Đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống FDNOMA khi xuất hiện nhiều nút nghe lén
Nguyễn Trọng Công, Dương Mạnh Thành, Trần Mạnh Hồng
Trường Đại học Thơng tin Liên lạc
, ,
học; Kết quả và thảo luận được trình bày trong phần IV; Kết
luận bài bào được đưa ra trong phần V.

Tóm tắt: Bài báo đề xuất mơ 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 thơng tin trạng thái kênh
truyền khơng hồn hảo. Kết quả của bài báo chỉ ra rằng, mức
nhiễu dư, sai số ước lượng kênh ảnh hưởng đáng kể đến khả
năng bảo mật của hệ thống. Mô phỏng matlab được sử để kiểm
chứng kết quả phân tích và đánh giá khả năng bảo mật của hệ
thống đề xuất.

II. MƠ HÌNH HỆ THỐNG

g1
hRR

D1

g2

h1,k

D2

hE,1
hE,L

Từ khóa: SOP, NOMA, nghe lén, kênh hợp pháp, song công.

E1

E2

I. GIỚI THIỆU

E3
EL

Bảo mật thông tin ở lớp vật lý (PLS: physcal layer
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].
Bên cạnh đó trong các nghiên cứu PLS trong mạng đa truy
nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple
access) cũng đã được quan tâm khảo sát [3, 4]. Tuy nhiên,
trong các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát các tham số bảo
mật hệ thống dưới dạng phân tích cơng thức tường minh của
biểu thức xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy outage
probability) hoặc dung lượng bảo mật, khả năng đánh chặn
cho hệ thống hoạt động ở chế độ bán song công (HD: Halfduplex). Trong khi đó, kỹ thuật truyền song cơng trên cùng
băng tần (FD: Full-duplex) cung cấp dung lượng hệ thống lớn
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:
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
hiệu suất tốt hơn nhưng trên thực tế khó để loại bỏ SI hồn hảo
nên luôn tồn tại một lượng SI làm suy giảm chất lượng hệ thống
FD. Bên cạnh đó việc xem xét thông tin trạng thái kênh truyền
(CSI: channel state information) không hồn hảo là bài tốn
thực tế trong các mạng vơ tuyến. Đặc biệt các nút nghe lén là
thiết bị không được cấp phép hoạt động trong mạng hợp pháp,
tức là không được huấn luyện thông tin kênh truyền trước khi
phát tín hiệu.
Từ những vấn đề trên, bài báo này chúng tơi khảo sát
khả năng bảo mật tín hiệu cho hệ thống chuyển tiếp FDNOMA khi có nhiều nút nghe lén thụ động trong mạng với điều
kiện CSI khơng hồn hảo. Đóng góp của bài báo có thể được
tóm tắt như sau:
Đề xuất mơ hình FD-NOMA chuyển tiếp, trong điều
kiện nhiều nút nghe lén xuất hiện, mơ hình hóa các biểu thức tỉ
số tín hiệu/nhiễu (SNR: Signal-to-noise-ratio).
Xây dựng cơng thức tường minh SOP cho hai người
dùng NOMA khi kênh truyền phân bố Rayleigh. Sử dụng mô
phỏng Matlab để kiểm chứng các kết quả đã phân tích.
Cấu trúc bài báo được trình bày như sau: Phần II mơ tả mơ
hình hệ thống; Phần III trình bày các kết quả phân tích tốn

S
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống

Mơ hình hệ thống đề xuất được mơ tả như trong Hình
1. Hệ thống bao gồm nút nguồn S trang bị nhiều ăng-ten, nút
chuyển tiếp song cơng R, hai nút đích và nhóm nhiều nút nghe
lén. Gọi hSR  {h1, k }, k = 1, , K là vector kênh truyền giữa S
và R, g1 và g 2 lần lượt là hệ số kênh truyền từ R đến D1 và D2,

h2, E  {h2, El }, l = 1, , L là các hệ số kênh truyền từ R đến các
nút nghe lén, hệ số kênh truyền tự nhiễu tại R ký hiệu bởi hRR .
Với các kênh truyền có CSI khơng hồn hảo được mơ hình hóa
bởi [6, 7]
h =  hˆ + 1 −  2 e ,
(1)
1, k

h2, El

1, k

= hˆ2, El +

1, k

El

(2)

,

Hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: Nút nguồn lựa
chọn ăng ten với tỉ số (SNR: signal-to-noise ratio) tốt nhất để
phát đồng thời 2 tín hiệu đã xếp chồng theo mức công suất,
xS = a1 PS x1 + a2 PS x2 đến 2 nút đích thơng qua R. Do
hoạt động song công (FD: Full-duplex) và tách tín hiệu khử
nhiễu nối tiếp (SIC: successive interference cancellation), và
nhóm các nút nghe lén kết hợp cực đại SNR để thu chặn tín
hiệu từ kênh hợp pháp; Ngồi ra giả sử rằng các nút nghe lén

tách tín hiệu loại bỏ được nhiễu hồn tồn, do đó SNR của
các tín hiệu tại mỗi nút được xác định như sau
a1 PS | hSR |2
a1 PR | g1 |2
x1
(3)
 Rx1 =
,

