Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt)

Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt) Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo (tt)

-

PHẠM QUỐC HƯNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT VỚI KỸ THUẬT CHỌN LỰA NHIỀU NÚT CHUYỂN TIẾP ĐƠN TRÌNH DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG

KHÔNG HOÀN HẢO

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TRUNG DUY

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc

sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ công nghệ truyền thông ra đời Để đạt được những yêu cầu về thông lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn Kỹ thuật MIMO với phân tập thu và phát cho phép tăng độ lợi phân tập hệ thống Tuy nhiên phải đảm bảo độ lợi phân tập giữa các anten giữa máy thu và máy phát nhưng trong thực tế việc kế rất khó khăn Mạng chuyển tiếp vô tuyến được đề xuất, với kỹ thuật này các nút mạng chuyển tiếp có thể hợp tác với nhau trong quá trình truyền

dữ dẫn để tăng độ lợi phân tập không gian của hệ thống Tuy nhiên, người dùng không hợp pháp có thể nghe và lấy cấp thông tin trên hệ thống vô tuyến Vì vậy vấn đề bảo mật ngày trở nên quan trọng và thiết yếu Bảo mật lớp vật lý là một kỹ thuật đơn giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật toán mã hoá phức tạp

ở các lớp trên Cho đến nay, trong hầu hết các công bố đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Tuy nhiên trên thực tế, các phần cứng này là không hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Ảnh hưởng của suy hao phần cứng sẽ gây giảm hiệu năng mạng vô tuyến

Luận văn này sẽ nghiên cứu về hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lưa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Hơn nửa, luận văn sẽ tập trung nghiên

cứu sử dụng nút chuyển tiếp đơn phần để nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Nội dung của luận văn được chia làm ba chương cụ thể như sau:

Chương 1: Lý thuyết tổng quan

Chương 2: Mô hình hệ thống

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)

Kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical-Layer Security) là khai thác các tính chất vật lý của kênh truyền vô tuyến

để tăng cường hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các công cụ

Hình 1.1: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

1.2 Các phương pháp chuyển tiếp trong bảo mật lớp vật lý

Mô hình cơ bản của mạng chuyển tiếp bao gồm ba nút mạng: một nút nguồn S, nút chuyển tiếp R, một nút đích D Trong mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp, nút chuyển tiếp có nhiệm vụ giúp đỡ các nút nguồn chuyển dữ liệu nguồn đến các đích mong muốn Trong những mạng hao chặng thông thường, thông tin nguồn có thể được chuyển tới đích thông qua một nút chuyển tiếp tốt nhất.

Có các giao thức cơ bản mà mút chuyển tiếp sử dụng để xử

lý tín hiệu nhận được từ nút nguồn Một là kỹ thuật giải mã và

chuyển tiếp (DF) [7],[8], hai là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) [9],[10],ba là kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF)

1.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

1.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)

1.2.3 Kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF)

1.3 Các kỹ thuật phân tập kết hợp và chuyển tiếp phân tập

1.3.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

1.3.2 Các kỹ thuật phân tập kết hợp

1.3.2.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) [11]

1.3.2.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining

MRC) [11]

1.3.2.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số cân bằng (Equal-Gian Combining

EGC) [12]

1.3.3 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp

Về cơ bản, các phương pháp chọn lựa được chia làm hai loại: phương pháp chọn lựa đơn trình (Partial Relay Selection) và

phương pháp chọn lựa toàn trình (Full Relay Selection) [13],[18]

S D

Hình 1.4: Mô hình chuyển tiếp phân tập

1.3.3.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình (Partial Relay Selection)

Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn chỉ dựa vào trạng thái kênh truyền giữa nút nguồn và các nút chuyển tiếp (chặng đầu tiên) Bởi vì, thông tin trạng thái kênh truyền này có thể dễ dàng đạt được thông qua các hoạt động duy trì mạng nên việc thực thi giao thức này trong thực tế sẽ đơn giản hơn việc chọn lựa nút chuyển tiếp toàn phần

1.3.3.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình (Full Relay Selection)

1.4 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)

Suy giảm phần cứng của thiết bị thu phát ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của hệ thống thông tin, đặc biệt là đối với các hệ thống tốc

