Nghiên cứu hiệu năng bảo mật mạng vô tuyến nhận thức dạng nền cộng tác sử dụng mã Fountain
Nguyễn Văn Hiền, Trần Trung Duy, Trần Đình Thuần
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG
NỀN CỘNG TÁ C SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN
Nguyễn Văn Hiền*, Trần Trung Duy*, Trần Đình Thuần*
*Khoa Viễn Thô ng 2, Học Viện Cô ng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở tại TP. Hồ Chí Minh
cách và nhiễu được sử dụng để bảo vệ sự truyền-nhận
thông tin giữa các thiết bị thu-phát, trước sự nghe lén của
các thiết bị thu không hợp pháp. Trong bảo mật lớp vật
lý, các nhà nghiên cứu định nghĩa thông số dung lượng
bảo mật (secrecy capacity), bằng hiệu giữa dung lượng
của kênh dữ liệu và dung lượng của kênh nghe lén. Hơn
nữa, dung lượng bảo mật là một đại lượng không âm. Do
đó, để nâng cao dung lượng bảo mật hay nâng cao hiệu
năng bảo mật, hệ thống cần tăng cường dung lượng của
kênh dữ liệu và/hoặc giảm dung lượng của kênh nghe lén.
Trong các công trình [4]-[6], các mô hình thu-phát phân
tập MIMO (Multiple Input Multiple Output) được đề xuất
để nâng cao chất lượng kênh dữ liệu, và do đó cũng nâng
cao dung lượng bảo mật. Trong trường hợp các thiết bị
không thể trang bị nhiều ănten, chuyển tiếp cộng tác [7]
thường được áp dụng, trong đó các nút đơn ănten sẽ chia
sẽ ănten của mình để tạo thành hệ thống MIMO ảo.
Trong các tài liệu [8]-[9], các tác giả đề xuất những mô
hình chuyển tiếp cộng tác hiệu quả nhằm nâng cao hiệu
năng bảo mật của mạng. Các công trình [10]-[11] kết hợp
giữa chuyển tiếp và chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao
hơn nữa chất lượng của kênh dữ liệu. Trong bảo mật lớp
vật lý, tạo nhiễu lên các thiết bị nghe lén cũng là một
phương pháp hiệu quả để bảo mật thông tin. Trong kỹ
thuật này, nút gây nhiễu (jammer) sẽ phát nhiễu lên các
thiết bị nghe lén, đồng thời phối hợp với các thiết bị thu
hợp pháp trong mạng để khử nhiễu gây ra [12]-[13]. Mặc
dù các mô hình sử dụng tạo nhiễu đạt được hiệu năng bảo
mật cao hơn khi so sánh với các mô hình không sử dụng
tạo nhiễu, tuy nhiên việc triển khai kỹ thuật này rất phức
tạp vì yêu cầu sự đồng bộ cao giữa nút tạo nhiễu, nút phát
và nút thu. Khác với các công trình [4]-[13], các tác giả
trong [14]-[15] đánh giá hiệu năng của các mô hình bảo
mật lớp vật lý thông qua xác suất dừng (OP) tại nút thu
hợp pháp và xác suất chặn (Intercept Probability) tại nút
nghe lén. Các công trình [14] và [15] cũng phân tích sự
đánh đổi giữa bảo mật thông tin và độ tin cậy của việc
truyền thông tin thông qua sự tương quan của hai thông
số hiệu năng OP và IP.
Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu
phương pháp bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer
Security) cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền
(Underlay Cognitive Radio Network) sử dụng mã
Fountain. Trong mô hình nghiên cứu, nguồn thứ cấp và
nút chuyển tiếp thứ cấp hiệu chỉnh công suất phát để đảm
bảo chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp không bị ảnh
hưởng. Sử dụng mã Fountain, nút nguồn liên tục gửi các
gói mã hoá đến nút đích, và nút đích có thể khôi phục lại
dữ liệu của nguồn nếu nút này nhận đủ một lượng tối
thiểu các gói mã hoá. Hơn nữa, nếu nút chuyển tiếp có
thể tích luỹ đủ số lượng gói mã hoá để giải mã dữ liệu
nguồn trước nút đích, nút chuyển tiếp sẽ thay nút nguồn
gửi các gói mã hoá đến nút đích. Trong mạng thứ cấp,
một nút nghe lén xuất hiện, và cố gắng đạt được dữ liệu
của nút nguồn. Nếu nút nghe lén có thể nhận đủ số lượng
gói mã hoá, nút này cũng có thể giải mã thành công dữ
liệu nguồn, và trong trường hợp này, việc truyền dữ liệu
xem như bị mất bảo mật. Do đó, hiệu năng của mô hình
nghiên cứu được đánh giá thông qua hai thông số quan
trọng: i) xác suất dừng (OP: Outage Probability) là xác
suất mà nút đích không thể nhận đủ số lượng gói mã hoá
để giải mã thành công dữ liệu nguồn; ii) xác suất mất bảo
mật (IP: Insecure Probability) là xác suất mà nút nghe lén
nhận đủ số lượng gói mã hoá để giải mã dữ liệu nguồn.
Chúng tôi đưa ra các công thức đánh giá chính xác hiệu
năng OP và IP của mạng thứ cấp trên kênh truyền fading
Rayleigh, dưới sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh
đến từ mạng sơ cấp. Các công thức toán học đều được
kiểm chứng sự chính xác thông qua mô phỏng Monte
Carlo. Các kết quả cho thấy có sự đánh đổi giữa bảo mật
và độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu. Hơn nữa, mô hình
nghiên cứu có thể đạt được các hiệu năng tốt hơn khi so
sánh với mô hình truyền trực tiếp giữa nguồn thứ cấp và
đích thứ cấp.
Từ khóa: Mã Fountain, vô tuyến nhận thức dạng nền,
bảo mật lớp vật lý, xác suất dừng, xác suất mất bảo mật,
truyền thông cộng tác.
Vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) ra đời
nhằm giải quyết bài toán khan hiếm phổ tần, và cũng là
giải pháp sử dụng phổ tần hiệu quả hơn [16]. Trong vô
tuyến nhận thức, người dùng sơ cấp (Primary User) sẽ
được cấp phép sử dụng phổ tần bất cứ lúc nào, trong khi
người dùng thứ cấp (Secondary User) chỉ được sử dụng
phổ tần khi chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp không bị
ảnh hưởng. Thông thường, người dùng thứ cấp phải thăm
dò sự xuất hiện của người dùng sơ cấp để sử dụng những
băng tần không đang bị chiếm giữ. Tuy nhiên, một khi
I. GIỚI THIỆU
1Gần đây, bảo mật lớp vật lý (Physical-layer security)
[1]-[3] đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà
nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong phương pháp bảo
mật tiềm năng này, các yếu tố như kênh truyền, khoảng
Tác giả liên hệ: Trần Trung Duy
email: trantrungduy@ptithcm.edu.vn
Đến tòa soạn: 11/2020, chỉnh sửa: 12/2020, chấp nhận đăng: 12/2020.
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
112
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN CỘNG TÁC SỬ DỤNG MÃ
FOUNTAIN
người dùng sơ cấp trở lại sử dụng băng tần, người dùng
thứ cấp phải lập tức chuyển sang sử dụng băng tần trống
khác. Do đó, nhược điểm phương pháp thăm dò người
dùng sơ cấp là phức tạp, đồng bộ cao, khả năng thăm dò
chính xác, sự chuyển đổi kênh truyền nhanh chóng và
không đảm bảo tính liên tục cho mạng thứ cấp. Các tác
giả trong công bố [17] đề xuất mô hình vô tuyến nhận
thức dạng nền (Underlay CR), trong đó người dùng thứ
cấp được phép sử dụng cùng băng tần với người dùng sơ
cấp. Tuy nhiên, người dùng thứ cấp phải hiệu chỉnh công
suất phát để đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp
không bị ảnh hưởng. Trong các công trình [17]-[18],
công suất phát của thiết bị phát thứ cấp phải được hiệu
chỉnh theo thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel
State Information) tức thời giữa thiết bị này với người
dùng sơ cấp sao cho giao thoa gây lên người dùng sơ cấp
không được vượt qua một ngưỡng quy định trước. Tuy
nhiên, việc ước lượng chính xác CSI tức thời khó đạt
được trong thực tế vì cần sự phối hợp giữa hai mạng sơ
cấp và thứ cấp, cần nhiều thời gian để ước lượng, cũng
như cần đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của kênh
fading [19]. Trong tài liệu [20], các tác giả giới thiệu
phương pháp hiệu chỉnh công suất phát đơn giản hơn cho
các thiết bị phát thứ cấp, đó là hiệu chỉnh theo giá trị
trung bình của độ lợi kênh đến người dùng sơ cấp. Cụ
thể, công suất phát của nút phát thứ cấp sẽ được tính toán
sao cho xác suất dừng tại người dùng sơ cấp luôn nhỏ
hơn một ngưỡng xác định trước.
lớp vật lý sử dụng mã Fountain cho mạng chuyển tiếp
cộng tác trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền.
Sau khi hiệu chỉnh công suất phát nhằm đảm bảo xác suất
dừng của mạng sơ cấp luôn thấp hơn hoặc bằng một
ngưỡng xác định trước, nút nguồn thứ cấp gửi các gói mã
hoá đến nút đích thứ cấp. Cùng lúc đó, nút chuyển tiếp
thứ cấp cũng sẽ nhận các gói mã hoá từ nút nguồn. Ngay
khi nút đích nhận đủ số lượng gói mã hoá, nút này sẽ yêu
cầu nút nguồn (hoặc nút chuyển tiếp) dừng việc truyền,
rồi tiến hành khôi phục dữ liệu gốc. Trong trường hợp,
nút chuyển tiếp có thể nhận đủ số lượng gói trước nút
đích, nút chuyển tiếp sẽ thay nút nguồn gửi các gói mã
hoá đến nút đích. Cũng xuất hiện trong mạng thứ cấp, nút
nghe lén cũng cố gắng nhận các gói mã hoá để đạt được
dữ liệu của nguồn. Với sự ràng buộc thời gian trễ tối đa,
tổng số lần truyền các gói mã hoá tại nguồn và nút
chuyển tiếp không được vượt quá một giá trị cho trước.
Vì vậy, sau số lần truyền tối đa này, nếu nút đích không
thể nhận đủ số gói mã hoá thì xem như nút đích bị dừng
(không thể giải mã thành công dữ liệu nguồn). Hơn nữa,
trong quá trình truyền dữ liệu, nếu nút nghe lén có thể
nhận đủ số lượng gói mã hoá, thì dữ liệu nguồn xem như
bị mất bảo mật. Do đó, hai thông số hiệu năng xác suất
dừng (OP) và xác suất mất bảo mật (IP) sẽ được đánh giá
đồng thời trong bài báo này.
Sau đây, chúng tôi trình bày những công trình chính
liên quan đến chủ đề của bài báo. Hơn nữa, những điểm
mới và điểm khác biệt giữa bài báo này và những công
bố trước đây sẽ được phân tích kỹ. Đầu tiên, các công
trình liên quan [23]-[24] chỉ nghiên cứu các mô hình
truyền trực tiếp giữa nguồn và đích, và không nghiên cứu
mô hình chuyển tiếp. Tương tự như vậy, các công bố
[26]-[28] cũng nghiên cứu hệ thống truyền thông trực
tiếp giữa nguồn và đích, sử dụng các kỹ thuật phân tập
thu-phát MIMO. Các tác giả trong công trình [25] đã đề
xuất mô hình chuyển tiếp cộng tác, trong đó nút chuyển
tiếp sẽ giúp đỡ nút nguồn chuyển tiếp từng gói mã hoá
đến nút đích. Khác với công trình [25], nút chuyển tiếp
trong bài báo này đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu của
nguồn khi nút này tích luỹ đủ gói mã hoá trước nút đích.
Hơn thế nữa, mô hình trong công trình [25] cũng không
nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức. Tài liệu [29]
nghiên cứu mô hình bảo mật sử dụng mã Fountain trong
mạng vô tuyến nhận thức dạng nền dưới sự tác động của
khiếm khuyết phần cứng và nhiễu từ mạng sơ cấp. Khác
với [29], bài báo này xét đến mạng chuyển tiếp, trong khi
công trình [29] nghiên cứu mô hình truyền trực tiếp giữa
nguồn và đích.
Mã Rateless hay mã Fountain [21]-[22] đang được
nghiên cứu trong thời gian gần đây bởi sự đơn giản trong
thiết kế và khả năng thích ứng với các điều kiện kênh
truyền mà không cần biết CSI tại thiết bị phát. Trong mã
Fountain, dữ liệu gốc của nguồn sẽ được chia thành các
gói nhỏ, và nguồn sẽ tạo ra các gói mã hoá bằng cách
XOR một vài các gói nhỏ này. Sau đó, nguồn sẽ liên tục
gửi các gói mã hoá đến đích, cho đến khi đích nhận đủ
một số lượng gói mã hoá tối thiểu để khôi phục lại dữ
liệu nguồn. Tuy nhiên, bảo mật cũng là một vấn đề quan
trọng trong việc sử dụng mã Fountain bởi vì các thiết bị
nghe lén có thể nhận được các gói mã hoá và tiến hành
giải mã để đạt được dữ liệu của nguồn. Trong các công
trình [23]-[26], các tác giả đề xuất các mô hình bảo mật
lớp vật lý cho các hệ thống truyền thông vô tuyến sử
dụng mã Fountain. Như đã được đề cập trong các công
trình [23]-[24], dữ liệu nguồn có thể được bảo mật nếu
nút đích có thể đạt được đủ số gói mã hoá trước nút nghe
lén. Cụ thể, sau khi nhận đủ số gói mã hoá, nút đích lập
tức gửi thông báo đến nút nguồn để yêu cầu nút nguồn
dừng việc gửi các gói mã hoá. Bởi vì nút đích đã nhận đủ
số gói mã hoá nên nút này có thể giải mã thành công dữ
liệu gốc, trong khi nút nghe lén không thể khôi phục
được do chưa nhận đủ số gói yêu cầu. Tài liệu [25] đưa ra
mô hình chuyển tiếp hợp tác sử dụng một nút tạo nhiễu
để làm giảm chất lượng tín hiệu đạt được tại nút nghe lén.
Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, việc triển khai kỹ thuật
tạo nhiễu rất phức tạp bởi cần một sự đồng bộ cao giữa
tất cả các nút.
Tiếp đến, những đóng góp và những kết quả đạt được
trong bài báo sẽ được tóm tắt. Đóng góp đầu tiên là việc
đề xuất mô hình chuyển tiếp cộng tác nhằm nâng cao độ
tin cậy của sự truyền dữ liệu trong mạng vô tuyến nhận
thức dạng nền. Đóng góp thứ hai của bài báo là đưa ra
biểu thức tính chính xác xác suất dừng (OP) và xác suất
mất bảo mật (IP) của mạng thứ cấp trên kênh truyền
fading Rayleigh. Hơn nữa, các công thức toán học đều
được kiểm chứng sự chính xác thông qua mô phỏng
Monte Carlo. Kế tiếp, các kết quả đạt được cho thấy mô
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình bảo mật
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
113
Nguyễn Văn Hiền, Trần Trung Duy, Trần Đình Thuần
đến S. Kế tiếp, R sẽ thay S truyền các gói mã hoá đến D.
Việc nút chuyển tiếp thay thế nút nguồn có những điểm
lợi sau đây: thứ nhất, nút chuyển tiếp chia sẽ tải với nút
nguồn; thứ hai, nút chuyển tiếp ở gần nút đích hơn nên
việc truyền dữ liệu đến đích sẽ tốt hơn. Cũng vậy, nút
đích tiếp tục tích luỹ các gói mã hoá cho đến khi nhận đủ
số lượng, và cũng sẽ gửi ACK đến nút chuyển tiếp để
thông báo. Trong trường hợp, đích D không thể nhận đủ
hình đề xuất đạt được hiệu năng xác suất dừng tốt hơn
hẳn mô hình truyền trực tiếp giữa nguồn và đích. Đối với
hiệu năng IP, mô hình đề xuất có thể đạt được giá trị IP
thấp hơn (hoặc lớn hơn không đang kể) khi so sánh với
mô hình truyền trực tiếp. Cuối cùng, sự ảnh hưởng của
các tham số hệ thống (như tổng số lần truyền gói mã hoá
tối đa và vị trí của nút chuyển tiếp) cũng sẽ được nghiên
cứu kỹ trong bài báo này.
gói mã hoá sau Nmax lần truyền thì D xem như bị
H
dừng. Trong trường hợp nút nghe lén E có thể đạt được ít
nhất gói mã hoá trong suốt quá trình truyền dữ liệu thì
xem như dữ liệu của nguồn bị mất bảo mật.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần
II trình bày nguyên lý hoạt động của mô hình đề xuất.
Trong phần III, bài báo đánh giá các hiệu năng OP và IP
của mô hình đề xuất bằng các công cụ toán học. Phần IV
đưa ra các kết quả phân tích lý thuyết được kiểm chứng
bằng mô phỏng. Cuối cùng, các kết luận và hướng phát
triển được thảo luận trong phần V.
H
Giả sử kênh truyền giữa hai nút X và Y là kênh fading
X,Y S,R,D,T,U
Rayleigh, với
. Ta cũng giả sử kênh
(
)
truyền giữa hai nút này không thay đổi trong suốt quá
XY
trình truyền một gói mã hoá. Ta ký hiệu
là độ lợi
kênh giữa X và Y, và
sẽ là một biến ngẫu nhiên có
XY
II. MÔ HÌ NH HỆ THỐNG
phân phối mũ [7]-[10] với hàm mật độ xác suất và hàm
phân bố tích luỹ lần lượt là
E
f x = exp − x ,
( )
(
)
XY
XY
XY
(1)
F
x =1−exp − x ,
( )
(
)
XY
XY
S
D
fU
.
( )
F .
lần lượt là hàm mật độ xác suất và
U
ở đây,
và
( )
hàm phân bố tích luỹ của biến ngẫu nhiên U,
là tham
XY
R
số đặc trưng của XY , và được biểu diễn bằng công thức
sau (xem [7]-[9]):
XY = d
,
(2)
(
)
XY
U
T
dXY
là hệ số
ở đây,
là khoảng cách giữa X và Y, và
Hì nh 1. Mô hình nghiên cứu.
suy hao đường truyền có giá trị từ 2 đến 8.
Xét sự truyền dữ liệu giữa hai nút sơ cấp T và U; nếu
mạng thứ cấp cũng đang sử dụng phổ tần thì tỷ số tín
hiệu trên giao thoa và nhiễu (SINR: Signal-to-
Interference-plus-Noise Ratio) đạt được tại U được biểu
diễn bằng công thức sau:
Mô hình đề xuất được mô tả trong Hình 1, trong đó
hai mạng sơ cấp và thứ cấp sử dụng cùng băng tần, và do
đó, gây giao thoa đồng kênh lên nhau. Trong mạng sơ
cấp, thiết bị phát (T) đang truyền dữ liệu đến thiết bị thu
(U). Trong mạng thứ cấp, nút nguồn (S) đang gửi các gói
mã hoá đến nút chuyển tiếp (R) và nút đích (D), trong khi
nút nghe lén (E) đang nghe lén dữ liệu được gửi đi. Giả
sử rằng tất cả các nút đều chỉ có 01 ănten, và hoạt động ở
chế độ bán song công (half duplex).
P TU
T
TU
=
.
(3)
P AU +02
A
P
Trong công thức (3),
là công suất phát của nút phát
T
Nút nguồn S chia dữ liệu gốc thành các gói nhỏ có
kích thước bằng nhau. Sau đó, một số lượng các gói nhỏ
này sẽ được chọn một cách ngẫu nhiên, và XOR lại với
nhau để tạo thành những gói mã hóa. Trong các gói mã
hoá, các thành phần mào đầu (Overhead) và các bit kiểm
tra có thể được thêm vào để phục vụ cho việc giải mã tại
các thiết bị thu như R và D. Các gói mã hoá sẽ liên tục
được gửi đến R và D, và cũng bị nghe lén bởi E. Giả sử,
sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích bị giới hạn về thời
gian trễ, cụ thể số lần truyền các gói mã hoá tối đa không
P
sơ cấp T,
là công suất phát của nút phát thứ cấp A
A
A S,R
2
(
), và
là phương sai của nhiễu Gauss trắng
0
cộng tính tại nút thu U (giả sử nhiễu Gauss trắng cộng
tính tại các thiết bị thu đều có giá trị trung bình bằng 0 và
phương sai bằng 02 ). Cũng trong (3),
P AU
là giao thoa
A
đồng kênh do nút A gây lên nút U.
Xác suất dừng của mạng sơ cấp được định nghĩa là xác
suất mà tỷ số SINR đạt được tại nút U nhỏ hơn một
ngưỡng P cho trước. Từ công thức (3), xác suất dừng
được vượt qua
N
max . Điều này có nghĩa là sau Nmax lần
truyền các gói mã hoá thì S và R không được gửi thêm
lần nào nữa vì đã quá thời gian trễ quy định. Để giải mã
thành công dữ liệu của nguồn, các nút R, D và E phải tích
được viết như sau:
P
P TU
T
OP = Pr P = Pr
luỹ ít nhất
gói mã hoá, H Nmax
.
