Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng bảo mật dạng cụm với các thuật toán chọn đường

Chia sẻ: Cảnh Phương Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề án "Nâng cao hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng bảo mật dạng cụm với các thuật toán chọn đường" nhằm nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng dạng cụm với sự xuất hiện của nút nghe lén; đề xuất các thuật toán chọn đường để giảm xác suất dừng toàn trình (OP) cho mô hình; đề tài đưa ra các công thức tính chính xác OP và IP, và thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các biểu thức toán học đưa ra;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng bảo mật dạng cụm với các thuật toán chọn đường

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN HÙNG DŨNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG BẢO MẬT DẠNG CỤM VỚI CÁC THUẬT TOÁN CHỌN ĐƯỜNG ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN HÙNG DŨNG NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG BẢO MẬT DẠNG CỤM VỚI CÁC THUẬT TOÁN CHỌN ĐƯỜNG CHUYÊN NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: WWWWW 8.48.01.04 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN TRUNG DUY TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin khẳng định đề án: “Nâng cao hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng bảo mật dạng cụm với các thuật toán chọn đường” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các thông tin và kết quả trình bày trong đề án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. HCM, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Nguyễn Hùng Dũng
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, Khoa Công Nghệ Thông Tin 2, Phòng Đào tạo và Khoa học Công nghệ đã hỗ trợ rất lớn cho tôi hoàn thành đề án thạc sĩ này. Đặc biệt, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Trung Duy, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề án. Sự tận tâm và sự hiểu biết sâu sắc của PGS.TS Trần Trung Duy đã giúp tôi định hình hướng đi cho nghiên cứu này. Thầy đã cung cấp cho tôi sự hỗ trợ và chỉ dẫn quý báu, giúp tôi vượt qua những thách thức và đạt được những kết quả đáng kể. Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các quý Thầy Cô giảng dạy trong suốt quá trình học vì sự chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm của quý Thầy Cô. Sự sẵn lòng và đồng hành của các quý Thầy Cô đã góp phần quan trọng vào quá trình học tập và phát triển chuyên môn của tôi. Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời gian tôi thực hiện đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain” với mã số 102.04-2021.57. Tôi nhận thức rằng trong quyển đề án này, không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Vì vậy, tôi chân thành mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô và các bạn đọc để làm cho đề án này hoàn thiện hơn. Trân trọng biết ơn, Tp. HCM, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Nguyễn Hùng Dũng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ..........................................v DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. vii DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... viii MỞ ĐẦU ...................................................................................................................ix CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ............................................................1 1.1. Tổng quan về hệ thống vô tuyến .................................................................1 1.1.1 Mạng vô tuyến và sự phát triển cho tương lai ...........................................1 1.1.2 Lịch sử phát triển .......................................................................................2 1.1.3 Fading kênh truyền ....................................................................................3 1.1.4 Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading ..................................................6 1.1.5 Hiệu năng mạng vô tuyến ..........................................................................7 1.1.6 Mô phỏng Monte Carlo .............................................................................8 1.2. Mạng tự cấu hình – Mạng cảm biến vô tuyến .............................................9 1.3. Kỹ thuật chuyển tiếp .................................................................................12 1.4. Bảo mật lớp vật lý .....................................................................................15 1.5. Kết luận Chương 1 ....................................................................................19 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .........................................................22 VÀ HIỆU NĂNG MẠNG .......................................................................................22 2.1. Mô hình nghiên cứu ..................................................................................22 2.2. Các ký hiệu ................................................................................................24 2.3. Xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén ...........................................................26 2.4. Bài toán phân bổ công suất phát ...............................................................28 2.5. Các thuật toán chọn đường và đánh giá xác suất dừng .............................30
