Bảo mật ở lớp vật lý có thể kết hợp với các giải pháp bảo mật ở lớp trên để đảm bảo an ninh thông tin trong mạng thông tin vô tuyến. Các kết quả nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng với điều kiện kênh truyền Rayleigh, việc sử dụng rất nhiều ăng-ten ở trạm gốc giúp hệ thống thông tin MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) cỡ rất lớn tự được bảo mật trước thiết bị nghe lén thụ động.
Các cơng trình nghiên cứu phát triển Cơng nghệ Thơng tin Truyền thông Dung lượng bảo mật hệ thống MIMO cỡ lớn có thiết bị nghe thụ động Invited article Vũ Lê Quỳnh Giang1,2 , Trương Trung Kiên2 Khoa Công nghệ Thông tin, Học viện Quản lý Giáo dục Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến Ứng dụng, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Tác giả liên hệ: Trương Trung Kiên, kientt@ptit.edu.vn Ngày nhận bài: 21/12/2018, ngày sửa chữa: 26/12/2018, ngày duyệt đăng: 27/12/2018 Xem sớm trực tuyến: 28/12/2018, định danh DOI: 10.32913/rd-ict.vol3.no40.845 Biên tập lĩnh vực điều phối phản biện định nhận đăng: PGS TS Nguyễn Linh Trung Tóm tắt: Bảo mật lớp vật lý kết hợp với giải pháp bảo mật lớp để đảm bảo an ninh thông tin mạng thông tin vô tuyến Các kết nghiên cứu trước với điều kiện kênh truyền Rayleigh, việc sử dụng nhiều ăng-ten trạm gốc giúp hệ thống thông tin MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) cỡ lớn tự bảo mật trước thiết bị nghe thụ động Tuy nhiên, báo sau đề xuất biểu thức dạng đóng cho dung lượng bảo mật cho hệ thống MIMO cỡ lớn điều kiện kênh truyền Rice có xem xét thành phần truyền tầm nhìn thẳng chứng minh thiết bị nghe thụ động ảnh hưởng lớn đến dung lượng bảo mật hệ thống Các kết mơ cung cấp để kiểm chứng tính xác kết phân tích giải tích để rút số dẫn thiết kế quan trọng Từ khóa: Dung lượng bảo mật, MIMO cỡ lớn, nghe thụ động, bảo mật lớp vật lý Title: Abstract: Keywords: Secret Capacity of Massive MIMO Systems with a Passive Eavesdropper Physical layer security may be combined with other approaches to make wireless transmissions more secured Much prior work showed that, thanks to the excessive number of antennas at the base station, massive MIMO (MultipleInput Multiple-Output) systems themselves are inherently robust against passive eavesdropping attacks under the Rayleigh fading channel After providing closed-form expressions to secret capacity of massive MIMO under the Rician fading channel with line-of-sight transmission, this manuscript, however, showed that passive eavesdroppers may affect negatively the secret capacity Simulation and numerical results are provided to validate the analytical results and to gain interesting insights into the system design Secret capacity, massive MIMO, eavesdropper, physical layer security I GIỚI THIỆU truyền từ thiết bị phát mà tự phát tín hiệu để gây nhiễu làm ảnh hưởng đến trình huấn luyện ước lượng kênh và/hoặc trình truyền liệu thiết bị hợp lệ Sự tác động làm giảm hiệu hoạt động hệ thống hợp lệ, chí khiến hệ thống khơng thể hoạt động Đảm bảo an tồn thơng tin vấn đề quan trọng thiết yếu hệ thống thông tin, đặc biệt hệ thống hoạt động môi trường vơ tuyến [1] Do đặc tính mở mơi trường truyền dẫn sóng vơ tuyến, thiết bị xâm nhập khơng hợp lệ làm ảnh ảnh hưởng đến tính bảo mật, tính tồn vẹn tính sẵn có thơng tin hai phương pháp sau: (i) nghe thụ động (passive eavesdropping) (ii) công chủ động (active attacking/jamming) [2] Cụ thể, thiết bị nghe thụ động cố gắng tách tín hiệu từ sóng vơ tuyến mang thơng tin nhận từ thiết bị phát Về nguyên lý, thiết bị nghe thụ động bị phát Ngược lại, thiết bị công chủ động không cố gắng tách tín hiệu Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security) cách tiếp cận quan tâm rộng rãi cho mạng vơ tuyến có hiệu cao khả sẵn sàng kết hợp với giải pháp bảo mật khác mật mã hóa [1, 3, 4] Ý tưởng bảo mật lớp vật lý hệ thống thông tin vô tuyến xem xét yếu tố lớp vật lý tạp âm nhiệt, hệ số pha-đinh kênh truyền kỹ thuật xử lý tín hiệu ảnh hưởng đến khả Các cơng trình nghiên cứu phát triển Cơng nghệ Thơng tin Truyền thông bảo mật thông tin truyền qua kênh vật lý có mặt thiết bị xâm nhập Trên sở