Nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng kỹ thuật phân tập

Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, lĩnh vực truyền thông vô tuyến đang được mở rộng, ngày càng cho thấy những hiệu quả và ưu điểm mà nó mang lại. Tuy nhiên với tính chất mở của kênh truyền, hệ thống vô tuyến dễ gặp phải nhiều vấn đề về bảo mật thông tin, đặc biệt là nghe trộm. Các phương pháp bảo mật hiện nay với việc chú trọng vào sự phức tạp của kỹ thuật như mật mã, mã hóa… vẫn đang cho thấy hiệu quả trong việc đảm bảo an toàn thông tin. Tuy nhiên về lâu về dài, với sự bùng nổ và phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính, cần có những phương pháp bảo mật tốt hơn. Với yêu cầu đặt ra đó, một hướng đi mới được đưa vào nghiên cứu gọi là bảo mật thông tin lớp vật lý, với ý tưởng cơ bản là tận dụng chính các đặc tính sẵn có của kênh truyền để tăng cường bảo mật thông tin mà không cần sử dụng thêm tài nguyên vô tuyến nào. Hiện tại có nhiều hướng nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý như: bảo mật nút chuyển tiếp vật lý, bảo mật kết hợp kỹ thuật phân tập… đã cho thấy những kết quả khả quan và đáng hứa hẹn. Từ đó em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: ‘‘Nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng kỹ thuật phân tập’’. Đồ án này gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về bảo mật thông tin Trình bày tổng quan về bảo mật thông tin nói chung và bảo mật thông tin lớp vật lý nói riêng. Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến Trình bày về các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến nói chung và kỹ thuật phân tập thu nói riêng. Đi vào phân tích các tham số của các loại phân tập thu (MRC, SC) như tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hàm mật độ xác suất và hàm phân bố xác suất. Tạo tiền đề để đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật ở chương sau. Chương 3: Kỹ thuật kết hợp phân tập nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý Chương này đi sâu vào phân tích và tính toán các tiêu chí để đánh giá hiệu năng bảo mật. Kết hợp kỹ thuật phân tập ở đầu thu hợp pháp để nâng cao hiệu năng bảo mật của hệ thống. Chương 4: Mô phỏng các thông số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống Mô phỏng và đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật của hệ thống kết hợp kỹ thuật phân tập ở đầu thu. So sánh hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập SC và MRC. Với việc mô phỏng mô hình sử dụng kỹ thuật kết hợp phân tập tại đầu thu bằng phần mềm Matlab, đồ án đã chứng minh rằng hiệu năng bảo mật của kênh truyền được nâng cao hơn so với mô hình không có phân tập.

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷluật của Khoa

Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Tá Thạch

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 2

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN 2

1.1 Giới thiệu chương 2

1.2 Tổng quan 2

1.2.1 Tổng quan về bảo mật thông tin 2

1.2.2 Các vấn đề bảo mật hệ thống thông tin vô tuyến 2

1.2.3 Một số hạn chế trong bảo mật thông tin hiện nay 2

1.3 Bảo mật thông tin ở lớp vật lý 2

1.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 2: 2

CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2

2.1 Giới thiệu chương 2

2.2 Tổng quan về phân tập trong thông tin vô tuyến 2

2.2.1 Phân tập thời gian 2

2.2.2 Phân tập tần số 2

2.2.3 Phân tập không gian 2

2.3 Các kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu cơ bản 2

2.3.1 Mô hình tín hiệu 2

2.3.2 Kỹ thuật phân tập SC 2

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỷ số lớn nhất-MRC 2

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ 2

3.1 Giới thiệu chương 2

3.2 Phân tích hiệu năng hệ thống cơ bản (BS) 2

3.2.1 Xác suất bảo mật khác không 2

3.2.2 Xác suất dừng bảo mật 2

3.3 Một số hướng nghiên cứu bảo mật thông tin lớp vật lý 2

3.4 Kỹ thuật kết hợp phân tập cải thiện độ an toàn thông tin lớp vật lý 2

3.4.1 Mô hình hệ thống 2

3.4.2 Hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập SC 2

3.4.3 Hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập MRC 2

3.5 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG 2

4.1 Giới thiệu chương 2

4.2 Tham số kênh truyền 2

4.3 Các thông số hiệu năng được đánh giá 2

4.4 Kết quả mô phỏng và so sánh 2

4.4.1 Lưu đồ thuật toán 2

4.4.2 Kết quả mô phỏng 2

4.5 Kết luận chương 2

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 2

1 Kết luận 2

2 Hướng phát triển 2

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

PHỤ LỤC A 2

PHỤ LỤC B 2

PHỤ LỤC C 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MRC Maximal Ratio Combining

