Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu

Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễuĐánh giá hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp đa chặng Cluster với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - VÕ ANH TRUNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG CLUSTER VỚI KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP VÀ NÚT TẠO NHIỄU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2016 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - VÕ ANH TRUNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG CLUSTER VỚI KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP VÀ NÚT TẠO NHIỄU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN TRUNG DUY THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Võ Anh Trung ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Trần Trung Duy hướng dẫn tận tình, bảo em suốt trình thực luận văn Thầy trang bị cho em kiến thức vô quý báu để em vững tin bước tiếp đường Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức quan trọng suốt thời gian học tập Học Viện, đồng thời tạo cho em điều kiện làm việc phòng thí nghiệm thông tin vô tuyến Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông (Wireless Communication Lab, PTIT-Tp.HCM) Bên cạnh em xin cảm ơn quý anh chị bạn khóa cao học 2014-2016 động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (Nafosted, 102.01 – 2014.33) tài trợ tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Võ Anh Trung iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH .VI LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Bảo mật lớp vật lý 1.1.1 Khái niệm ưu điểm bảo mật lớp vật lý 1.1.2 Bảo mật lý thuyết thông tin 1.1.3 Giao tiếp bảo mật kênh nhiễu 1.2 Truyền thông đa chặng 16 1.2.1 Sơ lược truyền thông đa chặng 16 1.2.2 Truyền thông đa chặng mạng cụm (cluster network) 17 1.3 lý chọn đề tài 18 CHƯƠNG - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 21 2.1 Mô hình nghiên cứu 21 2.2 Mô hình kênh truyền nhiễu đồng kênh 22 2.3 Các mô hình chọn lựa cặp nút chuyển tiếp tạo nhiễu 24 2.3.1 Mô hình BR-BJ (BEST RELAY-BEST JAMMER) 24 2.3.2 Mô hình BR-RJ (BEST RELAY-RANDOM JAMMER) 30 2.3.3 Mô hình RR-RJ (RANDOM RELAY-RANDOM JAMMER) 30 CHƯƠNG - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT 32 3.1 Định nghĩa xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability) 32 3.2 Mô hình RR-RJ (RANDOM RELAY-RANDOM JAMMER) 33 3.3 Mô hình BR-RJ (BEST RELAY-RANDOM JAMMER) 36 3.4 Mô hình BR-BJ (BEST RELAY-BEST JAMMER) 38 iv 3.5 Tính Pn trường hợp đặc biệt   41 3.5.1 Mô hình RR-BJ 42 3.5.2 Mô hình BR-BJ mô hình BR-RJ 42 CHƯƠNG - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 44 4.1 Kết mô monte-carlo 44 4.2 Kết lý thuyết 44 4.3 Kết biện luận kết 45 CHƯƠNG - KẾT LUẬN 53 5.1 Kết luận 53 5.2 Các kết đạt 53 5.3 Hướng phát triển đề tài 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt BR-BJ Tiếng Anh Best Relay-Best Jammer Tiếng Việt Nút chuyển tiếp tốt nhất-Nút tạo nhiễu tốt BR-RJ Best Relay-Random Jammer Nút chuyển tiếp tốt nhất-Nút tạo nhiễu ngẫu nhiên CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DF Decode-and-Forward Giải mã-và-chuyển tiếp PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất SOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mật Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời TDMA gian RF RR-RJ Randomize-and-Forward Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp Random Relay-Random Jammer Nút chuyển tiếp ngẫu nhiên-Nút tạo nhiễu ngẫu nhiên vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc giao thức lớp Hình 1.2 Minh họa bối cảnh nghe mạng vô tuyến Hình 1.3 Hệ thống mật mã Shannon Hình 1.4 Mô hình Wyner giao tiếp bảo mật Hình 1.5 Cấu trúc tổ mã wire-tap 11 Hình 1.6 Mô hình kênh cho việc tạo khóa bảo mật 12 Hình 1.7 Mô hình truyền thông đa chặng dạng cụm (cluster network) 17 Hı̀ nh 2.1.Mô hình nghiên cứu luận văn 21 Hı̀nh 2.2 Mô hình kênh truyền giao thoa đồng kênh 23 Hı̀ nh 2.3.Sự truyền liệu chặng thứ 25 Hình 2.4 Sự truyền liệu chặng cuối 29 Hı̀ nh 4.1.Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm P / N (dB) kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe không sử dụng 45 Hı̀ nh 4.2.Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm P / N (dB) 47 Hı̀nh 4.3 Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số số chặng nguồn đích 48 Hı̀ nh 4.4.Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số số nút cụm 49 Hı̀ nh 4.5.Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số hệ số phân chia công suất  50 Hı̀ nh 4.6.Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số tung độ yE 51 LỜI MỞ ĐẦU Trong vài năm gần đây, vấn đề mạng chuyển tiếp đa chặng có tăng cường truyền thông cộng tác bắt đầu quan tâm nhà nghiên cứu Sơ đồ chuyển tiếp đa chặng mà nút nguồn xa nút đích xem xét nhiều mạng vô tuyến mạng ad-hoc mạng cảm biến vô tuyến Bằng cách sử dụng việc chuyển tiếp liệu nút nguồn thông qua nhiều chặng, sơ đồ giảm thiểu tiêu hao công suất tăng cường hiệu phổ so sánh với truyền thông trực tiếp nguồn đích Thông thường, phương pháp đa chặng, liệu nút nguồn chuyển chặng từ nguồn đến đích với trợ giúp nút trung gian Hiệu phần lớn phụ thuộc vào chuyển tiếp chặng có chất lượng Mặc dù việc triển khai giao thức dễ dàng, hiệu lại giảm đáng kể môi trường kênh truyền fading Để giải vấn đề này, chiến thuật truyền thông cộng tác sử dụng để tăng cường độ tin cậy việc truyền liệu chặng Nhiều tác giả nghiên cứu sơ đồ chuyển tiếp đa chặng dạng cụm (cluster network) mà chuyển tiếp phân tập hai cụm liền kề nhận thông tin trạng thái kênh truyền nút cụm Gần đây, bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến trở thành chủ đề thu hút nhiều tác giả Ý tưởng bảo mật lớp vật lý sử dụng tính chất vật lý kênh truyền vô tuyến để đảm bảo giao tiếp bảo mật mà không cần dùng đến việc mã hóa Tuy nhiên, hầu hết công trình công bố chủ yếu tập trung vào giao thức chặng hai chặng, sử dụng phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tốt để tăng cường dung lượng bảo mật Một vấn đề khác hệ thống giao tiếp bảo mật dùng khuếch đại-và- chuyển tiếp nút chuyển tiếp không đáng tin đánh giá Tiếp đó, giao thức chuyển tiếp hai chặng với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu khác để xuất phân tích Những phương pháp tăng cường đáng kể bảo mật mạng vô tuyến; nhiên triển khai mà đòi hỏi đồng hoàn hảo nút khó thực Nhiều tác giả xem xét phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu mạng chuyển tiếp hai chiều, kết thu cho kết vượt trội thông thường Theo hiểu biết tốt học viên, có công trình nghiên cứu công bố chuyển tiếp đa chặng bảo mật lớp vật lý Xác suất dừng bảo mật chuyển tiếp đa chặng xem xét đến, nhiên giao thức này, chuyển tiếp phân tập chặng không dùng để nâng cao hiệu