CƠ CHẾ LỰA CHỌN ĂNG TEN PHÁT TRONG MẠNG KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG

1. Giới thiệu đề tài

Trong những năm gần đây, an toàn thông tin là mối quan tâm hàng đầu trong việc trao đổi thông tin, đặc biệt là trong mạng xã hội ngày càng phụ thuộc vào công nghệ thông tin và các thiết bị không dây. Sự phát triển bùng nổ các thiết bị không dây như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay. . . càng làm cho việc bảo mật thông tin được quan tâm hơn bao giờ hết, đặc biệt trong lĩnh vực thương mại, tài chính, ngân hàng, an ninh, quốc phòng. Do đặc tính quảng bá của kênh truyền vô tuyến, việc truyền tin giữa hai máy thu phát không dây rất dễ bị nghe trộm hoặc dễ bị tấn công. Hiện nay đã có nhiều giải pháp bảo mật nhưng hầu hết các giải pháp này được thức hiện ở tầng cao trong mô hình mạng 7 tầng OSI như tầng mạng, tầng ứng dụng. Giải pháp bảo mật ở tầng vật lý được đề xuất từ lâu, tuy nhiên nó thực sự được quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Đặc điểm chính của giải pháp này là khai thác đặc tính ngẫu nhiên của kênh truyền vô tuyến nhằm nâng cao khả năng bảo mật của hệ thống.

Song song với sự phát triển của các thiết bị không dây và các tính năng đi kèm là sự phát triển của các giải pháp năng lượng cho các thiết bị này. Trong vài thập kỷ vừa qua, việc truyền năng lượng không dây RF cho các thiết bị di động trong hệ thống vô tuyến đã thu hút sự chú ý ngày càng cao của giới khoa học và giới công nghiệp.

Việc triển khai truyền năng lượng RF trong mạng không dây rõ ràng dẫn đến những thay đổi về hiệu năng hoạt động của mạng, đặc biệt là hiệu năng bảo mật. Để làm rõ vấn đề hiệu năng bảo mật này, chúng tôi khảo sát hiệu năng bảo mật thông qua cơ chế lựa chọn ăng ten truyền của máy nguồn khi xem xét đến yếu tố thu năng lượng, hệ thống gồm một trạm nguồn năng lượng RF, một máy nguồn được trang bị hai ăng ten và một máy đích và xem xét sự tồn tại của một máy nghe lén. Dựa vào đặc tính thống kê của tỉ số tín hiệu trẹn nhiễu (SNR), chúng tôi xây dựng công thức tính xác suất tồn tại dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảo mật hệ thống để khảo sát và đánh giá hiệu năng của hệ thống này.

2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chung: Xây dựng mô hình hệ thống để phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng truyền năng lượng bằng sóng vô tuyến (RF) với máy nguồn được trang bị hai ăng ten thu phát với sự hiện diện của máy nghe trộm thông qua tính toán và tìm ra các công thức dạng tường minh của xác suất tồn tại dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảo mật hệ thống.

2.2. Nội dung nhiệm vụ cụ thể

• Tìm hiểu về bảo mật lớp vật lý, nguyên lý truyền năng lượng vô tuyến.
• Xây dựng được mô hình hệ thống.
• Tìm ra các biểu thức tham số: Dung lượng bảo mật, xác suất tồn tại dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảo mật.
• Xây dựng chương trình mô phỏng.
• Đưa ra kết quả số, từ đó đánh giá, so sánh khả năng bảo mật mạng truyền năng lượng không dây với thiết bị thu phát hai ăng ten.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học.

Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết.

Trong luận văn này, tôi phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống với một trạm nguồn năng lượng RF, một máy nguồn được trang bị hai ăng ten và một máy đích và xem xét sự tồn tại của một máy nghe lén.

Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được mục tiêu nghiên cứu:

• Phương pháp thu thập thông tin

Thu thập các tài liệu tổng quan về bảo mật tầng vật lý và mạng không dây truyền năng lượng.

Tìm kiếm các tài liệu trong và ngoài nước, các bài báo và công trình nghiên cứu liên quan. Nhất là các công trình mới nhất trong những năm gần đây.