SC Selection Combining

EGC Equal Gain Combining

CDF Cumulative Distribution Function

PDF Probability Density Function

SNR Signal-to-Noise Ratio

OP Outage Probability

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc phân lớp của các giao thức truyền thông

Hình 1.2: Mô hình nghe trộm trong mạng vô tuyến

Hình 2.1: SISO - Single Input Single Output

Hình 2.2: SIMO - Single Input Multiple Output

Hình 2.3: MISO - Multiple Input Single Output

Hình 2.4: MIMO - Multiple Input Multiple Output

Hình 2.5: Mô hình phân tập không gian thu

Hình 3.2: Xác suất bảo mật khác không vẽ theo chiều tăng M

Hình 3.3: Xác xuất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng M, R= 0.1

Hình 3.4 Mô hình hệ thống

Hình 3.5: Xác suất bảo mật khác không SC vẽ theo chiều tăng M

Hình 3.7: Xác suất bảo mật khác không MRC vẽ theo chiều tăng M

Hình 3.8: Xác suất dừng bảo mật MRC vẽ theo chiều tăng M, E=5dB, R=0.1Hình 4.1: Mô hình hệ thống

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán xác suất bảo mật khác không SC, MRC

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán xác suất dừng bảo mật SC, MRC

Hình 4.4: Xác suất bảo mật khác không MRC vẽ theo chiều tăng M

Hình 4.5: Xác suất dừng bảo mật MRC vẽ theo chiều tăng M, E=5dB, R=0.1

Hình 4.6: Xác suất bảo mật khác không SC vẽ theo chiều tăng M

Hình 4.7: Xác suất dừng bảo mật SC vẽ theo chiều tăng M, E=5dB, R=0.1

Hình 4.8: So sánh xác suất bảo mật khác không vẽ theo chiều tăng M

Hình 4.9: So sánh xác suất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng M

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, lĩnh vực truyền thông vô tuyến đangđược mở rộng, ngày càng cho thấy những hiệu quả và ưu điểm mà nó mang lại Tuynhiên với tính chất mở của kênh truyền, hệ thống vô tuyến dễ gặp phải nhiều vấn đề

về bảo mật thông tin, đặc biệt là nghe trộm Các phương pháp bảo mật hiện nay vớiviệc chú trọng vào sự phức tạp của kỹ thuật như mật mã, mã hóa… vẫn đang chothấy hiệu quả trong việc đảm bảo an toàn thông tin Tuy nhiên về lâu về dài, với sựbùng nổ và phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính, cần có những phươngpháp bảo mật tốt hơn Với yêu cầu đặt ra đó, một hướng đi mới được đưa vàonghiên cứu gọi là bảo mật thông tin lớp vật lý, với ý tưởng cơ bản là tận dụng chínhcác đặc tính sẵn có của kênh truyền để tăng cường bảo mật thông tin mà không cần

sử dụng thêm tài nguyên vô tuyến nào Hiện tại có nhiều hướng nghiên cứu về bảomật lớp vật lý như: bảo mật nút chuyển tiếp vật lý, bảo mật kết hợp kỹ thuật phântập… đã cho thấy những kết quả khả quan và đáng hứa hẹn Từ đó em chọn đề tài

nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: ‘‘Nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng

kỹ thuật phân tập’’.