độ cao Như chúng ta đã biết, hầu hết các nghiên cứu đóng góp trong lĩnh vượt chuyển tiếp cho rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không

tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Suy yếu tạo ra một ngưỡng cơ

bản không thể vượt qua bằng cách tăng công suất phát

1.5 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay chỉ có một vài công trình đánh giá sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng lên hiệu năng bảo mật lớp vật lý, cụ

thể [25],[26] Đó cũng là nguyên nhân chính để học viên nghiên cứu

sự tác động của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng bảo mật Ngoài ra, đề tài cũng đề xuất phương pháp chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình để nâng cao hiệu quả bảo mật của hệ thống vô tuyến Tiếp theo, học viên xin nêu lên sự khác biệt giữa mô hình đề

xuất và các mô hình đã được công bố trong các tài liệu [25] và [26]:

- Trong [25], các tác giả đưa ra các mô hình chuyển tiếp

MIMO khác nhau và xét đến hiệu năng bảo mật cho các mô

hình đó Tuy nhiên, trong [25], các tác giả chỉ đưa ra các kết

quả mô phỏng và chưa đưa ra các phân tích đánh giá hiệu năng bảo mật

- Trong [26], các tác giả đề xuất mô hình chuyển tiếp hai

chặng và đánh giá hiệu năng xác suất dừng bảo mật Tuy

nhiên, mô hình trong tài liệu tham khảo [26] là đơn giản khi

chỉ xét một nút chuyển tiếp đơn Hơn thế nữa, các tác giả cũng giả sử rằng tổng mức suy hao phần cứng tại các chặng

là bằng nhau

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

Chương 2 - MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ

HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

2.1 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)

Xét sự truyền dữ liệu giữa một nút phát X và một nút nhận

Y, tín hiệu nhận được tại nút Y với sự xuất hiện của phần cứng không hoàn hảo có thể được mô hình hoá như trong các tài liệu [22],[23] như sau:

Hình 2.1: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản với phần cứng lý tưởng

Trong mô hình này, ta ký hiệu hSD và hSE lần lượt là kênh truyền giữa S-D và giữa S-E

Theo định nghĩa trong các tài liệu tham khảo [1]-[2], dung lượng bảo mật được tính như sau:

Các nút chuyển tiếp đơn phần được chọn

Hình 2.2: Mô hình đề xuất

Hình 2.2 mô tả mô hình sẽ được nghiên cứu trong luận văn này Trong hình vẽ này, một nút nguồn S muốn chuyển tiếp dữ liệu

đến một nút đích D, thông qua sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp R

 R R1, 2, , RM Giả sử rằng, không có liên kết trực tiếp giữa S và

D bởi vì khoảng cách hoặc vật cản Vì vậy, nút nguồn (S ) cần sự giúp đỡ từ các nút chuyển tiếp (R) để đưa dữ liệu mong muốn đến

đích Trong mô hình khảo sát, nút nghe lén (E) đang cố gắng nghe

lõm dữ liệu được phát đi từ nguồn S và từ các nút chuyển tiếp R

Về mặt toán học, ta có thể phát biểu phương pháp chọn lựa này bằng công thức sau:

SR

SE

1 1

b b

Với kỹ thuật RF, dung lượng bảo mật toàn trình được đưa ra

như sau (xem kỹ thuật RF trong tài liệu [27]):

 

e e

C  C C ( 2.15 )

2.4 Mô hình hoá kênh truyền

Trong luận văn này, giả sử tất cả các kênh truyền đều là kênh fading Rayleigh Do đó, tất cả các độ lợi kênh truyền    Sb, bD, SE, bE

đều có phân phối mũ (exponential distribution) (xem [9],[12]) Hơn

nữa, để đưa suy hao phần cứng vào trong các tính toán, giá trị của

tham số đặc trưng AB có thể được xác định như trong tài liệu [3]

như sau:

,

AB dAB

  (2.17) với dAB là khoảng cách và  là hệ số suy hao đường truyền có giá trị chạy từ 2 đến 6, tuỳ thuộc vào môi trường truyền

2.5 Hiệu Năng Bảo Mật

2.5.1 Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability (SOP))

