Nghiên cứu hiệu năng bảo mật lớp vật lý của một số hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng mã fountain TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG THẾ HÙNG NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CỦA MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02 03 HÀ NỘI - 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trung Duy PGS.TS Đỗ Quốc Trinh Phản biện 1: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền Phản biện 3: PGS.TS Trần Đức Tân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 221/QĐ-HV, ngày 21 tháng 01 năm 2021 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Qn Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ A Các cơng trình sử dụng kết luận án Đặng Thế Hùng, Trần Trung Duy Đỗ Quốc Trinh, “Nghiên Cứu Hiệu Năng Truyền Bảo Mật Sử Dụng Mã Fountain Trong Mạng Vô Tuyến Nhận Thức Dưới Sự Tác Động Của Khiếm Khuyết Phần Cứng,” Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học Cơng Nghệ Quân Sự, số 59, trang 58-69, 02/2019, ISSN: 1859-1043 Đặng Thế Hùng, Trần Trung Duy Đỗ Quốc Trinh, “Đánh Giá Khả Năng Giải Mã Bảo Mật Dữ Liệu Thành Công Trong Mạng MIMO TAS/SC Sử Dụng Mã Fountain Dưới Tác Động Của Giao Thoa Đồng Kênh,” Tạp Chí Khoa Học Kỹ Thuật, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, số 192, trang 89-102, 08/2018, ISSN: 1859-0209 D T Hung, T T Duy, T T Phuong, D Q Trinh, and T Hanh, “Performance Comparison between Fountain Codes-Based Secure MIMO Protocols With and Without Using Non-Orthogonal Multiple Access,” Entropy, vol 21, no 10, (928), Oct 2019, SCIE/Q2, IF: 2.494, DOI: https://doi:10.3390/e21100982, ISSN: 1099-4300 D T Hung, T T Duy, D Q Trinh, V N Q Bao, and T Hanh, “Security-Reliability Analysis of Power Beacon-Assisted Multi-hop Relaying Networks Exploiting Fountain Codes with Hardware Imperfection,” in The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2018, Ho Chi Minh city, Vietnam, pp 354-359, Oct 2018, DOI: 10.1109/ATC.2018.8587493 D T Hung, T T Duy, and D Q Trinh, “Security-Reliability Analysis of Multi-hop LEACH Protocol with Fountain Codes and Cooperative Jamming,” EAI Endorsed Transactions on Industrial Networks and Intelligent Systems, vol 6, no 18, pp 1-7, Mar 2019, DOI: http://dx.doi.org/10.4108/eai.28-3-2019.157120, ISSN: 2410-0218 B Các cơng trình cơng bố khác thời gian thực luận án Đặng Thế Hùng, T T Duy, V N Q Bảo, Đ Q Trinh T Hạnh, “Phân Tích Hiệu Năng Mơ Hình Truyền Đường Xuống Sử Dụng Kỹ Thuật Chọn Lựa Ăng-ten Phát Mã Fountain Dưới Sự Ảnh Hưởng Của Nhiễu Đồng Kênh,” REV-ECIT 2017, trang 270-274, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam, 12/2017 P T Tin, D T Hung, T T Duy, and M Voznak, “Security-Reliability Analysis of NOMA-based Multi-Hop Relay Networks in Presence of an Active Eavesdropper with Imperfect Eavesdropping CSI,” Advances in Electrical and Electronic Engineering (AEEE), vol 15, no 4, pp 591597, Nov 2017, (Scopus) D T Hung, T T Duy, D Q Trinh, and V N Q Bao, “Secrecy Performance Evaluation of TAS Protocol Exploiting Fountain Codes and Cooperative Jamming under Impact of Hardware Impairments,” in SigTelCom 2018, Ho Chi Minh city, Vietnam, pp 164-169, Jan 2018 Đặng Thế Hùng, T T Duy, L C Khẩn Đ Q Trinh, “Đánh Giá Hiệu Năng Xác Suất Dừng Mạng Thông Tin Vệ Tinh Chuyển Tiếp Hai Chiều Sử Dụng Mã Fountain,” REV-ECIT 2019, trang 152-156, Hà Nội, Việt Nam, 12/2019 B Q Đức, Đặng Thế Hùng, T T Duy N T Bình, “Phân Tích Hiệu Năng Mạng Khuếch Đại Chuyển Tiếp Đa Chặng Dưới Sự Ảnh Hưởng Chung Của Nhiễu Đồng Kênh Và Nhiễu Phần Cứng,” REV-ECIT 2019, trang 247-252, Hà Nội, Việt Nam, 12/2019 Đ V Phương, N T Đơng, Đặng Thế Hùng H V Tồn, “Xác Suất Dừng Hệ Thống FD-NOMA Với Nút Chuyển Tiếp Sử Dụng Công Nghệ Thu Thập Năng Lượng,” REV-ECIT 2019, trang 283-288, Hà Nội, Việt Nam, 12/2019 P T Tin, D T Hung, N N Tan, T T Duy, and M Voznak, “Secrecy Performance Enhancement for Underlay Cognitive Radio Networks Employing Cooperative Multi-hop Transmission With