(LUẬN văn THẠC sĩ) đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Amplified and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng CF Compress and Forward Nén và chuyển tiếp CDF Cu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM LÊ TIỆP

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ

TRONG MẠNG KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM LÊ TIỆP

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở

TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TOÀN THẮNG

Thái Nguyên - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, học viên xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn

TS Nguyễn Toàn Thắng đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên xin cảm ơn TS Trần Hùng đã có nhiều góp ý, chỉ dẫn cho cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trực tiếp giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên

Học viên xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến quan trọng giúp học viên hoàn thiện tốt hơn luận văn của mình

Luận văn được hỗ trợ nghiên cứu và là sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ năm 2017 của bộ Giáo dục và Đạo tạo, mã số đề tài: B2017-TNA-50

Học viên Phạm Lê Tiệp

LỜI CAM ĐOAN

Học viên cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học viên dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Toàn Thắng Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, học viên xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Học viên Phạm Lê Tiệp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN 2 1.1 Mô hình OSI 2

1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer) 3

1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer) 4

1.1.3 Tầng mạng (Network Layer) 5

1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer) 6

1.1.5 Tầng phiên (Session layer) 6

1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer) 7

1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer) 7

1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức 7

1.2.1 Truyền thông hợp tác 8

1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức 13

1.2.3 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức 17

1.3 Tổng quan về lý thuyết thông tin 18

1.3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin 18

1.3.2 Truyền thông từ điểm tới điểm 20

1.3.3 Kênh truyền fading Rayleigh, Rician 22

CHƯƠNG 2: BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY 25

2.1 Tổng quan bảo mật tầng vật lý 25

2.1.1 Bảo mật thông tin dựa trên khóa bảo mật 25

2.1.2 Bảo mật thông tin không dựa trên khóa bảo mật 28

2.2.1 Dung lượng bảo mật thông tin 29

2.2.2 Xác suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin 32

2.2.3 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống 33

2.3 Mô hình đánh giá khả năng bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý 34

2.3.1 Mô hình hệ thống 34

2.3.2 Chính sách điều khiển công suất của SU 35

2.3.3 Phân tích quá trình truyền thông 37

2.3.4 Phân tích quá trình thu nhận thông tin của thiết bị nghe trộm 39

2.3.5 Xây dựng thuật toán tìm xác xuất dừng bảo mật, xác khác không của dung lượng bảo mật 39

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44

3.1 Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật 44

3.2 Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật 48

3.3 Đánh giá kết quả của xác xuất khác không của dung lượng bảo mật 51

3.4 Kết luận 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình OSI 2

Hình 1.2: Tầng vật lý 4

Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu 5

Hình 1.4: Tầng vận chuyển 6

Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác 8

Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 9

Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF) 10

Hình 1.8: Mô hình phân tập kết hợp lựa chọn 12

Hình 1.9: Mô hình phân tập kết hợp tỉ số tối đa 13

Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave 15

Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay 16

Hình 1.12: Mô hình một mạng truyền thông hợp tác nhận thức 17

Hình 1.13: Mô hình truyền thông điểm đến điểm 20

Hình 2.1: Phương pháp cắt mức 27

Hình 2.2: Mô hình mạng với máy phát (Alice) máy thu (Bob) và thiết bị nghe trộm (Eve) 30

Hình 2.3: Mô hình hệ thống vô tuyến với một máy nghe trộm 30

Hình 2.4: Mô hình đánh giá bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây 34

Hình 3.1: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập SC 45

Hình 3.2: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập MRC 45

Hình 3.3: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 1 46

Hình 3.4: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 2 46 Hình 3.5: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của

Hình 3.6: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC 48 Hình 3.7: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật MRC 49 Hình 3.8: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 2 49 Hình 3.9: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng 50của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 5 50 Hình 3.10: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 12 50 Hình 3.11: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật SC 51 Hình 3.12: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC 52 Hình 3.13: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 2 52 Hình 3.14: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 5 53 Hình 3.15: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 12 53

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF Amplified and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

CF Compress and Forward Nén và chuyển tiếp

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy

CCRN Cognitive Cooperative Radio

Network

Mạng truyền thông hợp tác nhận thức

CRN Cognitive Radio Network Mạng vô tuyến nhận thức

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CU Cognitive User Người dùng vô tuyến nhận thức

DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp

DMC Discrete Memoryless Channel Kênh không bộ nhớ rời rạc

EGC Equal-Gain Combiners Bộ tổ hợp cùng độ lợi

MRC Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa OSI Open Systems Interconnection

