zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Công Nghệ Thông Tin

» Cơ sở dữ liệu

Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD-NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD-NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén" đề xuất mô hình và đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống chuyển tiếp song công (FD: Full-duplex) và đa truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple access). Thông số sử dụng để đánh giá là xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage probability) trong điều kiện ràng buộc nhiều nút nghe lén không kết hợp và thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD-NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén

Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FD- NOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén Nguyễn Trọng Công, Dương Mạnh Thành, Trần Mạnh Hoàng Trường Đại học Thông tin Liên lạc nguyentrongcong1969@gmail.com, thanhhpsqtt@gmail.com, hoangsqtt@gmail.com Tóm tắt: Bài báo đề xuất mô hình và đánh giá khả năng bảo học; Kết quả và thảo luận được trình bày trong phần IV; Kết mật của hệ thống chuyển tiếp song công (FD: Full-duplex) và đa luận bài bào được đưa ra trong phần V. truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple access). Thông số sử dụng để đánh giá là xác suất dừng bảo mật II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG (SOP: Secrecy outage probability) trong điều kiện ràng buộc nhiều nút nghe lén không kết hợp và thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo. Kết quả của bài báo chỉ ra rằng, mức g1 D1 nhiễu dư, sai số ước lượng kênh ảnh hưởng đáng kể đến khả hRR năng bảo mật của hệ thống. Mô phỏng matlab được sử để kiểm g2 chứng kết quả phân tích và đánh giá khả năng bảo mật của hệ h1,k D2 thống đề xuất. hE,1 Từ khóa: SOP, NOMA, nghe lén, kênh hợp pháp, song công. hE,L E1 E2 I. GIỚI THIỆU E3 EL Bảo mật thông tin ở lớp vật lý (PLS: physcal layer S security) trong các mạng vô tuyến thế hệ mới là chủ đề đã được nghiên cứu nhiều theo các giao thức khác nhau [1, 2]. Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống Bên cạnh đó trong các nghiên cứu PLS trong mạng đa truy Mô hình hệ thống đề xuất được mô tả như trong Hình nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple 1. Hệ thống bao gồm nút nguồn S trang bị nhiều ăng-ten, nút access) cũng đã được quan tâm khảo sát [3, 4]. Tuy nhiên, chuyển tiếp song công R, hai nút đích và nhóm nhiều nút nghe trong các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát các tham số bảo lén. Gọi hSR  {h1, k }, k = 1, , K là vector kênh truyền giữa S mật hệ thống dưới dạng phân tích công thức tường minh của biểu thức xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage và R, g1 và g 2 lần lượt là hệ số kênh truyền từ R đến D1 và D2, probability) hoặc dung lượng bảo mật, khả năng đánh chặn h2, E  {h2, El }, l = 1, , L là các hệ số kênh truyền từ R đến các cho hệ thống hoạt động ở chế độ bán song công (HD: Half- nút nghe lén, hệ số kênh truyền tự nhiễu tại R ký hiệu bởi hRR . duplex). Trong khi đó, kỹ thuật truyền song công trên cùng Với các kênh truyền có CSI không hoàn hảo được mô hình hóa băng tần (FD: Full-duplex) cung cấp dung lượng hệ thống lớn bởi [6, 7] hơn so với kỹ thuật HD [5]. Tuy nhiên, một nhược điểm trong các