Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án Phương pháp đảm bảo bí mật truyền tin dựa vào thuật toán mật mã và tạicác tầng phía trên của tầng vật lý trong mô hình tr
Trang 1A GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN
1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
Phương pháp đảm bảo bí mật truyền tin dựa vào thuật toán mật mã và tạicác tầng phía trên của tầng vật lý trong mô hình truyền tin đa tầng đang đượcứng dụng rộng rãi nhưng cũng đang gặp thách thức về thám mã lượng tử vàkhó khăn trong triển khai trên các hệ thống vô tuyến có tài nguyên tính toán
và công suất hạn chế Bảo mật dữ liệu tầng vật lý (Physical Layer Security –PLS) không sử dụng thuật toán mật mã là phương pháp sử dụng lý thuyếtthông tin và xử lý tín hiệu để đạt được bảo mật hoàn thiện dựa trên tính khônghoàn hảo của lớp vật lý, do vậy có khả năng kháng thám mã lượng tử PLS tậptrung vào lớp vật lý, với thông tin vô tuyến PLS chú ý đến và dựa trên các đặctrưng vật lý của kênh vô tuyến như fading, tạp, nhiễu và phương pháp mãkênh để chống lại việc nghe lén Vì không dựa vào các bài toán phức tạp, PLS
có độ phức tạp tính toán thấp, tiết kiệm tài nguyên và không có hệ thống quản
lý, phân phối khóa Ngoài ra, nhờ thực hiện ở lớp vật lý, các kỹ thuật bảo mật
có thể điều chỉnh chiến lược truyền dẫn và tham số để phù hợp với sự thay đổicủa kênh truyền
PLS được khởi xướng từ năm 1975 với điều kiện là kênh chính phải tốthơn kênh nghe lén Các kết quả nghiên cứu gần đây đã gắn liền với nhữngtiến bộ về kỹ thuật truyền tin, đặc biệt là kỹ thuật truyền tin theo búp sóngtrong mạng đa nút chuyển tiếp đã đáp ứng được yêu cầu trên Tuy nhiên, cácbài toán PLS này, theo lý thuyết thông tin, luôn có dạng bài toán quy hoạchkhông lồi và chưa có cách giải tìm nghiệm toàn cục để đạt tốc độ truyền tinmật tốt nhất Bên cạnh đó, với sự phát triển của hạ tầng và ứng dụng vô tuyếncộng với nhu cầu bảo mật trong cả lĩnh vực quân dự và dân sự thì đề tài luận
án “Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp
trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC” vừa có tính khoa học và có tính thực
tiễn cao
2 Mục tiêu luận án
-Đề xuất phương pháp giải mới cho các bài toán PLS trong mạng vô tuyếnchuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Giải mã – chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) để nâng cao hiệu suất truyền tin mật
Trang 2-Đề xuất phương pháp giải mới cho các bài toán PLS trong mạng vô tuyếnchuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại – chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) để nâng cao hiệu suất truyền tin mật.
