HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------
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 CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------
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 tốn chọn đường” là cơng trình nghiên cứu của
riêng tơi.
Các thơng tin và kết quả trình bày trong đề án này là trung thực và chưa từng
được cơng bố trong bất kỳ cơng 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 Cơng Nghệ Bưu
Chính Viễn thơng, Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin 2, Phịng Đào tạo và Khoa học Công
nghệ đã hỗ trợ rất lớn cho tơi hồn thành đề án thạc sĩ này.
Đặc biệt, tơi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Trung Duy,
người đã trực tiếp hướng dẫn tôi suốt q trình nghiên cứu và hồn thiện đề án. Sự
tận tâm và sự hiểu biết sâu sắc của PGS.TS Trần Trung Duy đã giúp tơi 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 Cơ giảng dạy trong suốt
q trình học vì sự chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm của quý Thầy Cơ. Sự sẵn lịng
và đồng hành của các q Thầy Cơ đã góp phần quan trọng vào q 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, tơi chân thành mong nhận được ý kiến đóng góp từ q Thầy
Cơ 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 Mơ hình truyền tín hiệu trên kênh fading ..................................................6
1.1.5 Hiệu năng mạng vô tuyến ..........................................................................7
1.1.6 Mơ 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. Mơ hình nghiên cứu ..................................................................................22
2.2. Các ký hiệu ................................................................................................24
2.3. Xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén ...........................................................26
2.4. Bài tốn phân bổ cơng 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 MƠ 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
ANA
AODV
AWGN
BER
BW
CDF
CH
DF
DSR
HBNS
TIẾNG ANH
Analytical
Ad-hoc On-demand
Distance Vector
Additive White
Gaussian Noise
Bit Error Rate
Phân tích tốn học
Bandwidth
Cumulative Distribution
Function
Cluster Head
Băng thông
Decode and Forward
Dynamic Source
Routing
Hop-by-hop Best Node
Selection
Giải mã và chuyển tiếp
IoT
Internet of Things
IP
Intercept Probability
LAN
OP
Local Area Network
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Line of Sight
Maximal Ratio
Combining
Near Field
Communication
Outage Probability
OPT
Optimal
LEACH
LOS
MRC
NFC
PDF
RAND
TIẾNG VIỆT
Probability Density
Function
Random
Giao thức định tuyến trên yêu cầu
Nhiễu Gauss trắng cộng tính
Tỷ lệ lỗi bit
Hàm phân bố xác suất tích luỹ
Chủ cụm
Định tuyến nguồn động
Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất tại mỗi
chặng
Mạng Internet của các vật liệu, mạng
Internet mà không cần sự tương tác của
con người.
Xác suất mất bảo mật hay xác suất chặn
Mạng cục bộ
Giao thức phổ biến thành lập cụm
Đường truyền thẳng
Kết hợp tỷ lệ tối đa
Công nghệ truyền thông không dây giữa
các thiết bị ở khoảng cách gần
Xác suất dừng
Thuật tốn tìm đường tốt nhất dựa vào
phương pháp tìm kiếm tồn cục
Hàm mật độ xác suất
Chọn đường ngẫu nhiên
vi
VIẾT TẮT
TIẾNG ANH
TIẾNG VIỆT
RF
Randomize and Forward
Kỹ thuật ngẫu nhiên chuyển tiếp
SIM
Simulation
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Mơ phỏng
Tỷ số giữa cơng suất tín hiệu và công
suất nhiễu
SNS
WAN
WLAN
WMAN
WPAN
WSN
WWAN
Successful Node
Selection
Wide Area Network
Wireless Local Area
Network
Wireless Metropolitan
Area Network
Wireless Personal Area
Network
Wireless Sensor
Network
Wireless Wide Area
Network
Chọn nút giải mã thành công ở mỗi cụm
Mạng diện rộng
Mạng cục bộ không dây
Mạng đô thị không dây
Mạng cá nhân không dây
Mạng cảm biến vô tuyến
Mạng diện rộng không dây
vii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Bảng dữ liệu tiêu chuẩn kết nối mạng vơ tuyến .........................................1
Bảng 2.1: Tóm tắt các ký hiệu toán học. ...................................................................25
viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình fading đa đường. ...........................................................................4
Hình 1.2: Biên độ của tín hiệu thay đổi theo thời gian. ..............................................4
Hình 1.3: Mơ hình kênh fading Rayleigh. ..................................................................5
Hình 1.4: Mơ hình kênh truyền Fading Rician. ..........................................................6
Hình 1.5: Mơ hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. ...................6
Hình 1.6: Ứng dụng mạng cảm biến vơ tuyến trong nơng 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: Mơ hình nghiên cứu. .................................................................................22
Hình 2.2: Truyền dữ liệu trên đường đã được chọn. .................................................23
Hình 3.1: Mơi trường mơ phỏng khi N = 2 . ............................................................43
Hình 3.2: Xác suất chặn và cơng suất phát của các nút vẽ theo IP với Q = 1. .......44
Hình 3.3: Xác suất chặn và cơng 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 vơ 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 vơ 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 tốn. 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 thơng
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 adhoc, v.v. sẽ được triển khai rộng khắp, nên đây là lý do Học viên lựa chọn hướng
nghiên cứu về các mơ 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 cơng suất
x
phát để trao đổi thơng tin an tồn mà khơng cần đến các thuật tốn mã hóa phức tạp.
