Nâng cao hiệu năng bảo mật mạng thứ cấp với kỹ thuật chọn nhiều nút chuyển tiếp đơn phần

Bài viết đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chặng, sử dụng kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay Selection) để nâng cao hiệu năng bảo mật ở lớp vật lý (Physical Layer Security) cho mạng thứ cấp (secondary network) trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay Cogntive Radio). Các biểu thức dạng tường minh chính xác của xác suất dừng bảo mật trên kênh truyền fading Rayleigh đã được đưa ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông và Công TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Nâng Cao Hiệu Năng Bảo Mật Mạng Thứ Cấp Với Kỹ Thuật Chọn Nhiều Nút Chuyển Tiếp Đơn Phần Đặng Thế Hùng∗ , Trần Trung Duy† , Lưu Gia Thiện† Võ Nguyễn Quốc Bảo† Trường Sỹ Quan Thơng Tin Nha Trang, Khánh Hịa, Việt Nam † Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ sở TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: danghung8384@gmail.com, (trantrungduy, lgthien, baovnq)@ptithcm.edu.vn ∗ Tóm tắt nội dung—Trong báo này, chúng tơi đề xuất mơ hình chuyển tiếp hai chặng, sử dụng kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay Selection) để nâng cao hiệu bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security) cho mạng thứ cấp (secondary network) môi trường vô tuyến nhận thức dạng (Underlay Cogntive Radio) Các biểu thức dạng tường minh xác xác suất dừng bảo mật kênh truyền fading Rayleigh đưa Chúng thực mô Monte Carlo để kiểm chứng xác phân tích lý thuyết Keywords—Bảo mật lớp vật lý, vô tuyến nhận thức dạng nền, chuyển tiếp cộng tác, xác suất dừng bảo mật, kênh truyền fading Rayleigh I GIỚI THIỆU Ngày nay, việc đảm bảo an tồn thơng tin yêu cầu bắt buộc hệ thống thông tin đại Tuy nhiên, hầu hết thuật tốn mã hóa, ví dụ DES, RSA thuật toán chạy lớp ứng dụng, với giả sử kênh truyền máy phát máy thu thiết lập, đồng thời không lỗi, khơng trễ Vậy nên, việc áp dụng thuật tốn mã hóa trở nên khó khăn, phức tạp không hiệu quả, đặc biệt môi trường vô tuyến fading nhanh Để giải vấn đề này, gần kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical Layer Security) [1], [2] thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu nước Trong phương pháp này, hệ thống đánh giá có khả bảo đảm an tồn thơng tin mà dung lượng kênh lớn dung lượng kênh kênh nghe trộm Đây kỹ thuật đơn giản để đạt hiệu bảo mật mà khơng cần sử dụng kỹ thuật mã hố phức tạp Cho đến nay, có số cơng trình nghiên cứu vấn đề bảo mật thơng tin lớp vật lý nhiều góc độ khác Cụ thể, [3], tác giả nghiên cứu hiệu việc lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu mạng truyền thông hợp tác sử dụng giao thức giải mãvà-chuyển tiếp (DF) để đạt hiệu bảo mật tốt Các vấn đề kết nối bảo mật với giao thức giải mã-và-chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (Randomize-and-forward (RF)) nghiên cứu [4], [5], [6] Đặc biệt, tài liệu [7], [8], [9], tác giả đề xuất phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để đánh giá xác suất dừng bảo mật dung lượng bảo mật nhằm nâng cao hiệu bảo mật hệ thống Vấn đề phân tích hiệu bảo mật tối ưu số lượng chặng hệ thống chuyển tiếp đa chặng đề cập [10] Các kết nghiên cứu chứng minh rằng, sử dụng phương pháp truyền chuyển tiếp đa chặng cho hiệu bảo mật tốt so với phương pháp truyền trực tiếp Vô tuyến nhận thức định nghĩa [11], hệ thống vơ tuyến thơng minh, có khả nhận biết mơi trường xung quanh từ điều chỉnh tham số thu phát để tối ưu hệ thống Ý tưởng lần đề xuất Joseph Mitola [12] vào năm 1999, cho phép hệ thống khơng có giấy phép sử dụng tần số (Secondary Network (SN)) sử dụng chung dải tần số với hệ thống cấp phép sử dụng tần số (Primary Network (PN)), với điều kiện ràng buộc hoạt động truyền phát liệu hệ thống SN không gây ảnh hưởng đến hiệu hệ thống PN Công nghệ xem giải pháp đầy hiệu để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần số [13], [14] Mạng vô tuyến nhận thức chia làm ba loại, bao gồm: dạng (Underlay), dạng xen kẽ (Overlay) dạng chồng (Interwave) Trong phương thức trên, phương thức truyền dạng thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu [15], [16], hệ thống thứ cấp (SN) truyền phát liệu song song với hệ thống sơ cấp (PN) miễn can nhiễu mà gây phải nhỏ mức ngưỡng chịu đựng cho phép máy thu sơ cấp (Primary Receiver) Do bị giới hạn 482 ISBN: 978-604-67-0635-9 