Nghiên cứu hiệu năng bảo mật lớp vật lý cho mạng chuyển tiếp lai ghép vệ tinh - mặt đất dưới sự tác động của nhiễu đồng kênh và nhiễu phần cứng

Download

Đặng Thế Hùng, Lê Chu Khẩn, Nguyễn Văn Toàn, Đỗ Quốc Trinh

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP

VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI

GHÉ P VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI SỰ TÁ C

ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ

NHIỄU PHẦN CỨNG

Đặng Thế Hùng^*, Lê Chu Khẩn⁺, Nguyễn Văn Toàn^#, Đỗ Quốc Trinh^*

^*Học Viện Kỹ Thuật Quâ n Sự

⁺Học Viện Cô ng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở tại TP. Hồ Chí Minh

^#Đại Học Thô ng Tin Liên Lạc, Thành Phố Nha Trang

vệ tinh, một trạm mặt đất (terrestrial station) có thể liên

lạc với bất cứ trạm mặt đất nào khác thông qua các vệ

tinh được phóng lên quỹ đạo. Do đó, vệ tinh đóng vai trò

như thiết bị chuyển tiếp cho các trạm dưới mặt đất.

Trong công trình [2], các tác giả đánh giá xác suất dừng

(OP: Outage Probability) cho mạng truyền thông giữa hai

trạm mặt đất thông qua vệ tinh. Với sự xuất hiện của

LOS (Line of Sight), độ lợi kênh truyền giữa các trạm

mặt đất và vệ tinh được mô tả bằng các biến ngẫu nhiên

có phân phối Shadowed-Rician [2]. Hơn nữa, các tác giả

trong tài liệu [2] cũng quan tâm đến sự ảnh hưởng của

nhiễu gây ra bởi khiếm khuyết phần cứng (HIs: Hardware

Impairments). Như đã đề cập và phân tích trong các công

bố [2]-[4], nhiễu pha, sự mất cân bằng I/Q, bộ khuếch đại

không tuyến tính, v.v., gây ra HIs và làm suy giảm đáng

kể hiệu năng của hệ thống. Trong công trình [5], nhóm

tác giả nghiên cứu và phân tích hiệu năng của mạng

chuyển tiếp lai ghép vệ tinh-mặt đất (HSTRN: Hybrid

Satellite-Terrestrial Relay Network). Trong mạng

HSTRN, bởi vì các thiết bị đầu cuối không thể trực tiếp

nhận dữ liệu từ vệ tinh (do bị che khuất), nên các trạm

mặt đất được triển khai để làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ

liệu từ vệ tinh đến các thiết bị này. Tương tự như [2],

công trình [5] cũng nghiên cứu sự tác động của HIs lên

hiệu năng OP của mạng HSTRN. Hơn nữa, trong tài liệu

[5], một hoặc nhiều trạm mặt đất được chọn để chuyển

tiếp dữ liệu từ vệ tinh đến người dùng. Tương tự [5], mô

hình HSTRN kết hợp với kỹ thuật chọn lựa trạm mặt đất

được đề xuất trong công trình [6] để nâng cao hiệu năng

OP của mạng. Điểm mới của công trình [6] đó là nhóm

tác giả khảo sát sự ảnh hưởng của việc thông tin trạng

thái kênh truyền đã thay đổi (outdated channel state

information (CSI)) trong tiến trình chọn lựa trạm chuyển

tiếp mặt đất tốt nhất, cũng như đề xuất áp dụng kỹ thuật

kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC: Maximal Ratio Combining)

cho các trạm mặt đất được trang bị nhiều ănten.

Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu mạng chuyển tiếp lai

ghép vệ tinh-mặt đất với sự xuất hiện của một thiết bị

nghe lén. Trong mô hình nghiên cứu, dữ liệu từ vệ tinh sẽ

được gửi xuống các trạm mặt đất, và một trong các trạm

mặt đất sẽ làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu này đến một

nhóm các người dùng hợp pháp. Thiết bị nghe lén được

đặt ở vị trí thích hợp để có thể nghe lén trực tiếp từ vệ

tinh hoặc nghe lén từ trạm chuyển tiếp mặt đất được

chọn. Để có thể bảo mật dữ liệu, bài báo đề xuất triển

khai các trạm tạo nhiễu nhân tạo gần các trạm mặt đất và

gần những người dùng hợp pháp để tạo nhiễu lên thiết bị

nghe lén. Mặt khác, các trạm tạo nhiễu này có thể phối

hợp với các trạm mặt đất và những người dùng hợp pháp

để khử giao thoa do chúng tạo ra. Hơn thế nữa, nhiễu gây

ra do khiếm khuyết phần cứng tại những người dùng hợp

pháp, và giao thoa đồng kênh do quá trình tái sử dụng tần

số cũng được xem xét khi đánh giá và phân tích hiệu

năng của mô hình. Cụ thể, bài báo đưa ra các công thức

toán học đánh giá chính xác xác suất dừng tại những

người dùng hợp pháp, và xác suất giải mã thành công dữ

liệu (xác suất chặn) tại thiết bị nghe lén. Cuối cùng, các

kết quả sẽ được thể hiện để thấy được những xu hướng

hiệu năng của mô hình nghiên cứu, cũng như sự tác động

của các thông số hiệu năng.

Từ khóa: Mạng chuyển tiếp lai ghép vệ tinh-mặt đất,

bảo mật lớp vật lý, khiếm khuyết phần cứng, giao thoa

đồng kênh, xác suất dừng, xác suất chặn.

I. GIỚI THIỆU

¹Thông tin vệ tinh hay truyền thông vệ tinh (satellite

communications) [1] đang nhận được nhiều sự quan tâm

của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Sự phát

triển của thông tin vệ tinh mang lại nhiều lợi ích trong

đời sống xã hội hiện nay như thương mại, y tế, giáo dục,

giao thông, v.v. Bởi khả năng cung cấp đa dạng các dịch

vụ, khả năng kết nối nhanh chóng, ổn định với tốc độ

cao, thông tin vệ tinh đang trở thành một lĩnh vực đầy

tiềm năng trong hiện tại và tương lai gần. Trong thông tin

Do tính chất quảng bá của kênh thông tin, bảo mật là

vấn đề then chốt trong thông tin vệ tinh nói riêng và trong

truyền thông vô tuyến nói chung. Gần đây, kỹ thuật bảo

mật lớp vật lý (PLS: Physical-Layer Security) [7]-[8]

đang trở thành một chủ đề “nóng” bởi sự đơn giản nhưng

hiệu quả trong bảo mật thông tin. Kỹ thuật PLS sử dụng

các yếu tố của kênh vật lý như khoảng cách, chất lượng

Tác giả liên hệ: Đặng Thế Hùng

Email: danghung8384@gmail.com

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

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI GHÉP VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI

SỰ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ NHIỄU PHẦN CỨNG

kênh truyền, giao thoa và nhiễu để bảo mật dữ liệu.

Trong công trình [8], kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo

(cooperative jamming (CJ) technique) được thực hiện để

làm giảm tỷ số SNR (Signal-to-Noise Ratio) đạt được tại

các nút nghe lén. Trong kỹ thuật CJ [8]-[9], các nút tạo

nhiễu (jammer) sẽ được sử dụng để phát nhiễu lên các nút

nghe lén, và mặt khác, chúng sẽ hợp tác với các thiết bị

thu hợp pháp để khử giao thoa gây ra. Do đó, kỹ thuật CJ

sẽ làm giảm đáng kể chất lượng kênh nghe lén, trong khi

vẫn giữ nguyên chất lượng của kênh dữ liệu. Để đánh giá

hiệu năng bảo mật của các kỹ thuật PLS, dung lượng bảo

mật (Secrecy Capacity) [8]-[9] thường được sử dụng.

