Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây

ĐẠI HOC QUOC GIA HÀ N I TRƯ NG ĐẠI HOC CÔNG NGHS ———————- QUÁCH XUÂN TRƯ NG ĐÁNH GIÁ HISU NĂNG BÁO M🄐T TANG V🄐T LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY LU🄐N ÁN TIEN SĨ CÔNG NGHS THÔNG TIN Chuyên ngành: Truyen d li u & Mạng máy tính Mã so : 9480102.01 T p the hưáng dȁn khoa hoc: TS Tran Hùng TS Tran Trúc Mai Hà N i - 2021 L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên c u thục hi n Các ket quǎ nghiên c u, so li u ket lu n lu n án trung th ục ch ưa t ng cơng bo bat kỳ cơng trình khác Các n i dung tham khǎo t nguon tài li u thục hi n trích d ȁn ghi nguon goc tài li u tham khǎo quy định Hà N i, tháng năm 2021 Tác giá Quách Xuân Trưáng i L I CÁM ƠN Lu n án tien sĩ thục hi n tr ường Đ ại hoc Công ngh - Đại hoc Quoc gia Hà N i sụ hướng dȁn t n tình c ǔa t p the cán b hướng dȁn TS Tran Hùng TS Tran Trúc Mai Tác giǎ xin bày tǒ lòng biet ơn tới thay hướng dȁn định hướng, hő trợ tạo đieu ki n thu n lợi suot trình tác giǎ hoc t p nghiên c u Đ c bi t, tác gi ǎ xin đ ược bày t ǒ lòng biet ơn sâu sac tới TS Tran Hùng, đại hoc Malardalen, Th ụy Đien - ng ười gi ǎng dạy, đ t nen móng kien th c nghiên c u giúp đ ỡ, ch ǐ b ǎo t n tình suot trình tác giǎ thục hi n lu n án Tác gi ǎ xin đ ược chân c ǎm ơn nhà khoa hoc, tác giǎ cǔa cơng trình khoa hoc trích dȁn lu n án cung cap kien th c liên quan nguon hoc li u quan trong trình nghiên c u hoàn thành lu n án Tiep theo, tác giǎ xin bày tǒ lòng biet ơn đoi v ới GS Elisabeth Uhlemann, TS Tran Hùng ve sụ giúp đỡ tạo đieu ki n đe tác gi ǎ đ ược thục t p sinh tháng với nhóm nghiên c u ve mạng truyen thơng t ại Đ ại hoc Malardalen, Vasteras, Thụy Đien, 08/2016 - 01/2017 Tác giǎ xin chân thành cám ơn Lãnh đạo trường Đại hoc Công Ngh - Đại hoc Quoc gia Hà N i, phịng ch c năng, Khoa Cơng ngh thông tin t p the giǎng viên b mơn Truyen d li u Mạng máy tính quan tâm giúp đỡ, tạo đieu ki n thu n lợi, có nh ng ý kien đóng góp quý báu cho tác giǎ trình hoc t p, nghiên c u nhà trường Tác giǎ xin g i lời cǎm ơn đen ban Lãnh đạo, đong nghi p tr ường đ ại hoc Công ngh thông tin truyen thông, Đại hoc Thái Nguyên t ạo đieu ki n thu n lợi, giúp đỡ tác giǎ trình hoc t p nghiên c u Cuoi cùng, tác giǎ xin bày tǒ lịng biet ơn tới gia đình, người thân bạn bè thân thiet thường xuyên đ ng viên, chia sě hő trợ ve moi m t cu c song đe tác giǎ có the hồn thành lu n án ii MỤC LỤC Lài cam đoan i Lài cám ơn ii Mục lục iii Danh