Cải thiện hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng phương pháp lựa chọn ăng ten thu/phát

trình 
bày trong phần 5. 
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
S
R
D
h1,i 
h2,j 
feedback
E
Hình 1. Mô hình hệ thống. 
Xem xét hệ thống chuyển tiếp hai chặng như hình 1. Hệ thống bao gồm một nút nguồn 
S được trang bị 
SN ăng ten, một nút chuyển tiếp, nút đích D được trang bị DN antenna. 
Trong hệ thống này có mặt của thiệt bị nghe trộm kí hiệu E và nút E được trang bị một 
anten. Truyền thông từ S đến D thông qua R nhằm giảm công suất phát tại nguồn. Nút 
chuyển tiếp R sử dụng kĩ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward). Trong 
khi đó, nút E thu, giải mã dữ liệu thông qua kênh nghe lén. Tại S sử dụng kỹ thuật TAS, 
tại D sử dụng kĩ thuật SC. Để thực hiện kĩ thuật TAS hệ thống cần có thông tin trạng thái 
kênh truyền (CSI: Channel State Information) từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp, CSI có 
được có thể bằng phương pháp sử dụng chuỗi huấn luyện kênh hoặc sử dụng phương pháp 
hồi tiếp. Trong hệ thống mà chúng tôi khảo sát, giả sử rằng, do tác đông của trễ (lỗi thời) 
hồi tiếp (Outdate CSI) dẫn đến CSI không hoàn hảo. Kênh truyền bao gồm cả kênh chính 
và kênh nghe lén được giả sử tuân theo phân bố Rayleigh và hiện tượng pha đinh là phẳng 
trong mỗi khung dữ liệu nhưng có thể thay đổi ở những khung kế tiếp nhau. Nút chuyển 
tiếp đặt chính giữa nút nguồn và nút đích, nút nghe lén di chuyển tùy ý trong mặt phẳng 
hai chiều. 
Khi giả sử rằng, CSI nhận được do trễ hồi tiếp có thể được mô hình hóa bởi biểu thức 
sau [9]: 
 21, 1, 1 ,n nh h  (1) 
trong đó: 1,nh là hệ số kênh truyền theo giả thiết không xảy ra trễ hồi tiếp.  là đặc trưng 
cho sai số ước lượng kênh truyền và có dạng phân bố tương đương với 1,nh , là hệ số 
tương quan giữa kênh ước lượng và kênh thức tế, với 0,1 . 
Trong pha thứ nhất, tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp là: 
R 1, Rw , 1.... ,S n Sy P h x n N (2) 
trong đó, SP là công suất phát của nút nguồn, x và 2Rw 0,CN  tương ứng là tín hiệu 
và nhiễu trắng cộng tính (AWGN). 
Khi đó, tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (SNR: signal- noise-ratio) thu được tại nút chuyển 
tiếp từ anten phát thứ n được lựa chọn có thể mô hình hóa bởi biểu thức sau: 
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 T. A. Thắng , , T. M. Hoàng, “Cải thiện hiệu năng bảo mật  chọn ăng ten thu/phát.” 128 
2
1,2... 1,2
max
S
S
SR n N n
R
P
h

 , (3) 
Trong pha thứ hai, tín hiệu nhận tại nút đích được biểu diễn bới phương trình sau: 
 D 2, DwR jy P h x (4) 
trong đó, 2, jh là hệ số kênh truyền từ R đến D và 2D Dw 0,CN  là AWGN ở nút đích. 
Từ (4), biểu thức SNR theo phương thức kết hợp SC được biểu diễn như sau: 
2
1 2,2
max .
D
R
RD j N j
D
P
h

  (5) 
Từ biểu thức (3), (5) hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) và 
hàm phân phối tích lũy (CDF: Cumulative Distribution Function) của SNR được biểu 
diễn như sau: 
 (z) 1 exp
AB
M
AB
z
F

