Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến chuyển tiếp và gây nhiễu có lựa chọn hai chặng

Bảo mật thông tin ở lớp vật lý đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Cụ thể, gây nhiễu nhân tạo đang là một cách tiếp cận hiệu quả trong truyền thông hợp tác, kỹ thuật này được gọi là hợp tác gây nhiễu. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng kỹ thuật Khuếch đại và Chuyển tiếp (Decode and Forward - DF).

Công nghệ thông tin ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG VƠ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ GÂY NHIỄU CĨ LỰA CHỌN HAI CHẶNG Chu Tiến Dũng1*, Võ Nguyễn Quốc Bảo2, Nguyễn Tùng Hưng3 Tóm tắt: Bảo mật thơng tin lớp vật lý thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Cụ thể, gây nhiễu nhân tạo cách tiếp cận hiệu truyền thông hợp tác, kỹ thuật gọi hợp tác gây nhiễu Cho đến nay, hầu hết nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Khuếch đại Chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) Trong báo này, quan tâm đến giao thức Ngẫu nhiên Chuyển tiếp (Random and Forward - RF), nút chuyển tiếp liệu đến đích nút chọn Để đánh giá hiệu bảo mật mô hình đề xuất, chúng tơi đưa biểu thức dạng đóng Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - SOP), Xác suất bảo mật khác không (Non-zero Secrecy Capacity Probability - PrNZ) Dung lượng bảo mật trung bình (Average Secure Capacity ASC) Cuối cùng, chúng tơi thực mơ Monte-Carlo để chứng minh phân tích Từ khóa: Xác suất dừng bảo mật, Xác suất bảo mật khác khơng, Dung lượng bảo mật trung bình, Chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến mở rộng phát triển không ngừng, thiết bị di động người dùng sử dụng rộng rãi với nhiều dịch vụ cung cấp nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng Do đặc tính quảng bá kênh truyền vô tuyến, thiết bị phát bị nghe thiết bị thu vùng phủ sóng nên người sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến đứng trước nguy an toàn liệu Để đảm bảo an tồn thơng tin cho hệ thống truyền thơng vơ tuyến, hệ thống truyền thông truyền thống thường thực mã mật tín hiệu thuật tốn mã đối xứng, mã khơng đối xứng, thuật tốn thường áp dụng lớp ứng dụng Tuy nhiên, hệ thống truyền thông vô tuyến phân bố địa bàn rộng, thiết bị đầu cuối có tính di động cao thông tin truyền lan mơi trường vơ tuyến pha đinh nhanh Do đó, sử dụng kỹ thuật mã hóa giải mã khó khăn hiệu Để khắc phục hạn chế bảo mật hệ thống truyền thông vô tuyến, gần nhà nghiên cứu giới tập trung nghiên cứu, khảo sát đặc tính vật lý hệ thống truyền thông vô tuyến để cải thiện hiệu bảo mật hệ thống Tiên phong nghiên cứu bảo mật lớp vật lý phải nói đến phân tích lý thuyết lý thuyết bảo mật thơng tin Shannon [1], theo mức độ bảo mật 56 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hệ thống thông tin vô tuyến phụ thuộc vào số lượng thông tin người nghe biết Hệ thống đạt bảo mật hồn tồn người nghe khơng thu thơng tin Sau đó, nghiên cứu [2], Wyner kênh truyền người sử dụng hợp pháp có điều kiện truyền lan tốt so với người nghe trộm đạt bảo mật hồn hảo mà khơng cần phải mật mã hóa liệu Kết luận mở rộng [3] qua kênh Gaussian, tác giả dung lượng bảo mật khác dung lượng kênh hợp pháp kênh nghe Tuy nhiên, điều kiện kênh mạng thông tin vô tuyến không thuận lợi cho người dùng hợp pháp, tỷ lệ bảo mật thấp chí giảm xuống khơng Trong nghiên cứu bảo mật lớp vật lý, giải pháp truyền thông hợp tác nhiều nghiên cứu đánh giá giải pháp hiệu Mục đích bảo mật lớp vật lý truyền thơng hợp tác ngăn chặn q trình nghe thông tin lan truyền từ nút nguồn sang nút đích, q trình hợp tác chuyển tiếp thơng tin