Đánh giá bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến hợp tác truyền qua nút không tin cậy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN VIỆT ĐÁNH GIÁ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC TRUYỀN QUA NÚT KHÔNG TIN CẬY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 SKC007516 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN VIỆT ĐÁNH GIÁ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC TRUYỀN QUA NÚT KHÔNG TIN CẬY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 Hƣớng dẫn khoa học: TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Xuân Việt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/10/1991 Nơi sinh: Tiền Giang Q qn: Đồng Sơn – Gị Cơng Tây – Tiền Giang Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 63/32/12 đƣờng 11 – Trƣờng Thọ - Thủ Đức - Tp Hồ Chí Minh Điện thoại nhà riêng: 0975 362 333 E-mail: xuanvietradio129@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án: Thiết Bị Chống Trộm Và Định Vị GSM Ngày & nơi bảo vệ đồ án: ĐH SPKT Tp Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Bình III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Vị trí cơng việc 08/2013 – 09/2014 Doanh Nghiệp Thái Cƣờng Nhân viên 09/2014 – 12/2016 Cơng Ty Du Ca Trƣởng Nhóm Dự Án Trang i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2017 Nguyễn Xuân Việt Trang ii Luận văn Chƣơng ra, nút chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu nhận đƣợc tới đích, cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc đích tăng cƣờng độ tín hiệu tăng lên nút chuyển tiếp nhƣ kết việc tăng SNR truyền Nhƣ hình 4.5 cho thấy, tăng SNR truyền có tác động tích cực tổng thể hiệu suất bảo mật hệ thống 4.2.4 Hình 4.6: Ảnh hƣởng vị trí chuyển tiếp Ảnh hƣởng vị trí nút chuyển tiếp đến xác suất dừng cho hình thức PS TS với hệ số suy giảm đƣờng truyền khác   2.7, Hình 4.6 mơ tả ảnh hƣởng vị trí nút chuyển tiếp xác suất dừng bảo mật tối ƣu cho tốc độ đạt bảo mật khác hệ số suy hao đƣờng truyền  theo hai hình thức PS TS Ta thay đổi khoảng cách nguồn - chuyển tiếp d SR , khoảng cách chuyển tiếp - đích 10  d RD Các giá trị hệ số suy hao kênh truyền lần đƣợc đƣợc xét   2.7 Trƣớc thảo luận hình 4.6 Điều quan trọng hiểu đƣợc ảnh hƣởng d SR lên hiệu bảo mật hai Trang 49 Luận văn Chƣơng hƣớng tích cực tiêu cực Dƣới hai hình thức TS PS, d SR tăng, độ mạnh tín  hiệu thơng tin nhận đƣợc giảm với hệ số suy hao đƣờng truyền d SR cao Điều khơng khuyến khích ý định nghe trộm nút chuyển tiếp không tin cậy, nâng cao hiệu suất bảo mật Khi d SR tăng, khoảng cách chuyển tiếp-đích d RD giảm làm cho tín hiệu gây nhiễu nhận đƣợc nút chuyển tiếp mạnh mẽ Điều làm tăng thêm hiệu suất bảo mật Việc giảm d RD mang lại cho điểm chuyển tiếp gần điểm đích hơn, lƣợng lƣợng thu hoạch thấp đủ để thực giao tiếp tin  cậy nút chuyển tiếp đích giảm suy hao đƣờng truyền d RD Sự tiết kiệm lƣợng quan trọng vì, lƣợng thu hoạch nút chuyển tiếp giảm với gia tăng d SR Một hiệu ứng tiêu cực tăng d SR hiệu suất bảo mật chất khuếch đại chuyển tiếp nút chuyển tiếp, cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc nút chuyển