Đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức dưới tác động của can nhiễu sơ cấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo NGUYỄN ĐỨC TRỌNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS HỒ VĂN KHƯƠNG Cán chấm nhận xét 1: TS HÀ HOÀNG KHA Cán chấm nhận xét 2: PGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG TS HÀ HOÀNG KHA TS CHẾ VIẾT NHẬT ANH PGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO TS BÙI TRỌNG TÚ Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN ĐỨC TRỌNG MSHV: 7140999 Ngày, tháng, năm sinh: 26-10-1991 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP PERFORMANCE EVALUTION OF PHYSICAL LAYER SECURITY FOR COGNITIVE RADIO NETWORK WITH PRIMARY USER ‘s INTERFERENCE II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý thông số quan vcvtrọng, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo Tìm biểu thức tốn học cơng cụ tốn học để đánh giá xác suất bảo mật Đánh giá mô phỏng, kiểm nghiệm MATLAB III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05-01-2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-6-2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS HỒ VĂN KHƯƠNG Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) Lời cảm ơn em muốn gửi đến Thầy PGS TS Hồ Văn Khương, người thầy tận tâm hướng dẫn cách làm, theo sát bảo cho em kiến thức cần thiết từ công thức toán học, cách triển khai tài liệu liên quan, để em hồn thành đề cương Luận văn Luận văn cao học Trong q trình làm luận văn khơng tránh khỏi nút thắt, Thầy Khương truyền cảm hứng khơng ngừng thúc đẩy để em có hướng đi, tự tìm giải pháp dễ dàng gỡ nút thắt quan trọng trình nghiên cứu luận văn Đó chặng đường nghiên cứu khám phá đầy thú vị em có kết nghiên cứu riêng cho Thầy thực rèn luyện cho em khả tự nghiên cứu, giải vấn đề nhiều cách Tất điều kiến thức, kinh nghiệm quý báu để em tự độc lập làm việc áp dụng q trình cơng tác Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy Chúc thầy hệ học sĩ gặt hái nhiều thành tựu trình giảng dạy nghiên cứu TP.HCM, tháng 06 năm 2017, Nguyễn Đức Trọng, Trân Trọng! TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ “ Đề tài tập trung phân tích đánh giá ảnh hưởng chung nhiễu sơ cấp nhiễu nhân tạo khả bảo mật thông tin mạng vô tuyến nhận thức (CRNs) hạn chế giới hạn công suất nhiễu, giới hạn công suất phát đỉnh kênh truyền fading Rayleigh Hai cơng thức xác xác suất dừng kết nối xác suất dừng đánh chặn để đánh giá hiệu bảo mật, lần phân tích sau kiểm chứng mơ máy tính Cuối cùng, cơng thức xác sử dụng để cung cấp nhiều kết để thể độ bão hịa hiệu bảo mật cơng suất phát đỉnh công suất nhiễu đỉnh, ảnh hưởng bất lợi nhiễu sơ cấp đến hiệu bảo mật cải thiện hiệu bảo mật nhiễu nhân tạo This paper analyzes and evaluates joint effect of primary interference and artificial noise on information securing capability of cognitive radio networks (CRNs) under interference power constraint, peak transmit power constraint, and Rayleigh fading The exact formulas: connection outage probability and intercept outage probability for security performance evaluation, is first derived and then validated by computer simulations Finally, this exact formulas is used to provide numerous results to show security performance saturation at large peak transmit power or large peak interference power, adverse effect of primary