Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến chuyển tiếp và gây nhiễu có lựa chọn hai chặng - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu khả năng bảo mật của hệ thống hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF để nút nghe lén không kết hợ[r]

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG VƠ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ GÂY NHIỄU CĨ LỰA CHỌN HAI CHẶNG

Chu Tiến Dũng1*, Võ Nguyễn Quốc Bảo2, Nguyễn Tùng Hưng3

Tóm tắt: Bảo mật thông tin lớp vật lý thu hút nhiều quan tâm của nhà nghiên cứu Cụ thể, gây nhiễu nhân tạo cách tiếp cận hiệu quả truyền thông hợp tác, kỹ thuật gọi hợp tác gây nhiễu Cho đến nay, hầu hết nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Khuếch đại Chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) Trong báo này, quan tâm đến giao thức Ngẫu nhiên Chuyển tiếp (Random and Forward - RF), nút chuyển tiếp liệu đến đích nút chọn Để đánh giá hiệu bảo mật mơ hình đề xuất, chúng đưa biểu thức dạng đóng Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - SOP), Xác suất bảo mật khác không (Non-zero Secrecy Capacity Probability - PrNZ) Dung lượng bảo mật trung bình (Average Secure Capacity - ASC) Cuối cùng, thực mô Monte-Carlo để chứng minh phân tích

Từ khóa: Xác suất dừng bảo mật, Xác suất bảo mật khác không, Dung lượng bảo mật trung bình, Chuyển tiếp gây nhiễu có lựa chọn

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến mở rộng phát triển không ngừng, thiết bị di động người dùng sử dụng rộng rãi với nhiều dịch vụ cung cấp nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng Do đặc tính quảng bá kênh truyền vô tuyến, thiết bị phát bị nghe thiết bị thu vùng phủ sóng nên người sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến đứng trước nguy an toàn liệu Để đảm bảo an tồn thơng tin cho hệ thống truyền thơng vơ tuyến, hệ thống truyền thông truyền thống thường thực mã mật tín hiệu thuật tốn mã đối xứng, mã khơng đối xứng, thuật tốn thường áp dụng lớp ứng dụng Tuy nhiên, hệ thống truyền thông vô tuyến phân bố địa bàn rộng, thiết bị đầu cuối có tính di động cao thông tin truyền lan mơi trường vơ tuyến pha đinh nhanh Do đó, sử dụng kỹ thuật mã hóa giải mã khó khăn hiệu

Để khắc phục hạn chế bảo mật hệ thống truyền thông vô tuyến, gần nhà nghiên cứu giới tập trung nghiên cứu, khảo sát đặc tính vật lý hệ thống truyền thơng vơ tuyến để cải thiện hiệu bảo mật hệ thống

hệ thống thông tin vô tuyến phụ thuộc vào số lượng thông tin người nghe biết Hệ thống đạt bảo mật hồn tồn người nghe khơng thu thơng tin Sau đó, nghiên cứu [2], Wyner kênh truyền người sử dụng hợp pháp có điều kiện truyền lan tốt so với người nghe trộm đạt bảo mật hồn hảo mà khơng cần phải mật mã hóa liệu Kết luận mở rộng [3] qua kênh Gaussian, tác giả dung lượng bảo mật khác dung lượng kênh hợp pháp kênh nghe Tuy nhiên, điều kiện kênh mạng thông tin vô tuyến không thuận lợi cho người dùng hợp pháp, tỷ lệ bảo mật thấp chí giảm xuống khơng

Trong nghiên cứu bảo mật lớp vật lý, giải pháp truyền thông hợp tác nhiều nghiên cứu đánh giá giải pháp hiệu Mục đích bảo mật lớp vật lý truyền thông hợp tác ngăn chặn q trình nghe thơng tin lan truyền từ nút nguồn sang nút đích, q trình hợp tác chuyển tiếp thông tin thông thường ngẫu nhiên Để đạt mức độ bảo mật cao hơn, số giải pháp như: i) lựa chọn nút chuyển tiếp đề xuất nhằm tăng độ lợi kênh hợp pháp; ii) hợp tác gây nhiễu làm hạn chế khả thu nhận giải mã thông tin nút nghe

thuật chuyển tiếp RF nghiên cứu hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác, nhiên vấn đề bảo mật chưa đề cập tới