Dung lượng bảo mật là một đại lượng không âm và được

tính bằng hiệu giữa dung lượng kênh dữ liệu và dung

lượng kênh nghe lén. Khác với [8]-[9], các tài liệu [10]-

[11] đánh giá sự đánh đổi giữa bảo mật và độ tin cậy của

việc truyền dữ liệu thông qua đại lượng xác suất chặn (IP:

Intercept Probability) của kênh nghe lén và xác suất dừng

OP của kênh dữ liệu.

các người dùng, sử dụng kỹ thuật DF. Để bảo mật thông

tin khi có sự xuất hiện của trạm nghe lén dưới mặt đất,

bài báo đề xuất áp dụng kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo CJ.

Cụ thể, các trạm tạo nhiễu sẽ được triển khai để đảm bảo

sự truyền dữ liệu an toàn giữa vệ tinh và các trạm mặt

đất, và giữa trạm mặt đất được chọn và những người

dùng hợp pháp. Những điểm mới, điểm khác biệt so với

các công trình hiện có, và những đóng góp chính của bài

báo sẽ được tóm tắt như bên dưới:

- Điểm khác biệt đầu tiên khi so sánh với các công

trình liên quan [15]-[18], đó là bài báo này đề xuất

kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo để bảo vệ thông tin

nhận được tại các trạm mặt đất và những người

dùng hợp pháp. Điểm mới tiếp theo trong mô hình

đề xuất là mô hình quảng bá đa người dùng, trong

đó vệ tinh gửi dữ liệu đồng thời đến một nhóm

người dùng mong muốn. Thật vậy, mô hình đề xuất

này khác với mô hình chọn lựa người dùng tốt nhất

để truyền dữ liệu trong các tài liệu [16]-[17].

Vấn đề bảo mật thông tin trong truyền thông vệ tinh-

mặt đất cũng đang là chủ đề mới. Trong tài liệu [12],

nhóm tác giả nghiên cứu quá trình truyền dữ liệu giữa

một vệ tinh và một trạm mặt đất, với sự xuất hiện của

một nhóm các thiết bị nghe lén. Để đánh giá hiệu năng

bảo mật, nhóm tác giả trong [12] đã phân tích xác suất

dung lượng bảo mật khác không (Probability of Non-zero

Secrecy Capacity) cho mô hình. Công trình [13] nghiên

cứu mô hình PLS cho truyền thông vệ tinh-mặt đất với

nhiều trạm thu mặt đất và nhiều trạm nghe lén. Các tác

giả trong [13] đã đề xuất mô hình cộng tác cho các trạm

thu mặt đất nhằm nâng cao độ tin cậy của việc nhận dữ

liệu từ vệ tinh. Mặt khác, tài liệu [13] cũng xem xét hai

mô hình nghe lén phổ biến trong PLS, đó là mô hình các

nút nghe lén độc lập (non-colluding scheme), và mô hình

nghe lén cộng tác (colluding scheme). Khác với [12]-

[13], công trình [14] khảo sát mô hình truyền vệ tinh-mặt

đất ngẫu nhiên, trong đó người dùng hợp pháp và người

nghe lén xuất hiện ngẫu nhiên trong vùng phủ của vệ

tinh. Trong tài liệu [15], các tác giả nghiên cứu hiệu năng

bảo mật của mạng HSTRN với sự xuất hiện của nhiều

người nghe lén. Cụ thể hơn, trạm mặt đất trong [15] sẽ

chuyển tiếp dữ liệu từ vệ tinh đến người dùng sử dụng kỹ

thuật giải mã chuyển tiếp (DF: Decode and Forward)

hoặc khuếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward).

Mô hình của công trình [15] được phát triển thành mô

hình với nhiều người dùng và nhiều người nghe lén được

đề xuất trong công trình [16]. Nhóm tác giả của công

trình [16] cũng đã đưa ra mô hình chuyển tiếp AF và kỹ

thuật chọn lựa người dùng hợp pháp tốt nhất. Tổng quát

hơn các công trình [15] và [16], tài liệu [17] nghiên cứu

mô hình HSTRN với nhiều trạm chuyển tiếp mặt đất,

nhiều nút thu hợp pháp và nhiều nút nghe lén. Hơn thế

nữa, các tác giả của [17] đề xuất các giao thức chọn lựa

trạm chuyển tiếp và người dùng tối ưu, đồng thời cũng

khảo sát cả mô hình nghe lén độc lập và nghe lén hợp tác.

Trong mô hình HSTRN được nghiên cứu trong công trình

[18], nút nghe lén có thể nghe lén thông tin trực tiếp từ vệ

tinh và từ các trạm chuyển tiếp mặt đất. Do đó, để giảm

xác suất dừng bảo mật, các tác giả của [18] đã đưa ra các

giải pháp chọn lựa nút chuyển tiếp hiệu quả để nâng cao

chất lượng cho kênh dữ liệu.

- Bài báo nghiên cứu mô hình thực tế khi phần cứng

tại những người dùng hợp pháp là không hoàn hảo.

Hơn nữa, giao thoa đồng kênh (CI: Co-channel

Interference) do quá trình tái sử dụng tần số dưới

mặt đất cũng được xem xét khi đánh giá hiệu năng

OP và IP của mô hình. Đây cũng là những điểm

mới của bài báo khi so sánh với các công trình liên

quan [15]-[18].

- Bên cạnh việc đề xuất mô hình mới, đóng góp quan

trọng khác của công trình này là đưa ra các biểu

thức toán học đánh giá chính xác OP cho kênh dữ

liệu và IP cho kênh nghe lén. Các công thức đưa ra

đều ở dạng tường minh (closed form) nên có thể

được sử dụng hiệu quả trong quá trình phân tích và

tối ưu hệ thống.

- Các kết quả được đưa ra để cho thấy những ưu điểm

nổi bật của mô hình đề xuất, cũng như cho thấy

được xu hướng các hiệu năng theo sự thay đổi của

các thông số hệ thống.

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong

phần II, nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống

nghiên cứu sẽ được trình bày. Trong phần III, bài báo

đánh giá các thông số hiệu năng OP và IP bằng các biểu

thức toán học. Phần IV cung cấp các kết quả phân tích lý

thuyết. Cuối cùng, các kết luận và hướng phát triển được

đưa ra trong phần V.