Model

Mô hình kết nối các hệ thống mở

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SNR signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SU Secondary User Người dùng vô tuyến nhận thức

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gầy đây, mạng không dây ngày càng phổ biến với nhiều ưu điểm như tính di động cao, tiện lợi trong việc sử dụng Nhưng do tính chất truyền quảng bá của kênh truyền không dây nên nó tạo cơ hội cho kẻ xấu nghe trộm và can thiệp một cách tự nhiên Bất cứ ai có một máy thu được điều chỉnh trong phạm vi mà tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đủ lớn đều có thể nghe trộm Do đó, bảo mật là mối quan tâm then chốt trong các mạng không dây

Để đánh giá khả năng bảo mật của các không dây học viên chọn đề tài:

“Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây’’ Đề tài của

học viên sẽ tiến hành nghiên cứu đánh giá bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây dựa vào lý thuyết thông tin được đưa ra bởi Shannon

Chương 1: Lý thuyết tổng quan

Ở chương này học viên đưa ra các kiến thức tổng quan cụ thể học viên lần lượt đi giới thiệu kiến thức về các tầng trong mô hình OSI đặc biệt là tầng vật lý, lý thuyết thông tin được giới thiệu bởi Claude Elwood Shannon Mạng

vô tuyến nhận thức có sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác

Chương 2: Bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây

Ở chương này học viên đưa ra phương pháp đánh giá bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý dựa vào lý thuyết thông tin, sau đó học viên đưa ra mô hình và phân tích, xây dựng thuật toán đánh giá bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Ở chương này học viên thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab với phương pháp mô phỏng Monte Carlo từ đó học viên đi phân tích,so sánh các kết quả thu được để đánh giá khả năng bảo mật của mạng không dây

Cuối cùng là khái quát toàn bộ vấn đề nghiên cứu, kết luận và đưa ra hướng phát triển tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 1:

LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1.1 Mô hình OSI

Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Model) là một mô hình khái niệm, đặc trưng và chuẩn hóa các chức năng bên trong của một hệ thống thông tin bằng cách chia nó thành các tầng trừu tượng Mô hình này là một sản phẩm của dự án Open Systems Interconnection tại Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc

tế (ISO), được ký hiệu tiêu chuẩn ISO/IEC 7498-1

Mô hình OSI được biểu diễn như hình (1.1) và gồm 7 tầng: Tầng vật lý (Physical layer), tầng liên kết dữ liệu (Data link layer), tầng mạng (Network layer), tầng vận chuyển (Transport layer), tầng phiên (Session layer), tầng biểu diễn (Presentation layer) và tầng ứng dụng (Application layer) Các tầng trong

mô hình OSI có quan hệ chặt chẽ với nhau, mỗi tầng nhằm định nghĩa một phân đoạn trong quá trình di chuyển thông tin qua mạng

Hình 1.1: Mô hình OSI

1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer)

Tầng vật lý là tầng thấp nhất trong mô hình OSI, đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Tầng vật lý xác định các giao diện về mặt điện học và cơ học giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông cụ thể như sau:

- Đặc tính vật lý của giao diện và môi trường: Tầng vật lý định nghĩa các đặc tính của giao diện giữa các thiết bị và môi trường truyền Ngoài ra, tầng còn định nghĩa dạng của môi trường truyền

- Biểu diễn các bit: Dữ liệu tầng vật lý bao gồm dòng các bit (chuỗi các giá trị 0 và 1) mà không cần phải phiên dịch Để truyền dẫn thì các bit này phải được mã hóa thành tín hiệu - điện hay quang Tầng vật lý định nghĩa dạng mã hóa (phương thức các giá trị 0 và 1 được chuyển đổi thành tín hiệu)

- Tốc độ dữ liệu: Là số bit được truyền đi trong một giây

- Đồng bộ bit: Máy phát và máy thu cần được đồng bộ hóa theo cấp độ bit Nói cách khác, đồng hồ của máy phát và máy thu phải được đồng bộ hóa

- Cấu hình đường dây: Tầng vật lý còn giải quyết phương thức thiết bị được nối với môi trường Trong cấu hình điểm - điểm, hai thiết bị được nối với nhau qua kết nối được chỉ định Trong cấu hình điểm nối nhiều điểm, một kết nối được chia sẻ cho nhiều thiết bị

- Định nghĩa phương thức kết nối thiết bị để tạo thành mạng Thiết bị có thể được nối theo lưới, sao, cây, vòng hay bus

- Chế độ truyền: Tầng vật lý định nghĩa chiều truyền dẫn giữa hai thiết bị: đơn công, bán song công hay song công Trong chế độ đơn công (simplex) chỉ có thông tin một chiều, trong bán song công (half duplex) hai thiết bị có thể nhận và gởi nhưng không đồng thời Trong chế độ song công (full duplex) hai thiết bị có thể gởi và nhận đồng thời

