Nâng cao hiệu năng bảo mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật khuếch đại - Chuyển tiếp có một trạm nghe lén

c đăng ký trong hệ thống, hay với một số khu vực 
có tính an toàn vật lý cao và dịch vụ truyền tin có đòi hỏi những trạm tham gia truyền 
tin trong hệ thống đều phải đăng ký thuê bao. Khi này, việc nghe lén là do các người 
dùng hợp pháp trong hệ thống nghe lén lẫn nhau đối với một thông báo cụ thể và tại một 
thời điểm truyền tin cụ thể. 
 Với giả thiết này, bài toán (6) sẽ chuyển về dạng: 
 w† Gw 1
 min log 
 w w† Aw 1
 †
 s.t. w w PR (17) 
 w† Bw 0
 2
 (wm p m ,  m 1,  , M )
 Bằng cách đặt biến và chuyển các giá trị biến phức về dạng số thực để biến đổi bài 
toán về dạng tương đương sau: 
 xT G x 1
 min logr 
 x T
 x Ar x 1
 T
 s.t. x x PR (18) 
 T
 x Br x 0
 2
 (xm p m ,  m 1,  , M )
với 
 Re A Im A Re w 
 Ar , x 
 Im A Re A Im w 
 Re(BBG ) Im( ) Re( ) Im(G ) 
 BGr r .
 Im BBG Re Im Re G 
70 
 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
 Biến đổi tiếp bài toán (18) về dạng bài toán quy hoạch DC bằng cách phân tích 
thành phần hàm mục tiêu không lồi về hiệu của hai hàm lồi như sau: 
 min f1 x f 2 x 
 w 
 s.t. xT x P
 R (19) 
 T
 x Br x 0
 2
 (xm x M m p m ,  m 1,  , M )
 1 2 1 2 TT
trong đó: f1 x  x ; f2 x  x ln 1 x Gr x ln 1 x A r x 
 2 2
 Hằng số  max 4GA r r / 2 là giá trị riêng lớn nhất (Giá trị λ được gọi là 
giá trị riêng của ma trận vuông A, nếu tồn tại một vectơ a ≠ 0, sao cho 
Aa = λa, a là vectơ riêng của ma trận A) của ma trận ( 4GAr r )/2 để đảm bảo cho cả 
hai hàm f1 x và f2 x là các hàm lồi. 
 Áp dụng giải thuật DCA, affine hóa thành phần lõm bằng cách lấy đạo hàm của 
 l
f2 x tại điểm x như sau: 
 GA
 l lr r l
 f2 x  x 2(TT ) x
 1 xl G x l 1 x l A x l
 r r 
 Khi này, thuật toán DCA-AF1E được đề xuất để giải bài toán (11) như sau: 
LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN DCA-AF1E 
Dữ liệu vào (Input): Giá trị hệ số kênh từ trạm nguồn đến các trạm chuyển tiếp hsr, từ 
các trạm chuyển tiếp đến trạm đích hrd và từ các trạm chuyển tiếp đến các trạm nghe lén 
 5
hre, điều kiện dừng của thuật toán DCA là  10 . 
Khởi tạo (initialization). Chọn một điểm khởi tạo ngẫu nhiên x0, đặt l=0 
Lặp lại (repeat): l = l+1, tính xl bằng cách giải bài toán quy hoạch lồi con sau: 
 1 2 l
 min τx f2 x , x
 x 2
 T
 s.t. x x PR 
 T
 x Br x 0
 2
 (xm x M m p m ,  m 1,  , M )
 71
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
Cho đến khi thoả mãn một trong các điều kiện sau (until): 
 l l 1
 xl x l 1 f x f x 
 l 1  hoặc  
 1 x 1 f xl 1 
với f x f1 x f 2 x 
Trả kết quả (Output): Rs = f(x). 
