HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

LÊ THỊ HỒNG NGỌC

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐƯỜNG
TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA
ĐƯỜNG SỬ DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VỚI
SỰ XUẤT HIỆN CỦA CÁC NÚT NGHE LÉN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM - 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Trung Duy

Phản biện 1: ………………………………………………………………
Phản biện 2: ………………………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1


Beacon. Hơn nữa, Học viên đề xuất các phương pháp chọn đường nhằm nâng cao
hiệu năng của hệ thống khảo sát, dưới sự tấn công của các nút nghe lén.
Dự kiến cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 04 chương, cụ thể như sau:
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI


3

CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về chuyển tiếp và chuyển tiếp đa chặng
1.1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp

S
D

Hình 1.1. Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp.

Một mô hình chuyển tiếp cơ bản bao gồm ba thành phần chính: Nút nguồn
(S), nút chuyển tiếp (N), nút đích (D).
- Nút nguồn: là nút sẽ gửi dữ liệu đi tới nút đích.
- Nút chuyển tiếp: các nút này có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ nút nguồn
gửi tới. Chúng chuyển tiếp để dữ liệu tới được nút đích. Nút chuyển tiếp có
thể dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF))
[2] hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) [2].
- Nút đích: là nút sẽ nhận dữ liệu.


5

chuyển động (Mobile adhoc networks), mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio
networks), mạng thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến (radio frequency energy
harvesting) và kể cả các mạng truyền thống như mạng thông tin di động. Chuyển
tiếp không những nâng cao tốc độ truyền dẫn, mà còn mở rộng được vùng phủ sóng
và hiệu quả về mặt năng lượng. Đối với các thiết bị nhỏ, công suất phát thấp như
các nút cảm biến (sensor nodes) và các thiết bị vô tuyến IoT (Internet of Things),
việc thiết lập những cơ chế chuyển tiếp dữ liệu trong mạng sẽ là một phương pháp
phổ biến trong tương lai.
Ba là, chuyển tiếp hai chặng (dual-hop relay) hay chuyển tiếp hai bước nhảy
được sử dụng phổ biến trong thực tế. Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa nguồn và
đích đủ xa, sự chuyển tiếp có thể được thực hiện thông qua nhiều nút trung gian hay
nhiều chặng (multi-hop). Truyền thông đa chặng (multi-hop communications) được
sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây và mạng adhoc chuyển động. Đây
là những mạng tự quản (không dựa vào các kiến trúc hạ tầng) và các thiết bị trong
mạng có công suất phát và năng lượng giới hạn.
Kế đến, vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến cũng là một vấn đề hết sức
quan trọng. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, thông tin được gửi đi có thể bị
nghe lén bởi những người nghe không hợp pháp. Thông thường, các phương pháp
mật mã được sử dụng để bảo mật thông tin. Tuy nhiên, các phương pháp bảo mật
này thường phức tạp và việc triển khai chúng trên những thiết bị nhỏ như các nút
cảm biến có thể gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Để đạt được hiệu quả bảo mật với
độ phức tạp thấp hơn, gần đây, phương thức bảo mật trên lớp vật lý (Physical layer
security) đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Đây là phương pháp
bảo mật vừa đơn giản và vừa hiệu quả, bởi vì kỹ thuật này chỉ yêu cầu các thông tin
về khoảng cách và thông tin trạng thái kênh truyền giữa các thiết bị đầu cuối để
thiết lập các cơ chế bảo mật. Do đó, chủ đề nghiên cứu trong đề cương cũng sẽ quan
tâm đến vấn đề bảo mật sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền.



CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Mô hình hệ thống

B

S

N1,1

N1,2

N1,L1

N k ,1

N k ,2

N k ,Lk

N M ,1

N M ,2

N M , LM

E1

E2


B

S

N k ,1

E1

N k ,2

E2

N k ,Lk

D

EK

Hin
̀ h 2.2: Chuyển tiếp dữ liệu trên tuyến thứ k

2.2 Công suất phát của các nút
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu
Để các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu của nút phát X, nút X cần
giảm công suất phát của mình. Gọi Rth là tốc độ dữ liệu yêu cầu, và nếu như dung
lượng C nhỏ hơn giá trị này thì các nút nghe lén không thể giải mã dữ liệu thành
công. Thật vậy, ta có:


9


với
Rth

k  2

1  k

 1.

