Tìm hiểu và phân tích hiệu năng bảo mật lớp vật lý của hệ thống MISO

Trong xã hội hiện đại việc trao đổi thông tin đã trở thành nhu cầu thiết yếu của mỗi người trong cuộc sống hàng ngày, thì vấn đề bảo mật trong quá trình truyền thông tin ngày càng được quan tâm đặc biệt là trong lĩnh vực tài chính, quân sự.Có nhiều phương pháp bảo mật khác nhau như mã hóa, và phổ biến là bảo mật ở lớp ứng dụng nhưng những phương pháp trên vẫn còn nhiều hạn chế về tính bảo mật cũng như độ trễ lớn…Với những ưu điểm là: độ phức tạp và độ trễ thấp, tính khả thi ở lớp vật lý và khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có. Điều này khiến cho bảo mật lớp vật lý có thể cải thiện tính bảo mật và độ tin cậy của hệ thống truyền tin không dây. Và bảo mật ở lớp vật lý đang trở thành đề tài hấp dẫn thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây.

MỞ ĐẦU

Trong xã hội hiện đại việc trao đổi thông tin đã trở thành nhu cầu thiết yếu của mỗingười trong cuộc sống hàng ngày, thì vấn đề bảo mật trong quá trình truyền thông tinngày càng được quan tâm đặc biệt là trong lĩnh vực tài chính, quân sự

Có nhiều phương pháp bảo mật khác nhau như mã hóa, và phổ biến là bảo mật ởlớp ứng dụng nhưng những phương pháp trên vẫn còn nhiều hạn chế về tính bảo mậtcũng như độ trễ lớn…Với những ưu điểm là: độ phức tạp và độ trễ thấp, tính khả thi ởlớp vật lý và khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có Điều nàykhiến cho bảo mật lớp vật lý có thể cải thiện tính bảo mật và độ tin cậy của hệ thốngtruyền tin không dây Và bảo mật ở lớp vật lý đang trở thành đề tài hấp dẫn thu hútnhiều nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây, đó cũng là lý do tôi chọn đề tài này.Trong bài báo cáo này, tôi khảo sát hiệu năng bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống(MISO) với máy phát sử dụng hai ăng-ten Một ăng-ten sử dụng để truyền tín hiệuthông tin và một ăng-ten dùng để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo với mục đích làm suyhao tín hiệu của kênh truyền bất hợp pháp, máy thu đơn ăng-ten Có sự hiện diện củathiết bị nghe lén đơn ăng-ten thụ động qua các kênh truyền có fading giống nhauRayleigh/Rayleigh và fading khác nhau Rayleigh/Rician

Hơn nữa, tôi đã đưa ra công thức tính xác suất khác không của dung lượng bảo mật

và xác suất dừng bảo mật của hệ thống bằng cách sử dụng đặc tính thống kê của tỉ lệtín hiệu trên nhiễu Tính đúng đắn của kết quả phân tích đã được xác thực bởi kết quả

mô phỏng Monte-Carlo

Nhằm mục đích tìm ra được phương pháp bảo mật tốt hơn, hiệu quả hơn trong quátrình truyền thông tin vô tuyến để đảm bảo thông tin được giữ bí mật giữa những ngườidùng hợp pháp trong những lĩnh vực đời sống khác nhau đó là ý nghĩa thực tiễn vàcũng là mục tiêu tôi hướng đến

Các phần của báo cáo được trình bày như sau: Lý thuyết về bảo mật lớp vật lýđược giới thiệu ở chương 1; Mô hình hệ thống và phân tích hiệu năng bảo mật ởchương 2 (bao gồm xác suất khác không của dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảomật của hệ thống); Chương 3 là kết quả mô phỏng, phân tích và thảo luận; Cuối cùng

là chương 4 kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ.

Những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của thông tin vô tuyến đã và đangảnh hưởng ngày càng to lớn đến nhiều lĩnh lực khác nhau trong đời sống kinh tế xã hội.Điều này dẫn đến vấn đề bảo mật trong thông tin vô tuyến lại trở thành tâm điểm củanhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đặc biệt là trong các lĩnh vực quan trọngđòi hỏi tính bảo mật cao như an ninh, quốc phòng, tài chính …

Bên cạnh sự tiện lợi, linh hoạt trong quá trình sử dụng thì thông tin vô tuyến cũng

có những hạn chế đặc biệt là vấn đề bảo mật, do bản chất của truyền thông vô tuyến làtruyền công khai (quảng bá) bằng tín hiệu vô tuyến trong không khí cho phép truy cập

