Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng

Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 75 - 
Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng 
mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất 
hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng 
Performance Enhancement of Underlay Cognitive Radio Networks with 
Relay Selection Methods under Presence of Eavesdropper and Hardware 
Impairments 
Phạm Thị Đan Ngọc, Trần Trung Duy, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Hồ Văn Khƣơng 
Abstract: In this paper, we study physical-layer 
security issue of secondary networks in cognitive 
radio (CR). In the considered system model, a 
secondary source communicates with a secondary 
destination with assistance of multiple secondary 
relays in presence of multiple secondary 
eavesdroppers. The secondary users operate on an 
underlay mode, where they must adjust their transmit 
power to satisfy interference constraints required by 
primary users. Moreover, we propose three efficient 
relay selection methods to improve outage 
performance for the data links as well as to reduce 
decoding probability (DP) of the eavesdropping links. 
For performance evaluation and comparison, we 
derive exact closed-form expressions of outage 
probability (OP) and decoding probability (DP) over 
Rayleigh fading channel under impact of imperfect 
hardware transceiver. Finally, Monte Carlo 
simulations are performed to verify our theoretical 
derivations. The results present that with the presence 
of the eavesdroppers, there always exists a trade-off 
between security and reliability. 
Keywords: Underlay cognitive radio, physical-
layer security, hardware impairments, relay selection, 
Rayleigh fading channel, outage probability, decoding 
probability. 
I. GIỚI THIỆU 
Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) được đề 
xuất bởi Joseph Mitola, là một giải pháp hiệu quả, 
nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần trong các 
mạng truyền thông vô tuyến [1]. Trong vô tuyến nhận 
thức, mạng sơ cấp (Primary network) được cấp phép 
sử dụng phổ tần, trong khi mạng thứ cấp (Secondary 
network) chỉ có thể sử dụng các băng tần trống (các 
băng tần đang không được sử dụng bởi mạng sơ cấp). 
Thông thường, những người dùng thứ cấp 
(Secondary users) phải thăm dò phổ [2], [3] để tìm ra 
các băng tần trống và sử dụng chúng. Tuy nhiên, khi 
những người dùng sơ cấp (Primary users) bắt đầu sử 
dụng các băng tần này, các người dùng thứ cấp phải 
ngay lập tức tìm kiếm các phổ tần trống khác để truy 
nhập. Hệ quả là sự truyền dữ liệu của mạng thứ cấp sẽ 
không được liên tục và hiệu năng của mạng cũng phụ 
thuộc hoàn toàn vào sự xuất hiện của người dùng sơ 
cấp. Hơn thế nữa, việc thăm dò phổ có thể không 
chính xác, gây nên các hoạt động cảnh báo sai lầm 
(miss detection và false alarm) [2], [3] làm ảnh hưởng 
nghiêm trọng đến chất lượng dịch vụ (Quality of 
service (QoS)) của cả hai hệ thống. 
Gần đây, các nhà nghiên cứu đề xuất một kỹ thuật 
vô tuyến nhận thức hiệu quả, với tên gọi vô tuyến 
nhận thức dạng nền (Underlay cognitive radio) [4], 
[5], [6], nhằm đảm bảo tính liên tục truyền/nhận cho 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 76 - 
mạng thứ cấp. Trong kỹ thuật này, hai mạng sơ cấp và 
thứ cấp có thể cùng lúc sử dụng phổ tần số. Tuy nhiên, 
người dùng thứ cấp phải sử dụng mức công suất phát 
đủ thấp để giao thoa gây lên trên mạng sơ cấp không 
ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng này [4], 
[5], [6]. Với công suất phát giới hạn, hiệu năng của 
mạng thứ cấp bị suy giảm trầm trọng, đặc biệt trong 
môi trường kênh fading Rayleigh. Để đạt được hiệu 
năng cao hơn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật 
chuyển tiếp cho mạng này. Các kết quả trong [4], [5], 
[6] cho thấy rằng các giao thức chuyển tiếp phân tập 
nâng cao độ lợi phân tập và giảm tốc độ lỗi cho mạng 
người dùng thứ cấp. 
Trong khi các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra 
các giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của mạng thứ 
cấp, thì việc bảo mật thông tin cho mạng này vẫn chưa 
nhận được sự quan tâm đúng mức. Bởi tính chất 
quảng bá của kênh truyền vô tuyến, những người dùng 
không hợp pháp có thể dễ dàng nghe trộm thông tin 
được phát đi trong mạng. Cho đến nay, những thuật 
toán bảo mật phổ biến như Data Encryption Standard 
(DES), Advanced Encryption Standard (AES), RSA, 
v.v. đều là các kỹ thuật khá phức tạp, và có thể khó 
khả thi khi triển khai trên các thiết bị sử dụng trong 
mạng thứ cấp. 
Gần đây, bảo mật thông tin lớp vật lý (physical-
layer security) [7], [8] đã được phát triển nhằm đạt 
được hiệu quả bảo mật, trong khi giảm thiểu đáng kể 
sự phức tạp trong quá trình hiện thực. Thật vậy, sự bảo 
mật này có thể đạt được dựa vào các tính chất vật lý 
của kênh truyền như khoảng cách, thông tin trạng thái 
kênh truyền (Channel state information) hay bằng việc 
tạo nhiễu nhân tạo (Artifial noise) lên các thiết bị nghe 
lén. Một lần nữa, chuyển tiếp phân tập lại trở thành 
một giải pháp hiệu quả nâng cao hiệu năng bảo mật 
lớp vật lý cho các hệ thống truyền thông vô tuyến. 
Trong tài liệu tham khảo [9], nhóm các tác giả đề 
xuất mô hình chọn nút chuyển tiếp cho mạng chuyển 
tiếp cộng tác, trong đó nút chuyển tiếp tốt nhất là nút 
đạt được dung lượng bảo mật cực đại. Các tác giả 
trong công trình [10] khảo sát vấn đề bảo mật thông 
tin lớp vật lý cho các hệ thống khuếch đại và chuyển 
tiếp với các nút chuyển tiếp không tin cậy. 
Các công trình [11], [12] nghiên cứu hiệu năng bảo 
mật của mạng thứ cấp trong môi trường vô tuyến nhận 
thức dạng nền trên kênh truyền fading Rayleigh, thông 
qua các thông số hiệu năng như: dung lượng bảo mật 
trung bình (Average secrecy capacity), xác suất dừng 
bảo mật (Secrecy outage probability) và xác suất dung 
lượng bảo mật khác không (Probability of non-zero 
secrecy capacity). Cũng vậy, các mô hình trong [11], 
[12] cải thiện đáng kể hiệu quả bảo mật nhờ vào các 
phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo 
nhiễu (jammer). 
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu về bảo mật lớp 
vật lý không quan tâm đến khả năng giải mã tín hiệu 
của nút nghe lén. Thật vậy, một khi nút nghe lén có 
thể giải mã thành công dữ liệu nghe trộm thì sự bảo 
mật là không còn nữa. Trong công trình [13] các tác 
giả nghiên cứu khả năng giải mã dữ liệu tại nút nghe 
lén và xác suất dừng tại nút đích trong mạng chuyển 
tiếp thứ cấp. Các kết quả trong [13] cho thấy rằng có 
một sự đánh đổi giữa khả năng bảo mật thông tin và 
xác suất dừng của hệ thống. 
Tuy nhiên, các tác giả trong các công trình [11], 
[12], [13] đều giả sử rằng phần cứng của các bộ 
thu/phát thứ cấp là lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế, 
phần cứng của các thiết bị này là không lý tưởng, xuất 
phát từ sự không tuyến tính của bộ khuếch đại, sự 
nhiễu pha hay sự mất cân bằng I/Q, v.v ... Sự khiếm 
khuyết phần cứng sẽ làm giảm đáng kể về hiệu năng 
của các hệ thống truyền thông vô tuyến [14], [15]. 
Trong tài liệu tham khảo [16], các tác giả lần đầu tiên 
đánh giá chính xác xác suất dung lượng bảo mật khác 
0 trong chuyển tiếp đa chặng. Tuy nhiên, mô hình này 
chỉ khảo sát sự truyền dữ liệu trực tiếp (Direct 
transmission), mà không đưa ra các phương pháp chọn 
lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu năng bảo mật của 
hệ thống. 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 77 - 
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ nghiên cứu sự ảnh 
hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng 
của mạng thứ cấp trong vô tuyến nhận thức dạng nền, 
thông qua đại lượng xác suất dừng (OP) tại nút đích 
thứ cấp và khả năng giải mã DP (Decoding 
Probability) của nút nghe lén thứ cấp1. Các kết quả 
trong bài báo này được phát triển từ công trình [17] 
của chúng tôi. Tuy nhiên, khác với [17], chúng tôi 
xem xét mô hình tổng quát với sự xuất hiện của nhiều 
người nghe lén thứ cấp. 
Bài báo đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút 
chuyển tiếp thứ cấp nhằm giảm giá trị OP cho hệ 
thống, đồng thời cũng giảm chất lượng kênh truyền 
đến nút nghe lén. Trong phương pháp thứ nhất (được 
đặt tên là HCG-D (Highest Channel Gain to 
Destination)), nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền 
đến nút đích lớn nhất sẽ được chọn để chuyển tiếp dữ 
liệu. Trong phương pháp thứ hai (với tên gọi MCG-E 
(Minimum Channel Gain to Eavesdroppers)), hệ thống 
sẽ chọn nút chuyển tiếp, tương ứng với độ lợi kênh 
truyền nhỏ nhất đến các nút nghe lén. Cuối cùng, đề 
xuất thứ ba mang tên COMB (Combine) là mô hình 
kết hợp giữa hai đề xuất trước đó, nhằm tận dụng các 
ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của HCG-D và 
MCG-E. 
Hơn thế nữa, chúng tôi đưa ra các công thức dạng 
đóng chính xác (Exact closed-form expression) cho 
các đại lượng OP và DP trên kênh truyền fading 
Rayleigh, trong sự xuất hiện của nhiều nút nghe lén 
thứ cấp và nhiều nút sơ cấp. Kế tiếp, chúng tôi thực 
hiện những mô phỏng máy tính, sử dụng phương pháp 
Monte Carlo, để kiểm tra độ chính xác của các biểu 
thức toán học. Các kết quả cho thấy rằng mô hình 
COMB đạt được hiệu năng ở giữa hai mô hình còn lại; 
và các thông số như mức suy hao phần cứng, số lượng 
1 Trong tài liệu [13], các tác giả sử dụng khái niệm xác suất chặn 
(Intercept probability) thay cho khái niệm khả năng giải mã 
(DP) như trong công trình này. 
nút sơ cấp, số nút nghe lén và ngưỡng giao thoa định 
mức ảnh hưởng đáng kể lên các giá trị OP và DP. 
Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. 
Mô hình hệ thống và các giao thức đề xuất được giới 
thiệu trong Phần II. Phần III phân tích và đánh giá 
hiệu năng của các phương pháp đề xuất. Kết quả mô 
phỏng và lý thuyết sẽ được thể hiện trong phần IV. 
Cuối cùng, các biện luận và hướng phát triển của 
nghiên cứu này sẽ được trình bày trong Phần V. 
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
Hình 1. Mô hình hệ thống nghiên cứu 
Hình 1 mô tả mô hình hệ thống được khảo sát 
trong bài báo. Trong mạng thứ cấp, nút nguồn thứ cấp 
(S) muốn gửi dữ liệu đến nút đích thứ cấp (D), thông 
qua sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp (R1, R2, , RM). 
Giả sử rằng, nút nguồn S không có đường liên kết trực 
tiếp đến nút đích D bởi khoảng cách xa hay hiệu ứng 
fading che khuất. Do đó, các nút chuyển tiếp được sử 
dụng để đưa dữ liệu từ nguồn đến đích. Ngoài ra, 
trong mạng thứ cấp còn xuất hiện K nút nghe lén thứ 
cấp được ký hiệu là E1, E2, , EK. Các nút này cố 
gắng nghe trộm dữ liệu được gửi đi từ các nút chuyển 
tiếp. Ta cũng giả sử rằng, các nút nghe lén nằm gần 
nút đích D, và vì thế các nút này cũng không thể nhận 
dữ liệu được truyền từ nút nguồn. Cũng trong hình vẽ 
này, hệ thống sơ cấp gồm có N người sơ cấp được đặt 
tên là P1, P2, , PN. 
Ta ký hiệu SRmh , R Dmh , SPnh , R Pm nh và R Em kh lần lượt 
là hệ số kênh truyền fading Rayleigh của các liên kết 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 78 - 
S Rm , R Dm , S Pn , R Pm n và R Em k , 
với 1,2,...,m M , 1,2,...,n N và 1,2,...,k K . Như 
đã đề cập trong các tài liệu [4], [5], các độ lợi kênh 
truyền như 2SR SR| | ,m mh 
2
R D R D| |m mh ,
2
SP SP| | ,n nh 
2
R P R P| |m n m nh và 
2
R E R E| |m k m kh sẽ là 
các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ (Exponential 
random variable). Cụ thể, hàm phân phối tích luỹ 
(CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) của các biến 
ngẫu nhiên  XY X,Y S,R ,D,E ,Pm k n có thể lần 
lượt được đưa ra như trong biểu thức (1): 
XY
XY
XY
XY XY
1 exp ,
exp ,
F x x
f x x



