Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

Nắm bắt được tầm quan trọng của bảo mật trong các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và mạng vô tuyến nhận thức nói riêng, đề tài đề xuất một phương pháp sử dụng thiết bị gây nhiễu có

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

NGUYỄN HOÀNG GIANG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CÓ THU

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Văn Khương

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Hà Hoàng Kha

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

Tp HCM ngày 17 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 GS.TS Lê Tiến Thường

GS.TS Lê Tiến Thường PGS.TS Đỗ Hồng Tuấn

Số: /BKĐT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: VIỄN THÔNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN HOÀNG GIANG MSHV: 1570401

NGÀNH: Kĩ Thuật Viễn Thông LỚP: K2015

1 Tên đề tài luận văn (Tiếng Việt và Tiếng Anh):

Tên Tiếng Việt: Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận

thức có thu thập năng lượng

Tên Tiếng Anh: Evaluate physical layer security performance in cognitive radio

networks with energy harvesting

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

- Nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức, các thông số hiệu năng quan trọng trong bảo mật lớp vật lý: Xác xuất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability)

- Nghiên cứu kỹ thuật thu thập năng lượng;

- Nghiên cứu kỹ thuật tạo nhiễu giả ngẫu nhiên sử dụng năng lượng thu thập;

- Xây dựng các biểu thức toán để đánh giá hiệu năng bảo mật;

- Sử dụng chương trình Matlab để so sánh, kiểm chứng các kết quả phân tích;

- So sánh đối chiếu giữa các giải pháp bảo mật, từ đó đưa ra nhận xét đánh giá

3 Các kết quả dự kiến

- Mô hình mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng với khả năng bảo mật cao;

- Các kết quả phân tích cho các thông số hiệu năng quan trọng;

- Các mô phỏng Monte-Carlo để kiểm nghiệm các kết quả phân tích

4 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

6 Họ và tên người hướng dẫn:

Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn

Ngày tháng năm 2019

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

Ngày bảo vệ: _

Điểm tổng kết: _

Nơi lưu trữ luận án: _

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Hồ Văn Khương Thầy là người luôn theo sát em trong quá trình thực đề cương cho tới luận

văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hoàn thành đề cương Luận văn và bây giờ là Luận văn cao học Sự quan tâm từ Thầy luôn là nguồn động lực tạo cho em cố gắng và nỗ lực vượt qua thời gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình Với lòng kính mến, em sẽ luôn nhớ và trân trọng những hướng dẫn đầy tận tâm và nhiệt huyết của Thầy Tất cả những điều này sẽ là kiến thức, kinh nghiệm quý báu giúp em rất nhiều trong quá trình học tập và làm việc sau này

Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại Học Bách Khoa – Tp HCM đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Viễn thông đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện đề cương luận văn này Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian thực hiện đề cương luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 06 năm 2019

Học viên thực hiện

NGUYỄN HOÀNG GIANG

Vô tuyến nhận thức là một trong những giải pháp tốt để giải quyết bài toán tối

ưu phổ tần Nắm bắt được tầm quan trọng của bảo mật trong các hệ thống thông tin

vô tuyến nói chung và mạng vô tuyến nhận thức nói riêng, đề tài đề xuất một phương pháp sử dụng thiết bị gây nhiễu có khả năng thu thập và sử dụng năng lượng thu thập được để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo gây can nhiễu lên các thiết bị nghe lén nhằm mục đích đảm bảo sự truyền tin an toàn giữa máy phát và máy thu thứ cấp trong mạng

vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng dưới ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp, hạn chế công suất truyền tối đa của mạng thứ cấp, giới hạn về mức công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp và kênh truyền fading Rayleigh Công thức chính xác về xác suất dừng bảo mật để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống lần trước tiên được phân tích và sau đó được kiểm chứng bằng các mô phỏng máy tính Cuối cùng, công thức chính xác này được sử dụng để cung cấp nhiều kết quả chứng minh tính hiệu quả của

kỹ thuật gây nhiễu sử dụng năng lượng thu thập và sự ảnh hưởng của các tham số hệ thống như nhiễu từ người dùng sơ cấp, các hạn chế về năng lượng, hệ số phân phối công suất nhiễu và hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng đối với hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

Cognitive radio is one of good solutions to solve spectrum optimization problem In order to understand the importance of security in wireless communications systems in general and cognitive radio networks in particular, this thesis proposes a method of using a jamming equipment capable of collecting and using harvested energy to transmit an artificial noise signal that interferes eavesdropping devices to ensure safe communication between secondary transmitters and receivers in cognitive radio networks with energy harvesting under the influence

of primary interference, limited maximum transmission capacity of secondary transmitters, interference power constraint of primary receiver and Rayleigh fading channel The exact formula of security outage probability to evaluate the security performance of the system was first analyzed and then verified by computer simulations Finally, this exact formula is used to provide many results that demonstrate the effectiveness of jamming techniques and the influence of system parameters such as interference from the primary user, power constraints, interference power distribution factor and time-division coefficient of energy collection for the security performance of cognitive radio networks with energy harvesting

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu do chính bản thân tôi thực hiện, không có sự chỉnh sửa hay sao chép kết quả trong bất cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trước đây

Các số liệu, kết quả trong luận văn được trình bày hoàn toàn trung thực dựa trên quá trình nghiên cứu của bản thân tôi Luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu khoa học được đăng tải trên các tạp chí, hội nghị được đề cập trong phần tài liệu tham khảo

TP Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 06 năm 2019

Tác giả luận văn

NGUYỄN HOÀNG GIANG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.3 Mục đích nghiên cứu 6

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Đóng góp chính của luận văn 7

1.7 Bố cục luận văn 7

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 9

2.1 Kênh truyền vô tuyến 9

2.1.1 Giới thiệu 9

2.1.2 Các hiện tưởng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 10

2.1.3 Các dạng kênh truyền 12

2.1.4 Các mô hình kênh cơ bản 13

2.2 Mạng vô tuyến nhận thức 17

2.2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức 17

2.2.2 Thành phần mạng vô tuyến nhận thức 18

2.2.3 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức 20

2.2.4 Các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức 23

2.2.5 Kiến trúc vật lý 25

2.2.6 Các tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức 26

2.3 Bảo mật lớp vật lý 26

2.3.1 Tổng quan 26

2.3.2 Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý 29

2.4 Kỹ thuật thu thập năng lượng 30

2.4.1 Giới thiệu 30

2.5 Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo 33

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 36

3.1 Tham số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống 36

3.2 Mô hình phân tích 36

3.3 Phân tích mô hình hệ thống và đưa ra công thức 38

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 54

4.1 Kết quả mô phỏng 54

4.2 Nhận xét đánh giá 63

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64

PHỤ LỤC A: CHỨNG MINH HÀM CDF CỦA  THEO ĐIỀU KIỆN d P s 66

PHỤ LỤC B: CHỨNG MINH HÀM CDF CỦA  THEO ĐIỀU KIỆN w P s 68

PHỤ LỤC C: CÔNG THỨC DẠNG ĐÓNG CỦA MỘT SỐ TÍCH PHÂN TRONG LUẬN VĂN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường 11