482 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) mức can nhiễu gây ra, phương thức truyền dạng có nhược điểm vùng phủ sóng giới hạn công suất phát nút thứ cấp bị giới hạn Một giải pháp để giải vấn đề sử dụng kỹ thuật truyền chuyển tiếp phân tập hay truyền thông cộng tác (cooperative communication) [17] Do đó, q trình kết nối nút nguồn nút đích cải thiện rõ rệt nút mạng thứ cấp sử dụng cơng suất phát thấp bảo đảm yêu cầu chất lượng dịch vụ, làm giảm đáng kể can nhiễu lên hệ thống sơ cấp Theo hiểu biết tốt chúng tôi, có vài cơng trình nghiên cứu quan tâm đến việc nâng cao hiệu bảo mật mạng thứ cấp môi trường vô tuyến nhận thức dạng Cụ thể [18], tác giả đánh giá hiệu bảo mật hệ thống chuyển tiếp dựa vào biểu thức xác suất dừng hệ thống dạng tường minh môi trường vô tuyến nhận thức dạng kênh truyền Rayleigh Fading Trong [19], hiệu bảo mật phương thức lựa chọn nút chuyển tiếp mạng vô tuyến nhận thức hợp tác (CCRNs) dạng phân tích Trong báo này, đánh giá hiệu bảo mật mạng thứ cấp môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền, với kỹ thuật lựa chọn nhiều nút chuyển tiếp đơn phần, thơng qua việc tính tốn biểu thức xác suất dừng bảo mật với giao thức ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (RF) kênh truyền fading Rayleigh Tiếp theo, kết mô tiến hành để kiểm chứng biểu thức phân tích lý thuyết Kết mơ kết phân tích lý thuyết trùng khít nhau, thể tính xác kết phân tích Phần cịn lại báo tổ chức sau: Trong phần II, miêu tả mơ hình hệ thống đề xuất Trong phần III, đánh giá hiệu bảo mật hệ thống đề xuất Phần IV cung cấp kết mơ phân tích lý thuyết Cuối cùng, chúng tơi kết luận báo phần V II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hình miêu tả sơ đồ hệ thống mơ hình đề xuất, mạng sơ cấp biểu thị người dùng sơ cấp PU mạng thứ cấp bao gồm nút nguồn thứ cấp SS, M nút chuyển tiếp thứ cấp SR nút đích thứ cấp SD Giả sử rằng, khơng có liên kết trực tiếp SS SD khoảng cách vật cản Vì vậy, nguồn SS cần giúp đỡ từ nút chuyển tiếp SR để đưa liệu mong muốn đến đích Hơn nữa, mạng thứ cấp cịn xuất có nút nghe SE, cố gắng nghe lõm liệu phát từ nguồn SS từ nút chuyển tiếp SR Chúng ký hiệu γ1m , γmD , γ0E , γmE , γ0P γmP độ lợi kênh truyền liên kết SS − SRm , SRm − SD, SS − SE, SS − PU SRm − PU, với SE SR SR SR SR SS SR SR SR SR SD Kênh Chính Kênh Nghe Lén Kênh Can Nhi u Nhóm nút chuy n ti p c ch n PU Hình Mơ hình hệ thống số m chạy từ đến M Giả sử kênh truyền hai nút mạng kênh fading Rayleigh, độ lợi kênh γ1m , γmD , γ0E , γmE , γ0P γmP biến ngẫu nhiên có phân bố mũ với tham số đặc trưng ký hiệu λ1 , λ2 , Ω1 , Ω2 , ∆1 ∆2 Để đưa suy hao đường truyền vào phân tích, ta mơ hình tham số đặc trưng hàm khoảng cách hệ số suy hao sau: λ1 = dβSS−SRm , λ2 = dβSRm −SD , Ω1 = dβSS−SE , Ω2 = dβSRm −SD , ∆1 = dβSS−PU ∆2 = dβSRm −PU [20], với d ký hiệu khoảng cách Euclid hai nút β hệ số suy hao đường truyền Sự truyền liệu từ SS đến SD thông qua SR thực qua hai khe thời gian trực giao: khe thời gian thứ SS truyền liệu đến nhóm SR chọn trước, khe thời gian thứ hai, SR chọn chuyển tiếp liệu SS đến SD Ta giả sử rằng, hệ số kênh truyền thay đổi sau khe thời gian, phương pháp chọn lựa nút chun tiếp tối ưu cho tồn trình đề xuất [21] áp dụng Đầu tiên, khơng tính tổng qt ta giả sử γ11 > γ12 > γ13 > > γ1M −1 > γ1M M nút SR sẵn có, K nút SR đưa vào danh sách nút chuyển tiếp tiềm năng, cụ thể nút nằm tập W: W = {SR1 , SR2 , , SRK } Ta cần ý K số nguyên dương có giá trị từ đến M thơng số thiết kế trước hệ thống Trước truyền liệu, nút nguồn SS điều chỉnh công suất phát để thoả mãn mức giao thoa tối đa Ith quy định mạng sơ cấp [19], cụ thể sau: PS = (Pth , Ith /γ0P ) , 483 483 (1) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) với Pth cơng suất phát lớn mà nguồn phát Tương tự, nút chuyển tiếp SRk (k ∈ {1, 2, , K}) chọn để truyền liệu nhận đến SD, công suất phát lớn nút là: PRk = (Pth , Ith /γkP ) , sau: SOP = Pr (C < Cth ) =1 − (2) max k=1,2, ,K (γkD ) C = (C1 , C2 ) , (4) với C1 C2 dung lượng bảo mật chặng thứ chặng thứ hai, tính bên dưới: + PS γ1b PS γ0E log2 + − log2 + N0 N0 + + Ψ (1, µ/γ0P ) γ1b log = , (5) 2 + Ψ (1, µ/γ0P ) γ0E C1 = PR γbD PR γbE log 1+ b − log2 1+ b 2 N0 N0 + + Ψ (1, µ/γbP ) γbD log2 = + Ψ (1, µ/γbP ) γbE + C2 = =1 − 1− K K (7) (1 − Jb ) Ib b=1 1+Ψ min(1,µ/γ0P )γ1b 1+Ψ min(1,µ/γ0P )γ0E 1+Ψ min(1,µ/γbP )γ2b 1+Ψ min(1,µ/γbP )γbE < ρ