Dựa trên lý thuyết thông tin và các kết quả về bảo mật tầng vật lý trong [1] và [18], như đã trình bày trong phần 1.2 ở trên, cộng với kỹ thuật truyền theo búp sóng và kỹ thuật truyền tin đa ăng ten [25], [26], [30], [32], [35]–[38], [45], [48]–
[52] thì các nghiên cứu bảo mật tầng vật lý đang được nghiên cứu rộng rãi theo
hai hướng chính là: Hệ thống chuyển tiếp hợp tác (cooperative relaying) và hệ thống tương tác chế áp chủ động (Cooperative Jamming - CJ).
Phương pháp bảo mật mạng vô tuyến theo kỹ thuật CJ (còn được gọi là kỹ thuật Friendly Jamming hay Artificial Noise) [19], [49], [53]–[55] có mô hình hoạt động như Hình 1.7. Theo đó, bên phát sử dụng một ăng ten phát tín hiệu nguồn cần bảo mật (S - Source) là xs và M ăng ten phát tín hiệu nhiễu (J1,…JM). Hệ số tạo búp sóng tại các ăng ten (ws, w1,…,wM) được điều chỉnh sao cho tín hiệu cần bảo mật xs truyền đến trạm thu hợp pháp D (Destination) không bị ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu, trong khi đó tín hiệu xs truyền đến trạm nghe lén E (Eavesdropper) bị triệt tiêu hay bị can nhiễu đến mức trạm nghe lén E không thể khôi phục được nguồn tin xs theo phương pháp điều chế đã được trạm nguồn sử dụng. Trạm thu hợp pháp (D) hd Trạm nguồn (S) w Trạm nghe lén (E) he w1 wM Các trạm phát nhiễu
Hình 1.7. Mô hình mạng vô tuyến bảo mật theo kỹ thuật CJ.
Một số kết quả nghiên cứu về bảo mật mạng vô tuyến theo kỹ thuật CJ đã được công bố trong thời gian gần đây [6], [19], [49], [53]–[55]. Nội dung Luận án không nghiên cứu sâu về kỹ thuật CJ này, Luận án tập trung nghiên cứu giải quyết các bài toán bảo mật mạng vô tuyến có sự hỗ trợ của đa trạm chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Giải mã – Chuyển tiếp (DF – Decode-and-Forward) và Khuếch đại – Chuyển tiếp (AF – Amplify-and-Forward).
1.3.1 Bài toán bảo mật mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật DF
Nội dung phần này sẽ trình bày một mô hình truyền tin vô tuyến đang được nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới quan tâm [21], [22], [25], [27], [28], [30], [56]–[59], có sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật truyền theo búp sóng không trực xạ hoạt động theo kỹ thuật Giải mã - Chuyển tiếp.
1.3.1.1 Hệ thống có một trạm nghe lén
1.3.1.1.1 Mô hình hệ thống
Mô hình truyền tin mật sử dụng kỹ thuật truyền theo búp sóng không trực xạ có một trạm nghe lén được xem xét như Hình 1.8. Các thành phần của hệ thống bao gồm:
- Một trạm phát ký hiệu là S (Source),
- Một trạm nhận tin hợp pháp D (Destination),
- M trạm chuyển tiếp ký hiệu là R1, R2, … , RM ,
- Một trạm nghe lén E (Eavesdropper).
Các kênh truyền đều là kênh Rayleigh fading (phần 1.2.3.1), trong đó ký hiệu hệ số kênh truyền (hay độ lợi kênh) giữa S và các trạm chuyển tiếp được ký hiệu
là h sr =h , , h
sr ,1 sr
hrd =h1d , , hMd T M, và hệ số kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp đến E là
hre =h1e , , hMe T M.
30
Trạm nguồn (S) wM w1 w2 hrd Trạm thu hợp pháp (D) hre Các trạm chuyển tiếp (R) Trạm nghe lén (E) Hình 1.8: Mô hình truyền tin có xuất hiện một trạm nghe lén.
Lưu ý:
- Hệ số kênh truyền (channel coefficient) thể hiện trạng thái về độ lợi kênh (channel gain) và là giá trị thay đổi theo thời gian (xem mục 1.2.3), tuy nhiên được giả thiết là cố định trong một khoảng thời gian truyền đủ ngắn xác định để truyền một từ mã (codeword). Để biết độ lợi kênh thực tế, các trạm thu phát thường sử dụng tín hiệu pilot.