Hình 2.2 Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 W) 12

Hình 2.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0>W) 13

Hình 2.4 Mô hình toán học kênh truyền 14

Hình 2.5 Hàm mật độ xác suất Gauss với 2 1  = [39] 15

Hình 2.6 Hàm phân bổ Rayleigh với 2 1  = [39] 15

Hình 2.7 Hàm phân bố Rician cho các giá trị khác nhau của K [39] 16

Hình 2.8 Lỗ phổ (spectrum holes) trong phổ tần số được cấp phát 18

Hình 2.9 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 19

Hình 2.10 Mô hình dạng phủ 21

Hình 2.11 Phương pháp truy cập phổ tần dạng đan xen 22

Hình 2.12 Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay 23

Hình 2.13 Sử dụng phổ linh hoạt 24

Hình 2.14 Chức năng từng lớp mạng của CR [2] 25

Hình 2.15 Bộ thu phát CR 26

Hình 2.16 Mô tả phương thức bảo mật sử dụng khóa bí mật 27

Hình 2.17 Bảo mật ở lớp vật lý khi truyền tin từ Alice đến Bob 28

Hình 2.18 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản 29

Hình 2.19 Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến 32

Hình 2.20 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian 33

Hình 2.21 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất 33

Hình 2.22: Mô hình vô tuyến nhận thức với nhiều kênh nghe lén 34

Hình 2.23: Mô hình jamming trong mạng vô tuyến nhận thức 35

Hình 3.1 Mô hình hệ thống 36

Hình 4.1 Xác suất dừng bảo mật theo Im 55

Hình 4.2: Xác suất dừng bảo mật theo Pt 56

Hình 4.3 Xác suất dừng bảo mật theo α 58

Hình 4.4 Xác suất dừng bảo mật theo β 60

Hình 4.5 Xác suất dừng bảo mật theo R 61 0 Hình 4.6 Xác suất dừng bảo mật theo d 62

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ không dây đang phát triển nhanh chóng, xu hướng của các thiết bị không dây và truyền thông IoT hứa hẹn sẽ đem lại rất nhiêu lợi ích cho xã hội Trong khi các thiết bị tiêu dùng như điện thoai di động, máy tính xách tay đang rất phổ biến, thì công nghệ không dây đang dần len lỏi vào các mạng lưới cảm biến cho các ứng dụng an toàn và tự động hóa, kiểm soát lưới điện thông minh, thiết bị không dây trong

y tế và hệ thống giải trí Và sự bùng nổ của ứng dụng không dây đã tạo ra nhu cầu ngày càng tăng đối với phổ tần vô tuyến Tuy nhiên hầu như các phổ tần đã được phân bổ sử dụng, và nhiều nghiên cứu cho thấy các phổ tần này được sử dung dưới mức hiệu quả tôi ưu Những đánh giá này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp công nghệ mang tính đột phá Trong các giải pháp tiềm năng thì vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio viết tắt là CR) là giải pháp tốt để giải quyết bài toán hạn chế về phổ tần [1, 2]

Tính hấp dẫn của thông tin trong mạng không dây nói chung và mạng vô tuyến nhận thức nói riêng nằm ở đặc tính quảng bá của kênh truyền vô tuyến cho phép tiết kiệm được nhiều chi phí triển khai so với hệ thống có dây Bên cạnh ưu điểm trên, nhược điểm của hệ thống vô tuyến là tính bảo mật khi mà các nút nghe lén trong vùng phủ sóng dễ dàng nghe lén thông tin truyền từ máy phát đến máy thu Do đó trong hệ thống thông tin vô tuyến, bảo mật dữ liệu là một trong những vấn đề quan trọng và thường được cài đặt ở lớp ứng dụng theo mô hình OSI (Open Systems Interconnection) 7 lớp với các giải thuật mã hóa dữ liệu tiêu biểu như RSA, ASE (Advanced Encryption Standard) hay DES (Data Encryption Standard) Các giải thuật

mã hóa thường hoạt động ở lớp ứng dụng hoạt động với giả sử rằng năng lực phần cứng và thời gian giải mã của các máy nghe lén là giới hạn và đồng thời không xem xét đặc tính kênh truyền cũng như vị trí tương đối của nguồn phát và các nguồn nghe lén Gần đây, các mạng thông tin di động rất phát triển với năng lực phần cứng của các nút mạng được cải thiện rất nhiều dẫn đến việc đảm bảo bảo mật cho thông tin trên hệ thống là một vấn đề rất thử thách Trong các công nghệ xem xét áp dụng cho

hệ thống thông tin vô tuyến, bảo mật lớp vật lý đang được xem xét là một công nghệ lõi với nhiều tiềm năng so với phương pháp mã hóa truyền thống [3] Muc tiêu của bảo mật thông tin ở lớp vật lý trong hệ thống thông tin vô tuyến là khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo tin tức được truyền an toàn đến đích

Để thực hiện điều này, nhiều kỹ thuật ở lớp vât lý đã được xem xét và áp dụng, ví dụ như: kỹ thuật MIMO (multi input multi output), kỹ thuật truyền thông hợp tác, kỹ thuât lựa chọn nút chuyển tiếp, và kỹ thuật gây nhiễu bằng cách phát tín hiệu nhiễu nhân tạo (còn gọi là jamming) Trong các kỹ thuật kể trên, kỹ thuật jamming là một

kỹ thuật hiệu quả cho phép cái thiện đáng kể hiệu năng bảo mật lớp vật lý của hệ thống vô tuyến Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật jamming là phát tín hiệu can nhiễu nhân với mục đích giảm dung lượng Shannon của kênh truyền nghe lén trong khi vẫn giữ nguyên dung lượng kênh truyền chính để ngăn chặn máy nghe lén thu thập thông tin

từ máy phát Tuy nhiên, kỹ thuật jamming có những nhược điểm chính như sau: hệ thống phải dùng một phần năng lượng để phát tín hiệu can nhiễu, nghĩa là đánh đổi hiệu năng của kênh truyền dữ liệu lấy hiệu năng bảo mật; do ảnh hưởng của kênh truyền không hoàn hảo, tín hiệu gây nhiễu nhân tạo cũng ảnh hưởng đến hiệu năng của kênh truyền chính