đó, giải pháp bảo mật lớp vật lý đề xuất để thiết bị thu hợp lệ có khả tách xác tín hiệu mong muốn bất chấp gây nhiễu thiết bị công chủ động thiết bị nghe thụ động khơng thể tách tín hiệu mong muốn lớn điều kiện mơ hình kênh truyền Rice [21] Tuy nhiên, cơng trình [21] xem xét mơ hình hệ thống thơng tin có nhiều cặp thu-phát chia sẻ trạm khuếch đại-chuyển tiếp có nhiều ăng-ten Ngồi ra, tác giả cơng trình [21] sử dụng phương pháp phân tích tiệm cận số lớn số ăng-ten trạm gốc lớn để phân tích giải tích dung lượng bảo mật hệ thống Trong báo này, đưa kết phân tích giải tích dung lượng bảo mật hệ thống truyền dẫn điểm-điểm với số lượng ăng-ten hữu hạn trạm gốc Đặc biệt, kết phân tích giải tích chúng tơi cho thấy điều kiện mơ hình kênh truyền pha-đinh Rice tốc độ liệu nghe tăng theo số lượng ăng-ten trạm gốc dung lượng bảo mật hệ thống tiến dần tới giá trị bão hoà số lượng ăng-ten trạm gốc tiến tới vô Khẳng định tương tự quan sát dựa kết đo tốc độ liệu nghe dung lượng bảo mậ sử dụng hệ thống MIMO cỡ lớn thử nghiệm hoạt động môi trường truyền dẫn vô tuyến thực tế [20] Cần nhấn mạnh phạm vi hiểu biết tác giả kết công bố giới đưa kết phân tích giải tích cho khẳng định Các kết mơ tính tốn số cung cấp để kiểm chứng nhận định Hệ thống thông tin vô tuyến cỡ lớn (massive MultipleInput Multiple-Output) công nghệ đề xuất từ năm 2010 [5] chấp nhận công nghệ chủ chốt tiêu chuẩn 3GPP cho mạng thông tin di động hệ thứ (5G: the fifth generation) Vô tuyến (NR: New Radio) [6] Trong hệ thống này, trạm gốc trang bị nhiều ăng-ten để phục vụ nhiều thuê bao trang bị ăng-ten Các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tiềm việc cải thiện hiệu sử dụng phổ tần số vô tuyến điện hiệu sử dụng lượng hệ thống [5, 7] Bảo mật cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO nghiên cứu vài năm gần [2, 8] Các kết nghiên cứu công bố giới đến cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn xem xét ba trường hợp sau đây: (i) có thiết bị cơng chủ động [9–14], (ii) có thiết bị nghe thụ động [15–21] (iii) có hai loại thiết bị [22, 23] Phần báo bố cục sau Mục II mơ tả mơ hình hệ thống xem xét Mục III đưa phân tích giải tích cho dung lượng bảo mật hệ thống Mục IV cung cấp số kết mơ tính tốn số để kiểm chứng kết phân tích giải tích để khảo sát đánh giá dung lượng bảo mật hệ thống số kịch cụ thể Mục V kết luận báo đưa số hướng nghiên cứu Bài báo tập trung nghiên cứu dung lượng bảo mật lớp vật lý hệ thống thơng tin MIMO cỡ lớn có mặt thiết bị nghe thụ động điều kiện kênh pha-đinh Rice không tương quan không gian Theo định nghĩa, dung lượng bảo mật hệ thống hiệu số tốc độ liệu đạt thiết bị thu hợp lệ tốc độ liệu nghe thiết bị nghe thụ động hiệu số không âm không hiệu số âm Chú ý rằng, đa số kết nghiên cứu trước liên quan đến hệ thống có thiết bị nghe thụ động giả thiết mơ hình kênh Rayleigh, tức giả thiết hệ số kênh truyền có thành phần khơng tầm nhìn thẳng (NLOS: Non-Line-OfSight) [15–19] Đáng ý, kết phân tích mơ với mơ hình kênh pha-đinh Rayleigh khẳng định thiết bị nghe thụ động gần khơng thể tách tín hiệu truyền từ trạm gốc, độ liệu nghe nhỏ bỏ qua, số lượng ăng-ten trạm gốc đủ lớn Nói cách khác, dung lượng bảo mật hệ thống tăng theo số lượng ăng-ten trạm gốc Về lý thuyết, mơ hình kênh pha-đinh Rice giả thiết báo tổng qt mơ hình kênh pha-đinh Rayleigh có thêm thành phần truyền tầm nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight) [24, 25] Tuy nhiên, mơ hình kênh truyền Rice phức tạp lại gây khó khăn cho việc phân tích giải tích dung lượng bảo mật hệ thống [11, 26] Trong phạm vi hiểu biết tác giả, có kết nghiên cứu công bố đưa kế phân tích giải tích cho hệ thống thơng tin MIMO cỡ Một số ký hiệu sử dụng báo sau: a đại lượng vô hướng, a đại lượng véc-tơ, A ma trận, [A]i, j , A H , A F , |A| phần tử (i, j), ma trận chuyển vị liên hợp phức (Hermitian), chuẩn Frobenius, định thức ma trận A, E[·] tốn tử tính giá trị trung bình II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Xem xét hệ thống MIMO với trạm gốc (ký hiệu A) phục vụ thuê bao hợp lệ (ký hiệu nút B) với có mặt thiết bị nghe trộm thụ động (ký hiệu E), tức thiết bị khơng phát