Xác suất dừng bảo mật (SOP) là xác suất mà dung lượng bảo mật nhỏ hơn một ngưỡng xác định Cth Cth  0  Do đó, SOP tức thời của mô hình khảo sát có thể được đưa tính như sau:

SE

R D 2

R E

11

11

  SR

2

R D 2

R E

SR 2

SE

11

11

C

C K

R E

11

2.5.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (Probability of

Non-Zero Secrecy Capacity (PNSC))

Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) tức thời của mô hình khảo sát có thể được đưa ra như sau:

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT

3.1 Xác suất dừng bảo mật (SOP)

Từ công thức (2.20), ta quan sát rằng để tính được SOP, ta

cần tính các xác suất

SR 2

SE

11

R E

1 1

11

Từ đây về sau, các tính toán và biến đổi đều xét trong trường hợp 1     1    0 Thật vậy, khi 1     1    0, ta có thể đạt được biểu thức như sau:

   

0

SR 2

SE 1

MATLAB [28] (hoặc MATHEMATICA [29]) Tương tự, ta cũng có

thể tính

R D 2

R E

11

1 2 2 2 2 0

0 2 1 3 2

11

v t

C C K

v t

z dz z

C k

Kế tiếp, ta xét trường hợp đặc biệt khi phần cứng là hoàn hảo,

cụ thể:  =0 Thật vậy, ta có thể viết lại công thức (3.2) và công thức (3.9) như sau:

SR 2

SE

0

11

R E

0

1 1

v t

C C

k C

3.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC)

Đầu tiên, xác suất Pr SR SE

Sau các phép biến đổi, ta tính được chính xác PNSC bằng 1

biểu thức tường minh như sau:

Nhận xét 2: Không giống như xác suất dừng bảo mật, xác suất dung

lượng bảo mật khác 0 không phụ thuộc vào giá trị của mức độ suy hao phần cứng 

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

Trong chương này, các mô phỏng máy tính sử dụng phương pháp Monte Carlo sẽ được thực hiện để kiểm chứng các kết quả phân tích lý thuyết

Môi trường mô phỏng là một mặt phẳng hai chiều Oxy Trong mặt phẳng này, ta đặt nút nguồn cố định tại gốc toạ độ (0, 0), trong khi vị trí của nút đích sẽ là (1,0) Mục đích của việc đặt này là tiêu chuẩn hoá khoảng cách giữa nguồn và đích bằng 1 Các nút chuyển tiếp sẽ được đặt nằm giữa nút nguồn và nút đích, với toạ độ

4.1 Xác suất dừng bảo mật (SOP)

Quan sát từ hình vẽ, ta thấy rằng giá trị của SOP biến thiên theo giá trị của  Cụ thể, khi giá trị của  thấp, giá trị của SOP giảm khi  tăng Tuy nhiên, SOP sẽ giảm xuống đến một giá trị cực tiểu rồi sẽ tăng lên theo sự gia tăng của 

Hình 4.1: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo tỷ số công suất phát trên nhiễu  (dB) khi   5dB,15dB, 3

Hình 4.2: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo tỷ số công suất phát trên nhiễu  (dB) khi     5dB, 20dB ,

giá trị của  từ 0 đến 1, đồng thời cũng thay đổi một số giá trị của

th

C và quan sát sự biến đổi của SOP theo các sự biến thiên đó Quan sát từ hình vẽ, ta thấy giá trị của SOP tăng mạnh theo sự gia tăng của  Hơn nữa, giá trị của SOP sẽ giảm khi giá trị của Cth

giảm Cuối cùng, ta cũng thấy rằng khi  2 

1 2 C th 1  0, giá trị của SOP luôn luôn bằng 1

Hình 4.4: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ hoành độ xR

Trong hình vẽ 4.5, ta sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí nút nghe lén E lên giá trị của SOP Nhìn vào hình vẽ, ta thấy rằng giá trị SOP giảm mạnh với sự gia tăng của giá trị yE Điều này có thể được giải thích rằng khi yE tăng, khoảng cách giữa nút nghe lén đến nút nguồn và các nút chuyển tiếp sẽ tăng Vì vậy, dung lượng của kênh nghe lén sẽ giảm nên dung lượng bảo mật tăng lên, kéo theo sự giảm của xác suất dừng bảo mật

