Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Phân Tích Hiªu N´ng Truy∑n B£o M™t S˚ Dˆng
Mã Fountain VÓi Kˇ Thu™t Láa Chn
óng-ten Phỏt
ng Th Hựng v Nguyn ThĐc Dng ,


Hc Viên K Thut Quõn Sá, H Nẻi
Đi hc Thụng tin Liên l§c, Nha Trang
Email: ,
†

Tóm t≠t—Trong bài báo này, chúng tơi ∑ xt mơ hình
b£o m™t lĨp v™t l˛ s˚ dˆng mã Fountain vĨi kˇ thu™t chÂn
l¸a ´ng-ten phát tĐi trĐm gậc (BS). Trong mụ hỡnh xuòt,
mẻt trĐm gậc (BS) a ng-ten truyn d liêu n mẻt ngèi
dựng hềp phỏp (D), trong sá xuòt hiên ca mẻt nỳt nghe lộn
bòt hềp phỏp (E), vểi giÊ s răng cÊ D và E là các thi∏t b‡ ¶u
ci ˜Ịc trang b‡ Ïn ´ng-ten. Chúng tơi ˜a ra các bi∫u
th˘c d§ng t˜Ìng minh cıa xác st gi£i mã và b£o m™t thụng
tin thnh cụng (SS) tĐi nỳt ớch, xỏc suòt chn (IP) t§i nút
nghe lén và sË l˜Ịng các gói mã hóa trung bình ˜Ịc phát bi
BS (ANEP) trên kênh truy∑n pha- inh Rayleigh. Cuậi cựng,
chỳng tụi thác hiên mụ phng Monte-Carlo ∫ ki∫m ch˘ng
các bi∫u th˘c tốn hÂc ã tìm ra.
T¯ khóa—Mã Fountain, Kˇ thu™t l¸a chÂn ´ng-ten phát,
B£o m™t lÓp v™t l˛, Kênh truy∑n pha- inh Rayleigh.

I. GIŒI THIõU
Ngày nay, b£o m™t trong thông tin vô tuy∏n ã thu hỳt

ềc nhiu sá quan tõm, do tớnh chòt phỏt súng qu£ng bá
t¸ nhiên cıa kênh truy∑n vơ tuy∏n làm cho viêc truyn d
liêu d dng b tòn cụng [1]. b£o £m an tồn thơng tin,
nhi∑u thu™t tốn mã hóa v giÊi mó d liêu ó ềc trin
khai tĐi lểp ˘ng dˆng d¸a trên nhi∑u gi£ thuy∏t khác nhau,
nh˜ gi£ s răng liờn kt gia mỏy phỏt v mỏy thu t§i lĨp
v™t l˛ là khơng lÈi, khơng trπ ∫ £m bÊo ẻ tin cy ca
viêc truyn d liêu, trong khi nhng kƠ nghe lộn b giểi
hĐn v khÊ nng tớnh tốn và thi∏u các thu™t tốn hiªu qu£
∫ gi£i mã thông tin. Tuy nhiên, gi£ ‡nh này ang b‡ suy
y∏u cùng vĨi viªc phát tri∫n các thu™t tốn hiªu qu£ cÙng
nh˜ viªc t´ng lên kh£ n´ng tính tốn cıa các thit b thụng
tin hiên Đi, vớ d nh mỏy tớnh lềng t. Chớnh nhng giểi
hĐn ny l ẻng lác thỳc ©y ∫ nhi∑u nhà nghiên c˘u g¶n
ây ã t™p trung thÊo lun v cỏc vòn bÊo mt thụng
tin tĐi lểp vt l (Physical Layer Security: PLS) nhăm Đt
ềc bÊo mt băng cỏch khai thỏc c tớnh riờng biêt ca
cỏc kênh truy∑n vơ tuy∏n khác nhau, nh˜ nhiπu nhiªt, nhiπu
và tính chßt thay Íi cıa các kênh pha- inh [2]. Khỏi niêm
v PLS lản ảu tiờn ềc giểi thiêu bi Shannon [3], và
sau ó ˜Ịc m rỴng bi Wyner [4], vểi iu kiên bÊo mt
hon hÊo ềc phõn tớch dáa trên quan i∫m cıa l˛ thuy∏t
thông tin t˜Ïng lai.
Trong nh˙ng n´m g¶n ây, ã có nhi∑u cơng trình nghiên
c˘u v∑ PLS cỏc gúc ẻ khỏc nhau nhăm nõng cao hiªu