tín hiệu suốt thời gian xem xét hệ thống Trong trạm gốc A có Nt ăng-ten th bao B thiết bị nghe trộm E có ăng-ten Để tiện trình bày, ký hiệu X = {B, E} tập số nút Giả thiết hệ thống hoạt động chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplexing) với khung truyền dẫn vô tuyến dài τ ký hiệu Giả thiết cấu trúc khung vô tuyến định trước Tập V-3, Số 40, 12.2018 gồm có hai phần: (i) phần đầu gồm τp dành cho trình huấn luyện ước lượng hệ số kênh truyền đường lên (ii) phần lại dài τd = τ − τp ký hiệu dùng để truyền liệu đường xuống từ trạm gốc A tới thuê bao B Sau số phép biến đổi, ta có 1/2 1/2 jψ(φB ,φB ) gEH gB = βB,L βE,L e α(φB, φE, Nt ) Trong pha huấn luyện ước lượng kênh, nút B truyền tín hiệu hoa tiêu với cơng suất phát pp Tín hiệu huấn luyện sau tiền xử lý √ (8) yA = pp τp hB + nA, Giả thiết kênh truyền vơ tuyến có dạng pha-đinh khối phẳng miền tần số, hệ số kênh truyền không thay đổi thời gian khung vơ tuyến thay đổi cách độc lập từ khung vô tuyến sang khung vô tuyến khác Ký hiệu hB ∈ C Nt ×1 vector hệ số kênh truyền đường lên từ thuê bao tới trạm gốc hE ∈ C Nt ×1 vector hệ số kênh truyền đường lên từ thiết bị nghe tới trạm gốc Giả thiết hệ số kênh truyền đường lên đường xuống đối xứng hồn hảo, tức hBH , hEH ∈ C1×Nt vector hệ số kênh truyền đường xuống tương ứng Trong báo này, giả thiết hệ số kênh truyền tn theo mơ hình pha-đinh Rice khơng tương quan không gian Ký hiệu κX hệ số Rice βX hệ số pha-đinh phạm vi rộng (large-scale fading) kênh truyền từ trạm gốc tới nút X ∈ X Các hệ số pha-đinh phạm vi rộng ứng với thành phần truyền LOS βX,L thành phần truyền NLOS βX,N tính sau: βX,L = βX,N = κX βX, κX + nA ∼ CN (0, σA2 I Nt ) tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive white Gaussian noise) có công suất σA2 Giả thiết trạm gốc áp dụng kỹ thuật ước lượng kênh tối thiểu trung bình lỗi bình phương (MMSE: Minimum Mean Squared Error) để nhận ước lượng hệ số kênh truyền tới nút B √ pp βB,N √ ˆhB = gB + (9) (yA − pp τp gB ) pp τp βB,N + σA Theo tính chất trực giao phương pháp MMSE, sai số ước lượng tương ứng h˜ B = hB − hˆ B βˆB,N = (2) β˜B,N = Khi vector hệ số kênh truyền từ trạm gốc tới nút X, ký hiệu hX , có phân bố CN (gX, βX,N I N ) với X ∈ X biểu diễn dạng hX = gX + 1/2 wX , βX,N , βB,N σA2 pp τp βB,N + σA2 , (11) (12) (13) ˆ B w ˜ B có phân bố CN (0, I Nt ) độc lập w thống kê với Trong pha truyền liệu đường xuống, trạm gốc truyền tín hiệu xB , E[xB ] = 0, E[|xB | ] = 1, tới nút B, bị nút E nghe Ký hiệu pd công suất phát đường xuống Giả thiết trạm gốc sử dụng tiền mã hóa kết hợp phát cực đại (MRT: Maximal Ratio Transmission) cho hˆ B fB = , (14) ξ ξ = E[hˆ H hˆ B ] = (βB,L + βˆB,N )Nt hệ số chuẩn (4) φX góc tới từ nút X tới trạm gốc d tỷ số khoảng cách phần tử ăng-ten kề trạm gốc chia cho bước sóng Chú ý gXH gX = Nt βX,L với X ∈ X Để tiện trình bày, ta định nghĩa số tham số sau: ψ(φB, φB ) = πd(sin φB − sin φE ), sin(Nt ψ(φB, φB )) α(φB, φE, Nt ) = sin(ψ(φB, φB )) pp τp βB,N + σA2 1/2 ˆ B, hˆ B = gB + βˆB,N w 1/2 ˜ B, h˜ B = β˜B,N w (3) T pp τp βB,N Bên cạnh đó, ta biểu diễn hˆ B h˜ B sau: gX vector hệ số kênh truyền ứng với thành phần truyền LOS wX ∼ CN (0, I Nt ) vector hệ số kênh truyền pha-đinh phạm vi nhỏ (small-scale fading) Để tiện tính tốn, giả thiết mảng anten trạm gốc A phân bố tuyến tính (ULA: Uniform Linear Array) Việc mở rộng dạng hình học khác mảng anten khơng q phức tạp Khi đó, vector hệ số truyền LOS từ trạm gốc tới nút X ∈ X tính sau 1/2 gX = βX,L e j2πd sin φX · · · e j2πd(N −1) sin φX (10) Chú ý hˆ B ∼ CN (gB, βˆB,N I Nt ) h˜ B ∼ CN (0, β˜B,N I Nt ) độc lập thống kê với nhau, (1) βX κX + (7) B hoá nhằm thỏa mãn điều kiện cơng suất phát trung bình cực đại trạm gốc E[|fB xB | ] ≤ pd Tín hiệu thu nút B nút E √ yB = pf hBH fB xB + nB, (15) √ H yE = pf hE fB xB + nB, (16) (5) nB ∼ CN (0, σB2 ) nE ∼ CN (0, σE2 ) tạp âm Gauss trắng cộng độc lập thống kê với (6) Các cơng trình nghiên cứu phát triển Cơng nghệ Thơng tin Truyền thơng III PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG BẢO MẬT Tốc độ liệu hợp lệ Định nghĩa cách tiếp cận Từ công thức (15) ta viết lại biểu thức tín hiệu thu nút