Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC (improving the secrecy rate in radio relaying network based on the DC programming) TT

A GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài luận án Phương pháp đảm bảo bí mật truyền tin dựa vào thuật toán mật mã tầng phía tầng vật lý mơ hình truyền tin đa tầng ứng dụng rộng rãi gặp thách thức thám mã lượng tử khó khăn triển khai hệ thống vơ tuyến có tài ngun tính tốn cơng suất hạn chế Bảo mật liệu tầng vật lý (Physical Layer Security – PLS) khơng sử dụng thuật tốn mật mã phương pháp sử dụng lý thuyết thông tin xử lý tín hiệu để đạt bảo mật hồn thiện dựa tính khơng hồn hảo lớp vật lý, có khả kháng thám mã lượng tử PLS tập trung vào lớp vật lý, với thông tin vô tuyến PLS ý đến dựa đặc trưng vật lý kênh vô tuyến fading, tạp, nhiễu phương pháp mã kênh để chống lại việc nghe Vì khơng dựa vào tốn phức tạp, PLS có độ phức tạp tính tốn thấp, tiết kiệm tài ngun khơng có hệ thống quản lý, phân phối khóa Ngồi ra, nhờ thực lớp vật lý, kỹ thuật bảo mật điều chỉnh chiến lược truyền dẫn tham số để phù hợp với thay đổi kênh truyền PLS khởi xướng từ năm 1975 với điều kiện kênh phải tốt kênh nghe Các kết nghiên cứu gần gắn liền với tiến kỹ thuật truyền tin, đặc biệt kỹ thuật truyền tin theo búp sóng mạng đa nút chuyển tiếp đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, toán PLS này, theo lý thuyết thơng tin, ln có dạng tốn quy hoạch khơng lồi chưa có cách giải tìm nghiệm toàn cục để đạt tốc độ truyền tin mật tốt Bên cạnh đó, với phát triển hạ tầng ứng dụng vô tuyến cộng với nhu cầu bảo mật lĩnh vực quân dự dân đề tài luận án “Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sở ứng dụng quy hoạch DC” vừa có tính khoa học có tính thực tiễn cao Mục tiêu luận án -Đề xuất phương pháp giải cho tốn PLS mạng vơ tuyến chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Giải mã – chuyển tiếp (Decode-andForward - DF) để nâng cao hiệu suất truyền tin mật -Đề xuất phương pháp giải cho tốn PLS mạng vơ tuyến chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại – chuyển tiếp (Amplifyand-Forward - AF) để nâng cao hiệu suất truyền tin mật -Thử nghiệm đánh giá hiệu suất truyền tin mật kỹ thuật Giải mã – chuyển tiếp Khuếch đại – chuyển tiếp; xác định mối quan hệ số trạm chuyển tiếp trạm nghe nâng cao tốc độ truyền tin mật Phương pháp nghiên cứu -Phân tích, tổng hợp, khái qt hóa hệ thống hóa tài liệu khoa học công bố giới nước, kết hợp với việc tự nghiên cứu; -Sử dụng phương pháp luận liên ngành: Lý thuyết thông tin, bảo mật thông tin, tốn tối ưu, kỹ thuật truyền thơng nghiên cứu; -Phân tích, tổng hợp tình hình nghiên cứu toán bảo mật tầng vật lý, xác định thách thức khoa học định hướng nội dung cần giải Luận án; -Sử dụng ngơn ngữ lập trình, mơ cơng cụ giải tốn tối ưu lồi để thử nghiệm thuật toán nghiên cứu, đề xuất so sánh, đánh giá với số thuật tốn cơng bố trước Tính khoa học Luận án -Đề xuất giải thuật DCA-DF1E (DF One Eavesdropper) giải thuật DCADFME (DF Multiple Eavesdroppers) để nâng cao hiệu suất truyền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật DF có xuất nhiều trạm nghe lén; -Đề xuất giải thuật DCA-AF1E giải thuật DCA-AFME để nâng cao hiệu suất tryền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF có xuất nhiều trạm nghe lén; -Thử nghiệm, phân tích hiệu truyền tin mật theo lý thuyết Shannon thông qua độ bất định người nghe tin rõ dựa giá trị SNR trạm thu hợp pháp trạm nghe lén; Thử nghiệm đánh giá so sánh hiệu suất truyền tin mật hai kỹ thuật chuyển tiếp DF AF, đồng thời đưa khuyến nghị số lượng trạm chuyển tiếp cần thiết theo số lượng trạm nghe hệ thống Cấu trúc Luận án Luận án trình bày 130 trang gồm: phần mở đầu (11 trang), kết luận (2 trang), danh mục từ viết tắt, ký hiệu tốn học, danh mục bảng, danh mục hình vẽ 03 chương nội dung chính, chụ thể: - Chương 1: Bài toán bảo mật tầng vật lý, quy hoạch DC giải thuật DCA; 41 trang - Chương 2: Nâng cao hiệu truyền tin mật cho mạng vô tuyến chuyển kỹ thuật DF; 32 trang - Chương 3: Nâng cao hiệu truyền tin mật cho mạng vô tuyến chuyển kỹ thuật AF; 34 trang Phần tài liệu tham khảo có 82 tài liệu, cập nhật đến năm 2021 B NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BẢO MẬT TRUYỀN TIN TẦNG VẬT LÝ, QUY HOẠCH DC VÀ GIẢI THUẬT DCA Chương Luận án trình bày nội dung sau: - Tổng quan toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vơ tuyến, đưa khái niệm tốc độ truyền tin mật Rs(bits/symbol): RS  log(1  SNR d )  log(1  SNR e ) - Bốn toán quy hoạch cho mơ hình truyền tin mật tầng vật lý mạng vơ tuyến chuyển lý thuyết thông tin nghiên cứu rộng rãi gồm: DF1E, DFME, AF1E AFME Chương luận án đề xuất giải thuật tìm giá trị Rs tốt phương pháp cơng bố cho tốn Hình 1.1 Mạng vơ tuyến chuyển tiếp có trạm nghe Hình 1.2 Mạng vơ tuyến chuyển tiếp có nhiều trạm nghe - Quy hoạch DC giải thuật DCA, phương pháp giải hiệu cho lớp tốn quy hoạch khơng lồi, sở cho đề xuất nâng cao hiệu suất bảo mật truyền tin tầng vật lý cho 04 toán CHƯƠNG 2: NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF Chương đề xuất 02 thuật toán sở ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA vào giải 02 toán bảo mật truyền tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật DF để nâng cao tốc độ truyền tin mật Các thuật toán đề xuất cho nghiệm cận tối ưu chúng cho kết tốt so với phương pháp cơng bố 2.1 Hệ thống có trạm nghe lén, toán DF1E Bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật DF có xuất trạm nghe lén: �  R S = max log � � w �  � 111Equation Chapter (Next) Section wm � �     � � hre , m wm M �h m 1 rd , m M � � m 1 † s.t w w �PR ,  ( wm �pm ,  m  1, �,  M ) Trong đó, w trọng số khuếch đại trạm chuyển tiếp, hàm mục tiêu giá trị tốc độ mật Rs (số bits/symbol) Khi quan tâm đến ràng buộc tổng w w �PR � w w  PR † cơng suất † tốn tìm nghiệm toàn cục Tuy wm �p m nhiên với ràng buộc riêng trạm chuyển tiếp ( ) tốn DF1E tốn quy hoạch khơng lồi chưa có cách giải tìm nghiệm tối ưu tồn cục, có dạng tương đương cụ thể sau   w'H rd w max w   w'H re w s.t wm �pm ,  m  1, �,  M  .         H rd  h rd h rd ; h rd  [ hrd ,1 , , hrd , M ] , H re  h re h re , h re  [ hre ,1 , , hre , M ] † với, † † † 2.1.1 Phương pháp giải cơng bố cho tốn DF1E, SDR-DF1E Một phương pháp đề xuất biến đổi toán dạng SDP (Semi-Definite Program) sau áp dụng kỹ thuật nới lỏng (Semi-Definite Relaxation) bỏ ràng buộc rank()=1 để thành toán SDR-DF1E 2.1.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA Phần trình bày nội dung đề xuất ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA vào giải toán DF1E Chuyển toán sang dạng số thực: 12Equatio n Chapter (Next) Section �   x T H1 x � max � � T x �  x Z1x � s.t z m �pm , v� i z m  [ xm xM  m ]T , m  1, , M với Z1  Re  H  � � Im  H  �  Im  H re  re Re  H re re 2.1.2.1 � ,H  � �  Re  H  � � Im  H  � rd  Im  H rd rd Re  H rd  � , x   Re ( w  � � T T ) Im( w )  T Thuật toán DCA-DF [T.8] Bài tốn DF1E dạng biến thực phân tích thành dạng DC sau: x ln 13Equatio n Chapter (Next) Section  g ( x )  h( x )  s.t z m �pm , v� i z m  [ xm xM  m ]T , m  1, , M Trong đó: g ( x)  2  x , h( x)  2  x  ln(  x Z1 x )  ln(  x H1x) T T � Z  H1 ) � � �  2 �   max � eig ( Bài tốn có hàm mục tiêu dạng DC ràng buộc lồi nên áp dụng giải thuật DCA cho toán tạo thuật toán DCA-DF 2.1.2.2 Đề xuất thuật toán DCA-DF1E [T.9] Phần đề xuất thuật tốn DCA-DF1E dựa cách phân tích DC khác so với giải thuật DCA-DF Bằng cách