ISBN: 978-604-80-5076-4

108


n´ng b£o m™t trong truy∑n thơng vơ tuy∏n. ∞c biêt, k
thut láa chn ng-ten phỏt (Transmit Antenna Selection:
TAS) ó ềc nghiờn cu rẻng rói do ẻ phc tĐp thác
hiên thòp ca cỏc chuẩi tản sậ vụ tuyn (Radio Frequence
Chains) trong khi vđn Đt ềc bc phõn tp ảy [5],
[6], [7]. Các tác gi£ trong [8], ã phân tích hiªu n´ng b£o
m™t cıa các kênh nghe lén MIMO vĨi k thut TAS ềc
thác hiên tĐi mỏy phỏt v cỏc ph˜Ïng pháp k∏t hỊp tín
hiªu thu khác nhau. Trong [9], ã nghiên c˘u TAS vĨi mã
hóa Alamouti và phân bÍ cơng st trong các kênh nghe
lén MIMO. HÏn n˙a, trong [10] ã kh£o sát hiªu n´ng b£o
m™t cıa hª thËng vĨi giao th˘c TAS và k∏t hỊp t sË tËi a
(Maximal Ratio Combining: MRC) vĨi tín hiªu ph£n hÁi
khơng hồn h£o. Ti∏p ∏n, trong [11] các tác gi£ ã kh£o
sát hiêu nng bÊo mt ca cỏc mĐng a ngèi dựng èng
xuậng vểi nhiu nhõn tĐo băng viêc thit k phõn bÍ cơng
st tËi ˜u ∫ tËi a tÍng dung l˜Ịng d¯ng b£o m™t cıa hª
thËng. Trong [12], ∫ t´ng m˘c Ỵ b£o m™t cıa kênh hỊp
pháp, các ph˜Ïng pháp l¸a chÂn nút gây nhiπu cÏ hỴi khác
nhau ã ˜Ịc ∑ xuòt trong cỏc mĐng nghe lộn a ngèi
dựng. Trong [13], phẽng phỏp láa chn ngèi dựng tậi u
trong cỏc mĐng chuy∫n ti∏p a ng˜Ìi dùng vĨi gây nhiπu
cỴng tác ã ềc phõn tớch dáa vo biu thc tậc ẻ dng
bÊo m™t ˜Òc ˜a ra. HÏn n˙a, các kˇ thu™t chÂn láa nỳt
chuyn tip, chuyn tip cẻng tỏc, truyn thụng a ch∞ng
và gây nhiπu nhân t§o cÙng ã ˜Ịc khai thác rẻng rói
cÊi thiên PLS trong truyn thụng vụ tuyn [14], [15], [16],
[17].
Mẻt trong nhng vòn cẽ bÊn trong thơng tin vơ tuy∏n
là t´ng hiªu qu£ s˚ dˆng b´ng thơng và Ỵ tin c™y trong các

kênh truy∑n bi∏n Íi liờn tc theo thèi gian. Bờn cĐnh ú,
viêc truyn tớn hiêu trờn cỏc kờnh vụ tuyn phÊi ậi mt vểi
sá suy gi£m v∑ chßt l˜Ịng kênh truy∑n, nh˜ suy hao ˜Ìng
truy∑n, pha- inh, nhiπu,. . . và do v™y, ∫ Đt ềc hiêu suòt
s dng ph tản, cỏc hê thậng vụ tuyn cản phÊi thớch ng
linh hoĐt trong cỏc iu kiªn kênh truy∑n bi∏n Íi khác
nhau. ∫ gi£i quy∏t nh˙ng vßn ∑ trên, thì mã Fountain
(Fountain codes: FCs), hay mã Rateless (Rateless codes:
RCs) ã ˜Ịc ∑ xt [18], [19], có th thớch ng linh hoĐt
vểi cỏc iu kiên kờnh truyn khỏc nhau m khụng cản bit
thụng tin trĐng thỏi kờnh (Channel State Information: CSI)


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

t§i máy phát. Mỏy phỏt s dng bẻ mó húa Fountain cú
th tĐo ra các symbol ˜Ịc mã hóa khơng giĨi h§n, khơng
phˆ thuẻc vo trĐng thỏi kờnh tc thèi tĐi mỏy thu và máy
thu có th∫ gi£i mã b£n tin gËc khi nh™n ı sË l˜Ịng các
gói mã hóa c¶n thi∏t. Khi máy thu nh™n ı các symbol mã
hóa cho viªc gi£i mã thành cơng b£n tin gËc thì k∏t thúc
q trình nhn, cú nghổa răng tậc ẻ thay i ph thuẻc
vo CSI tc thèi [20], [21]. Ngoi ra, băng cỏch s dˆng
FCs, máy thu chø g˚i mỴt bít thơng tin ∏n máy phát ∫
b≠t ¶u q trình truy∑n b£n tin mĨi. Tuy nhiên, do ∞c
tính qu£ng bá t¸ nhiên cıa thơng tin vơ tuy∏n, nh˙ng nút
nghe lén có th∫ dπ dàng thu ch∞n nh˙ng gói tin ˜Ịc mã
hóa này ∫ gi£i mã b£n tin gËc. Do ó, b£o m™t là vßn
ròt quan trng trong cỏc hê thậng vụ tuyn s dng FCs.
Hiên nay, ó cú mẻt sậ cụng trỡnh nghiờn cu vòn