II. MÔ HÌ NH HỆ THỐNG

Hình 1 mô tả mô hình mạng HSTRN được nghiên

cứu trong bài báo. Trong mô hình này, vệ tinh S đóng vai

trò là nút nguồn muốn gửi dữ liệu đến

nút đích, ký

D₁

D_M,

₂, …, với

hiệu là

. Do bị che khuất,

M 1

các nút đích này không thể nhận trực tiếp dữ liệu từ vệ

tinh, và do đó, các trạm chuyển tiếp mặt đất sẽ chuyển

tiếp dữ liệu từ vệ tinh đến các đích. Như trong Hình 1, ta

R₁R₂

, …,

giả sử có

trạm mặt đất, ký hiệu là

K 1

R_K,

(

)

, sẽ thu dữ liệu từ vệ tinh S, rồi tiến hành gửi

dữ liệu đến các nút đích, theo phương pháp giải mã và

chuyển tiếp (DF). Trong mạng, xuất hiện một nút nghe

lén E; nút này đang cố gắng nghe lén dữ liệu của vệ tinh

gửi đến các nút đích. Nút E sẽ chọn vị trí thích hợp để

nghe lén dữ liệu trực tiếp từ vệ tinh và từ các trạm chuyển

Bài báo này nghiên cứu vấn đề PLS cho mạng

HSTRN, trong đó một trong những trạm mặt đất sẽ được

chọn để gửi dữ liệu quảng bá từ vệ tinh đến một nhóm

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

Đặng Thế Hùng, Lê Chu Khẩn, Nguyễn Văn Toàn, Đỗ Quốc Trinh

 ²

₀. Để đơn giản về mặt ký hiệu, ta sẽ dùng ký hiệu

cho phương sai của AWGN tại tất cả các thiết bị thu.

 ²

tiếp mặt đất. Để bảo mật dữ liệu theo kỹ thuật CJ, các

J₁

và ₂, sẽ lần

trạm tạo nhiễu nhân tạo, được ký hiệu là

lượt được triển khai gần các trạm chuyển tiếp mặt đất và

gần các nút đích. Ta cũng giả sử rằng các nút đích và nút

nghe lén chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh gây ra bởi

R_k

Từ công thức (1), tỷ số SNR đạt được tại

để giải

mã dữ liệu của vệ tinh S được viết ra như sau:

I₂, …, I_N, với

nguồn giao thoa được ký hiệu I₁,

P | h

S,R_k

N 1. Sự xuất hiện của các nguồn giao thoa là do việc sự

tái sử dụng tần số dưới mặt đất.

_R

= _SX_R,

(2)

₀²

_S= P /₀²

X_R=| h

là độ lợi kênh truyền.

với

và

S,R_k

Kênh dữ liệu

Kênh nghe lén

I₁

I_N

I_n

X_R

sẽ có phân phối

Kênh giao thoa

Tương tự [2], [18], độ lợi kênh

Shadowed-Rician, và hàm mật độ xác suất (PDF:

X_R

được viết như sau:

J₂

Probability Density Function) của

R_k

^m











2m_kb_k

f_Xx =

( )

exp −









2b_k2m_kb_k+_k

2b_k

D₁

D_M



R₁

D_m

(3)





_kx

2b 2m b +

R_K

 F m ;1;

₁



J₁



(

)





với _klà công suất trung bình của thành phần LOS trong

R_k

Hì nh 1. Mô hình bảo mật lớp vật lý trong HSTRN.

liên kết giữa S và

2b_klà công suất trung bình của

Bảng 1. Tóm tắt các ký hiệu toán học

thành phần đa đường (multi-path), m_klà tham số đặc

F .;.;.

Ký hiệu

Ý nghĩa

Số trạm mặt đất

Số người dùng hợp pháp

Số nguồn gây giao thoa

đồng kênh

trưng Nakagami của kênh truyền, và

là hàm

(

)

confluent hypergeometric [19]. Để thuận tiện cho việc ký

hiệu và phân tích, ta giả sử rằng các liên kết S−R_klà độc

lập và đồng đều, cụ thể: _k= _R, b_k= b_R,

m_k= m_Rvới

k

Công suất phát của nút

phát X

Phương sai của nhiễu

cộng

P X S,R,J ,J ,I





)

(

Bởi vì nút nghe lén E không thể loại bỏ giao thoa do

J₁

 ₀²

nút tạo nhiễu

gây ra nên tín hiệu nhận được tại E được

viết ra như sau:

Tỷ số SNR phát bằng

_XX S,R,J ,J

(

)

P /₀²

y_E= P h x+ P l_{J ,E}u₁+n_E,

(4)

S,E

J₁

Hệ số kênh giữa X và Y

h_X,Y,l_X,Y

J₁

với

là công suất phát của nút tạo nhiễu

_S,Elà hệ

J₁

X,Y S,R ,J ,J ,I ,E





)

(

J₁n_E

số kênh truyền giữa S và E,

là tín hiệu của

là

²

Mức suy hao phần cứng

AWGN tại E với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai

 ²

bằng

Xét sự truyền dữ liệu ở pha đầu tiên, trong đó vệ tinh

S gửi dữ liệu xuống các trạm mặt đất. Cùng lúc đó, nút E

Từ công thức (4), tỷ số SINR (SINR: Signal-to-

Interference-plus-Noise Ratio) đạt được tại E để giải mã

dữ liệu từ vệ tinh là:

J₁

nghe lén dữ liệu và trạm

phát nhiễu nhân tạo lên nút

R_kk =1,2,..., K

J₁

, nên

E. Bởi vì

ở gần các trạm

(

)

P | h

_SX_E

S,E

_E=

(5)

R_k

và

J₁

có thể phối hợp với nhau để loại bỏ giao thoa mà

P |l_{J ,E}|²+₀²_JZ_J+1

J₁

R_k

gây ra cho

(xem các tài liệu [8]-[10]). Do đó, tín

hiệu nhận được tại

như sau:

trong pha đầu tiên này được viết ra

_J= P /₀²,

Z_J=|l_{J ,E}|².

Tương

R_k

X_E=| h_S,E|

và

với

J₁

tự, độ lợi kênh X_Ecũng có phân phối Shadowed-Rician,

và hàm PDF của X_Eđược viết ra như sau:

y_R= P h x+n_R,

(1)

S,R_k

^m











với

giữa S và

là công suất phát của S,

là hệ số kênh truyền





2m_Eb_E

S,R_k

f_Xx =

exp −

( )



2b_E2m_Eb_E+_E

2b_E

n_R

R_k

là tín hiệu của S,

là nhiễu Gauss







(6)

trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise)

R_k





_Ex

 F m ;1;

₁





tại

với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng

2b 2m b +

(

)





SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI GHÉP VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI

SỰ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ NHIỄU PHẦN CỨNG

ta cũng giả sử không có nhiễu đồng kênh tác động lên các

trạm chuyển tiếp mặt đất cũng như nút nghe lén trong pha

đầu tiên, bởi không có sự tái sử dụng đối với các băng tần

sử dụng trong vệ tinh.

với _Elà công suất trung bình của thành phần LOS, 2b_E

là công suất trung bình của thành phần đa đường (multi-

path), m_Elà tham số đặc trưng Nakagami của kênh

truyền.

R_k

Xét pha thứ hai; giả sử rằng trạm

được chọn để

. Nút nghe

J₁

Đối với liên kết giữa

mô hình bằng kênh pha đinh Rayleigh. Do đó, độ lợi kênh

Z_J

và E, kênh truyền này được

D_mm =1,2,...,M

gửi dữ liệu đến các đích

lén E cũng sẽ cố gắng nghe lén và giải mã dữ liệu được

R_k

(

)

sẽ có phân phối mũ với hàm PDF như sau:

gửi đi từ trạm

. Dưới sự tác động của nhiễu phần cứng

và giao thoa đồng kênh từ các nguồn nhiễu

z =  exp − z ,

( )

(7)

D_m

tại đích

(

)

Z_J1

J₁,E

I n =1,2,..., N

viết ra như sau:

, tín hiệu nhận được tại đích _mđược

(

)



với

bằng nghịch đảo giá trị trung bình của

J₁,E

J₁

J₁,E

cũng được gọi là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên

Z_J

có phân phối mũ

z_D= P h_R

x + 

Pl_{I ,D}w_n+ n_D.