• Phương pháp so sánh

Tổng hợp và đối chiếu giữa những tài liệu thu được để đưa ra một cái nhìn tổng quan nhất giữa các phương pháp cũng như ưu nhược điểm của nó.

• Phương pháp phân tích

Phân tích các đánh giá, các kỹ thuật lựa chọn cơ chế

Xây dựng các mô hình toán học nhằm đánh giá và kiểm chứng hiệu năng bảo mật của hệ thống thông qua các tham số đánh giá hiệu năng chính: Dung lượng bảo mật của hệ thống (Secrecy Capacity), xác suất tồn tại dung lượng bảo mật (Probability of existence of secrecy capacity), và xác suất dừng bảo mật của hệ thống (Secrecy Outage Probability).

• Phương pháp chuyên gia

Tham vấn từ các chuyên gia trong lĩnh vực này nhằm hoàn thiện các nội dung cần nghiên cứu

• Phương pháp thực nghiệm

Dựa trên mô hình toán học của hệ thống và kênh truyền, xây dựng chương trình mô phỏng nhằm kiểm chứng lại mô hình toán học và phương pháp tính toán, đồng thời khảo sát các đặc tính của hệ thống đề xuất.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

• • Kênh truyền vô tuyến Rayleigh.
  • Thiết bị thu phát hai ăng ten.
  • Các tham số bảo mật: dung lượng bảo mật của hệ thống (Secrecy Capacity), xác suất hệ thống có dung lượng bảo mật khác không (Probability of existence of secrecy capacity), và xác suất dừng bảo mật của hệ thống (Secrecy Outage Probability).

3.2. Phạm vi nghiên cứu

• • Lý thuyết đảm bảo an toàn thông tin.
  • Công nghệ truyền thông không dây.
  • Các kỹ thuật bảo mật ở tầng vật lý.
  • Công cụ toán xác suất và thống kê.

4. Bố cục Luận văn

Luận văn được tổ chức thành 3 chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về bảo mật lớp vật lý và truyền năng lượng vô tuyến.

Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu tổng quan về bảo mật ở lớp vật lý, kỹ thuật truyền năng lượng bằng sóng vô tuyến (RF-EH), kỹ thuật phân tập ăng ten và cơ chế lựa chọn ăng ten. Ngoài ra, tôi cũng giới thiệu về kênh truyền, đặc tính kênh truyền, giới thiệu một số kênh truyền phổ biến trong truyền thông không dây như Rayleigh, Rician. Thêm vào đó, lý thuyết thông tin, bản chất và định lượng thông tin cùng một số lý thuyết trong bảo mật lớp vật lý cũng được trình bày trong chương này.

Chương 2: Mô hình hệ thống và phân tích hiệu năng bảo mật.

Trong chương này tôi sẽ giới thiệu khái quát về một số nghiên cứu có liên quan, mô hình hệ thống được khảo sát trong luận văn và xây dựng công thức tính xác suất tồn tại dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảo mật hệ thống để khảo sát và đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống này.

Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

Chương này sẽ xây dựng chương trình phân tích và mô phỏng, đưa ra các kết quả số để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống, đồng thời rút ra được kinh nghiệm cho hướng phát triển sau này.

Cuối cùng là kết luận và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp tục trong tương lai.

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

1.1. Giới thiệu

Hiện nay trong cuộc sống hằng ngày thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hóa, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.

Những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của thông tin vô tuyến đã và đang ảnh hưởng ngày càng to lớn đến nhiều lĩnh lực khác nhau trong đời sống kinh tế xã hội. Điều này dẫn đến vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến lại trở thành tâm điểm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. đặc biệt là trong các lĩnh vực quan trọng đòi hỏi tính bảo mật cao như an ninh, quốc phòng, thương mại, tài chính …