hệ thống FD đó là xuất hiện thành phần tự gây nhiễu (SI: h =  hˆ + 1 −  2 e , 1, k 1, k (1) 1, k self-interference) cho hệ thống. Mặc dù gần đây một số giải pháp đã được đề xuất nhằm loại bỏ SI giúp FD có thể đạt được h2, El = hˆ2, El + El , (2) hiệu suất tốt hơn nhưng trên thực tế khó để loại bỏ SI hoàn hảo Hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: Nút nguồn lựa nên luôn tồn tại một lượng SI làm suy giảm chất lượng hệ thống chọn ăng ten với tỉ số (SNR: signal-to-noise ratio) tốt nhất để FD. Bên cạnh đó việc xem xét thông tin trạng thái kênh truyền phát đồng thời 2 tín hiệu đã xếp chồng theo mức công suất, (CSI: channel state information) không hoàn hảo là bài toán xS = a1 PS x1 + a2 PS x2 đến 2 nút đích thông qua R. Do thực tế trong các mạng vô tuyến. Đặc biệt các nút nghe lén là hoạt động song công (FD: Full-duplex) và tách tín hiệu khử thiết bị không được cấp phép hoạt động trong mạng hợp pháp, nhiễu nối tiếp (SIC: successive interference cancellation), và tức là không được huấn luyện thông tin kênh truyền trước khi nhóm các nút nghe lén kết hợp cực đại SNR để thu chặn tín phát tín hiệu. hiệu từ kênh hợp pháp; Ngoài ra giả sử rằng các nút nghe lén Từ những vấn đề trên, bài báo này chúng tôi khảo sát tách tín hiệu loại bỏ được nhiễu hoàn toàn, do đó SNR của khả năng bảo mật tín hiệu cho hệ thống chuyển tiếp FD- các tín hiệu tại mỗi nút được xác định như sau NOMA khi có nhiều nút nghe lén thụ động trong mạng với điều a1 PS | hSR |2 a1 PR | g1 |2 kiện CSI không hoàn hảo. Đóng góp của bài báo có thể được  Rx1 = ,  x1 = . (3)  PR | hRR |2 + R2  D2 1 D1 tóm tắt như sau: Đề xuất mô hình FD-NOMA chuyển tiếp, trong điều a2 PS | hSR |2 a2 PR | g1 |2 kiện nhiều nút nghe lén xuất hiện, mô hình hóa các biểu thức tỉ  Rx2 = ,  Dx2 = . số tín hiệu/nhiễu (SNR: Signal-to-noise-ratio). a1 PS | hSR |2 + PR | hRR |2 + R2 1 a1 PR | g1 |2 + D2 1 Xây dựng công thức tường minh SOP cho hai người (4) dùng NOMA khi kênh truyền phân bố Rayleigh. Sử dụng mô trong đó ℎS𝑅 = a𝑟𝑔max𝑘=1÷𝐾 ℎ1,𝑘 . phỏng Matlab để kiểm chứng các kết quả đã phân tích. a2 PR | g 2 |2 ai PR Cấu trúc bài báo được trình bày như sau: Phần II mô tả mô  Dx22 = ,  Exi = | h2,E |2 , i  {1, 2}. (5) hình hệ thống; Phần III trình bày các kết quả phân tích toán 2 a1 PR | g 2 | + D2 2  E2l 130
trong đó ℎ2,E = max𝑙=1÷𝐿 ℎ2,𝑙 ,  A2 , A  {R, D1 , D2 , E} là  (2n − 1) trong đó u = [ ] n + 1 , n = cos ( ) và phương sai nhiễu trắng cộng tính của máy thu, mức công suất 2 2N chuẩn hóa là 1W;  là hệ số phản ánh phẩm chất của bộ khử 1 −  th a1 = ,  th = 2r2 ,  = (k PR RR − SR (  )a1 PS ) , nhiễu FD, khi  càng nhỏ chất lượng bộ khử nhiễu càng tốt. a1 th ngoài ra  AB là giá trị độ lợi trung bình của kênh truyền từ A III. PHÂ N TÍCH SOP đến B, PS và PR tương ứng là công suất phát tại nút S và R. Khi R hoạt động theo giao thức giải mã chuyển tiếp Như vậy trong phần này chúng tôi đã trình bày biểu thức (DF: Decode-and-Forward), tốc độ của hệ thống truyền thông tường minh và cách thức tính toán SOP của hệ thông FD- phụ thuộc vào tốc độ nhỏ nhất mà nó đạt được. Do đó tốc độ NOMA trong điều kiện kênh truyền không hoàn hảo. các tín hiệu là: IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ( C x1 = log 2 1 + min{ Rx1 ,  Dx1 } , 1 ) (6) Từ các biểu thức toán học được đưa ra từ các phần trên, trong phần này chúng tôi trình