B sau: √ √ yB = pd E[hBH fB ]xB + pd (hBH fB − E[hBH fB ])xB + nB, (24) Dung lượng bảo mật hệ thống tốc độ liệu tối đa truyền từ trạm gốc tới thuê bao hợp lệ, tức nút B, cách tin cậy bảo mật mà không cần dùng thêm biện pháp mã hoá Theo định nghĩa, dung lượng bảo mật (SC: Secret Capacity) xác định sau CSC = [RB − RE ]+, số hạng đóng vai trò tín hiệu mong muốn để tách sóng kết hợp, số hạng thứ hai đóng vai trò nhiễu gây sai số ước lượng hệ số kênh truyền đường xuống hiệu dụng số hạng cuối tạp âm nhiệt Để tìm giới hạn cho tỷ số cơng suất tín hiệu tổng cơng suất nhiễu tạp âm (SINR: Signal-to-Interferenceplus-Noise Ratio), ta xét trường hợp xấu xảy số hạng thứ hai số hạng thứ ba tín hiệu khơng tương quan Khi đó, giới hạn SINR nút B ký hiệu ηB xác định sau: (17) [x]+ = max{x, 0}, RB tốc độ liệu hợp lệ đạt nút B RE tốc độ liệu nghe đạt nút E Dưới đây, mục III-2 trình bày chi tiết phân tích tốc độ liệu đạt nút B, mục III-3 trình bày chi tiết phân tích tốc độ liệu đạt nút E Chú ý trạm gốc không truyền tín hiệu hoa tiêu đường xuống nên nút B nút E ước lượng hệ số kênh đường xuống tức thời Trong báo này, chấp thuận phương pháp tiếp cận thường sử dụng tài liệu trước nút ước lượng hệ số kênh truyền đường xuống hiệu dụng trung bình [27] Cụ thể, nút B có thơng tin trạng thái kênh dạng E[hBH fB ] Tương tự, nút E có thông tin trạng thái kênh dạng E[hEH fB ] ηB = = E[|a Ba| ] = |tr(B)| + tr(BB ) H (25) E[(hˆ BH + h˜ BH )hˆ B ] E[hˆ BH hˆ B ] = = ξ ξ ξ (26) Bằng cách tương tự, ta có (19) E[|hBH fB | ] = Chứng minh: Ký hiệu kết phân rã kỳ dị (Eigenvalue Decomposition) B sau B = U H ΛU U ma trận unita (tức UU H = U H U = I N ) Λ = diagλ1, λ2, · · · , λ N Chú ý c = Ua ∼ CN (0, I N ) Giả thiết c = [c1 c2 · · · c N ]T Ta có (E[| hˆ BH hˆ B | ] + E[| h˜ BH hˆ B | ]) ξ2 (27) Thay (13) vào (27), ta thu 1/2 H 1/2 ˆ B )(gB + βˆB,N ˆ B )| ] E[| hˆ BH hˆ B | ] = E[|(gBH + βˆB,N w w = E[|a1 + b1 + c1 + d1 | ], (28) N E[a H Ba] = E[c H Λc] = pd (E[|hBH fB | ] − |E[hBH fB ]| ) + σB2 E[hBH fB ] = (18) pd |E[hBH fB ]| Chứng minh: Thay biểu thức (14) (10) vào (25) sau áp dụng tính chất xác suất hˆ B h˜ B , ta thu Bổ đề 1: Cho a ∼ CN (0, I N ) ma trận chuẩn tắc B (tức B thoả mãn điều kiện BBH = B H B) Khi ta có H pd E[|(hBH fB − E[hBH fB ])xB | ] + σB2 Bổ đề 2: Giá trị SINR hợp lệ ηB tỷ lệ tuyến tính với số ăng-ten trạm gốc Nt Ngoài ra, bổ đề sau sử dụng nhiều q trình xây dựng cơng thức giải tích dạng tường minh cho tốc độ liệu đạt nút B nút E E[a H Ba] = trB, pd |E[hBH fB xB ]| λn E[|cn | ] = tr(B) a1 = gBH gB = βB,L Nt, n=1 1/2 H ˆ B gB, b1 = βˆB,N w Tương tự, ta có N E[|a H Ba| ] = E λn |cn | 1/2 H ˆ B, c1 = βˆB,N gB w H ˆ w ˆ B d1 = βˆB,N w (20) B n=1 N N E[|cm | |cn | ]λm λn∗ = ˆ Áp dụng bổ đề tính chất đối xứng tròn w, tính thành phần thuộc vế phải (28) sau: (21) m=1 n=1 = |tr(Λ)| + tr(ΛΛ H ) (22) E[a1 a1∗ ] = βB,L Nt2, = |tr(B)| + tr(BB H ), (23) E[b1 b∗1 ] = E[c1 c1∗ ] = βˆB,N βB,L Nt, E[a1 d ∗ ] = E[d1 a∗ ] = βˆB,N βB,L Nt2, áp dụng tính chất E[|cn | ] = E[|cn | ] = cn ∼ CN (0, 1) 1 E[d1 d1∗ ] = βˆB,N (Nt2 + Nt ), Tập V-3, Số 40, 12.2018 Chứng minh: Sử dụng phương pháp tính tốn tương tự mục III-2, ta tính thành phần lại Từ kết sau số phép biến đổi ta có E[| hˆ BH hˆ B | ] = ξ + βˆB,N ξ + βˆB,N βB,L Nt (29) |E[hEH fB ]| = Thay (13) vào (27), ta thu H ˆ E[| h˜ B,N hB | ] = = = = 1/2 H 1/2 ˜ B (gB + βˆB,N ˆ B )| ] E[| β˜B,N w w 1/2 H ˜ BH gB + βˆB,N ˜Bw ˆ B )| ] β˜B,N E[| w w ˜ BH gB gBH w ˜ B ] + βˆB,N E[| w ˜ BH w ˆ B |2] β˜B,N E[w = β˜B,N [βB,L Nt + βˆB,N Nt ] = β˜B,N ξ |gEH gB | (38) Tương tự, áp dụng bổ đề ta có E[|hEH fB | ] Thay kết vừa tính vào (25) sau số phép biến đổi, ta thu (31) = 1/2 1/2 ˆ B )| ] E[|(gE + βE,N wE ) H (gB + βˆB,N w ξ2 E[|a2 + b2 + c2 + d2 | ] = ξ2 (39) a2 = gEH gB, η¯B = ξ2 ξ2 βE,L βB,L |α(φB, φE, Nt )| = ξ2 (30) ηB = η¯B Nt, 1/2 1/2 ˆ B )]| |E[(gE + βE,N wE ) H (gB + βˆB,N w pd (βB,L + βˆB,N )2 (pd βB,N + σB2 )(βB,L + βˆB,N ) + pd βˆB,N βB,L 1/2 H ˆ B, b2 = βˆB,N gE w (32) 1/2 H wE g B , c2 = βE,N 1/2 ˆ1/2 H ˆ B βB,N wE w d2 = βE,N Nhận thấy η¯B phụ thuộc vào tham số pha-đinh phạm vi lớn tham số công suất mà khơng phụ thuộc