a BS và D là xßu. Y =(1 exp ( x))NA Ng˜Òc l§i, n∏u nh˜chßt l˜Òng kênh truy∑n gi˙a BS và D D là tËt, thì ta k˝vÂng r¨ng D có th∫nh™nı H gói Fountain NA n n sau H khe thÌi gian (LBS = H) . =1+ ( 1) CN exp ( nDx). (4) A MÎt cách t˜Ïng t¸, chúng ta cÙng k˛hiªu LE là sËl˜Òng n=1 X gói tin mà E nh™núng trong LBS khe thÌi gian và chúng Ti∏p theo, ta xây d¸ng công th˘c tính tsËtín hiªu trên ta cÙng mong Òi r¨ng LE nh‰hÏn H ∫ E không th∫gi£i nhiπu (Signal to Noise Ratio: SNR) §t˜Òc t§i c£D và mã thành công b£n tin gËc cıa BS. E nh˜sau: Nh˜ ã∑ c™ptrên, ta có xác sußt gi£i mã và b£o PBSD,b⇤ m™t thông tin thành công (Probability of Successful and D = =D,b⇤ , (5) N0 Secure: SS) có th∫ ˜Òc‡nh nghæa nh˜sau: PBSE,b⇤ SS = Pr (LD = H, LE <H) . (12) E = =E,b⇤ , (6) N0 K∏ti∏p, xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP) t§i E vÓi PBS là công sußt phát cıa BS, N0 là ph˜Ïng sai nhiπu ˜Òc vi∏t nh˜sau: cÎng t§i máy thu (gi£s˚tßt c£các nhiπucÎng∑ u có phân IP = Pr (L = H, L H) . (13) bËGauss vÓi giá tr‡trung bình b¨ng 0 và ph˜Ïng sai b¨ng E D  N0), =PBS/N0 là SNR phát. CuËi cùng, sËl˜Òng các gói Fountain trung bình ˜Òc Ti∏p theo, gi£s˚r¨ng mÎt gói tin mã hóa có th∫ ˜Òc phát bi BS là E LA . gi£i mã thành công n∏u SNR nh™n˜Òc t§i máy thu lÓn { } A. Xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công hÏn mÎt ng˜Ông th cho tr˜Óc. Ng˜Òc l§i, gói d˙liªu mã hóa s≥không ˜Òc nh™n thành công. V™y nên, xác sußt mà (Probability of Successful and Secure: SS) c£D và E không th∫nh™n chính xác mÎt gói mã hóa˜Ò c T¯bi∫u th˘c (12), ta có bi∫u th˘c d§ng chính xác cıa cho bi: xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công, nh˜sau: + 1 ⇢D =Pr( D th) , L H H LBS H  SS = C BS (1 ⇢ ) (⇢ ) LBS 1 D D ⇢E =Pr( E th) . (7)  LBSX=H h i H 1 M∞t khác, xác sußt∫c £D và E có th∫nh™n chính xác LE LBS LE LE mÎt gói d˙liªu s≥l¶n l˜Òt là 1 ⇢D và 1 ⇢E. CL (⇢E) (1 ⇢E) . (14) ⇥ " BS # Tr˜Óc tiên, ta tính giá tr‡cıa ⇢D nh˜sau: LXE=0 ∫ th∫hiªn các k∏t qu£l˛thuy∏t, ta c¶n ph£i c≠t chuÈi ⇢D =Pr(D,b⇤ th)  vô cùng trong (14) b¨ng mÎt giá tr‡h˙u h§n nào ó. Th™t =Pr th D,b⇤  v™y, ta có th∫vi∏t l§i bi∫u th˘c (14) d˜Ói d§ng nh˜sau: th ⇣ ⌘ NT = FD,b . (8) ⇤ LBS H H LBS H SS C (1 ⇢D) (⇢D) ⇣ ⌘ LBS 1 Thay hàm CDF cıa D,b trong (4) vào (8), ta có: ⇡ ⇤ LBSX=H h i N H 1 A n n th LE LE LBS LE ⇢ =1+ ( 1) C exp n . (9) C (1 ⇢E) (⇢E) . (15) D NA D ⇥ LBS n=1 "LE=0 # X ⇣ ⌘ X ISBN: 978-604-80-5076-4 110
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Trong bi∫u th˘c (15), NT là mÎt h¨ng sËvà khi NT ı lÓn thì giá tr‡cıa SS s≥hÎi tˆv∑giá tr‡chính xác. 1 MO PHONG (N = 1) B. Xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP) 0.9 A MO PHONG (N = 2) A T˜Ïng t¸, t¯công th˘c (13), ta có bi∫u th˘c chính xác 0.8 MO PHONG (N = 3) A cıa xác sußt thu ch∞n t§i nút nghe lén nh˜sau: LY THUYET 0.7 LBS H LBS H LBS H H LBS H IP =CL 1 CL 1 (⇢D) (1 ⇢D) (⇢E) BS BS 0.6 H L H H LBS H (1 ⇢ ) + C BS (1 ⇢ ) (⇢ ) E LBS 1 E E ⇥ 0.5 H 1 SS u LBS u u C (⇢ ) (1 ⇢ ) . (16) ⇥ LBS D D 0.4 " u=0 # X 0.3 C. SËl˜Òng các gói mã hóa trung bình ˜Òc phát bi