iv 2.5.1 Thuật toán RAND ....................................................................................32 2.5.2 Thuật toán HBNS ....................................................................................33 2.5.3 Thuật toán SNS ........................................................................................36 2.5.4 Thuật toán OPT .......................................................................................40 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ...................................42 3.1. Xác suất chặn (IP) và phân bổ công suất phát ..........................................43 3.2. Xác suất dừng (OP) của các thuật toán .....................................................45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .........................................49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................52
v DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT ANA Analytical Phân tích toán học Ad-hoc On-demand AODV Giao thức định tuyến trên yêu cầu Distance Vector Additive White AWGN Nhiễu Gauss trắng cộng tính Gaussian Noise BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BW Bandwidth Băng thông Cumulative Distribution CDF Hàm phân bố xác suất tích luỹ Function CH Cluster Head Chủ cụm DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp Dynamic Source DSR Định tuyến nguồn động Routing Hop-by-hop Best Node Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất tại mỗi HBNS Selection chặng Mạng Internet của các vật liệu, mạng IoT Internet of Things Internet mà không cần sự tương tác của con người. IP Intercept Probability Xác suất mất bảo mật hay xác suất chặn LAN Local Area Network Mạng cục bộ Low-Energy Adaptive LEACH Giao thức phổ biến thành lập cụm Clustering Hierarchy LOS Line of Sight Đường truyền thẳng Maximal Ratio MRC Kết hợp tỷ lệ tối đa Combining Near Field Công nghệ truyền thông không dây giữa NFC Communication các thiết bị ở khoảng cách gần OP Outage Probability Xác suất dừng Thuật toán tìm đường tốt nhất dựa vào OPT Optimal phương pháp tìm kiếm toàn cục Probability Density PDF Hàm mật độ xác suất Function RAND Random Chọn đường ngẫu nhiên
vi VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT RF Randomize and Forward Kỹ thuật ngẫu nhiên chuyển tiếp SIM Simulation Mô phỏng Tỷ số giữa công suất tín hiệu và công SNR Signal-to-Noise Ratio suất nhiễu Successful Node SNS Chọn nút giải mã thành công ở mỗi cụm Selection WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Wireless Local Area WLAN Mạng cục bộ không dây Network Wireless Metropolitan WMAN Mạng đô thị không dây Area Network Wireless Personal Area WPAN Mạng cá nhân không dây Network Wireless Sensor WSN Mạng cảm biến vô tuyến Network Wireless Wide Area WWAN Mạng diện rộng không dây Network
vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Bảng dữ liệu tiêu chuẩn kết nối mạng vô tuyến .........................................1 Bảng 2.1: Tóm tắt các ký hiệu toán học. ...................................................................25
viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình fading đa đường. ...........................................................................4 Hình 1.2: Biên độ của tín hiệu thay đổi theo thời gian. ..............................................4 Hình 1.3: Mô hình kênh fading Rayleigh. ..................................................................5 Hình 1.4: Mô hình kênh truyền Fading Rician. ..........................................................6 Hình 1.5: Mô hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. ...................6 Hình 1.6: Ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến trong nông nghiệp. ...........................10 Hình 1.7: Tổ chức cụm (Cluster). .............................................................................11 Hình 1.8: Định tuyến trong WSN .............................................................................12 Hình 1.9: Định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu. ...........................................................13 Hình 1.10: Bảo mật lớp vật lý cơ bản với 03 nút A, B và E. ...................................16 Hình 1.11: Bảo mật lớp vật lý trong chuyển tiếp đa chặng.......................................17 Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu. .................................................................................22 Hình 2.2: Truyền dữ liệu trên đường đã được chọn. .................................................23 Hình 3.1: Môi trường mô phỏng khi N = 2 . ............................................................43 Hình 3.2: Xác suất chặn và công suất phát của các nút vẽ theo  IP với Q = 1. .......44 Hình 3.3: Xác suất chặn và công suất phát của các nút vẽ theo  IP với Q = 3. .......44 Hình 3.4: OP vẽ theo  IP với N = 3 , K = 3 . .............................................................45 Hình 3.5: OP vẽ theo  IP với N = 4 , Q = 1 . .............................................................46 Hình 3.6: OP vẽ theo  IP với N = 3 , Q = 4 , K = 5. .................................................47 Hình 3.7: OP vẽ theo N với  IP = 0.01 , Q = 5 , K = 3. .............................................48
ix MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay, các mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ, và các ứng dụng của mạng thông tin vô tuyến ngày càng gần gũi với các hoạt động hàng ngày của con người. Đây là lý do Học viên chọn hướng nghiên cứu các hệ thống mạng truyền thông vô tuyến. Trong hệ thống mạng thông tin vô tuyến, có hai dạng đó là mạng được phục vụ bởi cơ sở hạ tầng (như mạng thông tin di động, mạng Wifi, mạng thông tin vệ tinh) và mạng tự tổ chức/tự cấu hình (như mạng cảm biến vô tuyến (WSNs: Wireless Sensors Networks), mạng ad-hoc, v.v.). Trong các mạng tự tổ chức, các thiết bị có thể tự giao tiếp với nhau mà không cần sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng (hoặc cơ sở hạ tầng chỉ phục vụ một phần). Sự giao tiếp này được thực hiện theo các thuật toán được cài đặt sẵn, theo cơ chế truyền thông ngang cấp (Peer-to-Peer). Tuy nhiên, các thiết bị trong WSNs, mạng ad-hoc thường bị giới hạn về kích thước, năng lượng, khả năng lưu trữ và tính toán. Bởi sự giới hạn về công suất phát và giới hạn về năng lượng, vùng phủ sóng của các nút thấp nên sự truyền dữ liệu thường được thực hiện thông qua hình thức chuyển tiếp (relaying). Hơn nữa, để đạt hiệu quả năng lượng và khả năng xử lý thông tin tập trung, các nút mạng cũng tổ chức thành dạng cụm (cluster) và bầu ra chủ cụm (cluster head) để quản lý các hoạt động trong cụm. Bởi vì trong hiện tại và tương lai gần, các hệ thống mạng tự tổ chức như mạng WSNs, mạng ad- hoc, v.v. sẽ được triển khai rộng khắp, nên đây là lý do Học viên lựa chọn hướng nghiên cứu về các mô hình mạng tự tổ chức dưới dạng cụm (cluster). Bảo mật trong mạng thông tin vô tuyến, đặc biệt trong mạng tự cấu hình, là một vấn đề quan trọng. Tuy nhiên, sự hạn chế về kích thước và khả năng xử lý của các thiết bị trong mạng này làm cho việc áp dụng các thuật toán bảo mật phức tạp trở nên khó khăn và tốn nhiều thời gian và năng lượng. Gần đây, một giải pháp được đề xuất là sử dụng kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, tận dụng khoảng cách và kênh truyền vật lý để đảm bảo tính bảo mật. Ví dụ, các thiết bị gần nhau có thể điều chỉnh công suất
x phát để trao đổi thông tin an toàn mà không cần đến các thuật toán mã hóa phức tạp. Cách tiếp cận này cũng dễ triển khai và phù hợp với mô hình mạng tự cấu hình, là lý do tại sao học viên này chọn nghiên cứu về mạng bảo mật lớp vật lý để đảm bảo an toàn thông tin trong mạng. Bên trên là những phân tích về tính cấp thiết và lý do chọn hướng nghiên cứu về bảo mật lớp lý cho mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm. Phương pháp đánh giá và nâng cao hiệu năng mạng, Học viên sẽ trình bày trong những phần sau. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề án bao gồm: - Nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng dạng cụm với sự xuất hiện của nút nghe lén - Nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng (OP) và xác suất mất bảo mật (IP) của mô hình. - Nghiên cứu các thuật toán phân bổ công suất phát cho các nút để giảm giá trị IP xuống một ngưỡng mong muốn - Đề xuất các thuật toán chọn đường để giảm xác suất dừng toàn trình (OP) cho mô hình - Đề tài đưa ra các công thức tính chính xác OP và IP, và thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các biểu thức toán học đưa ra - Từ các kết quả đạt được, Đề án đưa ra các giải pháp thiết kế hoặc tối ưu hệ thống. Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát các công trình liên quan, làm tiền đề để đề xuất mô hình nghiên cứu: đề xuất các thuật toán phân bổ công suất phát và các thuật toán tìm đường - Sử dụng các công cụ toán học để đánh giá hiệu năng OP và IP của mạng trên kênh fading Rayleigh. - Sử dụng phương pháp Monte Carlo để kiểm chứng tính chính xác của các biểu thức xác suất dừng đã đưa ra - Chọn các kết quả mô tả đặc trưng hiệu năng của hệ thống, đồng thời đưa ra các giải pháp thiết kế và tối ưu hiệu năng hệ thống.