Bên cạnh bảo mật lớp vật lý, thu thập lượng vô tuyến (Energy Harvesting) là một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng gần đây của các nhà nghiên cứu trên thế giới khi tận dụng tín hiệu vô tuyến không những trong truyền dữ liệu mà còn truyền năng lượng Kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến đặc biệt phù hợp cho mạng cảm biến không dây khi mà việc thay thế pin cho các nút mạng có thể là khó khăn, tốn kém hoặc nguy hiểm Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế và đánh giá hiệu năng của mạng thu thập năng lượng, tiêu biểu như: [4-9] Gần đây, kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến được xem xét nhằm nâng cao hiệu năng, ví dụ như [11, 12] và hiệu năng bảo mật cho hệ thống thông tin vô tuyến,

ví dụ như [15-17], trong đó các nghiên cứu đề xuất jammer dựa vào nguồn năng lượng thu thập vô tuyến là [13,17,21,22] Tuy nhiên, các kết quả của các nghiên cứu kể trên vẫn ở mức giới hạn và chưa có nhiều công trình nghiên cứu trên mạng vô tuyến nhận thức Từ cơ sở trên, để giải quyết nhược điểm thứ nhất của kỹ thuật jamming, tác giả

dự kiến đề xuất kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến từ nguồn sơ cấp Năng lượng

thu thập sẽ được sử dụng để làm năng lượng phát tín hiệu jamming do đó có thể đảm bảo được hiệu năng bảo mật của hệ thống mà không gây nhiễu lên kênh truyền chính qua đó vẫn đảm bảo được độ tin cậy của hệ thống

Trên đây là các lý do tác giả đề xuất đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng” Với đề xuất của hướng nghiên cưu này, để đánh giá được khả năng hoạt động cũng như hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến nhận thức, ta đi xem xét mô hình, tính toán thống kê

và mô phỏng trên hệ thống MATLAB

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Bảo mật lớp vật lý nói chung và bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức nói riêng là hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm hiện nay Đặc biệt là ý tưởng sử dụng năng lượng thu thập để phát tín hiệu nhân tạo nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức

Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đề xuất

kỹ thuật gây nhiễu để phát tín hiệu gây nhiễu đến thiết bị nghe lén nhằm nâng cao hiệu quả bảo mật lớp vật lý các mạng thông tin vô tuyến [13], [17-18], [20-22], [42-45] Tuy nhiên các nghiên cứu [13], [17], [20-22] mới chỉ áp dụng trên mô hình mạng thông tin vô tuyến tổng quát mà không đề cập đến mậng vô tuyến nhận thức Các nghiên cứu [18], [42-45] đã đề xuất kỹ thuật gây nhiễu trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức Trong đó, các công trình [18], [44-45], các tác giả đã nghiên cứu về hiệu năng bảo mật của hệ thống sử dụng thiết bị gây nhiễu có thể phát đồng thời tín hiệu thông tin và tín hiệu nhiễu đến các thiết bị thu và bộ nghe lén Với mô hình này có thể làm tăng tính bảo mật tuy nhiên đánh đổi lại là hiệu năng của hệ thống sẽ giảm vì các bộ phát thứ cấp phải mất một phần năng lượng cho việc phát tín hiệu gây nhiễu Trong các nghiên cứu [42], [43], các tác giả đã đề suất sử dụng một thiết bị gây nhiễu độc lập chỉ phát tín hiệu nhiễu nhân tạo, tín hiệu nhiễu này được thiết kế để hủy tại

bộ thu thứ cấp và tăng cường nhiễu lên các thiết bị nghe lén Tuy nhiên, các nghiên cứu jamming trên mô hình mạng vô tuyến nhận thức này mới chỉ xem xét các nút gây nhiễu được cung cấp năng lượng để phát tín hiệu nhiễu mà chưa đề suất kỹ thuật thu thập năng lượng để giải quyết những hạn chế về mặt năng lượng của các nút mạng

trong mạng vô tuyến nhận thức, giúp tăng thời gian hoạt động của các nút mạng, giảm chi phí cho việc bảo trì thay pin hay tái cung cấp năng lượng cho hệ thống…

Gần đây, các nghiên cứu sử dụng năng lượng thu thập để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức nhận được

sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Trong đó, đã xuất hiện một số công trình nghiên cứu đáng chú ý như [14], [19], [45-47] Tuy nhiên, các kết quả của các nghiên cứu kể trên vẫn ở mức giới hạn, cụ thể như sau:

Trong bài báo [14], Chen và các cộng sự đã tối ưu tốc độ bảo mật cho hệ thống

vô tuyến nhận thức hợp tác sử dụng nút phát tín hiệu nhân tạo có khả năng thu thập năng lượng, xem xét các nút nghe lén được trang bị nhiều anten Tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra phân tích các thông số quan trong nhằm thể hiện được hiệu năng và hiệu năng bảo mật của hệ thống: xác suất dừng đanh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Proability), xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Proability)

Trong bài báo [45], các tác giả xem xét nâng cao khả năng bảo mật của mạng

vô tuyến nhận thức khi có sự suất hiện của nút nghe lén bằng cách triển khai một thiết

bị có khả năng thu thập năng lượng và sử dụng phần năng lượng đó để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo Năng lượng này được thu thập từ bộ phát thứ cấp Tuy nhiên nghiên cứu chỉ xem xét dưới hạn chế của mức công suất nhiễu tối đa mà bộ thu sơ cấp có thể chịu được mà không xem xét đến ảnh hưởng của mức công suất phát tối đa của nguồn phát thứ cấp lên hiệu năng bảo mật của hệ thống Ngoài ra, bài báo cũng không tính đến ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp Điều này là không phù hợp với các điều kiện thực tế của mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng

Trong bài báo [46], Zhang và các cộng sự xem xét mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, trong đó giao tiếp giữa máy phát thứ cấp và bộ thu thứ cấp có sự xuất hiện của nút nghe lén Bộ thu thứ cấp thứ được trang bị một anten thu và một anten phát