BS (Average Number of Encoded Packets: ANEP) 0.2 Bi∫u th˘c chính xác cıa sËl˜Òng các gói Fountain trung 0.1 bình ˜Òc phát bi tr§m gËc (BS) cho bi nh˜sau (xem [30, eq. (8)] 0 0 5 10 15 20 25 H H ∆ (dB) E LA = = . NA { } 1 ⇢D DN0 1 1 exp P th BS Hình 3. SS là mÎt hàm cıa (dB) khi D =0.5 và E =1. ⇣ ⇣ ⌘⌘ (17) IV. KòT QUÉMÔ PHƒNG VÀ LfiTHUYòT 1 Trong ph¶n này, chúng tôi th¸c hiªn các mô ph‰ng Monte-Carlo ∫ ki∫m ch˘ng các bi∫u th˘c toán hÂcã 0.9 ˜Òc˜a ra trong ph¶n III. Trong tßt c£các mô ph‰ng, 0.8 chúng tôi cË ‡nh ng˜Ông d¯ng th b¨ng 1, sËgói mã hóa Fountain c¶n thi∏t ph£i§t˜Òc∫ khôi phˆc l§i d˙liªu 0.7 gËc là H =5và giá tr‡cıa NT ˜Òc cË ‡nh b¨ng 500. 0.6 0.5 1 IP MO PHONG (λ = 0.5) E 0.4 0.9 MO PHONG (λ = 1) E 0.3 0.8 MO PHONG (λ = 1.5) MO PHONG (λ = 1) E E LY THUYET 0.2 MO PHONG (λ = 1.5) 0.7 E MO PHONG (λ = 2) E 0.1 0.6 LY THUYET 0 0.5 ss 0 5 10 15 20 25 ∆ (dB) 0.4 0.3 Hình 4. IP là mÎt hàm cıa (dB) khi D =0.5 và NA =3. 0.2 0.1 l˜Òt là: E =0.5, E =1,vàE =1.5. Ta cË ‡nh tham sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n trên kênh chính D =0.5, sË 0 0 5 10 15 20 25 ´ng-ten phát ˜Òc trang b‡t§i BS là NA =3. Quan sát ∆ (dB) hình v≥, ta thßy r¨ng xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin thành công (SS) gi£m nhanh khi t´ng giá tr‡cıa .i∑u Hình 2. SS là mÎt hàm cıa (dB) khi D =0.5 và NA =3. này có nghæa là khi t´ng hay t´ng m˘c công sußt phát t§i BS thì kh£n´ng nghe lén cıa E s≥t´ng lên, Áng thÌi Trong Hình 2, giá tr‡cıa SS ˜Òc th∫hiªn nh˜là mÎt kh£n´ng gi£i mã thành công thông tin gËc t§i D t´ng lên. hàm cıa SNR phát (=PBS/N0) (dB) khi thay Íi M∞t khác, khi giá tr‡ E =1.5 t§i m˘c công sußt phát là các tham sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n cıa kênh nghe lén l¶n 0 dB, thì giá tr‡cıa SS g¶n b¨ng 1, có nghæa là thông tin ISBN: 978-604-80-5076-4 111
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 0.8 9 MO PHONG (λ = 2) E MO PHONG (λ = 1) D 0.7 MO PHONG (λ = 4) 8 E MO PHONG (λ = 3) MO PHONG (λ = 6) D E MO PHONG (λ = 5) D 0.6 LY THUYET 7 LY THUYET 0.5 6 0.4 5 IP ANEP 0.3 4 0.2 3 0.1 2 0 1 1234567 1234567 λ H D Hình 5. IP v≥theo D khi =10(dB) và NA =2. Hình 7. ANEP là mÎt hàm cıa H khi NA =2. 11 MO PHONG (N = 1) Trong Hình 4, chúng tôi v≥giá tr‡cıa IP theo A MO PHONG (N = 2) (=PBS/N0) (dB), khi cË ‡nh D =0.5 và NA =3. 10 A MO PHONG (N = 3) A Nhìn t¯Hình v≥ta thßy r¨ng, giá tr‡cıa IP t´ng khi t´ng. LY THUYET Tuy nhiên, t§i m˘c công sußt phát nh‰hÏn 0 (dB), giá 9 tr‡IP tiªm c™n v∑không, có nghæa r¨ng thông tin gËc˜Òc b£o m™t thành công. M∞t khác, khi t´ng E,Áng nghæa vÓi chßt l˜Òng kênh nghe lén xßu, giá tr‡cıa IP gi£m. 8 ANEP Trong Hình 5, chúng tôi kh£o sát £nh h˜ng cıa tham sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n lên giá tr‡cıa IP khi = 10 7 (dB) và NA =2. Nh˜ta có th∫ ‡nh l˜Òng, IP s≥gi£m khi E lÓn. HÏn n˙a, giá tr‡cıa IP t´ng khi D t´ng. 6 Trong Hình 6, sËl˜Òng các gói tin mã hóa trung bình (ANEP) phát bi BS ˜Òc v≥theo hàm cıa D khi cË ‡nh = 10 (dB), vÓi sË ´ng-ten phát khác nhau t§i BS, cˆ 5 1234567 th∫ NA =1, 