bÊo mt lểp vt l trong cỏc hê thËng có s˚ dˆng FCs [22],
[23], [24], [25], [26], [27], [28]. Tuy nhiên, khác vĨi các
mơ hình ã ∑ c™p tr˜Ĩc ó, trong bài báo này chúng tơi
s˚ dˆng kˇ thut TAS nhăm nõng cao hiêu nng bÊo mt,
dáa vo biu thc dĐng chớnh xỏc ca xỏc suòt giÊi mó
v b£o m™t thơng tin thành cơng ˜Ịc ˜a ra, vĨi giÊ s
răng phản cng ca ca cỏc thit b trong mĐng l hon
hÊo v hê thậng khụng chu tỏc ẻng ca nhiu ng kờnh
do sá phõn b tản sậ phự hềp. Trong mụ hỡnh xuòt s
dng FCs, mẻt trĐm gậc (BS) s dng k thut TAS
Đt ềc chòt lềng kờnh truyn tật nhòt trờn kờnh chớnh,
nhăm thác hiên gi£i mã các gói tin mã hóa và b£o m™t
d˙ liªu ˜Ịc g˚i i, trong khi ó c£ máy thu hÒp pháp
(D) và máy nghe lén (E) là các thi∏t b‡ Ïn ´ng-ten. ∫
ánh giá hiªu n´ng b£o m™t cıa hê thậng, chỳng tụi a
ra cỏc biu thc dĐng chớnh xác cıa xác st gi£i mã và
b£o m™t thơng tin thành cơng (Probability of Successful
and Secure: SS), xác st ch∞n (Intercept Probability: IP)
và sË l˜Ịng các gói mã hóa trung bình ˜Ịc phát bi BS
(Average Number of Encoded Packets: ANEP) trên kênh
truy∑n pha- inh Rayleigh. Nh˙ng bi∫u th˘c toán hÂc này
s≥ ˜Ịc ki∫m ch˘ng thơng qua các mơ ph‰ng máy tớnh.
Phản cũn lĐi ca bi bỏo ềc t chc nh sau: Trong
phản II, chỳng tụi miờu tÊ mụ hỡnh hê thậng ềc xuòt.
Trong phản III, chỳng tụi ỏnh giỏ hiêu nng bÊo mt ca
hê thậng. Phản IV cung còp các k∏t qu£ mơ ph‰ng và phân
tích l˛ thuy∏t. Ci cùng, chúng tơi k∏t lu™n bài báo trong
ph¶n V.
II. MƠ HÌNH Hõ TH»NG
Nh˜ ˜Ịc th∫ hiªn trong Hình 1, mơ hỡnh hê thậng

xuòt bao gm mẻt trĐm gậc (Base Station: BS) muận truyn
d liêu n mẻt nỳt ớch (Destination: D) trờn kờnh chớnh,
trong sá xuòt hiên ca mẻt nỳt nghe lén (Eavesdropper: E)
ang cË g≠ng nghe lén các gói tin ˜Ịc mã hóa ∫ gi£i
mã d˙ liªu gËc t¯ trĐm gậc. Chỳng tụi cng giÊ s răng
tòt cÊ cỏc thit b ảu cuậi trong mĐng u ềc trang
b ẽn ng-ten v hoĐt ẻng theo ch ẻ bỏn song cụng
(half-duplex).
Hê thËng s˚ dˆng FCs, d˙ liªu gËc cıa BS có th chia
thnh T gúi cú ẻ di băng nhau, ri mã hóa mỴt cách

ISBN: 978-604-80-5076-4

109

Kênh chính
Kênh nghe lén

Hình 1. Mơ hỡnh nghiờn cu xuòt.

thớch hềp băng cỏch chn ngđu nhiên mỴt ho∞c mỴt sË
gói t¯ T gói này ∫ thác hiên XOR vểi nhau nhăm tĐo
ra cỏc gúi Fountain. T§i ci mÈi khe thÌi gian, D và E
s≥ cË g≠ng gi£i mã các gói Fountain nh™n ˜Ịc và gi£ s
răng cỏc mỏy thu ny cú th giÊi mó thnh cơng b£n tin
gËc n∏u chúng nh™n chính xác ít nhßt H gói Fountain, vĨi
H = (1 + ") T và " l hăng sậ ph thuẻc vo viêc thit k
mó [21]. Ngay sau khi nh™n thành cơng H gói Fountain,
D s≥ g˚i mỴt b£n tin ACK ∫ thơng báo cho BS d¯ng phát
các gói tin mã hóa. Trong tr˜Ìng hỊp này, n∏u E khơng

th∫ §t ˜Ịc ı sË l˜Ịng các gói Fountain c¶n thi∏t, thì E
khơng th∫ gi£i mã ˜Ịc b£n tin gËc. Ng˜Ịc l§i, thơng tin
gËc cıa BS b‡ thu ch∞n.
VĨi viªc xem xét q trình truy∑n d˙ liªu tĐi mẻt khe
thèi gian bòt k. Chỳng tụi giÊ s răng mụ hỡnh kờnh truyn
ềc s dng trong bi bỏo là kênh pha- inh phØng bi∏n
Íi ch™m, có nghỉa là hê sậ kờnh truyn s khụng thay i
trong mẻt khe thÌi gian nh˜ng thay Íi Ỵc l™p gi˙a các
khe thÌi gian khác nhau. ∫ thu™n tiªn cho viªc th∫ hiªn
các k˛ hiªu tốn hÂc, ta s≥ b‰ qua k˛ hiªu chø sË thÌi gian
trên các hª sË kênh truy∑n. Do v™y, ta k˛ hiªu hn là hª
sË kênh truy∑n gi˙a ´ng-ten phát th˘ n cıa BS và D, vÓi
n = 1, 2, ..., NA . M∞t khác, ta cÙng gi£ s răng kờnh truyn
gia cỏc thit b l kờnh pha- inh Rayleigh và các hª sË
kênh truy∑n hn có phân bậ ẻc lp v ng nhòt vểi nhau
(independent and identically distributed: iid). Ti∏p theo, gn
˜Ịc k˛ hiªu là hª sË kênh truy∑n cıa ´ng-ten phát th˘ n
cıa BS và E, t˜Ïng ˘ng. Do các hª sË kênh truy∑n có phân
bË Rayleigh, nên Ỵ lỊi kênh truy∑n có phân bË hàm m v
2
2
ta k hiêu cỏc ẻ lềi nh sau: D,n = |hn | , E,n = |gn | .
HÏn n˙a, ta cng k hiêu D , E lản lềt l các tham sË
∞c tr˜ng cıa Ỵ lỊi kênh truy∑n (cˆ th băng nghch Êo
giỏ tr trung bỡnh ca ẻ lềi kênh truy∑n).
D