sử dụng thêm biến phụ t để chuyển toán DF1E dạng tương đương với toán sau:  x ,t   x T H 1x t s.t x m �pm , xm  [ xm xM  m ]T , m  1, , M ,   xT Z1x �t h  x, t     x H1 x Bài toán quy hoạch DC, với g(x,t)= dụng giải thuật DCA tổng quát cho toán sau: T t Áp Giải thuật DCA-DF1E INPUT: Matrix value of channel number H1, Z1 and value  0 2M  INITIAL: SET u  (x , t ) �( � , � ) ,  , l � REPEATE: CALCULATE: ul+1 = (xl+1, tl+1) by solve the following problem x  l T H1xl   t  l x ,t � l � T s.t [ xm xM  m ] l �  t  t   �2Ht x � x  x  l l � �pm , m  1, , M   x Z1x �t T INCREMENT: l � l  UNTIL: u l 1  u l  ul h  ul 1   h  ul   or  h  ul   , with u l   xl , t l  OUTPUT:   Rs  log h  xl , t l  Định lý 2.2: Tính chất hội tụ giải thuật DCA-DF1E: (i) Dãy {ul = (tl,xl)} dãy {f(ul)} đơn điệu giảm (ii) Mọi điểm tới hạn {u*} {ul = (tl,xl)} điểm tới hạn DCA-DF1E 2.1.3 Thực nghiệm đánh giá giải thuật DCA-DF1E Thực nghiệm môi trường Matlab R2017, công cụ CVX; máy PC Intel (R) core i3, 4.0 GB RAM; Kết thu giá trị trung bình 100 lần thử liệu cho ba giải thuật: DCA-DF1E, DCA-DF SDRDF1E Trường hợp hệ thống có trạm chuyển tiếp (M = 5) Kết thực nghiệm BẢNG 2.1 cho thấy giá trị Rs theo giải thuật DCA-DF1E cao so với DCA-DF SDR-DF1E Giá trị Rs thuật tốn DCA-DF1E cao khơng đáng kể so với thuật toán DCA-DF cao nhiều so với thuật toán SDR-DF1E tất trường hợp khác công suất truyền giá trị hệ số kênh Kết thể tính ưu việt thuật tốn DCA-DF1E NCS đề xuất trường hợp thử nghiệm BẢNG 2.1: GIÁ TRỊ Rs VỚI M = 5, PR (mW ) RS (bits/symbols), h  z  h  z  RS (bits/symbols),  h  1,  z  DCA-DF1E DCA-DF SDR-DF1E DCA-DF1E DCA-DF SDR-DF1E 20 7.732 7.727 6.595 5.842 5.839 4.153 40 8.727 8.712 7.569 6.825 6.818 5.086 60 9.310 9.289 8.146 7.405 7.395 5.647 80 9.724 9.700 8.556 7.817 7.804 6.049 100 10.045 10.018 8.875 8.137 8.123 6.364 Khi cơng suất truyền PR tăng giá trị Rs tăng theo Khi chất lượng  h  1,  z  kênh nghe tốt kênh ( ) với kỹ thuật truyền tin đa ăng ten truyền tin bảo mật với tốc độ Rs > Tuy nhiên giá trị RS thấp trường hợp hai kênh có chất lượng tương đương Trường hợp hệ thống có 10 trạm chuyển tiếp (M = 10) BẢNG 2.2: GIÁ TRỊ Rs VỚI M =10 PR RS (bits/symbols), (mW ) h  z  RS (bits/symbols),  h  1,  z  DCA-DF1E DCA-DF SDR-DF1E DCA-DF1E DCA-DF SDR-DF1E 20 8.948 8.932 7.998 7.036 7.027 5.110 40 9.946 9.916 8.994 8.030 8.011 6.085 60 10.530 10.483 9.578 8.613 8.585 6.661 80 10.945 10.884 9.992 9.027 8.989 7.072 100 11.267 11.192 10.314 9.348 9.301 7.391 Kết BẢNG 2.1 BẢNG 2.2 cho thấy tốc độ truyền tin mật Rs theo thuật tốn DCA-DF1E ln cao so với thuật toán DCA-DF SDRDF1E khác biệt thuật toán DCA-DF1E DCA-DF khơng nhiều, ba thuật tốn cho kết cao so với trường hợp M = Về thời gian thực thuật toán: Kết BẢNG 2.3 cho thấy, giải thuật DCA-DF có tốc độ nhanh Tuy nhiên, giải thuật DCA-DF1E nhanh nhiều lần so với SDR-DF1E Thời gian ba thuật toán tăng theo số lượng trạm chuyển tiếp (khi M = 10) số chiều toán tăng BẢNG 2.3: TỐC ĐỘ CỦA CÁC THUẬT TOÁN (σh = 2, σz = 2, đơn vị tính: giây) M=5 PR M=10 (mW) DCADF1E DCA-DF SDRDF1E DCADF1E DCA-DF SDRDF1E 20 1.9628 0.0137 9.3582 2.2785 0.0384 10.4243 40 1.5745 0.0199 9.1173 2.1768 0.0533 9.5984 60 1.5777 0.0216 9.1752 2.1121 0.0636 9.4698 80 1.6087 0.0264 9.2675 2.1968 0.0668 9.5115 100 1.6520 0.0306 9.4811 2.1441 0.0750 9.6255 Kết thực nghiệm khẳng định, với điều kiện thực nghiệm thuật tốn ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA cho toán DF1E cho nghiệm thời gian thực tốt so với thuật toán SDR 2.2 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén, tốn DFME Bài tốn quy hoạch khơng lồi DFME với ràng buộc tổng công suất sau: � �  M h w �m 1 rd ,m m � � max � log � M j 1,�, K w   �m 1hre , m wm � � � � � � � �    � � � � � � j s.t w † w �PR 2.2.1 Phương pháp giải toán DFME tại, NullSteering-DFME Bằng cách thêm điều kiện truyền Null steering đến trạm nghe lén: H re w  K �1 , H re  � h re , h re � † T ,M T ,M , , h re T K ,M � � xét ràng buộc tổng cổng suất truyền tốn DFME biến đổi cho nghiệm trực tiếp: w PR I M  Pre  h rd I M   Pre  h rd ,  Pre  H re H re H re †  1 † H re 2.2.2 Đề xuất giải thuật DCA-DFME [T.4] Đề xuất quy hoạch DC phù hợp cách đặt biến: H rd  h rd h rd , h rd  [ hrd ,1 , , hrd , M ] , H re , j  h re , j h re , j , h re , j  [ hre ,1 , , hre , M ] , j  K † † † † j j Bài tốn DFME có dạng:   w H rd w max w †  max j 1 K   w H re , j w †  † s.t w w �PR   x Zx �  T t x ,t s.t x B j x �t   , j  1, 2, , K T T x x �PR � g  t , x   h  t , x  t ,x s.t x B j x �t   , j  1, 2, , K T T x x �PR , g  t , x   0, h  t , x     x Zx T t với Lưu đồ giải thuật DCA-DFME: INPUTE: Channel value matrix Bj, Z  x , t  0, u  t , x 0 INITIAL: REPEAT: 0 ,l �0  u  t ,x l CALCULATE: l=l+1 and l  l  l 1  �h t , x u  t , x  by solve the convex problem: l 1  ,u s.t x B j x �t   , j �K T T x x �PR u u l 1 1 u l l UNTIL: OUTPUT: � ||    f u  1 f  u  f u l 1 l l   Rs  log h t , x l l   � , f u l     x t l T Zx l l  Định lý 2.4: Tính chất hội tụ DCA-DFME 10 RS (bits/symbol) Số lượng trạm nghe Hình 2.4: Giá trị Rs theo số lượng trạm nghe với M = 30 2.3 Kết luận Chương Chương trình bày kết nghiên cứu, phân tích biến đổi phù hợp toán DF1E DFME, từ NCS đề xuất 02 thuật tốn giải DCA-DF1E DCA-DFME Kết thử nghiệm chứng tỏ tính ưu việt 02 thuật tốn NCS đề xuất so với thuật toán cơng bố trước trường hợp thử nghiệm CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT AF Chương nghiên cứu hai toán bảo mật mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật AF AF1E AFME đề xuất thuật toán giải cho hai toán dựa việc ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA 3.1 Hệ thống có trạm nghe lén, tốn AF1E  w Aw  w Gw  1  w Hw  1 max log  w Gw  1  w Bw  w Hw  1 † w † † † † † s.t w † w �PR , ( wm �pm , m  1, �, M ) Đây toán tối ưu khó, chưa có cách giải tìm nghiệm tồn cục 12 3.1.1 Phương pháp giải toán AF1E tại, SubOpt-AF1E Do hàm mục tiêu toán AF1E phức tạp có dạng bậc bốn bậc bốn nên tách thành tích hai phần có dạng bậc hai bậc hai, sau đặt hai biến phụ tương ứng để giải hai toán độc lập dựa kỹ thuật SDP SDR để tìm nghiệm SubOptimal 3.1.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DCA giải thuật DCA cho toán AF1E Giả thiết truyền Null steering đến trạm nghe cách điều chỉnh trọng số trạm chuyển tiếp, T * * * * � b † w  0, b  � � Ps hre hsr , , Ps hre hsr � 1 M toán AF1E chuyển M dạng: � max  � 1 w � † w Aw  � � w Gw  � † † s.t w w �PR , ( w m �pm ,  m  1, � ,  M ) b w  † Đặt biến chuyển dạng số thực, biến đổi toán dạng tương đương: � x Ar x � max  � T   � x �x G r x  � T T s.t x x �PR ,  x m xM  m  T �pm ,  m  1, � , M  b r x  0, T với A  r Re  A  � � Im  A  � 3.1.2.1 - Im  A  � � Re  w  ,x  Re  A  � Im  w  � � � � ,b � � r  Re( b ) � � ,G � Im  b  � � � r  Re( G ) � � Im  G  � � Re  G  � � - Im ( G ) Thuật toán DCA-NS [T.8] Bằng cách đặt biến biến đổi toán dạng DC sau: 13 � xT A r x �   � t � �  � 0 x ,t  x T s.t x x �PR m xM  m  T �pm ,  m  1, �, M  x G r x �t  T b r x  T 3.1.2.2 Đề xuất thuật toán DCA-AF1E [T.9] Đề xuất dạng quy hoạch DC khác so với thuật toán DCA-NF cho toán AF1E sau:   x ln (0  f  x  f  x  T s.t x x �PR  x m xM  m  T �pm ,  m  1, � , M  b r x  0, T với f1 ( x )  2M � m xm , f ( x)  m 1 T T � m xm  ln   x Gr x   ln  x A r x  2M m 1  �max  max (2G r ), max ( A r / 2) , m  1, M Trong đó, m Khi này, giải thuật DCA-AF1E đề xuất sau: INPUT: h s , h rd , h re , and   105 INITIAL: x and SET l  