Cải thiện hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng phương pháp lựa chọn ăng ten thu phát

Trong bài viết này, đề xuất và phân tích hiệu năng bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống truyền thông 2 chặng trong điều kiện thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo. Để cải thiện xác suất dừng bảo mật, chúng tôi đề xuất sử dụng nhiều ăng ten tại nút nguồn và nút đích nhằm cải thiện độ lợi SNR của kênh truyền dữ liệu.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĂNG TEN THU/PHÁT Trần Anh Thắng1*, Trần Lương Hùng1, Võ Quang Dũng2, Trần Mạnh Hồng2 Tóm tắt: Trong báo này, đề xuất phân tích hiệu bảo mật lớp vật lý hệ thống truyền thông chặng điều kiện thông tin trạng thái kênh khơng hồn hảo Để cải thiện xác suất dừng bảo mật, đề xuất sử dụng nhiều ăng ten nút nguồn nút đích nhằm cải thiện độ lợi SNR kênh truyền liệu Kết trình bày bào biểu thức tường minh xác suất dừng bảo mật Mô Monte-Carlo sử dụng để kiểm chứng kết phân tích tính tốn So sánh kết mơ biểu thức giải tích trùng khớp điều khẳng định xác độ tin cậy biểu thức giải tích trình bày Từ khóa: Xác suất dừng bảo mật; Thơng tin trạng thái kênh truyền; Lựa chọn ăng ten phát ĐẶT VẤN ĐỀ Bảo mật truyền thông vô tuyến trở thành vấn đề cấp thiết nhà nghiên cứu quan tâm Bởi tính chất quảng bá tín hiệu kênh truyền vơ tuyến, tín hiệu truyền bị nghe trộm thiết bị nghe Thơng thường, để bảo vệ tín hiệu truyền, phương pháp sử dụng mã hóa liệu áp dụng Tuy nhiên, việc cài đặt thực khóa mã dẫn đến phức tạp tốn Từ lý đó, bảo mật lớp vật lý [1, 2] xem xét phương pháp hiệu bảo mật liệu Trong phương pháp này, tính chất vật lý kênh truyền sử dụng để tăng cường hiệu bảo mật mà không cần sử dụng công cụ mật mã Trong tác giả đưa mơ hình chọn lựa nút chuyển tiếp tốt để tăng cường dung lượng bảo mật hệ thống Trong [3], tác giả quan tâm đến bảo mật lớp vật lý mạng lưới chuyển tiếp hai chặng với nút chuyển tiếp trung gian Trong [3], tác giả đề nghị phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp nút tạo nhiễu mơ hình chuyển tiếp hai chặng Trong [4], tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng suy giảm phần cứng đến bảo mật thông tin hệ thống MIMO nhận thức qua kênh truyền fading Rayleigh Trong [5], nghiên cứu, đánh giá tác động thu thập sử dụng lượng vô tuyến nguồn cung cấp cho hệ thống Trong [6], tác giả phân tích hiệu hệ thống vô tuyến chuyển tiếp phần theo phương thức khuếch đại chuyển tiếp - Amplify and Forward - AF, nút chuyển tiếp lựa chọn phụ thuộc vào trạng thái kênh truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp Với [7], tác giả đánh giá xác suất dừng dung lượng trung bình kênh truyền fading Rayleigh sử dụng kỹ thuật chủ động lựa chọn nút chuyển tiếp tác động suy giảm phần cứng nhiễu đồng kênh Trong [8], tác giả đưa mơ hình mạng lưới chuyển tiếp đa chặng, tác giả đánh giá chi tiết khả bảo mật hệ thống Tuy có nhiều cơng trình đề xuất sử dụng kĩ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS: Transmit Antenna Selection) để cải thiện hiệu bảo mật hệ thống phương thức mà nghiên cứu trước bỏ qua không sử dụng kĩ thuật kết hợp máy thu nhằm cải thiện độ lợi phân tập máy thu hợp pháp, phương pháp cải thiện phẩm chất bảo hệ thống Để đơn giản thiết kế tiết kiệm chuỗi cao tần máy thu, báo này, khảo sát trường hợp lựa chọn kết hợp (SC: Selection Combining) Cấu trúc báo trình bày sau: Đặt vấn đề báo trình bày phần 1; Phần mơ tả