Đồ án này gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về bảo mật thông tin

Trình bày tổng quan về bảo mật thông tin nói chung và bảo mật thông tin lớpvật lý nói riêng

- Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

Trình bày về các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến nói chung và kỹthuật phân tập thu nói riêng Đi vào phân tích các tham số của các loại phân tập thu(MRC, SC) như tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hàm mật độ xác suất và hàm phân bố xác

- Chương 3: Kỹ thuật kết hợp phân tập nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý

Chương này đi sâu vào phân tích và tính toán các tiêu chí để đánh giá hiệunăng bảo mật Kết hợp kỹ thuật phân tập ở đầu thu hợp pháp để nâng cao hiệu năngbảo mật của hệ thống

- Chương 4: Mô phỏng các thông số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống

Mô phỏng và đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật của hệ thống kết hợp

kỹ thuật phân tập ở đầu thu So sánh hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuậtphân tập SC và MRC

Với việc mô phỏng mô hình sử dụng kỹ thuật kết hợp phân tập tại đầu thubằng phần mềm Matlab, đồ án đã chứng minh rằng hiệu năng bảo mật của kênhtruyền được nâng cao hơn so với mô hình không có phân tập

Vì thời gian và kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót của

đồ án, em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về bảo mật thông tin nói chung vàbảo mật thông tin lớp vật lý nói riêng

1.2 Tổng quan

Hiện nay, do nhu cầu sử dụng truyền tải thông tin được phát triển mạnh mẽ,nhất là truyền thông tin qua hệ thống vô tuyến đang được áp dụng một cách rộng rãi

và rất đa dạng Do đó, vấn đề bảo mật được các nhà nghiên cứu quan tâm hàng đầu

và đang là tâm điểm nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới nói chung

và trong nước nói riêng

1.2.1 Tổng quan về bảo mật thông tin

Thông tin được truyền đi rất đa dạng như: văn thư, truyền miệng, thư điệntử… Một thông tin được gọi là bảo mật phải dựa vào giá trị thực của nó, có nghĩa làmột khi thông tin được truyền đi và đã được sử dụng thì thông tin đó không còn giátrị nữa, cho dù sau đó có ai đó lấy cắp được thông tin đó thì nó cũng được xem như

là “thông tin được bảo mật”

Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, người sử dụng đặt ra các yêu cầu rấtcao cho thông tin của mình Do tính chất mở của thông tin vô tuyến, các nhà nghiêncứu đã đưa ra nhiều phương pháp để bảo mật chúng như mã hóa, tường lửa, bảo mậtlớp vật lý… Bảo mật thông tin lớp vật lý đang được các nhà nghiên cứu quan tâm

và hứa hẹn sẽ mở ra một phương pháp mới cho tương lai của hệ thống thông tin vôtuyến

1.2.2 Các vấn đề bảo mật hệ thống thông tin vô tuyến

Hiện nay, nhu cầu bảo mật thông tin người sử dụng yêu cầu ngày càng cao nênviệc bảo mật thông tin trong truyền thông vô tuyến không dây đang được các nhà

bá vô tuyến, vì vậy rất khó để ngăn chặn một người nghe trộm cản phá các thông tinliên lạc trong hệ thống vô tuyến không dây.

Cùng với những vấn đề thường gặp trong bảo mật, hệ thống vô tuyến còn phảiđối mặt với những vấn đề do bản chất mở của nó đem lại Thứ nhất, kênh vô tuyến

dễ bị gây nhiễu Một người tấn công có thể dễ dàng gây nhiễu cho kênh truyềnthông vô tuyến và dẫn đến người dùng hợp pháp không thể truy cập vào mạng Loạitấn công này rất khó ngăn chặn vì nó nhắm tới phá vỡ lưu lượng thông tin hơn là ăncắp thông tin Thứ hai, một người tấn công có thể truy xuất tài nguyên mạng vàvượt qua được hạ tầng bảo mật của mạng ví dụ tường lửa Cuối cùng, bởi vì đặctính mở của kênh truyền vô tuyến, người nghe trộm có thể dễ dàng thu được tín hiệu

mà không cần đến các thiết bị phức tạp và đắt tiền Về nguyên lý thì chính nhữngngười dùng hợp pháp trong mạng cũng có thể là người nghe trộm

Giải pháp cho những vấn đề trên được đưa ra dựa trên tiếp cận dạng lớp Vềmặt lịch sử cách tiếp cận này được sử dụng nhằm mục đích đơn giản thiết kế củagiao thức truyền thông, tuy nhiên lại ít được quan tâm về bảo mật Hình 1.1 mô tảnhững lớp khác nhau trong một giao thức vô tuyến đặc trưng và mục đích của từnglớp Ví dụ mã hóa kênh được thực hiện tại lớp vật lí để đảm bảo tất cả các lớp trên