interference on security performance, and security performance improvement owing to artificial noise ” Kính gửi: Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ Tôi, học viên Nguyễn Đức Trọng xin cam đoan luận văn thạc sĩ thân tự nghiên cứu thực sở tài liệu hướng dẫn tìm hiểu thêm Các thơng tin trình bày luận văn hồn tồn dựa tài liệu có nguồn gốc xác thực kết cho từ trình nổ lực tự nghiên cứu triển khai hướng dẫn thầy Khương thân Tôi khẳng định không chép nghiên cứu người khác để lấy làm thành luận văn Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực ngun luận văn Tơi kính mong nhận phản hồi tích cực từ phía Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ! Trân trọng! Học viên Nguyễn Đức Trọng MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục đích nghiên cứu .3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn Chương LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Kênh truyền vô tuyến Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network) 16 Bảo mật mạng vô tuyến nhận thức 42 Kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo (Artificial Noise) 46 Kết luận 49 Chương KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH MƠ HÌNH 50 Những nghiên cứu liên quan 50 Mơ hình phân tích 54 Xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability) 58 Xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability) 60 Kết luận 63 Chương MÔ PHỎNG, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 64 Kết mô phỏng 64 Nhận xét đánh giá 73 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74 Phụ lục A: Chứng minh hàm CDF  D 76 Phụ lục B: Chứng minh hàm CDF  W 78 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Chương GIỚI THIỆU Lý chọn đề tài Cơng nghệ khơng dây phát triển nhanh chóng, xu hướng thiết bị không dây truyền thông IoT hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích cho xã hội Trong thiết bị tiêu dùng điện thoại di động, máy tính xách tay phổ biến, cơng nghệ khơng dây dần len lỏi vào mạng lưới cảm biến cho ứng dụng an tồn tự động hóa, kiểm soát lưới điện thông minh, thiết bị không dây y tế hệ thớng giải trí Và bùng nổ ứng dụng không dây tạo nhu cầu ngày càng tăng đối với phổ tần vô tuyến Tuy nhiên các phổ tần được phân bổ sử dụng, nghiên cứu cho thấy phổ tần sử dụng mức hiệu tối ưu Những đánh giá này thúc đẩy việc tìm kiếm cơng nghệ khơng dây mang tính đột phá, đáp ứng được nhu cầu tương lai về hiệu suất phổ ứng dụng Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio viết tắt CR) thiết bị khơng dây lập trình được có khả thích ứng với mơi trường trùn, sóng trùn, phổ tần, phương pháp truy cập, giao thức mạng để hoạt động tốt Vô tuyến nhận thức hứa hẹn công nghệ mang tính đột phá tương lai, và là giải pháp đắn cho vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên phổ Thật vậy, mạng vô tuyến nhận thức chia thành hai mạng gồm mạng sơ cấp/mạng được cấp phép mạng thứ cấp/mạng không được cấp phép, mà băng thơng trùn tải được phân bổ cho mạng sơ cấp/mạng được cấp phép Tuy nhiên, mạng thứ cấp được phép truy cập đồng thời hay truy cập hội vào phổ tần số được ủy quyền mạng sơ cấp thông qua các chế underlay, interweave, overlay Do cơng nghệ CR cải thiện đáng kể hiệu sử dụng phổ tần tránh khan phổ, đáp ứng tốt nhu cầu băng thông ngày càng tăng cho dịch vụ không dây video trực tuyến độ nét cao, gọi