2, 3. Nh˜ ˜Òc th∫hiªn trong Hình 6, ANEP λ D t´ng khi t´ng D và khi NA ˜Òc trang b‡t§i BS t´ng thì ANEP gi£m. Hình 6. SËl˜Òng gói tin mã hóa trung bình (ANEP) ˜Òc phát bi BS Hình 7, chúng tôi ti∏p tˆc th∫hiªn ANEP là mÎt hàm là mÎt hàm cıa D khi =10(dB). cıa H khi cË ‡nh NA =2và thay Íi các tham sË ∞c tr˜ng cıa kênh chính, cˆth∫ D =1, 3, 5. Nhìn vào Hình v≥ta thßy r¨ng, ANEP t´ng khi t´ng sËgói Fountain ˜Òc gËc s≥ ˜Òc gi£i mã và b£o m™t thành công t§i D. HÏn yêu c¶u (H) t§iD∫ có th∫gi£i mã thành công thông tin n˙a, nh˜th∫hiªn trong Hình 2, thì giá tr‡cıa SS t´ng khi gËc và ANEP gi£m khi gi£m .HÏn n˙a, khi chßt l˜Òng t´ng. D E kênh chính là xßu thì BS có th∫phát nhi∑u gói tin mã hóa Hình 3, ti∏p tˆc th∫hiªn giá tr‡cıa SS theo tÓi D, i∑u này s≥làm t´ng sËkhe thÌi gian˜Ò c s˚dˆng (=P /N ) (dB), khi cË ‡nh =0.5 và =1. BS 0 D E và thÌi gian trπcıa hªthËng. Nh˜ta có th∫quan sát, giá tr‡cıa SS gi£m khi t´ng. M∞t khác, khi t´ng sË ´ng-ten t§i máy phát N =(1 3) Nh˜chúng ta quan sát t¯Hình 2 ∏n Hình 7, các k∏t A ÷ thì t§i m˘c công sußt phát nh‰hÏn 15 dB, giá tr‡SS t´ng qu£phân tích l˛thuy∏t và k∏t qu£mô ph‰ng hoàn toàn lên. Tuy nhiên, khi t´ng công sußt phát thì giá tr‡SS s≥ trùng khít nhau, i∑u này th∫hiªn tính chính xác cıa các hÎi tˆkhi t´ng NA. k∏t qu£phân tích. ISBN: 978-604-80-5076-4 112
6. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) V. KòT LUäN [15] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, V. N. Q. Bao, and T. Hanh, “Impact of hardware impairments on secrecy performance of multi- Trong bài báo này, chúng tôi ã∑ xußt và ánh giá hiªu hop relay networks in presence of multiple eavesdroppers,” in The n´ng b£o m™t lÓp v™t l˛s˚dˆng mã Fountain vÓi kˇthu™t Third Nafosted Conference on Information and Computer Science TAS t§i tr§m gËc (BS). Chúng tôi˜ a ra các bi∫u th˘c (NICS2016), Danang city, Vietnam, Sep. 2016, pp. 113–118. [16] T. T. Phu, D. T. Hung, T. D. Tran, and M. Voznák,ˇ “Analysis of d§ng chính xác cıa xác sußt gi£i mã và b£o m™t thông tin probability of non-zero secrecy capacity for multi-hop networks in thành công (SS) t§i nút ích (D), xác sußt ch∞n (IP) t§i nút presence of hardware impairments over nakagami-m fading chan- nghe lén (E) và sËl˜Òng các gói mã hóa trung bình˜Ò c nels,” RadioEngineering, vol. 25, no. 4, pp. 774–782, Dec. 2016. [17] P. T. Tin, T. T. Duy, P. T. Tran, and M. Voznak, “Secrecy per- phát bi BS. Các k∏t qu£ ã th∫hiªn r¨ng,∫ §t˜Òc hiªu formance of joint relay and jammer selection methods in cluster n´ng b£o m™t cıa hªthËng thì yêu c¶u công sußt phát cıa networks: With and without hardware noises,” in The International BS ph£i nh‰và c¶n t´ng sË ´ng-ten phát t§i BS mÎt cách Conference on Advanced Engineering–Theory and Applications (AETA2016), Busan, Korea, Dec. 2016, pp. 769–779. thích hÒp. M∞t khác, hiªu n´ng b£o m™t cıa hªthËng phˆ [18] M. Luby, “Lt codes,” in Proc. 43rd Annual IEEE Symp. on Foun- thuÎc rßt lÓn bi các tham sË ∞c tr˜ng cıa kênh truy∑n. dations of Computer Science, Vancouver, Canada, Nov. 2002, pp. 271–282. TÀI