=

1

D,n

,

E

=

1

.

(1)

E,n

T¯ bi∫u th˘c (1), ta bi∫u diπn hàm phân bË tích lÙy


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

(Cumulative Distribution Function: CDF) cıa bi∏n ng®u
nhiên phân bË mÙ X nh˜ sau:
FX (x) = 1

D,n ),
n=1,2,...,NA

trong ó, b⇤ là chø sË ´ng-ten tật nhòt ềc chn phỏt
d liêu tĐi BS, vỡ chßt l˜Ịng kênh truy∑n gi˙a ´ng-ten này

và D là tËt nhßt. T¯ cơng th˘c (3), hàm CDF cıa D,b⇤
˜Ịc ˜a ra nh˜ sau:
F

D,b⇤

NA
Y

(x) =

F

D,n

(x)

n=1

= (1

=1+

exp (
NA
X

D x))

NA


n

n
( 1) CN
exp ( n
A

D x).

(4)

n=1

Ti∏p theo, ta xây d¸ng cơng th˘c tính t sậ tớn hiêu trờn
nhiu (Signal to Noise Ratio: SNR) Đt ˜Ịc t§i c£ D và
E nh˜ sau:
PBS D,b⇤
=
(5)
D,b⇤ ,
D =
N0
E

=

PBS E,b⇤
=
N0


(6)

E,b⇤ ,

vĨi PBS là cơng st phát cıa BS, N0 l phẽng sai nhiu
cẻng tĐi mỏy thu (giÊ s tòt c£ các nhiπu cỴng ∑u có phân
bË Gauss vĨi giá tr trung bỡnh băng 0 v phẽng sai băng
N0 ), = PBS /N0 l SNR phỏt.
Tip theo, giÊ s răng mỴt gói tin mã hóa có th∫ ˜Ịc
gi£i mã thành cụng nu SNR nhn ềc tĐi mỏy thu lển
hẽn mẻt ngễng th cho trểc. Ngềc lĐi, gúi d liêu mó
húa s≥ khơng ˜Ịc nh™n thành cơng. V™y nên, xác st mà
c£ D và E khơng th∫ nh™n chính xác mỴt gói mã hóa ˜Ịc
cho bi:
⇢D = Pr (

D

⇢E = Pr (

E




=F

Thay hàm CDF cıa
⇢E = 1


(3)

= max (

D,b⇤

⇢E = Pr (
⇣
= Pr

(2)

exp ( !x) ,

vÓi X 2 { D,n , E,n } và ! 2 { D , E } .
TĐi mẻt khe thèi gian bòt k, BS s chn ´ng-ten tËt nhßt
cıa mình ∫ truy∑n các gói Fountain ∏n D theo phẽng
phỏp láa chn ng-ten phỏt tật nhòt [29], nh˜ sau:
b⇤ :

T˜Ïng t¸, ta có giá tr‡ cıa ⇢E ˜Ịc tính nh˜ sau:

th ) ,

(7)

th ) .

=F


Thay hàm CDF cıa
⇢D = 1 +

NA
X

D,b⇤
D,b⇤

D,b⇤

D,b⇤

( 1)

n

⇣




⌘

th

.

⌘


(8)

trong (4) vào (8), ta có:

n
CN
A

n=1

ISBN: 978-604-80-5076-4

exp

⇣

n


⇣
⌘

th )
th

E,b⇤

E,b⇤


th

.

⌘

(10)

trong (2) vào (10), ta ˜Ịc:
⇣
⌘
th
exp
.
(11)
E

E,b⇤

Chúng ta k˛ hiªu LBS là tÍng sË gói Fountain mà BS
g˚i ∏n D và LD là sË gói Fountain mà D có th∫ nh™n
úng ∫ khôi phˆc b£n tin gËc (LD = H) . Lu răng,
LBS luụn luụn lển hẽn hoc băng sË gói Fountain ˜Ịc
u c¶u (H) và BS có th∫ phát sË l˜Ịng gói Fountain rßt
lĨn n∏u nh˜ chßt l˜Ịng kờnh truyn gia BS v D l xòu.
Ngềc lĐi, nu nh˜ chßt l˜Ịng kênh truy∑n gi˙a BS và D
là tËt, thỡ ta k vng răng D cú th nhn H gói Fountain
sau H khe thÌi gian (LBS = H) .
Mẻt cỏch tẽng tá, chỳng ta cng k hiêu LE là sË l˜Ịng
gói tin mà E nh™n úng trong LBS khe thèi gian v chỳng

ta cng mong ềi răng LE nh‰ hÏn H ∫ E không th∫ gi£i
mã thành công b£n tin gËc cıa BS.
Nh˜ ã ∑ c™p  trên, ta có xác st gi£i mã và b£o
m™t thơng tin thành cơng (Probability of Successful and
Secure: SS) có th∫ ˜Ịc ‡nh nghæa nh˜ sau:
(12)

SS = Pr (LD = H, LE < H) .