(2.7)

Từ các công thức (2.3) và (2.6), ta đạt được biểu thức tính công suất phát tối
đa mà nút X có thể sử dụng là:


k
PX  min   P X,B ,

max  X,Et
t 1,2,..., K







.


n 1,2,..., Lk 1

C

N k , n 1 , N k , n




 PX Nk , n 1 , N k , n
 min  1    k log 2 1 
n 1,2,..., Lk 1 
N0




  .


(2.13)


10

2.3 Các phương pháp chọn đường
Phương pháp 1: Phương pháp chọn đường ngẫu nhiên (RP: Random Path)
Trong phương pháp đầu tiên, với tên gọi chọn lựa ngẫu nhiên, nút nguồn sẽ
chọn ngẫu nhiên 01 tuyến để truyền dữ liệu đến đích. Đây là phương pháp đơn giản
nhất để chọn lựa tuyến, tuy nhiên phương pháp này có thể không đạt được hiệu

b :Cbe 2 e  max  Cke 2e  .
k 1,2,..., M

(2.15)


11

Công thức (2.15) có ý nghĩa rằng nếu tuyến thứ b được chọn để truyền dữ
liệu thì dung lượng kênh Shannon trên tuyến b phải đạt giá trị lớn nhất, trong đó

Cke 2 e là dung lượng kênh toàn trình của tuyến thứ k được đưa ra trong công thức
(2.13).

2.4 Mô hình kênh truyền
2.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình đề xuất
Pr



min

n 1,2 ,..., Lk 1









R

th


(2.22)





 1   1  Pr C N s ,u 1 , N s ,u  Rth ,
u 1

Đối với giao thức BP, xác suất dừng của mô hình này sẽ được tính như sau:



OPBP  Pr max  Cke 2 e   Rth
k 1,2,..., M

   Pr
k 1 
M



min


1
OPRP 
M

M


k 1











 2 N 0  k N , N  N ,B K1 2 N 0  k N , N  N ,B 

k , n 1
k ,n
k , n 1
k , n 1
k ,n
k , n 1




 

K


1
N
,B
k
,
n

1
k
,
n
k
,
n

1



v Nk , n 1 ,E 
N 0  k 
 


 




2

w



1 M  Lk 1  K 1 2N k , n 1 , N k , n   Nk , n 1 ,E   N 0  k  N k , n 1 ,B 
 .
OPRP   1   


 N     N ,E


M k 1  n1  w0
w!
0 k 
k , n 1

 Nk , n 1 , Nk , n 






 N0 k




(2.49)

2.5.2 Xác suất dừng của giao thức SP
Sử dụng kết quả của giao thức RP, ta có thể tính được xác suất dừng của giao
thức SP theo hai trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Các nút nghe lén không phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.


13

Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP sẽ là:







 2 N 0  s N , N  N ,B K1 2 N 0  s N , N  N ,B 

s , n 1
s ,n
s , n 1
s , n 1
s ,n
s , n 1







(2.50)
với
Rth

s  2

1  s

 1.

(2.51)

Trường hợp 2: Các nút nghe lén phối hợp với nhau để giải mã dữ liệu.
Trong trường hợp này, xác suất dừng toàn tình của mô hình SP được tính
như sau:



2 N  

0 s N s , n 1 , N s , n  N s , n 1 ,B K1 2 N 0  s N s , n 1 , N s , n  N s , n 1 ,B  



w1


 0 k




  N s , n 1 ,E



 N s , n 1 , N s , n  
K w1  2 N 0  s  N s , n 1 ,B 


N0 s












(2.52)

2.5.3 Xác suất dừng của giao thức BP

 
v

OPBP   1       1 CKv 2Nk , n 1 , N k , n 
 .
k 1 
n 1  v 1




 
N 0  k  N k , n 1 ,B
v Nk , n 1 ,E 




K  2 N 0  k  N k , n 1 , N k , n 
  N k , n 1 ,B   


v N k , n 1 ,E 1 
N0 k 



 
 Nk ,n 1 , Nk , n 


0
k
N
,
N
N
,B
1
0
k
N
,
N
N
,B

k , n 1
k ,n
k , n 1
k , n 1
k ,n
k , n 1





w1

2

k , n 1
k , n 1


OPBP   1    


 N     N ,E



w!
k 1 
n 1 w 0
0 k 
k , n 1

 N k , n 1 , Nk , n 




N



 0 k






(2.54)


15

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1 Xác suất dừng của giao thức RP

Hin
̀ h 3.1: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi L  2,3 , Rth  0.05,

K  2, yE  1 và   0.1 .