- Kênh truyền có hệ số kênh là h sẽ có độ lợi kênh là |h|2.
Trong mô hình này, với sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp, trạm nguồn S cố gắng truyền các bản tin mật đến trạm thu D với yêu cầu đảm bảo trạm thu lén E không thể biết được nội dung của các bản tin mật. Các trạm chuyển tiếp là các hệ thống tin cậy (trusted relays), có khoảng cách rất gần với trạm phát và nằm trong cùng một khu vực tin cậy nên tín hiệu truyền từ trạm nguồn đến các trạm chuyển tiếp là không có bảo mật và không có lỗi. Tín hiệu từ trạm chuyển tiếp truyền đến trạm thu đích cần được bảo mật. Hệ thống chuyển tiếp theo kỹ thuật DF sẽ hoạt động theo hai pha tương ứng với 2 khe thời gian truyền tin như sau [30], [32], [45]:
Pha 1: Trạm nguồn S truyền tín hiệu tới các trạm chuyển tiếp với công suất [| |2] = , (E[.] là hàm kỳ vọng – expectation function). Khi này, tín hiệu thu được tại trạm chuyển tiếp thứ m là:
y rm = h sr ,m x s + n rm ,
trong đó nrm là nhiễu cơ sở tại trạm chuyển tiếp thứ m có phân bố Gauss với kỳ vọng không và phương sai r2 .
Biểu diễn của các tín hiệu nhận được tại các trạm chuyển tiếp dưới dạng véc tơ như sau:
y r =hsr xs +nr .
Pha 2: Tại pha 2, trước tiên, các trạm chuyển tiếp tiến hành giải mã bản tin
và chuẩn hóa thành x 's = xs / Ps (với PS là công suất truyền tại trạm nguồn S).
Sau đó, tín hiệu đã được chuẩn hóa được nhân với trọng số tạo búp sóng của các
trạm chuyển tiếp M để tạo ra tín hiệu truyền từ trạm chuyển tiếp
là xrm = x 's wm . Tín hiệu phát từ các trạm chuyển tiếp được khuếch đại và định hướng theo giá trị phức của trọng số w. Công suất truyền tại trạm chuyển tiếp thứ m sẽ là:
E xrm 2 =E x's wm 2 = w m 2. (1.10)
Có hai loại ràng buộc đối với công suất truyền tại các trạm chuyển tiếp: Ràng buộc thứ nhất là về tổng công suất truyền tại các trạm chuyển tiếp, có dạng
w 2=w †w PR , trong đó PR là tổng công suất truyền cực đại của tất cả các trạm chuyển tiếp. Ràng buộc thứ hai cũng thường được quan tâm trong các hệ thống truyền tin đó là về giới hạn công suất truyền tại mỗi trạm chuyển tiếp, có dạng
wm2pm , m = 1, , M trong đó pm là công suất truyền tối đa của trạm chuyển tiếp thứ m.
32
w =w1 , , wM T
Các tín hiệu thu được tại trạm thu D được cộng tích cực (constructive addition), trong khi tín hiệu thu tại trạm nghe lén bị cộng tiêu cực (destructive addition) dựa trên sự xếp chồng (superposition) của các tín hiệu thu được từ các trạm chuyển tiếp (phần 1.2.3.2), cụ thể sẽ có dạng tương ứng là:
trong đó hrd =hrd,1
và E theo phân bố Gauss với kỳ vọng không và phương sai 2 .
1.3.1.1.2 Phát biểu bài toán truyền tin mật DF1E
Với hoạt động của hệ thống mạng vô tuyến chuyển tiếp theo kỹ thuật DF gồm 2 pha như ở trên thì tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR tại trạm thu D và trạm nghe lén E như sau [T.6]:
SNRd = SNRe = M h rd ,m w m m=1 M h re , m w m m=1
Khi này giá trị tốc độ truyền tin mật (có đơn vị là số bit/đơn vị truyền tin - bits/symbol) Rs trên kênh truyền giữa trạm chuyển tiếp và trạm thu D sẽ là:
Bài toán tối đa hóa giá trị truyền tin mật với ràng buộc (s.t. – subject to) về tổng công suất truyền hoặc ràng buộc về công suất truyền riêng rẽ của các trạm chuyển tiếp được gọi là bài toán DF1E sẽ được phát biểu như sau:
2 max log w s.t. w†w P ( Chú ý:
- Giá trị RS luôn tỷ lệ với giá trị công suất truyền, tuy nhiên trong thực tế thì công suất truyền luôn bị giới hạn với mỗi một hệ thống cụ thể. Đặc biệt, trong các thiết bị phát sóng vô tuyến di động thì giới hạn về công suất truyền là rất cần thiết.