để hoạt động ở chế độ song công (Full duplex), anten thu có thể nhận đồng thời thông tin và năng lượng từ máy phát thức cấp Do đó, nó có thể tự cấp năng lượng để phát tín hiệu gây nhiễu đến bộ nghe lén nhằm làm tăng khả năng bảo mật của hệ thống Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là các tác giả chỉ mới xem xét ảnh hưởng của can

nhiễu gây ra bởi máy phát và máy thu thứ cấp lên máy thu sơ cấp mà không xem xét tác động ngược lại của can nhiễu sơ cấp trên máy thu thứ cấp và bộ nghe lén trong việc đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý của mạng vô tuyến nhận thức

Trong bài báo [47], các tác giả đã đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức sử dụng relay chuyển tiếp thu thập năng lượng từ mạng thứ cấp, có sự xuất hiện của nút nghe lén Để nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng, kỹ thuật gây nhiễu được triển khai cả trên bộ phát thứ cấp và bộ relay để phát tín hiệu nhiễu nhân tạo đến thiết bị nghe lén đồng thời với quá trình truền dữ liệu Nghiên cứu cũng xem xét hiệu quả của việc kết hợp giữa nút chuyển tiếp và đường truyền trực tiếp trong nâng cao hiệu năng bảo mật của hệ thống Tuy nhiên, cũng giống các nghiên cứu [45-46], các tác giả đã

bỏ qua tác động của can nhiễu sơ cấp, công suất phát tối đa của bộ phát thứ cấp lên hiệu năng bảo mật của hệ thống Một hạn chế khác là thống số xác suất dừng bảo mật

mà các tác giả dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống chưa được đưa ra dưới dạng tường minh, các kết quả mô phỏng và đánh giá chỉ được rút ra từ mô phỏng Monte-Carlo

Trong bài báo [19], các tác giả đã đề xuất nút gây nhiễu độc lập trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức có sự xuất hiện của nút nghe lén Máy phát thứ cấp và thiết

bị gây nhiễu có khả năng thu thập năng lượng từ mạng sơ cấp và tối ưu năng lượng thu thập cũng như hiệu năng của hệ thống bằng cách điều chỉnh hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng và hệ số phân chia công suất phát Nghiên cứu đã phân tích hiệu suất của kỹ thuật jamming duới ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp, công suất phát tối đa của mạng thứ cấp, mức công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp và nhiễu cộng của các thiết bị trong mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng Tuy nhiên việc phân tích đánh giá mới chỉ dựa trên hai thông số cơ bản là xác suất dừng kết nối

và xác suất dừng đánh chặn mà chưa xem xét một thông số rất quan trọng trong việc

đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống đó chính là xác suất dừng bảo mật SOP

Như đã nêu ở trên, có rất nhiều nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đưa ra các phân tích dựa trên thông số xác suất dừng bảo mật để đánh giá một cách chính xác hiệu năng bảo mật của mô hình mạng vô tuyền nhận thức thu thập năng lượng để phát tín hiệu nhiễu

nhân tạo mà xem xét một cách đầy đủ các yếu tố thực tế ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật của mạng như can nhiễu sơ cấp, công suất phát đỉnh thứ cấp, mức nhiễu tối

đa của bộ thu sơ cấp và nhiễu cộng tại anten của các thiết bị Do đó, luận văn này sẽ tập trung giải quyết bài toán trên

1.3 Mục đích nghiên cứu

Đề tài sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp, công suất phát đỉnh của mạng thứ cấp, mức công suất nhiễu tối đa của máy thu sơ cấp kết hợp kỹ thuật phát tín hiệu jamming dựa trên nguồn năng lượng thu hoặch được từ mạng sơ cấp Để thuận tiện hơn trong quá trình thiết kế và tối ưu mạng, đề tài sẽ đưa ra các biểu thức toán bằng các công cụ toán hoc nhằm thể hiện hiệu năng bảo mật của hệ thống Những hiệu năng mạng này sẽ đươc thể hiện qua các tham số quan trọng như là xác suất dừng đánh chặn, xác suất dừng kết nối, xác suất dừng bảo mật Ngoài ra đề tài cũng thể hiện việc đánh giá qua mô phỏng MATLAB, vẽ đồ thị giữa số liệu tính toán bằng biểu thức và mô phỏng Monte-Carlo, kiểm tra, phân tích số liệu đánh giá thống kê

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kênh truyền fading Rayleigh, nhiễu trắng Gauss;

- Mạng vô tuyến nhận thức;

- Bảo mật lớp vật lý;

- Lý thuyết thu thập năng lượng;

- Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo sử dụng năng lượng thu thập;

- Mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sẽ dựa vào phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng để tiến hành nghiên cứu Trước tiến, tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan đến bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng ở cả trong và ngoài nước Qua đó phân tích những ưu điểm và hạn chế của những công trình nghiên cứu này Tiếp theo, tác giả đề xuất một mô hình nghiên cứu hiệu quả đáp ứng các mục tiêu ban đầu đã đặt ra Sau đó, tác giả sử dụng các phân chứng minh toán học dựa vào xác suất thông kê để tìm dạng đóng cho các tham số hiệu năng bảo mật của hệ thống

Cuối cùng, tác giả xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo trên Matlab để kiểm chứng phương pháp và kết quả phân tích cũng như tìm hiểu đặc tính của các mô hình đề xuất Cụ thể đề tài sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp mô hình hóa toán học sử dụng xác suất thống kê và các biến đổi toán học để mô hình hóa toán học hệ thống đề xuất;

- Phương pháp mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các kết quả phân tích;

- Phương pháp so sánh đối chiếu giữa kết quả phân tích và kết quả mô phỏng, đưa ra các phân tích đánh giá từ các kết quả thu được từ đó rút ra nhận xét

1.6 Đóng góp chính của luận văn

Xây dựng bài toán trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền có thu thập năng lượng dưới tác động của can nhiễu sơ cấp, kênh truyền fading Rayleigh, có giới hạn công suất phát đỉnh của mạng vô tuyền nhận thức, kết hợp nút phát tín hiệu nhiễu nhân tạo tự cung cấp năng lượng nhằm tăng cường hiệu năng bảo mật của hệ thống

Ở đây, thông số xác suất dừng bảo mật được dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của

hệ thống

Luận văn này đưa ra biểu thức xác suất dừng bảo mật dạng đóng chính xác của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp, mức công suất phát tối đa của mạng thứ cấp, giới hạn công suất nhiễu má thu sơ cấp…Các biểu thức này giúp cho các nhà thiết kế dễ dàng tính toán, tối ưu hệ thống

Mô phỏng Mote-Carlo được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết Đưa ra những nhận xét, đánh giá dựa trên các kết quả thu được đồng thời đề xuất các giải pháp nhằm tăng cường hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

