Nghiên cứu Khoa học
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM TẢI BẢO MẬT TRONG MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Tính cấp thiết của đề tài
Những thập kỷ vừa qua, điện toán đám mây cung cấp các tài nguyên điện toán và máy tính như phần mềm, dịch vụ, phần cứng … cho người dùng thông qua Internet. Điện toán đám mây cho phép người dùng tiện lợi truy cập vào bất cứ tài nguyên nào trên đám mây (tức máy chủ) vào bất cứ khi nào và ở bất kỳ đâu [1]. Tuy nhiên, với sự phát triển của các hệ thống tự trị với các ứng dụng yêu cầu xử lý thời gian thực như trong mạng IoT công nghiệp, mạng V2X… thì điện toán đám mây không còn đáp ứng một số các nhu cầu mới của người dùng như các hệ thống tự trị, hệ thống thực tại ảo[2],[3]. Mạng điện toán biên di động (MEC) được thiết kế và triển khai máy chủ gần người dùng không dây để hỗ trợ cho người dùng xử lý các tác vụ đáp ứng yêu cầu thời gian thực[4]. Kỹ thuật MEC cung cấp khả năng điện toán trong mạng truy cập không dây và môi trường dịch vụ công nghệ thông tin ngay tại biên mạng, nơi gần với nguồn dữ liệu nhất, tức là các thiết bị MEC, chúng có thể là smartphone, set-top box, các thiết bị IoT, hay các sensor trong mạng cảm biến không dây (WSNs) [5]. MEC có thể được xem là thế hệ tiến hóa tiếp theo trong lĩnh vực điện toán đám mây, giúp đáp ứng các yêu cầu cao hơn của người dùng, đặc biệt là yêu cầu thời gian thực. MEC đảm bảo độ trễ thấp, đáp ứng tức thời, tiết kiệm băng thông, gia tăng tính bảo mật, khả năng mở rộng tốt và có thể hoạt động độc lập so với các phần còn lại của mạng [6].
Hiện nay, kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) đang được áp dụng trong mạng MEC để giải quyết các vấn đề về số lượng người dùng lớn, yêu cầu tốc độ truyền thông cao và độ trễ thấp [7]. Kỹ thuật NOMA cho phép người dùng truy cập phân chia trên miền công suất. Sự kết hợp giữa MEC và NOMA được chứng minh là có thể cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng và hiệu suất mạng. Trong đó, NOMA cung cấp ưu điểm vượt trội về việc cải thiện hiệu quả phổ, thông lượng, thì MEC cho phép cải thiện tổng thể hiệu suất mạng. Từ đó, NOMA cho phép gia tăng số lượng người dùng, MEC có khả năng phân phối rộng rãi các tài nguyên điện toán từ đám mây tập trung đến biên mạng và phục vụ ngay lập tức những người dùng đó, do đó mạng NOMA MEC có tiềm năng hỗ trợ kết nối lớn và tính toán phân tán [8].
Tuy nhiên, bảo mật dữ liệu của thiết bị di động (MD) và mức tiêu thụ năng lượng vẫn là mối quan tâm hàng đầu trong nhiều hoạt động truyền thông [3], [4]. Trong các hệ thống NOMA MEC, nơi các MD biên chịu trách nhiệm xử lý và truyền dữ liệu, điều cần thiết vẫn là đảm bảo an toàn dữ liệu và bảo vệ khỏi sự truy cập hoặc ngăn chặn trái phép. Đây có thể là một thách thức, đặc biệt đối với các thiết bị có nguồn lực hạn chế, không có khả năng xử lý hoặc bộ nhớ để triển khai các giao thức bảo mật nâng cao. Ngoài bảo mật dữ liệu, việc tiêu thụ năng lượng cũng là vấn đề quan trọng trong hệ thống NOMA MEC [5]. Pin có thể cấp nguồn cho các MD biên hoạt động dưới sự ràng buột dung sai nghiêm ngặt. Nhiều nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu các phương pháp tiếp cận mới để bảo mật dữ liệu thiết bị di động và truyền thông tiết kiệm năng lượng trong hệ thống NOMA MEC để giải quyết những hạn chế trong [6]
2. Mục tiêu đề tài
Phân tích hiệu năng của mạng điện toán biên di động thu năng lượng vô tuyến (RF EH) sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao (NOMA) với giải pháp giảm tải bảo mật. Cụ thể:
– Đề xuất mô hình RF EH NOMA MEC với giao thức giảm tải bảo mật.
– Trình bày biểu thức tường minh của thông số đánh giá hiệu năng giảm tải bảo mật của hệ thống, gọi là xác suất tính toán thành công đảm bảo bảo mật (secrecy successful completion probability - SSCP).
– Đánh giá SSCP với các thông số chính của hệ thống bao gồm công suất phát, hệ số phân bổ công suất, chiều dài tác vụ, băng thông, ngưỡng tốc độ dữ liệu bảo mật, và tần số hoạt động CPU.
II. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1. Ngoài nước:
Trong những năm gần, nhiều công trình nghiên cứu đã khảo sát đến sự kết hợp giữa kỹ thuật NOMA và MEC. Các tác giả trong [1] thảo luận sâu rộng về bối cảnh của ứng dụng thực tế tăng cường di động (MAR) trong quá khứ và triển vọng tương lai của nó đối với hệ thống 5G và công nghệ bổ sung MEC. Bài viết đặc biệt cung cấp phân tích thông tin về sự hình thành mạng của các hệ thống MAR hiện tại và tương lai về các tùy chọn kiến trúc đám mây, biên, cục bộ và kết hợp. Trong khi công trình [8] đã có những nghiên cứu sâu hơn về vấn đề các chế độ giảm tải tính toán trong mạng NOMA MEC và chứng minh hiệu năng vượt trội hơn so với các chế độ tương ứng ở mạng OMA MEC. Các tác giả trong [9] đã cung cấp một cuộc khảo sát về nghiên cứu bảo mật lớp vật lý trên các công nghệ 5G đầy hứa hẹn khác nhau, bao gồm mã hóa bảo mật lớp vật lý, đa đầu ra đa đầu vào, truyền thông sóng milimet, mạng không đồng nhất, đa truy cập không trực giao… Trong [7] trình bày một sơ đồ giảm thiểu thời gian hoàn thành nhiệm vụ và năng lượng cho hệ thống điện toán biên di động (MEC) được hỗ trợ bởi máy bay không người lái (UAV), trong đó một số UAV được triển khai để phục vụ thiết bị của người dùng (UE) quy mô lớn. Mục đích là để giảm thiểu tổng mức tiêu thụ năng lượng và thời gian hoàn thành nhiệm vụ của hệ thống bằng cách lập kế hoạch quỹ đạo của UAV. Hoặc trong [10][11] các tác giả đã nghiên cứu hiệu suất hệ thống của mạng cảm biến không dây điện toán biên di động (MEC) (WSNs) sử dụng điểm truy cập đa sóng (AP) và hai cụm cảm biến dựa trên đa truy cập phi trực giao đường lên (NOMA), nghiên cứu đã đưa ra thuật toán giảm tải để tối ưu hiệu năng về thời gian và năng lượng. Nghiên cứu [12] đã sử dụng bảo mật lớp vật lý PLS cho hệ thống NOMA đường xuống, các tính năng an toàn, khả năng thích ứng và hiệu quả về mặt phổ đã được cải thiện.
2. Trong nước:
Trong nước, nhiều bài báo và Luận văn cũng tập trung nghiên cứu về mảng NOMA_MEC. Tiêu biểu như bài báo [3], nghiên cứu mạng điện toán biên di động thu năng lượng RF dựa trên hệ thống SIMO/MISO và các sơ đồ NOMA với kênh truyền Nakagami-m. Cụ thể, người dùng nhiều ăng-ten thu năng lượng RF từ một trạm phát bằng cách sử dụng sơ đồ kết hợp lựa chọn/tỷ lệ tối đa và giảm tải nhiệm vụ của nó cho hai máy chủ MEC thông qua NOMA đường xuống bằng cách sử dụng sơ đồ truyền lựa chọn ăng-ten/tỷ lệ tối đa.
Ở nghiên cứu [5], nhóm tác giả nghiên cứu mạng điện toán biên di động (MEC) dựa trên sơ đồ đa truy cập không trực giao (NOMA) đường lên với việc thu hoạch năng lượng tần số vô tuyến (RF EH). Do hạn chế về năng lượng và tài nguyên tính toán, hai người dùng không thể tự mình hoàn thành nhiệm vụ của mình trong thời gian trễ tối đa. Do đó, họ thu hoạch năng lượng RF từ điểm truy cập (AP) gần đó và sử dụng tất cả năng lượng đó để chuyển nhiệm vụ của mình sang AP.
Ở nghiên cứu [10], nhóm tác giả nghiên cứu hiệu suất hệ thống của mạng cảm biến không dây điện toán biên di động (MEC) (WSN) bằng cách sử dụng điểm truy cập đa ăng-ten (AP) và hai cụm cảm biến dựa trên đa truy cập không trực giao đường lên (NOMA). Do khả năng tính toán và tài nguyên năng lượng hạn chế, các nút chủ cụm (CH) chuyển nhiệm vụ của chúng sang một AP đa anten trên Nakagami-m fading.
III. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
1. Đối tượng nghiên cứu:
– Kênh truyền vô tuyến: Rayleigh, Nakagami-m.
– Các thông số hiệu năng: Xác suất tính toán thành công bảo mật (SSCP) của hệ thống.
– Các giao thức và cơ chế truyền thông không dây.
2. Phạm vi nghiên cứu:
– Lý thuyết thông tin và xác suất thống kê.
– Mạng không dây sử dụng cơ chế NOMA.
– Lớp vật lý của thông tin vô tuyến.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
– Bám sát các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này, đánh giá kết quả đạt được bên cạnh các điều kiện giả sử đi kèm và đề xuất hướng giải quyết tốt hơn.
– Dựa trên các hướng nghiên cứu đề xuất, nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau:
Lựa chọn kênh truyền (Rayleigh, Nakagami-m) phù hợp và xây dựng mô hình toán học,
Lựa chọn thông số đánh giá là Xác suất tính toán thành công bảo mật.
Phân tích các thông số chất lượng, biểu diễn ở dạng tường minh (closed-form expression).
Xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab.
So sánh kết quả đạt được với các nghiên cứu trước trong cùng điều kiện.
Khảo sát ảnh hưởng của các tham số mạng và kênh truyền lên hiệu năng của hệ thống.
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC DUY TÂN
Phòng 503 - K7/25 Quang Trung, Tp Đà Nẵng
(0236) 3827111(Ext 503)
feee@duytan.edu.vn