thông thường ngẫu nhiên Để đạt mức độ bảo mật cao hơn, số giải pháp như: i) lựa chọn nút chuyển tiếp đề xuất nhằm tăng độ lợi kênh hợp pháp; ii) hợp tác gây nhiễu làm hạn chế khả thu nhận giải mã thông tin nút nghe Trong báo [4], tác giả cộng nghiên cứu hiệu bảo mật mạng vô tuyến hợp tác hai chặng sử dụng kỹ thuật DF, có diện nút nghe Kết báo, tác giả đưa biểu thức dạng đóng dung lượng bảo mật egodic Trong [5], Wang lại tiếp tục khảo sát với mơ hình [4] với phân tích sâu ảnh hưởng trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo lên mơ hình có diện nhiều nút nghe lén, nhiên, báo dừng lại kết dung lượng bảo mật trung bình tối ưu hệ số phân bổ công suất nút chuyển tiếp Trong [6], tác giả đề xuất mơ hình mạng truyền thông hợp tác hai chiều kỹ thuật chuyển tiếp DF Trong báo [7], khảo sát mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng sử dụng kỹ thuật Khuếch đại Chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF), có diện nút nghe Kết báo, tác giả đề xuất ba kịch để so sánh, là: kỹ thuật lựa chọn nút theo giá trị SNR tức thời; lựa chọn nút chuyển tiếp thông thường; lựa chọn nút gây nhiễu thông thường lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu Trong [8], viết đề xuất mơ hình mạng vơ tuyến hợp tác gồm bốn nút, đánh giá hiệu bảo mật mơ hình đề xuất nút chuyển tiếp đóng vai trò chuyển tiếp hay gây nhiễu Hai kịch khảo sát so sánh [8], kịch truyền thơng trực tiếp kết hợp với gây nhiễu kịch truyền thông chuyển tiếp Trong [9], kỹ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 57 Công nghệ thông tin thuật chuyển tiếp RF nghiên cứu hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác, nhiên vấn đề bảo mật chưa đề cập tới Trong báo này, nghiên cứu khả bảo mật hệ thống hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF để nút nghe không kết hợp liệu chặng Giả thiết mô hình kênh pha đinh Rayleigh, báo khảo sát phân tích xác suất dừng xác suất dung lượng bảo mật khác không, dung lượng bảo mật trung bình nhằm đánh giá hiệu bảo mật hệ thống Bên cạnh đó, tác giả thực so sánh hiệu bảo mật hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác gây nhiễu chuyển tiếp có lựa chọn với gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên Phần lại báo tổ chức sau: Mục mơ tả mơ hình hệ thống Trong mục 3, chúng tơi phân tích tính tốn tham số đánh giá hiệu bảo mật mơ hình đề xuất Kết mơ trình bày mục Cuối cùng, thực kết luận kết đạt báo mục MƠ HÌNH HỆ THỐNG  SR S  SE R1 R1 R2 R2 Rc c R E D Rc S R E c Rj R D c D Ri RE j i E RM Pha thứ E RM Pha thứ hai Kênh liệu Kênh gây nhiễu Kênh nghe trộm Hình Mơ hình hệ thống Xem xét mạng vô tuyến hợp tác minh họa theo hình Trong mơ hình, gồm có nút nguồn - S nút đích - D Giả sử, khơng có kết nối trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích, việc truyền thơng hai nút phụ thuộc hoàn toàn vào giúp đỡ M nút chuyển tiếp Rn với n  1, 2, , M Tồn nút nghe - E - cố gắng thu thập thông tin phát nút nguồn nút chuyển tiếp trình truyền liệu Tất nút mơ hình trang bị anten hoạt động chế độ bán song công Chúng giả định rằng, nút phát có đầy đủ thơng tin trạng thái – CSI – hai kênh kênh nghe trộm Như vậy, trình truyền liệu từ nguồn đến đích xảy hai pha 58 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong pha đầu tiên, nút nguồn thực phát quảng bá thông tin, lúc M  nút chuyển tiếp kể nút nghe thu nhận thông tin Cũng pha này, để ưu tiên cho việc gây nhiễu nhằm hạn chế nút nghe thu liệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền cao đến nút nghe lựa chọn để thực gây nhiễu cho nút nghe lén, ký hiệu RJ Ta ký hiệu Rc nút chuyển tiếp lựa chọn