Hình 1.2: Tầng vật lý

1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer)

Tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ truyền các khung dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác qua tầng vật lý, đảm bảo tin cậy, gửi các khối dữ liệu với các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu Cụ thể tầng liên kết dữ liệu thực hiện các chức năng sau:

- Tạo khung (framing): Tầng điều khiển kết nối chia dòng bit nhận được thành các đơn vị dữ liệu quản lý được gọi là khung (frame)

- Định (tạo) địa chỉ vật lý: Nếu frame được phân phối đến nhiều hệ thống trong mạng, thì tầng liên kết dữ liệu thêm vào frame một header để định nghĩa địa chỉ vật lý của nơi phát (địa chỉ nguồn) và/hay nơi nhận (địa chỉ đích)

- Điều khiển lưu lượng: Nếu tốc độ nhận dữ liệu của máy thu bé hơn so với tốc độ của máy phát, thì tầng liên kết dữ liệu tạo cơ chế điều khiển lưu lượng tránh quá tải của máy thu

- Kiểm tra lỗi: Tầng liên kết dữ liệu thêm khả năng tin cậy cho tầng vật

lý bằng cách thêm cơ chế phát hiện và gởi lại các frame bị hỏng hay thất lạc Đồng thời, cũng tạo cơ chế tránh gởi trùng các frame Kiểm tra lỗi thường được thực hiện nhờ trailer được thêm vào ở phần cuối của frame

Điều khiển truy cập: Khi hai hay nhiều thiết bị được kết nối trên cùng một đường truyền, cần có giao thức của tầng kết nối dữ liệu để xác định thiết

bị nào nắm quyền trên kết nối tại một thời điểm

Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu

1.1.3 Tầng mạng (Network Layer)

Tầng mạng cung cấp các dịch vụ về chọn đường đi và kết nối giữa hai

hệ thống, điều khiển và phân phối dòng dữ liệu truyền trên mạng để tránh tắc nghẽn Tầng mạng có trách nhiệm địa chỉ hoá, dịch từ địa chỉ logic sang địa chỉ vật lý, định tuyến dữ liệu từ nơi gửi tới nơi nhận Tầng mạng xác định đường truyền nào tốt trên cơ sở các điều kiện của mạng, quyền ưu tiên dịch vụ Tầng mạng cũng quản lý các vấn đề giao thông trên mạng như chuyển mạch, định tuyến và điều khiển sự tắc nghẽn của dữ liệu:

Định (tạo) địa chỉ logic: Địa chỉ vật lý do tầng kết nối dữ liệu chỉ giải quyết được vấn đề định địa chỉ cục bộ Nếu gói dữ liệu đi qua vùng biên của mạng, thì nhất thiết phải có thêm một hệ thống định địa chỉ khác giúp phân biệt giữa hệ thống nguồn và hệ thống đích Tầng mạng thêm header vào gói từ tầng trên xuống, trong đó chứa địa chỉ logic của nơi gởi và nơi nhận

Định tuyến (routing): Khi nhiều mạng độc lập được nối với nhau để tạo

ra liên mạng (mạng của mạng) hay một mạng lớn hơn, thì thiết bị kết nối là bộ định tuyến (router hay gateways) được dùng để chuyển đường đi được đến đích, tầng mạng được thiết lập cho mục tiêu này

1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer)

Chức năng của tầng vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông Mục đích chính là đảm bảo dữ liệu được truyền đi không bị mất và bị trùng Các nhiệm vụ cụ thể của tầng vận chuyển là :

- Nhận các thông tin từ tầng trên và chia nhỏ thành các đoạn dữ liệu nếu cần

- Cung cấp sự vận chuyển tin cậy (End to End) với các thông báo (Acknowledment)

- Chỉ dẫn cho máy tính không truyền dữ liệu khi buffer là không có sẵn

Hình 1.4: Tầng vận chuyển

1.1.5 Tầng phiên (Session layer)

Tầng phiên thành lập một kết nối giữa các tiến trình đang chạy trên các máy tính khác nhau Các chức năng của tầng phiên bao gồm:

- Cho phép tiến trình ứng dụng đăng kí một địa chỉ duy nhất như là NetBIOS name Tầng này lưu các địa chỉ đó để chuyển sang địa chỉ của NIC

từ địa chỉ của tiến trình

- Thành lập, theo dõi, kết thúc Virtual circuit session giữa hai tiến trình dựa trên địa chỉ duy nhất của nó