video, truyền file truy cập internet tốc độ cao HVTT: Nguyễn Đức Trọng Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Bản chất mạng không dây truyền thống mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network) là broadcast thông tin môi trường vô tuyến, điều làm cho việc truyền tải thông tin dễ dàng bị nghe người sử dụng độc hại có chủ đích nằm vùng phủ sóng máy phát Đới với CRN, việc ngăn chặn nghe cịn khó có nhiều thiết bị đầu cuối không dây khác được phép truy cập đồng thời hay truy cập hội vào phổ tần được cấp phép Như vậy, vấn đề về bảo mật thông tin mạng vô tuyến nhận thức ngày càng trở nên quan trọng nghiên cứu thực tiễn cơng nghiệp, khơng đảm bảo trùn tải thơng tin mà cịn tăng cường hiệu sử dụng phổ Các công nghệ bảo mật thông tin trùn thớng được thực lớp cao lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp ứng dụng mơ hình OSI thơng qua kỹ thuật mật mã hóa, chủ yếu dựa vào secret key xác định trước Những kỹ thuật này được thiết kế với độ tính tốn phức tạp cao để ngăn chặn nghe giải mã thơng tin bí mật Tuy nhiên chúng có hiệu khả tính toán nghe bị hạn chế Ngày nay, tiến thiết kế phần cứng làm tăng đáng kể khả tính toán nghe và đó, bảo mật thơng tin dựa mã hóa kỹ thuật mật mã là không đủ hiệu cần phải được bổ sung Gần đây, bảo mật lớp vật lý thu hút nhiều ý kỹ thuật bảo mật thông tin bổ sung cho các phương pháp mã hóa kỹ thuật mật mã Kỹ thuật này khai thác các đặc tính thời gian khơng gian kênh truyền không dây để đảm bảo truyền tải thông tin mà không cần sử dụng phương pháp mã hóa và kỹ thuật mật mã Lý thuyết thơng tin kênh (từ nguồn đến đích) cao kênh wiretap (từ nguồn đến nghe lén), nguồn truyền tin cậy an toàn đến đích với tốc độ liệu khác không mà không cần chia sẻ secret key nghe gần không ăn cắp được bất cứ thơng tin từ kênh Do hướng nghiên cứu đề tài là đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức underlay CRN tác động can nhiễu sơ cấp, có giới hạn cơng suất phát đỉnh mạng vơ tuyến nhận thức, kết hợp phương pháp tạo nhiễu nhân tạo HVTT: Nguyễn Đức Trọng Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Với đề xuất hướng nghiên cứu trên, ta thấy yếu tố nhiễu hệ thống không dây tại (Primary Radio) tác động lên hệ thống vô tuyến nhận thức tương lai tồn tại vận hành song song Để đánh giá được khả hoạt động bảo mật hệ thống vô tuyến nhận thức, ta xem xét mơ hình, tính tốn thớng kê mô phỏng hệ thống MATLAB Mục đích nghiên cứu Đề tài phân tích và đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Để thuận tiện quá trình thiết kế tới ưu mạng, đề tài tìm biểu thức tốn dạng tường minh cơng cụ tốn học nhằm thể hiệu mạng, có giới hạn công suất phát đỉnh mạng vô tuyến nhận thức, kết hợp phương pháp tạo nhiễu nhân tạo Những hiệu mạng được thể qua tham số quan trọng là xác suất dừng đánh chặn, xác suất dừng kết nối Ngoài đề tài thể việc đánh giá qua việc mô phỏng MATLAB, vẽ đồ thị sớ liệu tính tốn biểu thức mô phỏng Monte-Carlo, kiểm tra, phân tích sớ liệu đánh giá thớng kê Đới tượng và phạm vi nghiên cứu  Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Networks)  Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security)  Kênh truyền fading Rayleigh, nhiễu trắng Gauss  Mô phỏng phần mềm Matlab  Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý, thông số quan trọng bảo mật lớp vật lý: xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Probability) HVTT: Nguyễn Đức Trọng Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương nghe Wire-tapper W thu được tín hiệu hữu ích mà phát thứ cấp phát cao hơn, dẫn đến hiệu bảo mật hệ thống giảm Hình 39: Xác suất dừng đánh chặn theo Pt với  th = 3dB Hình 39 thể xác suất dừng đánh chặn theo công suất phát sơ cấp Pt với Pm  18dB , IT  15dB Với hệ số phân chia lượng  thay đổi, hình thể đường xác suất tương với hệ sớ  khác nhau, nhiên có đường với   0.2   0.5 trùng nhau, với ngưỡng tỷ sớ tín hiệu nhiễu  th  3dB , với   0.2 ,   0.5  th   nên xác suất dừng đánh chặn với tất giá trị Pt thay 1 đổi, lúc nghe thu nhận bất cứ thông tin từ hệ thống, kết cho thấy mô phỏng tính tốn lý thuyết đều cho kết giớng Trong hình thể được cơng suất phát sơ cấp Pt tăng làm tăng can nhiễu tác động HVTT: Nguyễn Đức Trọng 70 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương lên nghe làm suy giảm hoạt động nghe lén, kéo tỷ sớ tín hiệu nhiễu SNR  W tại W giảm, xác suất để  W nhỏ ngưỡng cụ thể mô phỏng  W   th  3dB tăng, xác suất dừng đánh chặn tăng, nói cách khác hiệu bảo mật hệ thớng được cải thiện Hình 40: Xác suất dừng đánh chặn theo hệ số phân chia lượng α và ngưỡng SNR hệ thớng  th Hình 40 thể xác suất dừng đánh chặn khảo sát theo hệ số phân chia lượng  và ngưỡng tỷ sớ tín hiệu nhiễu  th với Pt  18dB , Pm  18dB , IT  15dB Trong hình thể ứng với đường hệ sớ  tăng chưa đủ lớn  th lớn  , xác suất dừng đánh chặn 1, hệ thống bảo mật tốt, đồ thị kết 1 tương ứng với  th  0.5dB giá trị   0.3 là ngưỡng bắt đầu  th  HVTT: Nguyễn Đức Trọng  , với 1 71 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hờ Văn Khương  th  1dB ngưỡng   0.5 , với  th  3dB ngưỡng   0.7 , với  th  5dB   0.8 Nhìn chung hình hệ sớ phân chia lượng  tăng xác suất dừng đánh chặn giảm, hệ thống bảo mật kém hơn,  tăng, lượng lượng dành cho tín hiệu hữu ích tăng, dẫn đến nghe có khả thu được nhiều thơng tin hữu ích hơn, nên hiệu bảo mật Hình 41: Sự đánh đổi độ bảo mật và độ tin cậy Nhìn vào hình 41, đồ thị biểu diễn mối quan hệ hàm phân phối tích lũy CDF  D  W , chất hàm này là dùng để thể xác dừng kết nối xác suất dừng đánh chặn tương ứng với độ tin cậy và độ bảo mật Qua kết trên, nhận thấy có đánh đổi độ tin cậy và độ bảo mật Khi xác suất  D  x tăng xác suất  W  x tăng, điều này có nghĩa là xác suất dừng kết nới tăng xác suất dừng đánh chặn tăng, xác suất dừng kết nối tăng tức kết nối CR Tx CR Rx HVTT: Nguyễn Đức Trọng 72 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hờ Văn Khương khơng hồn hảo, thơng tin mà CR Rx giải mã được dễ bị lỗi, độ tin cậy giảm, xác suất dừng đánh chặn tăng tức khả can thiệp nghe lấy trộm thông tin cần truyền giảm, lượng thông tin cần thiết mà nghe lén thu được so với nhiễu, khả giải mã thơng tin lỗi cao, tính bảo mật tăng Nhận xét đánh giá Qua kết chạy mô phỏng trên, ta thấy tất tính tốn lý thuyết đều cho kết trùng với kết chạy mô phỏng sử dụng kỹ thuật Monte Carlo Đối với công suất phát sơ cấp Pt gây can nhiễu lên hệ thống mạng vô tuyến nhận thức, ưu điểm hạn chế gây nhiễu cho nghe Wire-tapper làm ảnh hưởng đến khả hoạt động nó, từ hiệu bảo mật hệ thống mạng vô tuyến nhận thức được cải thiện, nhiên nhược điểm lại gây nhiễu không mong muốn cho nhận thứ cấp làm ảnh hưởng đến truyền tin cậy hệ thống mạng vô tuyến nhận thức, xác suất giải mã lỗi thơng