 (6) 
1
1
(z) 1 exp ,
AB
M
m
m AB AB
M m mz
f
m

 
 (7) 
với  2, 2
,
, E , E .
A B AB
AB AB AB
A B
P
h

 

 là toán tử trung bình. 
trong đó, AB là kí hiệu cho đường truyền từ A đến B, ,S DM N N và ,m n j . 
Thêm vào đó, SNR mà nút nghe lén nhận được khi nút nguồn và nút chuyển tiếp phát 
tín hiệu trên kênh chính được biểu diễn bởi. 
2 2/SE S SE EP h  , (8) 
2 2/RE R RE EP h  . (9) 
Khi hệ thống có CSI không hoàn hảo, bài toán quan trọng nhất là xác định được mối 
quan hệ của hàm phân bố giữa CSI thực tế và CSI ước lượng. Từ công thức (1), ta có thể 
nhận được SNR với CSI không hoàn hảo là
2
2
1,2..... 1,max /SR S n N n RP h  , khi đó, hàm 
phân bố SNR tương quan được xác định bởi [10] như sau: 
 ,(n) (n) 02 2 2
21
, exp ,
1 1 1SR SR SR SR SR
xyx y
f x y I 
   
 (10) 
trong đó, 0 .I là kí hiệu hàm Bessel bậc không loại một. 
Sử dụng tính chất của lý thuyết phân bố biên duyên và xác suất điều kiện như trong 
[11], [12] chúng ta có: 
( ) ( ) ( ) ( )|0
( | ) ( ) ,
SR k SR k SR k SR k
f x f x y f y dy   
 (11) 
trong đó, 
( ), ( )
( ) ( )
( )
|
,
( | ) .
( )
SR n SR n
SR k SR k
SR n
f x y
f x y
f y
 
 

 (12) 
Kết hợp (7), (10), (11) và (12), sau các bước biến đổi đơn giản nhận được CDF và PDF 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 129 
của SNR trên chặng thứ nhất trong điều kiện CSI không hoàn hảo như sau: 
( )
1
2 2
1
1
exp .
(1 ( 1)(1 )) (1 ( 1)(1 ))
S
SR k
nN
S
n SR SR
N n nx
f x
n n n

  
 (13) 
( )
1
2
1
1 1 exp .
(1 ( 1)(1 ))
S
SR k
N
nS
n SR
N nx
F x
n n

 
 (14) 
3. PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG BẢO MẬT 
Xác suất dừng bảo mật được định nghĩa là xác suất mà tốc độ giải mã của kênh nghe 
lén lớn hơn tốc độ giải mã của kênh chính (kênh dữ liệu mong muốn). Một hệ thống được 
xem có khả năng đảm bảo an toàn thông tin nếu dung lượng kênh chính lớn hơn dung 
lượng kênh nghe lén. Theo định lý Shannol chúng ta có dung lượng kênh tức thời từ 
S R và S E được xác định là: 
 2
1
log 1 .
2
SR SRC  (15) 
 2
1
log 1 .
2
SE SEC  (16) 
Do đó, chúng ta có dung lượng bảo mật trên chặng thứ nhất được xác định như sau: 
  1 ,SR SEC C C
 (17) 
trong đó,   max 0, .x x
 Thay thế (15), (16) vào (17) chúng ta nhận được: 
 1 2 2 2
11 1 1
log 1 log 1 = log .
2 2 2 1
SR
SR SE
SE
C

 

 (18) 
Dung lượng kênh truyền tức thời từ R D và R E được xác định tương ứng là: 
 2
1
log 1
2
RD RDC  (19) 
 2
1
log 1
2
RE REC  (20) 
Dung lượng bảo mật chặng thứ hai được xác định: 
  2 ,RD REC C C
 (21) 
Thay (19) và (20) vào (21), ta có: 
 2 2 2 2
11 1 1
log 1 log 1 = log .
2 2 2 1
RD
RD RE
RE
C

 