- Định danh thông báo, thêm các thông tin xác định bắt đầu và kết thúc

- Đồng bộ dữ liệu và kiểm tra lỗi

1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer)

Tầng biểu diễn liên quan đến vấn đề về cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa (sematic) của tin tức trao đổi giữa hai hệ thống Các nhiệm vụ của tầng biểu diễn là:

- Biên dịch (translation): Các quá trình (chương trình đang chạy) của hai

hệ thống thường trao đổi thông tin theo dạng chuỗi các ký tự, số, v.v Thông tin này nhất thiết phải được chuyển sang dòng bit trước khi được gởi đi Do các máy tính khác nhau thường dùng các phương pháp mã hóa khác nhau, nên tầng trình bày có nhiệm vụ vận hành chung trong hai hệ thống này Tầng trình bày tại máy phát thay đổi dạng thông tin từ dạng của máy phát (sender-depending) sang dạng thông thường Tại máy thu, thì tầng trình bày chuyển dạng thông thường thành dạng của máy thu (receiving depending)

- Mã hóa (encryption) và giải mã hóa (decryption): Để mang các thông tin nhạy cảm, hệ thống phải có khả năng bảo đảm tính riêng tư Mã khóa là quá trình mà máy phát chuyển đổi thông tin gốc thành dạng khác và gởi đi bản tin

đi qua mạng Giải mã khóa (decryption) là quá trình ngược lại nhằm chuyển bản tin trở về dạng gốc

- Nén: Nén dữ liệu nhằm giảm thiểu số lượng bit để truyền đi Nén dữ liệu ngày càng trở nhên quan trọng trong khi truyền multimedia như văn bản, audio, và video

1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer)

Tầng ứng dụng trong mô hình OSI là tầng trên cùng trong bộ giao thức quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, tầng ứng dụng cung cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ của mô hình OSI Các ứng dụng cung được cấp như các chương trình xử lý kí tự, bảng biểu, thư tín … và tầng ứng dụng đưa ra các giao thức HTTP, FTP, SMTP, POP3, Telnet

1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức

1.2.1 Truyền thông hợp tác

Nếu một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác,

và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó thì có thể tạo ra nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích

Mạng truyền thông hợp tác dựa vào ý tưởng trên, có nghĩa là các thiết bị

di động có thể “chia sẻ” tín hiệu của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống mạng phân tập không gian Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một đường truyền duy nhất

Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác

Quá trình truyền thông trong mạng truyền thông hợp tác gồm hai giai đoạn Ở giai đoạn đầu tiên, thông tin được nút nguồn quảng bá tới tất cả các nút chuyển tiếp (Relay) Tại các nút chuyển tiếp (Relay) sẽ sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp để truyền tín hiệu từ nguồn (S) đến thiết bị người dùng (D) Có nhiều kỹ thuật chuyển tiếp được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng như: Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplified and Forward - AF), Giải mã và chuyển tiếp (Decoded and Forward - DF), Nén và chuyển tiếp (Compress and Forward -

CF) Các kỹ thuật này mô tả cách nhận và xử lý dữ liệu tại trạm chuyển tiếp trước khi dữ liệu được gửi đến đích

Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Phương pháp này thường được sử

dụng khi chuyển tiếp có thời gian/công suất tính toán có sẵn bị giới hạn hoặc thời gian trễ phải là tối thiểu, thời gian trễ được tạo ra bởi chuyển tiếp giải mã

và mã hóa thông điệp

Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Quá trình xử lý tín hiệu đối với AF có thể đơn giản thành ba giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu bằng phương pháp phát sóng

vô tuyến, nút chuyển tiếp R thu nhận tín hiệu

- Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp R khuếch đại công suất của tín hiệu nhận được từ S và chuyển tiếp đến nút đích D

- Giai đoạn 3: Nút đích D giải mã tín hiệu nhận từ R trong giai đoạn 2 và khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Giao thức AF khuếch đại tín hiệu tại nút chuyển tiếp R, tăng công suất của tín hiệu truyền đi, giúp đầu thu D có thể thu được tín hiệu tốt nhất AF còn gọi là phương thức chuyển tiếp không tái tạo, là phương thức xử lý tín hiệu cơ bản và đơn giản nhất so với các phương pháp khác Ý tưởng phía sau giao thức

AF là đơn giản Tín hiệu được nhận bởi chuyển tiếp R bị suy giảm và cần được

khuếch đại trước khi nó có thể được gửi đi lần nữa Khi làm như vậy nhiễu trong tín hiệu cũng được khuếch đại, đây chính là điểm yếu của giao thức này