sách hình vẽ v Các ký hi u vii Các t viet tat x Má đau Chương Kien th c sá tong quan 11 1.1 Mơ hình kênh truyen không dây 11 1.1.1 Mơ hình Pathloss .11 1.1.2 Các mô hình thơng kê cho kênh truyen đa đường 13 1.1.3 Nhieu tạp âm can nhieu 19 1.2 Mạng vô tuyen nh n th c 19 1.2.1 Các mơ hình cǔa mạng vơ tuyen nh n th c 20 1.2.2 Mạng vô tuyen nh n th c dạng ngưỡng nhieu 22 1.2.3 Mạng vô tuyen nh n th c hợp tác dạng ngưỡng nhieu 25 1.2.4 Mạng CRN ket hợp kỹ thu t thu hoạch lượng vô tuyen 27 1.3 Bǎo m t lớp v t lý cho mạng không dây 29 1.3.1 Mơ hình m t mã Shannon .29 1.3.2 Kênh wiretap 31 1.3.3 Kênh Gaussian wiretap 33 1.3.4 Kênh fading wiretap 34 1.3.5 Đ đo đánh giá hi u bǎo m t h thong 36 1.4 Tőng quan tình hình nghiên c u 38 1.4.1 Các hình th c tan cơng cǔa mạng CRN 39 1.4.2 Tan công nghe tr m cơng trình nghiên c u liên quan .42 iii Chương Đe xuat mơ hình nâng cao hi u cúa truyen thông tin c y báo m t thông tin mạng vô tuyen nh n th c 46 2.1 MƠ HÌNH 2.1: Hi u cǔa truyen thông tin c y bǎo m t thông tin mạng CRN 47 2.1.1 Mơ hình h thong 47 2.1.2 Chính sách công suat đ đo hi u suat cǔa h thong 53 2.1.3 Mô phǒng đánh giá ket quǎ 59 2.2 MƠ HÌNH 2.2: Hi u truyen thơng tin c y bǎo m t cǔa mạng CRN dụa sách cơng suat chon kênh truyen 66 2.2.1 Mơ hình h thong 66 2.2.2 Phân bő công suat lụa chon kênh cǔa SU 68 2.2.3 Các đ đo hi u suat h thong 74 2.2.4 Mô phǒng đánh giá ket quǎ 75 2.3 Ket lu n 80 Chương Đe xuat mô hình nâng cao hi u báo m t s dụng kỹ thu t hạp tác chuyen tiep mạng vơ tuyen nh n th c 81 3.1 MƠ HÌNH 3.1: Hi u bǎo m t cǔa mạng CCRN giới hạn d ng truyen thông công suat phát m c đǐnh 82 3.1.1 Mơ hình h thong 82 3.1.2 Đieu ki n cǔa công suat truyen tin dung lượng bǎo m t 83 3.1.3 Đ đo đánh giá hi u suat bǎo m t cǔa h thong 85 3.1.4 Phân tích hi u suat bǎo m t cǔa h thong .86 3.1.5 Mô phǒng đánh giá ket quǎ 92 3.2 MÔ HÌNH 3.2: Hi u bǎo m t cǔa mạng CCRN đieu ki n d ng bǎo m t giới hạn can nhieu 97 3.2.1 Mơ hình h thong 97 3.2.2 Các đieu ki n ve bǎo m t, công suat truyen tin can nhieu cho mạng SU 100 3.2.3 Đ đo đánh giá hi u suat bǎo m t cho truyen thông cǔa SU 101 3.2.4 Phân tích hi u suat bǎo m t cǔa h thong 101 3.2.5 Mô phǒng đánh giá ket quǎ 113 3.3 Ket lu n .118 Ket lu n định hưáng nghiên c u 120 Danh mục cơng trình khoa hoc cúa tác giá liên quan đen lu n án 122 iv Phụ lục 124 Tài li u tham kháo 128 v Danh sách hình vẽ 1.1 Các che lan truyen sóng vơ tuyen mạng không dây 13 1.2 Ví dn ve "ho phő" 21 1.3 Ví dn ve mơ hình truy c¾p đan xen 21 1.4 Ví dn ve mơ hình truy c¾p dạng nen 23 1.5 M t mơ hình CRN dạng ngưỡng nhieu 23 1.6 Mơ hình mạng CRN hợp tác với đơn nút chuyen tiep 25 1.7 Mơ hình CRN hợp tác với đa nút chuyen tiep 26 1.8 Mơ hình tőng qt mạng CRN ket hợp k thu¾t RFEH 28 1.9 Mơ hình h thong m¾t mã cǔa Shannon 30 1.10 Mô hình kênh wiretap tőng quát 31 1.11 Mơ hình kênh Gaussian wiretap 33 1.12 Mơ hình kênh fading wiretap 34 1.13 Các hình th c tan cơng m c v¾t lý mạng CRN 40 2.1 Mơ hình CRN ton EAV nghe tr m thông tin t kênh S-Tx→S-Rx 49 2.2 SNR cǔa S-Tx cho bon k ch bǎn theo SNR cǔa P-Tx 60 2.3 Ǎnh hương cǔa so lượng ăng-ten cǔa P-Tx lên SNR cǔa S-Tx 61 2.4 Ǎnh hương cǔa so lượng ăng-ten cǔa EAV lên SNR cǔa S-Tx 62 2.5 SRCP theo SNR cǔa P-Tx với e = 0.8 63 2.6 Ǎnh hương cǔa so lượng ăng-ten cǔa P-Tx lên SRCP cǔa S-Tx 63 2.7 Ǎnh hương cǔa so lượng ăng-ten cǔa EAV lên SRCP cǔa S-Tx 65 2.8 Mơ hình mạng CRN S-Tx sǔ dnng lượng thu t P-Tx đe truyen thơng khu vnc có nhieu EAV 66 2.9 M t khung thời gian T sǔ dnng đe thu hoạch lượng truyen thơng 67 2.10 Ǎnh hương cǔa đ lợi trung bình (Ωβn ) cǔa P-Tx→EAV lên SNR cǔa S-Tx 76 vi 2.11 SNR cǔa S-Tx theo SNR cǔa P-Tx với đ lợi trung bình khác cǔa S-Tx→EAV ({Ωβn }5=1 = 10, 50, 80, 150) 77 n 2.12 SNR cǔa S-Tx theo thời gian τ đ lợi trung bình khác cǔa P-Tx→S-Tx ({Ω fn }5=1 = 1, 3, 5, γP−Tx = 12 dB) 77 n 2.13 Ǎnh hương cǔa kênh can nhieu P-Tx→EAV lên PEP 79 2.14 Đ tre cǔa gói tin theo SNR cǔa P-Tx 79 3.1 Mơ hình CCRN đa nút chuyen tiep với sn hi n di n cǔa EAV 83 3.2 Osec cǔa h thong với ba trường hợp đ lợi kênh trung bình khác 93 3.3 Osec cǔa h thong với trường hợp Ω f0 , Ω f khác cǔa kênh wiretap .94 3.4 Osec cǔa h thong với SNR khác cǔa S-Tx 95 3.5 Osec cǔa h thong với so lượng nút SR khác 96 sec non−zero 3.6 P với so lượng nút SR khác 96 3.7 Mơ hình CCRN SU truyen tin qua kênh trnc tiep ho¾c sn trợ giúp cǔa N nút chuyen tiep với sn hi n di n cǔa EAV 97 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 Tác đ ng cǔa e lên OSEC cǔa h thong theo t¾p giá tr Ith N 114 Tác đ ng cǔa e lên OSEC cǔa h thong theo t¾p giá tr γp 115 Ǎnh hương cǔa kênh can nhieu lên OSEC cǔa h thong 116 Tác đ ng cǔa so lượng nút SR đoi với OSEC theo t¾p giá tr cǔa Ith 117 Tác đ ng cǔa so lượng nút SR đoi với OSEC theo t¾p giá tr cǔa γp 117 OnonZero cǔa h thong với đ lợi trung bình cǔa kênh đong nhat bang 118 vii BÁNG CÁC KÝ HISU TOÁN HOC STT Ký hi u Giái nghĩa ký hi u fX(x) Hàm PDF cǔa bien ngȁu nhiên X FX(x) Hàm CDF cǔa bien ngȁu nhiên X ∑ Hàm tőng ∏ Hàm tích Γ(·) Hàm Gamma csc(x) Hàm lượng giác cosecant B [·, ·, ·] Hàm beta khuyet exp Hàm e mũ 10 max{.