nó hoạt động trong trạng thái không lỗi

Hình 1.1: Kiến trúc phân lớp của các giao thức truyền thông

Xem xét một số giải pháp bảo mật được sử dụng trong một số lớp nhất định, tathấy kỹ thuật trãi phổ được sử dụng tại lớp vật lý để chống lại nhiễu, các cơ chếnhận thực được thực hiện tại lớp liên kết dữ liệu để chống lại việc truy nhập vào cácmạng mà không qua nhận thực và mật mã hóa được sử dụng tại lớp ứng dụng chốnglại việc nghe trộm Tuy nhiên việc nghe trộm cũng là vấn đề liên quan tới lớp vật lý,hiện tại việc chống nghe trộm được thực hiện nhờ lớp ứng dụng Một câu hỏi đặt ra

là liệu có cách nào chống lại việc nghe trộm tại lớp vật lý hay không? Giải quyếtcâu hỏi trên chính là nhiệm vụ bảo mật ở lớp vật lý

1.2.3 Một số hạn chế trong bảo mật thông tin hiện nay

Bảo mật thông tin hiện nay không chỉ còn là bài toán giải quyết phương pháp

mã hóa và giải mã, mà phải quan tâm đến độ xác thực như chữ ký số, nhận thực, độ

mật mã và cài các chuỗi bit bí mật mà chỉ có người gửi và người nhận mới giải mãđược Mục đích là để người nghe trộm khó khăn cho việc giải mã thông tin, phép đonày phụ thuộc vào độ phức tạp của giải thuật tính toán, thời gian giải mã lớn và bộnhớ cần phải lớn để làm tăng khả năng bảo mật thông tin Nhưng thông tin càng mãhóa phức tạp thì dung lượng truyền càng lớn, kéo theo tốc độ truyền tăng Để khắcphục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp để kết hợp bảo mậtthông tin trên thiết kết phần cứng Hướng nghiên cứu này được các nhà khoa họcgọi là “bảo mật thông tin lớp vật lý”.

1.3 Bảo mật thông tin ở lớp vật lý

Những năm gần đây nhiều nghiên cứu cho thấy lớp vật lý có khả năng tăngcường độ bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến Hướng nghiên cứu này được gọi

là bảo mật thông tin ở lớp vật lý Ý tưởng đằng sau bảo mật thông tin ở lớp vật lý làtận dụng các đặc tính của kênh truyền vô tuyến như Fading và nhiễu, để cung cấpbảo mật cho kênh vô tuyến

Những đặc tính trên theo quan điểm truyền thống được xem là nhân tố là giảmchất lượng hệ thống, thì theo quan điểm bảo mật lớp vật lý chúng làm tăng độ tincậy và độ bảo mật của hệ thống Trong phần này sẽ trình bày các khái niệm cơ bảntrong bảo mật lớp vật lý, phần này cũng đưa ra một số mô hình thường gặp trongbảo mật lớp vật lý như kênh nghe trộm, kênh chính

Trước hết ta xét mô hình có 3 nút như sau:

Hình 1.2: Mô hình nghe trộm trong mạng vô tuyến Trong hình 1.2 mô tả quá trình truyền thông giữa T1 và T2, bị nghe lén bởiT3 Kênh truyền thông giữa hai người dùng hợp pháp T1 và T2 được gọi là kênhchính (main channel), kênh giữa T1 và T3 được gọi là kênh nghe trộm(eavesdroppers’ channel).

Tín hiệu vô tuyến thu được tại ngõ ra của kênh chính và kênh nghe trộmthường khác nhau, do đặc tính của kênh truyền gây ra, trong đó ảnh hưởng nhiềunhất là fading và path-loss Như vậy nếu khoảng cách truyền của kênh chính nhỏhơn nhiều so với kênh nghe trộm thì có thể kì vọng tín hiệu nhận được tại T3 kémhơn nhiều so với tín hiệu nhận được tại T2, thậm chí trong trường hợp bị suy haoquá lớn đến nỗi T3 không thể giải mã được Ví dụ khi T1 đang quảng bá một đoạnvideo thì lúc này tín hiệu nhận được tại T3 giảm rõ rệt so với tại T2 Như vậy ýtưởng tận dụng đặc tính kênh truyền vô tuyến vào bảo mật đã cho thấy những tínhiệu khả quan nhất định

Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy lớp vật lý có khả năng bảo mật thông tin

kênh truyền vô tuyến như fading và nhiễu có thể tận dụng cho khả năng bảo mậtthông tin vô tuyến Hiện nay có rất nhiều phương pháp an toàn thông tin vô tuyếnlớp vật lý được các nhà nghiên cứu quan tâm như: Bảo mật thông tin các nút chuyểntiếp, bảo mật thông tin kết hợp kỹ thuật phân tập, v.v.