 (22) 
Từ các biểu thức dung lượng tức thời đã xác định như (18) và (22), chúng ta tìm xác 
suất dừng bảo mật của hệ thống (SOP: Secure Outage Probability). Giả sử  là ngưỡng 
giải mã cho trước, khi dung lượng bảo mật của mỗi chặng thấp hơn  thì sự kiện mất bảo 
mật xảy ra. Khi đó, ta có: 
1 1
2
2
2
SOP Pr( )
1 11
 = Pr log Pr 2
2 1 1
 Pr( (1 ) 1), 2 .
SR SR
SE SE
SR th SE th
C



 

 
   
 (23) 
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 T. A. Thắng , , T. M. Hoàng, “Cải thiện hiệu năng bảo mật  chọn ăng ten thu/phát.” 130 
Áp dụng xác suất điều kiện ta viết lại (23) thành: 
 1
0
SOP ( (1 ) 1) ( ) ,
SR SEth
F f d    
 (24) 
Trong đó, 
1
( ) exp .
SE
SE SE
f


 
Sau một vài phép biến đổi ta có: 
1
1
1
1 ( , ) 1
SOP 1 exp ,
( , ) ( , )
S
nN
S SR th
n SR SE th SR
N n n
n n n n
  
      

 (25) 
Trong đó, 2( , ) 1 1 1n n . 
Tương tự như SOP1, chúng ta xác định được SOP2 như sau: 
 2
0
SOP ( (1 ) 1) ( ) ,
RD REth
F f d    
 (26) 
Sau một số bước tính toán nhận được biểu thức SOP trên chặng thứ 2 là: 
1
2
1
1 1
SOP 1 exp .
D
jN
D RD th
j RD RE th RD
N j
j j
 
   
 (27) 
Xác suất dừng bảo mật của toàn chặng được tính như sau: 
2 1 2
1 2
SOP Pr(min( , ) )
 =1-Pr(C , )
e e C C
C

 
 (28) 
Vì 1 2 vaø C C độc lập với nhau nên ta có: 
   
2 1 2
1 2
1 2
SOP =1-Pr(C )Pr( )
 =1- 1 Pr( ) 1 Pr( )
1 (1 SOP )(1 SOP ).
e e C
C C
 