Trong báo này, nghiên cứu khả bảo mật hệ thống hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF để nút nghe không kết hợp liệu chặng Giả thiết mơ hình kênh pha đinh Rayleigh, báo khảo sát phân tích xác suất dừng xác suất dung lượng bảo mật khác không, dung lượng bảo mật trung bình nhằm đánh giá hiệu bảo mật hệ thống Bên cạnh đó, tác giả thực so sánh hiệu bảo mật hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác gây nhiễu chuyển tiếp có lựa chọn với gây nhiễu chuyển tiếp ngẫu nhiên

Phần lại báo tổ chức sau: Mục mơ tả mơ hình hệ thống Trong mục 3, chúng tơi phân tích tính tốn tham số đánh giá hiệu bảo mật mơ hình đề xuất Kết mơ trình bày mục Cuối cùng, thực kết luận kết đạt báo mục

2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Pha thứ hai Kênh liệu Kênh gây nhiễu Kênh nghe trộm Pha thứ

R1

R2

Rc

Rj

RM

E c

SR



SE



j

R E



D S

R1

R2

Rc

Ri

RM

E

D

c

R D



c

R E



i

R E



S

Hình 1. Mơ hình hệ thống

Trong pha đầu tiên, nút nguồn thực phát quảng bá thông tin, lúc M 1

nút chuyển tiếp kể nút nghe thu nhận thông tin Cũng pha này, để ưu tiên cho việc gây nhiễu nhằm hạn chế nút nghe thu liệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền cao đến nút nghe lựa chọn để thực gây nhiễu cho nút nghe lén, ký hiệu RJ Ta ký hiệu Rc nút chuyển tiếp lựa chọn để chuyển tiếp thơng tin từ nguồn đến đích pha với Rc(1, 2,,M1),

c SR

 độ lợi kênh truyền từ S đến Rc

J R E

 độ lợi kênh truyền từ RJ đến E

Vì vậy, arg max 1,2, , .

J n

R E n M R E

     (1)

Với tồn cơng suất phát nút nguồn P, ta phân bổ cơng suất cho nút S nút chuyển tiếp RJ tương ứng P (1)P, giá trị  để đảm bảo công suất thu nút nghe không vượt P, với 01 Do đó, tương tự [10], dung lượng kênh truyền đường truyền từ S đến Rc, RJ đến E biểu diễn sau:

ata

1

0

1

log ,

2

c SR

D P

C

N

 

 

   

 

(2)

 

1

0

1

log ,

2

J

Eve SE

R E

P C

N P

   

 

   

 

 

(3)

trong đó, N0 biến ngẫu nhiên tạp âm Gaussian, giá trị cho biết trình truyền tin diễn hai khe thời gian

Dung lượng bảo mật pha đại lượng lớn không định nghĩa chênh lệch dung lượng chuẩn hóa tức thời kênh liệu kênh nghe pha [11], cụ thể biểu diễn biểu thức sau:

 ata 

1 max 0, 1

Sec D Eve

C  C C (4)

Trong pha thứ hai, để ưu tiên cho việc chuyển tiếp liệu đến đích, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền cao đến đích lựa chọn để hợp tác chuyển tiếp liệu đến đích Nút chuyển tiếp tốt khơng phải nút gây nhiễu RJ pha thứ Sau lựa chọn nút chuyển tiếp tốt để chuyển liệu, nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền tốt đến nút nghe số M1 nút chuyển tiếp lại lựa chọn làm nút gây nhiễu cho nút nghe (ký hiệu

i

nhất Trong pha này, ta quan tâm đến độ lợi kênh truyền từ Rc đến D, từ Ri đến E, chúng biểu diễn tương ứng hai biểu thức đây:

1,2, ,

max ,

c n

R D n M R D

n J

  



 (5) max 1,2, , 1

i n

R E n M R E

n c

  