hệ thống Việc nghiên cứu đánh giá xác suất dừng bảo mật dung lượng bảo mật hệ thống mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cluster với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tốt kỹ thuật giải mã chuyển tiếp thông thường đưa Tuy nhiên công trình chưa có xem xét việc chọn lựa nút tạo nhiễu để nâng cao hiệu bảo mật Trong luận văn này, học viên xem xét chọn lựa cặp nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu cụm để đánh giá hiệu bảo mật mô hình Đồng thời luận văn xem xét đến thông tin trạng thái kênh truyền đến nút nghe sẵn có hay không sẵn có, để từ đề xuất chiến lược lựa chọn cặp nút chuyển tiếp nút nghe tối ưu Luận văn trình bày theo bốn chương, cụ thể sau: Chương – Lý thuyết tổng quan Chương – Mô hình hệ thống Chương – Đánh giá hiệu bảo mật Chương – Kết mô Chương – Kết luận 43 Kết hợp (3.35), (3.37) (3.40), ta tính Pn (với n  1, 2, , M  ) biểu thức tường minh sau: Kn t 1 Pn     1 CKt n t 1 Tn 1 , E  1   exp  tD ,n  Tn 1 , E  tD ,n    (3.41) Xét riêng trường hợp n  M , sử dụng (3.38), ta có: PM   TM 1 , E  1  exp  D ,M  D,M   TM 1 ,E    (3.42) Cuối cùng, ta đạt biểu thức xác suất dừng chung cho hai giao thức BR-BJ BR-RJ sau:  Kn Tn1 , E    t 1       1 CKt n exp  t D,n  Tn 1 ,E  tD ,n     n 1   t 1 M 1 OPSec  TM 1 , E D ,M   TM 1 ,E  1   exp  D,M     (3.43) 44 CHƯƠNG - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Kết mô Monte-Carlo Trong phần này, mô máy tính Monte-Carlo thực để kiểm chứng đánh giá toán học trình bày Chương Các kết mô thực MATLAB Trong kết mô phỏng, 5*105 phép thử thực hiện, giá trị xác suất dừng bảo mật tính số lần hệ thống dừng bảo mật chia cho số phép thử Môi trường mô hệ trục tọa độ hai chiều Oxy Giả sử nút nguồn T0 đặt cố định gốc toạ độ (0, 0), nút cụm thứ n  n  1, 2, , M  giả sử nằm trục Ox với hoành độ n / M (cụ thể toạ độ nút Rn,1 , Rn ,2 , , Rn, Kn  n / M ,  Với cách xếp vậy, khoảng cách nút hai cụm kề d n  / M Hơn nữa, vị trí nút nghe mạng khảo sát  xE , yE  với xE yE hoàng độ tung độ nút E Vì vậy, ta tính khoảng cách ln1  nút   n  1 / M  x  E nút E là: ln  chuyển tiếp Tn 1 đến nút E sau:  yE2 Tương tự, khoảng cách nút tạo nhiễu J n đến  n / M  xE   yE2 Trong tất mô máy tính, hệ số suy hao đường truyền  cố định (   ) Do đó, tham số đặc trưng biến ngẫu nhiên D ,n  dn3 E ,n  ln3 Trong hình vẽ, kết mô đánh dấu ký hiệu chữ MP 4.2 Kết lý thuyết Kết lý thuyết vẽ cách nhập công thức tìm Chương vào phần mềm m.file MATLAB Cụ thể, xác suất dừng bảo 45 mật mô hình RR-RJ vẽ công thức (3.15), mô hình BR-RJ vẽ công thức (3.22) mô hình BR-BJ xác định công thức (3.33) Hơn nữa, nhiễu nhân tạo không sử dụng, xác suất dừng bảo mật mô hình RR-RJ vẽ công thức (3.39) hai mô hình BR-BJ BR-RJ vẽ công thức (3.43) Trong tất hình vẽ, kết lý thuyết biểu thị đường thằng liền nét ký hiệu chữ LT 4.3 Kết biện luận kết Hınh ̀ 4.1 : Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm P / N (dB) kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe không sử dụng Hình vẽ 4.1: Xác suất dừng bảo mật OPSec vẽ hàm tỷ số công suất tín hiệu nhiễu P / N (dB) mô hình không sử dụng kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo (   ) Các thông số: Số chặng nguồn đích ( M  ), số nút chứa cụm K1  , K  K  , hệ số phân chia công suất ( 46   ), ngưỡng dừng 0.1 0.5 ( Cth  0.1, 0.5 ), hoàng độ tung độ nút nghe 0.5 ( xE  y E  0.5 ) Các lưu ý: Khi   , hiệu xác suất dừng