K∏ ti∏p, xác sußt ch∞n (Intercept Probability: IP) t§i E
˜Ịc vi∏t nh˜ sau:
(13)

IP = Pr (LE = H, LD  H) .

Ci cùng, sË l˜Ịng các gói Fountain trung bình ˜Ịc
phát bi BS là E {LA } .
A. Xác st gi£i mã và b£o m™t thơng tin thành công
(Probability of Successful and Secure: SS)

T¯ bi∫u th˘c (12), ta cú biu thc dĐng chớnh xỏc ca
xỏc suòt giÊi mó và b£o m™t thông tin thành công, nh˜ sau:
SS =

+1 h
X

BS
CLLBS


H
1 (1

H

LBS H

LBS LE

LE

⇢D ) (⇢D )

LBS =H

⇥

"H 1
X

E
CLLBS

(⇢E )

(1

⇢E )

LE =0


i

#

.

(14)

∫ th∫ hiªn các k∏t qu£ l˛ thuy∏t, ta cản phÊi ct chuẩi
vụ cựng trong (14) băng mẻt giỏ tr‡ h˙u h§n nào ó. Th™t
v™y, ta có th∫ vi∏t l§i bi∫u th˘c (14) d˜Ĩi d§ng nh˜ sau:

th )
th



III. PHÂN TÍCH HIõU NãNG Hõ TH»NG

M∞t khác, xác st ∫ c£ D và E có th∫ nh™n chính xác
mỴt gói d˙ liêu s lản lềt l 1 D v 1 E .
Tr˜Ĩc tiên, ta tính giá tr‡ cıa ⇢D nh˜ sau:
⇢D = Pr (
⇣
= Pr

E,b⇤

D


th

⌘

.

(9)

110

SS ⇡

NT h
X

BS
CLLBS

H
1 (1

H

⇢D ) (⇢D )

LBS H

LBS =H


⇥

"H 1
X

LE =0

E
CLLBS

(1

⇢E )

LE

(⇢E )

LBS LE

i

#

.

(15)


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)


Trong bi∫u th˘c (15), NT l mẻt hăng sậ v khi NT
lển thì giá tr‡ cıa SS s≥ hỴi tˆ v∑ giá tr‡ chính xác.

1

B. Xác st ch∞n (Intercept Probability: IP)

MO PHONG (N A = 2)

T˜Ïng t¸, t¯ cơng th˘c (13), ta cú biu thc chớnh xỏc
ca xỏc suòt thu chn tĐi nút nghe lén nh˜ sau:

⇥

"H 1
X

L
u
CLuBS (⇢D ) BS (1

⇢D )

u

u=0

#


0.8

LY THUYET

0.6

(16)

.

0.3

0.2

Bi∫u th˘c chính xác cıa sË l˜Ịng các gói Fountain trung
bình ˜Ịc phát bi tr§m gËc (BS) cho bi nh˜ sau (xem
[30, eq. (8)]

1

⇣

1

exp

H
⇣

D N0


PBS

th

0.5

0.4

C. SË l˜Ịng các gói mã hóa trung bình ˜Ịc phát bi BS
(Average Number of Encoded Packets: ANEP)

H
E {LA } =
=
1 ⇢D

MO PHONG (N A = 3)

0.7

SS

LBS H
H
L
H
LBS H
BS H
=CLLBS

(1 ⇢D ) (⇢E ) BS
1 CLBS 1 (⇢D )
H
H
L
H
BS H
⇥ (1 ⇢E ) + CLLBS
⇢E ) (⇢E ) BS
1 (1

IP

MO PHONG (N A = 1)

0.9

0.1

0
0

5

10

15

20


25

∆ (dB)

⌘⌘NA .

(17)

Hình 3. SS là mỴt hàm cıa

(dB) khi

D

= 0.5 và

E

= 1.

IV. KịT Q MƠ PHƒNG VÀ Lfi THUT
1

Trong ph¶n ny, chỳng tụi thác hiên cỏc mụ phng
Monte-Carlo kim ch˘ng các bi∫u th˘c tốn hÂc ã
˜Ịc ˜a ra  trong phản III. Trong tòt cÊ cỏc mụ phng,
chỳng tụi cậ nh ngễng dng th băng 1, sậ gúi mó húa
Fountain cản thit phÊi Đt ềc khụi phc lĐi d˙ liªu
gËc là H = 5 và giá tr‡ cıa NT ềc cậ nh băng 500.