-Thử nghiệm đánh giá hiệu suất truyền tin mật giữa các kỹ thuật Giải mã –chuyển tiếp và Khuếch đại – chuyển tiếp; xác định mối quan hệ giữa sốtrạm chuyển tiếp và trạm nghe lén trong nâng cao tốc độ truyền tin mật
3 Phương pháp nghiên cứu
-Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa và hệ thống hóa các tài liệu khoa học đãcông bố trên thế giới và trong nước, kết hợp với việc tự nghiên cứu;
-Sử dụng phương pháp luận liên ngành: Lý thuyết thông tin, bảo mật thông tin,toán tối ưu, kỹ thuật truyền thông trong nghiên cứu;
-Phân tích, tổng hợp tình hình nghiên cứu về bài toán bảo mật tầng vật lý, xácđịnh các thách thức khoa học và định hướng nội dung cần giải quyết củaLuận án;
-Sử dụng ngôn ngữ lập trình, mô phỏng và công cụ giải các bài toán tối ưu lồi
để thử nghiệm các thuật toán nghiên cứu, đề xuất và so sánh, đánh giá vớimột số thuật toán đã công bố trước đây
4 Tính mới trong khoa học của Luận án
-Đề xuất giải thuật DF1E (DF One Eavesdropper) và giải thuật DFME (DF Multiple Eavesdroppers) để nâng cao hiệu suất truyền tin mậtcho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật DF có sự xuất hiệncủa một và nhiều trạm nghe lén;
DCA Đề xuất giải thuật DCA-AF1E và giải thuật DCA-AFME để nâng cao hiệusuất tryền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật
AF có sự xuất hiện một và nhiều trạm nghe lén;
-Thử nghiệm, phân tích hiệu quả truyền tin mật theo lý thuyết Shannon thôngqua độ bất định của người nghe lén đối với bản tin rõ dựa trên giá trị SNRtại trạm thu hợp pháp và các trạm nghe lén; Thử nghiệm đánh giá và sosánh hiệu suất truyền tin mật của hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và AF, đồngthời đưa ra khuyến nghị về số lượng trạm chuyển tiếp cần thiết theo sốlượng trạm nghe lén trong hệ thống
5 Cấu trúc của Luận án
Trang 3Luận án được trình bày trên 130 trang gồm: phần mở đầu (11 trang), kết luận(2 trang), các danh mục từ viết tắt, các ký hiệu toán học, danh mục bảng, danhmục hình vẽ và 03 chương nội dung chính, chụ thể:
- Chương 1: Bài toán bảo mật tầng vật lý, quy hoạch DC và giải thuậtDCA; 41 trang
- Chương 2: Nâng cao hiệu quả truyền tin mật cho mạng vô tuyếnchuyển tiếp theo kỹ thuật DF; 32 trang
- Chương 3: Nâng cao hiệu quả truyền tin mật cho mạng vô tuyếnchuyển tiếp theo kỹ thuật AF; 34 trang
Phần tài liệu tham khảo có 82 tài liệu, cập nhật đến năm 2021
B NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BẢO MẬT TRUYỀN TIN TẦNG VẬT LÝ, QUY
HOẠCH DC VÀ GIẢI THUẬT DCA.
Chương 1 của Luận án trình bày các nội dung sau:
- Tổng quan về bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến,
trong đó đưa ra khái niệm về tốc độ truyền tin mật R s(bits/symbol):
giải thuật tìm giá trị R s tốt hơn các phương pháp đã công bố cho các bài toánnày
Trang 4Hình 1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp
có 1 trạm nghe lén Hình 1.2 Mạng vô tuyến chuyển tiếp cónhiều trạm nghe lén
- Quy hoạch DC và giải thuật DCA, một phương pháp giải hiệu quả cho lớpcác bài toán quy hoạch không lồi, là cơ sở cho các đề xuất nâng cao hiệu suấtbảo mật truyền tin tầng vật lý cho 04 bài toán ở trên
CHƯƠNG 2: NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO
MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF.