mơ hình hệ thống, mơ hình hóa kênh truyền CSI khơng hồn hảo, trình bày mơ hình tín hiệu biểu thức tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất tạp âm; Phân tích biểu thức xác suất dừng bảo mật đưa phần 3; Các kết 126 T A Thắng , …, T M Hoàng, “Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/phát.” Nghiên cứu khoa học công nghệ mô thảo luận trình bày phần 4; Cuối phần kết luận trình bày phần MƠ HÌNH HỆ THỐNG E h1,i h2,j S D R feedback Hình Mơ hình hệ thống Xem xét hệ thống chuyển tiếp hai chặng hình Hệ thống bao gồm nút nguồn S trang bị N S ăng ten, nút chuyển tiếp, nút đích D trang bị N D antenna Trong hệ thống có mặt thiệt bị nghe trộm kí hiệu E nút E trang bị anten Truyền thông từ S đến D thông qua R nhằm giảm công suất phát nguồn Nút chuyển tiếp R sử dụng kĩ thuật giải mã chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) Trong đó, nút E thu, giải mã liệu thơng qua kênh nghe Tại S sử dụng kỹ thuật TAS, D sử dụng kĩ thuật SC Để thực kĩ thuật TAS hệ thống cần có thơng tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information) từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp, CSI có phương pháp sử dụng chuỗi huấn luyện kênh sử dụng phương pháp hồi tiếp Trong hệ thống mà khảo sát, giả sử rằng, tác đông trễ (lỗi thời) hồi tiếp (Outdate CSI) dẫn đến CSI khơng hồn hảo Kênh truyền bao gồm kênh kênh nghe giả sử tuân theo phân bố Rayleigh tượng pha đinh phẳng khung liệu thay đổi khung Nút chuyển tiếp đặt nút nguồn nút đích, nút nghe di chuyển tùy ý mặt phẳng hai chiều Khi giả sử rằng, CSI nhận trễ hồi tiếp mơ hình hóa biểu thức sau [9]: h1,n   h1,n     , (1) đó: h1,n hệ số kênh truyền theo giả thiết không xảy trễ hồi tiếp  đặc trưng cho sai số ước lượng kênh truyền có dạng phân bố tương đương với h1,n ,  hệ số tương quan kênh ước lượng kênh thức tế, với  0,1 Trong pha thứ nhất, tín hiệu nhận nút chuyển tiếp là: yR  PS h1,n x  w R , n  N S , đó, PS công suất phát nút nguồn, x w R (2) CN  0,   tương ứng tín hiệu nhiễu trắng cộng tính (AWGN) Khi đó, tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (SNR: signal- noise-ratio) thu nút chuyển tiếp từ anten phát thứ n lựa chọn mơ hình hóa biểu thức sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 127 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường  SR  PS  R max n 1,2 NS h1,n , (3) Trong pha thứ hai, tín hiệu nhận nút đích biểu diễn bới phương trình sau: yD  PR h2, j x  w D đó, h2, j hệ số kênh truyền từ R đến D w D (4) CN  0, D2  AWGN nút đích Từ (4), biểu thức SNR theo phương thức kết hợp SC biểu diễn sau: P  RD  R2 max j 1 N D h2, j D (5) Từ biểu thức (3), (5) hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) hàm phân phối tích lũy (CDF: Cumulative Distribution Function) SNR biểu diễn sau: M    z  F AB (z)  1  exp     AB    M  mz  M  m 1 m f AB (z)      1 exp  ,  AB m 1  m    AB  với  AB  PA, B AB  A, B  , AB  E hAB (6) (7) , E tốn tử trung bình đó, AB kí hiệu cho đường truyền từ A đến B, M  N S , N D  m  n, j Thêm vào đó, SNR mà nút nghe nhận nút nguồn nút chuyển tiếp phát tín hiệu kênh biểu diễn  SE  PS hSE /  E2 , (8)  RE  PR hRE /  E2 (9) 2 Khi hệ thống có CSI khơng hồn hảo, toán quan trọng xác định mối quan hệ hàm phân bố CSI thực tế CSI ước lượng Từ cơng thức (1), ta nhận SNR với CSI khơng hồn hảo  SR  PS max n 1,2 N h1,n /  R2 , đó, hàm phân bố SNR tương quan xác định [10] sau:  x y  exp  1     SR  1     SR đó, I . kí hiệu