(9)

(

)



_k,D_m

D_m

n=1

R_k

Giả sử rằng, các thiết bị thu

và E sẽ giải mã

Trong công thức (9),

là công suất phát của trạm

thành công dữ liệu nếu tỷ số SNR (SINR) đạt được tại các

nút này lớn hơn một ngưỡng xác định trước, ký hiệu là

R_k

(giả sử tất cả các trạm chuyển tiếp mặt đất có công



R_k

_1,th. Ngược lại, nếu tỷ số SNR (SINR) tại

và E thấp

R_k

và E không thể giải mã thành

suất phát giống nhau), và

là công suất phát của các



hơn ngưỡng _1,ththì

I_n,D_m

nguồn nhiễu đồng kênh.

và

lần lượt là kênh

R_k,D_m

công dữ liệu.

R_k→ D_m

là AWGN tại

pha đinh Rayleigh của các liên kết

và

D_m

Sau quá trình giải mã dữ liệu, trong

sẽ có một số trạm giải mã thành công dữ liệu từ vệ tinh S,

và những trạm còn lại sẽ giải mã không thành công.

trạm mặt đất,

n_D

I_n

I_n→ D_mw_n

là tín hiệu của

 ²

_D

với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng

Không mất tính tổng quát, ta có thể giả sử rằng có trạm

là nhiễu gây ra do khiếm khuyết phần cứng tại _m. Như

R₁,R₂,...,R_v

giải mã thành công, đó là

giải mã không thành công là

0v K . Do đó, xác suất để xảy ra sự kiện số trạm giải

, và những trạm

đã được đề cập trong các công trình [3], [4], [10], [20],

R_v+1,R_v+2,...,R_K

, với

_D

cũng là một biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với

giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là

một hằng số mô tả mức khiếm khuyết phần cứng. Trong

trường hợp mà phần cứng là lý tưởng thì ²= 0



², với ²là

mã thành công bằng được viết ra như sau:



_1,th,...,_R_1,th,





R₁

Q = Pr









Từ công thức (9), tỷ số SINR đạt được tại nút đích

_1,th,..., _1,th

R_k+1

R_K

D_m

R_k

để giải mã dữ liệu nhận được từ

sẽ được viết ra



 



như sau:

Pr  _1,th



Pr  _1,th

(8)

(

)

(

)

__

_{ }

R_u



u=1

 ^u=v+1



P | h_R



^v



^K−v

_k,D_m



= 1−Pr   _1,th Pr   _1,th

R_k,D_m

(

)

(

)

R_u









²P | h_R

|²+ P |l

|²+₀²



_k,D_m

I_n,D_m

n=1

Ta xét trường hợp đặc biệt v = 0, tức là không có

R_k

(10)

_RY_D

trạm chuyển tiếp

nào có thể nhận được thành công dữ

²_RY_D

 T

liệu từ vệ tinh. Trong trường hợp này, sẽ không có bất cứ

trạm nào có thể chuyển tiếp dữ liệu đến các nút đích, và

hệ thống sẽ bị dừng trong trường hợp này. Ngược lại, với

v 1, thì một trong các trạm chuyển tiếp thành công sẽ

được chọn để chuyển tiếp dữ liệu từ vệ tinh đến các nút

đích (phương pháp chọn trạm chuyển tiếp tốt nhất để phục

vụ các nút đích sẽ được trình bày cụ thể trong pha thứ

hai).



I_n,D_m

n=1

_R= P /₀²,

_I= P /₀²,

Y_D=| h_{R ,D}|

với

=|l_{I ,D}|².

I_n,D_m

Ta cũng lưu ý rằng trong pha thứ hai này, nút tạo

J₂

nhiễu

cũng đang phát nhiễu lên nút nghe lén E. Tuy

Xét sự giải mã dữ liệu tại nút nghe lén E; nút này giải

mã thành công khi

J₂

_m, nên

nhiên, do

được đặt gần các nút đích

có thể phối hợp với nhau để loại bỏ giao thoa mà

gây ra [8]-[10].

Đối với các độ lợi kênh

và

J₂

 

; và không thành công khi

1,th

D_m

_E

_1,th. Khi mà E giải mã thành công, điều này cũng có

nghĩa là dữ liệu đã bị mất bảo mật.

I_n,D_m

và

, chúng đều có

D_m

Trước khi mô tả việc truyền nhận dữ liệu trong pha

2, chúng ta có một số lưu ý sau: đầu tiên, bởi vì các thiết

bị như vệ tinh, các trạm mặt đất và nút nghe lén thường

được trang bị với các phần cứng đắt tiền, do đó, ta có thể

giả sử rằng nhiễu gây ra do khiếm khuyết tại các thiết bị

này là rất nhỏ và có thể bỏ qua (xem tài liệu [20]). Kế tiếp,

Y_Dm

phân phối mũ và hàm PDF của

được viết ra như sau:

và

lần lượt

I_n,D_m

f_Yy = 

( )

exp −

y ,

(11)

(

)

R_k,D_m

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

Đặng Thế Hùng, Lê Chu Khẩn, Nguyễn Văn Toàn, Đỗ Quốc Trinh

P | h_{R ,E}

f_T

t = 

exp − t ,

(12)

( )

(

)

I_n,D_m

_E=

P |l_{J ,E}|²+ P |l_{I ,E}|²+₀²



J₂



và

với

lần lượt là các tham số đặc trưng của

R_k,D_m

I_n,D_m

n=1

(18)

và

I_n,D_m

các biến ngẫu nhiên

và

_RY_E

D_m

 Z +  T_{I ,E}+1

I_n,D_m

Giả sử các biến ngẫu nhiên

và

là độc lập



J₂J₂

D_m

n=1



= _R,D



= _I,D

với

và đồng đều, ta có:

và

R_k,D_m

I_n,D_m

với

_J= P /₀², Y_E=| h_{R ,E}

_{I ,E}=|l_{I ,E}

J₂

m,n,k . Bây giờ, các công thức (11) và (12) sẽ được

viết lại như sau:

Z_J=|l_{J ,E}|².

f_Yy =  exp − y ,

( )

(13)

(14)

(

)

R,D

Z_J

đều có

Tương tự, các độ lợi kênh

và

I_n,E

phân phối mũ. Cũng với giả sử rằng các kênh pha đinh

Rayleigh là độc lập và đồng đều, hàm PDF của

f_T

t =  exp − t .

( )

(

)

I,D

I_n,E

Bởi vì dữ liệu từ vệ tinh được gửi quảng bá đến M

người dùng nên ta sẽ quan tâm đến người dùng có SINR

thấp nhất (xem [21]), cụ thể:

Z_J

và

sẽ lần lượt được viết ra như sau:

f_Yy = exp − y ,

(19)

(20)

(21)

( )

(

)

R,E

D_r:_R= min



(

(15)

)

_k,D_r

R_k,D_m

f_Tt =  exp − t ,

( )

m=1,2,...,M

)

I,E

r =1,2,...,M

D_r

với

. Như đã đề cập trong [21], nút

là

f_Zz =  exp − z .