Cách tiếp cận này cũng dễ triển khai và phù hợp với mơ 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
tồn thơng 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 mơ 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
mơ hình.
-
Nghiên cứu các thuật tốn phân bổ cơng 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 tồn trình (OP)
-
cho mơ hình
Đề tài đưa ra các cơng 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 mơ hình nghiên
cứu: đề xuất các thuật tốn phân bổ cơng suất phát và các thuật tốn tìm đường
- Sử dụng các cơng cụ tốn 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 vơ 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 cơng nghệ NFC ra
đời nhằm đơn giản hóa q trình thanh tốn trên thiết bị di động thông minh, cho đến
các thiết bị theo mơ hình nhà thơng 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 vơ 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
Chuẩn
802.15
802.11a/b/g
802.16, 802.20
GSM, GPRS,
3G 3.5G
Tốc độ bit
1-3 Mbps
11-54 Mbps
11-134 Mbps
0.17-7.2Mbps
Khơng 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 vơ tuyến:
• Thiết lập đơn giản, tránh dây kéo rườm rà
• Vùng phủ sóng linh hoạt: truyền thơng vơ tuyến có thể đến nhiều nơi mà
mạng hữu tuyến khơng 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
vơ tuyến có thể cao hơn nhưng xét về tổng chi phí hệ thống và chi phí vịng
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 vơ 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 khơng cao do mơi trường truyền dẫn là khơng khí nên khả năng
bị tấn cơng 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 khơng 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 cơng việc truyền dẫn không dây đầu tiên
ở khoảng cách gần 30 kilomet (18 miles). Truyền thơng khơng dây ra đời từ
đây.
• Năm 1915, hệ thống truyền tín hiệu thoại khơng 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 khơng 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 thơng khơng 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 thơng 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 Phịng thí nghiệm AT&T Bell được triển khai tại Chicago.
• Năm 1985, FCC cho phép thương mại hóa mạng cục bộ khơng 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 khơng 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 cịn 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 vơ tuyến được truyền trong khơng 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: Mơ 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 mơ 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: Mơ hình kênh fading Rayleigh
Trong kênh truyền này, thành phần LOS sẽ khơng 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:
x2
f|h| ( x ) = 2 exp − 2 , x 0
2
x
(1.1)
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)
)
2
với = 1 / 2 là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên có phân phối mũ, bằng
1 chia cho giá trị trung bình của , và cũng bằng 1 chia cho độ lệch chuẩn của :
=
1
=
1
var
.
(1.3)
6
Kênh fading Rician:
Hình 1.4: Mơ 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, thơng thường nhà
thiết kế sẽ tính tốn 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 Mơ hình truyền tín hiệu trên kênh fading
T
R
Hình 1.5: Mơ 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:
TR =
PT | hTR |2
02
.
(1.5)
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
.
02
(1.6)
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 mơ
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 cơng thức tính xác suất dừng như
sau:
OP = Pr ( CTR
2Cth − 1
2
Cth ) = Pr | hTR |
.
PT / 02
(1.7)
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 cơng thức (1.7) được tính như sau:
OP = F|h
2
TR |
2Cth − 1
2Cth − 1
=
1
−
exp
−
.
2
PT / 02
PT / 0
(1.8)
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 tốn và mơ 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 mơ hình tốn học hoặc mơ tả quy trình của vấn
đề cần giải quyết. Mơ 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 u cầu
của vấn đề và mơ hình. Ví dụ trong bài tốn 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 mơ hình
và tính tốn 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
tốn 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 mơ phỏng, ta có thể tính tốn 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 tốn 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 cịn có thể so sánh giữa kết quả mơ phỏng có
được và kết quả lý thuyết tính tốn. Ví dụ xác suất dừng trong cơng thức (1.8) chính
là kết quả tính tốn lý thuyết, và ta cần so sánh với mơ phỏng để kiểm chứng tính
chính xác. Tuy nhiên, các bài toán thực tế thường rất phức tạp và không thể đưa ra
9
kết quả lý thuyết. Do đó, mơ phỏng Monte Carlo chính là phương pháp hiệu quả để
tìm ra đáp số của các bài toán ngẫu nhiên này.
