Chương 1 giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, lý do chọn đề tài. Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu, những kết quả có liên quan đến đề tài từ đó nêu rõ những vấn đề còn tồn tại. Xác HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 7 GVHD: PGS. Hồ Văn Khương định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và những đóng góp chính của đề tài.
Chương 2 trình bày sơ lược về mô hình kênh truyền, tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức. Tìm hiểu các khái niệm về bảo mật lớp vật lý, các phương pháp bảo mật, các tiêu chí đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức. Khái quát về thu thập năng lượng và các phương pháp thu thập năng lượng. Cuối cùng là trình bày về kỹ thuật tạo tín hiệu nhiễu giả nhân tạo áp dụng trong đề tài để tăng cường hiệu năng bảo mật của hệ thống.
Chương 3 trình bày mô hình hệ thống được khảo sát trong đề tài và tham số hiệu năng bảo mật được sử dụng để đánh giá hệ thống. Sử dụng các phân tích toán học để đưa ra biểu thức dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức. Chương 4 mô phỏng Monte-Carlo bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích toán học trong chương 3. Đồng thời đưa ra những nhận xét đánh giá dựa trên những kết quả thu được.
Chương 5 tóm tắt những việc đã làm và kết quả đạt được cũng như những đóng góp của đề tài và đề xuất những hướng phát triển tiếp theo cho đề tài. Ngoài ra luận văn có thêm 2 phần phụ lục dùng để chứng minh công thức. HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 8 GVHD: PGS. Hồ Văn Khương CHƯƠNG 2.
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2. Kênh truyền vô tuyến 2. Giới thiệu Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến má thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích.
Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây cối…, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.
Fading là hiện tượng sai lệch tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn Fading được phân chia thành 4 loại: - Fading phẳng - Fading chọn lọc tần số - Fading nhanh - Fading chậm Người ra cũng có thể phân hai loại Fading: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading). Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: + Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF; + Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 9 GVHD: PGS. Hồ Văn Khương tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng.
Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua; + Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá. Các hiện tưởng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 2. Hiện tượng đa đường (Multipath) Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, môi trường truyền sóng không bao giờ là trong suốt mà luôn tồn tại các vật cản ví dụ như các tòa nhà, cây cối, đồi núi, biển báo giao thông… Các vật cản này sẽ cản trở đường truyền thẳng của sống vô tuyến đến anten thu gây ra các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.
Do đó, sóng vô tuyến nhận được tại anten thu là tổng hợp của nhiều thành phần đến từ nhiều hướng khác nhau tại những thời điểm khác nhau tức là các sóng này là những bản sao khác nhau của tín hiệu truyền, nó sẽ bị suy hao, dịch pha, trễ và tác động lẫn nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đa đường (Multipath Propagation). Do đó, tùy thuộc vào pha của các tín hiệu đến máy thu mà tín hiệu chồng chập nhận được tại máy thu có thể được giải mã thành công hoặc bị hủy bỏ nên công suất tín hiệu có thể tăng hoặc giảm. Nói cách khác chính hiện tượng đa đường đã gây ra fading.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (Impulse Dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng. HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 10 GVHD: PGS.
Hồ Văn Khương Truyền thẳng Trạm di động Trạm gốc Hình 2. Hiện tượng truyền sóng đa đường 2. Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, ví dụ như sự chuyển động của các thiết bị di động trên các phương tiện giao thông. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là 𝛼𝑛 , khi đó tần số Doppler của tuyến này là [28]: v f Dn = f 0 cos ( n ) (2.1) c trong đó 𝑓0 , 𝑣, 𝑐 lần lượt là các tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc của ánh sáng. Nếu 𝛼𝑛 = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: v f D ,max = fo (2. Suy hao trên đường truyền Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Về mặt lý thuyết, công suất giảm theo tỷ lệ bình phương khoảng cách.
Tuy nhiên trong thực tế công suất giảm nhanh hơn, thường là hàm mũ 3 hoặc 4 theo khoảng cách. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất. HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 11 GVHD: PGS. Hồ Văn Khương Ngoài ra, sự hiện diện của mặt đất, tầng khí quyển có thể khiến một số tín hiệu sóng bị phản xạ và gặp lại máy phát.
Những sóng phản xạ này đôi khi dịch pha tới 1800 do đó có thể làm giảm công suất phát. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
Các dạng kênh truyền Tùy theo đáp ứng tần số kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có: + Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số; + Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian. Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.6 là f0 Tín hiệu Mật truyền W f0 độ phổ Đáp ứng tần số của kênh truyền Hình 2. Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0 W ) Trên hình 2.2, ta nhận thấy kênh truyền có 𝑓0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.
Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số. HVTH: Nguyễn Hoàng Giang 12 GVHD: PGS. Hồ Văn Khương Đáp ứng tần số Mật của kênh truyền độ phổ Tín hiệu truyền W f f0 Hình 2. Kênh truyền không chọn lọc tần số ( f 0 >W ) Ngược lại, trên hình 2.3, kênh truyền có 𝑓0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau.
Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng. Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ… qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian. Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian.
