Bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - VÕ PHI SƠN BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC QUA PHƢƠNG PHÁP CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016 Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM Cán hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Văn Khƣơng Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM Ngày …… tháng …… năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Lê Đăng Quang PGS.TS Phạm Hồng Liên TS Huỳnh Phú Minh Cƣờng TS Võ Quế Sơn TS Chế Việt Anh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc   NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Phi Sơn MSHV: 7140451 Ngày, tháng, năm sinh: 01/08/1990 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60520208 I I TÊN ĐỀ TÀI: “Bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vơ tuyến, mơ hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý Khảo sát phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp có Đề xuất phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp Phân tích, đánh giá so sánh khả bảo mật thông tin phƣơng pháp chọn nút chuyển thông số hệ thống khác  Kết đạt đƣợc: Nắm vững kiến thức mạng vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, kênh truyền vô tuyến, mơ hình nhiễu, kỹ thuật bảo mật lớp vật lý, tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý Phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp cải tiến Kết phân tích mơ khả bảo mật thông tin phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp Nắm vững đƣợc ƣu, nhƣợc điểm, phạm vi ứng dụng phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016 IV CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG TP.HCM, ngày … tháng … năm 2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy PGS.TS Hồ Văn Khƣơng Những lời nhận xét, góp ý hƣớng dẫn tận tình Thầy giúp em có định hƣớng suốt trình thực đề tài, giúp em làm quen với việc nghiên cứu khoa học cách nghiêm túc bƣớc hoàn thiện kiến thức thân Thực tế trình nghiên cứu gặp nhiều trở ngại nhƣng nhờ đƣợc Thầy dạy tận tình, em giải khó khăn vƣớng mắc, hồn thành luận văn này, đồng thời quãng thời gian học tập, nghiên cứu hình thành em niềm thích thú hăng say nghiên cứu với lĩnh vực viễn thông Em xin trân trọng cảm ơn Thầy/Cô Trƣờng Đại Học Bách Khoa nói chung khoa Điện - Điện Tử nói riêng nhiệt tình dạy dỗ chúng em suốt quãng thời gian ngồi ghế nhà trƣờng Tôi xin cảm ơn hỗ trợ giúp đỡ nhiệt tình bạn bè thời gian học tập Trƣờng Đại Học Bách Khoa trình hồn thành Luận Văn Tốt Nghiệp Thạc Sĩ Cuối xin cảm ơn cha mẹ sinh giáo dục con, động viên để hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2016 Học viên thực Võ Phi Sơn i TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nhiều ứng dụng truyền thông đời để đáp ứng nhu cầu ngày cao ngƣời nhƣ: gọi video, truyền liệu tốc độ cao… nhiên vấn đề thiếu hụt phổ tần số để cấp phát cho ứng dụng truyền thông không dây ngày lớn Trong đó, theo báo cáo ủy ban truyền thơng liên ban FCC hiệu suất sử dụng phổ tần số đƣợc cấp phát lại nhỏ Chính đời mạng vô tuyến nhận thức kết hợp giúp giải vấn đề thiếu hụt phổ tần số Kỹ thuật vô tuyến nhận thức kết hợp cho phép ngƣời dùng thứ cấp SUs ngƣời dùng sơ cấp PUs đƣợc sử dụng chung băng tần số mà đảm bảo chất lƣợng dịch vụ ngƣời dùng sơ cấp Tuy nhiên vấn đề bảo mật mạng vô tuyến nhận thức chƣa đƣợc quan tâm nhiều Để tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống (ngoài việc sử dụng khóa bảo mật lớp trên) ta bổ sung thêm lớp bảo mật Đối với mạng vô tuyến nhận thức kết hợp mà cấu trúc mạng dễ bị thay đổi đề xuất cho việc bảo mật bảo mật lớp vật lý Trong luận văn giới thiệu tổng quát mạng vô tuyến nhận thức hợp tác, tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý, phân tích đánh giá phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp có việc bảo mật hệ thống Đồng thời luận văn đề xuất phƣơng pháp chọn nút chuyển phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp lặp lại (reactive relay selection) khảo sát đánh giá chúng để từ đƣa trƣờng hợp áp dụng cụ thể ii ABSTRACT Today, many new communication applications created to serve the increasing demand for communication such as video calls, high-speed data transferring, etc However, the problem of spectrum shortage for allocation to wireless application is growing Meanwhile, according to the report of the Federal Communication Commission (FCC), the spectrum utilization efficiency of licensed user can be low Therefore, the introduction of Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks can help to solve the spectrum shortage problems This technology allows the coexistence of secondary users (SUs) and primary users (PUs) on the frequency band inherently allotted to the latter while maintaining an acceptable quality of service (QoS) at PUs The security issues are one of most important aspects in the cooperative cognitive radio networks To increase the security of the system (in addition to using encyption with key in the top layer), we can add one more layer of security Physical layer security is a new method which offer low complexity security technology This technology is suitable for the networks which have infrastructure susceptible to changes This thesis presents an overview of Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks, the criteria for assessing the physical layer security and analyzes the methods of relay selection In addition, the thesis also proposes methods for new relay selection of physical layer security in Cooperative Communications for Cognitive Radio Networks using reactive relay selection and the case in practice for each method iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi thực hiện, khơng có chỉnh sửa hay chép kết tài liệu hay báo công bố trƣớc Các số liệu, kết luận văn đƣợc trình bày hồn tồn trung thực dựa q trình làm việc thực tế thân Luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu khoa học đƣợc đăng tải tạp chí, hội nghị đƣợc đề cập phần tài liệu tham khảo TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2016 Học viên thực Võ Phi Sơn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv DANH SÁCH HÌNH VẼ viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU xv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi Chƣơng 1: Giới thiệu 1.1 Bài toán bảo mật mạng vô tuyến nhận thức hợp tác 1.2 Nhiệm vụ luận văn 1.3 Ý nghĩa thực tế phạm vi nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn Chƣơng 2: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức hợp tác 2.1 Định nghĩa mạng vô tuyến nhận thức: 2.2 Thành phần mạng vô tuyến nhận thức 2.3 Các chức mạng vô tuyến nhận thức 2.4 Các tiêu chuẩn hệ thống vô tuyến nhận thức 10 2.5 Các mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức 11 2.5.1 Mô hình dạng (underlay paradigm) 11 2.5.2 Mơ hình dạng phủ (overlay paradigm) 13 2.5.3 Mơ hình dạng đan xen (interweave paradigm) 14 2.5.4 So sánh ba mô hình mạng vơ tuyến nhận thức 14 2.6 Truyền thông hợp tác 16 2.7 Kênh truyền vô tuyến mô hình kênh truyền vơ tuyến có nhiễu 19 2.7.1 Fading kênh truyền vô tuyến 19 2.7.2 Mô hình thống kê kênh truyền Rayleigh fading 25 2.7.3 Dung lƣợng kênh truyền vô tuyến 26 2.8 Tóm tắt chƣơng 26 Chƣơng 3: Tổng quan bảo mật lớp vật lý 27 3.1 Giới thiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến 27 v 3.2 Một vài phƣơng pháp bảo mật lớp vật lý 29 3.2.1 Sử dụng kỹ thuật Beamforming để bào mật hệ thống MIMO 29 3.2.2 Sử dụng phƣơng thức kết hợp để bảo mật lớp vật lý 30 3.3 Các tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý 31 3.3.1 Xác suất thiếu hụt bí mật 31 3.3.2 Độ tin cậy 32 3.3.3 Xác suất thiếu hụt giải mã thành công D 32 3.4 Tóm tắt chƣơng 33 Chƣơng 4: Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp bảo mật lớp vật lý 34 4.1 Mơ hình hệ thống 34 