LIõU THAM KHÉO [19] A. Shokrollahi, “Raptor codes,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 52, no. 6, pp. 2551–2567, Jun. 2006. [1] Y. Huang, F. S. Al-Qahtani, T. Q. Duong, and J. Wang, “Secure [20] J. Castura and Y. Mao, “Rateless coding for wireless relay channels,” transmission in mimo wiretap channels using general-order transmit IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no. 5, pp. 1638–1642, May antenna selection with outdated csi,” IEEE Trans. Commun., vol. 63, 2007. no. 8, pp. 2959–2971, Aug. 2015. [21] T. T. Duy and H. Y. Kong, “Secondary spectrum access in cognitive [2] M. Bloch, J. Barros, M. R. D. Rodrigues, and S. W. McLaughlin, radio networks using rateless codes over rayleigh fading channels,” “Wireless information-theoretic security,” IEEE Trans. Inf. Theory, Wireless Pers. Commun., vol. 77, no. 2, pp. 963–978, Jul. 2014. vol. 54, no. 6, pp. 2515–2534, Jun. 2008. [22] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, and V. N. Q. Bao, “Secrecy [3] C. E. Shannon, “Communication theory of secrecy systems,” Bell performance evaluation of tas protocol exploiting fountain codes Syst. Technol. J., vol. 28, no. 4, pp. 656–715, Oct. 1949. and cooperative jamming under impact of hardware impairments,” [4] A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst. Technol. J., vol. 54, in The 2nd International Conference on Recent Advances in Signal no. 8, pp. 1355–1387, Oct. 1975. Processing, Telecommunications and Computing (SigTelCom2018), [5] F. A. Khan, K. Tourki, M.-S. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Outage HoChiMinh City, Vietnam, Jan. 2018, pp. 164–169. and ser performance of spectrum sharing system with tas/mrc,” in [23] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, V. N. Q. Bao, and T. Hanh, Communications Workshops (ICC), Proc. IEEE Commun. Conf., “Security-reliability analysis of power beacon-assisted multi-hop Budapest, Hungary, Jun. 2013, pp. 381–385. relaying networks exploiting fountain codes with hardware im- [6] F. A. Khan, K. Tourki, M. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Performance perfection,” in The 2018 International Conference on Advanced analysis of a power limited spectrum sharing system with tas/mrc,” Technologies for Communications (ATC 2018), HoChiMinh City, IEEE Trans. Signal Process., vol. 62, no. 4, pp. 954–967, Feb. 2014. Vietnam, Oct. 2018, pp. 354 – 359. [7] K. Tourki, F. A. Khan, K. A. Qaraqe, H.-C. Yang, and M.-S. Alouini, [24] Q. Du, Y. Xu, and H. Song, “Security enhancement for multicast “Exact performance analysis of mimo cognitive radio systems using over internet of things by dynamically constructed fountain codes,” transmit antenna selection,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 2018, no. no. 3, pp. 425–438, Mar. 2014. Article ID 8404219, pp. 1–11, 2018. [8] N. Yang, P. L. Yeoh, M. Elkashlan, R. Schober, and I. B. Collings, [25] D. T. Hung, T. T. Duy, and D. Q. Trinh, “Security-reliability analysis “Transmit antenna selection for