and Without Presence of Hardware Impairments,” Entropy, vol 21, no 2, (217), Feb 2019, SCIE/Q2, IF: 2.494 Đặng Thế Hùng N T Dũng, “Phân Tích Hiệu Năng Truyền Bảo Mật Sử Dụng Mã Fountain Với Kỹ Thuật Lựa Chọn Ăng-ten Phát,” REV-ECIT 2020, trang 108-113, Hà Nội, Việt Nam, 12/2020 Đặng Thế Hùng, L C Khẩn, N V Toàn Đ Q Trinh, “Nghiên Cứu Hiệu Năng Bảo Mật Lớp Vật Lý Cho Mạng Chuyển Tiếp Lai Ghép Vệ TinhMặt Đất Dưới Sự Tác Động Của Nhiễu Đồng Kênh Và Nhiễu Phần Cứng,” Tạp Chí Khoa Học Cơng Nghệ Thơng Tin Truyền Thơng, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, số …, trang …, 12/2020, ISSN: 2525-2224, (Đã chấp nhận đăng) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với bùng nổ truyền thông không dây mang lại cho người nhiều tiện ích Tuy nhiên, đặc tính quảng bá kênh truyền vơ tuyến, nút nghe dễ dàng thu thập công hay sửa đổi thơng tin Do đó, bảo mật thơng tin vấn đề quan trọng thiết kế hệ thống thông tin đại Để bảo mật hệ thống, thuật toán DES, RSA sử dụng phát triển rộng rãi Nhưng yêu cầu độ phức tạp cao lực tính tốn hệ thống bẻ khóa ngày cao, khó hiệu để bảo đảm an tồn thơng tin Bảo mật lớp vật lý (PLS) khai thác đặc tính kênh truyền, nhiễu pha đinh, khoảng cách nút mạng, để nâng cao bảo mật hệ thống PLS không phụ thuộc độ phức tạp tính tốn, bảo mật đạt không bị thỏa hiệp thiết bị nghe có khả tính tốn mạnh mẽ Mã Fountain không đưa tốc độ cố định, phù hợp điều kiện kênh thay đổi theo thời gian, triển khai với độ phức tạp thấp, số gói mã hóa tạo từ liệu nguồn có khả khơng giới hạn Để truyền bảo mật, máy thu nhận đủ số gói mã hóa cần thiết để phục hồi tin gốc tốc độ giải mã cao nút nghe Qua khảo sát cơng trình nước quốc tế có liên quan, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu giao thức sử dụng FC từ quan điểm bảo mật Do đó, việc nghiên cứu đề xuất mơ hình hệ thống sử dụng FC để bổ sung khoảng trống bảo mật vấn đề quan trọng, cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu luận án  Nghiên cứu khả bảo đảm an tồn thơng tin lớp vật lý, đề xuất phân tích hiệu bảo mật thông tin giao thức đề xuất hệ thống vô tuyến sử dụng FC, MISO TAS, MIMO TAS/SC, MIMONOMA TAS/SC/MRC, giao thức chuyển tiếp đa chặng dựa vào thu thập lượng giao thức LEACH đa chặng với gây nhiễu cộng tác  Phân tích hiệu bảo mật hệ thống với giao thức đề xuất kênh truyền pha đinh Rayleigh  Xây dựng mơ hình tính tốn, phương pháp phân tích, chương trình mơ để đánh giá tham số hiệu bảo mật hệ thống Phạm vi đối tượng nghiên cứu  Nghiên cứu lý thuyết an tồn thơng tin, giao thức PLS sử dụng FC, mơ hình tính tốn loại kênh truyền pha đinh Rayleigh pha đinh Rice  Nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh, suy giảm phần cứng, sử dụng cơng cụ tốn học để phân tích hiệu mơ hệ thống  Nghiên cứu hệ thống sử dụng FC MISO, MIMO với kỹ thuật TAS, kết hợp phân tập thu SC MRC, kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu DF AF, mạng đa chặng thu thập lượng giao thức LEACH với gây nhiễu cộng tác để cải thiện hiệu bảo mật lớp vật lý Các đóng góp luận án  Đề xuất phân tích hiệu bảo mật sử dụng FC MISO TAS mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng MIMO TAS/SC, dựa vào biểu thức xác SS IP đưa  Đề xuất đánh giá hiệu FC với giao thức truyền bảo mật hệ thống MIMO-NOMA TAS/SC/MRC, dựa vào biểu thức dạng tường minh TS IP đưa  Đề xuất đánh giá hiệu bảo mật độ tin cậy mạng đa chặng sử dụng FC giao thức đa chặng dựa vào trạm phát sóng vơ tuyến (Beacon) để thu thập lượng giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp (LEACH) với gây nhiễu cộng tác WSN Hiệu hệ thống đánh giá dựa vào biểu thức xác OP IP đưa Bố cục luận án Luận án cấu trúc bao gồm phần mở đầu, chương kết luận, kiến nghị hướng nghiên cứu Phần mở đầu: Tập trung làm rõ lý lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu, phạm vi, đối tượng phương pháp nghiên cứu luận án  Chương 1: Những vấn đề chung  Chương 2: Hiệu bảo mật mạng MISO TAS MIMO TAS/SC sử dụng mã Fountain  Chương 3: Hiệu bảo mật mạng MIMO-NOMA