tiếp giảm với gia tăng d SR , cƣờng độ tín hiệu thơng tin điểm đích giảm Điều làm giảm tỷ lệ bảo mật làm tăng xác suất dừng mật Hình 4.6 cho thấy tác động tích cực gia tăng d SR vƣợt qua hiệu ứng tiêu cực khơng phân biệt tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng đạt đƣợc Rth Theo hai hình thức PS TS xác suất dừng bảo mật tối ƣu giảm đơn điệu với gia tăng d SR Vì vậy, vị trí tối ƣu nút chuyển tiếp gần với đích đến Lƣu ý rằng, trƣờng hợp truyền thông thu hoạch lƣợng không dây thông qua nút chuyển tiếp mà ràng buộc bảo mật, vị trí tiếp sức tối ƣu gần với nguồn [4] Nhƣng, nhƣ thể hình 4.6, để có giao tiếp an tồn, vị trí chuyển tiếp gần với nguồn khơng đƣợc khuyến khích Trang 50 Luận văn 4.2.5 Hình 4.7: Chƣơng Ảnh hƣởng hệ số chuyển đổi Năng lƣợng  Ảnh hƣởng hệ số chuyển đổi lƣợng  lên xác suất đừng bảo mật Hệ số chuyển đổi lƣợng  Xác định phần lƣợng nhận đƣợc nút chuyển tiếp thực thu hoạch Nhƣ vậy, giá trị cao  Cho phép thu đƣợc lƣợng thu đƣợc nhiều hơn, làm tăng cơng suất truyền nút chuyển tiếp Điều dẫn đến tăng SNR nhận đƣợc điểm đến, giảm xác suất dừng bảo mật, nhƣ thể hình 4.7 Trang 51 Luận văn 4.2.6 Chƣơng Hiệu bảo mật mơ hình khơng thu thập lƣợng Hình 4.8: Hiệu bảo mật trƣờng hợp khơng thu thập lƣợng Hình 4.8 thể ảnh hƣởng SNR đến xác suất dừng bảo mật trƣờng hợp hệ thống không thu thập lƣợng Khi tăng SNR xác suất dừng giảm Điều tăng cơng suất nguồn PS xác suất dừng tốt Trang 52 Luận văn 4.2.7 Chƣơng So sánh hiệu hệ thống có thu lƣợng khơng thu lƣợng Hình 4.9: Hiệu bảo mật trƣờng hợp thu lƣợng PS không thu lƣợng theo SNR truyền ( P /  ) với   10dBm Trang 53 Luận văn Hình 4.10: Chƣơng Hiệu bảo mật trƣờng hợp thu lƣợng TS không thu lƣợng theo SNR truyền ( P /  ) với   10dBm Nhƣ thể hình 4.9 4.10, tăng số SNR xác xuất dừng bảo mật tất trƣờng hợp giảm, hay nói ràng tăng cơng suất nguồn phát PS xác suất dừng tốt Tuy nhiên nhƣ hình ta dễ nhận xác suất dừng trƣờng hợp không thu thập lƣợng tốt trƣờng hợp có thu thập lƣợng Điều giải thích đƣợc xác suất dừng trƣờng hợp có thu lƣợng bị ảnh hƣởng tình dừng bảo mật khơng thu thập đủ lƣợng cho hệ thống chuyển tiếp hoạt động dẫn đến tổng xác suất dừng bảo mật cao trƣờng hợp nút chuyển đƣợc cấp lƣợng sẵn Trang 54 Luận văn Chƣơng CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Trong luận văn này, khảo sát hiệu bảo mật truyền thơng nguồn-đích thơng qua nút chuyển tiếp khơng tin cậy có thu hoạch lƣợng chuyển tiếp Nút chuyển đƣợc cung cấp lƣợng lƣợng thu đƣợc lƣợng từ tín hiệu tần số vơ tuyến nhận đƣợc Trong trƣờng hợp này, tín hiệu gây nhiễu cộng tác điểm đích ngồi việc giữ bí mật thơng tin từ nút chuyển tiếp khơng tin cậy, cung cấp lƣợng để chuyển tiếp Năng lƣợng làm tăng lƣợng thu đƣợc từ tín hiệu thơng tin nhận đƣợc Các hình thức PS TS nút chuyển tiếp cho phép thu hoạch lƣợng xử lý thông tin nhận Đối với kịch này, đánh giá hiệu bảo mật hệ thống dựa biểu thức xác suất dừng bảo mật Nghiên cứu số liệu bảo mật tham số hệ thống khác cung cấp điểm thiết kế hữu ích Chẳng hạn, khác tỉ số thu thập lƣợng hình thức PS thời gian thu hoạch lƣợng TS ảnh hƣởng đến hiệu suất bảo mật theo