đa phương tiện và thông tin không hạn chế về vị trí của người dùng Do vậy mạng vôtuyến có nhiều nguy cơ tiềm ẩn trong an ninh vì bất kỳ ai có một máy thu nằm trongphạm vi phủ sóng của máy phát đều có thể nghe trộm, cho nên nếu kênh truyền khôngđược bảo mật tốt thì nhiều thông tin quan trọng sẽ bị kẻ xấu đánh cắp trong quá trìnhtruyền thông tin từ máy phát đến máy thu Đó là nguyên nhân làm cho bảo mật trongthông tin vô tuyến trở thành vấn đề ngày càng được quan tâm và nổi lên thành chủ đềnguyên cứu của nhiều học giả trên thế giới

Trong mạng không dây hiện nay, hầu hết các hệ thống bảo mật đều sử dụng cơ chếbảo mật dựa trên việc tính toán phức tạp, mà người ta cho rằng chưa có cách nào hiệuquả ngoài cách vét cạn vì với giả định rằng kẻ xấu có khả năng tính toán hạn chế vàkhông có đủ những thuật toán hiệu quả Tuy nhiên, việc giả định này là thiếu sứcthuyết phục vì trong thời buổi khoa học công nghệ đang phát triển không ngừng nhiềusiêu máy tính ra đời để phục vụ cho một khối lượng tính toán khổng lồ (như máy tính

lượng tử) và được cung cấp trang bị, lập trình trước bằng những thuật toán hiệu quả cóhiệu suất cao hơn

Trong mật mã học, tác dụng của lớp vật lý thường bị bỏ qua, và việc bảo mật đượcđảm bảo thông qua mã hóa và giải mã ở lớp cao hơn thường là lớp ứng dụng

Ngoài ra, với sự xuất hiện của mạng ad-hoc và mạng phân cấp, kỹ thuật lớp caohơn, chẳng hạn như mã hóa, rất phức tạp và khó thực hiện và phương pháp mã hóakhóa công khai yêu cầu một khối lượng xử lý công việc lớn Trong khi cơ chế mã hóakhóa đối xứng gây khó khăn trong việc chia sẻ và quản lý khóa bảo mật với một sốlượng lớn người sử dụng Hơn nữa việc xác thực và mã hóa trong cơ chế bảo mật ở lớpcao hơn tạo ra độ trễ đường truyền quá lớn, tiêu thụ điện năng cao và giảm dung lượng

hệ thống trong quá trình tính toán và báo hệu

Do đó, đã có một sự chú ý đáng kể gần đây nghiên cứu về các khả năng cơ bản củalớp vật lý để cung cấp thông tin liên lạc không dây an toàn Mô hình này được gọi làbảo mật thông tin ở lớp vật lý Bảo mật lớp vật lý là một lĩnh vực nghiên cứu mới nổinghiên cứu về khả năng truyền đạt, truyền tải dữ liệu được bảo mật hoàn hảo giữa máythu và máy phát

Các nền tảng cho lý thuyết về hệ thống bảo mật đã được đặt bởi Claude Shannon,ông đã cho thấy rằng bảo mật hoàn hảo khi thông tin người nhận có thể giải mã cácthông điệp mà không có lỗi, trong khi nghe trộm có thể không giải mã các thông điệp

bí mật

Các giả định cơ bản trong phân tích này là:

+ Những kẻ nghe trộm có thể sử dụng sức mạnh tính toán vô hạn và thời gian

+ Có cả bộ thu và nghe lén được chính xác các tín hiệu tương tự

+ Có cả những kiến thức về thuật toán và mã hóa

Do tính bảo mật gần như tuyệt đối, độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khảthi ở lớp vật lý và khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có mà nó

có thể nâng cao mức độ tổng thể về an toàn thông tin

Vì vậy, bảo mật ở lớp PHY dựa vào thuyết thông tin đã thu hút được sự quan tâmnghiên cứu của các học giả trên khắp thế giới

1.2 KÊNH TRUYỀN, ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN, GIỚI THIỆU KÊNH

FADING RAYLEIGH, RICIAN.

1.2.1 Khái niệm kênh truyền.

Chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin nào cũng phụ thuộc vào môi trườngtruyền

Kênh truyền là môi trường truyền giữa đầu phát và đầu thu Môi trường này có thể

là hữu tuyến hoặc vô tuyến, hữu tuyến sử dụng cáp như cáp quang, cáp đồng trục, cácloại dây dẫn hoặc là vô tuyến sử dụng sóng điện từ

Kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp, kênh truyền có ảnhhưởng lớn đến hiệu quả trong truyền tín hiệu

1.2.2 Đặc tính kênh truyền.