1.7 Bố cục luận văn

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, lý do chọn đề tài Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu, những kết quả có liên quan đến đề tài từ đó nêu rõ những vấn đề còn tồn tại Xác

định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và những đóng góp chính của đề tài

Chương 2 trình bày sơ lược về mô hình kênh truyền, tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức Tìm hiểu các khái niệm về bảo mật lớp vật lý, các phương pháp bảo mật, các tiêu chí đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức Khái quát

về thu thập năng lượng và các phương pháp thu thập năng lượng Cuối cùng là trình bày về kỹ thuật tạo tín hiệu nhiễu giả nhân tạo áp dụng trong đề tài để tăng cường hiệu năng bảo mật của hệ thống

Chương 3 trình bày mô hình hệ thống được khảo sát trong đề tài và tham số hiệu năng bảo mật được sử dụng để đánh giá hệ thống Sử dụng các phân tích toán học để đưa ra biểu thức dùng để đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức Chương 4 mô phỏng Monte-Carlo bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích toán học trong chương 3 Đồng thời đưa

ra những nhận xét đánh giá dựa trên những kết quả thu được

Chương 5 tóm tắt những việc đã làm và kết quả đạt được cũng như những đóng góp của đề tài và đề xuất những hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

Ngoài ra luận văn có thêm 2 phần phụ lục dùng để chứng minh công thức

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

2.1 Kênh truyền vô tuyến

vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Fading là hiện tượng sai lệch tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

Fading được phân chia thành 4 loại:

- Fading phẳng

- Fading chọn lọc tần số

- Fading nhanh

- Fading chậm

Người ra cũng có thể phân hai loại Fading: Fading tầm rộng (large-scale fading)

và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

+ Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF;

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một

tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua;

+ Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ và chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

2.1.2 Các hiện tưởng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

2.1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, môi trường truyền sóng không bao giờ

là trong suốt mà luôn tồn tại các vật cản ví dụ như các tòa nhà, cây cối, đồi núi, biển báo giao thông… Các vật cản này sẽ cản trở đường truyền thẳng của sống vô tuyến đến anten thu gây ra các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Do đó, sóng vô tuyến nhận được tại anten thu là tổng hợp của nhiều thành phần đến từ nhiều hướng khác nhau tại những thời điểm khác nhau tức là các sóng này là những bản sao khác nhau của tín hiệu truyền, nó sẽ bị suy hao, dịch pha, trễ và tác động lẫn nhau Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đa đường (Multipath Propagation) Do đó, tùy thuộc vào pha của các tín hiệu đến máy thu mà tín hiệu chồng chập nhận được tại máy thu có thể được giải mã thành công hoặc bị hủy bỏ nên công suất tín hiệu có thể tăng hoặc giảm Nói cách khác chính hiện tượng đa đường đã gây ra fading

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền

đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (Impulse Dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường

2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, ví dụ như sự chuyển động của các thiết bị di động trên các phương tiện giao thông Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là 𝛼𝑛, khi

đó tần số Doppler của tuyến này là [28]:

2.1.2.3 Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Về mặt lý thuyết, công suất giảm theo tỷ lệ bình phương khoảng cách Tuy nhiên trong thực tế công suất giảm nhanh hơn, thường là hàm mũ 3 hoặc 4 theo khoảng cách Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

Trạm gốc

Trạm di động

Truyền thẳng

Ngoài ra, sự hiện diện của mặt đất, tầng khí quyển có thể khiến một số tín hiệu sóng bị phản xạ và gặp lại máy phát Những sóng phản xạ này đôi khi dịch pha tới

1800 do đó có thể làm giảm công suất phát

2.1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

Hình 2.2 Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 W)Trên hình 2.2, ta nhận thấy kênh truyền có 𝑓0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu

sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

Đáp ứng tần

số của kênh truyền

f 0

Tín hiệu truyền

W

Mật

độ phổ

Hình 2.3 Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0>W)Ngược lại, trên hình 2.3, kênh truyền có 𝑓0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

2.1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản

xạ, tán xạ… qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng

về thời gian

2.1.4 Các mô hình kênh cơ bản

2.1.4.1 Kênh tạp âm AWGN

Là mô hình đơn giản chỉ xét đến tạp âm trắng mà chưa xét đến các hiệu ứng của môi trường truyền sóng ví dụ như fading, hiệu ưng doppler

Đáp ứng tần số của kênh truyền Tín hiệu

truyền W

Mật

độ phổ

f 0

f

Hình 2.4 Mô hình toán học kênh truyền

( ) ( ) ( ) ( )*

trong đó: y(t) là tín hiệu nhận được ở máy thu

x(t) là tín hiệu phát h(t) là độ lợi kênh truyền n(t) là nhiễu

Hàm mật độ xác suất PDF (Probability Density Function) của một quá trình

ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau [39]:

( )

2 2

2

12

n X

[W / ]2

Hình 2.5 Hàm mật độ xác suất Gauss với 2

1

 = [39]

2.1.4.2 Kênh truyền fading Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời gian và tần số

Biên độ của hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu môi trường dẫn thỏa mãn một số điều kiện:

+ Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng;

+ Tín hiệu nhận được ở may thu từ vô số hướng phản xạ và khúc xạ nhau

Phân bố Rayleigh của biên độ hàm truyền đạt được đưa ra ở phương trình sau:

( )

2 2 2

2.1.4.3 Kênh theo phân bố Rician

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Rician Trong trường hợp này, các

thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Rician rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Rician:

( )

( 2 2)

2

2 0

trong đó: A là biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

I 0 là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Hình 2.7 Hàm phân bố Rician cho các giá trị khác nhau của K [39]

Phân bố Rician thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường

2 2

2

A k



k xác định phân bố Rician và được gọi là hệ số Rician Ta thấy rằng, khi 𝑘 =

0 thì kênh truyền thuần túy là kênh truyền Rayleigh, và khi 𝑘 = ∞ kênh truyền sẽ không còn hiện tượng fading [1]

2.2 Mạng vô tuyến nhận thức

2.2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức là một mô hình mới cung cấp khả năng chia sẻ hoặc

sử dụng phổ tần số theo phương thức cơ hội, cho phép sử dụng phổ tần số một cách linh hoạt dựa vào cơ chế truy cập phổ tần động (Dynamic Spectrum Access - DSA) Đây là cơ chế cung cấp khả năng chia sẻ phổ tần cho người dùng không cấp phép (Người dùng thứ cấp - PUs) cùng với người dùng được cấp phép (Người dùng sơ cấp