vào Nt , ηB tỷ lệ tuyến tính với Nt Sau khai triển vế phải (39) áp dụng bổ đề 1, ta thu Tốc độ liệu đạt tương ứng nút B hay thuê bao hợp lệ định nghĩa sau: RB = log2 (1 + ηB ) = log2 (1 + η¯B Nt ) E[a2 a2∗ ] = βE,L βB,L |α(φB, φE, Nt )| 2, E[b2 b∗ ] = βE,L βˆB,N Nt, (33) E[c2 c2∗ ] = βE,N βB,L Nt, E[d2 d ∗ ] = βE,N βˆB,N Nt, Tốc độ liệu nghe đạt thành phần khác tính chất đối xứng ˆ B wE Như vậy, ta có vòng độc lập w Từ cơng thức (16) ta viết lại biểu thức tín hiệu thu nút B sau: √ √ yE = pd E[hEH fB ]xB + pd (hEH fB − E[hEH fB ])xB + nB (34) E[|hEH fB | ] = = pd |E[hEH fB xB ]| Tốc độ liệu đạt tương ứng nút B hay thuê bao hợp lệ định nghĩa sau: pd E[|(hEH fB − E[hEH fB ])xB | ] + σB2 pd |E[hEH fB ]| pd (E[|hEH fB | ] − |E[hEH fB ]| ) + σB2 RE = log2 (1 + ηE ) (35) Bổ đề 3: Giá trị SINR nghe ηE xác định ηE = η¯E |α(φB, φE, Nt )| , Nt pd βE,L βB,L pd ρE + σE2 (βB,L + βˆB,N ) Mục tập trung khảo sát thảo luận số tính chất tốc độ liệu hợp lệ đạt nút B (tức RB xác định (33)) tốc độ liệu nghe đạt nút E (tức RE xác định (41)) dung lượng bảo mật hệ thống CSC xác định (17) Cụ thể, bổ đề trình bày tính chất giá trị SINR (36) (41) Thảo luận η¯E = (40) ρE = βE,L βˆB,N + βE,N βB,L + βE,N βˆB,N phụ thuộc vào tham số pha-đinh phạm vi lớn tham số công suất mà không phụ thuộc vào Nt , φB φE Thay (38) (40) vào (35) ta thu (36) Khi đó, giới hạn SINR nút E ký hiệu ηE xác định ηE = βE,L βB,L |α(φB, φE, Nt )| + ρE Nt , ξ2 (37) Các công trình nghiên cứu phát triển Cơng nghệ Thơng tin Truyền thông thiết bị nghe trộm ηE bổ đề trình bày dung lượng bảo mật hệ thống CSC điều kiện khác quan hệ φE φB Để tiện cho việc thảo luận, ký hiệu chênh lệch góc tới thuê bao hợp lệ B thiết bị nghe trộm B ∆φ = |φB − φE | Nhớ lại rằng, kết nghiên cứu trước cho điều kiện kênh pha-đinh Rayleigh khẳng định thiết bị nghe thụ độc gần tách thông tin phát từ trạm gốc tới thuê bao hợp lệ Nói cách khác, thiết bị nghe thụ động gần không ảnh hưởng tới dung lượng bảo mật hệ thống Lý cho tượng điều kiện kênh pha-đinh Rayleigh với Nt đủ lớn hB hE khơng có hệ số tương quan chéo thấp mà chí trực giao với Chú ý bổ đề đưa khẳng định hoàn toàn tương đồng điều kiện kênh pha-đinh Rice ∆φ Nt đủ lớn Có thể giải thích tượng sau Khi Nt đủ lớn độ phân giải khơng gian mảng ăng-ten trạm gốc đủ nhỏ, điều kết hợp với điều kiện ∆φ vector hệ số kênh truyền hB hE có tương quan chéo thấp, khiến cho thiết bị nghe gần khơng thu tách tín hiệu truyền từ trạm gốc Bổ đề 4: Nếu ∆φ = ηE tỷ lệ tuyến tính với Nt Ngồi thêm điều kiện, Nt đủ lớn dung lượng bảo mật hệ thống xấp xỉ sau: CSC ≈ log2 (η¯B /η¯E ) (42) Chứng minh: Ta có x → sin(x) ≈ x có độ xác cao Thực tế cần x < 0, xấp xỉ có độ xác cao [28] Áp dụng biểu thức xấp xỉ vào (6) ta có α(φB, φE, Nt ) ≈ Nt Thay giá trị vào (36) ta có ηE ≈ η¯E Nt, (43) η¯E cho (37) Vì η¯E phụ thuộc vào tham số pha-đinh phạm vi lớn tham số công suất nên ηE xấp xỉ hàm tuyến tính Nt Thay (43) vào (41) ta có RE ≈ log2 (1 + η¯E Nt ) Kết hợp kết với (33), ta thu giá trị xấp xỉ dung lượng bảo mật hệ thống sau: CSC ≈ log2 + η¯B Nt + η¯E Nt IV MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN SỐ Mục báo cung cấp số kết mơ tính tốn số để kiểm chứng kết phân tích giải tích trình bày mục III Xét mạng di động có tế bào trạm gốc đặt tế bào thiết bị đầu cuối hợp lệ (nút B) thiết bị nghe thụ động (nút E) bố trí ngẫu nhiên tế bào Giả thiết ảnh hưởng hiệu ứng che chắn bị bỏ qua, hệ số suy hao đường truyền phạm vi lớn tính sau: [29–31] (44) Tính giới hạn biểu thức Nt → ta (42) βX,Y = 32, + 10nY log10 (d3D,X ) + 20 log10 ( fc ), Có thể thấy thiết bị nghe thiết bị thu hợp lệ có góc tới đến trạm gốc (trên không gian hai chiều), tức φE = φB , dung lượng bảo mật hệ thống CSC phụ thuộc vào tham số pha-đinh phạm vi lớn tham số công suất không phụ thuộc vào số lượng ăng-ten trạm gốc Nt hay góc tới φB φE Hiện tượng xảy thành phần truyền LOS gE gB sai khác hệ số pha đinh phạm vi lớn nên hE hE có tương quan chéo đủ lớn, khiến cho cơng suất tín hiệu mong muốn hiệu dụng mà thiết bị nghe nhận từ trạm gốc đủ lớn để tách tín hiệu X ∈ X, Y ∈ Y = {L, N}, d3D,X khoảng cách tính theo mét từ trạm gốc đến nút X