bảo mật hai mô hình BR-BJ BR-RJ tương đương Cũng vậy, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo không sử dụng, số nút cụm cuối không ảnh hưởng đến hiệu bảo mật mô hình Do đó, ta thiết lập giá trị ( K  1) mô Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.1, ta thấy kết sau: - Giá trị OPSec mô hình ban đầu giảm dần giá trị P / N tăng Tuy nhiên, P / N tăng đến giá trị đó, giá trị OPSec không giảm mà hội tụ giá trị xác định, giá trị không phụ thuộc vào P / N - Hai mô hình BR-BJ BR-RJ đạt hiệu bảo mật cao (giá trị OPSec thấp hơn) mô hình RR-RJ Nguyên nhân hai mô hình BR-BJ BR-RJ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp phân tập để nâng cao dung lượng truyền liệu - Giá trị OPSec giảm ngưỡng dừng Cth giảm - Các kết mô (MP) lý thuyết (LT) trùng khớp nhau, điều kiểm chứng cho phân tích lý thuyết Chương 47 Hı̀nh 4.2 : Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm P / N (dB) Hình vẽ 4.2: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec vẽ hàm tỷ số công suất tín hiệu nhiễu P / N (dB): Các thông số: Số chặng nguồn đích ( M  ), số nút chứa cụm ( K1  K  K  ), hệ số phân chia công suất 0.9 (   0.9 ), ngưỡng dừng 0.5 ( Cth  0.5 ), hoàng độ tung độ nút nghe 0.5 ( xE  y E  0.5 ) Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.2, ta thấy kết sau: - Khác với hình vẽ 4.1, xác suất dừng bảo mật OPSec hình vẽ 4.2 giảm giá trị P / N tăng Nguyên nhân mô 4.2, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe E sử dụng - Mô hình BR-BJ đạt giá trị OPSec thấp nhất, mô hình RR-RJ có giá trị OPSec cao Ta giải thích điều sau: mô hình BR-BJ đạt hiệu tốt mô hình kết hợp hai kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp tốt chọn lựa nút tạo nhiễu tốt 48 - Ở giá trị P / N thấp, hai giao thức BR-BJ BR-RJ có hiệu bảo mật gần nhau, nhiên tăng P / N độ lợi hiệu hai mô hình tăng - Các kết mô (MP) lý thuyết (LT) trùng khít với nhau, lần chứng tỏ đắn phân tích lý thuyết Chương Hı̀nh 4.3: Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số số chặng nguồn đích Hình vẽ 4.3: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec vẽ hàm số chặng M nguồn đích Các thông số: Tỷ số công suất phát nhiễu 10 dB ( P / N  10 dB ), số nút chứa cụm ( K n  ), hệ số phân chia công suất 0.9 (   0.9 ), ngưỡng dừng 0.5 ( Cth  0.5 ), hoàng độ tung độ nút nghe 0.5 ( xE  yE  0.5 ) Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.3, ta thấy kết sau: - Xác suất dừng bảo mật OPSec thay đổi số chặng M tăng Đối với mô hình RRRJ, giá trị OPSec giảm đến giá trị cực tiểu tăng dần lên Trong hình vẽ 49 4.3, hiệu bảo mật mô hình RR-RJ tốt số chặng Đối với 02 mô hình lại, giá trị OPSec giảm theo tăng số chặng Tuy nhiên, giá trị M lớn OPSec giảm nhẹ M tăng - Khi số chặng M = 1, hai mô hình BR-RJ RR-RJ có hiệu bảo mật Hınh ̀ 4.4: Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số số nút cụm Hình vẽ 4.4: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec vẽ hàm số nút cụm Để thực mô này, ta giả sử số nút chứa cụm K ( K n  K , n ) Các thông số: Tỷ số công suất phát nhiễu 15 dB ( P / N  15 dB ), số chặng ( M  ), hệ số phân chia công suất 0.9 (   0.9 ), ngưỡng dừng ( Cth  ), hoàng độ tung độ nút nghe 0.5 ( xE  y E  0.5 ) Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.4, ta thấy kết sau: 50 - Xác suất dừng bảo mật OPSec hai mô hình BR-BJ BR-RJ giảm số lượng nút cụm tăng lên - Xác suất dừng bảo mật OPSec