 
 (1) 
trong đó XY XY1/ E  với XYE  là giá trị trung 
bình của XY . 
Để thuận tiện cho việc trình bày và phân tích, ta giả 
sử các biến ngẫu nhiên SR R D SP R P, , ,m m n m n    và R Em k 
là độc lập và đồng nhất, nghĩa là SR SR ,m  
R D RD ,m  SP SP ,n  R P RPm n  và R E EKm k  , với 
mọi giá trị của m, n và k. Hơn nữa, chúng tôi cũng xin 
lưu ý rằng, các phương pháp phân tích và đánh giá 
trong bài báo này hoàn toàn có thể được áp dụng trong 
các trường hợp mà các biến ngẫu nhiên không đồng 
nhất. 
Giả sử rằng tất cả các nút trong hệ thống sơ cấp và 
thứ cấp đều được trang bị với một anten và hoạt động 
dưới chế độ bán song công (Half duplex). Do đó, hoạt 
động chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn tới đích được thực 
hiện trên hai khe thời gian trực giao. Trong khe thời 
gian đầu, nút nguồn S sẽ phát quảng bá dữ liệu tới tất 
cả các nút chuyển tiếp. Tuy nhiên, trước khi truyền 
tin, nút nguồn phải điều chỉnh công suất phát để giao 
thoa tác động lên các nút sơ cấp không làm ảnh hưởng 
đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Tương tự 
như [18, công thức (8)], dưới sự xuất hiện của khiếm 
khuyết phần cứng và định mức giao thoa I, công suất 
phát tối đa mà nút nguồn có thể sử dụng được tính bởi: 
 S P maxP SP
1,2,...,
,
11 max
nn N
I I
P
X 
 (2) 
với max SP
1,2,...,
max
nn N
X 
 và P là tổng mức suy hao 
phần cứng bao gồm cả sự suy hao tại nguồn và tại các 
nút sơ cấp. 
Tiếp theo, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu tức 
thời (SNR) của đường truyền từ S Rm sẽ được biểu 
diễn dạng (3): 
S SR SR max
SR 2
D S SR D SR max
/
,
/ 1
m m
m
m m
P Q X
P Q X
 