TAS/SC/MRC sử dụng mã Fountain  Chương 4: Hiệu bảo mật mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng mã Fountain Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 Bảo mật hệ thống MIMO lựa chọn ăng-ten phát Hệ thống MIMO với nhiều ăng-ten máy phát máy thu làm tăng đáng kể dung lượng độ tin cậy hệ thống Tuy nhiên, sử dụng đa ăng-ten dẫn đến độ phức tạp phần cứng, kích thước, cơng suất tiêu thụ lớn chi phí triển khai tốn Kỹ thuật TAS với chi phí, độ phức tạp thấp, nhằm khai thác ưu điểm hệ thống MIMO, sử dụng chuỗi RF để nâng cao dung lượng hệ thống PLS sử dụng TAS để tăng dung lượng kênh hợp pháp lớn kênh nghe nhằm nâng cao hiệu bảo mật hệ thống 1.2 Bảo mật với kỹ thuật phân tập thu Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập thu (SC, MRC EGC) sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng pha đinh đa đường, cải thiện độ tin cậy truyền dẫn mà tăng công suất phát mở rộng băng thông Phương pháp cho phép nâng cao dung lượng kênh thơng tin, dung lượng bảo mật hệ thống cải thiện đáng kể 1.3 Bảo mật mạng vô tuyến nhận thức Để giải khan phổ tần sử dụng phổ tần hiệu hơn, mạng vô tuyến nhận thức (CRN) đề xuất Mitola vào năm 1999 Trong CRN, mạng sơ cấp (được cấp phép sử dụng tần số) chia sẻ phổ tần với người dùng thứ cấp (không phép sử dụng tần số), theo kịch dạng nền, chồng xen kẻ, để tận dụng khoảng phổ tần nhàn rỗi Trong CRN dạng thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu, mạng cho phép mạng thứ cấp hoạt động song song với mạng sơ cấp, công suất phát thứ cấp phải hiệu chỉnh để không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ mạng sơ cấp Bảo mật CRN dạng vấn đề quan trọng khảo sát nhiều góc độ khác 1.4 Bảo mật mạng NOMA Đa truy nhập không trực giao (NOMA) công nghệ tiềm cho mạng di động hệ NOMA cải thiện hiệu phổ tần cách cung cấp nhiều người dùng đồng thời thông qua ghép kênh miền công suất (PDM) Ý tưởng PDM-NOMA sử dụng miền công suất để đồng thời phục vụ nhiều người dùng khe thời gian, dải tần mã, mã hóa xếp chồng máy phát Mức công suất cho người dùng định dựa độ lợi kênh, người dùng có độ lợi kênh cao gán mức công suất thấp hơn, cụ thể h1  h2 2  a1  a2 Tại máy thu thực SIC, tín hiệu người dùng giải mã dựa vào mức công suất phân bổ khác người dùng Gần đây, NOMA PLS công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến tương lai 1.5 Bảo mật mạng đa chặng Mạng chuyển tiếp sử dụng rộng rãi thông tin vơ tuyến, mở rộng vùng phủ sóng, giảm giá thành triển khai, giảm can nhiễu, nâng cao độ tin cậy, hạn chế khoảng cách truyền dẫn, độ trễ xử lý tín hiệu hiệu sử dụng phổ tần Hơn nữa, nút mạng thường bị hạn chế nguồn pin, phù hợp với thu thập lượng sóng vơ tuyến (RFEH), nhằm cải thiện hiệu Bảo mật vấn đề quan trọng giao thức đa chặng PLS khơng dựa vào mã hóa phức tạp, triển khai đơn giản, nên phù hợp với mạng đa chặng bị hạn chế lượng sử dụng giao thức chuyển tiếp đa chặng, gây nhiễu cộng tác (CJ) để nâng cao bảo mật 1.6 Bảo mật hệ thống sử dụng mã Fountain Hệ thống sử dụng FC, máy phát tạo số lượng khơng giới hạn gói mã hóa độc lập, máy thu cố gắng nhận gói mã hóa nhận đủ số gói mã hóa cần thiết để khơi phục tin gốc, máy thu ngắt kết nối, tiết kiệm thời gian lượng truyền dẫn n  k 1    , (1.1) đó, k n symbol tin gốc symbol mã hóa,     phần thơng tin bổ sung FC thích ứng với điều kiện kênh cụ thể, mà không cần ước lượng kênh máy phát Ý tưởng PLS dựa vào FC nút đích dự định nhận đủ số gói mã hóa trước nút nghe lén, truyền liệu thành công bảo mật, ngược lại liệu gốc bị thu chặn 1.6 Kết luận chương Chương trình bày vấn đề bảo mật thông tin hệ thống sử dụng mã Fountain, làm sở giải nội dung Chương HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG CÁC MẠNG MISO TAS VÀ MIMO TAS/SC SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN Chương 2, Luận án đề xuất hai mô hình để phân tích hiệu bảo mật mạng MISO TAS MIMO TAS/SC sử dụng FC kênh pha đinh Rayleigh, tác động nhiễu đồng kênh (CCI), gồm có: Phần 2.1 phân tích mơ hình truyền