tin cao hơn, địi hỏi cần phải thiết kế nhận nhận thức triệt được can nhiễu Cịn đới với cơng suất phát thứ cấp Ps (bộ phát nhận thức) tồn tại phần tín hiệu hữu ích tín hiệu nhiễu nhận tạo với hệ số phân chia lượng  ,  nhỏ hiệu bảo mật được cải thiện, độ tin cậy hệ thống lại và ngược lại,  nhỏ phần cơng suất tín hiệu hữu ích nhỏ, cơng suất tín hiệu nhiễu nhận tạo lớn, kéo theo tỷ sớ tín hiệu nhiễu tại nhận thứ cấp D nghe W đều nhỏ, nên xác suất để  D  x  W  x lớn, hai tham số liên quan đến độ tin cậy (xác suất dừng kết nối) và độ bảo mật (xác suất dừng đánh chặn) Do cần phải biết cân hệ số  cho hiệu bảo mật được cải thiện mà đảm bảo truyền tin cậy hệ thớng nhận thức Nhìn chung qua kết quả, nhận thấy có đánh đổi tính tin cậy (reliability) tính bảo mật (security), tính bảo mật tăng tính tín cậy giảm ngược lại, cần phải biết cân thông số này để đạt được kết hợp tốt nhất, đảm bảo hệ thống hoạt động tốt HVTT: Nguyễn Đức Trọng 73 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đề tài cung cấp được phân tích đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức Underlay CRN tác động can nhiễu sơ cấp, kênh truyền fading Rayleigh; có giới hạn cơng suất phát đỉnh mạng vơ tuyến nhận thức, kết hợp phương pháp tạo nhiễu nhân tạo để tăng tính bảo mật, mà nghiên cứu trước chưa kết hợp nghiên cứu đồng thời Tác động can nhiễu sơ cấp có tác dụng cải thiện khả bảo mật mạng vô tuyến nhận thức underlay CRN Trong đề tài, nguồn phát mạng vô tuyến nhận thức được phép sử dụng phần lượng để truyền tín hiệu gây nhiễu cho nghe lén, từ tăng tính bảo mật hệ thớng Những đóng góp đề tài được tóm tắt sau: - Đưa các phân tích và cho cơng thức tính tốn nhằm thể hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức mà không cần nhiều thời gian vào việc tính tốn mơ phỏng Monte-Carlo hay đo đạc tính tốn thực tế Vì cơng thức sau tính tốn cho kết trùng với kết kiểm nghiệm thực tế mô phỏng Monte-Carlo - Phân tích thơng sớ quan trọng nhằm thể được hiệu mạng: xác suất dừng đánh chặn (Intercept Outage Probability), xác suất dừng kết nối (Connection Outage Proability) - Cung cấp nhiều kết để hiểu được khả bảo mật mạng vô tuyến nhận thức, cụ thể thể qua xác suất dừng đánh chặn xác suất dừng kết nối tương ứng với độ bảo mật và độ tin cậy, số này được xác định có kết hợp nhiều yếu tớ khác nhiễu từ nguồn sơ cấp ( Pt ), nhiễu nhân tạo (  ) giới hạn công suất phát phát nhận thức ( Ps ): cơng suất phát sơ cấp tăng độ tin cậy giảm, độ bảo mật tăng; công suất phát phát nhận thức tăng độ tin cậy tăng, độ bảo mật giảm; hệ số phân chia lượng giảm (tức nhiễu nhân tạo tăng lên) độ tin cậy giảm độ bảo mật tăng HVTT: Nguyễn Đức Trọng 74 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Với biểu thức hàm phân phối tích lũy CDF  D  W , không được sử dụng để phân tích thơng sớ Intercet Outage Probability Connection Outage Probability trên, mà được sử dụng để áp dụng tính tốn vào tình h́ng khác tốn về bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức như: tối ưu hệ số phân chia lượng để đảm bảo truyền tin cậy mà bảo mật, hay cực đại thông lượng bảo mật, tính toán được xác suất nghe thơng tin từ tối ưu các thông số mạng để đánh chặn, dung lượng bảo mật, xác suất dừng bảo mật… Bảo mật hệ thống yếu tố quan trọng để đảm bảo thông tin được truyền xuyên suốt từ nơi phát đến nơi nhận Hơn với đà phát triển công nghệ mạng không dây thiết bị IoT nay, 4G là phổ biến nhiều nước phát triển giới có Việt Nam, hệ mạng vơ tuyến (5G) bùng nổ đỏi hỏi yêu cầu cao về tốc độ liệu, bảo mật thông tin, chất lượng dịch vụ (QoS) Do đề tài cung cấp loạt phân tích về hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức, đưa nhận xét và đánh giá ảnh hưởng yếu tố thực tế môi trường truyền đến hiệu bảo mật mà nghiên cứu trước chưa xét cách đầy đủ Từ đóng góp phần nhỏ vào việc nghiên cứu rút ngắn thời gian và là bước đệm cho nghiên cứu phát triển bảo mật hệ mạng công thức tính toán được kiểm chứng qua mô phỏng HVTT: Nguyễn Đức Trọng 75 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Phụ lục A: Chứng minh hàm CDF  D Từ công thức (37), hàm CDF  D điều kiện theo Ps mà Ps hàm theo hsr , từ (37) lấy kỳ vọng theo hsr được hàm CDF  D F D  x   E h sr  N0 x sd  Ps    P e  sd s 1  td Pt x  sd Ps  td Pt          (50)  I  T , P m  và đó, theo luật tổng xác suất, triển khai (50) thành h  sr  Vì Ps     N0   x  IT   sd   IT , Pm   sd   , Pm   y    y    e   F D  x    1   f  y  dy td Pt  IT   hsr 0 sd   , Pm    y  x   td Pt   Khi I  IT I  Pm hay y  T giá trị  T , Pm   Pm Từ (51) suy y Pm  y   N0 x    P e sd  Pm F D  x    1  sd m td Pt x  sd Pm   td Pt  IT Pm  N0 x    P e sd  Pm  1  sd m td Pt x  sd  Pm   td Pt  Khi (51)   y  e sr dy   sr    I   T Pm sr  1  e     (52)     I  I IT I  Pm hay y  T giá trị  T , Pm   T Từ (51) suy y Pm  y  y HVTT: Nguyễn Đức Trọng 76 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp  N0  x IT I sd  T sd    y y e F D  x    1   I td Pt IT sd  T  Pm y  x  td Pt      IT Pm e  e y sr sr IT Pm sr  sd  IT dy  sr xtd Pt sd  IT sr xtd Pt   IT Pm e Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương    y  e  sr dy   sr      e IT Pm  xN    y  sd  IT sr  dy  I y  sd T xtd Pt  xN    sd  IT sr (53)  y   I y  sd T xtd Pt dy Theo luật tổng xác suất, (52) cộng (53) cho kết x N0 I  T  sd Pm e Pm sr F D  x    1  e td Pt x  sd Pm  td Pt sd  Pm  sd  IT   sr xtd Pt    IT Pm e  xN    y  sd  IT sr   I y  sd T xtd Pt dy (54) Theo công thức [20, eq (358.2)]   u  Đặt   u,  ,    u e   x dx  e  Ei    u    x (55) e  x dx  e  Ei    u    vào (54) được cơng thức chứng x minh (38), hồn thành chứng minh HVTT: Nguyễn Đức Trọng 77 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Phụ lục B: Chứng minh hàm CDF  W Từ công thức (47), hàm CDF  W điều kiện theo Ps mà Ps hàm theo hsr , từ (47) lấy kỳ vọng theo hsr được hàm CDF  W F W  x   E hsr   xN       x (1 )Ps sw  e 1   xPt tw   1   x (1   ) P      s sw   (56)  I  T , P  và đó, theo luật tổng xác suất, triển khai (56) thành m  hsr  Vì Ps     xN   I     x (1   )    T , Pm sw   y  F W  x    1  e xP  t tw 0 1    x(1   )  IT , P    y m  sw     Khi (57) I  IT I  Pm hay y  T giá trị  T , Pm   Pm Từ (57) suy y Pm  y   xN     x (1 ) Pm sw  F W  x     e xPt tw     x(1   )  P   m sw  IT Pm  xN     x (1 )  Pm sw  1  e xPt tw     x(1   )  P   m sw  Khi      f hsr  y  dy       y  e sr dy  sr    I   T  1  e Pm sr     (58)     I  I IT I  Pm hay y  T giá trị  T , Pm   T Từ (57) suy y Pm  y  y HVTT: Nguyễn Đức Trọng 78 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương   xN  I     x (1 ) T sw y  F W  x     e xP   t tw IT 1 Pm  IT    x(1   )  sw y     IT Pm e   e y sr dy  sr IT Pm sr    x(1   )  IT sw sr xPt tw   x(1   )  IT sw sr xPt tw  e    IT Pm e y    y   e