    
 
 (3) 
ở đây 2 là phương sai của nhiễu cộng (nhiễu Gauss) 
tại nút chuyển tiếp Rm , 
2
P/ 1 /Q I   và D là 
tổng mức suy hao phần cứng trên kênh dữ liệu từ S 
đến R .m 
Nút Rm được giả sử là nhận thành công dữ liệu từ 
nguồn nếu nút tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu 
SRm
 cao hơn mức ngưỡng th . Ngược lại, nút này 
được xem là không thể giải mã dữ liệu thành công và 
xem như rơi vào trạng thái dừng. 
Sau khi nhận được tín hiệu từ nguồn, tất cả các nút 
chuyển tiếp cố gắng giải mã dữ liệu. Không mất tính 
tổng quát, ta có thể giả sử rằng 1 2R ,R , ,R t là các 
nút chuyển tiếp giải mã thành công, trong khi 
1 2R ,R , ,Rt t M  là các nút nhận không thể giải mã 
được, với t là một số nguyên chạy từ 0 đến M. Khi t = 
0 có nghĩa là không có nút chuyển tiếp nào giải mã 
được dữ liệu nguồn, và trong trường hợp này hệ thống 
sẽ bị dừng vì nút đích không thể nhận được dữ liệu từ 
nguồn. Ta có thể nhận thấy rằng, t là một biến ngẫu 
nhiên và xác suất mà số nút chuyển tiếp thành công 
bằng t được tính bằng biểu thức (4) như sau: 
1
1
SR SR
SR SR
, , ,
Pr .
, ,
 t
t M
th tht
t M
th th
A C
 
 
   
    
 (4) 
Thay (3) vào (4), ta được công thức (5) như sau: 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 79 - 
1
1
SR D max SR D max
SR D max SR D max
, , ,
Pr
, ,
t
t M
t
t M
X X
A C
X X
   
   
  
  
, (5) 
với D D/ / 1th thQ    . Ở đây, ta giả sử rằng 
mức suy hao phần cứng D đủ nhỏ để mà D 1/ th  . 
Ta không xét trường hợp D 1/ th  bởi vì hệ thống 
khảo sát luôn bị dừng trong trường hợp này [14], [15]. 
Xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ hai, một 
trong những nút chuyển tiếp thành công 
 1 2R ,R , ,R t . Bây giờ, chúng tôi sẽ lần lượt giới 
thiệu các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp. 
Trong giao thức đề xuất đầu tiên với tên gọi HCG-
D, nút chuyển tiếp được chọn là nút có độ lợi kênh 
truyền đến nút đích lớn nhất. Thật vậy, sự chọn lựa 
được thực hiện theo thuật toán sau: 
R D R D
1,2,...,
R : max ,
b vb v t
 
 (6) 
tron ... ưới: 
SR
SR max
D0
D
1
.
m
m
t
t
t M
M t
X
A C F x
F x f x dx




 (23) 
Thay hàm CDF của SRm trong công thức (1) và 
hàm PDF của maxX trong công thức (18) vào công 
thức (23) ở trên; sau vài bước biến đổi và tính toán, ta 
đạt được rằng: 
1
1
0 0
SP
SP SR D
1
.
1
M t N
u vt u v
t M M t N
u v
A C C C
N
v u t

  

 (24) 
III.3. Tính giá trị OP và DP của các giao thức 
Xét phương pháp đề xuất đầu tiên HCG-D, xác 
suất dừng HCG-DOP trong (10) có thể được đưa ra dưới 
dạng biểu thức (25): 
R D ,max
HCG-D R D D ,max
D0
OP Pr
.
b
bb
b
Y
Y
F x f x dx
 

 (25) 
Thay hàm CDF của 
R D Db
F x  như trong (19) và 
hàm PDF của 
,maxbY
f x như trong (18) vào công thức 
(25) sau vài bước tính toán, ta tính được chính xác 
HCG-DOP như trong công thức (26): 
1
HCG-D 1
1 0
RP
RP RD D
OP 1 1
.
1
t N
v n v n
t N
v n
C C
N
n v

  