liệu mạng MISO sử dụng FC, với kỹ thuật TAS môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền, tác động chung giao thoa đồng kênh từ mạng sơ cấp suy giảm phần cứng Phần 2.2 nghiên cứu mơ hình MIMO TAS/SC nhằm nâng cao độ tin cậy truyền gói mã hóa kênh sử dụng FC tác động CCI 2.1 Mơ hình 1: Mạng MISO TAS sử dụng mã Fountain môi trường vô tuyến nhận thức dạng 2.1.1 Mơ hình hệ thống Hình 2.1: Mơ hình hệ thống đề xuất Hình 2.1 miêu tả hai mạng sơ cấp thứ cấp sử dụng chung băng tần Máy phát sơ cấp (PT) gửi liệu đến máy thu sơ cấp (PR) Cùng lúc, nút nguồn thứ cấp (S) truyền liệu đến nút đích thứ cấp (D), xuất nút nghe thứ cấp (E) cố gắng thu liệu mà S gửi đến D Do hai mạng sơ cấp thứ cấp hoạt động dải tần, máy phát sơ cấp thứ cấp gây nhiễu đồng kênh lên thiết bị thu thứ cấp sơ cấp Để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng sơ cấp (mạng cấp phép sử dụng băng tần), S phải hiệu chỉnh cơng suất phát cách thích hợp 10 Hình 2.6: SS vẽ theo NS QS  QS  QI  10 (dB), NS  3, SD  1, (dB), QI  10 (dB), N E  3, M  1, SE  1, ID  3, IE  3,  th  SD  1, SE  1, ID  5, IE  5, Hình 2.5: SS vẽ theo M N pkt req  pkt   th  1.75 N req Hình 2.5, SS hai mơ hình tăng tăng số nguồn giao thoa M Khi D E đơn ăng-ten  ND  NE  1 , SS/MH2 lớn MH1, tăng số ăng-ten thu D E  ND  NE  3 , SS/MH1  M  3 lớn MH2 ngược lại SS giảm nhanh tăng số ăng-ten E, E khai thác độ lợi phân tập thu nhờ sử dụng kỹ thuật SC Hình 2.6, giả sử tổng số ăng-ten S D không đổi  NS  ND  8 , vẽ SS tăng NS từ 01 đến 07 Giá trị SS biến thiên theo NS SS lớn  NS  ND   Để đạt hiệu truyền thông bảo mật tốt nhất, cần thiết kế (phân phối) phù hợp số ăng-ten S D 2.3 Kết luận chương Các kết mơ hình 1, hiệu tốt S trang bị số ăng-ten phát phù hợp phần cứng thiết bị thứ cấp tốt Để nâng cao hiệu bảo mật cần giảm số lần truyền gói mã hóa Trong mơ hình 2, hiệu chịu ảnh hưởng tham số đặc trưng kênh truyền số nguồn giao thoa Cần phân phối số ăng-ten máy thu/phát thích hợp, tăng số gói mã hóa u cầu để khơi phục liệu gốc Tùy thuộc vào điều kiện tham số hệ thống cụ thể, chọn lựa mơ hình thích hợp (MH1 MH2) để đạt hiệu hệ thống tốt 11 Chương HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG MẠNG MIMO-NOMA TAS/SC/MRC SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN Chương đề xuất hệ thống MIMO-NOMA sử dụng FC Nút nguồn (S) đa ăng-ten sử dụng TAS để phát gói mã hóa đến nút đích (D) đa ăngten, xuất nút nghe (E) đa ăng-ten Các máy thu D E sử dụng MRC SC để nâng cao độ tin cậy giải mã Quá trình truyền kết thúc D nhận đủ gói mã hóa yêu cầu để khôi phục liệu gốc Tương tự, E có khả khơi phục liệu gốc nhận đủ số gói mã hóa cần thiết Do đó, bảo mật bảo đảm E không nhận đủ số gói mã hóa Để giảm số khe thời gian truyền sử dụng, S sử dụng NOMA để gửi hai gói mã hóa đến D khe thời gian So sánh hiệu giao thức đề xuất hai trường hợp với S sử dụng NOMA (NOMA) không sử dụng NOMA (Wo-NOMA), dựa vào số khe thời gian trung bình (TS) xác suất thu chặn (IP) Sử dụng NOMA giảm TS IP, so với giao thức Wo-NOMA Các biểu thức xác TS, IP đưa cho giao thức NOMA Wo-NOMA kênh pha đinh Rayleigh mơ để kiểm chứng kết phân tích lý thuyết 3.1 Mơ hình hệ thống Hình 3.1: Mơ hình hệ thống giao thức đề xuất 12 Mô hình hệ thống đề xuất Hình 3.1, S trang bị NS ăng-ten sử dụng FC phát liệu đến D có N D ăng-ten, xuất E với N E ăng-ten Tương tự Chương 2, hệ thống sử dụng FC, liệu gốc S chia thành L gói, mã hóa thích hợp để tạo gói mã hóa Tại khe thời gian, S lựa chọn ăng-ten tốt để phát hai (hoặc một) gói mã hóa đến D, gói mã hóa nhận E Cả D E cố gắng giải mã gói mã hóa Để giải mã liệu gốc, D E phải nhận xác pkt pkt N req gói mã hóa, với Nreq  1    L Khi nhận đủ số gói mã hóa để khơi phục liệu gốc, D gửi thông báo ACK đến S sau S dừng truyền pkt liệu Nếu E nhận thành cơng N req gói mã hóa, E phục hồi liệu gốc liệu nguồn bị thu chặn 3.2 Phân tích hiệu 3.2.1 Số khe thời gian trung bình (TS) 3.2.1.1 Không sử dụng NOMA (Wo-NOMA)  TS=  pkt NTS  Nreq pkt NTS  Pr  N Dpkt  N req | N TS  , (3.1) pkt pkt với Pr  NDpkt  Nreq gói mã hóa sau | NTS  xác suất mà D đạt N req N TS khe thời gian Từ (3.1), ta có biểu thức xác TS tính TS= pkt N req D (3.2) 3.2.1.2 Sử dụng NOMA  TS=  pkt NTS   Nreq 2   pkt pkt NTS  Pr  N Dpkt  N req  N Dpkt  N req  1| NTS  , (3.3) pkt pkt  NDpkt  Nreq  1| NTS  xác suất mà nút đích với Pr  NDpkt  Nreq pkt pkt  gói mã hóa sau N TS khe thời gian nhận N req N req Đặt T1 T2 số khe thời gian mà D nhận xác hai pkt pkt  NDpkt  Nreq  1| NTS  , ta xem xét ba gói mã hóa Để tính Pr  NDpkt  Nreq 13 pkt trường hợp: (1) Sau NTS  khe thời gian, D đạt N req  gói mã hóa khe thời gian cuối cùng, D nhận hai gói mã hóa  D,1  pkt  Nreq 2    T2 1 CNT1TS 1CNT2TS1 T1 1   D,2  T2     T1 D,1 NTS  T2  T1 D,0 (3.4) pkt (2) Sau NTS  khe thời gian, D đạt N req  gói mã hóa khe thời gian cuối cùng, D nhận gói mã hóa  D,2  pkt  N req 2    T2  CNT2TS 1CNT1TS1 T2 1   D,2  T2     T1 D,1 NTS  T2  T1 D,0 (3.5) pkt (3) Sau NTS  khe thời gian, nút đích đạt N req  gói mã hóa khe thời gian cuối cùng, D nhận hai gói mã hóa  D,3  pkt  N req 2    T2 1 CNT1TS 1CNT2TS1 T1 1   D,2  T2     T1 D,1 NTS  T2  T1 D,0 (3.6) Từ (3.3), ta có số khe thời gian trung bình sử dụng NOMA  TS=  pkt NTS   Nreq 2   NTS   D,1   D,2   D,3  (3.7) Nhận xét: Từ (3.2) (3.7), SNR phát đủ lớn,   , tất truyền khe thời gian thành công, TS giao thức Wo-NOMA pkt pkt NOMA hội tụ đến N req  N req 2 Sử dụng NOMA giảm số khe thời gian sử dụng cho truyền gói mã hóa 3.2.2 Xác suất thu chặn (IP) 3.2.2.1 Không sử dụng NOMA (Wo-NOMA)  pkt E  Pr  N Dpkt  N req | N TS   Pr  NDpkt  Nreqpkt | NTSE   IP=  pkt pkt E E pkt  NTS  Nreq  Pr  N E  N req | N TS      (3.8) E pkt Công thức (3.8) ngụ ý E nhận N req gói mã hóa sau N TS khe pkt thời gian, D nhận đủ khơng Sau nhận N req gói mã hóa, E dừng nghe liệu truyền bắt đầu khôi phục liệu, S phát gói mã hóa đến D Biểu thức IP tính xác 14  C Nreqpkt 1    Nreqpkt 1    NTSE  Nreqpkt D  NTSE 1 D pkt   Nreq 1  pkt N pkt N E  N pkt IP=     CNNED   D  D 1   D  TS D TS   E pkt pkt NTS  N req  N D  C Nreqpkt 1  Nreqpkt   NTSE  Nreqpkt E  NTSE 1  E           (3.9) 3.2.2.2 Sử dụng NOMA   IP= E pkt NTS   N req  pkt pkt E  Pr  N Dpkt  N req  N Dpkt  N req  1| N TS      Pr  N pkt  N pkt | N E   D req TS       Pr  N pkt  N pkt  N pkt  N pkt  1| N E   E req E req TS   (3.10) Trong (3.10), lưu ý  D,1 , D,2  D,3 đạt cách thay N TS E (3.4)-(3.6) N TS Đối với  E,1 , E,2  E,3 , phương pháp tương tự đưa D,1 , D,2 , D,3 , ta đạt  E,1   E,2   E,3  pkt  N req 2   CNV1E 1CNV2E 1V 1   E,2   TS V2 1 pkt  N req 2    pkt  Nreq 2   V2 1 TS TS V2 TS E NTS  V2  V1     E NTS  V2  V1     E NTS  V2  V1 V1 E,0 V1 E,1 CNV1E 1CNV2E 1V 1   E,2      E,1 CNV2E 1CNV1E1 V 1   E,2  TS V2   TS V2 V2 E,0 V1 E,1 E,0 , (3.11) , (3.12) , (3.13) V1 V2 số khe thời gian mà E nhận xác hai gói mã hóa E pkt Xác suất D khơng thu N req gói mã hóa sau N TS khe thời gian pkt E Pr  NDpkt  Nreq | NTS  D,4 pkt N req 1  N D pkt  2    N Dpkt  T2  CNT2E CNT1E  T   D,2  TS TS T2     T1 D,1 E NTS  T2  T1 D,0 (3.14) IP giao thức NOMA viết lại sau:  IP=  E pkt NTS   Nreq 2    D,1   D,2   D,3   D,4    E,1   E,2   E,3     (3.15) 15 3.3 Các kết mô Tác giả sử dụng mô Monte Carlo để kiểm chứng kết lý thuyết, chuỗi vơ hạn cơng thức tính tốn cắt 500 số hạng Hình 3.2: TS hàm   dB NS  1, ND  3, pkt SD  2, Nreq  8, a1  0.9,  th  Hình 3.3: TS hàm NS    dB , ND  NS  8, pkt SD  3, Nreq  8,  th  1.5 Hình 3.2, giá trị a1 phải thỏa mãn điều kiện: a1  1   th  a2 a1  1   th     th   3, nên ta chọn a1  0.9  a2  0.1 TS Wo- NOMA NOMA giảm tăng  thấp D sử dụng MRC Tại pkt pkt  cao, TS Wo-NOMA hội tụ đến N req , NOMA đạt N req Khi SNR phát cao, D NOMA nhận hai gói mã hóa khe pkt thời gian, S sử dụng N req khe thời gian truyền Tuy nhiên, NOMA không tốt  thấp NOMA dùng nhiều khe thời gian Wo-NOMA Hình 3.3, Wo-NOMA gần sử dụng khe thời gian cho truyền gói mã hóa, với tất NS Giao thức NOMA, TS biến đổi thay đổi số ăngten NS từ đến Sử dụng SC, TS NOMA giống số ăng-ten S NS  NS TS thấp NS  