Hơn nữa, ngay khi
(
)
H
TU
P AU +02
A
đích D nhận đủ
ACK đến nguồn S để thông báo, và nguồn S sẽ dừng việc
gói mã hoá, nút này sẽ gửi thông điệp
H
(4)
+
2
P P
P0
P
A
=
F
x +
f
x dx.
AU
( )
truyền các gói mã hoá. Trong trường hợp, nút R nhận đủ
TU
P
T
T
0
gói mã hoá trước nút đích, R cũng gửi thông báo ACK
H
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
114
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN CỘNG TÁC SỬ DỤNG MÃ
FOUNTAIN
Kết hợp với công thức (1), xác suất dừng trong công
thức (4) được tính chính xác như sau:
III. PHÂ N TÍ CH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
Trong mục này, bài báo sẽ phân tích hiệu năng OP và
IP của mô hình đề xuất (ký hiệu CT: Cooperative
Transmission), và so sánh với mô hình truyền trực tiếp
AUP
TU02P
T
OP =1−
exp −
.
(5)
AUP +TUP P
P
nR nD
T
A
T
(ký hiệu DT: Direct Transmission). Ta ký hiệu
,
nE
và
lần lượt là số gói mã hoá nhận được tại R, D và E
Tiếp đến, nút phát thứ cấp A phải hiệu chỉnh công suất
nS
sau khi quá trình truyền các gói mã hoá kết thúc, và
là
P
phát
để chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp không
(
)
A
số gói mã hoá mà nguồn S đã gửi đi.
OP OP
OP
là giá trị
bị ảnh hưởng, cụ thể:
[20], với
được quy định bởi mạng sơ cấp. Bằng cách giải phương
A. OP của mô hình CT
OP =
trình
OP , ta đạt được nghiệm sau đây:
Trong mô hình đề xuất CT, đích D sẽ bị dừng trong
ba trường hợp sau:
1
TU02P
AU
TUP
P =
exp −
−1
P .
(6)
A
T
Nmax
- Trường hợp 1: nút nguồn S gửi tất cả
gói mã hoá
1−OP
P
T
tuy nhiên nút đích D không thể nhận đủ
phục dữ liệu gốc. Trong trường hợp này, xác suất dừng
được viết như sau:
gói để khôi
M
Bởi vì công suất phát là đại lượng không âm, nên từ
công thức (6), công suất phát lớn nhất của S và R lần lượt
được đưa ra bằng các biểu thức sau:
OP = Pr n = N ,n H,n H .
(11)
(
)
1
S
max
D
R
TU02P
SU
TUP
+
1
Trong công thức (11), số lượng gói mã hoá đạt được
tại nút chuyển tiếp R cũng không được vượt qua H. Nếu
số lượng gói mã hoá nhận được tại R là bằng H thì gói mã
hoá thành công thứ H của nút R phải nhận tại lần phát
cuối cùng của nút nguồn S. Từ lập luận trên, xác suất
P =
exp −
−1
P
T
S
1−OP
P
T
(7)
TU02P
RU
TUP
+
1
P =
exp −
−1
P
T
R
1−OP
P
T
OP
1 được tính chính xác bởi:
dừng
Trong công thức (7), ta sử dụng hàm
H −1
+
nD
Nmax −nD
x = max x,0 . Ta cũng lưu ý rằng việc hiệu chỉnh
(
)
D
Nmax
OP =
Cn
)
(
)
(
)
(
1
SD
SD
nD =0
công suất phát của nút S và nút R được thực hiện trước
khi sự truyền dữ liệu bắt đầu.
H
Nmax −H
H −1
Nmax −1
(12)
C
(
)
SR
SR
Xét sự truyền của một gói mã hoá từ nút phát thứ cấp
.
H −1
nR
Nmax −nR
+
Cn
A
A S,R ; tỷ số SINR đạt được nút thu thứ cấp B,
R
(
)
(
)
Nmax
SR
SR
nR =0
B R,D,E , được tính như sau:
Trong công thức (12), bởi vì đích D không đạt đủ ít
P AB
nD
nhất
gói mã hoá, nên giá trị của
chỉ đi từ 0 đến
H
A
AB
=
.
(8)
P TB +02
0 n H −1.
Nmax
lần
T
, cụ thể:
Hơn nữa, trong
H −1
D
nD
truyền dữ liệu của nguồn S, số cách chọn
lần nút đích
P TB
Trong công thức (8),
là thành phần giao thoa
T
nhận gói mã hoá thành công là CNn . Cũng trong công
D
đồng kênh do nút sơ cấp
gây lên nút thu thứ cấp B.
T
max
AB
Nếu tỷ số SINR
nhỏ hơn một ngưỡng xác định
H
Nmax −H
CH−1
thức (12),
là xác suất mà nút
(
)
Nmax −1
SR
SR
trước S , ta giả sử rằng nút thu thứ cấp B không thể giải
chuyển tiếp R đạt được H gói mã hoá, và gói mã hoá thứ
H nhận thành công ở lần truyền cuối cùng của nguồn S.
mã thành công gói mã hoá nhận được từ A. Ngược lại,
nếu AB S , thì gói mã hoá được giải mã thành công.
- Trường hợp 2: nút chuyển tiếp R đạt được H gói mã hoá
trước nút chuyển tiếp D. Trong trường hợp này, số lần
Tương tự các công thức (4) và (5), ta tính được xác suất
mà một gói mã hoá gửi đi từ A và không thể giải mã
thành công bởi B là:
Nmax −n .
truyền tối đa mà nút R có thể thực hiện là
Gọi
S
mD
là số gói mã hoá mà nút đích D cần phải tích luỹ
+
2
PS
S0
P
A
T
=
AB
F
x +
f
x dx
( )
thêm để đạt được đủ H gói. Xác suất dừng của trường
hợp 2 này được đưa ra bằng công thức sau:
AB
TB
P
A
0
(9)
TBP
TUS
A
H n N ,n = H,
=1−
exp −
.
S
max
R
OP = Pr
.
(13)
TBP +ABPS
P
2
A
T
A
nD H,mD Nmax −nS
Và xác suất một gói mã hoá được gửi từ A và được
giải mã thành công tại B sẽ là:
Công thức (13) có nghĩa rằng nút đích không thể
nhận đủ H gói mã hoá vì số lượng gói cần phải nhận
mD
thêm từ R là
trong khi số lần truyền tối đa của R lại
TBP
TUS
P
A
A
AB =1− AB
=
exp −
.
(10)
m
nhỏ hơn D . Trong trường hợp này, nút R không cần
TBP +ABPS
A
T
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
115
Nguyễn Văn Hiền, Trần Trung Duy, Trần Đình Thuần
thiết gửi tiếp các gói mã hoá đến nút D nữa. Do đó, xác
suất dừng được tính chính xác như sau:
H
Nmax −H
H −1
Nmax −1
C
(
)
(
)
SD
SD
IP =
H−1
1
nD
Nmax −nD
+
Cn
OP =
D
Nmax
2
(
)
(
)
SD
SD
H
nS −H
nD =0
H −1
nS −1
C
(
)
(
)
SR
SR
Nmax −1
H
(14)
Nmax −H
H −1
C
(
.