 Định lý: Tính chất hội tụ của thuật toán DCA-AF1E 
 (i) Giải thuật DCA-AF1E sinh ra dãy {xl} và dãy giá trị của hàm mục tiêu tương 
ứng {f(xl)} là đơn điệu giảm. 
 (ii) Mọi điểm tới hạn x* của dãy {xl} là điểm tới hạn của bài toán (19). 
 Chứng minh: 
 Có thể nhận thấy ngay rằng dãy {xl} là bị chặn do ràng buộc đầu tiên của bài toán 
(19). Hơn nữa, cả hai hàm f1 x và f2 x đều có đạo hàm trên miền ràng buộc. Vì 
những điều kiện này, các khẳng định của Định lý có thể suy luận trực tiếp từ tính hội tụ 
của DCA đã được nêu trong [11, 15, 16]. 
 Theo tính chất hội tụ của thuật toán DCA-DF1E trong Định lý thì thuật toán 
DCA-AF1E luôn có số vòng lặp giới hạn, có thể lập trình thực nghiệm và điều kiện 
dừng của thuật toán sẽ xảy ra sau một số vòng lặp nhất định. 
 Như vậy, bằng các phép biến đổi tương đương phù hợp, bài toán AF1E với cả hai 
loại ràng buộc (về tổng công suất truyền tại các trạm chuyển tiếp hoặc ràng buộc về 
công suất truyền riêng tại mỗi trạm chuyển tiếp) đã chuyển thành bài toán có dạng quy 
hoạch của hiệu hai hàm lồi để tạo cơ sở cho việc đề xuất thuật toán DCA-AF1E bằng 
cách áp dụng giải thuật DCA như ở trên. Đây là phương pháp giải mới cho bài toán này, 
nội dung nghiệm ở phần sau sẽ thể hiện tính hiệu quả của giải thuật DCA-AF1E đề xuất 
so với phương pháp giải tìm nghiệm SubOpt đã được công bố. 
5. Thực nghiệm và kết quả 
 Phần này trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá thuật toán đề xuất DCA-
AF1E và so sánh chúng với phương pháp tìm nghiệm SubOpt đã được công bố. Quá 
trình thực nghiệm trên môi trường Mathlab R2017 kết hợp với công cụ giải các bài toán 
quy hoạch lồi CVX. 
72 
 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
5.1. Sinh cơ sở dữ liệu thực nghiệm 
 Với mô hình vô tuyến chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật AF có sự xuất hiện của 
một trạm nghe lén cụ thể như hình 2 có số trạm chuyển tiếp được sử dụng là M = 10, dữ 
liệu dùng để thực nghiệm là các trường hợp có chất lượng kênh truyền thay đổi tương 
ứng với hệ số kênh truyền khác nhau. Giả thiết hệ thống truyền tin một chiều, các hệ số 
kênh truyền này được sinh ngẫu nhiên theo phân bố Gaussian và được biết trước 
(perfect information channel state). Thông thường thì trạm nghe lén khó được xác định 
trước bởi các trạm chuyển tiếp. Tuy nhiên, trong thực tế trạm nghe lén cũng có thể 
chính là một trạm thu hợp pháp đã được xác định trong hệ thống và việc nghe lén trong 
trường hợp này chỉ là sự nghe trộm giữa hai nhân viên trong cùng một cơ quan đối với 
một thông báo cụ thể. 
 Để làm rõ hơn hiệu quả bảo mật truyền tin với chất lượng kênh truyền khác nhau, 
quá trình thực nghiệm được chia làm hai trường hợp về hệ số kênh truyền từ các trạm 
chuyển tiếp đến trạm thu đích hợp pháp và trạm nghe lén, cụ thể như sau: 
 - Trường hợp 1: Chất lượng kênh truyền của trạm nghe lén tốt hơn chất lượng 
kênh truyền của trạm thu đích. Tương ứng, độ lợi kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp 
đến trạm nghe lén là σz = 2; độ lợi kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp đến trạm thu 
đích là σh = 1. 