security enhancement in mimo of multi-hop leach protocol with fountain codes and cooperative wiretap channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 1, pp. 144– jamming,” EAI Transactions on Industrial Networks and Intelligent 154, Jan. 2013. Systems, vol. 6, no. 18, pp. 1–7, Mar. 2019. [9] S. Yan, N. Yang, R. Malaney, and J. Yuan, “Transmit antenna [26] P. T. Tin, N. N. Tan, N. Q. Sang, T. T. Duy, T. T. Phuong, and selection with alamouti coding and power allocation in mimo M. Voznak, “Rateless codes based secure communication employing wiretap channels,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 3, transmit antenna selection and harvest-to-jam under joint effect of pp. 1656–1667, Mar. 2014. interference and hardware impairments,” Entropy, vol. 21, no. 7 [10] J. Xiong, Y. Tang, D. Ma, P. Xiao, and K.-K. Wong, “Secrecy (700), Jul. 2019. performance analysis for tas-mrc system with imperfect feedback,” [27] D. T. Hung, T. T. Duy, T. T. Phuong, D. Q. Trinh, and T. Hanh, “Per- IEEE Trans. Inf. Forensics Security, vol. 10, no. 8, pp. 1617–1629, formance comparison between fountain codes-based secure mimo Aug. 2015. protocols with and without using non-orthogonal multiple access,” [11] N. Li, X. Tao, H. Wu, J. Xu, and Q. Cui, “Large-system analysis of Entropy, vol. 21, no. 10 (928), Oct. 2019. artificial-noise-assisted communication in the multiuser downlink: [28] D. T. Hung, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, D. Q. Trinh, and T. Hanh, Ergodic secrecy sum rate and optimal power allocation,” IEEE “Phân tích hiªu n´ng mô hình truy∑n˜Ìng xuËng s˚dˆng kˇthu™t Trans. Veh. Technol., vol. 65, no. 9, pp. 7036–7050, Sept. 2016. chÂn l¸aãnten phát và mã fountain d˜Ói s¸ Énh h˜ng cıa nhiπu [12] J. H. Lee and W. Choi, “Multiuser diversity for secrecy communica- Áng kênh,” in HÎi th£o QuËc gia 2017 v∑ iªn t˚, Truy∑n thông tions using opportunistic jammer selection: Secure dof and jammer và Công nghªThông tin (REV-ECIT 2017), TP. HCM, Viet Nam, scaling law,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 62, no. 4, pp. 828– 12/ 2017, pp. 270–274. 839, Feb. 2014. [29] P. T. D. Ngoc, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, and H. V. Khuong, “ánh [13] S.-I. Kim, I.-M. Kim, and J. Heo, “Secure transmission for multiuser giá hiªu n´ng m§ng vô tuy∏n nh™n th˘c d§ng n∑n vÓi tas/sc và suy relay networks,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 14, no. 7, pp. hao ph¶n c˘ng,” HÎi th£o QuËc gia 2015 v∑ iªn t˚, Truy∑n thông 3724–3737, Jul. 2015. và Công nghªThông tin (REV-ECIT 2015), pp. 477–481, 12/ 2015. [14] T. T. Duy, T. Q. Duong, T. L. Thanh, and V. N. Q. Bao, “Secrecy [30] X. Wang, W. Chen, and Z. Cao, “A rateless coding based multi-relay performance analysis with relay selection methods under impact of cooperative transmission scheme for cognitive radio networks,” in co-channel interference,” IET Communications, vol. 9, no. 11, pp. IEEE GLOBECOM, Honolulu, HI, Dec. 2009, pp. 1–6. 1427–1435, Jul. 2015. ISBN: 978-604-80-5076-4 113