Bên cạnh sự tiện lợi, linh hoạt trong quá trình sử dụng thì thông tin vô tuyến cũng có những hạn chế đặc biệt là vấn đề bảo mật, do đặc tính quảng bá của kênh truyền vô tuyến, việc truyền tin giữa hai máy thu phát không dây rất dễ bị nghe trộm hoặc dễ bị tấn công. Do vậy mạng vô tuyến có nhiều nguy cơ tiềm ẩn trong an ninh vì bất kỳ ai có một máy thu nằm trong phạm vi phủ sóng của máy phát đều có thể nghe trộm, cho nên nếu kênh truyền không được bảo mật tốt thì nhiều thông tin quan trọng sẽ bị kẻ xấu đánh cắp trong quá trình truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Đó là nguyên nhân làm cho bảo mật trong thông tin vô tuyến trở thành vấn đề ngày càng được quan tâm và nổi lên thành chủ đề nguyên cứu của nhiều học giả trên thế giới [1].

Hầu hết các hệ thống bảo mật trong mạng không dây hiện nay đều sử dụng cơ chế bảo mật dựa trên việc tính toán phức tạp do các giả định kẻ xấu có khả năng tính toán hạn chế và không có đủ những thuật toán hiệu quả nên cách vét cạn được cho là hiệu quả nhất. Những việc giả định thiếu sức thuyết phục vì trong thời đại khoa học công nghệ phát triển không ngừng với nhiều máy tính với cấu hình xử lý tốt đã ra đời cho nên việc tính toán một lượng dữ liệu lớn được trang bị và có thể thực hiện các thuật toán có hiệu quả rất cao [2].

Gần đây đã có nghiên cứu đáng chú ý về các khả năng bảo mật lớp vật lý và nó được gọi là bảo mật thông tin ở lớp vật lý. Đây là lĩnh vực nghiên cứu mới, nghiên cứu về khả năng truyền và tải dữ liệu được bảo mật tốt ở hai đầu máy phát và máy thu.

Các nền tảng cho lý thuyết về hệ thống bảo mật đã được đặt bởi Claude Shannon. Ông đã cho thấy rằng bảo mật hoàn hảo khi thông tin người nhận có thể giải mã các thông điệp mà không có lỗi, trong khi nghe trộm có thể không giải mã được các thông điệp bí mật.

Các giả định cơ bản trong phân tích này là:

+ Những kẻ nghe trộm có thể sử dụng sức mạnh tính toán vô hạn về thời gian.

+ Có cả bộ thu và nghe lén được áp dụng chính xác các tín hiệu tương tự.

+ Có cả những kiến thức về thuật toán và mã hóa.

Do tính bảo mật gần như tuyệt đối, độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khả thi ở lớp vật lý và khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có mà nó có thể nâng cao mức độ tổng thể về an toàn thông tin. Chính vì vậy bảo mật ở lớp vật lý dựa vào thuyết thông tin đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên khắp thế giới.

Ngoài ra, sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không dây như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng…với vô số các ứng dụng đi kèm cũng như nhu cầu kết nối giữa chúng đã và đang đặt ra những nhu cầu cực lớn về mặt năng lượng. Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều giải pháp đã được đề xuất. Có nhiều cách để nạp năng lượng: có dây hoặc không dây, nhưng nạp không dây vẫn là thuận tiện và an toàn nhất. Một số ví dụ tiêu biểu của nạp năng lượng không dây là nạp năng lượng mặt trời, nạp năng lượng nhiệt và nạp năng lượng sóng vô tuyến. Trong đó, công nghệ nạp năng lượng bằng sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay. Mặc dù không thể nhìn thấy nhưng không gian xung quanh chúng ta có rất nhều loại sóng vô tuyến như sóng điện thoại, sóng Wifi, sóng truyền hình… và chúng ta hoàn toàn có thể tận dụng nguồn tài nguyên này để sạc pin cho các thiết bị không dây. Đây là một hướng đi mới trong việc kéo dài thời gian hoạt động cho các thiết bị không dây [3].