- SUs) theo cách cơ hội Người dùng sơ cấp sẽ được ưu tiên sử dụng phổ tần cấp phép trong khi người dùng thứ cấp cũng được truy cập vào những băng tần này khi người dùng sơ cấp tạm thời không sử dụng vì nó có thể cảm nhận được được các phổ tần số chưa sử dụng (spectrum holes) tại một thời gian và trong một không gian cụ thể, hoặc người dùng thứ cấp cũng có thể chia sẻ chung phổ tần với người dùng sơ cấp miễn là vẫn đảm bảo cho người dùng sơ cấp hoạt động hiệu quả

Kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho phép tồn tại đồng thời các người sử dụng thứ cấp SUs và các người dùng sơ cấp PUs sử dụng chung một băng tần mà không gây can nhiễu lên các người dùng sơ cấp để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) tại các người dùng sơ cấp PUs Chính vì vậy kỹ thuật vô tuyến nhận thức giúp chia sẻ nguồn phổ tần số được cấp phép giữa người dùng thứ cấp SUs và người dùng sơ cấp PUs [1, 2] nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số Điều này có thể giải quyết được vấn đề giới hạn của phổ tần số hiện nay khi công nghệ và các thiết bị không dây ngày càng phát triển

Hình 2.8 Lỗ phổ (spectrum holes) trong phổ tần số được cấp phát

Ngoài ra mạng vô tuyến nhận thức còn có khả năng tự cấu hình lại các tham số của hệ thống (công suất phát, tốc độ phát…) cũng như lựa chọn lại băng tần tốt nhất cho việc truyền nhận dữ liệu giữa máy phát và máy thu [1, 2]

2.2.2 Thành phần mạng vô tuyến nhận thức

Thành phần mạng vô tuyến nhận thức gồm hai phần:

• Mạng sơ cấp:

- Người dùng sơ cấp PUs (Primary users): Các người dùng sơ cấp được cấp phép

để hoạt động trên một dải tần số nhất định

- Trạm gốc sơ cấp (Primary base station): Điều khiển truy cập của các người dùng

sơ cấp trong việc sử dụng phổ tần số

- Spectrum Broker: Là một máy chủ tạo ra lịch trình để chia sẻ nguồn phổ tần giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau

Công suất Tần suất

Như trên hình 2.8 các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc sử dụng phương thức nhiều bước nhảy (multi-hop manner) hoặc truy cập trạm gốc Do đó trong cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức có một vài kiểu truy cập khác nhau:

• Truy cập mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio network access): Các người dùng vô tuyến nhận thức có thể truy cập vào trạm gốc thức cấp trong cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

- Truy cập tùy biến vô tuyến nhận thức (Cognitive radio ad-hoc access): Các người dùng vô tuyến nhận thức có thể liên lạc với những người dùng vô tuyến nhận thức khác thông qua kết nối tùy biến (ad-hoc connection) cho cả băng tần được cấp phép và không được cấp phép

- Truy cập mạng sơ cấp (Primary network access): Người dùng mạng vô tuyến nhận thức có thể truy cập bào trạm gốc sơ cấp thông qua băng tần số đã được cấp phép, nếu như mạng sơ cấp cho phép

Hình 2.9 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức

Trạm gốc

nhận thức

Người dùng sơ cấp

Người dùng nhận thức

Cognitive Radio Networks (with infructure)

Truy nhập

mạng CR

2.2.3 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

Có ba kiểu chính trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức:

- Mô hình dạng nền (Underlay);

- Mô hình dạng phủ (Overlay);

- Mô hình dạng đan xen (Interweave)

Mô hình dạng nền (Underlay) cho phép các người dùng thứ cấp có thể truyền nhận dữ liệu đồng thời với người dùng sơ cấp miễn sao can nhiễu do máy phát thứ cấp gây ra phải thấp hơn mức công suất nhiễu tối đa mày máy thu sơ cấp có thể chịu được Hệ thống dạng phủ (Overlay) cho phép các người dùng thứ cấp lắng nghe sự truyền nhận của các người dùng sơ cấp sau đó sử dụng thông tin này với việc xử lý tín hiệu phức tạp và kỹ thuật mã hóa để duy trì hoặc cải thiện chất lượng của các người dùng sơ cấp và hơn nữa có thêm băng thông cho việc truyền nhận dữ liệu của mình Trong điều kiện ký tưởng thì các kỹ thuật mã hóa phức tạp cũng như các chiến lược giải mã cho phép cả người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp loại bỏ một phần hay toàn bộ can nhiễu do các người dùng khác gây ra Trong hệ thống dạng đan xen (interweave) các người dùng thứ cấp nhận biết được sự vắng mặt của các tín hiệu của người dùng sơ cấp trong không gian, thời gian hoặc tần số và có cơ hội thực hiện truyền thông trong suốt quá trình vắng mặt đó của người dùng sơ cấp

2.2.3.1 Mô hình Overlay

Trong mô hình này các, người dùng sơ cấp chia sẻ băng tần với người dùng thứ cấp với điều kiện người dùng thứ cấp phải giúp đỡ người dùng sơ cấp nâng cao chất lượng dịch vụ Người dùng thứ cấp có thể phát đồng thời với người dùng sơ cấp, mức can nhiễu của người dùng sơ cấp có thể bổ sung bởi một phần công thức của người dùng thứ cấp Trong dải tần không được cấp phép, người dùng nhận thức sẽ cho phép

sử dụng hiệu quả quang phổ cao hơn bằng cách khai thác các thông tin từ mã của người dùng sơ cấp như độ lợi kênh truyền, từ mã và các bản tin của ngưởi dùng sơ cấp [40] Hệ thống thứ cấp không bị giới hạn mức công suất phát do đó nó có thể phát

ở bất kỳ công suất nào Mức can nhiễu của hệ thống sơ cấp có thể được bù bằng việc chuyển tiếp bản tìn ngời dùng hệ thống sơ câ

kỹ thuật interweave đòi hỏi phải biết được thông tin hoạt động của hệ thống không nhận thức trong phổ tần cấp phép hoặc không cấp phép Tuy nhiên công suất phát của

hệ thống thứ cấp không bị giới hạn tại các khoảng tần số được cấp phát mà tạm thời

bộ phát sơ cấp không sử dụng

Tóm lại, mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen là một hệ thống thông tin liên lạc không dây thông minh, theo dõi định kỳ phổ tần sóng vô tuyến, phát hiện các lỗ trống trong khu vực khác nhau của phổ tần và sau đó truyền thông qua các lỗ trống này với sự can thiệp nhiễu tối thiểu tới những người dùng đang hoạt động Và trong quá trình hoạt động, CR user cũng phải thường xuyên giám sát để trả lại phổ tần cho mạng sơ cấp khi nó hoạt động trở lại [40]