REPEAT: l CALCULATE: l  l  and x by solve the following convex problem: 14   w T 2M Gr Ar  m xm  xT ( �  x1l , x2l , ,  M x2l M �  2(    ) xl ) � T T � � l l l l m 1  x Gr x x Ar x     T s.t x x �PR br †x  (  xm xM  m  T �pm ,  m  1,�, M ) UNTIL: xl  xl 1  xl 1    f xl  f xl 1 �  1 f x or l 1   � with f  x   f1  x    f  x  � � Rs  log � 1 f  xl  � � ln � OUTPUT: Định lý 3.1: Tính hội tụ thuật tốn DCA-AF1E - Giải thuật DCA-AF1E sinh dãy x l    f x l đơn điệu giảm *  x  điểm tới hạn toán DCA-AF1E - Mọi điểm tới hạn x dãy l 3.1.3 Thực nghiệm đánh giá giải thuật DCA-AF1E Thực nghiệm với số trạm chuyển tiếp thay đổi (M = 3, 5) kênh truyền Rayleigh fading chiều với hai trường hợp độ lợi kênh là:  h  1,  z  h  z  Ứng với trường hợp, thực 100 lần thử độc lập lấy kết trung bình để so sánh Kết thực nghiệm sau: Trường hợp kênh nghe tốt kênh (  h  1,  z  ) BẢNG 3.4: GIÁ TRỊ Rs (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP DCA-AF1E PR DCA-NS SubOpt-AF1E M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 20 8.670 8.913 8.642 8.553 8.797 9.210 7.417 8.049 8.357 40 9.475 9.460 9.242 9.492 9.856 8.045 8.690 8.910 60 9.874 10.12 9.768 10.18 10.44 9.856 9.592 9.845 8.352 9.000 9.179 10.099 9.816 10.070 10.189 10.40 8.543 9.190 9.347 80 15 100 10.62 10.296 10.26 9.975 10.56 10.229 8.678 9.321 9.464 Kết thể BẢNG 3.4, BẢNG 3.5, BẢNG 3.8 BẢNG 3.9 phản ảnh thực tế giá trị truyền tin bí mật Rs ln tăng theo giới hạn công suất truyền trạm phát chuyển tiếp (P R) số lượng trạm chuyển tiếp (M), nhiên, hai giá trị bị giới hạn thực tế triển khai để đảm bảo tính khả thi Giá trị lớn Rs = 11,6 bits/symbol PR /ps= 100 ứng với thuật toán DCA-AF1E NCS đề xuất cho trường hợp chất lượng kênh thu hợp pháp kênh nghe tương đương ( h  z  ) BẢNG 3.5: GIÁ TRỊ Rs (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP DCA-AF1E PR DCA-NS SubOpt-AF1E M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 20 8.880 9.028 8.749 8.106 8.454 8.921 6.651 7.334 7.826 40 9.744 9.906 9.583 8.822 9.161 9.555 7.356 7.999 8.474 60 10.170 10.335 9.981 9.202 9.517 9.878 7.734 8.317 8.758 80 10 10.434 10.600 10.222 9.449 9.744 10.088 7.970 8.559 8.956 10.617 10.782 10.385 9.628 9.905 10.238 8.142 8.721 9.091 BẢNG 3.6: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN (giây) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP PR DCA-AF1E DCA-NS SubOpt-AF1E M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 20 0.946 0.908 0.889 1.313 1.354 1.587 6.101 6.082 6.101 40 0.899 0.984 0.947 1.411 1.494 1.736 5.947 5.959 6.112 60 0.859 0.969 0.925 1.448 1.564 1.839 5.991 6.005 6.248 80 10 0.824 0.990 0.922 1.520 1.696 2.191 5.951 5.827 6.137 0.939 0.992 0.923 1.653 1.603 2.196 5.816 5.811 6.147 BẢNG 3.7: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TOÁN (giây) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP PR DCA-AF1E M=4 20 1.316 M=5 1.30 40 1.314 1.219 60 1.277 1.162 DCA-NS M=6 1.40 M=4 1.364 1.34 SubOpt-AF1E M=6 M=4 M=5 M=6 4.116 6.760 6.369 6.481 2.548 M=5 2.22 2.34 3.492 6.293 6.422 6.552 2.667 2.706 3.918 6.325 6.471 6.626 2.174 16 80 10 1.307 1.186 1.462 2.828 3.04 1.261 1.188 1.416 2.694 3.449 4.297 4.57 6.401 6.558 6.642 6.677 6.518 6.675 Thời gian chạy thuật toán DCA-AF1E chạy nhanh thuật toán khác tất trường hợp thử nghiệm, đặc biệt so với thuật tốn SubOptAF1E tốc độ thuật tốn DCA-AF1E nhanh cỡ lần Trường hợp kênh nghe kênh tương đương ( h  z  ) BẢNG 3.8: GIÁ TRỊ Rs (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CÔNG SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP DCA-AF1E PR M=4 M=5 DCA-NS M=6 M=4 M=5 SubOpt-AF1E M=6 M=4 M=5 M=6 10.443 8.390 8.857 9.546 10.895 8.708 9.171 9.855 11.117 8.843 9.295 9.987 11.255 8.918 