Giải mã và chuyển tiếp (DF): Ngày nay việc truyền dẫn không dây rất

hiếm tín hiệu tuần tự và chuyển tiếp có đủ sức mạnh tính toán, do đó, DF thường

là phương pháp được ưu tiên nhất để xử lý dữ liệu trong chuyển tiếp Tín hiệu nhận đầu tiên được giải mã và sau đó mã hóa lại Vì vậy, không có nhiễu được khuếch đại trong tín hiệu gửi, như là trường hợp sử dụng giao thức AF Đó là hai vấn đề chính được thực hiện trong một hệ thống sử dụng giao thức chuyển tiếp DF

Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF)

Đối với kỹ thuật này, quá trình xử lý tín hiệu có thể đơn giản qua 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu, nút chuyển tiếp R nhận tín hiệu

- Giai đoạn 2: Nút R sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã các gói tin nhận được từ S và tái mã hóa bằng cách sử dụng mã mới tương tự với mã tại nguồn S để chuyển tiếp thông tin đến nút đích Trong giải mã và tái mã hóa, nút chuyển tiếp có sử dụng mã sửa lỗi để sửa lỗi trên đường truyền

- Giai đoạn 3: Nút đích D nhận tín hiệu từ R, xử lý và khôi phục lại thành tín hiệu ban đầu

Do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng giải mã sai ở nút chuyển tiếp làm suy giảm đáng kể hiệu năng hệ thống Do đó, phương thức này được giả định là nút R chỉ thực hiện chuyển tiếp nếu các tín hiệu từ nguồn được giải mã một cách chính xác Điều này có thể được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm tra CRC (Cyclic redundancy check) Chuyển tiếp có thể giải mã hoàn toàn thông điệp gốc Điều này yêu cầu nhiều thời gian tính toán, nhưng có nhiều tiện lợi Nếu thông điệp nguồn chứa một mã sửa lỗi, các lỗi bit được nhận có thể sửa ở trạm chuyển tiếp Hoặc nếu không có mã hóa như vậy được thực hiện một kiểm tra cho phép chuyển tiếp phát hiện chứa lỗi Phụ thuộc vào việc thực thi, một thông điệp sai có thể không được gửi đến đích Nhưng chuyển tiếp R không thể luôn giải mã đầy đủ thông điệp nguồn Việc chậm trễ thêm gây ra để giải mã đầy đủ và xử lý thông điệp là không thể chấp nhận được, chuyển tiếp

có thể không đủ khả năng tính toán hoặc thông điệp nguồn có thể bị mã hóa để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm Trong trường hợp này, tín hiệu vào chỉ được giải mã

và mã hóa lại từng ký hiệu Vì vậy, hoặc không có sửa lỗi nào có thể được thực hiện hoặc không có kiểm tra được tính toán

Nén và chuyển tiếp (DF): Trong kỹ thuật này, chuyển tiếp R nén tín

hiệu mà nó nhận được và gửi thông tin đã được nén đến đích D, bao gồm ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Nút S truyền tín hiệu, nút R nhận tín hiệu

- Giai đoạn 2: Nút R sử dụng kỹ thuật mã hóa nén Wyner – Ziv (WZC)

và lượng tử hóa tín hiệu để nén tín hiệu nhận được từ S trước khi chuyển tiếp

nó sang đích D

- Giai đoạn 3: Nút đích D khôi phục lại thành tín hiệu cần thu

Ở giai đoạn thứ 2 của quá trình truyền thông trong mạng truyền thông hợp tác, dữ liệu được chuyển tiếp từ các nút chuyển tiếp đến đích, tại đích sẽ

sử dụng các kỹ thuật phân tập để tổng hợp thông tin thu được Có hai kỹ thuật

phân tập phổ biến được sử dụng là kỹ thuật phân tập kết hợp lựa chọn ( SC- Selection combining ) và kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa ( MRC-Maximal ratio combining )

Kỹ thuật phân tập kết hợp lựa chọn ( SC- Selection combining):

Hình 1.8: Mô hình phân tập kết hợp lựa chọn

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 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 anten tích cực (anten 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

Hình 1.9: Mô hình phân tập kết hợp tỉ số tối đa

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC-Maximal ratio combining):

Trong kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo tỷ số tối đa, đầu ra là tổng trọng số của tất cả các nhánh Do pha của tín hiệu là khác nhau trên các nhánh, do vậy

để kết hợp chính xác các tín hiệu đòi hỏi phải đồng pha các tín hiệu này Việc đồng pha được thực hiện bằng cách nhân mỗi nhánh với giá trị .