Trong khuôn khổ đồ án này sẽ trình bày phương pháp bảo mật thông tin lớpvật lý dùng kỹ thuật phân tập

1.4 Kết luận chương

Trong chương này trình bày khái quát về bảo mật thông tin vô tuyến nói chung

và bảo mật thông tin lớp vật lý nói riêng Đưa ra mô hình nghe trộm trong mạng vôtuyến và chỉ ra ý tưởng rằng tận dụng đặc tính của kênh truyền vô tuyến vào bảomật sẽ cho những tín hiệu khả quan nhất định

CHƯƠNG 2:

CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật phân tập vô tuyến nóichung và kỹ thuật phân tập thu nói riêng Đồng thời sẽ đi sâu vào phân tích các kỹthuật kết hợp phân tập không gian thu cơ bản như MRC, SC và EGC

2.2 Tổng quan về phân tập trong thông tin vô tuyến

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, để hạn chế ảnh hưởng của fading (gây rabởi hiện tượng đa đường) và nâng cao chất lượng kênh truyền, một trong nhữngphương pháp được sử dụng rộng rãi chính là phân tập Phân tập nói cách đơn giản làtruyền cùng một tín hiệu trên các đường truyền có tham số độc lập với nhau và chịuảnh hưởng bởi fading khác nhau Bởi vậy tại đầu thu sẽ thu được các tín hiệu khácnhau Nếu kết hợp các tín hiệu thu này một cách thích hợp có thể thu được tín hiệutổng hợp tốt nhất, ít chịu ảnh hưởng của fading nhất

Các phương pháp phân tập sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến đượcphân loại như sau: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian

2.2.1 Phân tập thời gian

Là phương pháp thực hiện truyền một tín hiệu tại những thời điểm cách nhau

đủ xa, đồng nghĩa với việc truyền cùng một thông tin trên các đường truyền độc lậpnhau Nhược điểm của phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất băng thông do

có sự dư thừa trong miền thời gian

2.2.2 Phân tập tần số

Là phương pháp sử dụng một tập hợp các tần số với khoảng cách đủ lớn để

Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn phổ tần số, đồng thời trên mỗi nhánhcần sử dụng một máy thu phát tần riêng.

2.2.3 Phân tập không gian

Kỹ thuật phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, sử dụng nhiềuanten phát hoặc thu hoặc cả hai để đạt được sự phân tập Trong phân tập khônggian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừatrong miền không gian Nếu các anten có khoảng cách đủ lớn, thường là lớn hơnmột nữa bước sóng, tín hiệu tương ứng với mỗi anten sẽ không tương quan vớinhau

Phân tập không gian đảm bảo việc sử dụng hiệu quả băng thông tín hiệu nhờ sửdụng nhiều anten thu phát Tuy nhiên có một hạn chế lớn là không thể sử dụngnhiều anten thu ở các thiết bị cầm tay do giới hạn về kích thước cũng như công suất

2.2.3.1 Hệ thống SISO

Đây là một kênh truyền vô tuyến đúng chuẩn Máy phát và máy thu truyền vànhận tín hiệu chỉ sử dụng một anten Hệ thống này không có phân tập và không yêucầu phải xử lý thêm tín hiệu

Hình 2.1: SISO - Single Input Single Output

Ưu điểm lớn nhất của cấu hình này tính đơn giản Tuy nhiên hiệu suất của hệ thống có nhiều hạn chế Nhiễu và fading ảnh hưởng lớn đến hệ thống nhiều hơn là các mô hình MIMO khác có sử dụng kỹ thuật phân tập

2.2.3.2 Hệ thống SIMO

Hệ thống SIMO sử dụng một anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu.Phương pháp này còn được gọi là phân tập thu Máy thu sẽ nhận nhiều tín hiệu từ

Hình 2.2: SIMO - Single Input Multiple Output

Hệ thống SIMO có ưu điểm là nó có thể được thực hiện tương đối dễ dàng,thích hợp với nhiều ứng dụng Tuy nhiên, một nhược điểm khá lớn là nó đòi hỏiphải có bộ xử lý phức tạp tại máy thu Các thiết bị thu như điện thoại di động phải

có kích thước lớn, giá cả cao và đòi hỏi nguồn pin cung cấp phải đủ lớn

2.2.3.3 Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thốngMISO Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ

đó cải thiện chất lượng tín hiệu

Hình 2.3: MISO - Multiple Input Single Output

Hệ thống MISO đã khắc phục được nhược điểm của hệ thống SIMO (phân tậpthu) bởi vì toàn bộ hệ thống anten và bộ xử lý phức tạp ở máy thu đã được chuyểnsang trạm phát Ưu điểm này rất quan trọng vì nó làm giảm đáng kể kích thước, giáthành và năng lượng tiêu thụ của thiết bị di động, làm cho tuổi thọ của nguồn pintăng lên và hơn nữa lại phù hợp với thị hiếu của người sử dụng

2.2.3.4 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu Hệthống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thunhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống tốt nhất

Hình 2.4: MIMO - Multiple Input Multiple Output

Để đạt được những lợi ích từ hệ thống MIMO thì việc cần thiết là phải sửdụng phương pháp mã hóa kênh truyền để tách rời và độc lập hóa tín hiệu từ cácđường truyền khác nhau Phương pháp mã hóa phải có tốc độ xử lý cao đồng thờicũng phải đảm bảo được dung lượng cực lớn cho kênh truyền

Tóm lại, có nhiều dạng cấu hình cho một hệ thống MIMO, từ SISO đếnSIMO, MISO và tổng quát nhất là MIMO Tất cả các dạng cấu hình trên đều chonhững cải thiện đáng kể về hiệu quả sử dụng kênh Tuy nhiên ta cũng cần quan tâmđến chi phí của các bộ xử lý và số lượng anten được sử dụng Vì vậy khi lựa chọnmột cấu hình để ứng dụng cho hệ thống thông tin di động thì sự cân bằng giữa cácyếu tố này là điều rất cần thiết

Tiếp theo trong chương này sẽ tập trung phân tích phân tập không gian thu, cụthể là các kỹ thuật kết hợp phân tập MRC (Maximal Ratio Combining), SC(Selection Com-bining) và EGC (Equal- Gain Combining)

2.3 Các kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu cơ bản

2.3.1 Mô hình tín hiệu

Xét mô hình tín hiệu như hình 2.5 Tín hiệu được truyền từ đầu phát Tx tớiđầu thu Rx Tại đầu thu Rx có M anten để thực hiện phân tập

Hình 2.5: Mô hình phân tập không gian thuTrong mô hình phân tập không gian thu trên, tín hiệu đi nhiều đường có tham

số kênh truyền độc lập nhau đến các anten thu khác nhau được kết hợp lại để thuđược tín hiệu kết quả, sau đó được đưa qua bộ điều chế chuẩn Việc kết hợp tín hiệu

có thể được thực hiện bằng nhiều cách với độ phức tạp và hiệu quả khác nhau Hầuhết các kỹ thuật kết hợp đều là tuyến tính, tức là ngõ ra của bộ kết hợp là tổng trọng

số của các nhánh như hình 2.6

Hình 2.6: Kết hợp tuyến tínhViệc kết hợp tín hiệu từ nhiều nhánh phân tập khác nhau yêu cầu sự đồng phatrong khi pha của tín hiệu trên các nhánh là độc lập nhau Quá trình đồng pha tínhiệu i của nhánh thứ i được thực hiện bằng việc thực hiện nhân các trọng số

Hình 2.7: Phân tập thu SCXét hệ thống M anten ở đầu thu như sau:

Gọi 1, 2, 3 M lần lượt là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời của kênh thứ ivới i= {1, 2, 3…, M}.