9.361 10.063 11.353 8.968 9.402 10.114 10.04 20 10.384 10.584 10.864 9.388 11.29 40 10.769 11.065 3 10.50 9.778 10.72 60 80 100 10.932 11.024 11.084 11.263 11.468 9.954 11.56 10.05 10.86 11.62 10.12 10.95 5 11.372 11.441 BẢNG 3.9: GIÁ TRỊ RS (bits/symbol) VỚI RÀNG BUỘC CÔNG SUẤT TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP DCA-AF1E PR DCA-NS M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 20 10.414 10.399 10.846 9.036 9.722 40 10.829 60 11.002 10.902 11.301 9.472 11.110 11.488 9.682 80 10 11.099 11.224 11.592 11.162 11.297 11.658 SubOpt-AF1E M=6 M=4 M=5 M=6 10.110 8.022 8.569 9.171 10.205 10.581 8.446 8.985 9.585 10.434 10.810 8.644 9.170 9.808 9.812 10.576 10.956 8.762 9.286 9.932 9.902 10.676 11.060 8.842 9.361 10.002 BẢNG 3.10: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TỐN VỚI RÀNG BUỘC TỔNG CƠNG SUẤT TRUYỀN TẠI CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP PR DCA-AF1E DCA-NS SubOpt-AF1E 17 M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 20 M=4 0.944 M=5 0.938 M=6 0.925 1.627 2.222 2.015 6.125 6.117 7.462 40 0.976 0.937 0.949 1.849 2.280 2.282 6.014 6.046 6.351 60 0.969 0.930 0.943 1.951 2.397 2.479 6.044 6.043 6.287 80 0.918 0.931 0.925 2.101 2.685 2.481 6.014 6.055 6.294 100 0.984 0.886 0.948 2.029 2.942 2.575 6.010 6.076 6.301 Kết thể việc áp dụng quy hoạch DC giải thuật DCA cho toán AF1E cho kết tốt giá trị truyền tin mật thời gian thực so với thuật toán SubOpt-AF1E tất trường hợp thử nghiệm Thời gian chạy thuật tốn cho trường hợp ràng buộc cơng suất truyền riêng trạm chuyển tiếp tăng so với trường hợp ràng buộc tổng công suất truyền số lượng ràng buộc toán tăng BẢNG 3.11: THỜI GIAN CHẠY THUẬT TỐN VỚI RÀNG BUỘC CƠNG SUẤT TRUYỀN RIÊNG TẠI MỖI TRẠM CHUYỂN TIẾP PR DCA-AF1E DCA-NS SubOpt-AF1E M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 M=6 M=4 M=5 20 1.109 1.194 1.291 3.136 3.231 3.657 6.326 6.434 6.894 40 1.120 1.166 1.237 3.492 3.733 4.353 6.433 6.501 6.797 60 1.119 1.161 1.300 4.095 4.263 5.955 6.538 6.635 6.831 80 10 1.082 1.154 1.243 3.649 4.868 5.814 6.530 6.659 6.669 1.095 1.167 1.218 4.332 5.247 5.335 6.560 6.575 6.638 3.2 M=6 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén, toán AFME � hwh max 1 � w h � h wh st 1 � w h M i 1 si i M w i i 1 id M si i 1 i i i 1 il  Ps il M Ps id  � l , l � w �w max, i , i �M Bằng cách đổi biến sau, đặt: vi  w i hid ; ui  vi † 1 v v 18 � u  [u1 , u , , u M ]T , v  [v1 , v , , v M ]T � u  Đặt ρ k   1, k , ,  M , k  † với i , k  �v v † 1 v v u † 1 u u hik hid Khi này, tốn AFME có dạng: † max u h s h s u u st u C k u �1, k � † † u Di u �1, i �M ,  h s   hs ,1 , , hs , M  , D  , k  Diag  k † Trong đó: Ck  † h s  ,k h s  ,k k '  I  D , k với , ' k  k h s  , k   hs ,1 1, k , hs ,2  2, k , , hs , M  M , k   Ps , k � ; †  , n� uk = j = i � h  � � 1, n� u k  j �i  Di  jk  � � 0, c� c tr� �ng h�p kh� c � i ,d i ,max 3.2.1 Phương pháp giải toán AFME tại, thuật toán SDR-AFME † Đặt U  uu , bỏ ràng buộc rank(U) = để có tốn SDR-AFME sau: max U tr  h sh †s * U  s.t tr (Ck  U) �1, k � tr (Di  U ) �1, i �M 3.2.2 Đề xuất giải thuật DCA-AFME [T.5] Phân tách toán AFME thành dạng DC, cách đặt 2 � �  i , k , n� u i ,k �1 u i ,k �1 � �i ,k  1, n�   � , k  � 0, c� c tr� � ng h� p kh� c 0, c� c tr� � ng h� p kh� c � �  k biến đổi toán AFME thành: 19  u H su † u s.t u C k u  u C k u �1, k �  † †  u D i u �1, i �M , †  H s  h sh †s ; Cρ k  h sp ,k h †sp ,k γ với ' k  k  diag ( )   Cρ k  diag ( k ) Dạng số thực toán:  xT Hx x � x s.t x C x  x C x �1, k � T  rk G1 (x)  H1 (x) T  rk s.t G2k ( x)  H 2k ( x) �1, k � xT Dir x �1, i �M , xT Dir x �1, i �M , T với   G1 ( x)  0, H ( x)  x Hx, G2 ( x )  x C rk x, H ( x )  x C rk x k T