4.1.1 Mơ hình 34 4.1.2 Giai đoạn thứ truyền thông hợp tác 35 4.1.3 Giai đoạn thứ truyền thông hợp tác 36 4.1.4 Cấp phát công suất cho ngƣời dùng thứ cấp 38 4.2 Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp có 39 4.2.1 Phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp hội ORS 40 4.2.2 Phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu lại SORS 54 4.2.3 Lựa chọn nút chuyển tiếp phần PRS (partial relay selection) 63 4.3 Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp 69 4.3.1 Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp tối ƣu (Optimum) 70 4.3.2 Chọn nút chuyển tiếp hội cải tiến ORS_E 76 4.3.3 Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp SORS_E 87 4.3.4 Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp phần cải tiếp PRS_E 94 4.4 Tóm tắt chƣơng 4: 99 Chƣơng 5: Mô phân tích kết 100 5.1 Mơ hình mơ phỏng: 100 5.2 Mơ phƣơng pháp có: 101 5.2.1 Mô phƣơng pháp ORS 102 5.2.2 Mô phƣơng pháp SORS 109 5.2.3 Mô phƣơng pháp PRS 113 5.2.4 So sánh ba phƣơng pháp ORS, SORS, PRS 116 vi 5.2.5 Nhận xét 120 5.3 Mô phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp 121 5.3.1 Mô phƣơng pháp tối ƣu tốc độ bí mật (Optimum) 121 5.3.2 Mô phƣơng pháp ORS_E (ORS_Enhanced) 124 5.3.3 Mô phƣơng pháp SORS _E (SORS_Enhanced) 130 5.3.4 Mô phƣơng pháp PRS_E (PRS_Enhanced) 134 5.3.5 So sánh phƣơng pháp Optims, ORS_E, SORS_E, PRS_E 138 5.4 Mô xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E có can nhiễu từ phía máy phát sơ cấp 141 5.5 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E với thay đổi ngƣỡng so sánh RC 142 5.6 Mô xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E vị trí nút mạng thay đổi 143 5.6.1 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật máy thu sơ cấp gần nút chuyển tiếp (PRx gần Rm) 144 5.6.2 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật máy thu sơ cấp gần máy thu thứ cấp (PRx gần D) 145 5.6.3 Mô xác suất thiếu hụt bí mật máy thu thứ cấp gần nút chuyển tiếp (D gần Rm) 146 5.6.4 Mô xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần nút chuyển tiếp (E gần Rm) 147 5.6.5 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần máy thu thứ cấp (E gần D) 148 5.6.6 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần máy thu sơ cấp 149 5.7 Kết luận chƣơng 150 Chƣơng 6: Kết luận hƣớng phát triển 151 6.1 Kết luận 151 6.2 Hƣớng phát triển 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO 152 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 154 vii CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Theo kết mơ hình 5.48 ta thấy xác suất giải mã thành công E phƣơng pháp Optimum, ORS_E thấp Điều cho thấy độ tin cậy phƣơng pháp Optimum, ORS_E tốt phƣơng pháp lại Trong ta thấy phƣơng pháp PRS_E phƣơng pháp SORS_E xác suất giải mã thành cơng E cao cách chọn nút chuyển tiếp hai phƣơng pháp khơng phụ thuộc phụ thuộc vào cá thông tin kênh truyền S  E, Rm  E Hình 5.49 cho ta thấy đánh đổi chất lƣợng bảo mật phƣơng pháp xác suất giải mã thành công E Theo kết mơ ta thấy phƣơng pháp Optimum tốt đƣờng đồ thị nằm dƣới cùng, nghĩa để đạt đƣợc xác suất thiếu hụt bảo mật thấp làm cho xác suất giải mã thành công E tăng không nhiều Trong phƣơng pháp PRS_E phải đánh đổi nhiều lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu, phƣơng pháp khơng có thơng tin trạng thái kênh truyền từ máy phát, nút chuyển tiếp mạng thứ cấp đến thiết bị nghe Vì việc có thơng tin đầy đủ kênh truyền S  E, Rm  E cách tức thời giúp khả bảo mật hệ thống đƣợc tốt 5.3.5.3 So sánh xác suất giải mã thành công D Ta thực mô với RS  0.2 bits / s / Hz Theo kết mô nhƣ hình 5.50 với cơng suất phát máy phát thứ cấp nhỏ dB  Ptm  dB xác suất thiếu hụt giải mã thành công D phƣơng pháp Optimum, ORS_E thấp nhất, phƣơng pháp PRS_E cao Điều chứng việc đảm bảo chất lƣợng hệ thống mạng vô tuyến nhận thức kết hợp hai phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp Optimum