Chương này đề xuất 02 thuật toán mới trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC vàgiải thuật DCA vào giải 02 bài toán bảo mật truyền tin vô tuyến sử dụng kỹthuật DF để nâng cao tốc độ truyền tin mật Các thuật toán đề xuất cũng chonghiệm cận tối ưu nhưng chúng cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp
đã công bố
2.1 Hệ thống có một trạm nghe lén, bài toán DF1E
Bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật
DF có sự xuất hiện một trạm nghe lén:
2 2
, 1 2 2
, 1
re m m m
Trong đó, w là trọng số khuếch đại của các trạm chuyển tiếp, hàm mục tiêu là
giá trị tốc độ mật R s (số bits/symbol) Khi chỉ quan tâm đến ràng buộc tổngcông suất thì w w† P R w w† P Rvà bài toán tìm được nghiệm toàn cục Tuynhiên với ràng buộc riêng tại mỗi trạm chuyển tiếp (
2
w p ) thì bài toánDF1E là bài toán quy hoạch không lồi và chưa có cách giải tìm nghiệm tối ưu toàncục, có dạng tương đương cụ thể như sau
2
2
2
'max
's.t , 1, ,
Trang 5với, Hrd h hrd rd ; hrd [h rd,1, , h rd M, ] ,Hre h hre re , hre [h re, 1, , h re M, ]
CHƯƠNG 1:
2.1.1 Phương pháp giải đã được công bố cho bài toán DF1E, SDR-DF1E
Một phương pháp đã được đề xuất là biến đổi bài toán trên về dạng SDP(Semi-Definite Program) sau đó áp dụng kỹ thuật nới lỏng (Semi-DefiniteRelaxation) là bỏ ràng buộc rank()=1 để thành bài toán SDR-DF1E
2.1.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DC và giải thuật DCA
Phần này trình bày nội dung đề xuất ứng dụng quy hoạch DC và giải thuậtDCA vào giải bài toán DF1E Chuyển bài toán sang dạng số thực:
2
1
2
2 1
T m
2 12Equatio
n Chapter (Next) Section 1
2.1.2.1 Thuật toán DCA-DF [T.8]
Bài toán DF1E dạng biến thực ở trên được phân tích thành dạng DC như sau:
n Chapter (Next) Section 1
Trang 62.1.2.2 Đề xuất thuật toán DCA-DF1E [T.9]
Phần này đề xuất thuật toán DCA-DF1E dựa trên một cách phân tích DC khác
so với giải thuật DCA-DF Bằng cách sử dụng thêm biến phụ t để chuyển bài
toán DF1E về dạng tương đương với bài toán sau:
2
2 1 ,
Ápdụng giải thuật DCA tổng quát cho bài toán trên như sau:
Giải thuật DCA-DF1E INPUT: Matrix value of channel number H1, Z1 and value
2
2 1
s.t
1, .,]
2min
t
t
t t
Trang 7OUTPUT: log 2 l, l .
s
R h x t
Định lý 2.2: Tính chất hội tụ của giải thuật DCA-DF1E:
(i) Dãy {ul = (tl,xl)} và dãy {f(ul)} là đơn điệu giảm
(ii)Mọi điểm tới hạn {u*} của {ul = (tl,xl)} là điểm tới hạn của DF1E
DCA-2.1.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-DF1E
Thực nghiệm trên môi trường Matlab R2017, công cụ CVX; máy PC Intel(R) core i3, 4.0 GB RAM; Kết quả thu được là giá trị trung bình của 100 lầnthử trên cùng bộ dữ liệu cho cả ba giải thuật: DCA-DF1E, DCA-DF và SDR-DF1E
Trường hợp hệ thống có 5 trạm chuyển tiếp (M = 5)
Kết quả thực nghiệm trong BẢNG 2.1 cho thấy giá trị R s theo giải thuật
DCA-DF1E luôn cao hơn so với DCA-DF và SDR-DF1E Giá trị R s của thuậttoán DCA-DF1E cao hơn không đáng kể so với thuật toán DCA-DF nhưngcao hơn nhiều so với thuật toán SDR-DF1E trong tất cả các trường hợp khácnhau về công suất truyền và giá trị hệ số kênh Kết quả này đã thể hiện tính ưuviệt của thuật toán DCA-DF1E do NCS đề xuất trong trường hợp thử nghiệmnày
Trang 8tin đa ăng ten vẫn có thể truyền tin bảo mật với tốc độ R s > 0 Tuy nhiên giá
trị R S này thấp hơn trường hợp hai kênh có chất lượng tương đương nhau. Trường hợp hệ thống có 10 trạm chuyển tiếp (M = 10)
Kết quả trong BẢNG 2.1 và BẢNG 2.2 cho thấy tốc độ truyền tin mật R s
theo thuật toán DCA-DF1E luôn cao hơn so với thuật toán DCA-DF và DF1E mặc dù sự khác biệt giữa thuật toán DCA-DF1E và DCA-DF là khôngnhiều, và cả ba thuật toán đều cho kết quả cao hơn so với trường hợp M = 5
SDR-Về thời gian thực hiện thuật toán: Kết quả trong BẢNG 2.3 cho thấy, giảithuật DCA-DF có tốc độ nhanh nhất Tuy nhiên, giải thuật DCA-DF1E nhanhhơn nhiều lần so với SDR-DF1E Thời gian của cả ba thuật toán đều tăng theo
số lượng trạm chuyển tiếp (khi M = 10) do số chiều của bài toán tăng
BẢNG 2.3: TỐC ĐỘ CỦA CÁC THUẬT TOÁN (σ h = 2, σ z = 2, đơn vị tính: giây)
SDR-
DF1E
Trang 9Kết quả thực nghiệm khẳng định, với điều kiện thực nghiệm thì các thuậttoán ứng dụng quy hoạch DC và giải thuật DCA cho bài toán DF1E đã cho cảnghiệm và thời gian thực hiện tốt hơn so với thuật toán SDR.