Nguyên tắc thu SC như sau:

kỹ thuật phân tập SC như sau:

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỷ số lớn nhất-MRC

Phương pháp này được đề xuất bởi Kahn năm 1954, thực hiện bằng cách nhântrọng số cân xứng với tỷ số SNR của các nhánh Sau đó điều chỉnh các nhánh đồngpha rồi kết hợp lại với nhau để thu được tỷ số SNR lớn nhất

Hình 2.8 Phân tập MRCGiả sử một hệ thống đa anten thu nhận được M bản sao tín hiệu qua M đườngđộc lập nhau Tín hiệu thu được tại anten thu thứ i sẽ là :

i = 1, ,M

y h n  

Với h i a e i ji

 Tại các anten tín hiệu thu được sẽ được nhân với các trọng số

w i=g i e−j θi, tín hiệu kết hợp thu được sẽ là :

=

M

i i i

g a



Sử dụng bất đẳng thức Chauchy-Swart để maximum phương trình, kết quả tađược:

M

i M i

i i

k k

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp đồng độ lợi EGC

Kỹ thuật MRC yêu cầu phải biết chính xác trọng số trên mỗi nhánh phân tập,

do đó khá phức tạp Một phương pháp đơn giản hơn nhiều được gọi là EGC, thựchiện bằng cách đồng pha tín hiệu tại các nhánh, sau đó nhân với trọng số cùng độlớn rồi kết hợp với nhau

Hình 2.9: Phân tập thu EGC

Ta có tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống được cho bởi công thức [2, 7.24tr201]:

2

1 0

i i

2.4 Kết luận chương

Chương này đã trình bày về kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến nóichung và phân tập thu nói riêng Đi sâu vào phân tích các tham số của các loại phântập thu (MRC, SC, EGC) như tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hàm mật độ xác suất và hàmphân bố xác suất Tạo tiền đề để nghiên cứu và đánh giá các thông số hiệu năng bảomật khi sử dụng kỹ thuật phân tập ở chương sau

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ 3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày hệ thống bảo mật thông tin lớp vật lý cơ bản,các tiêu chí để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống và kết hợp các kỹ thuậtphân tập dùng cho hệ thống có nhiều ăng-ten ở phía thu hợp pháp để nâng cao hiệunăng bảo mật của hệ thống

3.2 Phân tích hiệu năng hệ thống cơ bản (BS)

Xét hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm một máy phát (Tx) và một máy thu (Rx) dưới sự nghe lén của một người nghe trộm (E) Mô hình cơ bản của hệ thống như sau:

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cơ bản

Hệ thống này, dữ liệu sẽ được truyền từ máy phát (Tx) đến máy thu (Rx), dotính chất mở của kênh truyền vô tuyến dữ liệu này cũng được nhận bởi một máy thu

C  C  C

Tiếp theo ta sẽ phân tích các tham số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệthống Về cơ bản ta sẽ đánh giá 2 tham số chính là xác suất bảo mật khác không vàxác suất dừng bảo mật

3.2.1 Xác suất bảo mật khác không

Dựa vào định nghĩa của dung lượng bảo mật ta thấy xác suất bảo mật kháckhông là xác suất mà dung lượng Shannon của kênh chính lớn hơn dung lượngShannon của kênh nghe trộm, thể hiện dưới dạng toán học như sau:

Pr( CM  CE)

Với

2 0

M M

P h N

 

và

2 0

E E

P h N

Xét hệ thống ở kênh truyền Rayleigh fading ta có hàm phân bố xác suất (CDF)

và hàm mật độ xác suất (PDF) có dạng như sau:

M M

1 1

Hình 3.2: Xác suất bảo mật khác không vẽ theo chiều tăng M

Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy rằng xác suất bảo mật khác không tăngkhi tỷ số SNR của kênh chính tăng và giảm khi SNR của kênh nghe trộm tăng Khi

M

 rất lớn so với E, xác suất dung lượng bảo mật khác không tiến tới 1 và ngược

lại khi E rất lớn so với M, xác suất dung lượng bảo mật khác không tiến tới 0.Nghĩa là khi SNR kênh chính càng lớn thì truyền thông càng an toàn

E

R M

Hình 3.3: Xác xuất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng M, R= 0.1

Nhận xét: Hình mô tả xác suất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng M với một số

giá trị E cho trước, R= 0.1 Khi M tăng thì xác xuất dừng bảo mật giảm, E tăngthì xác xuất dừng bảo mật tăng