Có nhiều loại kênh truyền, có thể hữu tuyến hoặc vô tuyến như đã nói trên Đối vớikênh truyền vô tuyến, sự thay đổi trạng thái của kênh truyền có thể diễn ra trong thờigian rất ngắn Điều này khiến cho việc truyền tín hiệu trong môi trường như vậy trởnên khó khăn Có nhiều môi trường truyền sóng như vùng đô thị, ngoại ô, trong nhàvới những đặc trưng khác nhau Sự lan truyền giữa máy thu và máy phát như vậy chịuảnh hưởng bởi các vật che chắn như các tòa nhà, núi Đường truyền thẳng có thể khôngtồn tại giữa máy phát và máy thu, và tốc độ di chuyển của máy thu cũng ảnh hưởng đến

sự suy hao của tín hiệu ở máy thu

Trong một kênh truyền lý tưởng tín hiệu thu được chỉ bao gồm tín hiệu đến trựctiếp và sẽ là bản thu hoàn hảo của tín hiệu khác Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tínhiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là tổng hợp của cácthành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và của các tín hiệukhác Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sựdịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu duy chuyển (hiệu ứng Doppler).Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền Do đó, hiểubiết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đề quan trọng

Trong thông tin vô tuyến, các đặc tính kênh kênh vô tuyến có tầm quan trọng rấtlớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: fading phạm vi rộng và fadingphạm vi hẹp Các mô hình truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại cáckhoảng cách cho trước so với máy phát Đối với khoảng cách lớn, các mô hình truyền

sóng phạm vi rộng được sử dụng Fading phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanhsóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên

cự ly di chuyển ngắn Fading trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường.Sóng lan truyền trong môi trường có thể truyền theo hướng trực tiếp, nhưng cũng

có thể bị phản xạ khi gặp các vật cản lớn như các tòa nhà, nhiễu xạ khi gặp các vật cógóc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp phải cây cối Dọc môi trường truyền sóng có thểgặp các vấn đề như vậy, sóng lan truyền được mô tả bằng các hiện tượng như suy hao(path loss), bóng mờ (shadowing) và đa đường (mutipath) Các hiện tượng này tuântheo những nguyên tắc vật lý khác nhau mà khi mô hình hóa cần phải quan tâm

Các kênh vô tuyến là các kênh truyền mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từcác đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khácnhau Trong không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau tại khác vị trí khácnhau

1.2.3 Giới thiệu kênh fading Rayleigh, Rician.

1.2.3.1 Kênh truyền Rayleigh.

Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ do bầu khí quyểnhoặc vật chắn, ta có thể dùng mô hình Rayleigh Với hai biến Gauss ngẫu nhiên cótrung bình bằng không và variance là σ2 thì Z =√X2+Y2 có phân bố Rayleigh và Z2 cóphân bố hàm mũ Nếu r l và r Q đều là biến ngẫu nhiên Gauss với trung bình bằng không

1.2.3.2 Kênh truyền Rician.

Rician fading là kết quả của sự kết hợp hiện tượng đa đường và đường truyền trựctiếp LOS (Light of Sight) Tín hiệu LOS tạo thêm một thành phần biết trước trong tínhiệu đa đường

Hàm phân bố xác suất Rician như sau:

p z ( z )= z

σ2exp¿ ¿

Trong đó 2 σ2 là công suất trung bình của thành phần không chứa đường trực tiếpLOS (Light of Sight) và s2 là công suất của thành phần đường trực tiếp.I0(.) là hàmBessel bậc không

Công suất trung bình nhận được trong kênh Rician fading là:

1.3.THÔNG TIN, BẢN CHẤT VÀ ĐỊNH LƯỢNG THÔNG TIN.

1.3.1 Thông tin, bản chất thông tin.

Ngày nay trong đời sống hàng ngày, ở đâu ta cũng nghe người ta nói tới thông tin:thông tin là nguồn lực của sự phát triển, chúng ta đang sống trong thời đại thông tin,một nền công nghiệp thông tin

Thông tin là một khái niệm khoa học cũng là khái niệm trung tâm của xã hội trongthời đại ngày nay Mọi quan hệ hoạt động của con người đều dựa trên một hình thứctrao đổi thông tin nào đó mọi tri thức đều bắt nguồn bằng một thông tin về những điều

đã diễn ra, về những cái người ta đã biết, đã nói, đã làm Và điều đó luôn xác định bảnchất và chất lượng của những mối quan hệ của con người

Vậy thông tin là gì ?