không gian chiều, fc = 3, GHz tần số sóng mang, nY hệ số mũ suy hao đường truyền (path-loss exponent) Ngoài ra, d3D,X + (hA − hX )2 tính sau d3D,X = d2D,X d2D,X khoảng cách từ trạm gốc tới nút X không gian chiều, hA chiều cao trạm gốc A hX chiều cao nút X [29] Không tính tổng quát, giả thiết hA = 10 m hB = hE = 1, m Bài báo xem xét môi trường tế bào lớn đô thị (UMa: Urban Macro), nL = cho thành phần truyền LOS nN = 2, cho thành phần truyền NLOS [30, 31] Theo [29], môi trường UMa κ tính theo dB biến ngẫu nhiên Gauss N (9; 3, 5) Để đơn giản, giả thiết κB = κE = dB Giả thiết hệ thống hoạt động với băng thông 10 MHz, công suất phát trạm gốc pd = 46 dBm, công suất phát thiết bị đầu cuối hợp lệ pp = 24 dBm mật độ công suất tạp âm nhiệt N0 = −174 dBm/Hz Tốc độ liệu tính cho sóng mang băng thông 15 kHz Giả thiết khoảng cách ăng-ten lân cận trạm gốc nửa bước sóng, tức d = 0, Giả thiết hệ số tạp âm Bổ đề 5: Nếu ∆φ ηE → RE → Nt → ∞ Khi dung lượng bảo mật CSC → RB = log2 (1 + η¯B ) Nt đủ lớn Chứng minh: Ta có |α(φB, φE, Nt )| ≤ | sin(ψ(φB, φE ))| −1, ∀Nt ≥ Thay bất đẳng thức vào (36) ta có g(Nt ) = η¯E | sin(ψ(φB, φE ))| −2 /Nt trong (37) Vì η¯E ψ(φB, φE ) khơng phụ nên lim Nt →∞ g(Nt ) = Vì vậy, lim Nt →∞ ηE có lim Nt →∞ RE = lim Nt →0 CSC = RB ≤ |ηE | ≤ η¯E cho thuộc vào Nt = Từ ta Tập V-3, Số 40, 12.2018 18 14 16 12 14 10 12 10 2 0 1000 2000 3000 t) 4000 5000 0 1000 2000 3000 t Hình Kết mơ kết phân tích giải tích RB , RB CSC dạng hàm số Nt ΦE = ΦB = rad ) 4000 5000 Hình Kết mơ kết phân tích giải tích RB , RB CSC dạng hàm số Nt ΦE = ΦB = 0, 002 rad trạm gốc dB/Hz hệ số tạp âm nút B nút E dB/Hz Không tính tổng quát, giả thiết ΦB = rad Trước hết, xem xét kịch mơ thiết bị nghe thụ động, hay nút E, đặt sát thiết bị đầu cuối hợp lệ, hay nút B Một số tham số mô kịch sau: (i) khoảng cách từ nút E từ nút B đến trạm gốc 300 m, (ii) hệ số mơ hình kênh Rice κB = κE = dB, (iii) kết mô lấy trung bình 100.000 mẫu Các hình trình bày kết mơ kết phân tích giải tích tốc độ liệu hợp lệ RB , tốc độ liệu nghe RB dung lượng bảo mật CSC dạng hàm số Nt tương ứng với ΦE = rad ΦE = 0, 002 rad Có thể thấy kết mô gần nằm đường biểu diễn kết phân tích giải tích tương ứng, tức kết phân tích giải tích đề xuất có độ xác cao dùng thay cho kết mô Trong hai hình trên, RB ln tăng theo hàm lơgarít Nt , kết phân tích mục III-2 Hình cho thấy RE tăng theo hàm lơgarít Nt CSC gần không đổi Kết mơ hồn tồn phù hợp với khẳng định bổ đề 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Hình Kết mơ kết phân tích giải tích RB , RB CSC dạng hàm số ΦE rad Nt = 128 Hình cho thấy ΦE ΦB RE CSC thay đổi không đơn điệu theo Nt Khi số ăng-ten trạm gốc nhỏ tốc độ liệu nghe gần sát với tốc độ liệu hợp lệ, khiến cho dung lượng bảo mật thấp Khi số ăng-ten trạm gốc tăng lên tốc độ liệu nghe giảm dần Đáng ý, có số giá trị số ăng-ten trạm gốc khiến cho tốc độ liệu nghe tiến sát không dung lượng bảo mật gần tốc độ liệu hợp lệ Lý giá trị Nt vector hệ số kênh truyền trực giao với Hình trình bày kết mơ kết phân tích giải tích RB , RB CSC dạng hàm số ΦE rad Nt = 128 Có thể thấy góc tới ΦE lớn, tức Các cơng trình nghiên cứu phát triển Cơng nghệ Thơng tin Truyền thơng ∆Φ lớn, tốc độ liệu nghe có xu hướng giảm Điều hợp lý ∆Φ lớn tương quan chéo vector hệ số kênh truyền nhỏ [9] V KẾT LUẬN [10] Bài báo đề xuất biểu thức giải tích dạng tường minh cho dung lượng bảo mật hệ thống thông tin vô tuyến MIMO cỡ lớn có mặt thiết bị nghe thụ động điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice Kết cho thấy thành phần truyền tầm nhìn thẳng làm cho tương quan chéo vector hệ số kênh truyền trạm gốc thiết bị đủ lớn, từ cho phép thiết bị nghe thụ động ảnh hưởng lớn đến dung lượng bảo mật hệ thống Các kết kiểm chứng mô Monte Carlo điều kiện mô khác Một số hướng nghiên cứu liên quan nghiên cứu ảnh hưởng thiết bị nghe thụ động trạm gốc sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu khác nghiên cứu ảnh hưởng thiết bị công chủ động điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice [11] [12] [13] [14] [15] LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.02-2013.09 Nhóm tác giả trân trọng