để chuyển tiếp thơng tin từ nguồn đến đích pha với Rc  (1, 2,, M  1) ,  SR độ lợi kênh truyền từ S đến Rc  R E c J độ lợi kênh truyền từ RJ đến E Vì vậy,  R E  arg max n1,2,, M  R E J (1) n Với tồn cơng suất phát nút nguồn P , ta phân bổ công suất cho nút S nút chuyển tiếp RJ tương ứng  P (1   )P , giá trị  để đảm bảo công suất thu nút nghe không vượt P , với    Do đó, tương tự [10], dung lượng kênh truyền đường truyền từ S đến Rc , RJ đến E biểu diễn sau:   P SRc  C1Data  log 1  , N0     P SE C1Eve  log    N  1    P RJ E  (2)  ,   (3) đó, N biến ngẫu nhiên tạp âm Gaussian, giá trị cho biết trình truyền tin diễn hai khe thời gian Dung lượng bảo mật pha đại lượng lớn không định nghĩa chênh lệch dung lượng chuẩn hóa tức thời kênh liệu kênh nghe pha [11], cụ thể biểu diễn biểu thức sau: C1Sec  max  0, C1Data  C1Eve  (4) Trong pha thứ hai, để ưu tiên cho việc chuyển tiếp liệu đến đích, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền cao đến đích lựa chọn để hợp tác chuyển tiếp liệu đến đích Nút chuyển tiếp tốt khơng phải nút gây nhiễu RJ pha thứ Sau lựa chọn nút chuyển tiếp tốt để chuyển liệu, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền tốt đến nút nghe số M  nút chuyển tiếp lại lựa chọn làm nút gây nhiễu cho nút nghe (ký hiệu Ri ) Lưu ý rằng, tất hệ số kênh truyền bị thay đổi sau pha, nút gây nhiễu Ri pha giống khác với nút gây nhiễu pha thứ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 59 Công nghệ thông tin Trong pha này, ta quan tâm đến độ lợi kênh truyền từ Rc đến D , từ Ri đến E , chúng biểu diễn tương ứng hai biểu thức đây: (5)  R D  max n 1,2, , M  R D , c n J n (6)  R E  max n 1,2, , M 1 R E i nc n Tương tự trên, công suất phát nút Rc phân bố giống công suất phát nút nguồn  P , cơng suất phát nút Ri (1   )P Do đó, dung lượng kênh truyền từ Rc đến D , từ Ri đến E là:   P Rc D C2Data  log 1  N0   ,    P Rc E C2Eve  log    N  (1   ) P Ri E  (7)     (8) Như vậy, dung lượng bảo mật pha thứ hai biểu diễn biểu thức sau: C2Sec  max(0, C2Data  C2Eve ) (9) PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT 3.1 Xác suất dừng bảo mật - Secrecy Outage Probability (SOP) Để đưa suy hao đường truyền vào tính tốn, ta mơ hình hóa SR c   SR  d SR  với   P N d SR khoảng cách từ S đến Rc  hệ số suy c c c hao đường truyền Trước hết, xác suất dừng bảo mật pha tính tương tự nghiên cứu [10, 12, 13] Pout  Pr  C1Sec  Rth        SRc  1     Pr     Pr  X    X2 ,  SE         1      RJ E   (10) đó,   22 R với Rth ngưỡng tối đa để nút chuyển tiếp giải mã tín th hiệu X1   SR , X  c  SE  1     RJ E biến ngẫu nhiên phân bố mũ với trung  bình SR  d SR  c c Do đó, 60 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ   1  1  exp  SRc   exp SRc  x2           exp  SRc exp SRc  x2   0  Pout      f  x  dx  X2 2 (11)  f  x  dx , X2 2 đó, f X  x2  hàm phân bố xác suất (PDF) X Để tính biểu thức (11) tìm PDF X Trước hết, ta viết lại: X   SE Y1  , với Y1   SE , Y2   R E  1     R E  1    Y2 J J  Y1 biến ngẫu nhiên phân bố mũ với trung bình SE  d SE  , đó:  FX  x2    1  exp   SE x2  exp  SE 1    x2 y2   fY2  y2  dy2 , (12) đó, PDF Y2 , ký hiệu fY  y2  , đưa sau: fY2  y2   FY2  y2  y2 M    1 m 1 m 1 M    mRJ E exp  mRJ E y2 ,  m  (13)  đó, R E  d R E  J J Thay (13) vào (12), ta được:  FX  x2    exp  SE x2   exp  SE 1    x2 y2  fY2  y2  dy2 M     1 m 1 đó, m  mRJ E SE 1    m 1  M  m exp  SE x2 ,    m  m  x2 (14) Chúng ta có biểu thức (15) sau: M f X  x2     1 m 1 m 1  M   m exp  SE x2  m SE exp  SE x2       m  x2  m   m  x2   (15) Thay biểu thức (15) vào (11), ta có xác suất dừng bảo mật pha là: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An