 
 (29) 
Kết hợp các phương trình (25) và (27) chúng ta có SOP của hệ thống. 
4. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 
Trong phần này, bài báo trình bày kết quả phỏng Monte-Carlo, nhằm kiểm chứng các 
kết quả phân tích ở Phần 3 và đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống đề xuất. Thông qua 
kết quả mô phỏng để chứng minh răng, hiệu năng bảo mật của hệ thống được cải thiện 
bằng các kĩ thuật phần cứng mà không dựa vào mã hóa dữ liệu như các công trình nghiên 
cứu trước đây. 
Mô hình hệ thống được giả thiết đặt trong mặt phẳng 2 chiều; nút nguồn S có tọa độ là 
(0,0), nút đích có tọa độ là (1, 0). Nút chuyển tiếp giả sử đặt chính giữa nút nguồn và nút 
đích. Tọa độ nút nghe lén thay đổi theo từng kịch bản khảo sát, kênh truyền có phân bố 
Rayleigh, số mẫu ngẫu nhiên thực hiện mô phỏng là 2^14. Số lượng antenna phát/thu lần 
lượt thay đổi từ 1 to 4. Tốc độ ngưỡng yêu cầu để đảm bảo hệ thống truyền thành công là 1 
bit/s/Hz,  là hệ số suy hao của được quy định bởi môi trường truyền dẫn vô tuyến được 
lựa chọn trong khoảng giá trị từ 2 đến 6. Trong mô hình này, chúng tôi chọn 3 . 
Trước hết, trong hình 2, chúng tôi khảo sát SOP bằng cách thay đổi cấu hình ăng ten tại 
nút nguồn và nút đích, giả sử cố định vị trí nút nghe lén tại tọa độ (1, 1). Hệ số tương quan 
giữa kênh ước lượng và kênh thực tế 0.9 , hệ số suy hao đường truyền giả sử 3 . 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 131 
Từ kết quả thấy rằng, khi tăng số lượng ăng ten, SOP được cải thiện đáng kể, kết quả này 
được giải thích như sau: Khi tăng số ăng ten tại S và D dẫn đến độ lợi kênh chính (kênh dữ 
liệu được cải thiện), do đó, tốc độ giải mã dữ liệu trên kênh chính đạt được lớn hơn. Do 
đó, khả năng bảo mật hệ thống được cải thiện, có nghĩa là SOP giảm. Ngoài ra, kết quả 
trên đồ thị thấy rằng đường lý thuyết và mô phỏng trùng nhau, chứng tỏ các công thức đã 
tính toán hoàn toàn chính xác. 
Hình 2. SOP theo SNR với cấu hình antenna khác nhau. 
Hình 3. Ảnh hưởng của sai số CSI đến SOP. 
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 T. A. Thắng , , T. M. Hoàng, “Cải thiện hiệu năng bảo mật  chọn ăng ten thu/phát.” 132 
Hình 3 trình bày SOP của hệ thống dưới sự tác động của sai số CSI, giả sử số ăng ten 
tại S và D là (3, 3). Từ kết quả có thể thấy rằng, SOP của hệ thống giảm dần khi ta tăng 
có nghĩa là SOP càng tăng khi tăng. Đặc biệt khi 1 SOP đạt tốt nhất, có nghĩa lúc 
này CSI là hoàn hảo. Ngoài ra, khi SNR đạt từ 20dB trở lên thì SOP bảo hòa, có nghĩa là 
với mức công suất phát đủ lớn thì tốc độ giải mã tại E sẽ được cải thiện, do đó, khả năng 
bảo mật của hệ thống không được cải thiện. Tương tự như kết quả hình 2, đồ thị đường lý 
thuyết hoàn toàn trùng với đồ thị kết quả mô phỏng, có nghĩa các bước phân tích hoàn toàn 
chính xác. Thực tế của hệ thống khi sai số CSI được biết đến như phương sai của các hàm 
phân bố SNR tăng lên. 
Hình 4. SOP của hệ thống theo SNR với tọa độ nút nghe lén khác nhau. 
Hình 4 biểu diễn SOP theo SNR với tọa độ của nút nghe lén khác nhau. Giả sử các 
tham số ăng ten cố định là (3, 3), hệ số suy hao đường truyền 3 , sai số CSI 0.9 . 
Từ kết quả trên đồ thị thấy rằng, khi nút E cách xa nút S và nút R, SOP được cải thiện rất 
đáng kể. Ngược lại, khi nút E ở gần S và R thì SOP trở nên tồi tệ thậm chí có thể mất bảo 
mật hoàn toàn. Do khoảng cách càng lớn thì độ lợi kênh càng giảm và ngược lại. Trong 
thực tế hệ thống các nút nghe trộm thường được cài đặt gần với các nút thu dữ liệu, do đó, 
trường hợp cài đặt cạnh nút phát ít có trường hợp xảy ra. Vì vậy, khảo sát này hoàn toàn 
hợp so với cấu hình mạng thực tế triển khai. 
5. KẾT LUẬN 
Trong bài báo này đã phân tích SOP của hệ thống đa ăng ten. Từ kết quả có thể kết luận 
được rằng, khi tăng số ăng ten thu phát cho kênh chính thì hệ thống có khả năng cải thiện 