3.3 Một số hướng nghiên cứu bảo mật thông tin lớp vật lý

Từ việc phân tích các thông số hiệu năng ở trên cho thấy khi tăng dung lượngcủa kênh chính, dung lượng bảo mật sẽ được nâng cao Để thực hiện được điều đó,

ta có thể tăng công suất nguồn phát, tuy nhiên việc này cũng vô tình làm tăng hiệusuất thu của người nghe trộm Như vậy để đảm bảo độ tin cậy an toàn thông tin thìhướng nghiên cứu bảo mật thông tin lớp vật lý phải đạt yêu cầu là tối ưu hoá dung

bảo mật thông tin ở lớp vật lý đang được nghiên cứu theo hướng như bảo mật cácnút chuyển tiếp, bảo mật lớp vật lý kết hợp kỹ thuật phân tập… Trong khuôn khổ đồ

án này sẽ trình bày chi tiết phương pháp nâng cao bảo mật sử dụng kỹ thuật phântập

3.4 Kỹ thuật kết hợp phân tập cải thiện độ an toàn thông tin lớp vật lý

Bằng các phương pháp kỹ thuật phân tập kết hợp nhằm cải thiện tỷ số tín hiệutrên nhiễu tại đầu thu trên kênh chính, từ đó nâng cao dung lượng bảo mật của hệthống Một điểm đáng chú ý ở đây là có thể giảm công suất nguồn phát để giảmhiệu suất trên kênh nghe trộm và kết hợp sử dụng phân tập thì vẫn có thể duy trìhiệu suất trên kênh chính Phần này sẽ đi sâu vào phân tích hiệu năng bảo mật hệthống của mô hình đầu thu sử dụng nhiều an-ten để thực hiện các kỹ thuật kết hợpphân tập MRC và SC Các kết quả tính toán trên cơ sở lý thuyết đã bước đầu chứngminh phân tập cho phép nâng cao đáng kể hiệu năng bảo mật hệ thống

3.4.1 Mô hình hệ thống

Xét một mô hình hệ thống như hình 3.4 bao gồm một máy phát Tx và mộtmáy thu Rx thực hiện quá trình truyền thông dưới sự nghe lén của máy nghe trộmE

Hình 3.4 Mô hình hệ thốngQuá trình thực hiện tính toán lý thuyết cho trường hợp tại máy thu có M an-tenphân tập và máy nghe lén E chỉ có một an-ten Các kỹ thuật phân tập được trình bày

ở đây là MRC và SC

3.4.2 Hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập SC

3.4.2.1 Xác suất bảo mật khác không

Dựa vào định nghĩa của dung lượng bảo mật thông tin, ta dễ dàng thấy xácsuất bảo mật khác không là xác suất mà dung lượng Shannon của kênh dữ liệu lớnhơn dung lượng Shannon của kênh nghe trộm, biểu diễn dưới dạng toán học ta có

M 1

M E

M

M

M M

M M

1 1

Hình 3.5: Xác suất bảo mật khác không SC vẽ theo chiều tăng M

Nhận xét: Dùng kỹ thuật phân tập SC trên kênh chính, E=5dB thì kết quả tốthơn nhiều so với hệ thống cơ bản Dễ thấy SNR của kênh chính nhỏ hơn kênh nghetrộm thì khả năng an toàn của hệ thống vẫn cao và khả năng này càng tăng khi sốnhánh phân tập càng tăng

3.4.2.2 Xác suất dừng bảo mật

Gọi R là tốc độ bảo mật mong muốn của hệ thống, ta có thể biểu diễn xác suấtdừng bảo mật hệ thống như sau:

Hình 3.6: Xác suất dừng bảo mật SC vẽ theo chiều tăng M, E=5dB, R=0.1Nhận xét: Hình 3.6 mô tả xác suất dừng của dung lượng bảo mật khi kết hợpphân tập SC ở kênh thu hợp pháp Theo hình cho thấy khi số lượng anten của kênhthu hợp pháp tăng thì khả năng dừng của hệ thống càng thấp Kết quả cũng cho thấykhi SNR của kênh chính nhỏ hơn kênh nghe trộm thì vẫn tồn tại xác suất nhỏ hơn 1,

có nghĩa là hệ thống vẫn có khả năng bảo mật

3.4.3 Hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập MRC

3.4.3.1 Xác suất bảo mật khác không

Dựa vào định nghĩa của dung lượng bảo mật thông tin, ta dễ dàng thấy xácsuất bảo mật khác không là xác suất mà dung lượng Shannon của kênh dữ liệu lớnhơn dung lượng Shannon của kênh nghe trộm, biểu diễn dưới dạng toán học ta có

M M

M E M

M M