toàn Thông tin, 05 - 2017 61 Công nghệ thông tin  1 M m 1  M    Pout   exp  SRc    1  m  1  SRc   SE m exp SRc   SE m   m 1                       E1 SRc   SE m  m SE exp SRc   SE m E1 SRc   SE m   M  1 m 1  M     exp  SRc    1  m    m 1    (16)    1  SRc m exp SRc   SE m E1 SRc   SE m  ,   với E1 (.) tích phân hàm mũ Xác suất dừng bảo mật chặng thứ hai là: Pout  Pr  C2Sec  Rth        Rc D   Pr      Rc E      1     Ri E    F Z1 đó, Z  (17)   1    x2  f Z2  z2  dz2      R E Z1   Rc D biến ngẫu nhiên phân bố mũ hàm  1     R E c i phân bố tích lũy (CDF), cho bởi:   FZ1  x    exp Rc D x M 1     1 u 1 u 1  M 1 (18)  M  1   exp uRc D x  u    Vì vậy, ta tính biểu thức (17) sau: M 1 Pout     1 u 1 u 1  M  1  1     exp  uRc D     u    exp  u Rc D  z2  f Z  z2  dz2 , (19) Tương tự (15), ta tính PDF Z sau: M 1 f Z2  z2     1 m 1 đó, m  mRi E 1    R E m 1    m Rc E exp Rc E z2  M  1  m exp Rc E z2     m  z2  m   m  z2    ,   (20) c 62 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Thay (20) vào (19), nhận biểu thức xác suất dừng bảo mật chặng thứ hai biểu thức (21)  M  1  1    exp  uRc D u    u 1   (21) M 1 m 1  M      1   1  uRc D  m exp Ri E  Rc D u   m E1 Ri E  Rc D u   m  m 1  m  M 1 Pout     1 u 1       Dung lượng bảo mật tồn hệ thống truyền thơng hợp tác dung lượng bảo mật nhỏ chặng chuyển tiếp, biểu diễn biểu thức sau: Sec Sec CeSec e   C1 , C2  , (22) Từ (22), xác suất dừng bảo mật tồn hệ thống tính bởi: e 2e Pout   1  Pout 1  Pout2  (23) Thay (16) (21) vào (23), ta có kết Poute e 3.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác không - None-zero secrecy capacity probability (PrNZ) Xác suất dung lượng bảo mật khác không xác suất mà giá trị CeSec e  Cụ thể, e 2e theo mơ hình toán, Pnon biểu diễn (24): e 2e Pnon  Pr  CeSec 2e     Pr  C1Sec , C2Sec    (24)  Pr  C1Sec   Pr  C2Sec   Trước hết, ta tính xác suất dung lượng bảo mật khác không pha thứ Pr  C1Sec   , từ biểu thức (2), (3) (10), ta có:   SE Pr  C1Sec    Pr   SRc    1     RJ E       exp SRc x2 f X  x2  dx2 ,     (25) Thay (15) vào (25), tương tự tính tốn trên, ta có: M Pr  C1Sec      1 m 1 m 1 M    1  SRc m exp SRc  SE m E1 SRc  SE m  , (26)  m       Xác suất dung lượng bảo mật khác không pha thứ hai:    Rc E Pr  C2Sec    Pr   Rc D     1     Ri E   M 1 u 1  M       1    exp uRc D x f Z2  z2  dz2 u 1  u   (27)  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 63 Công nghệ thông tin Thay (20) vào (27), ta có biểu thức dung lượng bảo mật khác không pha thứ hai: M 1 Pr  C2Sec      1 u 1 u 1 M 1    1  M  1 M 1 m 1  M       1   1  uRc D m exp Ri E  Rc D u  m E1 Ri E  Rc D u  m   u  m 1  m   m 1 m 1      (28)  M  1   1  uRc D m exp Ri E  Rc D u  m E1 Ri E  Rc D u  m   m        3.3 Dung lượng bảo mật trung bình - The average secrecy capacity (ACS) Giá trị dung lượng bảo mật trung bình tính biểu thức  C  e 2e  Pout  (29) d  Trước hết, ta viết lại biểu thức (23): M e 2e Pout  1   1 m 1 m 1  SRc   SRc   SR  M     SRc m exp  c  SE m   exp     exp   m             M 1  1  u 1  M  1   exp  SRc  m     E1 SRc   SE m    1         u   u 1 M 1  uRc D   uRc D   uR D  m 1  M  1     1     uRc D m exp  c  Ri Em   exp    exp   m 1  m              (30)   1    exp  uRc D  m     exp Ri E  Rc D u  m E1 Ri E  Rc D u  m              Thay Poute e vào biểu thức (30), ta có biểu thức xác dung lượng bảo mật trung bình C 3.4 So sánh với phương pháp gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên Tương tự khảo sát với kịch chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn giới thiệu phần Tuy nhiên, kịch phân tích theo phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên 3.4.1 Xác suất dừng bảo mật Cũng tương tự kịch chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn, giả sử cơng suất phát nút S  P , công suất phát nút gây nhiễu ngẫu nhiên Rk (1   )P Vậy, xác suất dừng bảo mật pha thứ biểu diễn bởi: Pout  Pr  C1Sec  Rth        SRc  Pr       SE          Rk E      SRc 64   1  exp   (31)  1   SR  x3   f X  x3  dx3 ,   c C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ đó, X   SE  1     R E k Tính hàm PDF X ta được: f X  x3   đó, 0  R E k SE 1    0 0  x3  exp  SE x3   0 SE exp  SE x3  , 0  x3 (32) Do đó, xác suất dừng bảo mật pha thứ kịch là:  1   Pout   exp  SRc  SRc 0 exp SRc   SE 0 E1 SRc   SE 0  (33)            Tiếp theo, khảo sát pha thứ hai trình truyền tin kịch chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên Trong M  nút chuyển tiếp lại, hệ thống ngẫu nhiên lựa chọn nút chuyển tiếp hoạt động với vai trò nút gây nhiễu, ký hiệu Rl Giả sử trên, công suất phát nút Rc  P , cơng suất phát nút gây nhiễu Rl (1   )P Do đó, xác suất dừng bảo mật pha thứ hai tính biểu thức: Pout  Pr  C2Sec  Rth        Rc D   Pr       Rc E      1     Rl E  (34) Tương tự tính tốn pha thứ nhất, ta có xác suất dừng bảo mật pha thứ hai theo biểu thức (35)  1   Pout   exp  Rc D  Rc D 4 exp Rc D   Rc E 4 E1 Rc D   Rc E 4  , (35)       đó, 4  R E l R E 1         c Cuối cùng, ta có dung lượng bảo mật tồn trình dung lượng bảo mật nhỏ hai pha Sec Sec CeSec e   C1 , C2  (36) Vì vậy, xác suất dừng bảo mật tồn trình tính theo biểu thức: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 65 Công nghệ thông tin e 2e Pout   1  Pout 1  Pout2  (37) 3.4.2 Dung lượng bảo mật khác không Dung lượng bảo mật khác không xác suất mà dung lượng bảo mật tồn trình tính cơng thức: C Sec e 2e e 2e Pnon  Pr(CeSec e  0) (38)  Pr(C1Sec  0) Pr(C2Sec  0) với Pr  C1Sec   Pr  C2Sec   biểu diễn sau:             Pr  C1Sec     SRc 0 exp SRc  SE 0 E1 SRc  SE 0 , Pr  C2Sec     Rc D4 exp Rc D  Rc E 4 E1 Rc D  Rc E 4 (39) (40) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Trong phần này, thực mô Monte-Carlo phần mềm Matlab để kiểm chứng kết phân tích Chúng tơi thực mơ đánh giá tham số SOP, PrNZ ACS mô hình đề xuất kịch khác Để minh họa cho mơ hình hệ thống, ta xét không gian hai chiều Oxy với nút bố trị vị trí sau: R(0,0.4) ; E (0.5,0.5) ; S (0,0) ; D (1,0) ; hệ số suy hao đường truyền   Hình Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0, M = 3, α = 0,5 Trong hình 2, khảo sát ảnh hưởng chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn lên mơ hình hệ thống truyền thông hợp tác vô tuyến, đánh giá tham số xác suất dừng bảo mật tồn trình mơ hình hệ thống Poute e qua xác suất dừng Pout 66 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hai pha Khi khảo sát với R th  , ta thấy xác suất dừng bảo mật kịch Pout chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn tốt so với kịch chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên Hình Dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 M = 3, α = 0,5 Rth = Trong hình 3, khảo sát, so sánh xác suất dung lượng bảo mật khác không hai kịch Khi giá trị tỉ số tín hiệu tạp âm P N thấp, lúc xác suất dung lượng bảo mật khác không kịch chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn tốt xác suất dung lượng bảo mật khác không kịch chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên Tuy nhiên, giá trị P N tăng xác suất dung lượng bảo mật khác không hai kịch tiến gần lại với Hình Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị M α = 0,5 Rth = Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 67 