mô hình RR-RJ không phụ thuộc vào số lượng nút cụm (với điều kiện M phải lớn 2) - Khi số nút cụm ( K =2 ), hiệu hai mô hình BR-BJ BRRJ tương đương Hı̀nh 4.5: Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số hệ số phân chia công suất  Hình vẽ 4.5: Trong hình vẽ này, xác suất dừng bảo mật OPSec vẽ hàm hệ số phân chia công suất  Các thông số: Tỷ số công suất phát nhiễu dB ( P / N  dB ), số chặng ( M  ), số nút cụm ( K1  K  ), ngưỡng dừng 0.25 ( Cth  0.25 ), hoàng độ tung độ nút nghe 0.5 ( xE  y E  0.5 ) Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.5, ta thấy kết sau: 51 - Đối với tất giao thức, tồn giá trị  để giá trị OPSec thấp Ví dụ, mô hình BR-RJ, giá trị tối ưu  hình vẽ khoảng 0.4, điều có nghĩa rằng: hệ thống sử dụng giao thức BR-RJ công suất phát tối ưu nút chuyển tiếp 0.4P, công suất phát tối ưu nút tạo nhiễu 0.6 P - Mô hình BR-BJ đạt hiệu bảo mật tốt mô hình BR-RJ tất giá trị  (trừ trường hợp   ) Hınh ̀ 4.6: Xác suất dừng bảo mật OPSec hàm số tung độ yE Hình vẽ 4.6: Hình vẽ khảo sát ảnh hưởng vị trí nút nghe E lên giá trị xác suất dừng bảo mật OPSec Để thực điều này, ta cố định hoàng độ xE nút nghe thay đổi giá trị tung độ yE Các thông số: Tỷ số công suất phát nhiễu 15 dB ( P / N  15dB ), hệ số phân chia công suất 0.7 (   0.7 ), số chặng ( M  ), số nút cụm K1  , K  , K  K  , ngưỡng dừng ( Cth  ), hoàng độ nút nghe 0.5 ( xE  0.5 ) 52 Biện luận kết quả: Nhìn vào hình vẽ 4.6, ta thấy kết sau: - Giá trị OPSec tất giao thức giảm giá trị yE tăng Đó yE tăng, nút nghe E cách xa nút tuyến nguồn đích, khả nghe nút E suy giảm - Khi nút E gần nút truyền liệu ( yE nhỏ), mô hình BR-BJ đạt hiệu bảo mật cao nhiều so sánh với hai mô hình lại 53 CHƯƠNG - KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Bảo mật vấn đề cấp thiết quan trọng hệ thống truyền thông vô tuyến, bảo mật lớp vật lý trở thành phương pháp đơn giản hiệu nhà nghiên cứu nước quan tâm Trong luận văn này, học viên nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý môi trường truyền thông vô tuyến chuyển tiếp đa chặng Hơn nữa, luận văn khảo sát mô hình mạng tự tổ chức (như mạng Ad-hoc, mạng cảm biến, v.v.) mà nút mạng tự tập hợp thành cụm (cluster) để truyền thông với Để nâng cao hiệu bảo mật, giải pháp truyền thông phân tập đề xuất Cụ thể, luận văn đưa 03 giao thức chọn lựa nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu nhân tạo Hơn nữa, hiệu bảo mật 03 mô hình đánh giá mô lý thuyết, thông qua thông số xác suất dừng bảo mật 5.2 Các kết đạt Học viên tìm hiểu nguyên lý hoạt động phương pháp bảo mật lớp vật lý, từ đưa giải pháp nhằm nâng cao hiệu bảo mật cho hệ thống truyền thông chuyển tiếp không dây Học viên tìm hiểu phương pháp chuyển tiếp phân tập để nâng cao độ tin cậy cho việc truyền liệu thiết bị Học viên tìm hiểu phương pháp tạo nhiễu nhân tạo để nâng cao hiệu bảo mật cho mô hình khảo sát Học viên đề xuất mô hình chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu bảo mật mô hình chuyển tiếp dạng cụm Cụ thể, dung lượng bảo mật mô hình đề xuất nâng cao thông qua hai phương pháp: 1) Chọn lựa 54 nút chuyển tiếp tốt để tăng cường dung lượng cho kênh liệu, 2) Chọn lựa nút tạo nhiễu nhân tạo tốt để làm giảm dung lượng kênh nghe Học viên sử dụng công cụ toán học để đánh giá xác hiệu bảo mật 03 mô hình đề xuất, thông qua đại lượng xác suất dừng bảo mật Học viên thực mô Monte Carlo để kiểm chứng tính toán Từ kết đạt