2.2 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén, bài toán DFME
Bài toán quy hoạch không lồi DFME với ràng buộc tổng công suất nhưsau:
2 2
, 1
2
, 1
M
j K
re m m m
2.2.1 Phương pháp giải bài toán DFME hiện tại, NullSteering-DFME
Bằng cách thêm điều kiện truyền Null steering đến trạm nghe lén:
2.2.2 Đề xuất giải thuật DCA-DFME [T.4]
Đề xuất quy hoạch DC phù hợp và bằng cách đặt biến:
Trang 10t T j T R
t
T j T R
Lưu đồ giải thuật DCA-DFME:
INPUTE: Channel value matrix Bj, Z
Trang 11- Giải thuật DCA-DFME sinh ra dãy u t,x
và f u
là đơn điệu giảm
- Mọi điểm tới hạn * * *
2.2.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-DFME [T.4]
Trường hợp 1: Cố định số trạm chuyển tiếp và thay đổi tổng công suất truyền
Kết quả thực nghiệm sau 100 lần thử độc lập và lấy giá trị trung bình như
như Hình 2.3 Theo đó, giá trị R s luôn có xu hướng tăng khi tổng công suất
truyền P R tăng; Trong cả 3 trường hợp khác nhau về số lượng trạm nghe lén thì giá trị R s theo thuật toán giải DCA-DFME luôn cao hơn phương pháp Null steering Đặc biệt, khi số lượng trạm nghe lén lớn (K = 9) thì khoảng cách
giữa hai kết quả này càng rõ rệt mặc dù cả hai kết quả đều thấp hơn so với
trường hợp K = 5 và 7.
Hình 2.3: Giá trị Secrecry Rate R s với số trạm chuyển tiếp M = 15
Trường hợp 2: Cố định tổng công suất truyền và thay đổi số trạm chuyển tiếp
Kết quả thực nghiệm Hình 2.4 Theo đó, giá trị R s của cả hai phương pháp
đều giảm khi số lượng trạm nghe lén tăng và giải thuật DCA-DFME luôn chogiá trị hàm mục tiêu tốt hơn phương pháp Null steering
P R (mW)
Trang 12Hình 2.4: Giá trị R s theo số lượng trạm nghe lén với M = 30.
2.3 Kết luận Chương 2
Chương này trình bày kết quả nghiên cứu, phân tích và các biến đổi phùhợp đối với bài toán DF1E và DFME, từ đó NCS đề xuất 02 thuật toán giải làDCA-DF1E và DCA-DFME Kết quả thử nghiệm đã chứng tỏ tính ưu việt của
02 thuật toán do NCS đề xuất so với các thuật toán đã được công bố trước đótrong trường hợp thử nghiệm
CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT AF.
Chương này nghiên cứu hai bài toán bảo mật trong mạng chuyển tiếp vôtuyến sử dụng kỹ thuật AF là AF1E và AFME và đề xuất thuật toán giải mớicho hai bài toán này dựa trên việc ứng dụng quy hoạch DC và giải thuật DCA.CHƯƠNG 3:
3.1 Hệ thống có một trạm nghe lén, bài toán AF1E
Trang 13Đây là một bài toán tối ưu khó, chưa có cách giải tìm nghiệm toàn cục.