k T hàm lồi Áp dụng giải thuật DCA mở rộng cho hàm mục tiêu ràng buộc, thuật toán DCA-AFME đề xuất sau: INPUT: h s , h d , H il ,  , t and  t INITIAL: x , l  REPEAT: l CALCULATE l  l  and x by solve the following convex problem:   H s xt 1  x   t T x ,t s.t xT Ck x  2(C k x l 1 )T x x  xl 1 , 2(Ck x l 1 ) x �  ( x l 1 )T Ck xl 1  2((x l 1 )T C k xl 1 )  t , k � xT Dir x �1, i �M t �0 UNTIL: 20 �xl  xl 1 � or �1 xl 1 � � � and t   t with f (xl )  (xl )T H s xl � � f ( xl )  f ( xl 1 ) 1 f ( xl 1 ) l OUTPUT: Rs  log 2( f (x )) Định lý 3.3: Tính chất hội tụ thuật toán DCA-AFME x l - Giải thuật DCA-AFME sinh dãy - l Mọi điểm tới hạn x x  f  x  l đơn điệu giảm l điểm tới hạn toán DCA-AFME 3.2.3 Thử nghiệm đánh giá giải thuật DCA-AFME [T.5] Phần trình bày kết thử nghiệm phân tích, đánh giá giải thuật DCA-AFME đề xuất so sánh với phương pháp SDR-AFME Kết thực từ 100 lần thử độc lập lấy kết trung bình Hình 3.5 cho thấy: - Giá trị tốc độ truyền tin bí mật Rs tăng theo giới hạn tổng công suất phát trạm chuyển tiếp (PR) - Trong ba trường hợp giá trị ngưỡng trạm nghe xác định trước  = 0.1, 0.5 1.0, nghiệm theo phương pháp ứng dụng giải thuật DCA-AFME (đường gạch đứt) cho kết hàm mục tiêu giá trị tốc độ truyền tin bí mật cao giá trị hàm mục tiêu theo phương pháp SDR-AFME (đường liền) - Khoảng cách khác biệt hai phương pháp tăng theo giá trị ngưỡng SNR trạm nghe lén, cụ thể khoảng cách rõ ràng  = 1.0 21  =0.5 RS (bits/symbol)  =1.0  = 0.1 -* * - DCA-AFME SDR-AFME PR (mW) Hình 3.5: Giá trị tốc độ mật với công suất truyền PR (M=15, K=5) 3.3 So sánh hiệu hai kỹ thuật chuyển tiếp DF AF [T.3] Phần trình bày kết thử nghiệm đánh giá thuật toán SDRDFME, DCA-DFME, SDR-AFME DCA-DFME làm sở quan trọng cho việc xác định hiệu thuật toán kỹ thuật chuyển tiếp Đồng thời, thử nghiệm để xác định mức độ tương quan số lượng trạm chuyển tiếp với số lượng trạm nghe Theo lý thuyết thực tế truyền tin tốc độ truyền tin mật tăng công suất truyền tăng số lượng trạm chuyển tiếp tăng Tuy nhiên, thực tế triển khai hai tham số bị giới hạn để đảm bảo tính khả thi Do vậy, việc xác định số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp, đảm bảo tính hiệu khả thi có ý nghĩa khoa học thực tế triển khai 22 Số trạm chuyển tiếp (M) Hình 3.6: DF so với AF mạng vơ tuyến chuyển tiếp có trạm nghe Kết Hình 3.6 Hình 3.3 cho kết phù hợp với lý thuyết thực tế giá trị truyền tin mật Rs tăng theo số lượng trạm chuyển tiếp Đặc biệt, giá trị Rs tăng nhanh tăng số trạm chuyển tiếp khoảng 03 lần số lượng trạm nghe Khi số trạm chuyển tiếp tăng lần số trạm nghe giá trị Rs có tăng khơng nhiều Kết thể kỹ thuật chuyển tiếp DF hiệu kỹ thuật AF điều kiện thử nghiệm thuật toán DCA-DF cho tốc độ truyền tin mật cao tất trường hợp thử nghiệm Tuy nhiên, số trạm chuyển tiếp lớn nhiều lần số trạm nghe giá trị Rs hai thuật tốn DCA-AF SDR-DF tương đương Trong đó, khoảng cách hai giá trị Rs thuật toán DCA-AF SDR-AF gần không thay đổi số lượng trạm chuyển tiếp tăng 23 Số trạm chuyển tiếp (M) Hình 3.7: DF so với AF mạng vơ tuyến chuyển tiếp có trạm nghe Kết thử nghiệm giá trị SNR trạm thu hợp pháp D trạm nghe E BẢNG 3.12 cho thấy chênh lệch rõ ràng Khi số trạm chuyển tiếp tăng SNR D tăng, SNR trạm nghe ln nhỏ nên việc khơi phục tín hiệu trạm nghe Kết làm rõ yêu cầu bảo mật Wyner để truyền tin mật (Rs > 0) chất lượng kênh phải tốt kênh nghe Như vậy, với kỹ thuật truyền búp sóng thơng qua nhiều trạm chuyển tiếp đáp ứng tốt yêu cầu Wyner 24 BẢNG 3.12 GIÁ TRỊ SNR TẠI D VÀ E VỚI TRƯỜNG HỢP P=30mW, TRẠM NGHE LÉN Số trạm chuyển tiếp 10 E D 20 E 25 D E D 30 E D 35 SNR D E DCA_AFME 9.4 0.31 70.4 0.30 172.1 0.31 260.3 0.32 325.4 0.32 451.2 0.33 534.8 0.33 SDR_AFME 3.0 0.43 25.1 0.46 77.5 