 (26) 
Một cách tương tự, khả năng giải mã của các nút 
nghe lén thứ cấp trong giao thức HCG-D cũng được 
đưa về dạng biểu thức (27): 
R E ,max
HCG-D R E E ,max
E0
DP Pr
1 ,
b
bb
b
Y
Y
F x f x dx
 

(27) 
với E E/ / 1th thQ    . Cũng vậy, trong bài báo, 
ta cũng chỉ xét trường hợp E 1/ th  , bởi vì nếu 
E 1/ th  , các nút nghe lén sẽ không thể giải mã 
được dữ liệu với mọi giá trị của các tham số khác. 
 Một lần nữa, ta sử dụng hàm CDF trong (19) cho 
R E Eb
F x  và hàm PDF trong (18) cho ,maxbYf x , để 
tính chính xác HCG-DP như trong công thức (28) sau: 
1
1
HCG-D 1
1 0
RP
RP RE E
DP 1
.
1
K N
k n k n
K N
k n
C C
N
n k

  

 (28) 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 82 - 
Bây giờ, thay các kết quả thu được từ (23), (26) và 
(28) vào trong (17), ta thu được các biểu thức dạng 
đóng chính xác cho các giá trị trung bình của OP và IP 
của giao thức HCG-D. 
Tiếp đến, xét giao thức MCG-E, xác suất dừng của 
giao thức này có thể đạt được như trong (29): 
MCG-E R D D ,max
1
1 RP
0 RP RD D
OP Pr
1 1 .
1
c c
nN
n N
n
Y
C N
n
 

  

 (29) 
Xét giá trị MCG-EDP , sử dụng hàm CDF đạt được 
trong (20) cho 
R Ec
F x , ta có: 
R E ,max
MCG-E R E E ,max
E0
1
1
1
1 0 0
RP
RP RE
DP Pr
1
1 1
.
1
c
cc
c
Y
t vK N
v u n v u n
t vk N
v u n
Y
F x f x dxn
C C C
N
n u

 


 

(30) 
Từ các kết quả đạt được trong (23), (29) và (30), ta 
dễ dàng tính được MCG-EOP và MCG-EDP . 
Đối với giao thức cuối cùng (COMB), biểu thức 
của COMBOP có thể được viết lại như trong công thức 
(31): 
R D ,max
COMB R D D ,max
D0
1
OP Pr
Pr .
d
dd
d
L
Y
l
Y
d l F x f x dx
 

  
 (31) 
Sử dụng hàm CDF đạt được trong công thức (21) 
và hàm PDF được đưa ra trong công thức (18), sau vài 
bước biến đổi và tính toán, ta đạt được kết quả bởi 
biểu thức (32): 
1 1
COMB
1 1 0 0
1
1 1 RP
RP RD D
1
OP 1
.
1 1
L l t u N
v n
l u v n
u v n
t t u N
L
C C C N
n u v

  

 (32) 
Trong giao thức COMB này, khả năng giải mã của 
các nút nghe lén được tính tương tự như (30) và được 
biểu diễn bởi công thức (33): 
COMB R E E ,max
1
1
1
1 0 0
RP
RP RE
DP Pr
1 1
.
1
d d
L vK N
v u n v u n
L vK N
v u n
Y
C C C
N
n u
 