ORS_E tốt GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 140 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ -2 10 Sim.:OPtim K=5 Sim.ORS Enhanced: K=5 Sim.SORS Enhanced: K=5 Sim.PRS Enhanced: K=5 -3 outage probability 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) Hình 4.50 So sánh xác thiếu hụt giải mã thành công D phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với RS  0.2 bits / s / Hz 5.4 Mô xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E có can nhiễu từ phía máy phát sơ cấp Ta dựa vào mơ hình mơ nhƣ hình 5.1, nhiên trƣờng hợp khảo sát ta khảo sát ảnh hƣởng can nhiễu từ máy phát sơ cấp PTx đến xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E Trong mô ta để công suất phát máy phát sơ cấp PTx  15 dB , RS  0.2 bits / s / Hz , RC  0.1 bits / s / Hz Theo kết mơ nhƣ hình 5.51 xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp bị giảm nhiều có can nhiễu từ máy phát sơ cấp, điều có can nhiễu làm giảm tỉ số tí hiệu nhiễu nút chuyển tiếp nhƣ D, E Tuy nhiên mơ hình 5.1 ta thấy máy phát sơ cấp nằm GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 141 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ vị trí gần nút chuyển tiếp D E, mức can nhiễu máy phát sơ cấp lên nút chuyển tiếp D lơn so với E Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR Enhanced: K=5 Sim.SORS Enhanced: K=5 Sim.PRS Enhanced: K=5 -0.2 Secrecy outage probability 10 -0.3 10 -0.4 10 -0.5 10 -0.6 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.51: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E có can nhiễu với PTx  15 dB; RS  0.2 bits / s / Hz, RC  0.1 bits / s / Hz 5.5 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E với thay đổi ngƣỡng so sánh RC Trong mô ta sử dụng mơ hình 5.1 để mơ phỏng, nhiên thiết lập công suất phát máy phát thứ cấp cố định Ptm  10 dB , RS  0.2 bits / s / Hz Ta khảo sát thay đổi xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp ngƣỡng so sánh tốc độ bí mật thay đổi: RC   bits / s / Hz GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 142 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Theo kết mơ nhƣ hình 5.52 xác suất thiếu hụt bí mật tăng ngƣỡng so sánh tăng Khi ngƣỡng so sánh RC  bits / s / Hz xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp gần nhƣ tiến tới Điều có nghĩa chất lƣợng bảo mật hệ thống yêu cầu cao xác suất thiếu hụt bí mật cao Secrecy outage probability 10 -1 10 Sim.RC:OPtim K=5 Sim.RC: OSR Enhanced K=5 Sim.RC:SORS Enhanced K=5 Sim.RC: PRS Enhanced K=5 -2 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 RC Secrecy rate bits/s/Hz 1.6 1.8 Hình 5.52: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E với Ptm  10 dB; RS  0.2 bits / s / Hz; RC   bits / s / Hz 5.6 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp ORS_E, SORS_E, PRS_E vị trí nút mạng thay đổi Trong phần ta giữ nguyên tham số mô nhƣ công suất phát máy phát thứ cấp, tốc độ kênh truyền thứ cấp RS  0.2 bits / s / Hz , ngƣỡng so sánh tốc độ bí mật RC  0.1 bits / s / Hz ngun mơ hình mơ nhƣ hình 5.1 Tuy nhiên ta lần lƣợt thay đổi vị trí nút mạng để xem xét GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 143 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ thay đổi xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E 5.6.1 Mô xác suất thiếu hụt bí mật máy thu sơ cấp gần nút chuyển tiếp (PRx gần Rm) Ta thực điều chỉnh lại vị trí máy thu sơ cấp lại gần nút chuyển tiếp Trong mô ta để PRx   0.6, 0.3 Sim.outage probability due to P near Relay 10 Secrecy outage probability Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -1 10 -2 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.53: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E vị trí PRx gần Rm Theo kết mơ nhƣ hình 5.53 xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp giảm máy thu sơ cấp vị trí gần nút chuyển tiếp cơng suất phát nguồn phát S giảm, đồng thời