sở tương tác với môi trường hoạt động Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức

là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm hai nhóm mạng: mạng chính (mạng sở hữu bản quyền tần số, mạng chính - Primary Network) và mạng vô tuyến nhận thức (mạng thứ cấp – Secondary Network)

Mạng chính (Primary Network): Có quyền truy cập tới băng tần được

cấp phép, ví dụ như mạng truyền hình quảng bá, hay mạng di động tế bào Các thành phần của mạng chính bao gồm:

- Người dùng chính (Primary User): Người dùng có giấy phép để hoạt

động trong một băng tần nhất định Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng không được cấp phép khác

- Trạm gốc chính (Primary Base-Station): là thành phần cơ sở hạ tầng

mạng được cố định, có giấy phép phổ, như trạm BTS trong mạng tế bào

Mạng vô tuyến nhận thức (Secondary Network): Mạng vô tuyến nhận

thức hay mạng không có giấy phép để hoạt động trong một băng tần mong muốn Do đó, nó chỉ được phép truy cập phổ khi có cơ hội Các thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm:

- Người dùng vô tuyến nhận thức (Secondary User, Cognitive User):

Người dùng không được cấp phép, người dùng vô tuyến nhận thức không có giấy phép sử dụng phổ Do đó, những người dùng này cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ băng tần cấp phép Những người dùng này sử dụng những

kỹ thuật truy cập vô tuyến nâng cao để sử dụng chung dải tần với các PU mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các PU

- Trạm gốc vô tuyến nhận thức (Secondary Base Station): Trạm gốc

không cấp phép hay trạm gốc vô tuyến nhận thức là thành phần cơ sở hạ tầng

cố định có các khả năng của mạng không dây nhận thức Trạm gốc vô tuyến nhận thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng vô tuyến nhận thức mà không cần giấy phép truy cập phổ Thông qua kết nối này, người dùng

vô tuyến nhận thức có thể truy nhập đến các mạng khác

Có ba mô hình phổ biến được sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức,

đó là mô hình Interweave, mô hình Underlay và mô hình Overlay Mỗi mô hình hoạt động dựa trên các kỹ thuật và nguyên tắc khác nhau

Mô hình Interweave: Một SU sẽ phát hiện ra các khe trống phổ và thực

hiện truyền thông qua phổ trống đó mà không gây nhiễu tới PU Để một SU truyền hiệu quả qua các khe trống phổ cần có các cảm biến để phát hiện chính

biến để phát hiện các khe phổ trống là rất quan trọng, cần lưu ý rằng không để xảy ra việc truyền đồng thời của cả PU và SU trên cùng một dải tần và SU phải ngừng sử dụng phổ ngay khi PU sử dụng lại phổ Khi đó việc truyền thông của

SU phải chấm dứt nếu SU không tìm ra được một khe phổ trống khác để tiến hành chuyển giao Ưu điểm của việc truy cập dựa trên cơ chế interweave là SU

có thể truyền với công suất phát tối đa trên một khe phổ trống mà không cần quan tâm đến nhiễu ảnh hưởng đến PU Tuy nhiên việc phát hiện ra một cách chính xác các khe phổ trống trong môi trường mạng vô tuyến nhiễu động không đơn giản, do đó việc phát hiện không chính xác có thể gây nhiễu nghiêm trọng cho PU

Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave

Mô hình Underlay: Trong kỹ thuật truy cập phổ Underlay, SU được

phép truy cập đồng thời vào dải phổ cấp phép của PU, các SU phải thực hiện điều khiển công suất phát của mình một cách nghiêm ngặt nhằm đảm bảo lượng nhiễu gây ra cho PU không vượt qua một mức giới hạn được quy định bởi mạng chính Kết quả là, những ràng buộc này không chỉ thu hẹp phạm vi truyền sóng

mà còn hạn chế tốc độ truyền của SU

Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay

Mô hình Overlay: Trong hệ thống Overlay, SU-Tx có thể đồng thời truy

cập tần số của PU-Tx Tuy nhiên, để đảm bảo không làm suy giảm hiệu năng của mạng chính, SU-Tx áp dụng các kỹ thuật để triệt tiêu nhiễu gây ra tại PU-

Rx Cụ thể là, Tx phải biết được codebooks của mạng chính Sau đó,

SU-Tx có thể dùng thông tin này theo một số cách để loại bỏ hoặc triệt tiêu nhiễu Một mặt, SU-Tx có thể sử dụng thông tin này để hợp tác với PU-Tx bằng cách

sử dụng một phần công suất phát để truyền tín hiệu của mạng chính Mặt khác thông tin về codebook này cũng được sử dụng tại phía thu của mạng vô tuyến nhận thức để loại bỏ tín hiệu của mạng chính ra khỏi tín hiệu nhận được Bằng cách tiếp cận này, hiệu suất của cả hai mạng vô tuyến nhận thức và chính đều được cải thiện