Có rất nhiều cách hiệu về thông tin Thậm chí ngay các từ điển cũng không thể cómột định nghĩa thống nhất Ví dụ từ điển Oxford English Dictionary thì cho rằng thôngtin là “ điều mà người ta đánh giá hoặc nói đến, là tri thức, tin tức ” theo từ điển khácthì đơn giản đồng nhất thông tin với kiến thức: “thông tin là điều người ta biết” hoặc

“thông tin là sự chuyển giao tri thức làm tăng thêm sự hiểu biết của con người”

Nguyên nhân của sự khác nhau trong việc sử dụng thuật ngữ này chính là do thôngtin không thể cầm nắm hay sờ được Người ta bắt gặp thông tin chỉ trong quá trình hoạtđộng, thông qua các tác động trừu tượng của nó

Theo nghĩa thông thường: thông tin là tất cả các sự việc, sự kiện, ý tưởng, phánđoán là tăng thêm sự hiểu biết của con người Thông tin hình thành trong quá trình giaotiếp: một người có thể nhận được thông tin trực tiếp từ người khác thông qua cácphương tiện thông tin đại chúng, từ ngân hàng dữ liệu, hoặc từ tất cả các hiện tượngquan sát được trong môi trường xung quanh

Trên quan điểm triết học: thông tin là sự phản ánh của tự nhiên và xã hội (thế giớivật chất) bằng ngôn từ, ký hiệu, hình ảnh…hay nói rộng hơn bằng tất cả các phươngtiện tác động lên giác quan của con người

Trong cuộc sống con người, nhu cầu thông tin là một nhu cầu rất cơ bản Nhu cầu

đó không ngừng tăng lên cùng với sự tăng các mối quan hệ trong xã hội Mỗi người sửdụng thông tin lại tạo ra thông tin mới Các thông tin đó lại được truyền cho ngườikhác trong quá trình thảo luận, truyền đạt mệnh lênh, trong thư từ và tài liệu, hoặc quacác phương tiện truyền thông khác Thông tin được tổ chức tuân theo một quan hệ

logic nhất định, trở thành một bộ phận của tri thức, đòi hỏi phải được khai thác vànghiên cứu một cách hệ thống.

1.3.2 Định lượng thông tin.

Lượng đo tin tức: Nguồn A có m tín hiệu đẳng xác suất, một thông tin đo nguồn Ahình thành là một dãy n

Đơn vị đo thông tin thường được chọn là cơ số 2

Khi m ký hiệu của nguồn tin có xác suất khác nhau và không độc lập thống kê vớinhau thì:

Tầng này ám chỉ đến phần cứng của mạng truyền thông, đến hệ thống nối dây cụthể, hoặc đến sự liên kết viễn thông điện từ Tầng này còn xử lý thiết kế điện, khốngchế xung đột, và các chức năng ở tầng thấp nhất

Tầng vật lý là hạ tầng cơ sở của mạng viễn thông, cung cấp phương tiện truyền tínhiệu thô sơ ở dạng bit, hình dáng của các nút cắm điện, tần số để phát sóng là baonhiêu, và những cái thuộc hạ tầng tương tự

1.4.1.2 Chức năng của tầng vật lý.

Thiết lập và ngắt mạch một liên kết viễn thông trên một phương tiện truyền thông.Tham gia vào tiến trình trong đó tài nguyên được nhiều người sử dụng cùng một lúc,chẳng hạn phân giải và tranh chấp và khống chế luồng

Biến đổi thể dạng của dữ liệu số trong thiết của người dùng đồng bộ với tín hiệuđược truyền qua đường truyền thông

Chuyển thông tin (dưới dạng bit) giữa hai thực thể nối kết với nhau bằng mộtđường truyền vật lý

1.4.2 Lý thuyết về bảo mật lớp vật lý.

Bảo mật lớp vật lý gần đây đã trở thành một kỹ thuật mới để bổ sung và cải thiệnđáng kể tính bảo mật thông tin liên lạc của các mạng không dây So với các phươngpháp mã hóa, bảo mật lớp vật lý là giải pháp bảo mật đầu tiên tập trung vào khai tháccác thuộc tính lớp vật lý của các kênh không dây, như đa đường fading và nhiễu, đểbảo vệ việc truyền tải thông tin bảo mật chống nghe trộm

Được viết bởi các nhà nghiên cứu tiên phong, bảo mật lớp vật lý trong truyềnthông không dây cung cấp một cái nhìn tổng quan hệ thống các khái niệm cơ bản, tiến

bộ gần đây, và các vấn đề mở trong việc cung cấp thông tin liên lạc an ninh tại các lớpvật lý Nó giới thiệu các khái niệm quan trọng, vấn đề thiết kế, và các giải pháp bảomật lớp vật lý trong truyền thông đơn người dùng và đa người dùng của hệ thống, cũngnhư các mạng không dây quy mô lớn

Để quá trình truyền tải thông tin được bảo mật, hệ thống truyền thông hiện cóthường áp dụng các kỹ thuật mật mã để ngăn chặn một kẻ nghe trộm từ việc khai tháccách truyền tải dữ liệu giữa những người sử dụng hợp pháp

Bằng cách xem xét các mã hóa khóa đối xứng là một ví dụ, các dữ liệu ban đầu(gọi là plaintext) được mã hóa đầu tiên tại nút nguồn bằng cách sử dụng một thuật toán

mã hóa cùng với một khóa bí mật mà được chia sẻ với trạm đích duy nhất

Sau đó, các bản rõ được mã hóa (còn gọi là ciphertext) là truyền tới điểm đến mà

sẽ giải mã bản mã nhận được nó với khóa bí mật trước khi chia sẻ

Bằng cách này, ngay cả khi một kẻ nghe trộm nghe được truyền tải bản mã, thìviệc giải mã từ kẻ nghe trộm là khó khăn nếu không có khóa bí mật

Tuy nhiên việc giải mã vẫn là có thể bằng cuộc tấn công brute-force với giả địnhnhững kẻ nghe trộm có thể sử dụng sức mạnh tính toán vô hạn và thời gian

Để ngăn chặn điều đó, an ninh lớp vật lý đang nổi lên như một mô hình thay thế đểbảo vệ các thông tin liên lạc không dây với các cuộc tấn công nghe trộm, bao gồm cảtấn công brute-force.

Bảo mật ở lớp vật lý đã được tiên phong bởi Wyner, nó đã được chứng minh làviệc truyền dữ liệu hoàn toàn an toàn có thể đạt được nếu công suất kênh của liên kếtchính (từ nguồn tới đích) là cao hơn so với các kênh nghe trộm điện thoại (từ nguồn tới

kẻ nghe trộm)

Thông tin được thể hiện ở một dạng thức nhất định được gọi là bản tin Dạng thểhiện có thể là văn bản, bản nhạc, hình vẽ, đoạn thoại Một bản tin chứa đựng một lượngthông tin cụ thể, có nguồn và đích xác định cần được chuyển một cách chính xác, đúngđích và kịp thời

Trong thời buổi hiện nay thông tin giữ vai trò rất quan trọng và từ thông tin có thểtạo ra một nguồn thu nhập lớn cho nên bất cứ ai cũng muốn nắm giữ những thông tinquan trọng đặc biệt là những thông tin liên quan đến lĩnh vực tài chính, quốc phòng chonên ngày càng có nhiều kẻ xấu muốn lấy cắp thông tin với nhiều mục đích khác nhau(kinh tế, chính trị …)

Do đó, việc bảo mật thông tin là vô cùng quan trọng Hiện nay, các nhà nghiên cứutrên thế giới gần đây tập trung nghiên cứu vấn đề đảm bảo an toàn thông tin ở lớp vật

lý theo ba hướng chính: một là nghiên cứu bảo mật thông tin dựa trên khóa bảo mật ởlớp vật lý, hai là nghiên cứu bảo mật thông tin không cần khóa bảo mật thông qua lớpvật lý, ba là nghiên cứu các phương pháp đánh giá khả năng đảm bảo an toàn thông tin

ở lớp vật lý

1.4.3 Bảo mật thông tin dựa trên khóa bảo mật.

Bảo mật thông tin dựa vào khóa chủ yếu tập trung vào việc tìm ra khóa bảo mậtdựa trên các đặc tính của môi trường truyền Hướng này hoàn toàn khả thi vì sự phứctạp của môi trường truyền quảng bá không dây

Cho đến nay, hầu hết các công trình trước đây về bảo mật lớp PHY đều cho rằngcác kênh hợp pháp tương tự như các kênh bất hợp pháp Tuy nhiên trong nhiều tìnhhuống thực tế, giả định này không còn đúng do sự duy chuyển của các thiết bị di độngtạo ra các kênh fading khác nhau Chính sự khác nhau này cho phép các khóa bảo mật

để mã hóa thông tin, đảm bảo an toàn cho người sử dụng hợp pháp

Có hai phương pháp tiếp cận là tạo khóa bảo mật sử dụng ở lớp ứng dụng và tạokhóa bảo mật sử dụng trực tiếp ở lớp vật lý.

1.4.4 Bảo mật thông tin không dựa vào khóa bảo mật.

Bên cạnh bảo mật thông tin bằng khóa bảo mật, các nhà nghiên cứu còn chứngminh được rằng mạng vô tuyến có khả năng bảo mật mà không cần dùng khóa bảo mật.Tiên phong trong công cuộc này là Wyner người đã phân tích dung lượng bảo mậtdương khi các kênh chính có nhiễu ít hơn kênh nghe trộm Ông đã xây dựng một cơchế mã hóa ngẫu nhiên, trong đó tìm cách ẩn các dòng thông tin trong nhiễu cộng đểlàm suy yếu các thiết bị nghe trộm bằng cách ánh xạ bản tin cho nhiều từ mã theo mộtphân bố xác suất thích hợp Bằng cách này sẽ gây ra khó khăn và dễ nhầm lẫn tại thiết

bị nghe trộm Điều này cho thấy rằng thông tin liên lạc là có thể an toàn mà không cần

sử dụng khóa bảo mật

Ngoài ra, còn có nhiều công trình của các nhà nghiên cứu khác trong số đó một sốcông trình nghiên cứu đã cho thấy rằng các kênh truyền vô tuyến có dung lượng bảomật là dương ngay cả khi kênh nghe trộm tốt hơn kênh dữ liệu hợp pháp

Như vậy, bảo mật thông tin không dựa trên khóa bảo mật thường được thực hiệnthông qua việc sử dụng mã hóa theo hướng cố gắng để tối đa hóa dung lượng kênhtruyền giữa máy phát và máy thu hợp pháp trong thông tin vô tuyến, đồng thời làmgiảm thiểu dung lượng kênh truyền giữa máy phát và máy nghe trộm

Tuy nhiên phương pháp này còn có nhiều nhược điểm chẳng hạn như các tính toánthường cần có những thông tin về kênh nghe trộm như vị trí và số lượng các máy nghetrộm, điều này trong thực tế là rất khó đạt được vì máy nghe trộm gần như vô hình đốivới chúng ta

1.4.5 Các phương pháp đánh giá khả năng đảm bảo an toàn thông tin.

Một hệ thống có khả năng đảm bảo an toàn thông tin khi dung lượng kênh truyềncủa kênh dữ liệu hợp pháp phải lớn hơn hoặc bằng dung lượng của kênh nghe trộm

Để đánh giá một hệ thống có đảm bảo an toàn thông tin ở lớp vật lý hay không,người ta dựa vào ba thông số sau:

+ Dung lượng bảo mật thông tin

+ Xác suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin

+ Xác suất dừng bảo mật thông tin của hệ thống

1.4.5.1 Dung lượng bảo mật thông tin.

 Khái niệm dung lượng kênh truyền.

Khái niệm “dung lượng” kênh truyền là khái niệm rất cơ bản của lý thuyết truyềntin và là một đại lượng vật lý đồng thời cũng là đại lượng toán học (có đơn vị là bit)

Nó cho phép xác định tốc độ truyền tối đa của mỗi kênh truyền có thể đáp ứng màkhông gây méo dạng tín hiệu Do đó, dựa vào dung lượng kênh truyền, người ta có thểchỉ ra tốc độ truyền tin đồng thời với một phương pháp truyền có sai số cho phép

 Định lượng dung lượng kênh truyền.

Giả sử độ rộng băng thông của kênh là B, công suất tín hiệu thu là P, tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu (SNR) là tỷ số giữa công suất lượng thông tin thu được và công suất của nhiễu và là hằng số được tính bằng γ=P /N0B trong đó N0/2 là mật độ phổ công suất của nhiễu, khi đó dung lượng của kênh truyền được tính bởi công thức Shannon:

C=B log2(1+ γ ) ,(1.5)

Đơn vị của dung lượng là bit/s

Định lý Shannon cho thấy một kênh nhiễu có dung lượng C và thông tin truyền vớitốc độ R kênh, nếu R < C thì tồn tại mã mà cho phép xác suất lỗi ở máy thu có thể nhỏtùy ý Điều này có nghĩa rằng, về mặt lý thuyết nó có thể truyền thông tin gần nhưkhông lỗi ở bất kỳ tốc độ nào nhỏ hơn một giới hạn là dung lượng C Điều ngược lạicũng hết sức quan trọng, nếu R > C, một xác suất lỗi nhỏ tùy ý là không thể đạt được.Kết quả cơ bản lý thuyết thông tin của Shannon phát biểu rằng đối với kênh rời rạckhông nhớ thì khả năng thông qua được cho bởi biểu thức sau:

C=Max p (x) I [ X ;Y ]

Trong đó I [ X ;Y ] là lượng thông tin chéo trung bình giữa X (đầu vào kênh) và Y(đầu ra của kênh) việc cực đại hóa được thực hiện trên toàn bộ phân phối xác suất đầuvào của kênh

Thông tin chéo trung bình giữa hai biến ngẫu nhiên X và Y được định nghĩa là

Trong đó lượng thông tin chéo lấy theo log cơ số 2 thì được đơn vị bit

 Dung lượng bảo mật thông tin.

Dung lượng bảo mật thông tin của hệ thống được định nghĩa là độ lệch giữa dunglượng của kênh truyền dữ liệu hợp pháp và kênh bất hợp pháp Một hệ thống được xem

là có khả năng đảm bảo an toàn thông tin cao nếu dung lượng bảo mật lớn và đó cũng

là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống

Dung lượng bảo mật thông tin ký hiệu Cs được định nghĩa như sau:

1.4.5.2 Xác xuất khác không của dung lượng bảo mật thông tin.

Từ dung lượng bảo mật của hệ thống, người ta đưa ra thông số khác không củadung lượng bảo mật của hệ thống Thông số này thể hiện xác suất mà dung lượngShannon của kênh dữ liệu hợp pháp lớn hơn dung lượng của kênh nghe trộm

Ký hiệu: Pr (C S>0) = Pr (γ M>γ w)

Ở đây:

γ M là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNR của kênh truyền dữ liệu hợp pháp

γ W là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNR của kênh truyền dữ liệu bất hợp pháp

1.4.5.3 Xác suất dừng bảo mật thông tin của hệ thống.

Khác với xác suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin, xác suất dừngbảo mật thông tin hệ thống là tham số hiệu năng định lượng khả năng đảm bảo an toànthông tin của hệ thống với một tốc độ truyền dữ liệu mong muốn

Cụ thể là với một tốc đồ truyền cho trước R, xác xuất dừng bảo mật của hệ thốngđược xác định là Pout (R) = Pr (Cs<R)

1.5 NHIỄU NHÂN TẠO VÀO CÁC MÔ HÌNH NHIỄU NHÂN TẠO.

1.5.1 Khái niệm:

Nhiễu nhân tạo là nhiễu do chính con người tạo ra tại thiết bị phát theo nhiều cách

và được ứng dụng trong nhiều trường hợp khác nhau, ở đây nhiễu có tác dụng làmgiảm, suy yếu tín hiệu thông tin của máy thu bất hợp pháp, để tăng độ an toàn thông tingiữa thiết bị phát và thu hợp pháp

1.5.2 Giới thiệu một số mô hình tạo nhiễu nhân tạo.

1.5.2.1 Mô hình SISO.

Thiết bị phát sử dụng một ăng-ten vừa phát tín hiệu nhiễu giả vừa phát tín hiệuthông tin cho máy phát, ở đây công suất phát sẽ chia ra thành hai phần θP để phát tínhiệu thông tin và phần còn lại (1-θ)P để phát tín hiệu nhiễu, máy thu sử dụng đơn ăng-ten

Ta có biểu thức tại máy thu như sau:

θP x0+(1−θ) P x1

P là công suất phát

x0 tín hiệu thông tin.

x1 tín hiệu nhiễu nhân tạo.