( )

(

)

D_m

J₂,E

nút đích có SINR thấp nhất, và sẽ là nút được quan tâm

trong mạng quảng bá bởi vì xác suất dừng tại nút này sẽ là

Tương tự như trên, các thiết bị thu

và E có thể

D_r

lớn nhất. Hơn thế nữa, nếu nút

giải mã thành công dữ

giải mã thành công dữ liệu nếu tỷ số SINR đạt được tại

các nút này lớn hơn một ngưỡng xác định trước, ký hiệu

liệu thì tất cả những nút còn lại cũng sẽ giải mã thành

công dữ liệu.



D_m

là _2,th. Ngược lại, nếu tỷ số SINR tại

và E thấp hơn

D_m

và E không thể giải mã thành công



ngưỡng _1,ththì

Từ công thức (15), bài báo đề xuất phương pháp chọn

lựa trạm chuyển tiếp tốt nhất để phục vụ cho M người

dùng như sau:

dữ liệu.

Sử dụng công thức (16), xác suất dừng của kênh dữ

liệu sẽ được đánh giá như sau:

R_k:

= max 

(

)

R_k,D_r

R_u,D_r

u=1,2,...,v

(16)

OP = Pr 

_2,th

(

)

R_k,D_r

= max min



(

)

R_u,D_m

)

(

m=1,2,...,M

u=1,2,...,v

= Pr max min



_2,th

(

)

R_u,D_m

)

(

)

u=1,2,...,v m=1,2,...,M

Công thức (16) có nghĩa là trạm chuyển tiếp nhận

được dữ liệu từ vệ tinh thành công trong pha đầu

1k v) và cung cấp tỷ số SINR lớn nhất cho đích

Pr min

(





(22)

(

)



R_u,D_m

2,th

)

m=1,2,...,M

u=1

_rsẽ được chọn.





1−Pr min



(



)

_

R_u,D_m

2,th

)

(

Xét nút nghe lén E trong pha thứ hai này; tín hiệu



m=1,2,...,M

_u=1



nhận được tại E sẽ là:





1− Pr 

_2,th

)

(

__

R_u,D_m



u=1

m=1



z_E= P h_Rx +

Pl_{I ,E}w_n



_k,E

n=1

(17)

Công thức (22) định nghĩa xác suất dừng OP như

v v 1

+ P l_{J ,E}u₂+ n_E,

J₂

sau: trong điều kiện có

trạm chuyển tiếp mặt đất

(

)

giải mã thành công dữ liệu từ vệ tinh, thì xác suất dừng là

D_r

J₂

và _,Elần

J₂

với

lượt là kênh pha đinh Rayleigh của các liên kết

I_n→ E J → E

là công suất phát của

R_k,E

I_n,E

xác suất mà nút đích

không thể giải mã thành công dữ

R_k

R_k→ E,

J₂

liệu mà trạm chuyển tiếp được chọn

gửi đến. Điều

và

₂là tín hiệu nhiễu gây ra bởi

này cũng tương đương với sự kiện trong M nút đích có ít

nhất một nút không thể giải mã thành công dữ liệu.

Từ công thức (17), tỷ số SINR đạt được tại nút nghe

lén E sẽ được viết ra như sau:

Tương tự như các nút đích, sự giải mã dữ liệu tại E

 

_2,th; và không thành công khi

sẽ thành công khi

_E

_2,th. Trong trường hợp mà E giải mã thành công dữ

liệu nhận được từ _k, dữ liệu cũng sẽ bị mất bảo mật.

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI GHÉP VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI

SỰ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ NHIỄU PHẦN CỨNG

III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

A. Xác suất dừng (OP)

















_RY_D

OP =

1− Pr

_2,th

Tổng xác suất dừng của mô hình nghiên cứu được

viết ra như sau:

_

²_RY_D

 T

^u=1

m=1



I_n,D_m









n=1

Q_m



OP = Q + C^vQ OP ,









(23)



v=1





1− Q .

__



Q₀

Trong (23),

là xác suất mà tất cả các trạm mặt đất

u=1

m=1



(28)

không thể giải mã thành công dữ liệu từ vệ tinh, _vlà xác

suất có trạm chuyển tiếp mặt đất giải mã thành công dữ

Xét xác suất

trong (28), ta có:

liệu,

là xác suất hệ thống bị dừng ở pha thời gian thứ

C_K^v

C^v

cách chọn





Q = Pr 1−²  Y   T _2,th+_2,th

hai, và hệ số

xuất hiện do có tất cả

(

)



2,th

D_m

I I_n,D_m





trạm chuyển tiếp thành công từ tập K trạm chuyển tiếp.

Từ các công thức (2) và (8),



n=1



(29)

được viết dưới dạng sau:

Quan sát công thức (29), ta thấy rằng nếu



^v



^K−v





_S



_S

1−²_2,th1

Q = 0,

OP =1.

và do đó Xét trường



_1,th



_1,th

thì

Q = 1−Pr X



 Pr X

























R_u

1−² 1

















hợp

được đưa về dạng sau:

2,th

(24)



^v



^K−v











_1,th



_1,th

= 1− F

 F



















X_R_u

Q_m= Pr Y_D 

+ ₂

_S















₁

I_n,D_m











n=1



(30)

⁼₀^+

là hàm phân phối tích lũy (CDF: Cummulative

với





( )



1− F



x + 

x dx ,

(

)









₁



Y_D_m





Distribution Function) của biến ngẫu nhiên U. Thật vậy,

từ hàm PDF đưa ra trong công thức (3), ta có thể tìm được



n=1



n=1

với

X_R

hàm CDF cho

như sau:

_I_2,th

1−²

_2,th

1−²

₁=

,₂=

(31)

^{x =}₀



F_X

f_Xt dt.

(25)

( )

(

)

(

2,th

Kết hợp các công thức (3), (24) và (25),

sẽ được

Trong

công

thức

(30),

hàm

CDF

tính chính xác như sau:







₁

x +  được viết ra như sau:

Y_D_m







^v





n=1















^m











2m_Rb_R







exp −



_1,th

_S







2b 2m_Rb_R+ _R

2b_R













x +  =1−



₁

Y_D_m





^{Q = 1−}₀



n=1



(32)

_Rt



 F m ;1;

₁











2b_R2m b + 

exp −  exp −



x .

(

)

(

)

₁

R,D



















n=1



(26)

^m





^K−v









2m_Rb_R

Thay (12) và (32) vào (30), sau khi tính tích phân, ta

đạt được công thức (33) như sau:











exp −







_1,th

_S

2b 2m_Rb_R+ _R

2b_R













_₀

_I,D

_I,D+_R,D₁





_Rt

Q = exp −_R,D₂

(

)

_

 F m ;1;

₁







n=1

2b_R2mb + 

(

)













(33)



^N

_I,D

_I,D+_R,D₁

Q₀

Từ công thức (26),

Q₀=

có thể được tính như sau:

exp −  .