hàm Bessel bậc không loại f SR  (n) , SR(n)  x, y      xy  I0    1     SR    ,   (10) Sử dụng tính chất lý thuyết phân bố biên duyên xác suất điều kiện [11], [12] có:  f SR ( k )  x    f SR ( k ) | SR ( k ) ( x | y) f SR ( k ) ( y)dy, đó, f SR ( k ) | SR ( k ) ( x | y )  f SR ( n ), SR ( n )  x, y  f SR ( n ) ( y ) (11) (12) Kết hợp (7), (10), (11) (12), sau bước biến đổi đơn giản nhận CDF PDF 128 T A Thắng , …, T M Hoàng, “Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/phát.” Nghiên cứu khoa học công nghệ SNR chặng thứ điều kiện CSI khơng hồn hảo sau: n  1   N  nx f SR ( k )  x     S  exp    2 n 1  n   SR (1  ( n  1)(1   ))   SR (1  (n  1)(1   ))  NS   N  nx n 1 F SR ( k )  x      S   1 exp    n 1  n    SR (1  (n  1)(1   ))  n 1 NS (13) (14) PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG BẢO MẬT Xác suất dừng bảo mật định nghĩa xác suất mà tốc độ giải mã kênh nghe lớn tốc độ giải mã kênh (kênh liệu mong muốn) Một hệ thống xem có khả đảm bảo an tồn thơng tin dung lượng kênh lớn dung lượng kênh nghe Theo định lý Shannol có dung lượng kênh tức thời từ S  R S  E xác định là: (15) CSR  log 1   SR  (16) CSE  log 1   SE  Do đó, có dung lượng bảo mật chặng thứ xác định sau: C1  CSR  CSE  ,  (17) đó,  x  max  0, x  Thay (15), (16) vào (17) nhận được:    1    SR   1  C1   log 1   SR   log 1   SE   =  log   2     SE    (18) Dung lượng kênh truyền tức thời từ R  D R  E xác định tương ứng là: CRD  log 1   RD  CRE  log 1   RE  Dung lượng bảo mật chặng thứ hai xác định: (19) (20) C2  CRD  CRE  ,  (21) Thay (19) (20) vào (21), ta có:     RD 1  1 C2   log 1   RD   log 1   RE   =  log  2  2    RE     (22) Từ biểu thức dung lượng tức thời xác định (18) (22), tìm xác suất dừng bảo mật hệ thống (SOP: Secure Outage Probability) Giả sử  ngưỡng giải mã cho trước, dung lượng bảo mật chặng thấp  kiện bảo mật xảy Khi đó, ta có: SOP1  Pr(C1   ) 1      SR    SR  = Pr  log       Pr   2    SE        SE  Pr( SR   th (1   SE )  1),  th  22   2      Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 (23) 129 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Áp dụng xác suất điều kiện ta viết lại (23) thành:  SOP1   F SR ( th (1   )  1) f SE ( )d  ,   exp    SE   SE Sau vài phép biến đổi ta có: Trong đó, f SE ( )  (24)    NS  N   1  SR (n,  ) SOP1    S  n 1  n   SR ( n,  )  n SE  th n 1   n 1   th    1  exp    ,   SR (n,  )    (25) Trong đó,  (n,  )    n  1 1    Tương tự SOP1, xác định SOP2 sau:  SOP2   F RD ( th (1   )  1) f RE ( )d  , (26) Sau số bước tính tốn nhận biểu thức SOP chặng thứ là: ND  N   1  RD SOP2    D  j 1  j   RD  j RE  th j 1   j 1   th    1  exp     RD     Xác suất dừng bảo mật tồn chặng tính sau: SOPe 2e  Pr(min(C1 , C2 )   ) =1-Pr(C1   , C2   ) (27) (28) Vì C1 C2 độc lập với nên ta có: SOPe e =1-Pr(C1   ) Pr(C2   ) =1-1  Pr(C1   )1  Pr(C2   ) (29)   (1  SOP1 )(1  SOP2 ) Kết hợp phương trình (25) (27) có SOP hệ thống MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Trong phần này, báo trình bày kết Monte-Carlo, nhằm kiểm chứng kết phân tích Phần đánh giá khả bảo mật hệ thống đề xuất Thông qua kết mô để chứng minh răng, hiệu bảo mật hệ thống cải thiện kĩ thuật phần cứng mà khơng dựa vào mã hóa liệu cơng trình nghiên cứu trước Mơ hình hệ thống giả thiết đặt mặt phẳng chiều; nút nguồn S có tọa độ (0,0), nút đích có tọa độ (1, 0) Nút chuyển tiếp giả sử đặt nút nguồn nút đích Tọa độ nút nghe thay đổi theo kịch khảo sát, kênh