=
.
D1
 PR | hRR |2 + R2
 D2 1

 Rx2 =

a2 PS | hSR |2
a1 PS | hSR |2 + PR | hRR |2 + R2

,  Dx2 =
1

a2 PR | g1 |2
a1 PR | g1 |2 + D2 1

(4)
trong đó ℎS𝑅 = a𝑟𝑔max𝑘=1÷𝐾 ℎ1,𝑘 .

 Dx22 =


130

a2 PR | g 2 |2
2

a1 PR | g 2 |

+ D2 2

,  Exi =

ai PR

 E2l

| h2,E |2 , i  {1, 2}. (5)

.


trong đó ℎ2,E = max𝑙=1÷𝐿 ℎ2,𝑙 ,  A2 , A  {R, D1 , D2 , E} là
phương sai nhiễu trắng cộng tính của máy thu, mức cơng suất
chuẩn hóa là 1W;  là hệ số phản ánh phẩm chất của bộ khử
nhiễu FD, khi  càng nhỏ chất lượng bộ khử nhiễu càng tốt.
III.

trong đó u =

)


C

x2

2

1

x2
x2
R ,  D1

2

)

SIC

Bên cạch đó, tốc độ tại các nút nghe lén là:

(

)

(8)

Cơng thức tổng qt của SOP được tính xác định bởi
sự khác nhau giữa dung lượng kênh chính và kênh nghe lén[3]


(

)

SOP xi = Pr [C xi − C Exi ]+  ri ,

) và

IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Từ các biểu thức toán học được đưa ra từ các phần trên,
trong phần này chúng tơi trình bày các kết quả mô phỏng nhằm
đánh giá khả năng bảo mật tín hiệu của các người dùng
NOMA bằng cách thay đổi các tham số ảnh hưởng đến chất
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
hiện mô phỏng là 10.000.000 lần. Tốc độ dữ liệu ngưỡng là
giả sử là cố định ri = 1 bit/s/Hz, hệ số phân bổ công suất
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
truyền dữ liệu SR =RD2 =10dB, RD1 =15dB, RE =-5dB .

(7)

C Exi = log 2 1 +  Exi , i  {1, 2}.

(

đến B, PS và PR tương ứng là công suất phát tại nút S và R.
Như vậy trong phần này chúng tôi đã trình bày biểu thức

tường minh và cách thức tính tốn SOP của hệ thơng FDNOMA trong điều kiện kênh truyền khơng hồn hảo.

(6)

,  Dx2 } .

]

1 −  th a1
,
,  th = 2r2 ,  = (k PR RR − SR (  )a1 PS )
a1 th
ngoài ra  AB là giá trị độ lợi trung bình của kênh truyền từ A

Khi R hoạt động theo giao thức giải mã chuyển tiếp
(DF: Decode-and-Forward), tốc độ của hệ thống truyền thông
phụ thuộc vào tốc độ nhỏ nhất mà nó đạt được. Do đó tốc độ
các tín hiệu là:

(
= log (1 + min{

[

=

PHÂ N TÍCH SOP

C x1 = log 2 1 + min{ Rx1 ,  Dx1 } ,



(2n − 1)
n + 1 , n = cos
2
2N

(9)

trong đó, ri là ngưỡng tốc độ dữ liệu.
Thay thế biểu thức (6) và (8) vào (9) và sau các bước tính
tốn, chúng ta nhận được cơng thức tường minh SOP đối với
tín hiệu của người dung D1

 (−1) ( Kk )( Ll )
(1 −  )
1− 
exp(
+
)
a  (  ) P a P 
K

SOP x1 = 1 −

L

k +l −2

k =1 l =1


th

lP   (  )
 S SR
ˆ
P 
R

1

SR

S

1 R

RD1

A2 + A3 + A4

RE

(10)

th

,

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,
Hình 2 biểu diễn SOP theo SNR khi thay đổi số nút
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
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
truyền lỗi từ R dẫn đến chất lượng bảo mật x2 kém hơn x1 .
Đặc điểm đồ thị chỉ ra rằng đối với D1 khi tăng SNR thìSOP
giảm và sẽ bảo hịa khi SNR lớn, trong khi đó D2 có sự khác
biệt là SOP giảm đến SNR=0dB, sau đó tăng lên khi tăng
SNR. Kết quả trên hình cũng cho thấy sự chính xác giữa mơ
phỏng và lý thuyết, điều đó chỉ ra rằng các cơng thức được
trình bày ở phần trên hồn tồn chính xác.