được, học viên đưa nhận xét để nêu ưu điểm khuyết điểm mô hình Cụ thể, mô hình BR-BJ đạt hiệu bảo mật tốt nhất, mô hình RR-RJ đạt hiệu bảo mật Tuy nhiên, nhìn từ góc độ phức tạp, mô hình RR-RJ dễ dàng thực thi 02 mô hình lại Hơn nữa, việc thực mô hình BR-RJ thực tế khả thi mô hình yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền nút cụm 5.3 Hướng phát triển đề tài Đánh giá hiệu mô hình đề xuất kênh truyền tổng quát kênh Rician hay kênh Nakagami- m … Nghiên cứu mô hình với nhiều nút nghe lén, đặc biệt mô hình mà nút nghe hợp tác với để chia thông tin nghe Phát triển mô hình luận văn lên mô hình mà nút cụm nút nghe trang bị nhiều ănten Nghiên cứu mô hình nút hoạt động chế độ song công (full-duplex) 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiangyun Zhou, Lingyang Song, Yan Zhang, Physical Layer Security in Wireless Communications, 15-Nov-2013 [2] Matthieu Bloch, Physical Layer Security, School of Electrical and Computer Engineering-Georgia Institute of Technology, August 2008 [3] N Sang, H.Y Kong, T T Duy, "Cognitive Multihop Cluster-based Transmission under Interference Constraint", The 18th IEEE International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 2014), Jeju, Korea, pp 1-3, June 2014 [4] A D Wyner, The Wire-Tap Channel, Bell Syst Tech J., vol 54, pp 13551367, 1975 [5] P K Gopala, L Lai and H E Gamal, “On the Secrecy Capacity of Fading Channels,” IEEE Trans Inf Theory, vol 54, no 10, pp 4687-4698, Oct 2008 [6] I Krikidis, “Opportunistic Relay Selection for Cooperative Networks with Secrecy Constraints”, IET Commun., vol 4, no 15, pp 1787-1791, Apr 2010 [7] Laneman, J N., Tse, D N C., Wornell, G W, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior”, IEEE Transactions on Information Theory, vol 50, pp 3062–3080, 2004 [8] A Bletsas, A Khisti, D P Reed, and A Lippman, “A simple cooperative diversity method based on network path selection”, IEEE J Sel Areas Commun., vol 24, no 3, pp 559–572, Mar 2006 [9] M Jianhua, T Meixia, and L Yuan, “Relay Placement for Physical Layer Security: A Secure Connection Perspective”, IEEE Commun Lett., vol 16, no 6, pp 878-881, Jun 2012 [10] P N Son and H Kong, “Exact Outage Probability of a Decode-and-Forward Scheme with Best Relay Selection under Physical Layer Security”, Wireless Pers Commun., vol 74, no 2, pp 325-342, Jan 2014 56 [11] P N Son and H Kong, “Exact Outage Probability of Two-Way Decode-andForward Scheme with Opportunistic Relay Selection under Physical Layer Security”, Wireless Pers Commun., vol 77, no 4, pp 2889-2917, Aug 2014 [12] I Krikidis, J S Thompson, and S McLaughlin, “Relay Selection for Secure Cooperative Networks with Jamming”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, no 10, pp 5003-5011, Oct 2009 [13] D Lun, H Zhu, A P Petropulu, and H V Poor, “Improving Wireless Physical Layer Security via Cooperating Relays”, IEEE Trans Signal Process., vol 58, no 3, pp 1875-1888, Mar 2010 [14] V N Q Bao, N Linh Trung, and M Debbah, “Relay Selection Schemes for Dual-hop Networks under Security Constraints with Multiple Eavesdroppers”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 12, pp 6076-6085, Dec 2013 [15] G Zheng, L.-C Choo, and K.