Hình 4.5: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ tung độ yE khi

0dB

  , M   1, 2, 4 , K  1, Cth  0.25,   0, xR  0.8,

E 0.5

x  và yE0.1, 0.9

4.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC)

Trong mục này, ta sẽ khảo sát hiệu năng bảo mật xác suất dung lượng bảo mật khác 0 của mô hình khảo sát

Hình 4.6: Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) vẽ theo giá trị

K khi M  8, K    1,8 , xR  0.2,0.5,0.8 , xE  1 và

E 0.5

Hình vẽ 4.6 nghiên cứu sự tác động của giá trị K lên giá trị

PNSC Nhìn vào hình vẽ, ta có thể thấy tương ứng với mỗi vị trí của

nút chuyển tiếp sẽ tồn tại những giá trị K tối ưu khác nhau để mà giá

trị của PNSC là lớn nhất

Hình 4.7: Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) vẽ theo giá trị

M khi M1,10, K    1  M / 2  , xR  0.5 và

E E 0.2,0.4,0.7

x  y Giá trị của PNSC tăng theo sự giá tăng của số lượng nút chuyển tiếp vị trí của nút nghe lén ảnh hưởng rất lớn đến hiệu năng của mô hình khảo sát Cụ thể, giá trị PNSC sẽ càng lớn khi nút E càng xa các nút nguồn và nút chuyển tiếp

KẾT LUẬN

Trong phần này, học viên xin đúc kết lại các kết quả đạt được của luận văn, cũng như thảo luận về hướng phát triển của đề tài

Đầu tiên, luận văn nghiên cứu về vấn đề bảo mật lớp vật lý dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Để nâng cao hiệu quả bảo mật, luận văn đề xuất một phương pháp chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn phần, để nâng cao hiệu quả bảo mật cho cả hai chặng Hơn nữa, các công cụ toán học được sử dụng để đánh giá chính xác xác suất dừng bảo mật và xác suất dung lượng bảo mật khác 0 Cuối cùng, mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để kiểm chứng các kết quả lý thuyết Từ các hình vẽ, các kết quả thú vị đạt được từ giao thức đề xuất có thể được liệt kê như sau:

- Với sự xuất hiện của suy hao phần cứng, xác suất dừng bảo mật tăng (hiệu quả bảo mật kém hơn) khi tăng công suất phát của nguồn và các nút chuyển tiếp Hơn nữa, khi phần cứng của các thiết

bị là hoàn hảo, giá trị của xác suất dừng sẽ hội tụ về một giá trị hằng khi công suất phát đủ lớn

- Đề giảm xác suất dừng bảo mật, các phương pháp sau có thể được áp dụng: i) tăng số lượng nút chuyển tiếp giữa nguồn và đích, ii) chọn lựa số lượng nút chuyển tiếp ở chặng đầu tiên (giá trị

K) một cách thích hợp, iii) chọn lựa các nút chuyển tiếp có vị trí

thích hợp

- Một đặc tính quan trọng của mô hình đề xuất được tìm ra trong Chương III là hệ thống sẽ luôn bị mất bảo mật nếu như điều kiện  2 

1 2C th 1  0 xảy ra Nói cách khác, nếu mức độ suy hao phần cứng vượt quá một ngưỡng cho phép   2  

1 / 2 C th 1

thông tin truyền đi sẽ không được bảo mật

- Đối với hiệu năng xác suất dung lượng bảo mật khác 0, luận văn đã chứng minh được rằng giá trị của xác suất dung lượng bảo mật khác 0 không phụ thuộc vào công suất phát cũng như mức suy hao phần cứng Tương tự như hiệu năng xác suất dừng bảo mật,

để nâng cao giá trị của xác suất dung lượng bảo mật khác 0, hệ thống

cần nhiều hơn số nút chuyển tiếp, tối ưu hoá giá trị K và tối ưu vị trí

của các nút chuyển tiếp

- Các kết quả mô phỏng trong Chương IV đã chứng minh sự đúng đắn của các kết quả lý thuyết

Để kết thúc luận văn, học viên xin nêu lên một số hướng phát triển đề tài: