Cải thiện hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng phương pháp lựa chọn ăng ten thu phát

Trong bài viết này, đề xuất và phân tích hiệu năng bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống truyền thông 2 chặng trong điều kiện thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo. Để cải thiện xác suất dừng bảo mật, chúng tôi đề xuất sử dụng nhiều ăng ten tại nút nguồn và nút đích nhằm cải thiện độ lợi SNR của kênh truyền dữ liệu.

CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĂNG TEN THU/PHÁT

Trần Anh Thắng1*, Trần Lương Hùng1, Võ Quang Dũng2, Trần Mạnh Hoàng2

Tóm tắt: Trong bài báo này, đề xuất và phân tích hiệu năng bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống truyền thông 2 chặng trong điều kiện thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo Để cải thiện xác suất dừng bảo mật, chúng tôi đề xuất sử dụng nhiều ăng ten tại nút nguồn và nút đích nhằm cải thiện độ lợi SNR của kênh truyền dữ liệu Kết quả trình bày trong bài bào là biểu thức tường minh xác suất dừng bảo mật Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để kiểm chứng các kết quả phân tích và tính toán

So sánh giữa kết quả mô phỏng và biểu thức giải tích trùng khớp nhau điều đó khẳng định sự chính xác và độ tin cậy của các biểu thức giải tích đã trình bày

Từ khóa: Xác suất dừng bảo mật; Thông tin trạng thái kênh truyền; Lựa chọn ăng ten phát

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Bảo mật trong truyền thông vô tuyến đã trở thành một vấn đề cấp thiết được các nhà nghiên cứu quan tâm Bởi tính chất quảng bá tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến, tín hiệu được truyền đi có thể bị nghe trộm bởi các thiết bị nghe lén Thông thường, để bảo vệ tín hiệu được truyền, các phương pháp sử dụng mã hóa dữ liệu được áp dụng Tuy nhiên, việc cài đặt và thực hiện các khóa mã dẫn đến phức tạp và tốn kém Từ lý do đó, bảo mật lớp vật lý [1 2] đã được xem xét như là phương pháp hiệu quả trong bảo mật dữ liệu Trong phương pháp này, các tính chất vật lý của kênh truyền được sử dụng để tăng cường hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các công cụ mật mã Trong các tác giả đưa ra mô hình chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất để tăng cường dung lượng bảo mật của hệ thống Trong [3], các tác giả quan tâm đến sự bảo mật lớp vật lý trong những mạng lưới chuyển tiếp hai chặng với chỉ một nút chuyển tiếp trung gian Trong [3], các tác giả đề nghị các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu trong những mô hình chuyển tiếp hai chặng Trong [4], tác giả tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của suy giảm phần cứng đến bảo mật thông tin trong hệ thống MIMO nhận thức qua kênh truyền fading Rayleigh Trong [5], đã nghiên cứu, đánh giá sự tác động của thu thập và sử dụng năng lượng vô tuyến như là nguồn cung cấp cho hệ thống Trong [6], các tác giả đã phân tích hiệu năng của hệ thống vô tuyến chuyển tiếp từng phần theo phương thức khuếch đại và chuyển tiếp

- Amplify and Forward - AF, nút chuyển tiếp được lựa chọn phụ thuộc vào trạng thái của kênh truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp Với [7], các tác giả đánh giá xác suất dừng

và dung lượng trung bình của kênh truyền fading Rayleigh sử dụng kỹ thuật chủ động lựa chọn nút chuyển tiếp dưới sự tác động của suy giảm phần cứng và nhiễu đồng kênh Trong [8], tác giả đưa ra mô hình mạng lưới chuyển tiếp đa chặng, tác giả đánh giá rất chi tiết khả năng bảo mật của hệ thống Tuy có nhiều công trình đã đề xuất sử dụng kĩ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS: Transmit Antenna Selection) để cải thiện hiệu năng bảo mật hệ thống nhưng một phương thức mà các nghiên cứu trước đây đã bỏ qua là không sử dụng các kĩ thuật kết hợp tại máy thu nhằm cải thiện độ lợi phân tập tại máy thu hợp pháp, phương pháp này cũng sẽ cải thiện được phẩm chất bảo của hệ thống Để đơn giản trong thiết kế và tiết kiệm chuỗi cao tần máy thu, trong bài báo này, chúng tôi chỉ khảo sát trường hợp lựa chọn kết hợp (SC: Selection Combining)

Cấu trúc bài báo được trình bày như sau: Đặt vấn đề của bài báo được trình bày trong phần 1; Phần 2 mô tả mô hình hệ thống, mô hình hóa kênh truyền khi CSI không hoàn hảo, trình bày mô hình tín hiệu và các biểu thức tỉ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm; Phân tích các biểu thức xác suất dừng bảo mật được đưa ra trong phần 3; Các kết quả

mô phỏng và thảo luận được trình bày trong phần 4; Cuối cùng là phần kết luận được trình

bày trong phần 5

2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG

S

h 1,i

h 2,j

feedback

E

Hình 1 Mô hình hệ thống

Xem xét hệ thống chuyển tiếp hai chặng như hình 1 Hệ thống bao gồm một nút nguồn

S được trang bị N ăng ten, một nút chuyển tiếp, nút đích D được trang bị S N antenna D

Trong hệ thống này có mặt của thiệt bị nghe trộm kí hiệu E và nút E được trang bị một

anten Truyền thông từ S đến D thông qua R nhằm giảm công suất phát tại nguồn Nút

chuyển tiếp R sử dụng kĩ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) Trong

khi đó, nút E thu, giải mã dữ liệu thông qua kênh nghe lén Tại S sử dụng kỹ thuật TAS,

tại D sử dụng kĩ thuật SC Để thực hiện kĩ thuật TAS hệ thống cần có thông tin trạng thái

kênh truyền (CSI: Channel State Information) từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp, CSI có

được có thể bằng phương pháp sử dụng chuỗi huấn luyện kênh hoặc sử dụng phương pháp

hồi tiếp Trong hệ thống mà chúng tôi khảo sát, giả sử rằng, do tác đông của trễ (lỗi thời)

hồi tiếp (Outdate CSI) dẫn đến CSI không hoàn hảo Kênh truyền bao gồm cả kênh chính

và kênh nghe lén được giả sử tuân theo phân bố Rayleigh và hiện tượng pha đinh là phẳng

trong mỗi khung dữ liệu nhưng có thể thay đổi ở những khung kế tiếp nhau Nút chuyển

tiếp đặt chính giữa nút nguồn và nút đích, nút nghe lén di chuyển tùy ý trong mặt phẳng

hai chiều

Khi giả sử rằng, CSI nhận được do trễ hồi tiếp có thể được mô hình hóa bởi biểu thức

sau [9]:

2

h h    (1) trong đó: h là hệ số kênh truyền theo giả thiết không xảy ra trễ hồi tiếp 1,n  là đặc trưng

cho sai số ước lượng kênh truyền và có dạng phân bố tương đương vớih , 1,n  là hệ số

tương quan giữa kênh ước lượng và kênh thức tế, với  0,1

Trong pha thứ nhất, tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp là:

R S 1,n w ,R 1 S,

y  P h x n N (2) trong đó, P là công suất phát của nút nguồn, x và S  2

R

w CN 0, tương ứng là tín hiệu

và nhiễu trắng cộng tính (AWGN)

Khi đó, tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (SNR: signal- noise-ratio) thu được tại nút chuyển

tiếp từ anten phát thứ n được lựa chọn có thể mô hình hóa bởi biểu thức sau:

2 1,2 1,

S

S

R

P

h



 , (3) Trong pha thứ hai, tín hiệu nhận tại nút đích được biểu diễn bới phương trình sau:

y  P h x (4) trong đó, h 2, j là hệ số kênh truyền từ R đến D và  2

w CN 0, là AWGN ở nút đích

Từ (4), biểu thức SNR theo phương thức kết hợp SC được biểu diễn như sau:

2

D

R

D

P

h



 (5)

Từ biểu thức (3), (5) hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) và hàm phân phối tích lũy (CDF: Cumulative Distribution Function) của SNR được biểu diễn như sau:

(z) 1 exp

AB

M

AB

z

F



  (6)

  1 1

AB

M

m

f

m





 (7) với ,  2 

2

,

, E , E

A B AB

A B

P

h





  là toán tử trung bình

trong đó, AB là kí hiệu cho đường truyền từ A đến B, MN N S, D và m n j, Thêm vào đó, SNR mà nút nghe lén nhận được khi nút nguồn và nút chuyển tiếp phát tín hiệu trên kênh chính được biểu diễn bởi

/

SE P h S SE E

   , (8)

/

RE P h R RE E

   (9) Khi hệ thống có CSI không hoàn hảo, bài toán quan trọng nhất là xác định được mối quan hệ của hàm phân bố giữa CSI thực tế và CSI ước lượng Từ công thức (1), ta có thể nhận được SNR với CSI không hoàn hảo là 2 2

1,2 1,

SR P S n N h n R

    , khi đó, hàm phân bố SNR tương quan được xác định bởi [10] như sau:

,

2 1

SR SR

xy

x y

       (10)

trong đó, I0  là kí hiệu hàm Bessel bậc không loại một

Sử dụng tính chất của lý thuyết phân bố biên duyên và xác suất điều kiện như trong [11], [12] chúng ta có:

 

( ) 0 ( ) | ( )( | ) ( )( ) ,

f x f  x y f y dy (11) trong đó,

 

( ), ( ) ( ) ( )

( )

|

,

( )

SR n SR n

SR k SR k

SR n

f y



 (12) Kết hợp (7), (10), (11) và (12), sau các bước biến đổi đơn giản nhận được CDF và PDF

của SNR trên chặng thứ nhất trong điều kiện CSI không hoàn hảo như sau:

( )

1

1

1

(1 ( 1)(1 )) (1 ( 1)(1 ))

S

SR k

n N

S





( )

1

2 1

(1 ( 1)(1 ))

S

SR k

N

n S





3 PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG BẢO MẬT

Xác suất dừng bảo mật được định nghĩa là xác suất mà tốc độ giải mã của kênh nghe

lén lớn hơn tốc độ giải mã của kênh chính (kênh dữ liệu mong muốn) Một hệ thống được

xem có khả năng đảm bảo an toàn thông tin nếu dung lượng kênh chính lớn hơn dung

lượng kênh nghe lén Theo định lý Shannol chúng ta có dung lượng kênh tức thời từ

SR và SE được xác định là:

2

1 log 1 2

C   (15)

2

1 log 1 2

C   (16)

Do đó, chúng ta có dung lượng bảo mật trên chặng thứ nhất được xác định như sau:

C  C C  (17) trong đó,  x max 0, x Thay thế (15), (16) vào (17) chúng ta nhận được:

1

SR

SE





    



     (18)

Dung lượng kênh truyền tức thời từ RD và REđược xác định tương ứng là:

2

1 log 1 2

C   (19)

2

1 log 1 2

C   (20) Dung lượng bảo mật chặng thứ hai được xác định:

C  C C  (21) Thay (19) và (20) vào (21), ta có:

1

RD

RE





    



     (22)

Từ các biểu thức dung lượng tức thời đã xác định như (18) và (22), chúng ta tìm xác

suất dừng bảo mật của hệ thống (SOP: Secure Outage Probability) Giả sử  là ngưỡng

giải mã cho trước, khi dung lượng bảo mật của mỗi chặng thấp hơn  thì sự kiện mất bảo

mật xảy ra Khi đó, ta có:

1 1

2 2

2

1

Pr( (1 ) 1), 2

SR SR

SE SE

SR th SE th

C







(23)

Áp dụng xác suất điều kiện ta viết lại (23) thành:

SOP ( (1 ) 1) ( ) ,

F   f  d



   (24) Trong đĩ, ( ) 1 exp

SE

Sau một vài phép biến đổi ta cĩ:

1 1

N







(25)

Trong đĩ, ( , ) 1n   n1 1  2

Tương tự như SOP1, chúng ta xác định được SOP2 như sau:

SOP ( (1 ) 1) ( ) ,

F   f  d



   (26) Sau một số bước tính tốn nhận được biểu thức SOP trên chặng thứ 2 là:

2 1

N





 (27) Xác suất dừng bảo mật của tồn chặng được tính như sau:

SOP Pr(min( , ) ) =1-Pr(C , )

C



  (28)

Vì C1 và C độc lập với nhau nên ta cĩ: 2

SOP =1-Pr(C ) Pr( ) =1- 1 Pr( ) 1 Pr( )

1 (1 SOP )(1 SOP )

(29)

Kết hợp các phương trình (25) và (27) chúng ta cĩ SOP của hệ thống

4 MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Trong phần này, bài báo trình bày kết quả phỏng Monte-Carlo, nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích ở Phần 3 và đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống đề xuất Thơng qua kết quả mơ phỏng để chứng minh răng, hiệu năng bảo mật của hệ thống được cải thiện bằng các kĩ thuật phần cứng mà khơng dựa vào mã hĩa dữ liệu như các cơng trình nghiên cứu trước đây

Mơ hình hệ thống được giả thiết đặt trong mặt phẳng 2 chiều; nút nguồn S cĩ tọa độ là (0,0), nút đích cĩ tọa độ là (1, 0) Nút chuyển tiếp giả sử đặt chính giữa nút nguồn và nút đích Tọa độ nút nghe lén thay đổi theo từng kịch bản khảo sát, kênh truyền cĩ phân bố Rayleigh, số mẫu ngẫu nhiên thực hiện mơ phỏng là 2^14 Số lượng antenna phát/thu lần lượt thay đổi từ 1 to 4 Tốc độ ngưỡng yêu cầu để đảm bảo hệ thống truyền thành cơng là 1 bit/s/Hz,  là hệ số suy hao của được quy định bởi mơi trường truyền dẫn vơ tuyến được lựa chọn trong khoảng giá trị từ 2 đến 6 Trong mơ hình này, chúng tơi chọn 3

Trước hết, trong hình 2, chúng tơi khảo sát SOP bằng cách thay đổi cấu hình ăng ten tại nút nguồn và nút đích, giả sử cố định vị trí nút nghe lén tại tọa độ (1, 1) Hệ số tương quan giữa kênh ước lượng và kênh thực tế 0.9, hệ số suy hao đường truyền giả sử 3

Từ kết quả thấy rằng, khi tăng số lượng ăng ten, SOP được cải thiện đáng kể, kết quả này

được giải thích như sau: Khi tăng số ăng ten tại S và D dẫn đến độ lợi kênh chính (kênh dữ

liệu được cải thiện), do đó, tốc độ giải mã dữ liệu trên kênh chính đạt được lớn hơn Do

đó, khả năng bảo mật hệ thống được cải thiện, có nghĩa là SOP giảm Ngoài ra, kết quả

trên đồ thị thấy rằng đường lý thuyết và mô phỏng trùng nhau, chứng tỏ các công thức đã

tính toán hoàn toàn chính xác

Hình 2 SOP theo SNR với cấu hình antenna khác nhau

Hình 3 Ảnh hưởng của sai số CSI đến SOP

Hình 3 trình bày SOP của hệ thống dưới sự tác động của sai số CSI, giả sử số ăng ten tại S và D là (3, 3) Từ kết quả có thể thấy rằng, SOP của hệ thống giảm dần khi ta tăng 

có nghĩa là SOP càng tăng khi  tăng Đặc biệt khi 1 SOP đạt tốt nhất, có nghĩa lúc này CSI là hoàn hảo Ngoài ra, khi SNR đạt từ 20dB trở lên thì SOP bảo hòa, có nghĩa là với mức công suất phát đủ lớn thì tốc độ giải mã tại E sẽ được cải thiện, do đó, khả năng bảo mật của hệ thống không được cải thiện Tương tự như kết quả hình 2, đồ thị đường lý thuyết hoàn toàn trùng với đồ thị kết quả mô phỏng, có nghĩa các bước phân tích hoàn toàn chính xác Thực tế của hệ thống khi sai số CSI được biết đến như phương sai của các hàm phân bố SNR tăng lên

Hình 4 SOP của hệ thống theo SNR với tọa độ nút nghe lén khác nhau

Hình 4 biểu diễn SOP theo SNR với tọa độ của nút nghe lén khác nhau Giả sử các tham số ăng ten cố định là (3, 3), hệ số suy hao đường truyền 3, sai số CSI 0.9

Từ kết quả trên đồ thị thấy rằng, khi nút E cách xa nút S và nút R, SOP được cải thiện rất đáng kể Ngược lại, khi nút E ở gần S và R thì SOP trở nên tồi tệ thậm chí có thể mất bảo mật hoàn toàn Do khoảng cách càng lớn thì độ lợi kênh càng giảm và ngược lại Trong thực tế hệ thống các nút nghe trộm thường được cài đặt gần với các nút thu dữ liệu, do đó, trường hợp cài đặt cạnh nút phát ít có trường hợp xảy ra Vì vậy, khảo sát này hoàn toàn hợp so với cấu hình mạng thực tế triển khai