Kỹ thuật truyền và thu năng lượng sóng vô tuyến (Radio Frequency – RF) gần đây trở thành một phương pháp bổ sung cho việc cấp năng lượng cho mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo. Kỹ thuật mới này cho phép cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây thông qua sóng RF bởi trạm năng lượng vô tuyến chuyên dụng cố định hoặc từ các thiết bị không dây khác. Đây là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các mạng vô tuyến mà vốn dĩ bị hạn chế về mặt năng lượng. Thông thường, các mạng không dây hạn chế năng lượng, như là mạng cảm biến không dây, có thời gian hoạt động giới hạn, dẫn đến hạn chế hiệu suất mạng. Ngược lại, một mạng thu năng lượng RF (RF-EHN) có một nguồn cung cấp năng lượng không hạn chế từ môi trường vô tuyến có thể cho phép thiết bị vô tuyến thu hoạch năng lượng từ tín hiệu RF dùng cho việc xử lý và truyền thông tin của chúng. Do đó, RF-EHN đã được ứng dụng một cách rộng rãi trong các mạng cảm biến không dây, mạng giám sát cơ thể không dây hay là hệ thống sạc không dây.

Tuy nhiên, việc triển khai truyền năng lượng RF trong mạng không dây rõ ràng dẫn đến những thay đổi về hiệu năng hoạt động của mạng, đặc biệt là hiệu năng bảo mật. Bảo mật ở lớp vật lý và truyền năng lượng RF đều là những công nghệ đầy hứa hẹn cho mạng thế hệ tiếp theo. Dó đó, vấn đề bảo mật thông tin lớp vật lý trong RF-EHNs cần được nghiên cứu và làm rõ.

Từ nhu cầu thực tiến đó, trong khuôn khổ luận văn này, tôi sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý của mạng truyền năng lượng vô tuyến trong đó máy nguồn thông tin là thiết bị có năng lượng bị giới hạn, phải thu năng lượng vô tuyến được phát bởi trạm phát năng lượng để truyền thông tin đến máy đích trong sự hiện diện của một máy nghe lén thụ động.

1.2. Cơ sở lý thuyết có liên quan

1.2.1. Lý thuyết thông tin

1.2.1.1 Khái niệm về thông tin

Ngày nay trong đời sống hàng ngày, ở đâu ta cũng nghe người ta nói tới thông tin: thông tin là nguồn lực của sự phát triển, chúng ta đang sống trong thời đại thông tin, một nền công nghiệp thông tin.

Thông tin là một khái niệm khoa học cũng là khái niệm trung tâm của xã hội trong thời đại ngày nay. Mọi quan hệ hoạt động của con người đều dựa trên một hình thức trao đổi thông tin nào đó mọi tri thức đều bắt nguồn bằng một thông tin về những điều đã diễn ra, về những cái người ta đã biết, đã nói, đã làm. Và điều đó luôn xác định bản chất và chất lượng của những mối quan hệ của con người.

Có rất nhiều cách hiểu về thông tin. Thậm chí ngay các từ điển cũng không thể có một định nghĩa thống nhất. Ví dụ từ điển Oxford English Dictionary thì cho rằng thông tin là “điều mà người ta đánh giá hoặc nói đến, là tri thức, tin tức” theo từ điển khác thì đơn giản đồng nhất thông tin với kiến thức: “thông tin là điều người ta biết” hoặc “thông tin là sự chuyển giao tri thức làm tăng thêm sự hiểu biết của con người”.

Nguyên nhân của sự khác nhau trong việc sử dụng thuật ngữ này chính là do thông tin không thể cầm nắm hay sờ được. Người ta bắt gặp thông tin chỉ trong quá trình hoạt động, thông qua các tác động trừu tượng của nó.

Theo nghĩa thông thường: thông tin là tất cả các sự việc, sự kiện, ý tưởng, phán đoán là tăng thêm sự hiểu biết của con người. Thông tin hình thành trong quá trình giao tiếp: một người có thể nhận được thông tin trực tiếp từ người khác thông qua các phương tiện thông tin đại chúng, từ ngân hàng dữ liệu, hoặc từ tất cả các hiện tượng quan sát được trong môi trường xung quanh.

Trên quan điểm triết học: thông tin là sự phản ánh của tự nhiên và xã hội (thế giới vật chất) bằng ngôn từ, ký hiệu, hình ảnh…hay nói rộng hơn bằng tất cả các phương tiện tác động lên giác quan của con người.