Tương tự, thay thế (7) và (8) vào (9) và sau khi tính tốn sẽ

nhận được biểu thức SOP đối với tín hiệu của D2
K

 (−1)

SOP x2 =1−

k −1  K

 L
 L
(−1)l −1  
 
k
  l =1
l

k =1



l
ˆ
a2 PR 
RE


2N




SR  (  ) PS (a2 −a1  u )
1−n2


+


(

)
a
P
u
SR
2 S
n =1
N




k u
l u
 exp  −
−
  (  ) P (a − a  ) a P 
ˆ
SR
S 2

1 u
2 R RE






(11)



u
u
,
 exp  −
−
  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
 E = 0.2  RR = 20 dB.
Hình 3, biểu diễn SOP theo SNR khi thay đổi số ăng
ten phát tại nút S và cố định nút nghe lén. Tương tự như kết

quả của Hình 2, khi tăng SNR dẫn đến SOP của D1 giảm và
có xu hướng bảo hòa khi tiếp tục tăng SNR, ngược lại khi tiếp
tục tăng SNR SOP của D2 tăng lên đến mất bảo mật hoàn toàn.
Ngoài ra, khi tăng số ăng ten phát tại S, SOP của các người
dùng giảm. Bao gồm cả D1 và D2 mức giảm SOP không đáng
kể, do ràng buộc giao thức DF. Một lý giải khác cho SOP của
D2 tăng khi SNR lớn là do mức nhiễu tại D2 tăng lên khi cơng
suất phát lớn.

Hình 5. SOP khi thay đổi sai số ước lượng kênh của các nút
nghe lén K=3, L=3,  = 0.9 và  RR = 20 dB.
Hình 5 khảo sát ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh đến
SOP của D1, đặc điểm ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh
đến các người dùng là như nhau, do đó chỉ cần xem xét sự
ảnh hưởng của  E đến 1 người dùng. Từ kết quả trên cho thấy
khi nút nghe lén ước lượng kênh với sai số càng lớn thì khả
năng bảo mật của hệ thống càng tốt và ngược lại. Đặc biệt
khi ước lượng sai hồn tồn thì khả năng bảo mật là hồn
hảo, SOP giảm tuyến tính với tăng SNR.
V. KẾT LUẬN
Bằng việc áp dụng các phân tích tốn 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]


[2]

[3]

Hình 4. SOP khi thay đổi mức nhiễu dư, K=3, L=3,  = 0.9
và  E = 0.2 .
Hình 4, trình bày kết quả SOP theo SNR khi thay
đổi mức nhiễu dư lại nút chuyển tiếp. Từ đồ thị chỉ ra rằng,
khi mức nhiễu dư (sau khi khử nhiễu do kênh tự nhiễu tạo ra)
lớn, dẫn đến hiệu quả bảo mật kém. Khi mức nhiễu dư -20 dB
SOP giảm theo SNR và bảo hịa khi SNR lớn, trong khi đó
nhiễu dư 10 dB thì SOP tăng lên rất đáng kể. Nguyên nhân
của hiện tượng này là do khi cố định công suất phát, mức
nhiễu dư tăng lên dẫn đến tốc độ dữ liệu của hệ thống hợp
pháp giảm xuống, trong khi đó tốc độ của kênh nghe lén
không đổi. Sai số giữa lý thuyết và mơ phỏng ở trên do tính
xấp xỉ của biểu thức SOP.

[4]

[5]

[6]

[7]

132

W. Cao et al., "Secrecy outage analysis of relay-user pairing for

secure hybrid satellite-terrestrial networks," IEEE Transactions
on Vehicular Technology, 2022.
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.
M. Awad, S. M. Ibraheem, S. A. Napoleon, W. Saad, M. Shokair,
and M. E. Nasr, "Secrecy Enhancement of Cooperative NOMA
Networks With Two-Way Untrusted Relaying," IEEE Access, vol.
8, pp. 216349-216364, 2020.
T. M. Hoang, B. C. Nguyen, X. N. Tran, and T. Kim, "Secrecy
Outage Performance of FD-NOMA Relay System With Multiple
Non-Colluding Eavesdroppers," IEEE Transactions on Vehicular
Technology, vol. 70, no. 12, pp. 12985-12997, 2021.
H. M. Tran, N. X. Tran, B. C. Nguyen, and D. T. Le, "On the
Performance of MIMO Full-Duplex Relaying System with
SWIPT under Outdated CSI," IEEE Transactions on Vehicular
Technology, 2020.
T. M. Hoang, X. N. Tran, N. Thanh, and L. T. Dung,
"Performance Analysis of MIMO SWIPT Relay Network with
Imperfect CSI," Mobile Networks and Applications, no.
2018.
S. Arzykulov, T. A. Tsiftsis, G. Nauryzbayev, and M. Abdallah,
"Outage Performance of Cooperative Underlay CR-NOMA with
Imperfect CSI," IEEE Communications Letters, 2018.