Nhiễu giả tại Bob

Nhiễu giả tại Eve

Hình 1.1 Mô hình tạo nhiễu giả bằng hệ thống SISO

Bob

EveAlice

1.5.2.2 Mô hình MISO.

Máy phát sử dụng N ăng-ten phát với n ăng-ten truyền tín hiệu thông tin và N-năng-ten còn lại truyền tín hiệu nhiễu giả Máy thu sử dụng đơn ăng-ten

N ăng-ten

Hình 1.2 Mô hình tạo nhiễu giả bằng hệ thống MISO

1.5.2.3 Mô hình phát nhiễu giả sử dụng nhiều máy phát.

Mô hình này chúng ta sử dụng một máy phát để phát tín hiệu thông tin và nhữngmáy phát còn lại sử dụng để phát nhiễu giả, ở mô hình này máy phát và máy thu đều sửdụng đơn ăng-ten

Máy phát thông tin

Hình 1.3 Mô hình phát nhiễu giả sử dụng nhiều máy phát

Bob

EveAlice

Bob

EveAlice

N-n ăng-ten phát nhiễu

N máy phát nhiễu

AliceAlice

1.5.2.4 Mô hình phát nhiễu sử dụng node chuyển tiếp.

Ở mô hình này chúng ta sử dụng một nốt chuyển tiếp, được giả sử rằng trong điềukiện môi trường truyền tin xấu để máy thu có được tín hiệu tốt hơn giảm bớt suy haotrong môi trường truyền

Trong mô hình này trong quá trình máy phát truyền tín hiệu thông tin đến trạmtrung gian (1) thì máy phát trung gian có nhiệm vụ phát nhiễu (1) và ngược lại khi máyphát trung gian truyền tín hiệu thông tin đến đích (2) thì máy phát có nhiệm vụ phátnhiễu (2)

Hình 1.4 Mô hình phát nhiễu giả sử dụng trạm trung gian

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG

BẢO MẬT.

2.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Chúng ta xem xét mô hình hệ thống như hình 1 Alice và Bob là người sử dụnghợp pháp của hệ thống MISO Trong khi Eve là kẻ nghe trộm thụ động tìm cách tríchthông tin từ Alice mà không chủ động tấn công Alice là thiết bị dùng hai ăn-ten sửdụng một ăng-ten để truyền thông tin và một ăng-ten để tạo nhiễu giả, trong khi đó Bob

và Eve là những thiết bị đơn ăng-ten, ở đây Bob là thiết bị thu hợp pháp nên biết và đã

có được phương pháp lọc được tín hiệu nhiễu giả còn Eve thì không

Ở đây, chúng ta giả sử rằng hai thiết bị ăng-ten của máy phát đặt ở một khoảngcách đủ gần nhau để hệ số kênh truyền của hai ăng-ten đến từng máy phát là giốngnhau

Và công suất của nhiễu nhân tạo tại máy thu được giả sử bằng công suất của tínhiệu thông tin

Hình 2.1 Mạng truyền thông với máy phát (Alice), máy thu (Bob) và thiết bị

nghe trộm (Eve)

Gọi ăng-ten thứ nhất là ăng-ten phát tín hiệu thông tin thì ở từng thiết bị sẽ thuđược tín hiệu như sau:

Như giả sử ở phần đầu thì thiết bị thu hợp pháp đã biết trước và có được phươngpháp loại bỏ nhiễu, còn thiết bị bất hợp pháp thì không, nên ở phần nhiễu của máy thuhợp pháp không có đại lượng công suất nhiễu giả N Acòn máy thu bất hợp pháp thì có

Và công suất của tín hiệu nhiễu giả cũng được cho bằng công suất của tín hiệu thôngtin.

2.2.TÍNH HÀM PDF VÀ CDF.

2.2.1 Đối với trường hợp kênh truyền đồng nhất Rayleigh/Rayleigh.

Gọi f γ M(γ M) và f γ W(γ W) lần lượt là hàm mật độ xác suất (PDF) của γ M (Rayleighfading) và γ W (Rayleigh fading)

Từ hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) của kênh fading Rayleigh đã giới thiệu ởphần trước công thức (1.1):

Ta có:γ W= P W|h W|2

2 N W+N A , có dạng: y= nx

nx +2 m; Với (N A=P W|h W|2), (n = P W), (m = N W)

2.2.2 Đối với trường hợp kênh truyền không đồng nhất Rayleigh/Rician.

Gọi f γ M(γ M) và f γ W(γ W) lần lượt là hàm mật độ xác suất (PDF) của γ M (Rayleigh fading) và γ W (Rician fading)

Như tính toán ở trên ta có được PDF của γ M:

Trong đó, K là tham số fading Rician và là tỉ số công suất giữa đường trực tiếp và các

đường còn lại, ¿(K +1)e−K

b ;

Đổi cận: { x=0=¿t=0 ;

x=|h w|2=¿t=b|h w|2;