ND  4, D sử dụng MRC, giá trị tối ưu NS  N D   , TS NS  7, MRC tốt SC Cuối cùng, thấy TS giao thức NOMA với a1  0.86  a2  0.14 thấp giá trị a1  0.9  a2  0.1 16 Hình 3.4: IP hàm   dB Hình 3.5: IP hàm NS NS  3, ND  NE  2, SD  2.5,    dB , ND  NS  8, N E  4, SE  2.5, N pkt req  8, a1  0.9  th  pkt SD  2, SE  3, Nreq  8, a1  0.9  th  1.5 Hình 3.4, IP Wo-NOMA NOMA tăng tăng SNR phát NOMA thuộc khoảng 8 dB, 10 dB , IP giảm nhẹ tăng , tồn khoảng hiệu cao Wo-NOMA NOMA đoạn Bởi IP E phụ thuộc vào trạng thái giải mã D nhiễu tín hiệu, thay đổi IP NOMA phức tạp Wo-NOMA, xét  Khi  đủ lớn, gói mã hóa nhận xác D E Trường hợp này, D E pkt đạt N req gói mã hóa thời điểm, IP hội tụ tới Khi D E sử dụng MRC, IP giao thức đề xuất cao hơn, khả thu chặn E tốt trang bị MRC Cuối cùng, NOMA đạt hiệu IP tốt Wo-NOMA Hình 3.5, D E sử dụng SC, IP thấp NS  ND  4, sử dụng MRC, giá trị tối ưu NS Hiệu IP Wo-NOMA biến đổi nhẹ thay đổi NS , NOMA biến đổi đáng kể NOMA đạt hiệu tốt Wo-NOMA E sử dụng MRC IP không tốt Nếu giá trị mong muốn IP (dưới) 0.1, Wo-NOMA NOMA triển khai Trường hợp này, để giảm IP, S giảm cơng suất phát thiết kế pkt tham số hệ thống N req a1 phù hợp 17 pkt Hình 3.6: IP hàm N req Hình 3.7: IP hàm a1    dB , NS  ND  3, N E  3,   7.5  dB , SD  2, SE  3, a1  0.85, pkt  8,  th  1.5 SD  2, Nreq NS  ND  NE  2,  th  1.5 pkt Hình 3.6, IP giảm N req tăng, với giả sử D E trang bị MRC, NOMA sử dụng để đạt bảo mật cao trường hợp nút pkt nguồn giao thức Wo-NOMA tăng số gói N req để giảm IP Hình 3.7, a1 phải thiết kế cho a1  1   th     th   0.7143 nên lựa chọn khoảng a1  0.75, 0.95 thấy tồn giá trị tối ưu a1 để IP đạt thấp 3.4 Kết luận chương Giao thức NOMA sử dụng FC không giảm số khe thời gian truyền dẫn mà cịn nâng cao bảo mật NOMA giảm số khe thời gian so với Wo-NOMA Truyền bảo mật, IP giảm đáng kể S sử dụng NOMA để phát hai gói mã hóa đến D khe thời gian Các biểu thức xác TS IP đưa ra, xác nhận mô Hiệu WoNOMA NOMA nâng cao cách tăng thiết kế số ăng-ten tối ưu S D, lựa chọn thích hợp khoảng cơng suất phát phân bổ tín hiệu NOMA tăng số gói mã hóa u cầu khơi phục liệu 18 Chương HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG CÁC MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN Trong Chương 4, Luận án đề xuất hai mơ hình để phân tích đánh đổi hiệu bảo mật độ tin cậy mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng FC, bao gồm: Phần 4.1 trình bày mơ hình đề xuất mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng mã Fountain với kỹ thuật thu thập lượng sóng vơ tuyến từ trạm Beacon (EH-Beacon) tác động suy giảm phần cứng Phần 4.2 đánh giá mơ hình đề xuất giao thức đa chặng LEACH sử dụng mã Fountain gây nhiễu cộng tác 4.1 Mơ hình 1: Mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng mã Fountain với thu thập lượng sóng vơ tuyến 4.1.1 Mơ hình hệ thống Nút nguồn Nút đích Hình 4.1: Mơ hình hệ thống giao thức đề xuất Như thể Hình 4.1, nút nguồn  T0  gửi liệu tới nút đích  TN  dựa vào N  nút chuyển tiếp, T1 ,T2 , ,TN 1 Giả sử máy phát nút nguồn nút chuyển tiếp thiết bị vô tuyến ràng buộc mức lượng, nên phải thu thập lượng từ trạm phát sóng vơ tuyến (Beacon: B) triển khai mạng Trong mạng này, nút nghe (E) xuất xung quanh TN , E nghe liệu phát đến nút Bởi E gần với TN , nên giả sử E nhận liệu phát từ nút chuyển tiếp TN 1 Giả sử thiết bị đầu cuối đơn ăng-ten hoạt động chế độ bán song công, sử dụng phương pháp TDMA để gửi gói mã hóa từ nút nguồn đến nút đích dựa vào N khe thời gian trực giao 19 Sử dụng FC, nút nguồn chia liệu gốc thành L gói XOR để tạo gói Fountain Hệ thống ràng buộc độ trễ, số khe thời gian tối đa phát gói mã hóa giới hạn N max , nút nguồn dừng truyền sau gửi N max gói Fountain tới nút đích Để khơi phục liệu, nút đích nút nghe phải pkt nhận thành cơng N req gói mã hóa N max khe thời gian, với pkt pkt Nreq  1    L Nreq  Nmax Ta có N Dpkt N Epkt số gói mã hóa mà nút đích nút nghe thu sau N max khe thời gian Nếu pkt pkt NDpkt  Nreq , nút đích khơi phục liệu gốc Nếu NDpkt  