 - Trường hợp 2: Chất lượng kênh truyền của trạm nghe lén tương đương với chất 
lượng kênh truyền của trạm thu đích. Tương ứng, độ lợi kênh truyền từ các trạm chuyển 
tiếp đến trạm nghe lén là σz = 2 và độ lợi kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp đến trạm 
thu đích là σh = 2. 
 Ứng với mỗi trường hợp, sinh ngẫu nhiên 100 bộ dữ liệu về giá trị hệ số kênh 
truyền từ trạm phát nguồn tới các trạm chuyển tiếp và giữa các trạm chuyển tiếp tới 
trạm thu đích và trạm nghe lén theo các tham số cấu hình như giả thiết ở trên. Các bộ dữ 
liệu này được dùng chung cho cả hai thuật toán DCA-AF1E và thuật toán SubOpt. 
5.2. Kết quả thực nghiệm 
 Với giả thiết về mô hình hệ thống truyền thông một chiều (chỉ có chiều từ trạm 
nguồn S đến trạm thu D mà không có chiều ngược lại) như được minh họa trong hình 2 
với các thông số cụ thể trong mô hình như phần trên. Ứng với mỗi trường hợp, thực 
hiện 100 lần thử độc lập và lấy kết quả trung bình về giá trị truyền tin bảo mật tại pha 
hai của hệ thống để so sánh. Kết quả thực nghiệm như sau: 
 73
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
 - Trường hợp 1 (σz = 2; σh = 1): Kết quả về giá trị truyền tin bảo mật dựa trên 
công suất truyền như hình 3. Trong đó: 
 + DCA-AF1E-Tot là kết quả thực hiện thuật DCA-AF1E cho trường hợp chỉ xét 
đến ràng buộc về tổng công suất truyền của các trạm chuyển tiếp (Total power constraint). 
 + DCA-AF1E-Ind là kết quả thực hiện thuật DCA-AF1E cho trường hợp chỉ xét đến 
ràng buộc về công suất truyền riêng rẽ giữa các trạm chuyển tiếp (Individual power constraint). 
 + SubOpt-Tot là kết quả thực hiện thuật SubOpt cho trường hợp chỉ xét đến ràng 
buộc về tổng công suất truyền của các trạm chuyển tiếp (Total power constraint). 
 + SubOpt-Ind là kết quả thực hiện thuật SubOpt cho trường hợp chỉ xét đến ràng 
buộc về công suất truyền riêng rẽ giữa các trạm chuyển tiếp (Individual power constraint). 
 Hình 3. Giá trị Rs theo tổng công suất truyền PR (dBm) với σz = 2 và σh = 1 
 - Trường hợp 2 (σz = 2, σh = 2): Kết quả thực nghiệm về giá trị truyền tin bảo mật 
dựa trên giới hạn công suất truyền như hình 4. 
 Hình 4. Giá trị Rs theo tổng công suất truyền PR (dBm) với σz = σh = 2 
74 
 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
 • Nhận xét về kết quả thực nghiệm: 
 Kết quả thể hiện trên hình 3 và hình 4 phản ảnh đúng thực tế là giá trị truyền tin bí 
mật RS luôn tăng theo công suất phát của các trạm chuyển tiếp (PR). Giá trị lớn nhất 
Rs = 12,2 bits/symbol khi PR = 100 dBm ứng với trường hợp chất lượng kênh thu hợp 
pháp và kênh nghe lén ngang nhau (σz = 2, σh = 2). 
 Hình 3 cho thấy, mặc dù kênh truyền của trạm nghe lén tốt hơn kênh truyền của 
trạm thu hợp pháp nhưng vẫn có thể truyền tin bí mật từ trạm chuyển tiếp đến trạm thu 
hợp pháp với tốc độ cao nhất khi PR = 100 dBm là Rs = 11,4 bits/symbol (DCA-
AF1E_Tot). Theo hình 4, khi kênh truyền của hai trạm là tương đương thì giá trị này 
cao hơn, cụ thể Rs = 12,2 bits/symbol (DCA-AF1E_Tot). 