0.58 105.9 220.2 0.50 252.1 0.53 DCA_DFME 60.4 2.46 296.4 0.01 473.7 741.7 30.3 37.5 292.2 0.00 470.5 0.00 587.0 0.00 740.0 0.00 880.7 879 0.00 0.00 SDR_DFME 165.5 0.03 157 0.00 0.51 140.7 0.50 589 0.00 0.00 3.4 D 15 E D E 0.00 Kết luận Chương Chương trình bày kết nghiên cứu, phân tích đề xuất 02 thuật tốn giải DCA-AF1E DCA-AFME Kết thử nghiệm chứng minh tính ưu việt thuật tốn đề xuất so với thuật tốn cơng bố Thử nghiệm so sánh hiệu kỹ thuật chuyển tiếp DF AF, làm rõ khả bảo mật tầng vật lý theo giá trị SNR trạm thu hợp pháp trạm nghe lén, đồng thời đưa khuyến nghị số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp so với số trạm nghe thiết lập hệ thống Các kết thử nghiệm cho thấy, giá trị Rs tăng yếu tố là: cơng suất phát tăng; số lượng trạm chuyển tiếp tăng; tìm giá trị hệ số tạo búp sóng trạm chuyển tiếp tốt Như vậy, theo hai yếu tố đầu hệ thống phải trả giá cơng suất phát số trạm chuyển tiếp, yếu tố thứ hiệu giải thuật sử dụng, kết Luận án KẾT LUẬN Luận án áp dụng quy hoạch DC giải thuật DCA vào giải số tốn quy hoạch khơng lồi bảo mật tầng vật lý mạng vô tuyến, qua nâng cao hiệu suất truyền tin mật đưa khuyến cáo hỗ trợ cài đặt, thiết lập tham số truyền tin mạng vô tuyến bảo mật, cụ thể, kết Luận án đạt bao gồm: - Đề xuất thuật toán DCA-DF1E DCA-DFME nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật DF có xuất nhiều trạm nghe 25 - Đề xuất thuật toán DCA-AF1E DCA-AFME nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF với xuất nhiều trạm nghe - Luận án triển khai thử nghiệm máy tính để đánh giá thuật tốn đề xuất so sánh hiệu truyền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật DF AF; đồng thời làm rõ hiệu việc tăng số trạm chuyển tiếp so với số trạm nghe đưa khuyến nghị số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp theo số lượng trạm nghe Kết Luận án làm rõ phương pháp bảo mật truyền tin tầng vật lý theo ý tưởng Wyner cho mạng truyền tin vô tuyến khả thi theo quan điểm bảo mật Shannon Với phát triển lý thuyết thông tin kỹ thuật truyền tin vô tuyến, đặc biệt kỹ thuật truyền tin quét búp sóng kỹ thuật truyền tin có tương tác đa ăng ten vấn đề bảo mật truyền tin tầng vật lý trở nên khả thi chất lượng kênh truyền trạm thu hợp pháp kênh truyền trạm thu Một số hướng nghiên cứu Do tính chất phức tạp mơ hình truyền tin thực tế chủ đề bảo mật tầng vật lý không dựa kỹ thuật mật mã truyền thống hướng nghiên cứu Việt Nam, đặc biệt ngành Cơ yếu nên nội dung cần nghiên cứu tiếp để tiến tới xây dựng mơ hình truyền tin bảo mật tầng vật lý mạng vô tuyến lĩnh vực an ninh quốc phòng theo hướng: - Phát triển nghiên cứu mơ hình truyền tin hai chiều thực tế có xác định vị trí trạm thu hợp pháp trạm thu khoảng cách, hướng đặc trưng trạm thu phát - Nghiên cứu cài đặt, thiết kế hệ thống thực nghiệm số môi trường thực tế Trong có cài đặt thuật tốn xác định cấu hình tham số trọng số khuếch đại cho trạm chuyển tiếp điều chỉnh phù hợp để hiệu suất truyền tin mật tối ưu Mặc dù cố gắng Luận án tránh khỏi thiếu sót, NCS mong nhận ý kiến đóng góp giáo, thầy giáo, nhà nghiên cứu đồng nghiệp để Luận án hoàn thiện 26 ... phương pháp bảo mật truyền tin tầng vật lý theo ý tưởng Wyner cho mạng truyền tin vô tuyến khả thi theo quan điểm bảo mật Shannon Với phát triển lý thuyết thông tin kỹ thuật truyền tin vô tuyến, đặc... Chương đề xuất 02 thuật toán sở ứng dụng quy hoạch DC giải thuật DCA vào giải 02 tốn bảo mật truyền tin vơ tuyến sử dụng kỹ thuật DF để nâng cao tốc độ truyền tin mật Các thuật toán đề xuất cho... tốn bảo mật tầng vật lý, quy hoạch DC giải thuật DCA; 41 trang - Chương 2: Nâng cao hiệu truyền tin mật cho mạng vô tuyến chuyển kỹ thuật DF; 32 trang - Chương 3: Nâng cao hiệu truyền tin mật