0.9

0.8

0.7

IP

0.6

1

MO PHONG (E = 0.5)

0.9

0.4

MO PHONG (λE = 1)

0.3

MO PHONG (λE = 1.5)

0.8

MO PHONG (λE = 1)

LY THUYET


0.7

MO PHONG (λE = 1.5)

0.2

MO PHONG (λE = 2)
0.1

0.6

ss

0.5

LY THUYET

0

0.5

0

5

10

15

20


25

∆ (dB)
0.4

Hình 4. IP là mỴt hàm cıa

0.3

(dB) khi

D

= 0.5 và NA = 3.

0.2

0.1

0
0

5

10

15

20


25

∆ (dB)

Hình 2. SS là mỴt hàm cıa

(dB) khi

D

= 0.5 và NA = 3.

Trong Hình 2, giỏ tr ca SS ềc th hiên nh l mẻt
hm cıa SNR phát ( = PBS /N0 ) (dB) khi thay Íi
các tham sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n cıa kênh nghe lén l¶n

ISBN: 978-604-80-5076-4

111

l˜Ịt là: E = 0.5, E = 1, và E = 1.5. Ta cË ‡nh tham
sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n trên kênh chính D = 0.5, sË
´ng-ten phát ˜Ịc trang b‡ t§i BS là NA = 3. Quan sỏt
hỡnh v, ta thòy răng xỏc suòt giÊi mó và b£o m™t thông tin
thành công (SS) gi£m nhanh khi t´ng giá tr‡ cıa . i∑u
này có nghỉa là khi tng
hay tng mc cụng suòt phỏt
tĐi BS thỡ khÊ nng nghe lén cıa E s≥ t´ng lên, Áng thÌi
kh£ n´ng gi£i mã thành cơng thơng tin gËc t§i D t´ng lên.

M∞t khác, khi giá tr‡ E = 1.5 t§i m˘c cơng st phát là
0 dB, thì giá tr‡ cıa SS gản băng 1, cú nghổa l thụng tin


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

0.8

9

MO PHONG (λE = 2)
MO PHONG (λE = 4)

0.7

MO PHONG (λD = 1)

8

MO PHONG (λD = 3)

MO PHONG (λE = 6)
LY THUYET

0.6

LY THUYET

6


ANEP

0.5

IP

MO PHONG (λD = 5)

7

0.4

5

0.3

4

0.2

3

0.1

2

0

1
1


2

3

4

5

6

7

1

Hình 5. IP v≥ theo

D

khi

2

3

4

5

6


7

H

λD

= 10 (dB) và NA = 2.

Hình 7. ANEP là mỴt hàm cıa H khi NA = 2.

11

Trong Hình 4, chúng tơi v≥ giá tr‡ cıa IP theo
( = PBS /N0 ) (dB), khi cË ‡nh D = 0.5 và NA = 3.
Nhìn t Hỡnh v ta thòy răng, giỏ tr ca IP tng khi tng.
Tuy nhiờn, tĐi mc cụng suòt phỏt
nh hẽn 0 (dB), giá
tr‡ IP tiªm c™n v∑ khơng, có nghỉa răng thụng tin gậc ềc
bÊo mt thnh cụng. Mt khỏc, khi t´ng E , Áng nghỉa
vĨi chßt l˜Ịng kênh nghe lén xßu, giá tr‡ cıa IP gi£m.

MO PHONG (N A = 1)
MO PHONG (N A = 2)

10

MO PHONG (N A = 3)
LY THUYET


ANEP

9

8

Trong Hình 5, chúng tơi kh£o sát £nh h˜ng cıa tham
sË ∞c tr˜ng kênh truy∑n lên giá tr‡ cıa IP khi
= 10
(dB) và NA = 2. Nh˜ ta có th∫ ‡nh l˜Ịng, IP s≥ gi£m khi
E lĨn. HÏn n˙a, giá tr‡ cıa IP t´ng khi D t´ng.

7

Trong Hình 6, sË l˜Ịng các gói tin mã hóa trung bình
(ANEP) phát bi BS ˜Òc v≥ theo hàm cıa D khi cË ‡nh
= 10 (dB), vÓi sË ´ng-ten phát khác nhau t§i BS, cˆ
th∫ NA = 1, 2, 3. Nh˜ ˜Ịc th∫ hiªn trong Hình 6, ANEP
t´ng khi t´ng D và khi NA ˜Ịc trang b‡ t§i BS t´ng thì
ANEP gi£m.

6

5
1

2

3


4

5

6

7

λD

Hình 6. SË l˜Ịng gói tin mã hóa trung bình (ANEP) ˜Ịc phát bi BS
là mỴt hàm cıa D khi
= 10 (dB).

gËc s≥ ˜Ịc gi£i mã và b£o m™t thành cơng tĐi D. Hẽn
na, nh th hiên trong Hỡnh 2, thỡ giá tr‡ cıa SS t´ng khi
E t´ng.
Hình 3, ti∏p tˆc th∫ hiªn giá tr‡ cıa SS theo
( = PBS /N0 ) (dB), khi cË ‡nh D = 0.5 và E = 1.
Nh˜ ta có th∫ quan sát, giá tr‡ cıa SS gi£m khi
t´ng.
M∞t khác, khi t´ng sË ´ng-ten t§i máy phỏt NA = (1 ữ 3)
thỡ tĐi mc cụng suòt phát nh‰ hÏn 15 dB, giá tr‡ SS t´ng
lên. Tuy nhiên, khi t´ng cơng st phát thì giá tr‡ SS s≥
hỴi tˆ khi t´ng NA .