cách tích cực tiêu cực Do đó, tồn tỷ lệ phân chia lƣợng tối ƣu thời gian thu hoạch lƣợng tối ƣu, tối đa hóa hiệu suất bảo mật Các giá trị tối ƣu thƣớc đo bảo mật phụ thuộc vào tham số hệ thống Ví dụ, tăng tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng làm tăng xác suất dừng bảo mật Ngoài ra, tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng cao hơn, hình thức PS đạt đƣợc xác suất bảo mật thấp hình thức TS Tăng SNR truyền làm tăng khả chuyển tiếp giải mã thơng tin xác, lƣợng thu thập cao làm tăng công suất chuyển tiếp tín hiệu Do đó, gia tăng SNR truyền có lợi cho truyền thơng an tồn Địa điểm chuyển tiếp quan trọng giao tiếp an tồn Nói chung, nút chuyển tiếp nằm cách xa nguồn điều cần thiết để giữ thông tin xác từ nút chuyển tiếp Điều tƣơng phản với trƣờng hợp chuyển tiếp tin cậy thu lƣợng, nơi mà nút chuyển đƣợc ƣu tiên đặt gần nguồn Cuối cùng, yếu tố hiệu Trang 55 Luận văn Chƣơng suất chuyển đổi lƣợng cao làm tăng lƣợng thu hoạch cải thiện hiệu bảo mật Đồng thời, đề tài so sánh hiệu bảo mật hệ thống có thu thập lƣợng không thu thập lƣợng Nên tùy ứng dụng thực tế cần tối ƣu nguồn hay cần xác suất dừng bảo mật tốt mà ta áp dụng hệ thống chuyển tiếp có tự thu thập lƣợng hay hệ thống không thu thập lƣợng 5.2 Hƣớng phát triển Trong luận văn này, khảo sát hiệu bảo mật truyền thông hợp tác thông qua chuyển tiếp khơng tin cậy có thu hoạch lƣợng chuyển tiếp Phân tích ảnh hƣởng thông số nhƣ tỉ lệ phân chia lƣợng, tỉ lệ chuyển đổi thời gian, tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng đạt đƣợc, SNR, khoảng cách chuyển tiếp nguồn, hệ số suy hao đƣờng truyền, hệ số chuyển đổi lƣợng đến xác suất dừng bảo mật cho trƣờng hợp PS, TS Đồng thời, đề tài so sánh xác suất dừng trƣờng hợp chuyển tiếp có thu lƣợng khơng thu lƣợng Trong bƣớc đề tài xây dựng mơ hình tính tốn khảo sát hiệu bảo mật cho trƣờng hợp mơ hình thu lƣợng theo giao thức kết hợp phân chia lƣợng chuyển đổi thời gian (TPS) Bên cạch đó, tốc độ ergodic (Tốc độ truyền thông tin mà nút nghe trộm giải mã đƣợc thông tin) thông số quan trọng việc đánh giá hiệu mạng vô tuyến Nên thời gian tiếp theo, đề tài phát triển theo hƣớng khảo sát thông số mạng ảnh hƣởng đến tốc độ ergodic Trang 56 Luận văn Phụ lục A Phụ lục A Tại mức SNR cao, sử dụng tính đối xứng kênh truyền nút chuyển nút đích thay từ (3.5) từ (3.17) vào (3.12), sau sử dụng (3.12) (3.13), ta viết xác suất dừng bảo mật cho hình thức PS nhƣ sau:   1    P g SR g RD  1    g DR  1      , OPout  Pr       P g SR     1     P g DR            (3.45)  Pr ν  X  g SR    x  g DR , 2 Với:    Px P      x  1     P 1    x        x   1     (3.46) Căn vào   x  , ta tách (3.45) nhƣ sau:    1 OPout  Pr  g SR    Pr   X     X    (3.47)    1  Pr  g SR    Pr   X     X       1 Trong (3.47), Pr  g SR     , g SR   X    biến mũ ngẫu nhiên khơng âm Ta viết:  0, if 1  x     x   0, if  x  1, Trang 57 (3.48) Luận văn Phụ lục A   1   1 P    4  1   N 1   1  2 P /   (3.49) Lƣu ý  nghiệm dƣơng phƣơng trình   x   Sử dụng (3.48), ta viết lại (3.47) nhƣ sau:  1     x SR OPout   1  e  1   1  1 1   fx  x  dx   fx  x  dx,     fx  x  dx   fx  x  dx   