Nreq , xác pkt suất dừng xảy trường hợp nút E, NEpkt  Nreq , liệu bị thu pkt chặn NEpkt  Nreq , truyền liệu bảo mật Giả sử kênh pha đinh không đối xứng, với kênh liệu kênh nghe pha đinh Rice, kênh thu thập lượng sóng vơ tuyến (EH) từ trạm Beacon kênh pha đinh Rayleigh, hệ thống sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF) để chuyển tiếp tín hiệu Thực tế, nhiễu pha, khơng cân I/Q khuếch đại khơng tuyến tính, tác giả khảo sát ảnh hưởng suy giảm phần cứng thiết bị mạng lên hiệu hệ thống Xác suất dừng (OP) TN xác suất thu chặn (IP) E tính pkt pkt OP  Pr  NDpkt  Nreq | Nmax  , IP  Pr  NEpkt  Nreq | Nmax  (4.1) 4.1.2 Phân tích hiệu Từ (4.1), biểu thức xác OP cho sau: OP  pkt N req 1  N Dpkt  D CNNmax DND 1  D  pkt pkt N max  N Dpkt (4.2) Biểu thức (4.2) có nghĩa nút đích khơng thể khơi phục liệu gốc pkt nút nguồn số gói Fountain nhận N req , giá trị có pkt pkt D khả N Dpkt từ đến N req khả cho giá trị  có CNNmax N Dpkt Cũng vậy, xác suất thu chặn (IP) tính IP  N max  pkt N Epkt  N req E CNNmax ENE 1  E  pkt pkt N max  N Epkt (4.3) 20 4.1.3 Các kết mơ Hình 4.2: OP IP hàm  Hình 4.3: OP IP hàm N    dB , N  4, KD  20,    dB , KD  20, K E  1, K E  1,  D2   E2  0, N pkt req  Cth  1, Nmax  N pkt req Cth  0.9  Hình 4.2 thể tồn giá trị  để OP nhỏ IP lớn Ví dụ,  D2   E2  0.015, OP tốt IP cao đạt   0.175 Mặt khác, OP cao IP thấp mức suy giảm phần cứng  D2  E2 tăng Hình 4.3, giá trị tối ưu OP đạt N  tăng giá trị N max từ đến 8, OP giảm Khi tăng số khe thời gian sử dụng truyền gói Fountain  N max  làm tăng IP, E có nhiều hội nhận đủ gói mã hóa 4.2 Mơ hình 2: Giao thức chuyển tiếp đa chặng LEACH sử dụng mã Fountain nút gây nhiễu cộng tác 4.2.1 Mơ hình hệ thống Hình 4.4 thể mơ hình hệ thống giao thức đề xuất, nút nguồn (CH cụm 0) truyền liệu đến nút đích (CH cụm N) dựa vào giao thức đa chặng LEACH với hỗ trợ nhiều nút chuyển tiếp Sử dụng FC, liệu nguồn chia L gói mã hóa thích hợp để tạo gói mã hóa Tiếp theo, nút nguồn phát gói mã hóa đến nút đích Giả sử tất CH trang bị đơn ăng-ten, truyền liệu gói mã hóa thực thơng qua N khe thời gian trực giao, theo phương pháp TDMA Để bảo đảm an toàn truyền 21 liệu công nút nghe lén, cụm (cluster) lựa chọn ngẫu nhiên nút cụm để thực hoạt động gây nhiễu cộng tác Kênh liệu E Kênh gây nhiễu Kênh nghe CH J J CH CH J CH Nút nguồn Nút đích Cụm Cụm N Cụm N-1 Cụm Hình 4.4: Mơ hình hệ thống giao thức đề xuất Trong giao thức đề xuất, nút nghe (E) cố gắng nhận gói mã hóa để khơi phục liệu nguồn Đặt N max số gói mã hóa tối đa mà nút nguồn pkt gửi đến nút đích, với Nmax  Nreq , sau gửi N max gói, nút nguồn pkt dừng truyền Nếu đích khơng nhận thành cơng N req gói mã hóa khơng thể khôi phục liệu gốc, xảy dừng hệ thống Ngược lại, truyền pkt liệu nguồn đích thành cơng Đối với E, E nhận N req gói mã hóa, liệu nguồn bị thu chặn Giả sử kênh truyền pha đinh Rayleigh, sử dụng chuyển tiếp DF Hơn nữa, sử dụng gây nhiễu cộng tác (CJ), giả sử CH cụm thứ n loại bỏ hồn tồn nhiễu tạo nút gây nhiễu lựa chọn, E loại bỏ nhiễu 4.2.2 Phân tích hiệu Như đề cập trên, xác suất dừng (OP) kênh liệu xác suất pkt mà nút đích khơng thể nhận thành cơng N req gói mã hóa sau nút nguồn phát N max khe thời gian Do đó, OP tính OP  pkt Nreq 1  C    1    r 0 r Nmax r D D N max  r (4.4) Biểu thức (4.4) ngụ ý sau nút nguồn dừng truyền, nút đích pkt  nhận r gói mã hóa, với  r  Nreq 22 Xác suất thu chặn (IP), tính tốn IP  N max  pkt w  Nreq CNwmax  E  1  E  w N max  w (4.5) pkt Trong (4.5), E đạt w gói mã hóa, với Nreq  w  Nmax , E khơi phục liệu gốc liệu nguồn bị thu chặn 4.2.3 Các kết mô Trong phần này, mô Monte Carlo thực để kiểm chứng kết lý thuyết, so sánh hiệu giao thức đề xuất (Jam) giao thức LEACH truyền thống (Non) Hình 4.5: OP hàm  (dB) Hình 4.6: IP hàm  (dB)   0.85, N pkt  Nmax    0.85, N req pkt req  Nmax  Trong Hình 4.5 Hình 4.6, khoảng  cố định 0.85 giá trị pkt N req N max gán Hình 4.5, OP giảm tăng  OP giao thức đề xuất (Jam) cao giao thức không gây nhiễu (Non), công suất phát CH giao thức (Non) lớn Cũng nhận thấy từ Hình 4.5, OP giao thức tăng số chặng Hình 4.6, IP tăng nhanh tăng  IP giao thức (Jam) thấp nhiều so với (Non) Thêm vào đó, IP giảm tăng số chặng nút nguồn nút đích (N) pkt Hình 4.7, OP giao thức xem xét tốt N req giảm N max tăng pkt Thật vậy, với giá trị thấp N req cao N max , xác suất mà nút đích nhận đủ số gói mã hóa tăng, điều làm giảm xác suất dừng 23 Hình 4.7: OP hàm N max Hình 4.8: IP hàm N max   7.5dB,   0.85 N    7.5dB,   0.85 N  pkt Tuy nhiên, Hình 4.8, giá trị IP tăng N req giảm N max pkt tăng Do đó, giá trị N req N max nên thiết kế phù hợp để bảo đảm chất lượng dịch vụ (QoS) (OP) bảo mật (IP) Ví dụ, giao thức đề xuất, để thỏa mãn yêu cầu QoS OP  0.01 mức độ bảo mật pkt N max IP  0.1, ta phải thiết lập giá trị N req 4.3 Kết luận chương Đề xuất mô hình khảo sát đánh đổi bảo mật độ tin cậy mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng FC thu thập lượng sóng vơ tuyến dựa vào trạm Beacon tác động suy giảm phần cứng Hiệu xác suất dừng nâng cao cách tăng SNR phát, lựa chọn số chặng phù hợp thiết kế khoảng tối ưu cho pha thu thập lượng Tuy nhiên, kết thể xác suất thu chặn tăng giảm xác suất dừng Do đó, tham số hệ thống nên thiết kế phù hợp để giao thức đề xuất đạt QoS mong muốn xác suất thu chặn nhỏ Các kết mơ hình đề xuất đánh giá hiệu hệ thống thông qua biểu thức OP IP thể tồn đánh đổi bảo mật độ tin cậy truyền liệu Do vậy, tham số hệ thống số chặng, khoảng công suất phát phân bổ để tạo nhiễu giả, số gói mã hóa u cầu khơi phục liệu nguồn số lần truyền tối đa nút nguồn nên thiết kế thích hợp để bảo đảm bảo mật QoS 24 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Một số kết đạt luận án Luận án đề xuất số mơ hình để cải thiện hiệu bảo mật mạng vô tuyến Một số đóng góp liệt kê sau: • Nghiên cứu hiệu bảo mật lớp vật lý giao thức đề xuất sử dụng FC, bao gồm: i) MISO TAS mạng vô tuyến nhận thức dạng tác động chung giao thoa đồng kênh từ mạng sơ cấp suy giảm phần cứng; ii) MIMO TAS/SC tác động nhiều nguồn giao thoa đồng kênh, với kịch có khơng có CSI đến nguồn giao thoa • Đề xuất phân tích hiệu FC dựa vào giao thức bảo mật hệ thống MIMO-NOMA TAS/SC/MRC thể sử dụng NOMA đạt hiệu bảo mật tốt SNR trung bình cao so với Wo-NOMA • Phân tích độ tin cậy bảo mật mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng FC với mơ hình đề xuất Các tham số số chặng, khoảng thời gian thu thập lượng, công suất phát nhiễu giả, số gói mã hóa yêu cầu, số lần truyền tối đa nên thiết kế phù hợp để bảo đảm bảo mật QoS • Hơn nữa, đóng góp quan trọng luận án phân tích hiệu bảo mật giao thức đề xuất cách đưa biểu thức xác kênh truyền pha đinh Rayleigh Những đóng góp giúp nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống thực so sánh giao thức mạng, kỹ thuật phân tập, mã hóa,… xác định lựa chọn tối ưu điều kiện ràng buộc đưa mạng Hướng phát triển luận án Xuất phát từ kết đạt luận án, để phát triển hướng nghiên cứu đề tài hệ thống sử dụng FC, số vấn đề cần tiếp tục mở rộng để thực khảo sát tương lai • Mở rộng giao thức kịch khác nhau, mối quan hệ IP (OP) môi trường vô tuyến nhận thức • Phân tích hiệu mạng tác động đồng thời giao thoa đồng kênh suy giảm phần cứng thu thập lượng sóng vơ tuyến để tạo nhiễu giả đến nút nghe • Phân tích với giao thức cộng tác, lựa chọn nút chuyển tiếp • Phân tích giao thức kênh truyền khác Nakagami-m ... thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu luận án  Nghiên cứu khả bảo đảm an tồn thơng tin lớp vật lý, đề xuất phân tích hiệu bảo mật thơng tin giao thức đề xuất hệ thống vô tuyến sử dụng FC, MISO TAS,... nâng cao bảo mật 1.6 Bảo mật hệ thống sử dụng mã Fountain Hệ thống sử dụng FC, máy phát tạo số lượng khơng giới hạn gói mã hóa độc lập, máy thu cố gắng nhận gói mã hóa nhận đủ số gói mã hóa cần... MISO TAS MIMO TAS/SC sử dụng mã Fountain  Chương 3: Hiệu bảo mật mạng MIMO-NOMA TAS/SC/MRC sử dụng mã Fountain  Chương 4: Hiệu bảo mật mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng mã Fountain Chương NHỮNG