Cơng nghệ thơng tin Trong hình 4, chúng tơi mô dung lượng bảo mật hai kịch Q trình mơ cho ta kết luận phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn có xác suất bảo mật giảm số lượng nút chuyển tiếp tăng Kết mô cho thấy xác suất dừng bảo mật gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên không thay đổi số nút chuyển tiếp thay đổi Hình Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị α M = Rth = Trong hình 5, chúng tơi mô dung lượng bảo mật hai kịch Kết mô cho thấy xác suất dừng bảo mật gây nhiễu chuyển tiếp có lựa chọn thấp so với gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên Ở giá trị   0.5 xác suất dừng bảo mật tốt nhất, việc phân bổ công suất cho nút phát nút chuyển tiếp hiệu bảo mật hệ thống tốt Hình Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị yE α = 0,5, M = Rth = 68 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong hình 6, chúng tơi mơ dung lượng bảo mật hai kịch Kết mô cho thấy kịch gây nhiễu chuyển tiếp có lựa chọn có xác suất dừng bảo mật thấp so với kịch gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên Kết mô cho thấy tồn giá trị khoảng cách từ hệ thống đến nút nghe xác xuất dừng hệ thống khơng Hình Dung lượng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 với M = 3, α = 0,5 Trong hình 7, chúng tơi mơ dung lượng bảo mật hai kịch Q trình mơ cho ta kết luận phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn có dung lượng bảo mật trung bình tốt so với phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên, đặc biệt giá trị P N tăng dung lượng bảo mật trung bình phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn thể rõ hiệu vượt trội KẾT LUẬN Các nghiên cứu trước thường tập trung chủ yếu vào truyền liệu đơn mà khơng có diện người nghe sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên Trong mơ hình đề xuất, liệu chuyển tiếp cách chọn nút tốt nút nghe bị gây nhiễu nút chuyển tiếp lựa chọn để tăng hiệu bảo mật hệ thống, nút chuyển tiếp mơ hình sử dụng kỹ thuật RF Sự hợp tác nút chuyển tiếp mạng truyền thông vô tuyến sử dụng cho truyền liệu hai pha để tăng dung lượng bảo mật Nút chuyển tiếp lựa chọn để truyền liệu nguồn đích, nút gây Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An toàn Thông tin, 05 - 2017 69 Công nghệ thông tin nhiễu thực gây nhiễu cho nút nghe Kết báo cho thấy hiệu bảo mật vượt trội hẳn mơ hình chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn với mơ hình chuyển tiếp gây nhiễu ngẫu nhiên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Delfs and H Knebl, “Introduction to cryptography: Principles and applications,” Springer (2nd edn), 2007 [2] A D Wyner, “The wire-tap channel,” Bell System Technical Journal, pp 1355–1387, 1975 [3] S K Leung-Yan-Cheong and M E Hellman, “The gaussian wire-tap channel,” IEEE Trans Inform Theory, no 1, pp 451–456, 1978 [4] W Chao, Wang Hui-Ming, “Joint relay selection and artificial jamming power allocation for secure DF relay networks,” in Communications Workshops (ICC), 2014 IEEE International Conference, pp 819–824, 2014 [5] C Wang, H.-M Wang, and X.-G Xia, “Hybrid opportunistic relaying and jamming with power allocation for secure cooperative networks,” Wirel Commun., IEEE Trans., vol 14, no 2, pp 589–605, 2015 [6] J Wang, J Chen, H Duan, H Ba, and J Wu, “Jammer selection for secure two-way DF relay communications with imperfect CSI,” in Advanced Communication Technology (ICACT), 2014 16th International Conference, pp 300–303, 2014 [7] S Ghose and R Bose, “Outage optimal relay selection strategy using destination-based jamming for secure communication in amplify-andforward relay networks,” in Statistical Signal Processing (SSP), 2014 IEEE Workshop, pp 404–407, 2014 [8] H Deng, H.