(
)
H
)
Nmax −1
H −1
SR
SR
H −mD
nS −H +mD
D
nS =H
CnH −m
(
)
(
)
SD
SD
S
(19)
nR
Nmax −nR
+
Cn
mD =Nmax −nS +1
R
Nmax
(
)
(
)
SR
SR
nR =0
Trong công thức (14), số gói mã hoá mà đích D đã
nhận thành công từ nguồn S sau khi nguồn dừng việc
Nmax
H
Nmax −H
Cn
.
E
(
)
(
)
Nmax
SE
SE
H −mD.
truyền dữ liệu là
nE =H
- Trường hợp 3: nút chuyển tiếp R đạt được H gói mã hoá
- Trường hợp 2: nút đích D có thể nhận được đủ H gói
Nmax
mD Nmax −n
S . Tuy nhiên,
gói mã hoá từ nút chuyển
trước nút chuyển tiếp D và
mD
mã hoá trước khi nguồn S gửi hết
nghĩa là nút nguồn S sẽ dừng việc truyền mà không cần
Nmax
lần. Điều này có
nút D không thể nhận đủ
sử dụng
lần truyền. Hơn nữa, số lượng gói mã hoá
tiếp R sau khi nút R sử dụng hết những lần truyền dữ liệu
còn lại. Xác suất dừng trong trường hợp này được đưa ra
bằng công thức sau:
nhận được tại nút chuyển tiếp cũng không thể vượt qua H
gói. Cũng vậy, dữ liệu của nguồn sẽ mất bảo mật nếu như
n H
. Do đó, IP trong trường hợp này sẽ là:
E
H n N ,n = H,
S
max
R
OP = Pr
.
(15)
(16)
3
IP = Pr H n N ,n H,n =H,n H .
(20)
(21)
(
)
mD Nmax −nS,nD <H
2
S
max
R
D
E
IP2
Tiếp đến,
được tính chính xác như sau:
OP
Do đó,
được tính chính xác như sau:
3
OP =
3
H
nS −H
H−1
nS −1
H
C
nS −H
(
)
)
(
)
H −1
nS −1
SD
SD
C
(
)
(
)
SR
SR
H
nS −H
H−1
nS −1
max −nS
N
C
(
)
H −mD
(
SR
SR
−1
Nmax
Nmax
−1
nS −H +mD
CH −m
D
(
)
(
(
)
nS
SD
SD
.
IP =
.
H−1
2
nR
nS −nR
mD =1
Cn
R
nS =H
nS =H
+
(
)
(
)
nS
SR
SR
mD −1
qD
nR =0
Nmax −nS −qD
Cq
D
(
)
)
Nmax −nS
RD
RD
nS
nE
qD =0
nS −nE
E
Cn
(
)
(
)
nS
SE
SE
nE =H
qD
Trong công thức (16),
là số gói mã hoá mà nút
đích D có thể đạt được từ nút chuyển tiếp R. Bởi vì,
- Trường hợp 3: nút chuyển tiếp R đạt được H gói mã hoá
trước nút đích D, trong khi nút đích vẫn chưa nhận đủ H
gói, và nút E đã nhận ít nhất H gói mã hoá từ nguồn S.
Do đó, xác suất mất bảo mật trong trường hợp này là:
0 qD mD
nên nút đích D sẽ không thể đạt đủ H gói
mã hoá.
Kết hợp các công thức (12), (14) và (16), tổng xác
suất dừng của mô hình CT được tính như sau:
IP = Pr H n N ,n = H,n H,n H .
(22)
(
)
3
S
max
R
D
E
OPCT = OP +OP +OP .
(17)
Từ công thức (22), ta có công thức (23) như sau:
1
2
3
B. IP của mô hình CT
H
nS −H
H −1
nS −1
Xác suất mất bảo mật của mô hình đề xuất CT sẽ
được tính trong bốn trường hợp như bên dưới:
C
(
)
(
)
SR
SR
Nmax −1
H -1
nD
nS −nD
nS −nE
Cn
.
D
nS
IP =
(
)
Nmax
(23)
- Trường hợp 1: nút nguồn S gửi tất cả
gói mã hoá
(
)
3
SD
SD
nS =H
nD =0
và nút nghe lén E có thể nhận ít nhất H gói mã hoá. Do
đó, xác suất mất bảo mật là:
nS
nR
Cn
E
(
)
(
)
nS
SE
SE
nE =H
IP = Pr n = N ,n H,n H,n H .
(18)
(
)
1
S
max
D
R
E
- Trường hợp 4: nút chuyển tiếp R đạt được H gói mã hoá
trước nút đích D, nút đích D và nút nghe lén E vẫn chưa
nhận đủ H gói mã hoá. Trong trường hợp này, để nút
chuyển tiếp R tiếp tục gửi các gói mã hoá đến đích D thì
Trong công thức (18), bất kể nút đích D có nhận đủ H
gói mã hoá hay không thì dữ liệu của nguồn cũng mất
n H
bảo mật bởi vì
. Trong trường hợp nút D hoặc nút
E
R nhận đủ H gói mã hoá thì gói mã hoá thứ H phải nhận
mD Nmax −n
S . Do đó, nút E tiếp tục nghe lén các gói mã
IP
ở lần truyền cuối cùng của nguồn S. Từ đó,
được tính
1
hoá từ nút R và đạt được đủ H gói sau khi sự truyền dữ
liệu giữa R và D kết thúc. Xác suất mất bảo mật trong
trường hợp này được viết dưới dạng sau:
chính xác như sau:
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
116
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN CỘNG TÁC SỬ DỤNG MÃ
FOUNTAIN
chữ. Do đó, các công thức đạt được có thể được sử dụng
cho tất cả các giá trị khác nhau của các tham số hệ thống
trong thực tế.
H n Nmax ,nR = H,
S
IP = Pr
.
(24)
4
mD Nmax −nS, pE H,nE H
Hình 2 vẽ xác suất dừng (OP) và xác suất mất bảo
pE
Trong công thức (24),
nhận được từ nguồn S. Tiếp đến, ta tính chính xác
như trong công thức (25) ở đầu trang kế tiếp. Trong công
tR
là số gói mã hoá mà nút E
mật (IP) theo tỷ số SNR phát (dB) = P /2 với
IP4
T
0
Nmax = 6 S = 0.1
xR = 0.5.
,
,
và
Quan sát từ
H =4
thức này,
là số lần truyền gói dữ liệu của nút R.
Hình 2, ta thấy mô hình CT đạt được giá trị OP và IP
thấp hơn mô hình DT. Có nghĩa rằng mô hình chuyển
tiếp cộng tác đạt được hiệu quả bảo mật và độ tin cậy của
việc truyền dữ liệu tốt hơn mô hình truyền trực tiếp. Hình
Từ các công thức (19), (21), (23) và (25), xác suất
mất bảo mật của mô hình CT được đưa ra như sau:
2 cũng cho thấy rằng khi tăng
hình đều giảm, tuy nhiên IP lại tăng. Bởi vì khi tăng
thì OP của cả hai mô
IPCT = IP +IP + IP + IP .
(26)
1
2
3
4
P
thì công suất phát
cũng tăng, dẫn đến SNR đạt được
T
C. OP và IP của mô hình DT
tại nút chuyển tiếp, nút đích và nút nghe lén đều tăng. Do
đó, OP của hệ thống giảm nhưng IP của hệ thống lại tăng.