(

)

R,D





Thay (33) vào (28), xác suất dừng

chính xác như sau:

được tính

^K

^m





















2m_Rb_R









exp −



_1,th

_S

2b 2m_Rb_R+ _R

2b_R

(27)



^N

























¹⁻₀

_I,D





OP =

1−

exp −_R,D₂





(

)



_

_Rt







_m=1 _I,D+_R,D₁





 F m ;1;

^u=1

₁











2b 2m b + 

(

)













(34)



^v





^MN

_I,D

_I,D+_R,D₁

_v; kết hợp các



Tiếp đến, ta tính xác suất dừng

= 1−

exp −M_R,D₂





(

)











công thức (10) và (22), ta có thể viết:



SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

Đặng Thế Hùng, Lê Chu Khẩn, Nguyễn Văn Toàn, Đỗ Quốc Trinh

Cuối cùng, thay (26), (27) và (34) vào (23), ta sẽ có

được công thức tính chính xác xác suất dừng của kênh dữ

liệu.









_RY_E



Pr  

= Pr



(

)

^2,th

2,th

 Z +  T_{I ,E}+1



J₂J₂









B. Xác suất chặn (IP)

n=1

Xác suất mất bảo mật hay xác suất chặn (IP) là xác

suất mà nút nghe lén E có thể giải mã thành công dữ liệu

của vệ tinh, hoặc trực tiếp từ vệ tinh hoặc từ trạm chuyển

 _2,th

_I_2,th

_R







J₂



^2,th

= Pr Y 

Z_J+

(38)

(39)



I_n,E

_R



n=1





R .

tiếp được chọn

Thật vậy, ta có thể đưa ra công thức



= Pr Y  Z +

_{I ,E}+₅,

₄

J₂





tính xác suất chặn tại E như sau:



n=1



IP = Pr  _1,th_E_2,th

(

)

với

(34)





=1−Pr    Q + C^vQ Pr  

 

_I

^2,th,₅=

_R

_2,th

_R

J₂

₃=

^2,th,₄=

(

)

(

)



1,th

2,th









v=1

_R

Công thức (34) có nghĩa rằng chỉ cần nút nghe lén giải

mã thành công dữ liệu trong pha 1 hoặc pha 2 thì dữ liệu

Tiếp đến, ta tiếp tục viết công thức (38) dưới dạng

sẽ bị mất bảo mật  _1,th_E_2,th. Xác suất này

(

)

Pr  

^+F  x +

x +





cũng cũng tương đương với 1 trừ đi xác suất mà nút nghe

lén E không thể đạt được dữ liệu mong muốn trong cả pha

⁼₀

)

(

₄

2,th

Y_E









n=1

(40)

thứ

nhất

 

và

pha

thứ

hai

(

)

1,th

 f_Zx dx

x dx .

(

)

(

)

₀

n=1





Q + C^vQ Pr  

(

)



2,th









Thay các hàm CDF và PDF đã có vào công thức

(40), sau một số phép tính tích phân, ta đạt được:

v=1

Xét xác suất Pr   , kết hợp với công thức (5),

(

)

1,th

Pr  

=1−

(

)

2,th

ta có:



_I,E

J₂,E

 _1,th



_S

exp −  





(41)

(

)

J₁



R,E

^1,th

Pr   = Pr X 

Z_J+

_{J ,E}+_R,E₃

_n=1_I,E+_R,E₄

(

)





1,th

_S



(35)

_{J ,E}





^N

^+F_X z +

Z_J1

z dz,

( )

_I,E

⁼₀

(

)

=1−

exp −  .



(

)

R,E



_{J ,E}+_R,E₃_I,E+_R,E₄





với

Cuối cùng, thay (26), (27) và (41) vào (34), ta có

được công thức tính chính xác của IP.

 



_S

J₁

1,th

₁=

^1,th,₂=

(36)

_S

IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết hợp với công thức (6) và (7), công thức (35)

được viết lại dưới dạng sau:

Trong phần này, các kết quả lý thuyết sẽ được đưa ra

nhằm đánh giá và phân tích các hiệu năng OP và IP của

hệ thống. Trong tất cả các hình vẽ trong mục này, các

tham số kênh truyền Shadowed-Rician sẽ được thiết lập

+

Pr  



exp −

⁼₀

(

)

(

)

1,th

J₁,E

^m









như

m_R= m_E=10.1, b_R= b_E= 0.126

và













2m_Eb_E

exp −

_R= _E= 0.835 [5], [15], [18], [22]. Để đơn giản trong

việc mô tả và phân tích các xu hướng hiệu năng hệ thống,

 ²=1







(37)

2b 2m_Eb_E+_E

2b_E

^₀^¹^z+²







dxdz.





_Ex

ta có thể cố định các tham số hệ thống như sau:

 F m ;1;

₁











2b 2m b +

P = P = P = 0.5P

P = P = P = P

(

)

J₁

J₂







_R,D= _R,E= _{J ,E}= _J= 0.1 _I,D= _I,E=10

. Trong các

hình vẽ, ta sử dụng: _S= _R= _I=  và

_1,th=_2,th=_th

₂,E

Kế tiếp, ta tính xác suất Pr  

trong công

(

)

2,th

thức (34); sử dụng công thức (18), ta có:

. Bài báo dùng phần mềm máy tính

MATHEMATICA để tính các giá trị của OP và IP, và

phần mềm MATLAB để vẽ các kết quả.

Hình 2 vẽ xác suất dừng theo

(dB) với số nguồn



giao thoa N khác nhau khi số lượng trạm mặt đất (K)

bằng 3, số lượng người dùng (M) là 4, mức khiếm khuyết

tại các nút đích hợp pháp (

dừng ( _th) bằng 5. Như được quan sát trong Hình 2, xác

suất dừng giảm khi tăng và giảm số lượng nguồn giao



²) bằng 0.01 và ngưỡng





SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI GHÉP VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI

SỰ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ NHIỄU PHẦN CỨNG

thoa. Trong trường hợp N=0, OP của hệ thống nhỏ hơn

đáng kể khi so với các trường hợp có 01 hoặc 02 nguồn

giao thoa.

Hình 3 vẽ xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén E theo

(dB). Các thông số trong Hình 2 và Hình 3 là giống

nhau. Như ta có thể quan sát trong Hình 3, giá trị IP tăng



khi tăng và giảm số lượng nguồn giao thoa.



Từ Hình 2 và 3, ta thấy có sự đánh đổi giữa độ tin cậy

của việc truyền dữ liệu (OP) và khả năng bảo mật dữ liệu

của hệ thống. Ví dụ: khi hệ thống sử dụng công suất phát

lớn, việc truyền dữ liệu sẽ đáng tin cậy hơn (OP nhỏ

hơn), tuy nhiên dữ liệu sẽ dễ bị mất bảo mật hơn (IP lớn

hơn). Ý nghĩa của việc nghiên cứu sự đánh đổi giữa OP

và IP đó là chúng ta có thể dựa vào các giá trị OP và IP

để tối ưu hóa hệ thống. Ví dụ: hệ thống hoạt động trong

môi trường không có giao thoa đồng kênh (N=0) và chất

lượng dịch vụ yêu cầu là: OP0.001, thì nhìn vào Hình

2, ta thấy giá trị của vào khoảng 16 dB là tốt nhất để

giá trị OP là nhỏ nhất có thể.