 
 (33) 
Cuối cùng, với các kết quả đạt được trong các công 
thức (23), (32) và (33), ta dễ dàng tính được xác suất 
dừng trung bình COMBOP và COMBDP như được đưa ra 
trong (17). 
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Trong phần này, chúng tôi thực hiện mô phỏng 
Monte Carlo để kiểm chứng các kết quả lý thuyết 
được đưa ra trong Phần trước. Để các kết quả mô 
phỏng hội tụ về các kết quả lý thuyết, chúng tôi đã 
thực hiện 610 phép thử cho mỗi kết quả mô phỏng. 
Hơn nữa, chúng tôi cố định tất cả các tham số đặc 
trưng bằng 1: SR RD SP RD RP 1     , và giá 
trị của ngưỡng dừng th cũng không thay đổi 1th 
trong các mô phỏng. 
Hình 2 biểu diễn giá trị xác suất dừng (OP) như 
một hàm số của Q. Trong mô phỏng này, số lượng nút 
chuyển tiếp (M) bằng 3 và 6, số nút nghe lén (K) bằng 
2 và số các nút thứ cấp N bằng 3. Các thông số suy 
hao phần cứng được thiết lập như sau: P 0.1 và 
P P 0.5  . Kết quả trong Hình 2 cho thấy rằng xác 
suất dừng (OP) của tất cả các giao thức giảm khi giá 
trị Q tăng. Mặc khác, giá trị OP trong giao thức HCG-
D là thấp nhất bởi giao thức này chọn nút chuyển tiếp 
có độ lợi kênh truyền lớn nhất tới đích. Giá trị OP của 
mô hình MCG-E là lớn nhất bởi mô hình này chỉ quan 
tâm đến việc tối thiểu hóa chất lượng kênh nghe lén. 
Mô hình COMB đạt được hiệu năng nằm giữa hai mô 
hình HCG-D và MCG-E. Cũng quan sát trên hình vẽ 
này, ta thấy rằng giá trị xác suất dừng của hai mô hình 
HCG-D và COMB giảm nhanh khi tăng số lượng nút 
chuyển tiếp từ 3 lên 6. Tuy nhiên, đối với giao thức 
MCG-E, giá trị này chỉ giảm nhẹ khi thay đổi số nút 
chuyển tiếp. Một kết quả đáng chú ý nữa mà ta có thể 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 83 - 
thấy trên hình vẽ là các kết quả mô phỏng (MP) trùng 
khớp với các kết quả lý thuyết (LT), điều này chứng tỏ 
các công thức đưa ra trong Phần III là chính xác. 
Hình 2. Xác suất dừng (OP) theo Q (dB) khi N = 3, 
 K = 2, P E 0.5  và P 0.1 
Hình 3. Khả năng giải mã của các nút nghe lén 
(DP) theo Q (dB) khi M = 4, N = 3, D E 0.5  và 
P 0.1 
Trong Hình 3, chúng tôi biểu diễn khả năng giải 
mã (DP) của các nút nghe lén theo giá trị của Q. Các 
thông số của hình vẽ này là M = 4, N = 3, 
D E 0.5  và P 0.1 . Quan sát hình vẽ, ta thấy 
rằng giá trị DP của giao thức MCG-E là thấp nhất, 
trong khi giá trị DP trong giao thức COMB nằm giữa 
hai giao thức còn lại. Đó là vì các mô hình MCG-E và 
COMB quan tâm đến việc hạn chế chất lượng kênh 
nghe lén. Nhìn vào hình vẽ, ta cũng thấy rằng giá trị 
DP của tất cả các giao thức tăng với sự gia tăng của Q. 
Hơn thế nữa, giá trị này tăng mạnh khi số lượng nút 
nghe lén tăng từ 1 lên 3. Một lần nữa, các kết quả mô 
phỏng đã kiểm chứng sự chính xác của các biểu thức 
toán học đánh giá giá trị DP. 
Hình 4 khảo sát sự biến thiên của giá trị xác suất 
dừng (OP) theo số lượng nút sơ cấp (N) khi 5Q dB, 
7M , 2K , D E 0.2  và P 0. Nhìn vào 
hình vẽ, ta thấy rằng giá trị OP của các giao thức tăng 
theo sự gia tăng của số lượng nút sơ cấp. Đó là vì khi 
số lượng N tăng sẽ làm giảm công suất phát của nút 
nguồn thứ cấp và các nút chuyển tiếp thứ cấp, kéo 
theo sự tăng của giá trị OP. 
Hình 4. Xác suất dừng (OP) theo N khi 5Q dB, 
7M , 2K , D E 0.2  và P 0 
Hình 5. Xác suất dừng (OP) theo E khi 5Q dB, 
5M , K = 1, N = 3, D 0.5 và P 0.1 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 84 - 
Trong Hình 5, giá trị DP của các mô hình đề xuất 
được vẽ theo giá trị mức suy hao phần cứng E khi 
5Q dB, M = 5, K = 1, N = 3, D 0.5 và P 0.1 . 
Hình 5 cho thấy rằng giá trị DP giảm mạnh khi tăng 
E từ 0 đến 0.9. Một lần nữa, ta có thể thấy từ Hình 4 
và Hình 5 rằng mô hình HCG-D đạt hiệu năng OP tốt 
nhất, mô hình MCG-E nhận giá trị DP nhỏ nhất và 
hiệu năng của mô hình COMB nằm giữa hai mô hình 
còn lại. 
Bảng 1. Giá trị của Q (dB) trong Hình 6 
OP 
0.510 
110 
1.510 
210 
2.510 
310 
Q 
(HCG-D) 
8.4 11.4 13.7 15.8 17.7 19.5 
Q 
(MCG-E) 
10.4 15.8 20.9 26.0 31.0 36.0 
Q 
(COMB) 
8.8 12.2 15.0 17.6 20.1 22.6 