ISBN: 978-604-80-5076-4

112


Hình 7, chúng tơi tip tc th hiên ANEP l mẻt hm
ca H khi cË ‡nh NA = 2 và thay Íi các tham sË ∞c
tr˜ng cıa kênh chính, cˆ th∫ D = 1, 3, 5. Nhỡn vo Hỡnh
v ta thòy răng, ANEP tng khi tng sậ gúi Fountain ềc
yờu cảu (H) tĐi D ∫ có th∫ gi£i mã thành cơng thơng tin
gËc và ANEP gi£m khi gi£m D . HÏn n˙a, khi chßt l˜Ịng
kênh chính là xßu thì BS có th∫ phát nhi∑u gói tin mã hóa
tĨi D, i∑u này s≥ làm t´ng sË khe thÌi gian ˜Ịc s˚ dˆng
và thÌi gian trπ cıa hª thËng.
Nh˜ chúng ta quan sát t¯ Hình 2 ∏n Hình 7, các k∏t
qu£ phân tích l˛ thuy∏t và k∏t qu£ mơ ph‰ng hồn tồn
trùng khít nhau, i∑u này th∫ hiªn tính chính xác cıa các
k∏t qu£ phân tích.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

V. KịT LN
Trong bài báo này, chúng tơi ã ∑ xt và ánh giá hiªu
n´ng b£o m™t lĨp v™t l˛ s˚ dˆng mã Fountain vĨi kˇ thu™t
TAS t§i tr§m gËc (BS). Chúng tơi a ra cỏc biu thc
dĐng chớnh xỏc ca xỏc suòt gi£i mã và b£o m™t thơng tin
thành cơng (SS) t§i nỳt ớch (D), xỏc suòt chn (IP) tĐi nỳt
nghe lộn (E) và sË l˜Ịng các gói mã hóa trung bình ềc
phỏt bi BS. Cỏc kt quÊ ó th hiên răng, Đt ềc hiêu
nng bÊo mt ca hê thậng thỡ yờu cảu cụng suòt phỏt ca
BS phÊi nh v cản tng sậ ng-ten phỏt tĐi BS mẻt cỏch
thớch hềp. Mt khỏc, hiêu nng bÊo mt ca hê thậng ph
thuẻc ròt lÓn bi các tham sË ∞c tr˜ng cıa kênh truy∑n.
TÀI LIõU THAM KHÉO

[1] 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 Trans. Commun., vol. 63,
no. 8, pp. 2959–2971, Aug. 2015.
[2] M. Bloch, J. Barros, M. R. D. Rodrigues, and S. W. McLaughlin,
“Wireless information-theoretic security,” IEEE Trans. Inf. Theory,
vol. 54, no. 6, pp. 2515–2534, Jun. 2008.
[3] C. E. Shannon, “Communication theory of secrecy systems,” Bell
Syst. Technol. J., vol. 28, no. 4, pp. 656–715, Oct. 1949.
[4] A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst. Technol. J., vol. 54,
no. 8, pp. 1355–1387, Oct. 1975.
[5] F. A. Khan, K. Tourki, M.-S. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Outage
and ser performance of spectrum sharing system with tas/mrc,” in
Communications Workshops (ICC), Proc. IEEE Commun. Conf.,
Budapest, Hungary, Jun. 2013, pp. 381–385.
[6] F. A. Khan, K. Tourki, M. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Performance
analysis of a power limited spectrum sharing system with tas/mrc,”
IEEE Trans. Signal Process., vol. 62, no. 4, pp. 954–967, Feb. 2014.
[7] K. Tourki, F. A. Khan, K. A. Qaraqe, H.-C. Yang, and M.-S. Alouini,
“Exact performance analysis of mimo cognitive radio systems using
transmit antenna selection,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32,
no. 3, pp. 425–438, Mar. 2014.
[8] N. Yang, P. L. Yeoh, M. Elkashlan, R. Schober, and I. B. Collings,
“Transmit antenna selection for security enhancement in mimo
wiretap channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 1, pp. 144–
154, Jan. 2013.
[9] S. Yan, N. Yang, R. Malaney, and J. Yuan, “Transmit antenna
selection with alamouti coding and power allocation in mimo
wiretap channels,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 3,
pp. 1656–1667, Mar. 2014.

[10] J. Xiong, Y. Tang, D. Ma, P. Xiao, and K.-K. Wong, “Secrecy
performance analysis for tas-mrc system with imperfect feedback,”
IEEE Trans. Inf. Forensics Security, vol. 10, no. 8, pp. 1617–1629,
Aug. 2015.
[11] N. Li, X. Tao, H. Wu, J. Xu, and Q. Cui, “Large-system analysis of
artificial-noise-assisted communication in the multiuser downlink:
Ergodic secrecy sum rate and optimal power allocation,” IEEE
Trans. Veh. Technol., vol. 65, no. 9, pp. 7036–7050, Sept. 2016.
[12] J. H. Lee and W. Choi, “Multiuser diversity for secrecy communications using opportunistic jammer selection: Secure dof and jammer
scaling law,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 62, no. 4, pp. 828–
839, Feb. 2014.
[13] S.-I. Kim, I.-M. Kim, and J. Heo, “Secure transmission for multiuser
relay networks,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 14, no. 7, pp.
3724–3737, Jul. 2015.
[14] T. T. Duy, T. Q. Duong, T. L. Thanh, and V. N. Q. Bao, “Secrecy
performance analysis with relay selection methods under impact of
co-channel interference,” IET Communications, vol. 9, no. 11, pp.
1427–1435, Jul. 2015.