-K Wong, “Optimal cooperative jamming to enhance physical layer security using relays”, IEEE Trans Signal Process., vol 59, no 3, pp 1317–1322, Mar 2011 [16] Z Ding, K K Leung, D L Goeckel, and D Towsley, “Opportunistic relaying for secrecy communications: Cooperative jamming vs relay chatting”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 10, no 6, pp 1725–1729, Jun 2011 [17] J Chen, R Zhang, L Song, Z Han, and B Jiao, “Joint relay and jammer selection for secure two-way relay networks,” IEEE Trans Inf Forensics Security, vol 7, no 1, pp 310–320, Feb 2012 [18] Y Liu, L Wang, T T Duy, M Elkashlan,Trung Q Duong, "Relay Selection for Security Enhancement in Cognitive Relay Networks", IEEE Wireless Communications Letters, vol 4, no 1, pp 46-49, Feb 2015 [19] Vo Nguyen Quoc Bao, Nguyen Linh Trung, “Multihop Decode-and-Forward Relay Networks: Secrecy Analysis and Relay Position Optimization”, REV Journal on Electronics and Communications, vol 2, no 1-2, pp 33-41, June 2012 57 [20] T T Duy and H.Y Kong, "Secrecy Performance Analysis of Multihop Transmission Protocols in Cluster Networks", Wireless Personal Communications (WPC), vol 82, no 4, pp 2505-2518, June 2015 [21] C.T Dung, V.N.Q Bao, N.L Nhat, “Đánh giá hiệu bảo mật mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng”, Hội thảo Quốc gia 2015 điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (ECIT2015), 12/2015 [22] T T Duy, P N Son, "Secrecy Performances of Multicast Underlay Cognitive Protocols with Partial Relay Selection and without Eavesdropper’s Information", KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), vol 9, no 11, pp 4623-4643, Nov 2015 [23] T Q Duong, T T Duy, M Elkashlan, Nghi H Tran, Octavia A Dobre, "Secured Cooperative Cognitive Radio Networks with Relay Selection", IEEE Global Communications Conference (Globecom 2014), Austin, TX USA, pp 3074 - 3079, Dec 2014 [24] https://www.wolfram.com/mathematica/, truy nhập ngày 06/06/2016 [...]... phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu nhân tạo tốt nhất Các kết quả trong các bài báo [15], [16], [17], [18] cho thấy rằng hiệu năng 19 bảo mật của hệ thống tăng đáng kể, so với các phương pháp chỉ chọn lựa nút chuyển tiếp thông thường Do đó, đề tài của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp chọn lựa cặp nút chuyển tiếp và tạo nhiễu hiệu quả để nâng cao hiệu năng bảo mật cho hệ thống... hình chuyển tiếp đa chặng thông thường (không sử dụng kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp tại mỗi chặng) Trong đề cương này, sự chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất tại từng chặng sẽ được đề xuất để nâng cao hiệu quả bảo mật tại từng chặng Trong [20], [21], các tác giả đã đề xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất trong mỗi cluster, để nâng cao dung lượng của kênh truyền dữ 20 liệu tại mỗi chặng. .. xét sự bảo mật lớp vật lý trong các mạng chuyển tiếp một hoặc hai chặng Các tác giả trong công bố [19] lần đầu tiên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, xác suất dung lượng bảo mật khác không và dung lượng bảo mật trung bình trong mạng chuyển tiếp đa chặng Trong công bố số [20], các tác giả nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng theo dạng cụm (cluster) phân tập để đạt được hiệu quả bảo mật với kỹ thuật. .. công thức, ta giả sử giá trị của  là không đổi trên các liên kết truyền-nhận 2.3 Các mô hình chọn lựa cặp nút chuyển tiếp và tạo nhiễu Trong mục này, các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu sẽ được giới thiệu 2.3.1 Mô hình BR-BJ (Best Relay-Best Jammer) Mô hình BR-BJ là viết tắt của cụm từ Best Relay-Best Jammer, có nghĩa là chọn nút chuyển tiếp tốt nhất và nút tạo nhiễu tốt nhất Trong... tín hiệu nghe lén tại E, ta sử dụng kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo Cụ thể, trong cụm thứ nhất, sau khi đã chọn ra được nút T1 , cụm này còn lại K1  1 nút Từ K1  1 nút còn lại này, một nút sẽ được chọn để tạo nhiễu lên nút nghe lén E Ta ký hiệu nút này là nút J 1 Một cách tương tự, ta ký hiệu các nút tạo nhiễu được chọn tại cụm thứ 2,3,…M lần lượt là J 2 , , J M Hơn nữa, bởi vì nút chuyển tiếp Tn và nút. .. mã chuyển tiếp thông thường Trong bài báo số [21], các tác giả cũng quan tâm đến vấn đề bảo mật lớp vật lý trong mạng chuyển tiếp cluster trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền Tuy nhiên, các tác giả của [19], [20], [21] vẫn chưa khảo sát sự chọn lựa nút tạo nhiễu để nâng cao hiệu quả bảo mật Do đó, luận văn này tập trung nghiên cứu việc chọn nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu trong mạng đa chặng. .. cấu trúc giao tiếp bảo mật đang có 1.2 Truyền thông đa chặng 1.2.1 Sơ lược truyền thông đa chặng Trên thực tế, trong những mạng như mạng Ad-hoc, mạng cảm biến vô tuyến, nút nguồn có thể rất xa nút đích, và sự truyền dữ liệu phải được thực hiện thông qua nhiều chặng và nhiều nút trung gian Trong mô hình chuyển tiếp đa chặng, dữ liệu được truyền tuần tự theo mỗi chặng và các nút chuyển tiếp sử dụng giao... sự chọn lựa nút tạo nhiễu trong các mô hình đề xuất Hơn thế nữa, các tác giả trong [20], [21] cũng không xem xét đến kênh truyền giữa các nút phát và nút nghe lén Trong đề tài này, một cặp nút chuyển tiếp và nút tạo nhiễu tại mỗi cluster sẽ được chọn để chuyển tiếp và tạo nhiễu đến nút nghe lén Hơn thế nữa, đề tài cũng quan tâm đến việc trạng thái thông tin kênh truyền đến nút nghe lén là sẵn có và. .. xuất Cụ thể, trong [6], các tác giả đã nghiên cứu hiệu quả của việc lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu trong mạng truyền thông hợp tác (cooperative communication [7], [8]) sử dụng giao thức giải mã -và -chuyển tiếp (DF) để đạt được hiệu năng bảo mật tốt nhất Các vấn đề về kết nối bảo mật với các giao thức giải mã -và -chuyển tiếp và ngẫu nhiên -và -chuyển tiếp (Randomize-and-forward (RF)) cũng đã được nghiên cứu... các chiến thuật tín hiệu và các giao thức mạng theo các khía cạnh khác nhau của bảo mật lớp vật lý Nhiễu của kênh giao tiếp lại là nguồn tài nguyên cho việc bảo mật Nguồn tài nguyên này có thể được khai thác với sơ đồ mã hóa phù hợp cho đến các giao tiếp 16 bảo mật hoặc tạo ra các từ khóa bảo mật Quan trọng nhất là các sơ đồ mã hóa của bảo mật lớp vật lý hoạt động không cần các từ khóa bảo mật chia ... ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG CLUSTER VỚI KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP VÀ NÚT TẠO NHIỄU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ... Việc nghiên cứu đánh giá xác suất dừng bảo mật dung lượng bảo mật hệ thống mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cluster với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tốt kỹ thuật giải mã chuyển tiếp thông thường... chưa có xem xét việc chọn lựa nút tạo nhiễu để nâng cao hiệu bảo mật Trong luận văn này, học viên xem xét chọn lựa cặp nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu cụm để đánh giá hiệu bảo mật mô hình Đồng thời