Trong cuộc sống con người, nhu cầu thông tin là một nhu cầu rất cơ bản. Nhu cầu đó không ngừng tăng lên cùng với sự tăng các mối quan hệ trong xã hội. Mỗi người sử dụng thông tin lại tạo ra thông tin mới. Các thông tin đó lại được truyền cho người khác trong quá trình thảo luận, truyền đạt mệnh lênh, trong thư từ và tài liệu, hoặc qua các phương tiện truyền thông khác. Thông tin được tổ chức tuân theo một quan hệ logic nhất định, trở thành một bộ phận của tri thức, đòi hỏi phải được khai thác và nghiên cứu một cách hệ thống.

1.2.1.2. Định lượng thông tin

Lượng đo tin tức: Nguồn A có m tín hiệu đẳng xác suất, một thông tin đo nguồn A hình thành là một dãy n.

Ký hiệu bất kỳ (). Lượng tin chứa trong một bất kỳ:

(1.1)

Lượng tin chứa trong một dãy x gồm n ký hiệu:

(1.2)

Đơn vị đo thông tin thường được chọn là cơ số 2.

Khi m ký hiệu của nguồn tin có xác suất khác nhau và không độc lập thống kê với nhau thì:

(1.3)

Lượng tin riêng:

(1.4)

Là lượng tin ban đầu được xác định bằng xác suất tiên nghiệm.

1.2.2. Kênh truyền

Kênh truyền là môi trường truyền giữa máy phát và máy thu. Môi trường này có thể là hữu tuyến (có dây) hoặc vô tuyến (không dây), hữu tuyến sử dụng dây dẫn, vô tuyến sử dụng sóng điện từ. Kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp, kênh truyền có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trong truyền tín hiệu.

1.2.3. Đặc tính kênh truyền không dây

Chất lượng của bất kỳ kênh truyền nào đều phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn. Môi trường truyền có nghĩa là các loại cáp (kênh truyền hữu tuyến) hoặc là các loại sóng điện từ (kênh truyền vô tuyến). Đối với kênh truyền vô tuyến sự thay đổi trạng thái của kênh truyền diễn ra rất ngắn. Điều này khiến cho việc truyền tín hiệu trong môi trường như vậy trở nên khó khăn. Có nhiều môi trường truyền sóng như vùng đồi núi, ngoại thành, trong thành phố với những đặc trưng khác nhau. Sự lan truyền giữa máy thu và máy phát như vậy chịu ảnh hưởng bởi các vật che chắn như các tòa nhà, núi v.v… Đường truyền thẳng có thể không tồn tại giữa máy phát và máy thu, và tốc độ di chuyển của máy thu cũng ảnh hưởng đến sự suy hao của tín hiệu ở máy thu.

Trong một kênh truyền lý tưởng tín hiệu thu được chỉ bao gồm tín hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và của các tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu duy chuyển (hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đề quan trọng.

Trong thông tin vô tuyến, các đặc tính kênh kênh vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng.

Trong kênh truyền vô tuyến có thể phân thành hai loại: pha-đinh phạm vi rộng và pha-đinh phạm vi hẹp. Trong những mô hình truyền thống, công suất trung bình thu được được đánh giá tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với khoảng cách lớn, các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Pha-đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Pha-đinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường.

Sóng lan truyền trong môi trường có thể truyền theo hướng trực tiếp, nhưng cũng có thể bị phản xạ khi gặp các vật cản lớn như các tòa nhà, nhiễu xạ khi gặp các vật có góc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp phải cây cối. Dọc môi trường truyền sóng có thể gặp các vấn đề như vậy, sóng lan truyền được mô tả bằng các hiện tượng như suy hao (path loss), bóng mờ (shadowing) và đa đường (mutipath). Các hiện tượng này tuân theo những nguyên tắc vật lý khác nhau mà khi mô hình hóa cần phải quan tâm.

Kênh truyền mang tính ngẫu nhiên là kênh truyền vô tuyến, kênh này có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn đối với các vị trí khác nhau.