} Hàm trǎ ve giá trị lớn nhat 11 mix{.} Hàm trǎ ve giá trị nhǒ nhat 12 arg{x} ∫ b {.}dx Hàm trǎ ve chǐ so cǔa giá trị dãy 13 14 F1 (·, ·; ·; ·) a N Hàm siêu b i Hàm tính tính phân t a đen b N n k k ∑ ( k )x − a Định lý trien khai nhị th c (x + a)n k=0 15 E[.] Kỳ vong cǔa bien ngȁu nhiên 16 V (·) Phương sai cǔa bien ngȁu nhiên 17 H(.) Entropy cǔa bien ngȁu nhiên 18 Thông tin tương hő 19 I(.; ) sup R 20 Pr{.} Bieu th c xác suat 21 R { } Phan thục cǔa m t tín hi u ph c 22 I{.} Phan ǎo cǔa m t tín hi u ph c 23 ∆ Tǐ l entropy có đieu ki n 24 λ Bước sóng cǔa sóng vơ tuyen 26 Ω Đ lợi trung bình cǔa kênh truyen 27 γ Tǐ so tín hi u nhieu (SNR ho c SINR) Giá trị lớn nhat t p giá trị cǔa R viii STT Ký hi u Giái nghĩa ký hi u 28 γe2e SINR nút đích truyen thơng hợp tác 29 γsr SNR/SINR SR 30 γrd SNR/SINR nút đích 31 γm SNR/SINR cǔa kênh hợp pháp 32 γe SNR/SINR cǔa kênh wiretap 33 γs SNR/SINR cǔa SU 35 γp SNR/SINR cǔa PU 35 ν H so pathloss 37 ζ H so đại di n cho môi trường fading hep 38 W T p bǎn tin 39 X T p t mã 40 K T p khóa K 41 M t phiên bǎn thu cǔa bǎn tin W 42 Wˆ B 43 C Dung lượng cǔa kênh truyen 44 CM Dung lượng kênh cǔa kênh hợp pháp 45 CE Dung lượng kênh cǔa kênh wiretap 46 Csu Dung lượng kênh cǔa mạng th cap 47 CE2E Dung lượng kênh t nguon đen đích truyen Băng thơng cǔa kênh truyen thông hợp tác 48 Cp (n) Dung lượng kênh cǔa PU băng tan n 49 Cp (S−Tx) Dung lượng kênh cǔa PU với m c can nhieu cǔa S − Tx 50 (SRi ) Cp Dung lượng kênh cǔa PU với m c can nhieu cǔa SRi 51 (n,k) Dung lượng kênh cǔa EAV th k băng tan n 52 Ce Cs 53 Es Năng lượng thu hoạch trung bình S-Tx 54 fc Tan so sóng mang 55 N0 Cơng suat nhieu AWGN Dung lượng bǎo m t cǔa kênh truyen ix ... không dây Trong tan công chǔ đ ng đ t m t van đe nghiêm trong m t so tình huong đ c bi t mạng thơng tin quân sụ, nghe tr m m t moi đe doa bien moi khía cạnh ng dụng cǔa mạng không dây Trong phạm... nghiên c u • Các nguyên lý, phương pháp bǎo m t thông tin tang v t lý truyen thơng khơng dây • Mơ hình mạng CRN kỹ thu t truyen thơng khơng dây • Các phương pháp đánh giá hi u suat hoạt đ ng... khăn thời sụ nhat cǔa mơ hình mạng CRN Do đó, n i dung lu n án định hướng nghiên c u n i dung đánh giá hi u bǎo m t tang v t lý cho mơ hình truyen thơng cǔa mạng khơng dây t phân tích giǎi pháp nâng