truyền có phân bố Rayleigh, số mẫu ngẫu nhiên thực mô 2^14 Số lượng antenna phát/thu thay đổi từ to Tốc độ ngưỡng yêu cầu để đảm bảo hệ thống truyền thành công bit/s/Hz,  hệ số suy hao quy định môi trường truyền dẫn vô tuyến lựa chọn khoảng giá trị từ đến Trong mơ hình này, chọn   Trước hết, hình 2, chúng tơi khảo sát SOP cách thay đổi cấu hình ăng ten nút nguồn nút đích, giả sử cố định vị trí nút nghe tọa độ (1, 1) Hệ số tương quan kênh ước lượng kênh thực tế   0.9 , hệ số suy hao đường truyền giả sử   130 T A Thắng , …, T M Hoàng, “Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/phát.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Từ kết thấy rằng, tăng số lượng ăng ten, SOP cải thiện đáng kể, kết giải thích sau: Khi tăng số ăng ten S D dẫn đến độ lợi kênh (kênh liệu cải thiện), đó, tốc độ giải mã liệu kênh đạt lớn Do đó, khả bảo mật hệ thống cải thiện, có nghĩa SOP giảm Ngồi ra, kết đồ thị thấy đường lý thuyết mô trùng nhau, chứng tỏ cơng thức tính tốn hồn tồn xác Hình SOP theo SNR với cấu hình antenna khác Hình Ảnh hưởng sai số CSI đến SOP Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 131 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Hình trình bày SOP hệ thống tác động sai số CSI, giả sử số ăng ten S D (3, 3) Từ kết thấy rằng, SOP hệ thống giảm dần ta tăng  có nghĩa SOP tăng  tăng Đặc biệt   SOP đạt tốt nhất, có nghĩa lúc CSI hoàn hảo Ngoài ra, SNR đạt từ 20dB trở lên SOP bảo hịa, có nghĩa với mức cơng suất phát đủ lớn tốc độ giải mã E cải thiện, đó, khả bảo mật hệ thống khơng cải thiện Tương tự kết hình 2, đồ thị đường lý thuyết hoàn toàn trùng với đồ thị kết mơ phỏng, có nghĩa bước phân tích hồn tồn xác Thực tế hệ thống sai số CSI biết đến phương sai hàm phân bố SNR tăng lên Hình SOP hệ thống theo SNR với tọa độ nút nghe khác Hình biểu diễn SOP theo SNR với tọa độ nút nghe khác Giả sử tham số ăng ten cố định (3, 3), hệ số suy hao đường truyền   , sai số CSI   0.9 Từ kết đồ thị thấy rằng, nút E cách xa nút S nút R, SOP cải thiện đáng kể Ngược lại, nút E gần S R SOP trở nên tồi tệ chí bảo mật hồn tồn Do khoảng cách lớn độ lợi kênh giảm ngược lại Trong thực tế hệ thống nút nghe trộm thường cài đặt gần với nút thu liệu, đó, trường hợp cài đặt cạnh nút phát có trường hợp xảy Vì vậy, khảo sát hoàn toàn hợp so với cấu hình mạng thực tế triển khai KẾT LUẬN Trong báo phân tích SOP hệ thống đa ăng ten Từ kết kết luận rằng, tăng số ăng ten thu phát cho kênh hệ thống có khả cải thiện hiệu bảo mật liệu Hơn nữa, báo xác định ảnh hưởng sai số CSI để thực TAS có tác động đáng kể đến SOP hệ thống Kết phân tích giải tích kiểm chứng hồn tồn xác mơ Monte-Carlo Hệ thống khảo sát bào mơ hình có ý nghĩa khoa học cao, ứng dụng để thiết kế mạng vô tuyến bối cảnh phát triển IoT tương lai mạng 6G TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Yang, Q Li, W.-K Ma, J Ge, and P Ching, "Cooperative secure beamforming for AF relay networks with multiple eavesdroppers," Signal Processing Letters, IEEE, vol 20, pp 35-38, 2013 132 T A Thắng , …, T M Hoàng, “Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/phát.