Đề thấy được ưu điểm của mô hình CT, ta xét ví dụ sau:
trong mô hình DT, để đạt được OP < 0.2 thì 17.5dB,
và giá trị IP ở mức gần 0.5. Tuy nhiên, để đạt được OP <
Trong mô hình DT, nút nguồn S sẽ gửi tất cả các gói
mã hoá đến đích D mà không cần sự trợ giúp của nút
chuyển tiếp. Cũng vậy, một khi nút đích D nhận đủ H gói
mã hoá thì nguồn S sẽ dừng việc truyền dữ liệu. Tương tự
với các phân tích ở trên, xác suất dừng của mô hình DT
được tính chính xác như sau:
0.2, thì mô hình CT chỉ cần
0.38. Do đó, công suất phát
dB, và IP vào khoảng
cần được hiệu chỉnh để có
14
T
P
H −1
nD
Nmax −nD
thể đạt được OP mong muốn, cũng như giảm giá trị IP
xuống mức thấp nhất có thể.
D
Nmax
OPDT
=
Cn
.
(27)
(
)
(
)
SD
SD
nD =0
Hình 3 và 4 lần lượt thể hiện xác suất dừng (OP) và
xác suất mất bảo mật (IP) của mô hình CT và DT theo
Đối với xác suất mất bảo mật, ta xét hai trường hơp:
Nmax
truyền của nguồn nhưng nút nghe lén E đã nhận ít nhất H
gói; ii) nút đích D nhận đủ H gói và nút nghe lén E cũng
đã nhận ít nhất H gói. Do đó, ta có thể biểu diễn xác suất
mất bảo mật trong mô hình DT như sau:
i) nút đích D không thể nhận đủ H gói sau
lần
Nmax
với
(dB),
và S = 0.25 . Quan sát từ
H =4
=20
N
Hình 3, ta thấy rằng khi tăng giá trị max , xác suất dừng
Nmax
của hai mô hình CT và DT đều giảm. Đó là vì với
lớn, thì xác suất nút đích tích luỹ đủ H gói mã hoá sẽ tăng
lên, và vì vậy, xác suất dừng tại D sẽ giảm. Hình 3 cũng
cho ta thấy OP của mô hình CT giảm nhanh hơn mô hình
IPDT = Pr n = N ,n <H,n H
(
)
)
S
max
D
E
(28)
+Pr n N ,n =H,n H .
(
Nmax
DT khi giá trị
tăng. Cũng quan sát từ Hình 3, khi
S
max
D
E
N
tăng max , OP của mô hình CT giảm nhanh hơn OP của
Từ công thức (28), ta có:
mô hình DT. Hơn nữa, ta cũng quan sát được rằng vị trí
của nút chuyển tiếp cũng ảnh hưởng đáng kể đến giá trị
OP của mô hình CT. Như ta có thể thấy, OP của mô hình
CT có giá trị lớn khi đặt nút chuyển tiếp ở vị trí
xR = 0.3. Mặt khác, trong trường hợp xR = 0.5 và
xR = 0.7 , các giá trị OP tại đích D chênh lệch không
nhiều.
H −1
nD
Nmax −nD
Cn
D
Nmax
IPDT
=
(
)
(
)
SD
SD
nD =0
Nmax
nE
Nmax −nE
(
)
(
(
)
SE
SE
nE =H
(29)
Nmax
H
nS −H
+
CH −1
)
(
)
nS −1
SD
SD
nS =H
Đối với giá trị IP trong Hình 4, ta cũng thấy rằng giá
nS
Nmax
trị này tăng khi
tăng. Như đã giải thích ở trên, giá
tăng sẽ làm tăng xác suất nút nghe lén nhận đủ
số gói mã hoá, và do đó, xác suất mất bảo mật cũng tăng.
Nmax
nE
nS −nE
Cn
.
E
nS
(
)
(
)
SE
SE
Nmax
trị
nE =H
Hơn nữa,
càng lớn thì thời gian trễ cũng sẽ tăng. Ta
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT
cũng thấy từ Hình 4 rằng, vị trí của nút chuyển tiếp cũng
ảnh hưởng đến khả năng nghe lén của nút E. Ví dụ: khi
Trong mục này, mô phỏng Monte Carlo được thực
hiện để kiểm chứng các công thức đã đưa ra trong mục
III. Môi trường mô phỏng là mặt phẳng hai chiều Oxy,
Nmax = 5
x = 0.3
, tuy nhiên khi
, IP thấp nhất khi
R
S 0,0
trong đó các nút được đặt ở các vị trí sau:
R x ,0 D 1,0 T 0.5,1.5 U 0.5,0.75
, với
,
(
)
Nmax = 7
thì IP thấp nhất khi xR = 0.7 . Hình 4 cũng cho
ta thấy IP của mô hình CT có thể đạt giá trị thấp hơn khi
so sánh với mô hình DT. Mặc dù, giá trị IP biến thiên
theo sự thay đổi của xR và
lệch hiệu năng giữa mô hình CT và DT là không quá lớn.
,
,
và
(
)
(
)
(
)
(
)
R
0 xR 1 . Trong các kết quả mô phỏng (Sim:
Nmax
, tuy nhiên sự chênh
Simulation) và lý thuyết (The: Theory), để tập trung phân
tích xu hướng hiệu năng của các mô hình nghiên cứu,
một số tham số hệ thống được cố định như sau:
=1 và OP = 0.05. Ta cũng lưu ý rằng, các
= 3,
P
biểu thức đạt được trong bài báo được đưa ra dưới dạng
tường minh và được biểu diễn bằng các công thức dạng
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
117
Nguyễn Văn Hiền, Trần Trung Duy, Trần Đình Thuần
H
nS −H
H −1
nS −1
C
(
)
(
)
SR
SR
Nmax −nS
pE
H −mD
nS − pE
nS −H +mD
Cn
(
CH −m
S
pE
D
(
)
(
)
(
)
(
)
SE
SE
nS
SD
SD
−1
mD =1
Nmax −1 Nmax
IP =
.
D −1
m
H −1
(25)
4
qD
nE − pE
Nmax −nS −qD
Nmax −nS −nE + pE
E − pE
max −nS
Cq
CNn
D
nE =H nS =H
)
(
)
(
)
(
)
Nmax −nS
RD
RD
RE
RD
=0
qD =0
pE
Nmax −nS
mD
nE − pE
tR −mD
)
tR −nE + pE
D −1
R −1
E − pE
Ctm
Ctn
+
(
(
)
(
)
(
)
RD
RD
RE
RD
R
tR =mD
Hình 6 cũng cho ta thấy rằng vị trí nút R ảnh hưởng
đến khả năng nghe lén của nút E trong mô hình CT. Với
Nmax =10 , ta quan sát rằng sự biến thiên của IP theo xR
là khá phức tạp. Mặc khác, khi Nmax = 6 , IP của mô hình
CT luôn tăng khi xR tăng từ 0.1 lên 0.9.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
OP (DT,Sim)
IP (DT,Sim)
OP (DT,The)
IP (DT,The)
OP (CT,Sim)
IP (CT,Sim)
OP (CT,The)
IP (CT,The)
100
10-1
10-2
DT-Sim(N
CT-Sim(N
DT-Sim(N
CT-Sim(N
=6)
10
15
20
25
30
max
max
max
max
10-3
(dB)
=6)
=10)
=10)
Nmax = 6
Hì nh 2. OP và IP vẽ theo
(dB) với
,
,
H = 4
10-4
0.1
DT-The
CT-The
= 0.1
xR = 0.5.
và
S
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
xR
100
xR
Hình 5. OP vẽ theo
với
(dB),
và
= 20
H = 5
.