công suất phát nút chuyển tiếp giảm để đảm bảo mức can nhiễu máy thu sơ cấp máy phát thứ cấp gây dƣới mức ngƣỡng tối đa Chính mà tỉ số tín hiệu nhiễu nút chuyển tiếp nhƣ D giảm Cho nên tốc độ bí mật giảm theo GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 144 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.6.2 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật máy thu sơ cấp gần máy thu thứ cấp (PRx gần D) Trong mơ ta thiết đặt vị trí máy thu sơ cấp PRx   0.9, 0.2 gần vị trí máy thu thứ cấp RS  0.2 bits / s / Hz; RC  0.1 bits / s / Hz Theo kết mô nhƣ hình 5.54 xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp bị giảm Khi ta chƣa đổi vị trí máy thu sơ cấp theo hình 5.47 phƣơng pháp Optimum có: Pout  102 , nhƣng kết mơ hình 5.54 phƣơng pháp Optimum có Pout  102 Kết mơ xác suất thiếu hụt bí mật giảm máy thu sơ cấp gần máy thu thứ cấp cơng suất phát nút chuyển tiếp thấp để đảm bảo mức can nhiễu đói với máy thu sơ cấp dƣới mức ngƣỡng tối đa Chính điều làm giảm tốc độ bí mật hệ thống Sim.outage probability due to P near D -1.1 10 -1.2 Secrecy outage probability 10 -1.3 10 -1.4 10 Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -1.5 10 -1.6 10 -1.7 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.54 So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp PRx có vị trí gần D GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 145 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.6.3 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật máy thu thứ cấp gần nút chuyển tiếp (D gần Rm) Ta thực khảo sát ảnh hƣởng lên xác suất thiếu hụt bí mật vị trí máy thu thứ cấp gần nút chuyển tiếp Ta sử dụng mơ hình để mơ phỏng, nhiên điều chỉnh vị trí máy thu thứ cấp D  0.8, 0.0  Sim.outage probability due to D near Relay -2 Secrecy outage probability 10 -3 10 Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -4 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.55: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E D gần nút chuyển tiếp Theo kết mô hình 5.55 ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp giảm D vị trí gần nút chuyển tiếp Kết nhƣ D gần nút chuyển tiếp tỉ số tín hiệu nhiễu D tăng làm cho tốc độ bí mật đƣợc cải thiện Trong thực tế máy thu thứ cấp nằm vị trí gần nút chuyển tiếp độ bảo mật hệ thống tăng lên GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 146 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.6.4 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần nút chuyển tiếp (E gần Rm) Trong mục ta xét E gần nút chuyển tiếp tác động nhƣ đến xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Ta sử dụng mơ hình 5.1 để mơ nhiên vị trí thiết bị nghe đƣợc điều chỉnh E  0.7, 0.2  Theo kết mơ nhƣng hình 5.56 xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp bị giảm nhiều Điều mà vị trí thiết bị nghe nằm gần nút chuyển tiếp ta sử dụng phƣơng pháp khác để lựa chọn nút chuyển tiếp cho tốc độ bí mật lớn nhất, nhiên thiết bị nghe gần nút chuyển tiếp nên công suất mà thiết bị nghe nhận đƣợc lớn Chính điều làm cho tốc độ bí mật bị giảm Nên thực tế, nhƣ thiết bị nghe đặt gần nút chuyển tiếp hệ thống mạng vô tuyến nhận thức hợp tác để đảm bảo độ bí mật ta phải có số lƣợng lớn nút chuyển tiếp độ phân tập vị trí nút chuyển tiếp phải lớn Sim.outage probability due to E near Relay -0.1 Secrecy outage probability 10 Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -0.2 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.56: So sánh xác thiếu hụt suất bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E vị trí E gần Rm GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 147 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.6.5 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần máy thu thứ cấp (E gần D) Trong phần ta xem xét ảnh hƣởng đến xác suất thiếu hụt bí mật mà vị trí thiết bị nghe nằm gần máy thu thứ cấp Trong mô ta vấn sử dụng