Phương pháp Monte Carlo là một phương pháp linh hoạt và mạnh mẽ trong
việc giải quyết các vấn đề có tính ngẫu nhiên và không thể giải theo các phương pháp
truyền thống. Phương pháp Monte Carlo được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực,
bao gồm tài chính, vật lý, kỹ thuật, y học, quản lý rủi ro và nhiều lĩnh vực khác, để
đánh giá và dự đốn các kết quả trong các tình huống phức tạp.
1.2. Mạng tự cấu hình – Mạng cảm biến vô tuyến
Trong đề án này, học viên nghiên cứu về mạng tự tổ chức hay mạng tự cấu
hình. Trong mạng tự cấu hình, các thiết bị có thể tự giao tiếp với nhau mà không cần
sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng. Một trong những ứng dụng phổ biến của loại mơ hình
này đó là mạng cảm biến vô tuyến WSN (Wireless Sensor Network) [3]-[4]. Trong
WSN, các thiết bị cảm biến (sensor) có thể tự giao tiếp với nhau theo các thuật toán,
giao thức đã được cài đặt trước.
WSN sử dụng các thiết bị cảm biến nhỏ được bố trí trong các khu vực nhất
định để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các thiết bị cảm biến, tùy vào từng loại ứng
dụng, sẽ phải thu thập các thông số môi trường và gửi các dữ liệu thu thập được về
các trung tâm để xử lý. Các ứng dụng của WSN rất đa dạng, bao gồm giám sát mơi
trường, giám sát và kiểm sốt thơng tin trong công nghiệp, y tế từ xa, giám sát động
vật hoang dã, phát hiện sự xâm nhập, v.v.
Tuy có nhiều ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, cài đặt dễ dàng và khả năng
mở rộng linh hoạt, nhưng WSN cũng đối mặt với một số thách thức như quản lý năng
lượng, bảo mật dữ liệu và độ tin cậy của mạng.
10
Hình 1.6: Ứng dụng mạng cảm biến vơ tuyến trong nơng nghiệp
Hình 1.6 mơ tả ứng dụng của WSN trong nơng nghiệp, trong đó các cảm biến
được phân bổ tại trên một cánh đồng để thăm dị các thơng số về nhiệt độ, độ ẩm…
Các cảm biến sẽ gửi dữ liệu về trung tâm thu thập dữ liệu (Gateway Node) để xử lý.
Đối với các cảm biến ở cách xa Gateway, các nút này phải nhờ với các nút cảm biến
khác chuyển tiếp dữ liệu về Gateway. Các dữ liệu sau khi xử lý sẽ được gửi về Server
hoặc đến người dùng thông qua mạng Internet. Trong luận văn này, học viên chỉ tập
trung vào giao tiếp giữa các thiết bị cảm biến để truyền dữ liệu về Gateway.
Tổ chức cụm (Cluster) trong WSN
Trong WSN, các thiết bị cảm biến gần nhau thường được nhóm lại thành
những cụm (cluster). Mỗi cụm sẽ bầu chọn ra chủ cụm (CH: Cluster Head) để quản
lý các hoạt động trong cụm. Nút chủ cụm sẽ quản lý kết nối giữa các nút cụm, quản
lý thông tin của cụm, thu thập dữ liệu và liên lạc với các cụm lân cận khác. Bởi vì các
chủ cụm phải hoạt động thường xuyên nên tiêu tốn nhiều năng lượng. Một khi năng
lượng của chủ cụm xuống mức thấp, cụm sẽ lựa chọn nút chủ cụm mới để thay thế.
Vì là nút hoạt động tích cực trong mạng, chủ cụm được chọn phải là nút có
nhiều năng lượng hoạt động. Tuy nhiên, trong suốt quá trình quản lý cụm, năng lượng
11
của chủ cụm thường suy giảm rất nhanh. Và khi năng lượng của các nút chủ cụm
xuống mức thấp, các cụm sẽ lựa chọn nút chủ cụm mới để thay thế. Việc luân phiên
các nút trong mạng làm chủ cụm cũng là một giải pháp hiệu quả để cân bằng tải, đồng
thời kéo dài thời gian sống cho WSNs.