3.1.1 Phương pháp giải bài toán AF1E hiện tại, SubOpt-AF1E.
Do hàm mục tiêu của bài toán AF1E phức tạp có dạng bậc bốn trên bậcbốn nên được tách thành tích của hai phần có dạng bậc hai trên bậc hai, sau đóđặt hai biến phụ tương ứng để giải hai bài toán con độc lập dựa trên kỹ thuậtSDP và SDR để tìm nghiệm SubOptimal
3.1.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DCA và giải thuật DCA cho bài toán AF1E
Giả thiết truyền Null steering đến trạm nghe lén bằng cách điều chỉnh
3.1.2.1 Thuật toán DCA-NS [T.8]
Bằng cách đặt biến và biến đổi bài toán về dạng DC như sau:
Trang 14T T
T r
3.1.2.2 Đề xuất thuật toán DCA-AF1E [T.9]
Đề xuất một dạng quy hoạch DC khác so với thuật toán DCA-NF cho bàitoán AF1E như sau:
ln 2
T T
T r
Trong đó, m maxmax(2Gr),max(Ar / 2) , m1, 2M
Khi này, giải thuậtDCA-AF1E được đề xuất như sau:
Trang 15R f
.
Định lý 3.1: Tính hội tụ của thuật toán DCA-AF1E
- Giải thuật DCA-AF1E sinh ra dãy l
x
và l
f x
là đơn điệu giảm
- Mọi điểm tới hạn x*của dãy l
x
là điểm tới hạn của bài toán DCA-AF1E
3.1.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-AF1E
Thực nghiệm với số trạm chuyển tiếp thay đổi (M = 3, 4 và 5) trên kênhtruyền Rayleigh fading một chiều với hai trường hợp về độ lợi kênh là:
và h z 2
Ứng với mỗi trường hợp, thực hiện 100 lần thử
độc lập và lấy kết quả trung bình để so sánh Kết quả thực nghiệm như sau:
Trường hợp kênh nghe lén tốt hơn kênh chính (h 1,z 2
)
BẢNG 3.4: GIÁ TRỊ R s (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG SUẤT
TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP
10.12
3
10.44 5
10.09
10.40
5 8.543 9.190 9.347
Trang 1610.29
6
10.62 3
để đảm bảo tính khả thi Giá trị lớn nhất R s = 11,6 bits/symbol khi PR /ps= 100ứng với thuật toán DCA-AF1E do NCS đề xuất cho trường hợp chất lượngkênh thu hợp pháp và kênh nghe lén là tương đương nhau (h z 2)
BẢNG 3.5: GIÁ TRỊ R s (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT TRUYỀN
RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP
BẢNG 3.6: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN (giây) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG
CÔNG SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP
BẢNG 3.7: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN (giây) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG
SUẤT TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP
Trang 17Thời gian chạy thuật toán DCA-AF1E chạy nhanh hơn các thuật toán kháctrong tất cả các trường hợp thử nghiệm, đặc biệt là so với thuật toán SubOpt-AF1E thì tốc độ của thuật toán DCA-AF1E nhanh hơn cỡ 5 lần
Trường hợp kênh nghe lén và kênh chính tương đương (h z 2
)
BẢNG 3.8: GIÁ TRỊ R s (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG SUẤT
TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP
10.05 7
10.86
11.62 5
10.12 5
10.95
BẢNG 3.9: GIÁ TRỊ R S (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT TRUYỀN
RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP
BẢNG 3.10: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG
SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP
Trang 18BẢNG 3.11: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT
TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP
2 2 1 2
1
2 2 1
max,
wmax
si i il
l M
i il i
Trang 19Đặt ρk 1,k, ,M k, với ,
ik id
1
1,0,
c¸c tr êng hîp kh¸c
3.2.1 Phương pháp giải bài toán AFME hiện tại, thuật toán SDR-AFME
Đặt Uuu†, và bỏ ràng buộc rank(U) = 1 để có bài toán SDR-AFME
3.2.2 Đề xuất giải thuật DCA-AFME [T.5]
Phân tách bài toán AFME thành dạng DC, bằng cách đặt