Secondary TX Secondary RX

Primary RX Primary TX

Hình 2.11 Phương pháp truy cập phổ tần dạng đan xen

2.2.3.3 Mô hình Underlay

Trong mô hình này, mạng vô tuyến nhận thức là người dùng thứ cấp sẽ không gây ra nhiễu cho việc giao tiếp của hệ thống đang tồn tại (licensced) chính là người dùng sơ cấp Cụ thể, việc truyền tín hiệu trong hệ thống nhận thức và không nhận thức chỉ có thể xảy ra đồng thời khi nhiễu tạo bởi hệ thống nhận thức tại bộ nhận không thức nằm dưới mức ngưỡng chấp nhận được Và để đáp ứng được điều này, bằng cách sử dụng nhiều anten để hướng tín hiệu tạo bởi hệ thống nhận thức tránh xa

bộ thu không nhận thức hoặc bằng cách sử dụng một băng thông rộng để tín hiệu nhận thức có thể trải ra (spread) dưới mức nhiễu nền (noise floor) khi người dùng không nhận thức ở bất cứ vị trí nào Các tín hiệu này khi nhận được sẽ được giải trải phổ (de-spread) ở các máy thu nhận thức Cơ sở của kỹ thuật này là kỹ thuật trải phổ

và truyền thông siêu băng rộng (ultrawideband) Ngoài ra, công suất phát của người dùng thứ cấp sẽ bị giới hạn bởi mức ngưỡng cho phép của bộ thu sơ cấp

Tóm lại, trong mô hình underlay, người dùng thứ cấp sẽ tồn tại song song với người dùng sơ cấp trong dải phổ tần được cấp phép Việc hoạt động của người dùng thứ cấp được kiểm soát sao cho công suất phát của nó không gây can nhiễu vượt quá mức ngưỡng chịu đựng của máy thu sơ cấp Do đó vẫn đảm bảo cho người dùng sơ cấp hoạt động hiệu quả

Hình 2.12 Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay

Mô hình này sẽ được áp dụng trong việc nghiên cứu đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

2.2.4 Các chức năng của mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức đặt ra các thách thức đó là tồn tại kênh truyền sơ cấp

và kênh truyền thứ cấp dùng chung một băng tần số đồng thời phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) Do đó mạng vô tuyến nhận thức yêu cầu có các chức năng quản lý phổ trong việc thiết kế như sau:

- Tránh can nhiễu (Interference avoidance): Mạng vô tuyến nhận thức tránh gây can nhiễu tới mạng sơ cấp

- Nhận thức chất lượng dịch vụ (QoS awareness): Để quyết định một băng tần thích hợp, mạng vô tuyến nhận thức phải hỗ trợ để đảm bảo chất lượng truyền thông, quan tâm tới sự thay đổi các phổ tần số

- Truyền thông liên tục (Seamless communication): Mạng vô tuyến nhận thức phải cung cấp quá trình truyền thông một cách liên tục kể cả khi có sự xuất hiện của các người dùng sơ cấp

Để đáp ứng được các thách thức trên thì mạng vô tuyến nhận thức có các chứng năng như sau:

- Cảm nhận phổ tần số (Spectrum Sensing): Các người dùng vô tuyến nhận thức

có khả năng cảm nhận được các phổ tần số không được sử dụng tại bất kỳ thời điểm

- Quản lý phổ tần số (Spectrum Management): Dựa trên các phổ tần số có thể sử dụng được và các quy định khác, người dùng vô tuyến nhận thức sẽ được gán cho băng tần tốt nhất có thể, đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong mạng thông tin như QoS Chức năng này có thể chia làm 2 bước: phân tích phổ và quyết định phổ

- Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum Mobility): Khi người dùng sơ cấp sử dụng phổ tần số tại bất kỳ thời điểm nào thì người dùng vô tuyến nhận thức phải di chuyển sang một băng phổ tần tốt hơn để trả lại băng phổ cho người dùng sơ cấp Hoặc người dùng thứ cấp có thể linh hoạt thay đổi tần số đang sử dụng để chuyển qua một tần số sẵn có khác mà có thể cải thiện được chất lượng của mạng thông tin nhằm đạt được chất lượng tốt nhất có thể

- Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng thông tin không chỉ có một

mà rất nhiều mạng vô tuyến nhận thức cùng hoạt động Do vậy cần phải có chức năng chia sẻ phổ giữa các mạng vô tuyến nhận thức để có thể cùng sử dụng dải băng tần một cách công bằng, hợp lý tránh đụng độ nhau

- Lớp MAC (MAC layer): Lấy thông tin kênh truyền, thực hiện đàm phán giữa người dùng sơ cấp Pus và người dùng thứ cấp SUs cho việc gán các phổ tần số, lây thông tin truy nhập và truy cập kênh truyền giữa các người dùng thứ cấp Đồng bộ các tham số truyền nhận (kênh truyền, khe thời gian…) giữa máy phát và máy thu

Nếu như phần xử lý băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát bình thường thì phần RF Front-End tạo nên sự khác biệt và tiến bộ của CR Do vậy, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu phần RF Front-End

Spectrum-Aware Routing

QoS and Errot Control

Spectrum Manager

Hình 2.15 Bộ thu phát CR

2.2.6 Các tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến nhận thức

Theo cách thức hoạt động ta chia hệ thống vô tuyến nhận thức thành hai loại:

Hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system) và hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system)

Hệ thống vô tuyến nhận thức tĩnh (static cognitive radio system): Các người dùng thứ cấp quan sát các hoạt động (sử dụng hay không sử dụng kênh truyền) của các người dùng sơ cấp trong một băng phổ cố định và truy cập vào toàn bộ băng phổ tần nếu có cơ hội Mạng này được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn: 802.11, 802.15, 802.3

Hệ thống vô tuyến nhận thức động (dynamic cognitive radio system): Các người dùng thứ cấp có thể truyền sử dụng các băng thông khác nhau bởi việc thay đổi các tham số truyền ở trong lớp vật lý (dựa trên kỹ thuật OFDM hoặc MC-CDMA) Tiêu chuẩn IEEE 802.22 là tiêu chuẩn đầu tiên của IEEE sử dụng kỹ thuật vô

tuyến nhận thức để khai thác spectrum holes trong phổ sử dụng cho truyền hình

2.3 Bảo mật lớp vật lý

2.3.1 Tổng quan

Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống từ công nghiệp đến nông nghiệp, dân dụng và giáo dục Đặc tính nổi bật của thông tin vô tuyến là khả năng phát quảng bá (broadcast) tín hiệu trong môi trường vô tuyến Đây là ưu điểm giúp tiết kiệm được