Hình 1.7: Tổ chức cụm (Cluster)
Hình 1.7 miêu tả tổ chức cụm, trong đó các nút mạng gom lại thành các cụm
và chọn ra chủ cụm để quản lý cụm. Việc truyền dữ liệu sẽ được thực hiện thông qua
sự điều khiển của chủ cụm. Trong WSN, giao thức phổ biến để thành lập cụm và
truyền thơng trong mạng đó là LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
[5]. Trong LEACH, các cụm được hình thành theo phương thức phân tán (distributed
way) và các hoạt động trong cụm được xử lý cục bộ nhằm đạt được hiệu quả năng
lượng. Những ưu điểm của LEACH có thể kể ra như sau: tính thích nghi và khả năng
tự cấu hình thành cụm hiệu quả, khả năng quản lý truyền/nhận dữ liệu và truyền thông
với năng lượng thấp.
12
1.3. Kỹ thuật chuyển tiếp
Chuyển tiếp thường được sử dụng trong mạng WSN bởi vì các thiết bị cảm
biến bị giới hạn năng lượng và công suất phát. Chuyển tiếp là kỹ thuật sử dụng các
nút trung gian để vận chuyển thông tin từ một thiết bị phát đến một thiết bị thu ở
khoảng cách xa. Như đã đề cập ở trên, chuyển tiếp trong WSN không cần sự hỗ trợ
của cơ sở hạ tầng, mà thay vào đó các nút chuyển tiếp chính là các thiết bị cảm biến
nằm giữa nút cảm biến nguồn và nút cảm biến đích. Thật vậy, một nút nguồn sẽ thiết
lập một tuyến đến đích và sử dụng tuyến này để truyền dữ liệu. Các giao thức định
tuyến phổ biến có thể sử dụng đó là AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)
[6] hoặc DSR (Dynamic Source Routing) [7].
Hình 1.8: Định tuyến trong WSN
Hình 1.8 miêu tả định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu trong WSN, trong đó các
nút cảm biến muốn gửi dữ liệu đến một nút cảm biến khác hoặc gửi về nút xử lý
(Sink) phải cần tìm một tuyến đến nút mong muốn. Trong thực tế, giữa một nút cảm
13
biến nguồn và một nút cảm biến đích sẽ tồn tại nhiều tuyến, và chỉ một trong các
tuyến này được chọn để truyền dữ liệu.
S
R1
RN
R2
D
Hình 1.9: Định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu
Hình 1.9 vẽ một tuyến được chọn giữa nguồn S và đích D, với các nút chuyển
tiếp trung gian là R1, R2, …, RN. Sau khi tuyến này đã thiết lập, nút nguồn có thể gửi
dữ liệu đến nút đích. Cụ thể, nút nguồn sẽ truyền dữ liệu đến nút chuyển tiếp R1 . Nút
chuyển tiếp R1 sau khi nhận tín hiệu từ nguồn, nút này sẽ giải mã dữ liệu của nguồn.
Nếu sự giải mã là thành công (không bị lỗi), nút chuyển tiếp R1 sẽ mã hóa lại dữ liệu
và gửi đến nút chuyển tiếp R 2 . Tiến trình này được thực hiện cho đến khi nút chuyển
tiếp R N gửi dữ liệu đến đích D. Như vậy, dữ liệu của nút nguồn S phải đi qua (N+1)
chặng và để dữ liệu đến được nút đích D thành cơng thì sự truyền dữ liệu ở tất cả các
chặng đều phải thành công. Ngược lại, nếu ở một chặng nào đó, sự truyền dữ liệu
khơng thành cơng (hoặc giải mã sai) thì dữ liệu của nguồn S sẽ bị rớt ở chặng này.
Kỹ thuật được sử dụng ở các nút chuyển tiếp có tên gọi là giải mã và chuyển tiếp
(DF: Decode and Forward). Ưu điểm của kỹ thuật DF đó là nhiễu hồn tồn bị loại
bỏ tại các nút chuyển tiếp trung gian thông qua hoạt động giải mã và mã hóa lại.
Xét sự truyền dữ liệu ở chặng thứ k, với k = 1, 2,..., N + 1 , ở đó nút R k −1 gửi dữ
liệu đến nút R k . Ta cũng lưu ý rằng khi k = 1 thì R 0 S chính là nút nguồn, và khi
k = N + 1 thì R N +1 D chính là nút đích. Tương tự cơng thức (1.5), tỷ số SNR tức
thời đạt được tại chặng này được tính như sau:
R
k −1R k
=
PR k −1 | hR k −1R k |2
02
,
(1.10)
với PR k −1 là công suất phát của nút R k −1 và | hR k −1R k |2 là độ lợi kênh fading Rayleigh
giữa R k −1 và R k .