Hin
̀ h 3.2: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén không
cộng tác với nhau, L  2,3 , Rth  0.05, yE  1 và   0.1 .


16

Hin
̀ h 3.3: Xác suất dừng của giao thức RP vẽ theo P khi những nút nghe lén cộng tác
với nhau để giải mã dữ liệu, L  2,3 , Rth  0.01, yE  1 và K  2 .

3.2 Xác suất dừng của giao thức SP

Hin
̀ h 3.4: Xác suất dừng của giao thức SP vẽ theo P khi L  1, 2,3 , Rth  0.05,

cộng tác với nhau, L  1, 2,3 , Rth  1, yE  1 và   0.35 .

Hình vẽ 3.8 cho ta thấy rằng khi số lượng nút nghe lén tăng sẽ kéo theo xác
suất dừng của mô hình BP tăng.


19

Hin
̀ h 3.9: Xác suất dừng của giao thức BP vẽ theo P khi những nút nghe lén cộng tác
với nhau để giải mã dữ liệu, L  1, 2,3, 4 , Rth  0.5, yE  1 và K  4 .

Hình 3.9 cho kết quả tương tự như Hình 3.3 và 3.5: OP của giao thức BP
cũng sẽ hội tụ đến một giá trị khi công suất phát P đủ lớn.

3.4. So sánh OP giữa các giao thức khi các nút nghe lén không hợp tác
với nhau

Hin
̀ h 3.10: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo P khi những nút nghe lén
không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, L  2,3, 4 , Rth  0.5, yE  1, K  4
và   0.1 .


20

Hin
̀ h 3.11: Xác suất dừng của giao thức RP, SP, BP vẽ theo Rth khi những nút nghe
lén không cộng tác với nhau để giải mã dữ liệu, P  10 dB, L  2,3,5 , yE  0.5,



22

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận
Những công việc được thực hiện trong luận văn có thể được liệt kê như sau:
- Nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường. Đây là mô hình hiệu quả
nhằm nâng cao hiệu năng cho các mạng chuyển tiếp đa chặng. Mô hình này
có thể áp dụng cho các mạng adhoc hay mạng cảm biến trong thực tế, trong
đó số lượng nút mạng là lớn, do đó sẽ có nhiều tuyến đi từ nguồn đến đích.
- Đưa ra công thức tính công suất phát cho các nút phát dưới sự ràng buộc về
năng lượng thu thập và sự xuất hiện của các nút nghe lén. Thật vậy, các nút
trong mạng có năng lượng hữu hạn và phải thu thập năng lượng từ một trạm
phát sóng vô tuyến được triển khai trong mạng. Hơn nữa, các nút phát cũng
phải giảm công suất phát của mình để các nút nghe lén không thể giải mã
thành công dữ liệu nhận được.
- Nghiên cứu hai mô hình nghe lén: các nút nghe lén có thể hợp tác với nhau
hoặc không hợp tác với nhau để giải mã dữ liệu.
- Khảo sát 03 phương pháp chọn tuyến: trong phương pháp thứ nhất (RP),
một tuyến ngẫu nhiên sẽ được chọn để chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn đến
đích. Trong phương pháp thứ hai (SP), tuyến có số chặng ngắn nhất sẽ được
chọn để chuyển tiếp dữ liệu. Trong phương pháp cuối cùng (BP), tuyến nào
có dung lượng kênh truyền lớn nhất sẽ được chọn để gửi dữ liệu.
- Mô phỏng các mô hình đề xuất trên kênh truyền fading Rayleigh để đánh
giá hiệu năng xác suất dừng của hệ thống.
- Sử dụng các công cụ toán học để đưa ra các biểu thức tường minh đánh giá
chính xác hiệu năng xác suất dừng của các mô hình đề xuất. Hơn nữa, các
biểu thức toán học còn được kiểm chứng sự chính xác thông qua các kết
quả mô phỏng.