1 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về hệ thống vô tuyến 1.1.1 Mạng vô tuyến và sự phát triển cho tương lai Không giống như mạng hữu tuyến sử dụng đường đồng hoặc cáp quang để liên kết các điểm cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng sóng điện từ phát ra từ bộ phát và bộ thu đặt bên trong mạng có phạm vi phát sóng có thể truy cập được. Các thiết bị không dây sẽ kết nối với nhau thông qua ăng-ten hoặc cảm biến. Ngày nay mạng vô tuyến đang dần trở nên phổ biến hơn đáp ứng nhu cầu của người dùng cũng như sự phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuối. Mạng vô tuyến đã xuất hiện ở mọi nơi và trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng ta có thể thấy các thiết bị máy tính để bàn như chuột, bàn phím, laptop,… nơi công nghệ NFC ra đời nhằm đơn giản hóa quá trình thanh toán trên thiết bị di động thông minh, cho đến các thiết bị theo mô hình nhà thông minh. Khái niệm Internet of Things (IoT) [1],[2] bắt nguồn như một xu hướng toàn cầu, khi tất cả các thiết bị được nhận diện riêng lẻ và có thể kết nối với nhau. Tất cả đều hướng đến tính di động cao, tiện ích hơn và luôn sẵn sàng kết nối mọi lúc, mọi nơi. Tùy theo quy mô hoạt động cũng như phạm vi, với mạng hữu tuyến ta có các khái niệm về mạng LAN, WAN,.. thì với mạng vô tuyến ta có thể phân thành: chuẩn mạng 802.15 WPAN cho mạng cá nhân, IEEE 802.11 WLAN cho mạng cục bộ, IEEE 802.16 WMAN cho mạng đô thị và IEEE 802.20 WWAN cho mạng diện rộng. Bảng 1.1: Bảng dữ liệu tiêu chuẩn kết nối mạng vô tuyến WPAN WLAN WMAN WWAN GSM, GPRS, Chuẩn 802.15 802.11a/b/g 802.16, 802.20 3G 3.5G Tốc độ bit 1-3 Mbps 11-54 Mbps 11-134 Mbps 0.17-7.2Mbps Không gian Hẹp Trung bình Lớn Diện rộng Ứng dụng Điểm- điểm Mạng gia đình, SOHO Trên 1kilomet Mạng di động
2 Lợi ích của mạng vô tuyến: • Thiết lập đơn giản, tránh dây kéo rườm rà • Vùng phủ sóng linh hoạt: truyền thông vô tuyến có thể đến nhiều nơi mà mạng hữu tuyến không thể đến được. • Cung cấp dịch vụ tốt hơn và tiện lợi hơn khi người dùng có thể truy cập tài nguyên ở mọi nơi trong khu vực triển khai, đặc biệt với số lượng thiết bị di động ngày càng tăng. • Tiết kiệm chi phí đầu tư, chi phí ban đầu cho phần cứng mạng của hệ thống vô tuyến có thể cao hơn nhưng xét về tổng chi phí hệ thống và chi phí vòng đời thì thấp hơn nhiều so với hệ thống mạng hữu tuyến. • Khả năng mở rộng cao, có thể đáp ứng ngay lập tức khi số lượng thiết bị kết nối tăng lên nhiều. Nhược điểm của mạng vô tuyến: • Khả năng bị nhiễu do điều kiện thời tiết, nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác hoặc do vật cản (nhà cao tầng, hầm ngầm, cây cối, v.v.). • Tính bảo mật không cao do môi trường truyền dẫn là không khí nên khả năng bị tấn công khá cao. • Phạm vi hoạt động bị hạn chế và tín hiệu xuống cấp nhanh chóng khi khoảng cách giữa máy thu và máy phát tăng lên. • Tốc độ thường không ổn định và thấp hơn so với truyền hữu tuyến. Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, tốc độ của hệ thống mạng vô tuyến sẽ được cải thiện trong thời gian tới. 1.1.2 Lịch sử phát triển Các mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của vô tuyến cho đến ngày nay: • Năm 1838, Samuel Morse tạo ra hệ thống điện tín đầu tiên và sau đó là điện thoại xuất hiện. • Năm 1864, J.C Maxwell xây dựng lý thuyết điện từ ánh sáng và phát triển các phương trình tổng quát của trường điện từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và cho thấy sóng này có thể truyền trong không gian tự do.