Hình 4. OP và IP vẽ theo

với

K = 3 M =4  = 25

(dB) và _th= 5

Hình 4 vẽ OP và IP theo số nguồn giao thoa N với các

giá trị khác nhau của mức khiếm khuyết phần cứng ²

(

)

 = 5

. Như

và với K =3

(dB) và

M =4 =25

chúng ta có thể dự đoán giá trị của OP sẽ tăng khi số

nguồn nhiễu tăng, trong khi IP sẽ giảm. Như ta có thể

thấy trong Hình 4, giá trị OP tăng nhanh theo N, trong khi

IP chỉ giảm nhẹ. Đó là vì nút nghe lén E chịu ảnh hưởng

J₁

và ₂. Thật vậy,

chính bởi các trạm tạo nhiễu nhân tạo

J₁J₂

do độ lợi kênh trung bình từ

và

đến E lớn hơn so

I n =1,2,..., N

với từ các nguồn nhiễu

J₁

nên sự tác động

(

)

J₂

của nhiễu gây ra bởi và

lên E là đáng kể hơn. Cũng

trong Hinh 4, ta cũng quan sát được sự ảnh hưởng của

khiếm khuyết phần cứng tại các nút đích tác động lên giá

trị của OP. Như quan sát, OP tăng khi ²tăng.

Hình 5 vẽ OP và IP theo số nguồn trạm chuyển tiếp K

với các giá trị khác nhau của số lượng nút đích M và với

 = 5

Hình 2. OP vẽ theo

(dB) với K = 3

²= 0.01

M =4



N =1, ²= 0.01,

(dB) và

. Như ta có thể

 =10

 = 5

và

quan sát, xác suất dừng OP của hệ thống giảm mạnh khi

tăng số trạm chuyển tiếp từ 1 lên 7. Đó là vì khi tăng giá

trị của K sẽ nâng cao độ tin cậy của việc truyền-nhận dữ

liệu ở cả hai pha. Tuy nhiên, xác suất dừng hệ thống tăng

khi số nút đích tăng lên do yêu cầu tất cả những người

dùng đều đạt được dữ liệu thành công. Đối với giá trị IP,

giá trị này tăng nhẹ khi tăng giá trị của K. Bởi vì khi số

trạm mặt đất tăng sẽ tăng xác suất có ít nhất một trạm mặt

đất giải mã thành công dữ liệu từ vệ tinh, và do đó tăng

xác suất nút nghe lén có thể nghe lén ở pha thứ hai. Tuy

nhiên, do ở cả hai pha, kỹ thuật CJ đều được sử dụng nên

sự tăng của IP là không đáng kể.

Hình 3. IP vẽ theo

(dB) với K = 3

²= 0.01 và



M =4

 = 5

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

Đặng Thế Hùng, Lê Chu Khẩn, Nguyễn Văn Toàn, Đỗ Quốc Trinh

Impairments,'' IEEE Transactions on Communications,

vol. 61, no. 11, pp. 4512-4525, Nov. 2013.

[4] T. T. Duy, et al., "Proactive Relay Selection with Joint

Impact of Hardware Impairment and Co-channel

Interference," IEEE Transactions on Communications, vol.

63, no. 5, pp. 1594-1606, May 2015.

[5] H. Wu, Y. Zou, W. Cao, Z. Chen, T. A. Tsiftsis, M. R. R.

Bhatnagar and R. C. De Lamare, "Impact of Hardware

Impairments on Outage Performance of Hybrid Satellite-

Terrestrial Relay Systems," IEEE Access, vol. 7, pp.

35103- 35112, Mar. 2019.

[6] C. Zhang, H. Lin, Y. Huang and L. Yang, "Performance of

Integrated Satellite-Terrestrial Relay Network with Relay

Selection and Outdated CSI," IEEE Access, vol. 8, pp.

169652-169662, Sept. 2020.

[7] L. J. Rodriguez, N. H. Tran, T. Q. Duong, T. Le-Ngoc, M.

Elkashlan and S. Shetty, "Physical Layer Security in

Wireless Cooperative Relay Networks: State of the Art and

Beyond," IEEE Communications Magazine, vol. 53, no.

12, pp. 32-39, Dec. 2015.

Hình 5. OP và IP vẽ theo

²= 0.01

với N =1, ,

 =10

[8] H. D. Hung, T. T. Duy and M. Voznak, "Secrecy Outage

Performance of Multi-hop LEACH Networks using Power

Beacon Aided Cooperative Jamming With Jammer

Selection Methods," AEU-International Journal of

Electronics and Communications vol. 124, ID 153357,

Sept. 2020.

(dB) và _th= 5

V. KẾT LUẬN

Bài báo đã nghiên cứu sự đánh đổi giữa bảo mật và

độ tin cậy cho mô hình chuyển tiếp lai ghép vệ tinh-mặt

đất với sự ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và khiếm

khuyết phần cứng. Để nâng cao sự ổn định của sự truyền

dữ liệu từ vệ tinh đến những người dùng hợp pháp, bài

báo đề xuất triển khai nhiều trạm chuyển tiếp mặt đất và

phương pháp chọn trạm chuyển tiếp tốt nhất để phục vụ

những người dùng. Để nâng cao hiệu quả bảo mật ở lớp

vật lý, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo đã được áp dụng để

bảo vệ dữ liệu ở cả hai pha truyền. Bên cạnh việc đề xuất

mô hình mới, bài báo cũng đã đưa ra các công thức đánh

giá chính xác các thông số hiệu năng của hệ thống. Các

kết quả đạt được trong bài báo cũng cho thấy rằng có sự

đánh đổi giữa OP và IP. Hơn nữa, sự tác động của các

thông số quan trọng như công suất phát, số trạm mặt đất,

số nguồn nhiễu đồng kênh, mức khiếm khuyết phần cứng

lên hiệu năng của hệ thống cũng đã được phân tích kỹ.

Trong tương lai, các mô hình tổng quát như mô hình với

các nút được trang bị nhiều ănten, mô hình với sự xuất

hiện của nhiều thiết bị nghe lén hợp tác, mô hình kênh

truyền pha đinh tổng quát như Nakagami-m, Rician, sẽ

được nghiên cứu.

[9] Y. Liu, L. Wang, T. T. Duy, M. Elkashlan and T. Q.

Duong, "Relay Selection for Security Enhancement in

Cognitive

Relay

Networks,"

IEEE

Wireless

Communications Letters, vol. 4, no. 1, pp. 46-49, Feb.

2015.

[10] P. T. Tin, et. al, "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, ID 700,

Jul. 2019.

[11] P. Yan, Y. Zou, X. Ding and J. Zhu, "Energy-Aware Relay

Selection Improves Security-Reliability Tradeoff in

Energy Harvesting Cooperative Cognitive Radio Systems,"

IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 69, no.

5, pp. 5115-5128, May 2020.

[12] Y. Li, K. An, T. Liang and X. Yan, "Secrecy Performance

of Land Mobile Satellite Systems with Imperfect Channel

Estimation and Multiple Eavesdroppers," IEEE Access,

vol. 7, pp. 31751-31761, Mar. 2019.

[13] R. Wang and F. Zhou, "Physical Layer Security for Land

Mobile Satellite Communication Networks With User

Cooperation," IEEE Access, vol. 7, pp. 29495-29505, Mar.

2019.

LỜI CẢM ƠN

[14] Y. Zhang, J. Ye, G. Pan and M. -S. Alouini, "Secrecy

Outage Analysis for Satellite-Terrestrial Downlink

Transmissions," IEEE Wireless Communications Letters,

vol. 9, no. 10, pp. 1643-1647, Oct. 2020.

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 07-HV-2020-RD_VT2.