sr dy  sr     xN       x (1 ) IT sw sr   x(1   ) IT sw (59) dy xPt tw  xN       x (1 ) IT sw sr   y    x(1   ) IT sw y IT Pm   y  dy xPt tw Theo luật tổng xác suất, (58) cộng (59) cho kết F W  x      xPt tw 1   x(1   ) Pmsw   x(1   )  IT sw sr xPt tw   IT Pm e e xN   x (1 )Pm sw I  T  Pm sr 1  e    xN      x (1 ) IT sw sr (60)   y    x(1   ) IT sw y     dy xPt tw Thay công thức (55) phụ lục A vào (60) được công thức chứng minh (48), hoàn thành chứng minh HVTT: Nguyễn Đức Trọng 79 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC [1] Khuong Ho-Van, Trong Nguyen-Duc, An Vuong-Binh, Thiem Do-Dac, Trung Nguyen-Huu and Lien Pham-Hong, “On Information Securing Capability of Cognitive Radio Networks Under Primary Interference and Artificial Noise”, Proceedings of IEEE ICSSE 2017, accepted HVTT: Nguyễn Đức Trọng 80 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Xuân Nam, “Mô phỏng hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng MATLAB,” Bộ môn Thông tin, Khoa vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn, pp 45 [2] A Goldsmith, S A Jafar, I Maric, and S Srinivasa, “Breaking Spectrum Gridlock with Cognitive Radios: An Information Theoretic Perspective,” Proc IEEE, vol 97, no 5, pp 894-914, May 2009 [3] Ying-Chang Liang, Geoffrey Ye Li, “Cognitive Radio Networking and Communications: An Overview,” IEEE Transactions On Vehicular Technology, vo 60, no 7, pp 3386 - 3407, September 2011 [4] W Liu, M Z I Sarkar and T Ratnarajah, “On the Security of Cognitive Radio Networks: Cooperative Jamming with Relay Selection,” in European Conference on Networks and Communications (EuCNC), 2014 [5] J Barros and M Rodrigues, “Secrecy capacity of wireless channels,” in Proc IEEE International Symposium on Information Theory, 2006, pp 356−360 [6] Q Zhao and B M Sadler, “A survey of dynamic spectrum access,” IEEE Signal Processing Magazine, vol 24, no 3, pp 79-89, May 2007 [7] YuanYuan He, Jamie Evans, and Subhrakanti Dey, “Secrecy Rate Maximization For Cooperative Overlay Cognitive Radio Networks with Artificial Noise,” IEEE International Conference on Communication (ICC), 2014 [8] Nan Yang, Maged Elkashlan, Trung Q Duong, Jinhong Yuan, Robert Malaney, “Optimal Transmission with Artificial Noise in MISOME Wiretap Channels,” IEEE Transactions On Vehicular Technology, vol 65, no 4, pp 2170-2181, April 2016 [9] Bing Fang, Zuping Qian, Wei Shao, and Wei Zhong, “Joint Precoding and Artificial Noise Design for Cognitive MIMOME Wiretap Channels,” IEEE HVTT: Nguyễn Đức Trọng 81 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Transactions On Vehicular Technology, vol 65, no 8, pp 6753-6758, Agu 2016 [10] Tong-Xing Zheng, Hui-Ming Wang, “Optimal Power Allocation for Artificial Noise under Imperfect CSI against Spatially Random Eavesdroppers,” IEEE Transactions On Vehicular Technology, vol 65, no 10, pp 8812-8817, Oct 2016 [11] Tomoki Akitaya, Shunta Asano, and Takahiko Saba, “Time-domain Artificial Noise Generation Technique Using Time-domain And Frequency-domain Processing for Physical Layer Security in MIMO-OFDM Systems,” IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC), 2014 [12] Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Lương Nhật, Hồ Văn Cừu, “Đánh giá hiệu bảo mật mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặn,” Hội thảo Quốc gia 2015 