3 • Năm 1895, Marconi thực hiện thành công việc truyền dẫn không dây đầu tiên ở khoảng cách gần 30 kilomet (18 miles). Truyền thông không dây ra đời từ đây. • Năm 1915, hệ thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để có thể thoại giữa New York và San Francisco. Sau 30 năm, các dịch vụ điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ. • Năm 1963, Học viện kỹ sư điện- điện tử (IEEE) được thành lập. • Năm 1971, hệ thống mạng dùng kiểu không dây gói (packet radio), tên ALOHANET ra đời tại trường đại học Hawaii, cho phép các máy tính ở các cơ sở của trường trên bốn đảo có thể kết nối về máy trung tâm tại Oahu thông qua truyền thông không dây. • Cũng trong những năm 1970 và 1980, Cơ quan dự án nghiên cứu tiên tiến của Bộ Quốc phòng (DARPA) đã nghiên cứu và phát triển một mạng sử dụng các cuộc gọi vô tuyến để liên lạc giữa các tàu chiến. • Năm 1984, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép phân bổ phổ tần cho điện thoại di động từ 40 MHz đến 50 MHz. Hệ thống tế bào tương tự đầu tiên của Phòng thí nghiệm AT&T Bell được triển khai tại Chicago. • Năm 1985, FCC cho phép thương mại hóa mạng cục bộ không dây (WLAN) bằng cách cho phép phát triển và sử dụng rộng rãi các băng tần công nghiệp, nghiên cứu và y tế (ISM) cho các sản phẩm mạng nội bộ không dây. • Vào những năm 1990, hệ thống di động thế hệ thứ hai ra đời. Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số được xử lý bằng phần cứng kỹ thuật số với khả năng tương thích, chi phí, tốc độ và hiệu suất năng lượng được cải thiện. Hệ thống di động thế hệ thứ 2 này ngoài khả năng cung cấp dịch vụ thoại còn có khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu (thư điện tử, truy cập Internet, dịch vụ tin nhắn ngắn). 1.1.3 Fading kênh truyền Bởi vì tín hiệu vô tuyến được truyền trong không gian tự do nên tín hiệu sẽ bị suy hao và phản xạ, nhiễu xạ hoặc tán xạ khi gặp các vật cản và các bề mặt khác nhau.
4 Như được vẽ trong Hình 1.1, tín hiệu đi từ trạm gốc (transmitter) đến thiết bị điện thoại di động (receiver) đi theo nhiều đường (path) khác nhau. Đường đầu tiên (đường A) thường được gọi là đường thẳng LOS (Line of Sight), đường B là đường phản xạ khi tín hiệu gặp các bề mặt cứng, đường C là đường nhiễu xạ khi tín hiệu gặp các vật cản có đỉnh nhọn và đường D là đường tán xạ khi tín hiệu gặp các bề mặt gồ ghề. Như vậy, tín hiệu nhận được tại thiết bị thu sẽ là sự tổng hợp của các đường A, B, C và D với thời gian trễ khác nhau và biên độ khác nhau. Hình 1.1: Mô hình fading đa đường Cũng chính vì các đường tín hiệu đến thiết bị thu với độ trễ khác nhau và biên độ khác nhau nên tín hiệu tổng tại thiết bị thu sẽ có biên độ dao động. Tức là chất lượng của tín hiệu lúc mạnh và lúc yếu bởi sự đến của các đường tín hiệu. Đây là hiện tượng fading đa đường. Hình 1.2 mô tả hiện tượng này, đó là biên độ của tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian. Hình 1.2: Biên độ của tín hiệu thay đổi theo thời gian
5 Các kênh truyền fading phổ biến có thể kể đến như kênh fading Rayleigh và kênh fading Rician. Kênh fading Rayleigh: Hình 1.3: Mô hình kênh fading Rayleigh Trong kênh truyền này, thành phần LOS sẽ không có bởi vì thiết bị phát và thiết bị thu bị che khuất. Nếu ta ký hiệu h là hệ số kênh truyền giữa thiết bị phát và thiết bị thu, thì biên độ kênh |h| sẽ có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function) như sau: x  x2  f|h| ( x ) = 2 exp  − 2  , x  0 (1.1)   2  Độ lợi kênh được ký hiệu là  =| h |2 , ta có hàm phân bố xác suất tích luỹ (CDF - Cumulative Distribution Function) và hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function) của  =| h |2 lần lượt là (xem tài liệu [1]): F ( y ) = 1 − exp ( − y ) , f ( y ) =  exp ( − y ) , (1.2) ( ) với  = 1 / 2 là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên có phân phối mũ,  bằng 2 1 chia cho giá trị trung bình của  , và cũng bằng 1 chia cho độ lệch chuẩn của  : 1 1 = = . (1.3)  var  
6 Kênh fading Rician: Hình 1.4: Mô hình kênh truyền Fading Rician Kênh fading Rician là kênh truyền tổng quát của kênh Rayleigh khi có thành phần LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu. Kênh Rician vì vậy sẽ tốt hơn kênh fading Rayleigh. Tuy nhiên, khi thực hiện thiết kế và quy hoạch mạng, thông thường nhà thiết kế sẽ tính toán hiệu năng mạng trong trường hợp xấu nhất. Đó là lý do tại sao kênh truyền fading Rayleigh thường được chọn để nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng. 1.1.4 Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading T R Hình 1.5: Mô hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R Hình 1.5 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. Tín hiệu nhận được tại nút R được viết như sau: yR = PT hTR x + nR , (1.4) với x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút T, PT ký hiệu công suất phát của nút T, hTR là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút T và nút R, nR là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút R. Hơn nữa, nhiễu nR là biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 .