 (6) Tương tự trên, công suất phát nút Rc phân bố giống công suất phát nút nguồn P, cơng suất phát nút Ri (1)P Do đó, dung lượng kênh truyền từ Rc đến D, từ Ri đến E là:

ata

2

0

1

log ,

2

c R D

D P

C

N

 

 

   

 

(7)

2

0

1

log

2 (1 )

c

i R E Eve

R E

P C

N P

   

 

   

 

 

(8)

Như vậy, dung lượng bảo mật pha thứ hai biểu diễn biểu thức sau: Sec

2 max(0, 2 )

Data Eve

C  C C (9)

3 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT

3.1 Xác suất dừng bảo mật - Secrecy Outage Probability (SOP)

Để đưa suy hao đường truyền vào tính tốn, ta mơ hình hóa

c SR



c c

SR dSR



   với  P N0và

c SR

d khoảng cách từ S đến Rc  hệ số suy hao đường truyền

Trước hết, xác suất dừng bảo mật pha tính tương tự nghiên cứu [10, 12, 13]

 

 

1

1

1 1

Pr Pr Pr ,

1

1

c

J SR Sec

out th

SE R E

P C R   X  X

 

 

 

  



 

 

        

   



   

 

(10)

trong đó,

2 Rth

 với Rth ngưỡng tối đa để nút chuyển tiếp giải mã tín

hiệu 1 ,

c SR

X 

 

2

1

J SE

R E

X 

 



  biến ngẫu nhiên phân bố mũ với trung

bình

c c

SR dSR



        2

2 2

0

2 2

0

1

1 exp exp

1

1 exp exp ,

c c

c c

out SR SR X

SR SR X

P x f x dx

x f x dx

                                        (11)

trong đó,   2

X

f x hàm phân bố xác suất (PDF) củaX2 Để tính biểu thức (11) tìm PDF X2

Trước hết, ta viết lại:

   

1

2

,

1 1

J SE R E Y X Y      

    với Y1SE,Y2 R EJ

1

Y biến ngẫu nhiên phân bố mũ với trung bình SE dSE , đó:

         

2 2 2 2

1 exp exp ,

X SE SE Y

F x  x   x y f y dy





       (12)

trong đó, PDF Y2, ký hiệu fY2 y2 , đưa sau:

        2 2 2

1 exp ,

J J

Y Y

M m

R E R E

m M m F y f y y

m m y

               (13)

trong đó,

J J

R E dR E



  

Thay (13) vào (12), ta được:

         

   

2 2 2 2

0

2

1

1 exp exp

1 exp ,

X SE SE Y

M

m m

SE

m m

F x x x y f y dy

M x m x                            (14) đó,

1 

J R E m SE m     

Chúng ta có biểu thức (15) sau:

     

 

 

2

1 2

2

1 2

exp exp

1

M

m m SE m SE SE

X

m m m

x x

M f x

m x x

                            

 (15)

                          1 1 1 1

1 exp 1 exp

exp

1 exp

1 exp

c c c

c c c

c

c c c

M m

out SR SR SE m SR SE m

m

SR SE m m SE SR SE m SR SE m

M m SR

m

SR m SR SE m SR SE m

M P m E E M m E                                                                                               ,   (16)

với E1(.) tích phân hàm mũ

Xác suất dừng bảo mật chặng thứ hai là:

 

 

 

1 2 2

0 Sec Pr Pr 1 c c i out th R D R E Z Z R E

F x f z dz

P C R

                                       (17) đó,   1 c i R E R E Z    

  Z1R Dc biến ngẫu nhiên phân bố mũ hàm

phân bố tích lũy (CDF), cho bởi:

         1 1 1 exp

1 ex

1 p

c

c M

Z R D

M u

R D u

M

F x x

u x u                      (18)

Vì vậy, ta tính biểu thức (17) sau:

    2 

1

2 2

1

1

1 exp exp ,

c c

M u

out R D R D Z

u

M

P u u z f z dz

u                           

  (19)

Tương tự (15), ta tính PDF Z2 sau:

          2 2

1 2

exp exp

1

1 c c c ,

M

m R E m R E R E

m Z

m m m

z z

M

f z

m z z

                               

 (20)

trong đó,

1 