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT 2015) [13] Louis Sibomana, Hung Tran, and Hans-Jurgen Zepernick, “On Physical Layer Security for Cognitive Radio Networks with Primary User Interference,” Military Communications Conference, MILCOM 2015 - 2015 IEEE [14] M Elkashlan, L Wang, T.Q Duong, G.K Karagiannidis, and A Nallanathan, “On the security of cognitive radio networks,” IEEE Trans Veh Tech, vol 64, no 8, pp 3790−3795, Aug 2015 [15] Khuong Ho-Van, “Impact of Primary Interference on Secrecy Performance of Physical Layer Security in Cognitive Radio Networks”, submitted [16] Xiang Hu, Xing Zhang, Haozhou Huang, and Yongjing Li, “Secure Transmission via Jamming in Cognitive Radio Networks with Possion Spatially Distributed Eavesdroppers,” 2016 IEEE 27th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications - (PIMRC): Mobile and Wireless Networks HVTT: Nguyễn Đức Trọng 82 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp [17] Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Xiangyun Zhou, Matthew R McKay, Behrouz Maham, Are Hjørungnes, “Rethinking the Secrecy Outage Formulation: A Secure Transmission Design Perspective,” IEEE Communication Letters, vol 15, no 3, pp 302-304, March 2011 [18] Yueming Cai, Xiaoming Xu, Weiwei Yang, “Secure transmission in the random cognitive radio networks with secrecy guard zone and artificial noise,” IET Communications, vol 10, no 15, pp 1904-1913, Oct 2016 [19] Biao He, Xiangyun Zhou, “Secure On-Off Transmission Design With Channel Estimation Errors,” IEEE Transactions On Information Forensics And Security, vol 8, no 12, pp 1923-1936, December 2013 [20] I S Gradshteyn and I M Ryzhik, Table of Integrals, Series and Products, 6th ed San Diego, CA: Academic, 2000 [21] Jing Yang, Lei Chen, Jie Ding, Xuelong Hu, “Intercept Outage Probability Analysis of Cognitive Relay Networks in Presence of Eavesdropping Attack,” 2015 21st Asia-Pacific Conference on Communications (APCC) HVTT: Nguyễn Đức Trọng 83 VỀ BẢN THÂN: - Họ tên: NGUYỄN ĐỨC TRỌNG - Sinh ngày: 26 tháng 10 năm 1991 - Nơi sinh: Xã Phổ Minh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi - Địa liên lạc: 497 Hòa Hảo, Phường 7, Quận 10, Tp HCM - CMND: 212566378 cấp ngày 24/06/2008 Quảng Ngãi QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: - 2006 - 2009: Trường THPT Trần Quốc Tuấn, Tp Quảng Ngãi - 2009 - 2014: Sinh viên Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM, chuyên ngành Điện tửViễn thông - 2014 - đến nay: Cao học chuyên ngành kỹ thuật Viễn thông, Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC: - 2/2014 – 11/2014: Kỹ sư Test phần mềm thiết bị BTS, BSC Công ty TNHH Aricent Việt Nam - 11/2014 – tại: Kỹ sư Mạng Phòng Điều Hành Mạng Lưới – Trung tâm Kỹ thuật Khu vực – Viettel Network – Viettel Group ... Nguyễn Đức Trọng 35 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương h) Ứng dụng vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức được... Đức Trọng Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Khương Chương LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Kênh truyền vô tuyến a) Giới thiệu Chất... tăng tỷ sơ? ? tín hiệu nhiễu SNR người dùng không nhận thức (noncognitive user’s SNR) HVTT: Nguyễn Đức Trọng 18 Đánh giá hiệu bảo mật lớp vật lý mạng vô tuyến nhận thức tác động can nhiễu sơ cấp Hướng