cám ơn tài trợ nghiên cứu Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng thơng qua Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến Ứng dụng [16] [17] [18] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Zou, J Zhu, X Wang, and L Hanzo, “A survey on wireless security: Technical challenges, recent advances, and future trends,” Proceedings of the IEEE, vol 104, no 9, pp 1727–1765, Sep 2016 [2] D Kapetanovic, G Zheng, and F Rusek, “Physical layer security for massive MIMO: An overview on passive eavesdropping and active attacks,” IEEE Communications Magazine, vol 53, no 6, pp 21–27, 2015 [3] A Mukherjee, S A A Fakoorian, J Huang, and A L Swindlehurst, “Principles of physical layer security in multiuser wireless networks: A survey,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 16, no 3, pp 1550–1573, 2014 [4] A Yener and S Ulukus, “Wireless physical-layer security: Lessons learned from information theory,” Proceedings of the IEEE, vol 103, no 10, pp 1814–1825, Oct 2015 [5] T L Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 9, no 11, pp 3590– 3600, 2010 [6] 3GPP TR 38.912, “Study on new radio (NR) access technology (Release 15),” 3GPP, Technical Report v.15.0.0, Jun 2018 [7] T L Marzetta, “Massive MIMO: An introduction,” Bell Labs Technical Journal, vol 20, pp 11–22, 2015 [8] Y Wu, A Khisti, C Xiao, G Caire, K Wong, and X Gao, “A survey of physical layer security techniques for 5G [19] [20] [21] [22] [23] [24] wireless networks and challenges ahead,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2018 X Zhou, B Maham, and A Hjorungnes, “Pilot contamination for active eavesdropping,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 11, no 3, pp 903–907, Mar 2012 D Kapetanovi´c, G Zheng, K Wong, and B Ottersten, “Detection of pilot contamination attack using random training and massive MIMO,” in Proc of IEEE Int Symp Personal, Indoor, Mobile Radio Commun (PIMRC), Sep 2013, pp 13–18 J Wang, J Lee, F Wang, and T Q S Quek, “Jammingaided secure communication in massive MIMO Rician channels,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 14, no 12, pp 6854–6868, Dec 2015 Y Wu, R Schober, D W K Ng, C Xiao, and G Caire, “Secure massive MIMO transmission with an active eavesdropper,” IEEE Transactions on Information Theory, vol 62, no 7, pp 3880–3900, Jul 2016 D Hu, W Zhang, L He, and J Wu, “Secure transmission in multi-cell multi-user massive MIMO systems with an active eavesdropper,” to appear in IEEE Wireless Communications Letters, Jul 2019 H Akhlaghpasand, S M Razavizadeh, E Bjăornson, and T T Do, Jamming detection in massive MIMO systems,” IEEE Wireless Communications Letters, vol 7, no 2, pp 242–245, Apr 2018 J Zhu, R Schober, and V K Bhargava, “Secure transmission in multicell massive MIMO systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 13, no 9, pp 4766– 4781, 2014 ——, “Linear precoding of data and artificial noise in secure massive MIMO systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 15, no 3, pp 2245–2261, 2016 Y Long, Z Chen, L Li, and J Fang, “Non-asymptotic analysis of secrecy capacity in massive MIMO system,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC), Jun 2015, pp 4587–4592 A Bereyhi, S Asaad, R R Măuller, R F Schaefer, and A M Rabiei, “On robustness of massive MIMO systems against passive eavesdropping under antenna selection,” in Proceedings of the IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Abu Dhabi, UAE, Dec 2018 T Yang, R Zhang, X Cheng, and L Yang, “Secure massive MIMO under imperfect CSI: Performance analysis and channel prediction,” to appear in IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2018 C.