1.2.4. Các thông số đặc trưng cho kênh truyền không dây

Ta thấy rằng bản chất của kênh truyền là một biến ngẫu nhiên. Nó tùy thuộc vào môi trường khác nhau như điều kiện thời tiết, các chướng ngại vật như các tòa nhà, đồi núi.

Một biến ngẫu nhiên (RV) thường được ký hiệu là X là một biến mà giá trị của nó có thể là kết quả tính toán của một hiện tượng ngẫu nhiên. Có hai loại biến ngẫu nhiên rời rạc và liên tục.

Biến ngẫu nhiên rời rạc:

Một biến ngẫu nhiên rời rạc (RV) là biến chỉ lấy trên các giá trị đếm được trong khoảng giá trị như 0; 1; 2;…. Nếu một biến RV có thể chỉ có một số hữu hạn các giá trị khác nhau, nó phải rời rạc.

Ví dụ về các biến ngẫu nhiên rời rạc: như số trẻ em trong một gia đình, số bệnh nhân trong một bệnh viện, số lượng bóng đèn bị hỏng trong hộp 10 bóng.

Các phân phối xác suất của một RV rời rạc là một danh sách các xác suất kết hợp với mỗi giá trị của nó. Đôi khi nó cũng được gọi là hàm xác suất.

Giả sử rằng một biến ngẫu nhiên rời rạc X có những giá trị khác nhau, với xác suất X = x_i được định nghĩa là P(X = x_i) = p_i(i = 1…k). Xác suất Pi phải thoả mãn sau:

Với mỗi i ta có 0 ≤ p_i ≤ 1 và p₁ + … + p_k = p_i = 1.

Biến ngẫu nhiên liên tục:

Một biến ngẫu nhiên liên tục là các giá trị không đếm được. Biến ngẫu nhiên liên tục thường đo được. Ví dụ như chiều cao, cân nặng lượng đường trong một quả cam.

Biến ngẫu nhiên liên tục là giá trị vô hạn. Thay vì nó được định nghĩa trên khoảng các giá trị và được đại diện bởi khu vực dưới một đường cong. Xác suất của bất kỳ giá trị riêng lẽ đều bằng 0. Vì số giá trị được giả định là một biến ngẫu nhiên xác định. Giả sử một biến ngẫu nhiên X lấy tất cả các giá trị trên số thực. Thì xác suất của X nằm trong tập kết quả A, P(A) được định nghĩa trên A và dưới một đường cong, đường cong này chính là hàm p(x) phải thoả mãn điều kiện sau đây:

P(x) không âm với mọi x và tổng p(x)=1.

Hàm của các biến ngẫu nhiên:

Hàm phân bố tích lũy (CDF: Cumulative Distribution Function): Tất cả các biến ngẫu nhiên (liên tục và rời rạc) đều có một CDF. CDF của biến ngẫu nhiên (RV) X là xác suất mà X lấy giá trị tối thiểu nhỏ hơn hoặc bằng x.

, (1.5)

Hàm CDF của biến ngẫu nhiên X có những tính chất sau:

• Giá trị của CDF
• Hàm là hàm tang, tứ là nếu x₁ ≤ x₂ thì .
• và .
• Xác suất của khoảng .

Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) : là đạo hàm của CDF, ký hiệu là hoặc và thường được gọi là PDF của biến ngẫu nhiên X, tức là

(1.6)

Hàm PDF của biến ngẫu nhiên X có những tính chất sau :

• Giá trị xác suất không âm
• Tích phân toàn trục của PDF
• Tính CDF theo PDF

,

1.2.5. Một số loại kênh truyền phổ biến

1.2.5.1. Kênh truyền Rayleigh

Hình 1.1. Phân bố Rayleigh

Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ do bầu khí quyển hoặc vật chắn, ta có thể dùng mô hình Rayleigh. Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng không và variance là thì Z = có phân bố Rayleigh và có phân bố hàm mũ. Nếu đều là biến ngẫu nhiên Gauss với trung bình bằng không và phương sai là , ta có [4]:

. (1.7)

Có phân bố Rayleigh

(1.8)

trong đó là công suất trung bình của tín hiệu nhận được.