ISBN: 978-604-80-5076-4

113

[15] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, V. N. Q. Bao, and T. Hanh,
“Impact of hardware impairments on secrecy performance of multihop relay networks in presence of multiple eavesdroppers,” in The
Third Nafosted Conference on Information and Computer Science
(NICS2016), Danang city, Vietnam, Sep. 2016, pp. 113–118.
[16] T. T. Phu, D. T. Hung, T. D. Tran, and M. Vozˇnák, “Analysis of
probability of non-zero secrecy capacity for multi-hop networks in
presence of hardware impairments over nakagami-m fading channels,” RadioEngineering, vol. 25, no. 4, pp. 774–782, Dec. 2016.

[17] P. T. Tin, T. T. Duy, P. T. Tran, and M. Voznak, “Secrecy performance of joint relay and jammer selection methods in cluster
networks: With and without hardware noises,” in The International
Conference on Advanced Engineering–Theory and Applications
(AETA2016), Busan, Korea, Dec. 2016, pp. 769–779.
[18] M. Luby, “Lt codes,” in Proc. 43rd Annual IEEE Symp. on Foundations of Computer Science, Vancouver, Canada, Nov. 2002, pp.
271–282.
[19] A. Shokrollahi, “Raptor codes,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 52,
no. 6, pp. 2551–2567, Jun. 2006.
[20] J. Castura and Y. Mao, “Rateless coding for wireless relay channels,”
IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no. 5, pp. 1638–1642, May
2007.
[21] T. T. Duy and H. Y. Kong, “Secondary spectrum access in cognitive
radio networks using rateless codes over rayleigh fading channels,”
Wireless Pers. Commun., vol. 77, no. 2, pp. 963–978, Jul. 2014.
[22] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, and V. N. Q. Bao, “Secrecy
performance evaluation of tas protocol exploiting fountain codes
and cooperative jamming under impact of hardware impairments,”
in The 2nd International Conference on Recent Advances in Signal
Processing, Telecommunications and Computing (SigTelCom2018),
HoChiMinh City, Vietnam, Jan. 2018, pp. 164–169.
[23] D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, V. N. Q. Bao, and T. Hanh,
“Security-reliability analysis of power beacon-assisted multi-hop
relaying networks exploiting fountain codes with hardware imperfection,” in The 2018 International Conference on Advanced
Technologies for Communications (ATC 2018), HoChiMinh City,
Vietnam, Oct. 2018, pp. 354 – 359.
[24] Q. Du, Y. Xu, and H. Song, “Security enhancement for multicast
over internet of things by dynamically constructed fountain codes,”
Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 2018, no.
Article ID 8404219, pp. 1–11, 2018.
[25] D. T. Hung, T. T. Duy, and D. Q. Trinh, “Security-reliability analysis

of multi-hop leach protocol with fountain codes and cooperative
jamming,” EAI Transactions on Industrial Networks and Intelligent
Systems, vol. 6, no. 18, pp. 1–7, Mar. 2019.
[26] P. T. Tin, N. N. Tan, N. Q. Sang, T. T. Duy, T. T. Phuong, and
M. Voznak, “Rateless codes based secure communication employing
transmit antenna selection and harvest-to-jam under joint effect of
interference and hardware impairments,” Entropy, vol. 21, no. 7
(700), Jul. 2019.
[27] D. T. Hung, T. T. Duy, T. T. Phuong, D. Q. Trinh, and T. Hanh, “Performance comparison between fountain codes-based secure mimo
protocols with and without using non-orthogonal multiple access,”
Entropy, vol. 21, no. 10 (928), Oct. 2019.
[28] D. T. Hung, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, D. Q. Trinh, and T. Hanh,
“Phân tích hiªu n´ng mơ hình truy∑n ˜Ìng xng s˚ dˆng kˇ thu™t
chÂn l¸a ãnten phát và mã fountain dểi sá ẫnh hng ca nhiu
ng kờnh, in Hẻi thÊo Qc gia 2017 v∑ iªn t˚, Truy∑n thơng
và Cơng nghª Thông tin (REV-ECIT 2017), TP. HCM, Viet Nam,
12/ 2017, pp. 270–274.
[29] P. T. D. Ngoc, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, and H. V. Khuong, “ ánh
giá hiªu n´ng m§ng vơ tuy∏n nh™n th˘c d§ng n∑n vĨi tas/sc và suy
hao phản cng, Hẻi thÊo Quậc gia 2015 v iên t˚, Truy∑n thơng
và Cơng nghª Thơng tin (REV-ECIT 2015), pp. 477–481, 12/ 2015.
[30] X. Wang, W. Chen, and Z. Cao, “A rateless coding based multi-relay
cooperative transmission scheme for cognitive radio networks,” in
IEEE GLOBECOM, Honolulu, HI, Dec. 2009, pp. 1–6.