-Y Yeh and E W Knightly, “Feasibility of passive eavesdropping in massive MIMO: An experimental approach,” in Proceedings of the IEEE Conference on Communications and Network Security (CNS), Beijing, China, May 2018 X Zhang, D Guo, and K Guo, “Secure performance analysis for multi-pair AF relaying massive MIMO systems in Ricean channels,” IEEE Access, vol 6, pp 57 708–57 720, 2018 A Mukherjee and A Swindlehurst, “A full-duplex active eavesdropper in MIMO wiretap channels: Construction and countermeasures,” in Proceedings of the Forty Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), Pacific Grove, U.S.A., Nov 2011, pp 265–269 D B Rawat, K Neupane, and M Song, “A novel algorithm for secrecy rate analysis in massive MIMO system with target SINR requirements,” in Proceedings of the IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM), Apr 2016, pp 53–58 O Ozdogan, E Bjornson, and E G Larsson, “Massive MIMO with spatially correlated rician fading channels,” Tập V-3, Số 40, 12.2018 Vũ Lê Quỳnh Giang nhận thạc sĩ kỹ sư ngành Khoa học máy tính Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Vongagrat, Liên bang Nga vào năm 2007 năm 2005 Hiện tại, tác giả nghiên cứu sinh thành viên Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến Ứng dụng thuộc Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Hướng nghiên cứu tác giả bảo mật lớp vật lý cho hệ thống MIMO cỡ lớn Submitted to IEEE Transactions on Communications, 2018 [25] Y Hu, Y Hong, and J Evans, “Angle-of-arrival-dependent interference modeling in Rician massive MIMO,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 66, no 7, pp 6171–6183, Jul 2017 [26] L Sanguinetti, A Kammoun, and M Debbah, “Theoretical performance limits of massive MIMO with uncorrelated Rician fading channels,” to appear in IEEE Transactions on Communications, 2018 [27] J Jose, A Ashikhmin, T L Marzetta, and S Vishwanath, “Pilot contamination and precoding in multi-cell TDD systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 10, no 8, pp 2640–2651, Aug 2011 [28] E Bjornson, J Hoydis, and L Sanguinetti, Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency Foundations and Trends in Signal Processing, 2017, vol 11, no 3-4 [29] 3GPP TR 38.901, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz,” 3GPP, Technical Report v.15.0.0, Jun 2018 [30] T S Rappaport, S Sun, and M Shafi, “Investigation and comparison of 3GPP and NYUSIM channel model for 5G wireless communications,” in Proceedings of the IEEE 86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Toronto, Canada, Sep 2017 [31] S Sun, T S Rappaport, T A Thomas, A Ghosh, H C Nguyen, I Z Kovacs, I Rodriguez, O Koymen, and A Partyka, “Investigation of prediction accuracy, sensitivity, and parameter stability of large-scale propagation path loss models for 5G wireless communications,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 65, no 5, pp 2843–2860, May 2016 Trương Trung Kiên nhận tiến sĩ thạc sĩ ngành Điện tử Viễn thông Đại học Tổng hợp bang Texas sở thành phố Austin, Texas, Hoa Kỳ vào năm 2012 năm 2008; nhận kỹ sư ngành Điện tử Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2002 Hướng nghiên cứu tác giả bao gồm số công nghệ cho mạng 5G hệ thống FD-MIMO, hệ thống thơng tin dải bước sóng milimét (mmWave) hệ thống Internet kết nối vạn vật (Internet of Things) TS Kiên trao số giải thưởng nghiên cứu khoa học Bài báo xuất sắc năm 2013 tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (JWCN), Bài báo xuất sắc năm 2014 tạp chí KICS Journal of Communications and Networks, Bài báo xuất sắc Hội nghị International Conference on Advanced Technologies for Communications năm 2018 Bài báo xuất sắc Hội thảo Quốc gia Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT) năm 2015 2018 TS Kiên phụ trách Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến Ứng dụng thuộc Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Thành viên Cao cấp (Senior Member) IEEE ... cứu dung lượng bảo mật lớp vật lý hệ thống thơng tin MIMO cỡ lớn có mặt thiết bị nghe thụ động điều kiện kênh pha-đinh Rice không tương quan không gian Theo định nghĩa, dung lượng bảo mật hệ thống. .. đạt thiết bị thu hợp lệ tốc độ liệu nghe thiết bị nghe thụ động hiệu số không âm không hiệu số âm Chú ý rằng, đa số kết nghiên cứu trước liên quan đến hệ thống có thiết bị nghe thụ động giả thiết. .. thẳng làm cho tương quan chéo vector hệ số kênh truyền trạm gốc thiết bị đủ lớn, từ cho phép thiết bị nghe thụ động ảnh hưởng lớn đến dung lượng bảo mật hệ thống Các kết kiểm chứng mô Monte Carlo