bày các kết quả mô phỏng nhằm C x2 = log (1 + min{ 2 R ,  D1 x2 x2 ) ,  Dx2 } . (7) đánh giá khả năng bảo mật tín hiệu của các người dùng 2 SIC NOMA bằng cách thay đổi các tham số ảnh hưởng đến chất Bên cạch đó, tốc độ tại các nút nghe lén là: lượng bảo mật như số ăng ten tại S, số lượng nút nghe lén, sai số ước lượng kênh, mức công suất kênh tự nhiễu. Số mẫu thực ( ) C Exi = log 2 1 +  Exi , i  {1, 2}. (8) hiện mô phỏng là 10.000.000 lần. Tốc độ dữ liệu ngưỡng là Công thức tổng quát của SOP được tính xác định bởi giả sử là cố định ri = 1 bit/s/Hz, hệ số phân bổ công suất sự khác nhau giữa dung lượng kênh chính và kênh nghe lén[3] a1=0.3 và a2=0.7. Khi các nút được đặt cố định, chúng ta có thể chuẩn hóa khoảng cách là 1 đơn vị từ nút phát đến nút thu và độ lợi kênh trung bình được cố định trong suốt thời gian ( SOP xi = Pr [C xi − C Exi ]+  ri , ) (9) truyền dữ liệu SR =RD2 =10dB, RD1 =15dB, RE =-5dB . trong đó, ri là ngưỡng tốc độ dữ liệu. Thay thế biểu thức (6) và (8) vào (9) và sau các bước tính toán, chúng ta nhận được công thức tường minh SOP đối với tín hiệu của người dung D1  (−1) ( Kk )( Ll ) K L k +l −2 SOP x1 = 1 − k =1 l =1 (1 −  ) 1−  (10) exp( + ) th th lP   (  ) a  (  ) P a P  1 SR S 1 R RD1  S SR , ˆ P  A2 + A3 + A4 R RE trong đó (  ) = 1 + (k − 1)(1 −  2 ) ,  th = 2r1 , ˆ ,  = RR k PR ( th − 1) + a1SR (  ) PS , A4 ?= l / a1 PR  RE   k PR k th  th A2 = th RR , A3 ?= + ,  a1 PSSR (  ) a1 PR RD1 Hình 2. SOP với số nút nghe lén thay đổi  = 0.9 và  E = 0.2  RR = 20 dB, Tương tự, thay thế (7) và (8) vào (9) và sau khi tính toán sẽ Hình 2 biểu diễn SOP theo SNR khi thay đổi số nút nhận được biểu thức SOP đối với tín hiệu của D2 nghe lén và cố định số ăng ten phát tại S. Từ kết quả trên đồ thị thấy rằng, chất lượng bảo mật tín hiệu của D1 tốt hơn D2. Lý do là tốc độ dữ liệu đạt được tại D1 lớn hơn tốc độ dữ liệu k −1  K  L  L K SOP x2 =1−  (−1) k =1     l =1 k (−1)l −1   l đạt được tại D2 mặc dù công suất phân bổ cho D1 nhỏ hơn D2. Thêm vào đó tại D1 tách tín hiệu dung kĩ thuật SIC, trong khi đó tại D2 tách tín hiệu x2 coi x1 là nhiễu, kết hợp với lan  SR  (  ) PS (a2 −a1  u ) N  l  1−n2 truyền lỗi từ R dẫn đến chất lượng bảo mật x2 kém hơn x1 . ˆ a2 PR  2N   +   (  ) a P RE n =1 u SR 2 S Đặc điểm đồ thị chỉ ra rằng đối với D1 khi tăng SNR thìSOP (11)  k u l u  giảm và sẽ bảo hòa khi SNR lớn, trong khi đó D2 có sự khác  exp  − −  biệt là SOP giảm đến SNR=0dB, sau đó tăng lên khi tăng   (  ) P (a − a  ) a P  ˆ  SR S 2 1 u 2 R RE  SNR. Kết quả trên hình cũng cho thấy sự chính xác giữa mô  u u  phỏng và lý thuyết, điều đó chỉ ra rằng các công thức được  exp  − − , trình bày ở phần trên hoàn toàn chính xác.   RD PR (a2 −a1  u )  RD PR (a2 −a1  u )   1 2  131
Hình 3. SOP khi thay đổi số ăng ten phát,  = 0.9 và Hình 5. SOP khi thay đổi sai số ước lượng kênh của các nút  E = 0.2  RR = 20 dB. nghe lén K=3, L=3,  = 0.9 và  RR = 20 dB. Hình 3, biểu diễn SOP theo SNR khi thay đổi số ăng Hình 5 khảo sát ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh đến ten phát tại nút S và cố định nút nghe lén. Tương tự như kết SOP của D1, đặc điểm ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh quả của Hình 2, khi tăng SNR dẫn đến SOP của D1 giảm và đến các người dùng là như nhau, do đó chỉ cần xem xét sự có xu hướng bảo hòa khi tiếp tục tăng SNR, ngược