Control (Reconfiguration)

Radio Frequency (RF)

RF Front-End

Analog-to-Digital Converter (A/D)

Baseband Processing

nhiều chi phí triển khai so với hệ thống có dây Tuy nhiên, cũng chính đặc tính này

đã tạo nên nhược điểm của hệ thống vô tuyến đó là tính bảo mật khi mà các nút nghe lén trong vùng phủ sóng dễ dàng nghe lén thông tin truyền từ máy phát đến máy thu

Do đó, bảo mật trong truyền thông vô tuyến trở thành vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong thực tế có nhiều phương pháp bảo mật và nhận dạng khác nhau thường được cài đặt ở lớp ứng dụng theo mô hình OSI thông qua các giải thuật mã hóa dữ liệu tiêu biểu như RSA, ASE hay DES Các giải thuật mã hóa này hoạt động với giả sử rằng năng lực phần cứng và thời gian giải mã của các máy nghe lén là giới hạn và đồng thời không xem xét đặc tính kênh truyền cũng như vị trí tương đối của nguồn phát và các nguồn nghe lén

Hình 2.16 Mô tả phương thức bảo mật sử dụng khóa bí mật

Hình 2.16 mô tả quá trình bảo mật khi mà nguồn (Alice) muốn truyền tin cho máy thu đích (Bob), trên đường truyền có thiết bị nghe lén E (Eve) Ở đây Alice sử dụng một khóa bảo mật và sử dụng khóa này để mã hóa thông tin và truyền đi Để có thể giải mã thông tin khi nhận được thì Bob phải có thông tin về khóa bảo mật Tuy nhiên nếu thiết bị nghe lén nhận được tín hiệu thì vẫn có xác suất giải mã thành công (làm giảm độ bảo mật của hệ thống) Gần đây, các mạng thông tin di động rất phát triển với năng lực phần cứng của các nút mạng được cải thiện rất nhiều dẫn đến việc đảm bảo bảo mật cho thông tin trên hệ thống là một vấn đề rất thử thách Nếu ta có thêm một lớp bảo mật nữa thì độ bảo mật của hệ thống sẽ tăng lên Tuy nhiên, ta tăng thêm một lớp bảo mật ở các lớp trên của mô hình OSI thì làm cho hệ thống trở nên

Eve

phức tạp và khó khăn trong một mô hình mà cấu trúc của nó bị thay đổi liên tục, ví

dụ như mạng vô tuyến nhận thức

Ý tưởng đưa ra để giảm độ phức tạp của hệ thống là thực hiện bảo mật lớp vật

lý (Physical Layer Security) Bảo mật lớp vật lý đang được xem xét là một công nghệ lõi với nhiều tiềm năng so với phương pháp mã hóa truyền thống [3] Trong các mạng

vô tuyến truyền thống, thì nhiễu và fading sẽ làm suy giảm tín hiệu và được xem như các yếu tố làm suy giảm chất lượng của hệ thống Tuy nhiên ta có thể sử dụng nhiễu

và fading làm ẩn đi tin tức tại máy thu của thiết bị nghe lén, làm cho thiết bị nghe lén không thể giải mã thành công tín hiệu Ý tưởng chính ở đây là khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền vô tuyến để đảm bảo tin tức được truyền an toàn đến đích chính là đảm bảo độ bảo mật của hệ thống khi có thiệt bị nghe lén

Hình 2.17 Bảo mật ở lớp vật lý khi truyền tin từ Alice đến Bob

Hình 2.17 ta thấy ở kênh truyền từ Alice đến Bob thì chất lượng kênh truyền tốt nên tại Bob có thể giải mã thành công tin tức còn kênh truyền từ Alice đến thiết bị nghe lén (Eve) thì chất lượng kênh truyền không tốt nên Eve không thể giải mã thành công tín hiệu

Trong bảo mật thông tin lớp vật lý, có bốn tham số hiệu năng quan trọng dùng

để đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến Đó là dung lượng bảo mật (Security Capaciy), xác suất dừng bảo mật (Securit Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability) và xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability)

Bob

Eve Alice

2.3.2 Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý

2.3.2.1 Dung lượng bảo mật (Security Capacity)

Để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống, C E Shannon đưa ra định nghĩa khái niệm dung lượng bảo mật, là độ lệch giữa dung lượng kênh chính 𝐶𝑆𝐷 từ S đến

D và dung lượng kênh nghe lén 𝐶𝑆𝐸 từ S đến E, có dạng như sau [23]:

max SD SE, 0 ,

với 𝐶𝑆𝐷và 𝐶𝑆𝐸lần lượt là dung lượng của kênh truyền dữ liệu và kênh truyền nghe lén

Hình 2.18 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Dung lượng bảo mật là sự sai khác dung lượng của 2 kênh truyền chính và kênh nghe lén, do vậy khi dung lượng bảo mật càng nhỏ tưc là sự chênh lệch tỷ sô tín hiệu trên nhiễu của kênh nghe lén gần bằng tỷ sô tín hiệu trên nhiễu của kênh chính, khi

đó hệ thông sẽ kém bảo mật Dung lượng bảo mật là một đại lượng không âm, nghĩa

là khi dung lượng kênh truyền nghe lén lớn hơn kênh truyền dữ liệu thì dung lượng bảo mật của hệ thống sẽ là không, thể hiện rằng hệ thống không thể đảm bảo được bảo mật

2.3.2.2 Xác suất dừng kết nối (Connecition Outage Probability)

Mục đích cuối cùng của quá trình truyền từ nguồn S là tín hiệu tại D giải mã thành công Cho nên dù ta có sử dụng phương pháp nào để tăng khả năng bảo mật của hệ thống thì việc đánh giá xác suất dừng kết nối tại D là hết sức cần thiết

Theo mã hóa Wyner: hai tốc độ được chọn bởi bộ mã hóa, là tốc độ truyên mã

𝑅𝑏 và tốc độ bảo mật 𝑅𝑠, tốc độ chênh lệch 𝑅𝑒 = 𝑅𝑏− 𝑅𝑠 nói lên chi phí đảm bảo cho việc truyền bảo mật

Trong cả 2 mạng sơ cấp và thứ cấp, nếu dung lượng kênh từ bộ phát đến bộ nhận mà lớn hơn tôc độ truyền 𝑅𝑏 < 𝐶𝐵, lúc này bộ nhận có thể giải mã thông tin bảo

E

C SD

C SE