x 1 SR  e  1   (3.50)   fx  x  dx   x  RD e Thay fx  x   tích phân thức (3.50), ta có đƣợc biểu RD thức yêu cầu OPout nhƣ (3.15) Trang 58 Luận văn Phụ lục B Phụ lục B Ta viết xác suất lƣợng nhƣ sau:  OPp ,out  Pr  PR   H   Pr P g SR  g RD  2   H (3.51)    2   Pr  g SR  g RD  H  P    Đặt A  g SR  g RD 2  Khi g SR g SR biến phân phối mũ ngẫu nhiên với kì vọng SR RD , ta viết hàm tỉ trọng xác suất A nhƣ [27] A    A RD SR e  e        , víi SR  RD RD RD SR f A  A    SR A    SR víi SR  RD   Ae ,  SR  (3.52) Lƣu ý A có giá trị khơng âm tổng biến mũ ngẫu nhiên Thế (3.52) vào (3.51), ta viết:   OPp ,out  Pr  A  H P     H P  f  AdA A (3.53) Đánh giá tích phân (3.53), ta có đƣợc biểu thức cho xác suất lƣợng nhƣ (3.19) Trang 59 Luận văn Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] X Lu, P Wang, D Niyato, D I Kim, and Z Han, “Wireless networks with RF energy harvesting: A contemporary survey,” IEEE Commun Surveys Tuts., vol 17, no 2, Second Quarter 2015 [2] R Zhang and C K Ho, “MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 5, pp 1989–2001, May 2013 [3] X Zhou, R Zhang, and C K Ho, “Wireless information and power transfer: Architecture design and rate-energy tradeoff,” IEEE Trans Commun., vol 61, no 11, pp 4754–4767, Nov 2013 [4] A A Nasir, X Zhou, S Durrani, and R A Kennedy, “Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 7, pp 3622–3636, July 2013 [5] I Krikidis, S Timotheou, and S Sasaki, “RF energy transfer for cooperative networks: Data relaying or energy harvesting?,” IEEE Commun Lett., vol 16, no 11, pp 1772–1775, Nov 2012 [6] Z Ding, S M Perlaza, I Esnaola, and H V Poor, “Power allocation strategies in energy harvesting wireless cooperative networks,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 13, no 2, pp 846–860, Feb 2014 [7] A A Nasir, X Zhou, S Durrani, and R A Kennedy, “Wireless-powered relays in cooperative communications: Time-switching relaying protocols and throughput analysis,” IEEE Trans Commun., vol 63, no 5, pp 1607– 1622, May 2015 [8] Y Oohama, “Coding for relay channels with confidential messages,” in Proc 2001 IEEE ITW, pp 87–89 [9] X He and A Yener, “Cooperation with an untrusted relay: A secrecy perspective,” IEEE Trans Inf Theory, vol 56, no 8, pp 3807–3827, Aug 2010 Trang 60 Luận văn [10] Tài liệu tham khảo L Sun, P Ren, Q Du, Y Wang, and Z Gao, “Security-aware relaying scheme for cooperative networks with untrusted relay nodes,” IEEE Commun Lett., vol 19, no 3, pp 463–466, Mar 2015 [11] L Wang, M Elkashlan, J Huang, N H Tran, and T Q Duong, “Secure transmission with optimal power allocation in untrusted relay networks,” IEEE Wireless Commun Lett., vol 3, no 3, pp 289–292, June 2014 [12] J Huang, A Mukherjee, and A L Swindlehurst, “Secure communication via an untrusted non-regenerative relay in fading channels,” IEEE Trans Signal Process., vol 61, no 10, pp 2536–2550, May 2013 [13] L Sun, T Zhang, Y Li, and H Niu, “Performance study of twohop amplifyand-forward systems with untrustworthy relay nodes,” IEEE Trans Veh Technol., vol 61, no 8, pp 3801–3807, Oct 2012 [14] Y Liu, L Li, and