Hình 6. Khả năng giải mã của các nút nghe lén 
(DP) vẽ theo xác suất dừng (OP) khi 3M , 2K , 
3N , D E 0.5  và P 0.1 
Hình 6 mô tả sự đánh đổi giữa xác suất dừng (OP) 
và xác suất giải mã (DP) của các giao thức khi 3M , 
2K , 3N , D E 0.5  và P 0.1 . Trong mô 
phỏng này, chúng tôi cố định các giá trị của OP và sử 
dụng các công thức tính OP của các giao thức để tìm 
ra các giá trị Q tương ứng (xem Bảng 1). Sau đó, các 
kết quả mô phỏng và lý thuyết của DP và OP sẽ được 
thực hiện, sử dụng các thông số vừa được thiết lập. 
Quan sát hình vẽ, ta thấy rằng có một sự đánh đổi giữa 
hiệu năng bảo mật và hiệu năng dừng của các mô 
hình. Cụ thể, để đạt được một giá trị xác suất dừng 
(OP) thấp thì giá trị DP lại lớn và ngược lại. Trong 
hình vẽ này, ta cũng thấy một điều thú vị là ở cùng giá 
trị của OP thì giá trị DP của mô hình MCG-E là lớn 
nhất, trong khi giá trị DP trong các mô hình HCG-D 
và COMB là gần như xấp xỉ. Điều đó cho thấy rằng 
mô hình MCG-E có hiệu năng thấp hơn khi so với hai 
mô hình còn lại. 
VI. KẾT LUẬN 
Trong bài báo nghiên cứu bảo mật lớp vật lý trong 
mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức dạng nền này, 
Chúng tôi đã đề xuất ba phương pháp lựa chọn nút 
chuyển tiếp để cải thiện hiệu năng của mạng người 
dùng thứ cấp thông qua tham số là xác suất dừng (OP) 
và khả năng giải mã của các nút nghe lén (DP). Các 
biểu thức dạng đóng chính xác của OP và DP đã được 
đưa ra và được kiểm chứng bởi các mô phỏng Monter 
Carlo. Các kết quả cho thấy rằng mô hình HCG-D đạt 
được hiệu năng OP tốt nhất, mô hình MCG-E đạt 
được hiệu năng DP tốt nhất. Tuy nhiên, khi quan tâm 
đến sự đánh đổi giữa OP và DP, hai mô hình HCG-D 
và COMB đạt được hiệu quả tốt hơn. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Công 
nghệ Bưu chính Viễn thông với đề tài mã số X_HV-
2017-RD_ĐT2. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J. MITOLA, G. Q. J. MAGUIRE, "Cognitive Radio: 
Making Software Radios More Personal," IEEE Pers. 
Commun., vol. 6, no. 4, pp. 13 - 18, 1999. 
[2] H. N. VU, T. D. TRAN, H. Y. KONG, "An Optimal 
Cooperative Spectrum Sensing Method in Cognitive 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 85 - 
Radio Network over Rayleigh Fading Channel,” Proc. 
of IFIP Wireless Days, Niagara Falls, Canada, pp. 1 – 5, 
Oct. 2011. 
[3] T. T. TRUC, H. Y. KONG, "Block-time of 
Arrival/Leaving Estimation to Enhance Local Spectrum 
Sensing under the Practical Traffic of Primary User,” 
Journal of Communications and Networks, vol. 15, no. 
5, pp. 514 – 526, Oct. 2013. 
[4] T. Q. DUONG, V. N. Q. BAO, H. J. ZEPERNICK, 
"Exact Outage Probability of Cognitive AF Relaying 
with Underlay Spectrum Sharing,” IET Electronics 
Letters, vol.47, no.17, pp. 1001 - 1002, Aug. 2011. 
[5] P. N. SON, H. Y. KONG, "Exact Outage Analysis of 
Energy Harvesting Underlay Cooperative Cognitive 
Networks,” IEICE Trans. on Commun., vol. E98-B, no. 
4, pp. 661 - 672, Apr. 2015. 
[6] T. T. DUY, G. C. ALEXANDROPOULOS, T. T. VU, 
N.-S. VO, T. Q. DUONG, "Outage Performance of 
Cognitive Cooperative Networks with Relay Selection 
over Double-Rayleigh Fading Channels,” IET 
Communications, vol. 10, no. 1, pp. 57 - 64, Jan. 2016. 
[7] A. D. WYNER, “The Wire-tap Channel,” In: AT&T 
Bell Labs. Tech. J., vol. 54, no. 8, pp. 1355 – 1387, Oct. 
1975. 
[8] P. K. GOPALA, L. LAI, H. E. GAMAL, “On the 
Secrecy Capacity of Fading Channels,” IEEE Trans. Inf. 
Theory, vol. 54, no. 10, pp. 4687 – 4698, Oct. 2008. 
[9] I. KRIKIDIS, “Opportunistic Relay Selection for 
Cooperative Networks with Secrecy Constraints,” IET 
Communications, vol. 4, no. 15, pp. 1787 – 1791, Oct. 
2010. 
[10] L. SUN, T. ZHANG, Y. LI, H. NIU, “Performance 
Study of Two-Hop Amplify-and-Forward Systems With 
Untrustworthy Relay Nodes,'' IEEE Trans. Veh. Tech., 
vol. 61, no. 8, pp. 3801 – 3807, Oct. 2012. 
[11] Y. LIU, L. WANG, T. T. DUY, M. ELKASHLAN, 
TRUNG Q. DUONG, “Relay Selection for Security 
Enhancement in Cognitive Relay Networks,” IEEE 