S = 0.1
0.55
0.5
10-1
10-2
10-3
DT-Sim
DT-The
DT-Sim(N
CT-Sim(N
DT-Sim(N
CT-Sim(N
=6)
=6)
max
max
max
max
0.45
0.4
CT-Sim (x =0.3)
R
=10)
=10)
CT-Sim (x =0.5)
R
CT-Sim (x =0.7)
R
DT-The
CT-The
CT-The
0.35
0.3
4
5
6
8
9
10
Nm7 ax
Nmax
Hình 3. OP vẽ theo
với = 20 (dB),
và
H = 4
.
S = 0.25
0.25
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
xR
Hình 5 và 6 khảo sát sự ảnh hưởng vị trí nút chuyển
tiếp lên các giá trị OP và IP của mô hình CT khi =20
(dB), H =5 và S = 0.1. Hình 5 cho ta thấy rằng vị trí
nút R ảnh hưởng đáng kể lên giá trị OP của mô hình CT,
và xác suất dừng của mô hình CT luôn thấp hơn mô hình
DT. Như ta quan sát, tồn tại vị trí của nút R để OP trong
mô hình CT đạt giá trị nhỏ nhất. Ví dụ: khi Nmax =10 thì
xR
Hình 6. IP vẽ theo
với = 20 (dB), H = 5 và
S = 0.1
.
Những Hình 2-6 cho ta thấy kết quả mô phỏng và lý
thuyết trùng với nhau, điều này kiểm chứng tính chính
xác của các kết quả phân tích.
vị trí tối ưu của nút R trong Hình 5 là xR = 0.7.
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
118
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN CỘNG TÁC SỬ DỤNG MÃ
FOUNTAIN
Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 3, pp. 1875-1888,
Mar. 2010.
V. KẾT LUẬN
Bài báo đề xuất mô hình chuyển tiếp công tác để nâng
[13] S. Jia, J. Zhang, H. Zhao, R. Zhang, “Relay Selection for
cao độ tin cậy và khả năng bảo mật của mạng thứ cấp, sử
dụng mã Fountain, khi so sánh với mô hình truyền trực
tiếp giữa nguồn và đích. Các kết quả cũng cho thấy rằng
có một sự đánh đổi giữa bảo mật thông tin và độ tin cậy
của việc truyền tin. Do đó, trong quá trình thiết kế hệ
thống, các tham số quan trọng như công suất phát, số lần
truyền gói mã hoá tối đa hay vị trí nút chuyển tiếp cần
được thiết kế một cách tối ưu.
Improved Security in Cognitive Relay Networks with Jamming,”
IEEE Wireless Communications Letters, vol. 6, no. 5, pp. 662-
665, Oct. 2017.
[14] X. Ding, T. Song, Y. Zou, X. Chen, L. Hanzo, "Security-
Reliability Tradeoff Analysis of Artificial Noise Aided Two-Way
Opportunistic Relay Selection," IEEE Transactions on Vehicular
Technology, vol. 66, no. 5, pp. 3930-3941, May 2017.
[15] X. Ding, Y. Zou, F. Ding, D. Zhang, G. Zhang, "Opportunistic
Relaying Against Eavesdropping for Internet-of-Things:
A
Security-Reliability Tradeoff Perspective," IEEE Internet of
Things Journal, vol. 6, no. 5, pp. 8727-8738, Oct. 2019.
Trong tương lai, chúng tôi sẽ phát triển mô hình đề
xuất theo hướng nhiều nút chuyển tiếp cộng tác, cũng
như đề xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp
hiệu quả để nâng cao hơn nữa hiệu năng OP của hệ
thống. Ngoài ta, kỹ thuật tạo nhiễu lên thiết bị nghe lén
cũng sẽ được nghiên cứu áp dụng để bảo vệ tốt hơn dữ
liệu nguồn.
[16] J. Mitola, G. Q. Maguire, “Cognitive Radio: Making Software
Radios More Personal,” IEEE Personal Communications, vol. 6,
no. 4, pp. 13-18, Aug. 1999.
[17] J. Hong, B. Hong, T. W. Ban, W. Choi, "On the Cooperative
Diversity Gain in Underlay Cognitive Radio Systems," IEEE
Transactions on Communications, vol. 60, no. 1, pp. 209-219, Jan.
2012.
[18] C. Xu, M. Zheng, W. Liang, H. Yu, Y. Liang, "Outage
Performance of Underlay Multihop Cognitive Relay Networks
With Energy Harvesting," IEEE Communications Letters, vol. 20,
no. 6, pp. 1148-1151, Jun. 2016.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học Viện Công
Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Cơ Sở Thành Phố Hồ Chí
Minh với mã số đề tài 05-HV-2020-RD_VT2.
[19] V. N. Q. Bao, T. Q. Duong, C. Tellambura, "On the Performance
of Cognitive Underlay Multihop Networks with Imperfect
Channel
State
Information,"
IEEE
Transactions
on
Communications, vol. 61, no. 12, pp. 4864-4873, Dec. 2013.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[20] P. T. D. Ngoc, T. T. Duy, H. V. Khuong, "Outage Performance of
Cooperative Cognitive Radio Networks under Joint Constraints of
Co-Channel Interference, Intercept Probability and Hardware
Imperfection," EAI Transactions on Industrial Networks and
Intelligent Systems, vol. 6, no. 19, pp. 1-8, Jun. 2019.
[1] A. D. Wyner, “The Wire-Tap Channel,” The Bell System
Technical Journal vol. 54, no. 8, pp. 1355–1387, Oct. 1975.
[2] R. Liu, I. Maric, P. Spasojevic, R. D. Yates, "Discrete
Memoryless Interference and Broadcast Channels With
Confidential Messages: Secrecy Rate Regions," IEEE
Transactions on Information Theory, vol. 54, no. 6, pp. 2493-
2507, Jun. 2008.
[21] M. Luby, "LT Codes," in Proc. of The 43rd Annual IEEE
Symposium on Foundations of Computer Science, 2002.
Proceedings., Vancouver, BC, 2002, pp. 271-280.
[22] A. Shokrollahi, "Raptor Codes," IEEE Transactions on
Information Theory, vol. 52, no. 6, pp. 2551-2567, Jun. 2006.
[3] J. Zhang, Trung Q. Duong, R. Woods, A. Marshall, “Securing
Wireless Communications of the Internet of Things From The
Physical Layer, An Overview,” Entropy, vol. 19, no. 8, (420) Aug.
2017.
[23] H. Niu, M. Iwai, K. Sezaki, L. Sun and Q. Du, "Exploiting
Fountain Codes for Secure Wireless Delivery," IEEE
Communications Letters, vol. 18, no. 5, pp. 777-780, May 2014.
[4] N. Yang, P. L. Yeoh, M. Elkashlan, R. Schober, I. B. Collings,
"Transmit Antenna Selection for Security Enhancement in MIMO
Wiretap Channels," IEEE Transactions on Communications, vol.
61, no. 1, pp. 144-154, Jan. 2013.