 Kết quả thể hiện thuật toán DCA-AF1E tốt hơn thuật toán SubOpt trong hầu hết 
các trường hợp. 
6. Kết luận 
 Theo lý thuyết thông tin, bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng vô tuyến chuyển 
tiếp hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại - Chuyển tiếp được đưa về dạng bài toán tối ưu 
không lồi và đang là thách thức khoa học cho việc tìm được nghiệm tốt hơn. Bài báo đã 
đề xuất một thuật toán giải mới cho bài toán này dựa trên những phân tích bài toán gốc 
một cách hợp lý để áp dụng Quy hoạch DC và thuật toán DCA. Phần thực nghiệm đã 
thể hiện thuật toán do tác giả đề xuất có tính ưu việt về mặt nghiệm tối ưu so với một 
phương pháp giải đã được công bố. 
Tài liệu tham khảo 
1. A. D. Wyner (Oct. 1975). The Wire-Tap Channel. Bell Syst. Tech. J., 54(8), pp. 1355-1387, 
 doi: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02040.x. 
2. O. G. Aliu, A. Imran, M. A. Imran, and B. Evans (2013). A Survey of Self Organisation in 
 Future Cellular Networks. IEEE Commun. Surv. Tutor., 15(1), pp. 336-361, First 2013, 
 doi: 10.1109/SURV.2012.021312.00116. 
3. X. Chen, D. W. K. Ng, W. H. Gerstacker, and H.-H. Chen (2017). A Survey on Multiple-
 Antenna Techniques for Physical Layer Security. IEEE Commun. Surv. Tutor., 19(2), 
 pp. 1027-1053, Secondquarter 2017, doi: 10.1109/COMST.2016.2633387. 
4. A. Hyadi, Z. Rezki, and M.-S. Alouini (Sep. 2016). An Overview of Physical Layer 
 Security in Wireless Communication Systems with CSIT Uncertainty. IEEE Access, 
 vol. PP, pp. 1-1, doi: 10.1109/ACCESS.2016.2612585. 
5. A. Mukherjee, S. A. A. Fakoorian, J. Huang, and A. L. Swindlehurst (2014). Principles of 
 Physical Layer Security in Multiuser Wireless Networks: A Survey. IEEE Commun. Surv. 
 Tutor., 16(3), pp. 1550-1573, doi: 10.1109/SURV.2014.012314.00178. 
 75
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
6. F. Jameel, S. Wyne, G. Kaddoum, and T. Q. Duong (2019). A Comprehensive Survey on 
 Cooperative Relaying and Jamming Strategies for Physical Layer Security. IEEE Commun. 
 Surv. Tutor., 21(3), pp. 2734-2771, doi: 10.1109/COMST.2018.2865607. 
7. Tạp chí An toàn thông tin, “Kỷ nguyên máy tính lượng tử: Những nghiên cứu hiện nay và triển 
 vọng - Tạp chí An toàn thông tin,” An Toan Thong Tin. 
 khac/chi-tiet-bai-viet-cua-104821 (accessed Mar. 25, 2020). 
8. Y.-W. P. Hong, P.-C. Lan, and C.-C. J. Kuo (Sep. 2013). Enhancing Physical-Layer Secrecy 
 in Multiantenna Wireless Systems: An Overview of Signal Processing Approaches. IEEE 
 Signal Process. Mag., 30(5), pp. 29-40, doi: 10.1109/MSP.2013.2256953. 
9. Physical Layer Security in Wireless Communications. CRC Press. 
 https://www.crcpress.com/Physical-Layer-Security-in-Wireless-Communications/Zhou-
 Song-Zhang/p/book/9781466567009 (accessed Feb. 15, 2020). 