7 Từ công thức (1.4), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút đích D được tính như sau: PT | hTR |2  TR = . (1.5)  02 Tỷ số SNR trong công thức (1.5) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng thông (BW = 1) được viết như sau:  P | h |2  CTR = log 2 (1 +  TR ) = log 2 1 + T TR  . (1.6)   02  1.1.5 Hiệu năng mạng vô tuyến Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity), v.v. Đề án này sẽ nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng của mô hình nghiên cứu. Xác suất dừng là xác suất mà dung lượng kênh tức thời nhỏ hơn một ngưỡng biết trước. Ký hiệu ngưỡng biết trước là Cth , ta có công thức tính xác suất dừng như sau:  2Cth − 1  OP = Pr ( CTR  Cth ) = Pr  | hTR |  2 2  . (1.7)  PT /  0  Công thức (1.7) cũng cho thấy xác suất dừng chính là xác suất mà độ lợi kênh giữa nút phát T và nút thu R nhỏ hơn một ngưỡng xác định trước. Sử dụng hàm CDF của độ lợi kênh | hTR |2 như đã đưa ra trong công thức (1.2), xác suất dừng trong công thức (1.7) được tính như sau:  2Cth − 1   2Cth − 1  OP = F|h  2  = 1 − exp  − . (1.8)  PT /  0  PT /  02  2 TR | 
8 1.1.6 Mô phỏng Monte Carlo Để kiểm chứng kết quả của các bài toán ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp tính toán và mô phỏng dựa trên việc sử dụng các số ngẫu nhiên để xấp xỉ giá trị hoặc đánh giá xác suất của một vấn đề. Phương pháp này có các bước như sau: Bước 1: Đầu tiên, ta xác định mô hình toán học hoặc mô tả quy trình của vấn đề cần giải quyết. Mô hình này sẽ quy định cách các yếu tố tương tác với nhau và tạo ra kết quả cuối cùng. Bước 2: Tạo ra một tập hợp các giá trị ngẫu nhiên dựa trên phân phối xác định. Các giá trị ngẫu nhiên này có thể được tạo ra từ các phân phối, tùy thuộc vào yêu cầu của vấn đề và mô hình. Ví dụ trong bài toán tính xác suất dừng ở trên, ta sử dụng hàm MATLAB [2] sau để tạo ra kênh truyền ngẫu nhiên có phân phối fading Rayleigh: h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1)); (1.9) Trong công thức (1.9), randn(1,1) là hàm MATLAB tạo ra biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1. Bước 3: Sử dụng dữ liệu ngẫu nhiên được tạo ra, ta áp dụng chúng vào mô hình và tính toán các giá trị hoặc đánh giá kết quả mong đợi. Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần để tạo ra một tập hợp đủ lớn các kết quả mô phỏng. Ví dụ trong bài toán tính xác suất dừng, ta sẽ tạo ra nhiều phép thử và đếm số lần hệ thống bị dừng. Bước 4: Từ tập hợp các kết quả mô phỏng, ta có thể tính toán các giá trị trung bình, phương sai, tỷ lệ xác suất, hay các ước lượng khác để đưa ra kết luận về vấn đề ban đầu. Ví dụ trong bài toán tính xác suất dừng, kết quả chính là số lần hệ thống bị dừng chia cho tổng số phép thử, đây cũng chính là xác suất dừng của hệ thống. Ngoài 4 bước cơ bản trên, ta còn có thể so sánh giữa kết quả mô phỏng có được và kết quả lý thuyết tính toán. Ví dụ xác suất dừng trong công thức (1.8) chính là kết quả tính toán lý thuyết, và ta cần so sánh với mô phỏng để kiểm chứng tính chính xác. Tuy nhiên, các bài toán thực tế thường rất phức tạp và không thể đưa ra