-M Wang, W Guo, and W Wang, “Secrecy transmission with a helper: To relay or to jam,” Information Forensics and Security, IEEE Transaction, vol 10, no 2, pp 293–307, 2015 [9] Jianhua Mo, Meixia Tao, and Yuan Liu, “Relay Placement for Physical Layer Security: A Secure Connection Perspective” IEEE Communications Letters, vol 16, no.6, pp 878-881, 2012 [10] V N Q Bao and N L Trung, “Multihop decode-and-forward relay networks: Secrecy analysis and relay position optimization,” Journal on Electronics and Communication, vol 2, 2012 [11] J Barros and M Rodrigues, “Secrecy capacity of wireless channels,” in Information Theory, 2006 IEEE International Symposium, pp 356–360, Jul 2006 70 C T Dũng, V N Q Bảo, …, “Đánh giá hiệu bảo mật… lựa chọn hai chặng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [12] M Z I Sarkar and T Ratnarajah, “Secrecy capacity and secure outage performance for rayleigh fading SIMO channel,” IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), pp 1900–1903, 2011 [13] H M F He and W Wang, “Maximal ratio diversity combining enhanced security,” IEEE Communications Letters, pp 1–3, 2011 ABSTRACT SECRECY OUTAGE ANALYSIS OF DUAL-HOP NETWORKS WITH RELAY AND JAMMER SELECTION In recent years, ensuring security of communications at the physical layer has attracted considerable attention Particularly, transmitting artificial jamming signals to eavesdropper is one of effective approaches in multi-relay schemes, which is called cooperative jamming (CJ) Up to now, almost published literature on CJ have studied on the scenario in which the source transmits a single data stream to a single legitimate user in the existence of an eavesdropper In this paper, we consider a cooperative relay protocol where one of achievable relays (R) is selected to help the communication between a source (S) and a destination (D) and some relays are used to generate artificial noises to a eavesdropper (E) In the proposed protocol, we assume that the jamming signals can be canceled from the received signals at D and R, except E For performance evaluation, we derive expressions of Secure Outage Probability (SOP), Non-zero Secrecy Capacity Probability (PrNZ) and Average Secrecy Capacity (ASC) over Rayleigh fading channels Finally, we present Monte Carlo simulations to verify the derivations Keywords: Probability of Non-zero Secrecy Capacity, Secrecy Outage Probability, Average Secrecy Capacity, Jammer selection Nhận ngày 10 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2017 Địa chỉ: Đại học Thông tin liên lạc; Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng; Phòng Thí nghiệm Trọng điểm An tồn thơng tin * Email: chutiendung@tcu.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san An tồn Thơng tin, 05 - 2017 71 ... Q Bảo, …, Đánh giá hiệu bảo mật lựa chọn hai chặng. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ hai pha Khi khảo sát với R th  , ta thấy xác suất dừng bảo mật kịch Pout chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn. .. lượng bảo mật hai kịch Q trình mơ cho ta kết luận phương pháp chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn có xác suất bảo mật giảm số lượng nút chuyển tiếp tăng Kết mô cho thấy xác suất dừng bảo mật gây nhiễu. .. dừng bảo mật gây nhiễu chuyển tiếp có lựa chọn thấp so với gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên Ở giá trị   0.5 xác suất dừng bảo mật tốt nhất, việc phân bổ cơng suất cho nút phát nút chuyển tiếp hiệu