- Bài toán có thể xét đến một trong hai loại ràng buộc về công suất
truyền hoặc đồng thời xét cả hai. Trong phạm vi Luận án này, NCS chỉ quan tâm đến một trong hai loại ràng buộc mà không xét trường hợp đồng thời cả hai ràng buộc.
Bài toán bảo mật truyền tin dạng tối ưu DF1E cho mô hình truyền tin vô tuyến có sự xuất hiện của một trạm nghe lén sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF (1.16) ở trên đã được đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu [19], [27], [30], [50], [57], [60]. Đây là một bài toán quy hoạch không lồi và chưa có các giải tìm nghiệm tối ưu toàn cục nên đang là thách thức cho các nhà nghiên cứu. Một số phương pháp giải được công bố gần đây đều là tìm nghiệm cận tối ưu mà chưa có phương pháp giải tìm nghiệm tối ưu toàn cục.
1.3.1.2.1 Mô hình hệ thống
Mô mình hệ thống chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật DF có nhiều trạm nghe
lén (Multiple Eavesdroppers) như Hình 1.9. Mô hình này có các thành phần
và ký hiệu tương tự như mô hình DF có một trạm nghe lén ở phần trên, nhưng có sự xuất hiện của K trạm nghe lén được ký hiệu là E1,…, EK.
Hệ số kênh truyền giữa các trạm chuyển tiếp và các trạm nghe lén được ký
†
hiệu là hrej =hrej,1 ,..., hrej,M , đây là các giá trị phức theo phân phố Gauss.
hsr
Trạm nguồn (S)
Hre
Các trạm chuyển tiếp (R)
Các trạm nghe lén (E) Hình 1.9: Hệ thống có sự xuất hiện của nhiều trạm nghe lén.
Hoạt động của hệ thống theo kỹ thuật DF có nhiều trạm nghe lén cũng gồm 2 pha tương tự như với hệ thống có một trạm nghe lén và lúc này tín hiệu nhận được tại trạm nghe lén thứ j sẽ là:
y = M=h w x +n (1.17)
ej m 1 re j,m m s e
= h †rejwx's +ne , j = 1, , K.
1.3.1.2.2 Phát biểu bài toán DFME
Giá trị SNR tại trạm nghe lén thứ j trong mô hình hệ thống có K trạm nghe lén sẽ là [T.6]:
Giá trị truyền tin mật khi này sẽ là: Rs = j = min 1,,K (I (xs ; y d )− I (xs ; y ej ) = j =min 1,,K (log (1+ SNR d )− log (1 +SNR ej )) = min j =1, , K
Bài toán tối đa hóa giá trị truyền tin mật Rs với ràng buộc về tổng công suất truyền hoặc ràng buộc về công suất truyền riêng rẽ của các trạm chuyển tiếp được đặt tên là bài toán truyền tin mật DFME và được phát biểu như sau:
max min
s.t. w†w PR
( wm2 pm , m = 1, , M ).
Bài toán (1.19) là bài toán quy hoạch với hàm mục tiêu không lồi và chưa có cách giải để tìm được nghiệm tối ưu toàn cục. Các phương pháp giải hiện nay thường là tìm nghiệm cận tối ưu (suboptimal).
Phần tiếp theo trong Chương 2 sẽ đi sâu phân tích hai bài toán bảo mật DF1E và DFME, sau đó đề xuất ứng dụng Quy hoạch DC và giải thuật DCA vào giải hai bài toán này để nâng cao hiệu suất truyền tin mật cho hệ thống thông qua việc tìm nghiệm cận tối ưu tốt hơn so với phương pháp đã công bố.