Tuy nhiên trong một số điều kiện khi không có sự điều phối giữa mạng chính và vô tuyến nhận thức, Overlay khó có thể thực hiện Nguyên nhân có thể là do PU-Tx có thể ở xa SU, hoặc nó bị ẩn đối với SU do các vật cản Vì vậy SU không thể giải mã các bản tin PU-Tx tại thời điểm bắt đầu của giai đoạn truyền

1.2.3 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức

Những tiến bộ gần đây trong truyền thông hợp tác cho phép các người dùng di động khác nhau hoặc các thiết bị đầu cuối hợp tác và chia sẻ tài nguyên Điểm nổi bật của ý tưởng này là truyền thông hợp tác không chỉ tăng độ lợi ghép kênh mà còn chống lại các tác động bất lợi của môi trường fading Quan trọng hơn, dung năng của hệ thống được tăng lên một cách đáng kể bằng cách

áp dụng các kỹ thuật chuyển tiếp Trong quá trình hợp tác với nút nguồn, nút chuyển tiếp có thể thực hiện các kỹ thuật khác nhau như AF, DF, CF để nâng cao hiệu suất truyền Trong các mạng vô tuyến nhận thức sử dụng truyền thông hợp tác, SU-Tx truyền tin tới SU-Rx thông qua sự hỗ trợ của một hoặc một vài nút chuyển tiếp thứ cấp (Secondary Relay -SRi) trong khi cả SU-Tx và SRi đều điều khiển công suất truyền của chúng để thỏa mãn ràng buộc của PU trong vùng truyền thông của nó

Hình 1.12: Mô hình một mạng truyền thông hợp tác nhận thức

Trong hình 1.13 là mô hình một mạng truyền thông hợp tác nhận thức CCRN (Cognitive Cooperative Radio Network ) trong đó SU-Tx truyền tin tới SU-Rx thông qua sự hỗ trợ của các nút chuyển tiếp Nút chuyển tiếp và SU-Rx phải chịu nhiễu từ PU-Tx trong khi SU-Tx và các nút SRi phải kiểm soát công suất truyền của chúng sao cho nhiễu gây ra cho PU-Tx ở dưới ngưỡng chấp

nhận được Tương tự các mạng truyền thông hợp tác truyền thống, một CCRN với nhiều SRi đạt được độ phân tập và cải thiện hiệu năng

Tóm lại, một mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác đem lại những lợi ích sau:

- Nhiễu gây ra bởi su tới PU có thể được giảm bằng cách chọn một SRi thích hợp

- Vùng phủ sóng của một mạng vô tuyến nhận thức được mở rộng bởi sự trợ giúp của một hoặc nhiều SR

- Bằng cách thực hiện các kỹ thuật chuyển tiếp như DF, AF hoặc CF tại SRi, độ tin cậy truyền của mạng vô tuyến nhận thức được cải thiện ngay cả khi việc truyền trực tiếp từ SU-Tx tới SU-Rx chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của fading

1.3 Tổng quan về lý thuyết thông tin

1.3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin

Lý thuyết thông tin xuất phát từ nghiên cứu “Lý thuyết toán học về truyền thông” của Claude Elwood Shannon được công bố trên tạp chí Bell System Technical Journal vào tháng 7 và tháng 10 năm 1948 Mô hình chính của lý thuyết thông tin cổ điển chính là kỹ thuật truyền thông tin trên một kênh nhiễu Các kết quả cơ bản nhất của lý thuyết là định lý mã hóa nguồn của Shannon, định lý khẳng định rằng truyền thông đáng tin cậy có thể thực hiện thông qua các kênh truyền nhiễu với điều kiện tỷ lệ truyền thông thấp hơn một ngưỡng nhất định, được gọi là dung lượng kênh truyền Dung lượng kênh truyền có thể được đạt được trong thực tế bằng cách sử dụng các hệ thống mã hóa và giải mã thích hợp

Trong nghiên cứu của mình, Shannon lần đầu tiên giới thiệu mô hình định tính và định lượng của thông tin như là một quá trình thống kê làm cơ sở cho lý thuyết thông tin, mở ra khẳng định rằng “vấn đề cơ bản của truyền thông

là tái tạo tại một thời điểm, hoặc là chính xác hoặc là xấp xỉ, một thông điệp

thông tin và lượng dư thừa (Redundancy) của nguồn, và sự liên quan đến lý thuyết mã hóa nguồn, thông tin tương hỗ, và dung lượng kênh của một kênh nhiễu, bao gồm sự triển vọng về truyền thông hoàn hảo không mất dữ liệu được đưa ra bởi lý thuyết mã hóa kênh nhiễu