Và có phân bố hàm mũ.

. (1.9)

1.2.5.2. Kênh truyền Rician

Kênh truyền Rician giống như kênh Rayleigh nhưng có thành phần tín hiệu trực tiếp (LOS) đến máy thu. Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu LOS. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cọng thêm thành phần một chiều vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Khi thành phần LOS bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy phân bố Rician lúc này trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần LOS mất đi.

Hàm phân bố xác suất Rician như sau [4]:

(1.10)

trong đó, là công suất trung bình của thành phần không chứa đường trực tiếp LOS (Light of Sight) và là công suất của thành phần đường trực tiếp. I₀(.) là hàm Bessel bậc không.

Công suất trung bình nhận được trong kênh pha-đinh Rician là:

(1.11)

Hàm phân bố xác suất Rician có đặc điểm phụ thuộc vào tỉ số của năng lượng thành phần trực tiếp với năng lượng thành phần tán xạ K.

, (1.12)

Hình 1.2. Phân bố Rician

Thay và ta có thể viết lại phân bố Rician theo K và Pr [4]:

(1.13)

Khi K = 0 chúng ta không có đường truyền trực tiếp và phân bố Rician trở thành phân bố Rayleigh. Với giá trị K=∞ thì phân bố Rician trở thành phân bố Gauss.

Thành phần LOS của phân bố Rician cung cấp một thành phần tín hiệu tĩnh và giúp làm giảm hiệu ứng pha-đinh.

1.2.6. Kỹ thuật phân tập ăng ten

1.2.6.1. Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining : SC)

Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý [5].

Hình 1.3. Kỹ thuật phân tập thu SC

Trong kỹ thuật này, tại một thời điểm chỉ có một nhánh được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị trí ăng ten tích cực (ăng ten có tín hiệu được lựa chọn). tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục. Trong phương pháp SC, tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các nhánh. Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh đưa vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh.

1.2.6.2. Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)

Đối với kỹ thuật phân tập SC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu trên một nhánh riêng biệt nào đó. Kỹ thuật MRC khác với kỹ thuật trên, kỹ thuật này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào xử lý. Trong kỹ thuật MRC, SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần [6]. SNR của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập.

Hình 1.4. Kỹ thuật phân tập thu MRC

1.2.6.3. Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining : EGC)

Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được. Vì vậy để đơn giản kỹ thuật MRC người ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC [7].

Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả tín hiệu thu được tại các nhánh để đưa vào sử lý, tuy nhiên tỉ số SNR đầu ra trong phương EGC thỏa điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau. Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này có thể thấy là không cao như đối với kỹ thuật MRC nhưng EGC dễ thực thi trong thực tế hơn kỹ thuật MRC.

Hình 1.5. Kỹ thuật phân tập thu EGC

1.2.6.4. Kỹ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS: Transmit Antenna Selection)

Trong luận văn này, kỹ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS) sẽ được sử dụng để xử lý tín hiệu tại nguồn với hai ăng ten. Kỹ thuật này được mô tả như sau.

Gần đây, TAS đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển [8, 9]. Khi nút nguồn có thể được trang bị với nhiều ăng ten (nút nguồn là một trạm gốc) thì nút này có thể sử dụng một ăng ten tốt nhất sẵn có để truyền dữ liệu của nó đến nút đích mong muốn.

Trong hình 1.6, ta xét một mô hình TAS đơn giản, ở đây nút nguồn có N ăng ten muốn truyền dữ liệu đến nút đích, nút nguồn sử dụng ăng ten tốt nhất (AT b) để gữi dữ liệu đến đích. Thông thường, ăng ten tốt nhất được lựa chọn dựa vào thông tin kênh truyền tức thời giữa nút đích và các ăng ten.

Hình 1.6. Kỹ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS)

Vì vậy, điều kiện tiên quyết để thực hiện kỹ thuật TAS này là nút nguồn phải có tất cả thông tin kênh truyền giữa những ăng ten của nó và nút đích. Đây cũng là phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu năng và phân tập hệ thống.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\VO VAN SI