mơ hình 4.1 nhiên điều chỉnh vị trí thiết bị nghe vị trí gần máy thu thứ cấp Vị trí E nhƣ sau: E  0.9, 0.3 , vị trí D(1.0, 0.0) Theo kết mơ nhƣ hình 5.57 xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp tăng, điều có nghĩa mà thiết bị nghe nằm gần máy thu thứ cấp việc lựa chọn nút chuyển tiếp khác làm giảm xác suất thiếu hụt bí mật phần nhỏ Khi máy thiết bị nghe vị trí gần máy thu thứ cấp thơng tin kênh truyền S  E, Rm  E đóng vai trị quan trọng việc giảm xác suất thiếu hụt bí mật Ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E hai phƣơng pháp cịn lại có chênh lệch lớn Sim.outage probability due to E near D -0.4 10 -0.5 Secrecy outage probability 10 Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -0.6 10 -0.7 10 -0.8 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.57: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E E gần D GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 148 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.6.6 Mơ xác suất thiếu hụt bí mật thiết bị nghe gần máy thu sơ cấp Trong phần ta mô thay đổi xác suất thiếu hụt bí mật vị trí E nằm gần máy thu sơ cấp Ta sử dụng mơ hình mơ hình 5.1 nhiên ta điều chỉnh vị trí thiết bị nghe gần máy thu sơ cấp E  0.8, 0.7  , vị trí máy thu sơ cấp P  0.7, 0.6  Theo kết mô nhƣ hình 5.58 ta thấy xác suất thiếu hụt bí mật hệ thống dùng phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp khác nhƣng mức lớn Điều vị trí E khảo sát gần máy thu sơ cấp nhƣng gần nút chuyển tiếp máy thu thứ cấp D (1.0,0.0) trƣờng hợp mô ta không xét đến can nhiễu từ máy phát sơ cấp tới thiết bị thu thứ cấp Do xác suất thiếu hụt bị mật tăng công suất mà E nhận đƣợc lớn Sim.outage probability due to E near P 10 Secrecy outage probability Sim.:OPtim K=5 Sim.OSR: K=5 Sim.SORS: K=5 Sim.PRS: K=5 -1 10 -2 10 10 15 20 25 Unlicensed peak transmit power-to-noise variance ratio (dB) 30 Hình 5.58: So sánh xác suất thiếu hụt bí mật phƣơng pháp: Optimum, ORS_E, SORS_E, PRS_E E gần P GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 149 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 5.7 Kết luận chƣơng Trong chƣơng thực phân tích mơ phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp khác để đánh giá phƣơng pháp về: độ bảo mật, độ tin cậy việc đảm bảo chất lƣợng áp dụng phƣơng pháp vào mạng vô tuyến nhận thức hợp tác thức tế Qua chƣơng đánh giá đƣợc phƣơng pháp đề xuất về: xác suất thiếu hụt bí mật, xác suất giải mã thành công E, đánh đổi độ bảo mật xác suất giải mã thành công E, xác suất thiếu hụt bí mật D Ta thấy phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp mạng tối ƣu so với phƣơng pháp có Thơng qua kết mơ chƣơng ta thấy có thơng tin trạng thái kênh truyền S  E, Rm  E cải thiện đáng kể chất lƣợng bảo mật hệ thống Tuy nhiên nhƣ khơng có thơng tin kênh truyền S  E, Rm  E ta sử dụng phƣơng pháp PRS, PRS_E nhƣng phải đảm bảo số lƣợng nút chuyển tiếp mạng lớn có độ phân tập vị trí lớn GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 150 HVTH: VÕ PHI SƠN CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng 6: Kết luận hƣớng phát triển 6.1 Kết luận Luận văn thực công việc thu đƣợc kết quả:  Đƣa tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý  Khảo sát, phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp có mạng vơ tuyến nhận thức hợp tác  Đề xuất phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp với độ tin cậy cao, thực khảo sát, so sánh đánh giá phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp  Mô đánh giá khả bảo mật mạng vô tuyến nhận thức hợp tác với phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp khác trƣờng hợp khác phần mềm Matlab nhằm phân tích ƣu nhƣợc điểm, trƣờng hợp sử dụng phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp với tham số hệ thống khác 6.2 Hƣớng phát triển  Đƣa cơng thức tốn học gần cho phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp  Khảo