lại khi tiếp ảnh hưởng của  E đến 1 người dùng. Từ kết quả trên cho thấy tục tăng SNR SOP của D2 tăng lên đến mất bảo mật hoàn toàn. khi nút nghe lén ước lượng kênh với sai số càng lớn thì khả Ngoài ra, khi tăng số ăng ten phát tại S, SOP của các người năng bảo mật của hệ thống càng tốt và ngược lại. Đặc biệt dùng giảm. Bao gồm cả D1 và D2 mức giảm SOP không đáng khi ước lượng sai hoàn toàn thì khả năng bảo mật là hoàn kể, do ràng buộc giao thức DF. Một lý giải khác cho SOP của hảo, SOP giảm tuyến tính với tăng SNR. D2 tăng khi SNR lớn là do mức nhiễu tại D2 tăng lên khi công suất phát lớn. V. KẾT LUẬN Bằng việc áp dụng các phân tích toán học, chúng tôi đưa ra biểu thức SOP của hai người dùng NOMA chuyển tiếp, hoạt đông theo cơ chế FD. Kết quả mô phỏng đưa ra để kiểm chứng các kết quả phân tích và minh họa khả năng bảo mật của hệ thống đề xuất. Chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng của các tham số chất lượng kênh, khả năng khử nhiễu đến hiệu quả bảo mật của hệ thống FD-NOMA hai người dùng. Bài báo có thể được mở rộng cho trường hợp người dùng lớn hơn 2. TÀ I LIỆU THAM KHẢO [1] W. Cao et al., "Secrecy outage analysis of relay-user pairing for secure hybrid satellite-terrestrial networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2022. [2] C. T. Dung, T. M. Hoang, N. N. Thang, M. Tran, and P. T. Tran, "Secrecy performance of multi-user multi-hop cluster-based network with joint relay and jammer selection under imperfect channel state information," Performance Evaluation, vol. 147, p. 102193, 2021. [3] M. Awad, S. M. Ibraheem, S. A. Napoleon, W. Saad, M. Shokair, and M. E. Nasr, "Secrecy Enhancement of Cooperative NOMA Hình 4. SOP khi thay đổi mức nhiễu dư, K=3, L=3,  = 0.9 Networks With Two-Way Untrusted Relaying," IEEE Access, vol. 8, pp. 216349-216364, 2020. và  E = 0.2 . [4] T. M. Hoang, B. C. Nguyen, X. N. Tran, and T. Kim, "Secrecy Hình 4, trình bày kết quả SOP theo SNR khi thay Outage Performance of FD-NOMA Relay System With Multiple Non-Colluding Eavesdroppers," IEEE Transactions on Vehicular đổi mức nhiễu dư lại nút chuyển tiếp. Từ đồ thị chỉ ra rằng, Technology, vol. 70, no. 12, pp. 12985-12997, 2021. khi mức nhiễu dư (sau khi khử nhiễu do kênh tự nhiễu tạo ra) [5] H. M. Tran, N. X. Tran, B. C. Nguyen, and D. T. Le, "On the lớn, dẫn đến hiệu quả bảo mật kém. Khi mức nhiễu dư -20 dB Performance of MIMO Full-Duplex Relaying System with SOP giảm theo SNR và bảo hòa khi SNR lớn, trong khi đó SWIPT under Outdated CSI," IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020. nhiễu dư 10 dB thì SOP tăng lên rất đáng kể. Nguyên nhân [6] T. M. Hoang, X. N. Tran, N. Thanh, and L. T. Dung, của hiện tượng này là do khi cố định công suất phát, mức "Performance Analysis of MIMO SWIPT Relay Network with nhiễu dư tăng lên dẫn đến tốc độ dữ liệu của hệ thống hợp Imperfect CSI," Mobile Networks and Applications, no. pháp giảm xuống, trong khi đó tốc độ của kênh nghe lén https://doi.org/10.1007/s11036-018-1163-, 2018. [7] S. Arzykulov, T. A. Tsiftsis, G. Nauryzbayev, and M. Abdallah, không đổi. Sai số giữa lý thuyết và mô phỏng ở trên do tính "Outage Performance of Cooperative Underlay CR-NOMA with xấp xỉ của biểu thức SOP. Imperfect CSI," IEEE Communications Letters, 2018. 132

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.