[15] Q. Huang, M. Lin, K. An, J. Ouyang and W. Zhu, "Secrecy

Performance of Hybrid Satellite-Terrestrial Relay

Networks in the Presence of Multiple Eavesdroppers," IET

Communications, vol. 12, no. 1, pp. 26-34, Jan. 2018.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] B. Evans, M. Werner, E. Lutz, M. Bousquet, G.E. Corazza,

G. Maral and R. Rumeau, "Integration of Satellite and

[16] V. Bankey and P. K. Upadhyay, "Ergodic Secrecy

Capacity Analysis of Multiuser Hybrid Satellite-Terrestrial

Relay Networks with Multiple Eavesdroppers," in Proc. Of

2019 IEEE International Conference on Communications

Workshops (ICC Workshops), Shanghai, China, 2019, pp.

1-6.

Terrestrial

Systems

Future

Multimedia

Communications,'' IEEE Wireless Communications, vol.

12, no. 5, pp. 72-80, Oct. 2005.

[2] K. Guo, D. Guo, Y. Huang, X. Wang and B. Zhang,

"Performance Analysis of a Dual-Hop Satellite Relay

Network with Hardware Impairments,'' in Proc. of 25th

Wireless and Optical Communication Conference

(WOCC), Chengdu, China, pp. 1-5, May 2016.

[17] V. Bankey and P. K. Upadhyay, "Physical Layer Security

of Multiuser Multirelay Hybrid Satellite-Terrestrial Relay

Networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology,

vol. 68, no. 3, pp. 2488-2501, Mar. 2019.

[3] E. Bjornson, M. Matthaiou and M. Debbah, "A New Look

at Dual-Hop Relaying: Performance Limits With Hardware

[18] W. Cao, Y. Zou, Z. Yang and J. Zhu, "Relay Selection for

Improving Physical-Layer Security in Hybrid Satellite-

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP LAI GHÉP VỆ TINH-MẶT ĐẤT DƯỚI

SỰ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ NHIỄU PHẦN CỨNG

Terrestrial Relay Networks," IEEE Access, vol. 6, pp.

65275-65285, Oct. 2018.

đang quan tâm bao gồm: thông

tin vô tuyến, bảo mật lớp vật lý,

thông tin vệ tinh.

[19] I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, "Table of Intergals,"

Series, and Products. 7th ed. Academic Press, 2007.

Email:

[email protected]m

[20] M. Matthaiou, A. Papadogiannis, E. Bjornson, M. Debbah,

"Two-Way Relaying Under the Presence of Relay

Transceiver

Hardware

Impairments,"

IEEE

Communications Letters, vol. 17, no. 6, pp. 1136-1139,

Jun. 2013.

Lê Chu Khẩn tốt nghiệp đại

học chính qui ngành kỹ thuật

điện- điện tử năm 1996, tại

trường đại học sư phạm kỹ thuật

TP. HCM. Tốt nghiệp thạc sỹ kỹ

thuật tại đại học bách khoa, đại

học quốc gia TP HCM vào

05/2004. ThS. Lê Chu Khẩn hiện

đang công tác tại Khoa Viễn

Thông 2, Học viện Công nghệ

Bưu chính Viễn thông, cơ sở tại

TP. Hồ Chí Minh. Hướng nghiên

cứu đang quan tâm bao gồm:

thông tin vô tuyến, thông tin vệ

tinh.

[21] T. T. Duy, P. N. Son, "Secrecy Performances of Multicast

Underlay Cognitive Protocols with Partial Relay Selection

and without Eavesdropper’s Information," KSII

Transactions on Internet and Information Systems, vol. 9,

no. 11, pp. 4623-4643, Nov. 2015.

[22] M. K. Arti and M. R. Bhatnagar, "Making Two-Way

Satellite Relaying Feasible: A Differential Modulation

Based Approach," IEEE Communications Letters, vol. 18,

no. 7, p. 1187-1190, Jul. 2014.

SECRECY PERFORMANCE ANALYSIS FOR

HYBRID SATELLITE-TERRESTRIAL RELAY

NETWORKS UNDER IMPACT OF CO-CHANNEL

INTERFERENCE AND HARDWARE

IMPAIRMENTS

Email:

[email protected]

Nguyễn Văn Toàn nhận bằng kỹ

sư vô tuyến điện tại Đại học

thông tin liên lạc, Nha Trang,

Khánh Hoà vào năm 2007, và

nhận bằng Thạc Sỹ Kỹ thuật Viễn

thông tại Học viện Công nghệ

Bưu chính Viễn thông cơ sở tại

TP. Hồ Chí Minh vào năm 2013.

Th.S. Nguyễn Văn Toàn hiện

đang công tác tại Đại học thông

tin liên lạc, Nha Trang, Khánh

Hoà. Hướng nghiên cứu đang

quan tâm bao gồm: thông tin vô

tuyến, thông tin vệ tinh.

Abstract: In this paper, we study secrecy performance

of hybrid satellite-terrestrial relay network in presence of

an eavesdropper. In the proposed protocol, a satellite

sents its data to terrestrial stations, and one of successful

terrestrial stations is selected to transmit the data to a

group of authorized destinations. The eavesdropper can

overhear the data from the satellite and the selected

terrestrial station. To protect the transmitted data,

cooperative jamming technique is employed, where the

jammer stations are deloyed to generate jamming noises

to the eavesdropper. Moreover, the terrestrial stations and

the authorized destinations can cooperatve with the

jammer stations to remove the generated noises. This

paper also considers joint impact of hardware

impairments at the authorized destinations and co-

channel interference caused by frequency reuse operation

on the system performance. We derive exact expressions

of outage probability at the authorized destinations and

intercept probability at the eavesdropper. Finally, the

results are presented to show the performance trends as

well as the impact of the system parameters.

Email:

[email protected]

PGS.TS. Đỗ Quốc Trinh nhận

bằng Tiến sĩ điện tử Viễn thông

tại Học viện Kỹ thuật Quân sự

vào năm 2003 và Phó giáo sư

năm 2013. PGS Đỗ Quốc Trinh

hiện đang công tác tại Học viện

Kỹ thuật Quân sự. Hướng nghiên

cứu đang quan tâm bao gồm:

thông tin vô tuyến, mã hóa, thông

tin di động, kỹ thuật trải phổ.

Keywords: Hybrid Satellite-Terrestrial Relay Network,

Physical-layer security, hardware impairments, co-

channel interference, outage probability, intercept

probability.

Email: [email protected].vn

Đặng Thế Hùng nhận bằng kỹ

sư Viễn thông tại Đại học

thông tin liên lạc, Nha Trang,

Khánh Hoà vào năm 2006, và

nhận bằng Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Viễn Thông tại Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông cơ

sở tại TP. Hồ Chí Minh vào

năm 2014. Th.S. Đặng Thế

Hùng hiện tại đang làm nghiên

cứu sinh tại Học viện Kỹ thuật

Quân sự. Hướng nghiên cứu

SOÁ 04A (CS.01) 2020

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG

10 trang Thùy Anh 19480 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu hiệu năng bảo mật lớp vật lý cho mạng chuyển tiếp lai ghép vệ tinh - mặt đất dưới sự tác động của nhiễu đồng kênh và nhiễu phần cứng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

nghien_cuu_hieu_nang_bao_mat_lop_vat_ly_cho_mang_chuyen_tiep.pdf