sát phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp trƣờng hợp thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo  Kết hợp phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp có với phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp tạo nhiễu để tăng độ bảo mật hệ thống  Nhúng thuật toán vào mạng vô tuyến nhận thức hợp tác thực tế để thử nghiệm GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 151 HVTH: VÕ PHI SƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alexander M Wyglinsky, Cognitive Radio Communications and Networks principle and practice, Elsevier, 2010 [2] FCC Spectrum policy task force report, ET Docket 02–135, Nov 2002 [3] Hefdhallah Sakran et all, "Proposed relay selection scheme for physical layer security in cognitive radio networks", Communications IE, vol 6, no., pp.10521056, November 2012 [4] Jianhua Mo el all, “Relay Placement for Physical Layer Security: A Secure Connection Perspective”, IEEE Communications, vol 16, no , pp 878 -881, 25 April 2012 [5] J N Laneman el all, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior”, IEEE Transactions on Information Theory, vol.50, no , pp 3062 – 3080, Dec 2004 [6] Khuong Ho Van, "Exact outage analysis of underlay cooperative networks with reactive relay selection under imperfect channel information", Wireless personal Communication, vol 84, no.1, pp.567-582, September 2015 [7] Matthieu Bloch el all, “Wireless information theoretic security”, IEEE Transactions on Information Theory, vol 54, no , pp.2515 – 2534, June 2008 [8] Nan Yang el all, “Safeguarding 5G Wireless Communication Networks Using Physical Layer Security”, IEEE Communications Magazine, vol 53, no , pp 20 – 27, April 2015 [9] Ning Zhang el all, “Towards secure communications in cooperative cognitive radio networks”, IEEE/CIC International Conference on Communications,vol , no , pp 722 – 726, 12 – 14 Aug 2013 [10] Pengwei Zhang el all, “Physical layer security in cognitive relay networks with multiple antennas”, IEEE International Conference on Communication, vol , no , pp 7359 – 7364, 2015 GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 152 HVTH: VÕ PHI SƠN [11] B Sklar, “Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems”, IEEE Communications Magazine, vol 35, no , pp 90 – 100, Jul 1997 [12] Trung Q Duong el all, "Secured Cooperative Cognitive Radio Networks with Relay Selection", Global Communications Conference (GLOBECOM), pp 30743079, – 12 December 2014 [13] Yuanwei Liu el all, "Relay Selection for Security Enhancement in Cognitive Relay Networks", IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS, vol 4, no.1, pp 46-49, February 2015 GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 153 HVTH: VÕ PHI SƠN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Võ Phi Sơn Ngày tháng năm sinh: 01/08/1990 Nơi sinh: Gia lai Email liên lạc: phison1990@gmail.com Mobile: +84967977899 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: 2008 – 2012 Tốt nghiệp: Học Viện Hàng Không Việt Nam Ngành học: Điện Tử - Viễn Thơng Loại hình đào tạo: Chính quy Sau đại học: 2014 – 2016 Tốt nghiệp: Trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƢƠNG 154 HVTH: VÕ PHI SƠN ... Đây lý em chọn đề tài: ? ?Bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức hợp tác qua phương pháp chọn nút chuyển tiếp? ?? 1.2 Nhiệm vụ luận văn Trong luận văn nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý mạng vô. .. quan bảo mật lớp vật lý Tìm hiểu khái niệm bảo mật lớp vật lý, phƣơng pháp bảo mật, tiêu chí đánh giá khả bảo mật lớp vật lý Chƣơng 4: Phân tích phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp bảo mật lớp vật. .. chuyển tiếp để bảo mật vật lý đơn giản ứng dụng mạng vô tuyến nhận thức hợp tác lý tơi chọn phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp để tăng thêm độ bảo mật cho mạng vô tuyến nhận thức hợp tác 3.3