Lượng quan trọng nhất của thông tin là entropy, thông tin trong một biến ngẫu nhiên, và thông tin tương hỗ, lượng thông tin chung giữa hai biến ngẫu nhiên

Định nghĩa 1.1: Entropy là một đơn vị đo độ bất định (uncertainty) của

một biến ngẫu nhiên Cho X là một biến ngẫu nhiên rời rạc, có thể nhận các giá trị x trong tập  và hàm khối xác suất (PMF: Probability Mass Function)

Entropy vi phân (Differential Entropy): cho X là một biến ngẫu nhiên

liên tục có thể nhận các giá trị x trong tập hữu hạn và hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) f(x)như sau

Định nghĩa 1.3: Entropy vi phân của biến ngẫu nhiên liên tục X f(x)

Thông tin tương hỗ (Mutual information): là đại lượng đo lượng thông

tin mà một biến ngẫu nhiên chứa một biến ngẫu nhiên khác

Định nghĩa 1.4: Thông tin tương hỗ I(X;Y) được định nghĩa là:

2 ( , ) X Y

1.3.2 Truyền thông từ điểm tới điểm

Mô hình hệ thống truyền thông được giới thiệu bởi Claude E Shannon trong bài báo [4] và đã đặt nền tảng cho lĩnh vực lý thuyết thông tin Trong mô hình này, máy phát mong muốn gửi thông điệp W đến máy nhận Thông điệp này phải được gửi thông qua các kênh truyền thông, là một đại diện của môi trường vật lý được chia sẽ bởi máy phát và máy thu

Hình 1.13: Mô hình truyền thông điểm đến điểm

Mục đích của Shannon là cung cấp các công cụ toán học cho việc phân tích hệ thống truyền thông Đặc biệt, Shannon đã giới thiệu một phương pháp

diện như là một kênh không bộ nhớ rời rạc (DMC: Discrete Memoryless Channel), được định nghĩa bởi hai tập hữu hạn X và Y và một tập hợp các hàm khối xác suất (PMF)  (x | y) Tập hợp các xác suất chuyển tiếp  (y | x) mô tả cách xử lý của kênh

Thuộc tính không bộ nhớ có nghĩa là nếu n

X được truyền trên n kênh, khi đó đầu ra Y i ở thời điểm thứ i1, ,n được phân bố theo  1

Một cách chính thức tỷ lệ truyền thông có thể được định nghĩa như sau:

- Cho thông điệp W được chọn đồng dạng từ tập hữu hạn  kích thước M

- Bộ mã hóa gắn giá trị từ mã x n( )   n đối với mỗi thông điệp w

- Bộ giải mã gắn giá trị ước lượng Wˆ hoặc một thông điệp lỗi cho chuỗi

   bist mỗi lần truyền (1.7)

và gọi tương ứng là mã 2 ,nR n Bây giờ một câu hỏi cơ bản phát sinh là

tỷ lệ tối đa R lúc truyền một cách đáng tin Wlà gì ?

Như một phép đo về sự tin cậy, xác suất trung bình của lỗi mã 2 ,nR n

được tính theo công thức :

Một tỷ lệ R được nói rằng có thể đạt được nếu tồn tại một chuỗi m 2 ,nR n

ý của lỗi là có thể

Trong công trình ban đầu của mình [4] Shannon đã thiết lập định lý cơ bản sau đây

Định lý mã hóa kênh: Dung lượng của kênh không bộ nhớ rời rạc, DMC

(X Y, , (y | x)  ) được cho bởi công thức:

1.3.3 Kênh truyền fading Rayleigh, Rician

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn

Các yếu tố gây ra fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất như:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

Kênh truyền fading Rayleigh

Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ do bầu khí quyển hoặc vật chắn, ta dùng mô hình Rayleigh Với hai biến Gauss ngẫu nhiên

có trung bình bằng không và phương sai (variance) là 2thì 2 2 2

Z  X Y có phân bố Rayleigh và 2

Z có phân bố hàm mũ Nếu r l và r q đều có biến ngẫu nhiên Gauss với trung bình bằng không và phương sai là  2 ta có:

Kênh truyền fading Rician

Rician fading là kết quả của sự kết hợp hiện tượng đa đường và đường truyền trực tiếp LOS (Line of Sight) Tín hiệu LOS tạo thêm một thành phần biết trước trong tín hiệu đa đường Hàm phân bố xác suất Rician như sau:

2

2

s K