5 KẾT LUẬN

Trong bài báo này đã phân tích SOP của hệ thống đa ăng ten Từ kết quả có thể kết luận được rằng, khi tăng số ăng ten thu phát cho kênh chính thì hệ thống có khả năng cải thiện hiệu quả bảo mật dữ liệu Hơn nữa, bài báo cũng xác định được ảnh hưởng của sai số CSI để thực hiện TAS có tác động đáng kể đến SOP của hệ thống Kết quả phân tích giải tích đã kiểm chứng là hoàn toàn chính xác bằng mô phỏng Monte-Carlo Hệ thống được khảo sát trong bài bào này là mô hình có ý nghĩa khoa học cao, có thể được ứng dụng để thiết kế các mạng vô tuyến trong bối cảnh phát triển IoT hiện nay và tương lai của mạng 6G

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Y Yang, Q Li, W.-K Ma, J Ge, and P Ching, "Cooperative secure beamforming

for AF relay networks with multiple eavesdroppers," Signal Processing Letters,

IEEE, vol 20, pp 35-38, 2013

[2] J Qiu, D Grace, G Ding, J Yao, and Q Wu, "Blockchain-Based Secure Spectrum

Trading for Unmanned Aerial Vehicle Assisted Cellular Networks: An Operator’s

Perspective," IEEE Internet of Things Journal, 2019

[3] H Hui, G Li, and J Liang, "Secure Relay and Jammer Selection for Physical Layer

Security," Signal Processing Letters, IEEE, vol 22, pp 1147-1151, 2015

[4] M Li, B Selim, S Muhaidat, P Sofotasios, M Dianati, P Yoo, et al., "Effects of

residual hardware impairments on secure NOMA-based cooperative systems," IEEE

Access, vol 4, 2019

[5] Y Lu, K Xiong, P Fan, Z Zhong, and K B Letaief, "Robust transmit beamforming

with artificial redundant signals for secure SWIPT system under non-linear EH model,"

IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 17, pp 2218-2232, 2018

[6] S Yan, M Peng, W Wang, L Dong, and M Ahmed, "Relay self-selection for

secure cooperative in Amplify-And-Forward networks," in Communications and

Networking in China (CHINACOM), 2012 7th International ICST Conference on,

2012, pp 581-585

[7] Y Huang, F S Al-Qahtani, T Q Duong, and J Wang, "Secure transmission in

MIMO wiretap channels using general-order transmit antenna selection with outdated

CSI," IEEE Transactions on Communications, vol 63, pp 2959-2971, 2015

[8] D.-D Tran, N.-S Vo, T.-L Vo, and D.-B Ha, "Physical Layer Secrecy Performance of

Multi-hop Decode-and-Forward Relay Networks with Multiple Eavesdroppers," 2015

[9] M Himal A Suraweera, IEEE, Peter J Smith, Senior Member, IEEE, and Mansoor

Shafi, Fellow, IEEE, "Capacity Limits and Performance Analysis of Cognitive Radio

With Imperfect Channel Knowledge," 2010

[10] W B M Schwartz, and S Stein, "Communication Systems and Techniques," 1995

[11] M Redha M Radaydeh, IEEE, " Impact of Delayed Arbitrary Transmit Antenna

Selection on the Performance of Rectangular QAM with Receive MRC in Fading

Channels," 2009

[12] M Himal A Suraweera, IEEE, Madushanka Soysa, Student Member, IEEE, Chintha

Tellambura, Senior Member, IEEE, and Hari K Garg, Senior Member, IEEE,

"Performance Analysis of Partial Relay Selection With Feedback Delay," 2010

ABSTRACT

AN IMPROVED SECURE OUTAGE PROBABILITY FOR THE RELAY NETWORK USING MULTIPLE ANTENNA

In this paper, we proposed and analysis on secrecy performance of dual hop

communication with multiple-input multiple-output where transmitter employs

transmit antenna selection in condition of imperfect channel state information while

receiver perform selection combining with perfect CSI New closed-form

expressions are derived for the exact secrecy outage probability Based on

mathematic schemes, we derived the secrecy outage probability We examine our

analysis results by using Monte Carlo simulation

Keywords: Transmit Antenna Selection; Secrecy Outage Probability; Outdate CSI

Nhận bài ngày 20 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020

Địa chỉ: 1 Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp-Đại học Thái Nguyên;

2 Trường Đại học Thông tin liên lạc

* Email: trrananhthang@tnut.edu.vn.