10. S. Sarma, S. Agnihotri, and J. Kuri (Dec. 2015). Secure Communication in Amplify-and-
 Forward Networks with Multiple Eavesdroppers: Decoding with SNR Thresholds. Wirel. 
 Pers. Commun., 85(4), pp. 1945-1956, doi: 10.1007/s11277-015-2881-5. 
11. N. N. Tuan and D. V. Son (2018). DC Programming and DCA for Enhancing Physical 
 Layer Security in Amplify-and-Forward Relay Beamforming Networks Based on the SNR 
 Approach. in Advanced Computational Methods for Knowledge Engineering, vol. 629, 
 N.-T. Le, T. van Do, N. T. Nguyen, and H. A. L. Thi, Eds. Cham: Springer International 
 Publishing, pp. 23-33. 
12. H. Ma and P. Ma (2012). Convex Analysis Based Beamforming of Decode- and-Forward 
 Cooperation for Improving Wireless Physical Layer Security. p. 5. 
13. L. Dong, Z. Han, A. P. Petropulu, and H. V. Poor (Mar. 2010). Improving Wireless Physical 
 Layer Security via Cooperating Relays. IEEE Trans. Signal Process., 58(3), pp. 1875-1888, 
 doi: 10.1109/TSP.2009.2038412. 
14. J. Zhang and M. C. Gursoy (Apr. 2010). Relay Beamforming Strategies for Physical-Layer 
 Security. ArXiv10040899 Cs Math, Accessed: Mar. 02, 2020. [Online]. Available: 
15. H. A. Le Thi, V. N. Huynh, and T. P. Dinh (2014). DC Programming and DCA for General 
 DC Programs. in Advanced Computational Methods for Knowledge Engineering, Cham, 
 pp. 15-35, doi: 10.1007/978-3-319-06569-4_2. 
16. “DC Programming and DCA - Website of Le Thi Hoai An.” 
 lorraine.fr/~lethi/index.php/en/research/dc-programming-and-dca.html (accessed Feb. 22, 2020). 
17. N. N. Tuan and T. T. Thuy (2019). Physical Layer Security Cognitive Decode-and-Forward 
 Relay Beamforming Network with Multiple Eavesdroppers. in Intelligent Information and 
 Database Systems, 11432, N. T. Nguyen, F. L. Gaol, T.-P. Hong, and B. Trawiński, Eds. 
 Cham: Springer International Publishing, pp. 254-263. 
18. T. T. Thuy, N. N. Tuan, L. T. H. An, and A. Gély (2016). DC Programming and DCA for 
 Enhancing Physical Layer Security via Relay Beamforming Strategies. in Intelligent 
 Information and Database Systems, Berlin, Heidelberg, pp. 640-650, doi: 10.1007/978-3-
 662-49390-8_62. 
76 
 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 
 ENHANCING PHYSICAL LAYER SECURITY FOR WIRELESS 
 RELAY NETWORK USING AMPLIFY-AND-FORWARD WITH AN 
 EAVESDROPPER 
 Abstract: The physical layer security idea has been studied by Wyner, published since 1975 and 
is expanding its powerful research in the last decade. According to information theory, these security 
problems are all expressing in the form of optimal problems with the objective function of maximizing the 
secrecy rate or minimizing the transmission power. These optimal problems often have a non-convex 
optimal form of mathematics, so there is no way to find an global optimal solutions, recently published 
tournaments are usually a suboptimal approach. The main contributor to this paper is to propose a new 
solution to this hard problem on the wireless relaying network using AF technique with the occurrence of 
a eavesdropper station based on DC Programming and DCA. The experimental part shows the 
suboptimal approach of our algorithm proposed better than the published solution. 
 Keywords: Physical layer security; DC Programming and DCA; Amplify-and-Forward. 
 Ngày nhận bài: 26/02/2020; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 18/5/2020; Ngày duyệt đăng: 23/6/2020 
  
 77