Wireless Commun. Lett., vol. 4, no. 1, pp. 46 – 49, Feb. 
2015. 
[12] D.-B. HA, TUNG T. VU, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, 
“Secure Cognitive Reactive Decode-and-Forward Relay 
Networks: With and Without Eavesdropper,” Wireless 
Personal Communications, vol. 85, no. 4, pp. 2619 - 
2641, Dec. 2015. 
[13] Y. ZOU, B. CHAMPAGNE, W. P. ZHU, L. HANZO, 
“Relay-Selection Improves the Security-Reliability 
Trade-Off in Cognitive Radio Systems,” IEEE Trans. on 
Commun., vol. 63, no. 1, pp. 215 – 228, Jan. 2015. 
[14] M. MATTHAIOU, A. PAPADOGIANNIS, “Two-Way 
Relaying Under the Presence of Relay Transceiver 
Hardware Impairments,” IEEE Commun. Lett., vol. 17, 
no. 6, pp. 1136--1139, Jun. 2013. 
[15] E. BJORNSON, M. MATTHAIOU, M. DEBBAH, 
“New Look at Dual-hop Relaying: Performance Limits 
with Hardware Impairments,” IEEE Trans. Commun., 
vol. 61, no. 11, pp. 4512 - 4525, Nov. 2013. 
[16] D. T. HUNG, T. T. DUY, D. Q. TRINH, V. N. Q. 
BAO, T. HANH, “Impact of Hardware Impairments on 
Secrecy Performance of Multi-hop Relay Networks in 
Presence of Multiple Eavesdroppers,” Proc. of 
NICS2016, Danang city, Viet Nam, pp. 113 – 118, Sep. 
2016. 
[17] P. T. D. NGOC, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, N. L. 
NHAT, “Security-Reliability Analysis for Underlay 
Cognitive Radio Networks with Relay Selection Methods 
under Impact of Hardware Noises,” Proc. of ATC2016, 
Hanoi, Viet Nam, pp. 174 – 179, Otc. 2016. 
[18] P. T. D. NGOC, T. T. DUY, V. N. Q. BAO, H. V. 
KHUONG, “Transmit Antenna Selection Protocols in 
Random Cognitive Networks under Impact of Hardware 
Impairments,” Proc. of NICS2016, Danang city, Viet 
Nam, pp. 38 – 43, Sep. 2016. 
[19] P. M. QUANG, T. T. DUY AND V. N. Q. BAO, 
“Energy Harvesting-based Spectrum Access Model in 
Overlay Cognitive Radio,” Proc. of ATC2015, Ho Chi 
Minh city, Viet Nam, pp. 231 – 236, Oct. 2015. 
[20] T. T. DUY AND H. Y. KONG, “Performance Analysis 
of Incremental Amplify-and-Forward Relaying 
Protocols with Nth Best Partial Relay Selection under 
Interference Constraint,” Wireless Personal 
Communications, vol. 71, no. 4, pp. 2741 – 2757, Aug. 
2013. 
Nhận bài ngày: 10/11/2016 
Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 
- 86 - 
SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ 
PHẠM THỊ ĐAN NGỌC 
Sinh năm 1985. 
Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành vô 
tuyến tại Học viện Công nghệ 
Bưu chính Viễn thông cơ sở TP. 
HCM năm 2013. 
Hiện công tác tại Học viện Công 
nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở 
TP. HCM. 
Hướng nghiên cứu : thông tin vô tuyến, vô tuyến nhận 
thức và khiếm khuyết phần cứng. 
Email: ngocptd@ptithcm.edu.vn 
TRẦN TRUNG DUY 
Sinh năm 1984. 
Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên 
ngành vô tuyến tại ĐH Ulsan, 
Hàn Quốc năm 2013. 
Hiện là giảng viên Khoa Viễn 
Thông 2, Học viện Công nghệ 
Bưu chính Viễn thông cơ sở 
TP. HCM. 
Hướng nghiên cứu: khiếm khuyết phần cứng, bảo mật 
lớp vật lý và thu hoạch năng lượng vô tuyến. 
Email: trantrungduy@ptithcm.edu.vn 
VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO 
Năm sinh 1979. 
Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành 
vô tuyến tại ĐH Ulsan, Hàn Quốc 
năm 2010. Được phong PGS năm 
2014. 
Hiện công tác tại Học viện Công 
nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở 
TP. HCM. 
Hướng nghiên cứu: vô tuyến nhận thức, truyền thông 
hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp vật lý và thu 
thập năng lượng vô tuyến. 
Email : baovnq@ptithcm.edu.vn 
HỒ VĂN KHƢƠNG 
Năm sinh 1978. 
Nhận bằng Kỹ sư và Thạc sĩ 
trường ĐH Bách Khoa TP. 
HCM năm 2003, bằng Tiến sĩ 
Đại học Ulsan, Hàn Quốc năm 
2007. 
Hiện công tác tại trường ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc 
gia TP. HCM. 
Hướng nghiên cứu: kỹ thuật điều chế và mã hóa, kỹ 
thuật phân tập, xử lý tín hiệu số, thu thập năng lượng, 
bảo mật lớp vật lý, và vô tuyến nhận thức. 
Email: khuong.hovan@gmail.com