[24] W. Li, Q. Du, L. Sun, P. Ren, Y. Wang, "Security Enhanced via
Dynamic Fountain Code Design for Wireless Delivery," in Proc.
of 2016 IEEE Wireless Communications and Networking
Conference, Doha, 2016, pp. 1-6.
[5] N. Yang, H. A. Suraweera, I. B. Collings, C. Yuen, "Physical
Layer Security of TAS/MRC With Antenna Correlation," IEEE
Transactions on Information Forensics and Security, vol. 8, no. 1,
pp. 254-259, Jan. 2013.
[25] L. Sun, P. Ren, Q. Du, and Y. Wang, “Fountain-Coding Aided
Strategy for Secure Cooperative Transmission in Industrial
Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans. Industrial Inform., vol.
12, no. 1, pp. 291-300, Feb. 2016.
[6] H. Zhao, Y. Tan, G. Pan, Y. Chen, N. Yang, "Secrecy Outage on
Transmit Antenna Selection/Maximal Ratio Combining in MIMO
Cognitive Radio Networks," IEEE Transactions on Vehicular
Technology, vol. 65, no. 12, pp. 10236-10242, Dec. 2016.
[26] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh and V. N. Q. Bao, "Secrecy
Performance Evaluation of TAS Protocol Exploiting Fountain
Codes and Cooperative Jamming under Impact of Hardware
Impairments," in Proc. of the 2nd International Conference on
Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications &
Computing, pp. 164-169, HoChiMinh city, VietNam.
[7] J. N. Laneman, D. N. C. Tse and G. W. Wornell, "Cooperative
Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage
Behavior," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 50, no.
12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.
[27] P. T. Tin, N. N. Tan, N. Q. Sang, T. T. Duy, T. T. Phuong, M.
Voznak, "Rateless Codes based Secure Communication
Employing Transmit Antenna Selection and Harvest-To-Jam
under Joint Effect of Interference and Hardware Impairments,"
Entropy, vol. 21, no. 7, (700), Jul. 2019.
[8] C. Cai, Y. Cai, W. Yang, W. Yang, "Secure Connectivity Using
Randomize-and-Forward Strategy in Cooperative Wireless
Networks," IEEE Communications Letters, vol. 17, no. 7, pp.
1340-1343, Jul. 2013.
[28] D. T. Hung, T. T. Duy, T. T. Phuong, D. Q. Trinh, T. Hanh,
"Performance Comparison between Fountain Codes-Based Secure
MIMO Protocols with and without Using Non-Orthogonal
Multiple Access," Entropy, vol. 21, no. 10, (928), Oct. 2019.
[9] P. N. Son, H. Y. Kong, "Cooperative Communication With
Energy-Harvesting Relays Under Physical Layer Security," IET
Communications, vol. 9, no. 17, pp. 2131-2139, Nov. 2015.
[10] T. T. Duy, T. Q. Duong, T. L. Thanh, V. N. Q. Bao, "Secrecy
Performance Analysis with Relay Selection Methods under Impact
of Co-channel Interference," IET Communications, vol. 9, no. 11,
pp. 1427-1435, Jul. 2015.
[29] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, "Nghiên Cứu Hiệu Năng
Truyền Bảo Mật Sử Dụng Mã Fountain Trong Mạng Vô Tuyến
Nhận Thức Dưới Sự Tác Động Của Khiếm Khuyết Phần Cứng,"
Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và Công Nghệ Quân Sự, số 59,
pp. 58-69, 02/2019.
[11] L. Fan, X. Lei, N. Yang, T. Q. Duong, G. K. Karagiannidis,
"Secure Multiple Amplify-and-Forward Relaying With Cochannel
Interference," IEEE Journal of Selected Topics in Signal
Processing, vol. 10, no. 8, pp. 1494-1505, Dec. 2016.
[12] L. Dong, Z. Han, A. P. Petropulu, H. V. Poor, “Improving
Wireless Physical Layer Security via Cooperating Relays,” IEEE
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
119
Nguyễn Văn Hiền, Trần Trung Duy, Trần Đình Thuần
PERFORMANCE EVALUATION OF SECURE
COOPERATIVE COMMUNICATION PROTOCOL
IN UNDERLAY COGNITIVE RADIO NETWORKS
USING FOUNTAIN CODES
Trần Trung Duy nhận bằng
tiến Sỹ vào năm 2013 tại Đại Học
Ulsan, Hàn Quốc. TS. Trần
Trung Duy hiện đang công tác tại
Khoa Viễn Thông 2, thuộc Học
Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông cơ sở tại TP. Hồ Chí
Minh. Hướng nghiên cứu hiện
tại: truyền thông vô tuyến.
Abstract: In this paper, we evaluate performance of a
secure cooperative communication protocol in underlay
cognitive radio network using Fountain codes. In the
proposed protocol, a secondary source and a secondary
relay have to adjust their transmit power to guarantee
quality of service of a primary network. Employing
Fountain codes, the source sends encoded packets to the
relay and destination. If the destination can receive a
sufficient number of the encoded packets, it will recover
the source data correctly. Moreover, if the relay can
obtain enough number of the encoded packet before the
destination, it (instead of the source) will send the
encoded packets to the destination. In the secondary
network, an eavesdropper attempts to decode the source
data illegally. Also, if the eavesdropper obtains enough
number of the encoded packets, the data transmission is
insecure. For performance evaluation, we focus on two
important metrics: i) OP (Outage Probability) is
probability that the destination cannot receive enough
number of the encoded packets for the data recovery; ii)
IP (Insecure Probability) is probability that the source
data is intercepted by the eavesdropper or the probability
that the eavesdropper can accumulate encoded packets
sufficiently. We derive exact closed-form expressions of
OP and IP for the secondary network over Rayleigh
fading channel, under impact of co-channel interference
from the primary network. All the derived formulas are
verified by computer simulations using Monte Carlo
method. The obtained results present that there is a trade-
off between OP and IP. In addition, the proposed protocol
can obtain better OP and IP performance as compared
with the direct transmission protocol that does not
employ cooperative communication.
Email:
Trần Đình Thuần nhận bằng
Thạc Sỹ vào năm 1998 tại ĐH
Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam.
Th.S. Trần Đình Thuần hiện
đang công tác tại Khoa Viễn
Thông 2, thuộc Học Viện Công
Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ
sở tại TP. Hồ Chí Minh. Hướng
nghiên cứu hiện tại: IoT và mạng
má y tí nh.
Email:
Keywords: Fountain codes, underlay cognitive radio,
physical-layer security, outage probability, intercept
probability, cooperative communication.
Nguyễn Văn Hiền nhận bằng Kỹ Sư
vào năm 2004 tại Học Viện Công
Nghệ BCVT cơ sở tahi Tp. HCM. KS.
Nguyễn Văn Hiền hiện đang công tác
tại Khoa Viễn Thông 2, thuộc Học Viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ
sở tại TP. Hồ Chí Minh. Hướng nghiên
cứu hiện tại: IoT, mạng máy tính và
truyền thông vô tuyến.
Email:[email protected]n
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
120
9 trang
11280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu hiệu năng bảo mật mạng vô tuyến nhận thức dạng nền cộng tác sử dụng mã Fountain", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_hieu_nang_bao_mat_mang_vo_tuyen_nhan_thuc_dang_ne.pdf