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] J Qiu, D Grace, G Ding, J Yao, and Q Wu, "Blockchain-Based Secure Spectrum Trading for Unmanned Aerial Vehicle Assisted Cellular Networks: An Operator’s Perspective," IEEE Internet of Things Journal, 2019 [3] H Hui, G Li, and J Liang, "Secure Relay and Jammer Selection for Physical Layer Security," Signal Processing Letters, IEEE, vol 22, pp 1147-1151, 2015 [4] M Li, B Selim, S Muhaidat, P Sofotasios, M Dianati, P Yoo, et al., "Effects of residual hardware impairments on secure NOMA-based cooperative systems," IEEE Access, vol 4, 2019 [5] Y Lu, K Xiong, P Fan, Z Zhong, and K B Letaief, "Robust transmit beamforming with artificial redundant signals for secure SWIPT system under non-linear EH model," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 17, pp 2218-2232, 2018 [6] S Yan, M Peng, W Wang, L Dong, and M Ahmed, "Relay self-selection for secure cooperative in Amplify-And-Forward networks," in Communications and Networking in China (CHINACOM), 2012 7th International ICST Conference on, 2012, pp 581-585 [7] Y Huang, F S Al-Qahtani, T Q Duong, and J Wang, "Secure transmission in MIMO wiretap channels using general-order transmit antenna selection with outdated CSI," IEEE Transactions on Communications, vol 63, pp 2959-2971, 2015 [8] D.-D Tran, N.-S Vo, T.-L Vo, and D.-B Ha, "Physical Layer Secrecy Performance of Multi-hop Decode-and-Forward Relay Networks with Multiple Eavesdroppers," 2015 [9] M Himal A Suraweera, IEEE, Peter J Smith, Senior Member, IEEE, and Mansoor Shafi, Fellow, IEEE, "Capacity Limits and Performance Analysis of Cognitive Radio With Imperfect Channel Knowledge," 2010 [10] W B M Schwartz, and S Stein, "Communication Systems and Techniques," 1995 [11] M Redha M Radaydeh, IEEE, " Impact of Delayed Arbitrary Transmit Antenna Selection on the Performance of Rectangular QAM with Receive MRC in Fading Channels," 2009 [12] M Himal A Suraweera, IEEE, Madushanka Soysa, Student Member, IEEE, Chintha Tellambura, Senior Member, IEEE, and Hari K Garg, Senior Member, IEEE, "Performance Analysis of Partial Relay Selection With Feedback Delay," 2010 ABSTRACT AN IMPROVED SECURE OUTAGE PROBABILITY FOR THE RELAY NETWORK USING MULTIPLE ANTENNA In this paper, we proposed and analysis on secrecy performance of dual hop communication with multiple-input multiple-output where transmitter employs transmit antenna selection in condition of imperfect channel state information while receiver perform selection combining with perfect CSI New closed-form expressions are derived for the exact secrecy outage probability Based on mathematic schemes, we derived the secrecy outage probability We examine our analysis results by using Monte Carlo simulation Keywords: Transmit Antenna Selection; Secrecy Outage Probability; Outdate CSI Nhận ngày 20 tháng năm 2020 Hoàn thiện 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp-Đại học Thái Nguyên; Trường Đại học Thông tin liên lạc * Email: trrananhthang@tnut.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 133 ... Hoàng, ? ?Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/ phát. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Từ kết thấy rằng, tăng số lượng ăng ten, SOP cải thiện đáng kể, kết giải thích sau: Khi tăng số ăng ten S... (12), sau bước biến đổi đơn giản nhận CDF PDF 128 T A Thắng , …, T M Hoàng, ? ?Cải thiện hiệu bảo mật … chọn ăng ten thu/ phát. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ SNR chặng thứ điều kiện CSI khơng hồn... báo phân tích SOP hệ thống đa ăng ten Từ kết kết luận rằng, tăng số ăng ten thu phát cho kênh hệ thống có khả cải thiện hiệu bảo mật liệu Hơn nữa, báo xác định ảnh hưởng sai số CSI để thực TAS