hiệu quả bảo mật dữ liệu. Hơn nữa, bài báo cũng xác định được ảnh hưởng của sai số CSI để 
thực hiện TAS có tác động đáng kể đến SOP của hệ thống. Kết quả phân tích giải tích đã 
kiểm chứng là hoàn toàn chính xác bằng mô phỏng Monte-Carlo. Hệ thống được khảo sát 
trong bài bào này là mô hình có ý nghĩa khoa học cao, có thể được ứng dụng để thiết kế các 
mạng vô tuyến trong bối cảnh phát triển IoT hiện nay và tương lai của mạng 6G. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Y. Yang, Q. Li, W.-K. Ma, J. Ge, and P. Ching, "Cooperative secure beamforming 
for AF relay networks with multiple eavesdroppers," Signal Processing Letters, 
IEEE, vol. 20, pp. 35-38, 2013. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 133 
[2]. J. Qiu, D. Grace, G. Ding, J. Yao, and Q. Wu, "Blockchain-Based Secure Spectrum 
Trading for Unmanned Aerial Vehicle Assisted Cellular Networks: An Operator’s 
Perspective," IEEE Internet of Things Journal, 2019. 
[3]. H. Hui, G. Li, and J. Liang, "Secure Relay and Jammer Selection for Physical Layer 
Security," Signal Processing Letters, IEEE, vol. 22, pp. 1147-1151, 2015. 
[4]. M. Li, B. Selim, S. Muhaidat, P. Sofotasios, M. Dianati, P. Yoo, et al., "Effects of 
residual hardware impairments on secure NOMA-based cooperative systems," IEEE 
Access, vol. 4, 2019. 
[5]. Y. Lu, K. Xiong, P. Fan, Z. Zhong, and K. B. Letaief, "Robust transmit beamforming 
with artificial redundant signals for secure SWIPT system under non-linear EH model," 
IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, pp. 2218-2232, 2018. 
[6]. S. Yan, M. Peng, W. Wang, L. Dong, and M. Ahmed, "Relay self-selection for 
secure cooperative in Amplify-And-Forward networks," in Communications and 
Networking in China (CHINACOM), 2012 7th International ICST Conference on, 
2012, pp. 581-585. 
[7]. Y. Huang, F. S. Al-Qahtani, T. Q. Duong, and J. Wang, "Secure transmission in 
MIMO wiretap channels using general-order transmit antenna selection with outdated 
CSI," IEEE Transactions on Communications, vol. 63, pp. 2959-2971, 2015. 
[8]. D.-D. Tran, N.-S. Vo, T.-L. Vo, and D.-B. Ha, "Physical Layer Secrecy Performance of 
Multi-hop Decode-and-Forward Relay Networks with Multiple Eavesdroppers," 2015. 
[9]. M. Himal A. Suraweera, IEEE, Peter J. Smith, Senior Member, IEEE, and Mansoor 
Shafi, Fellow, IEEE, "Capacity Limits and Performance Analysis of Cognitive Radio 
With Imperfect Channel Knowledge," 2010. 
[10]. W. B. M. Schwartz, and S. Stein, "Communication Systems and Techniques," 1995. 
[11]. M. Redha M. Radaydeh, IEEE, " Impact of Delayed Arbitrary Transmit Antenna 
Selection on the Performance of Rectangular QAM with Receive MRC in Fading 
Channels," 2009. 
[12]. M. Himal A. Suraweera, IEEE, Madushanka Soysa, Student Member, IEEE, Chintha 
Tellambura, Senior Member, IEEE, and Hari K. Garg, Senior Member, IEEE, 
"Performance Analysis of Partial Relay Selection With Feedback Delay," 2010. 
 ABSTRACT 
AN IMPROVED SECURE OUTAGE PROBABILITY 
FOR THE RELAY NETWORK USING MULTIPLE ANTENNA 
In this paper, we proposed and analysis on secrecy performance of dual hop 
communication with multiple-input multiple-output where transmitter employs 
transmit antenna selection in condition of imperfect channel state information while 
receiver perform selection combining with perfect CSI. New closed-form 
expressions are derived for the exact secrecy outage probability. Based on 
mathematic schemes, we derived the secrecy outage probability. We examine our 
analysis results by using Monte Carlo simulation. 
Keywords: Transmit Antenna Selection; Secrecy Outage Probability; Outdate CSI. 
Nhận bài ngày 20 tháng 7 năm 2020 
Hoàn thiện ngày ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Địa chỉ: 1Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp-Đại học Thái Nguyên; 
2Trường Đại học Thông tin liên lạc. 
*
Email: trrananhthang@tnut.edu.vn.