M Pesavento, “Enhancing physical layer security in untrusted relay networks with artificial noise: A symbol error rate based approach,” in Proc 2014 IEEE SAM, pp 261–264 [15] H Xing, L Liu, and R Zhang, “Secrecy wireless information and power transfer in fading wiretap channel,” IEEE Trans Veh Technol., vol 65, no 1, pp 180–190, Jan 2016 [16] D W K Ng, E S Lo, and R Schober, “Robust beamforming for secure communication in systems with wireless information and power transfer,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 13, no 8, pp 4599–4615, Aug 2014 [17] Q Shi, W Xu, J Wu, E Song, and Y Wang, “Secure beamforming for MIMO broadcasting with wireless information and power transfer,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 14, no 5, pp 2841–2853, May 2015 [18] Q Li, Q Zhang, and J Qin, “Secure relay beamforming for simultaneous wireless information and power transfer in nonregenerative relay networks,” IEEE Trans Veh Technol., vol 63, no 5, pp 2462–2467, June 2014 [19] H Xing, K.-K Wong, and A Nallanathan, “Secure wireless energy harvesting-enabled AF-relaying SWIPT networks,” in Proc 2015 IEEE ICC, pp 2307–2312 Trang 61 Luận văn [20] Tài liệu tham khảo X Chen, J Chen, and T Liu, “Secure wireless information and power transfer in large-scale MIMO relaying systems with imperfect CSI,” in Proc 2014 IEEE GLOBECOM, pp 4131–4136 [21] P T M Linh, “Mạng truyền đồng thời thông tin lƣợng chế độ song cong”, University Technology Education, October 2016 [22] S S Kalamkar, A Banerjee , “Secure communication via a wireless energy Harvesting Untrusted Relay,” IEEE Trans IEEE Vehicular Technology Society, vol 6, no 3, pp 2199 - 2213, May 2016 [23] J Guo, S Durrani, X Zhou, and H Yanikomeroglu, “Outage probability of ad hoc networks with wireless information and power transfer,” IEEE Wireless Commun Lett., vol 4, no 4, pp 409–412, Aug 2015 [24] Y Liu, L Wang, S A R Zaidi, M Elkashlan, and T Q Duong, “Secure D2D communication in large-scale cognitive cellular networks: A wireless power transfer model,” IEEE Trans Commun., vol 64, no 1, pp 329–342, Jan 2016 [25] L Liu, R Zhang, and K.-C Chua, “Wireless information and power transfer: A dynamic power splitting approach,” IEEE Trans Commun., vol 61, no 9, pp 3990–4001, Sept 2013 [26] M Bloch, J Barros, M R D Rodrigues, and S W McLaughlin, “Wireless information-theoretic security,” IEEE Trans Inf Theory, vol 54, no 6, pp 2515–2534, June 2008 [27] A Papoulis, Probability, Random Variables and Stochastic Processes McGraw-Hill, 3rd ed., 1991 Trang 62 S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN VIỆT ĐÁNH GIÁ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC TRUYỀN QUA NÚT KHÔNG TIN CẬY... lớp vật lý mạng vô tuyến hợp tác truyền qua nút chuyển tiếp khơng tin cậy có thu thập lƣợng  So sánh hiệu bảo mật hệ thống có nút chuyển tiếp thu thập không tự thu lƣợng  Mô đánh giá hiệu mạng. .. thời xử lý thông tin có ứng dụng chuyển tiếp hợp tác [4] – [7] Nút nguồn truyền tin tới nút trung gian, sau nút trung gian tiếp tục truyền tin tới nút đích Trong mơ hình này, nút trung gian tách