1.3.2 Bài toán bảo mật mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật AF
Phần này trình bày mô hình truyền tin mật sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại - Chuyển tiếp. Bên cạnh mô hình hoạt động theo kỹ thuật DF, mô hình hoạt động theo kỹ thuật AF cũng đang được các nhà
1.3.2.1 Hệ thống có một trạm nghe lén
1.3.2.1.1 Mô hình hệ thống
Trong trường hợp hệ thống truyền tin chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF có sự xuất hiện của một trạm nghe lén với mô hình truyền tin như Hình 1.8, hệ thống hoạt động theo 2 pha như sau:
Trong pha 1, trạm nguồn S truyền bản tin cần giữ bí mật với công suất là
đã được chuẩn hóa (E x 2 =1)tới các trạm chuyển tiếp, tín hiệu nhận được tại các trạm chuyển tiếp là[62]:
yr = Psh sr xs +nr .
Trong pha 2, các trạm chuyển tiếp không thực hiện giải mã (decode) như
với mô hình DF mà nhân trực tiếp tín hiệu thu được yr với hệ số khuếch đại của trạm chuyển tiếp , sau đó truyền đến trạm đích D. Tín hiệu đầu ra
của trạm chuyển tiếp thứ m khi này được biểu diễn là:
x rm = w m ( P s h srm x s + n m ).
Dạng véc tơ biểu diễn tín hiệu phát từ các trạm chuyển tiếp là:
x r =D (y r )w ,
trong đó, D(a) là ma trận đường chéo với các phần tử nằm trên đường chéo chính là giá trị của véc tơ a.
Có hai loại ràng buộc về công suất truyền cho trường hợp AF là: ràng buộc về tổng công suất truyền của tất cả các trạm chuyển tiếp (có dạng w †w PR ) hoặc ràng buộc về công suất truyền riêng rẽ tại mỗi trạm chuyển tiếp, có dạng wm 2pm
tương tự như với trường hợp mạng chuyển tiếp DF.
Các tín hiệu nhận được tại trạm thu đích D và trạm nghe lén E là sự kết hợp của các tín hiệu được phát từ các trạm chuyển tiếp (phần 1.2.3.2), được biểu diễn cụ thể như sau:
M y d = h rd ,m w m ( m=1 = PShrdD (hsr )wxs +nT rD† (hrd )w +nd , M y e = h re ,m w m ( m=1 = PShreD (hsr )wxs +nTrD† (hre )w +ne .
1.3.2.1.2 Phát biểu bài toán bảo mật AF1E:
Giá trị SNR thu được tại trạm thu D và trạm nghe lén E được tính bởi [T.6]:
SNRd = = w†Aw w†Gw +1 và Trong Ps † B = 2D
Giá trị tốc độ mật RS có thể đạt được khi này sẽ là:
Bài toán quy hoạch với hàm mục tiêu cực đại hóa giá trị truyền tin mật RS
(AF1E) của hệ thống và ràng buộc về tổng công suất truyền của tất cả các trạm chuyển tiếp (w †wPR ) hoặc ràng buộc về công suất truyền tối đa tại mỗi trạm
chuyển tiếp riêng rẽ (wm 2 pm , m = 1, , M ) có dạng như sau:
max log(w Aw +w Gw + 1)(w Hw +1)
w
s.t. w†w P
1.3.2.2 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén
1.3.2.2.1 Mô hình hệ thống
Xem xét mô hình hệ thống truyền tin vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF có nhiều trạm nghe lén như Hình 1.9. Hoạt động của hệ thống được thực hiện theo 2 pha như các mô hình AF có một trạm nghe lén.
Trong pha 1, tín hiệu từ trạm nguồn S được truyền đến các trạm chuyển tiếp.
Tín hiệu thu được tại các trạm chuyển tiếp được xác định là:
yr = P hsr xs +nr .
s
Tại pha 2, các trạm chuyển tiếp sẽ khuếch đại tín hiệu thu được rồi truyền đến trạm thu D, đồng thời thì các trạm nghe lén E1, , EK cũng thu được tín hiệu này. Tín hiệu thu được tại trạm thu D và trạm nghe lén thứ k , k = 1, , K tương ứng
sẽ có dạng (phần 1.2.3.2): y d = mM=1 h rd ,m w m ( = PSh rdD (h sr )wxs +nTrD† (h rd )w +nd , y e ,k = mM=1h rek ,m w m ( = PSh rekD (h sr )wxs +nT rD† (h rek )w +nek .
1.3.2.2.2 Phát biểu bài toán truyền tin mật AFME
Tương tự như mô hình AF có một trạm nghe lén ở trên, giá trị SNR thu được tại trạm thu D và trạm nghe lén thứ k sẽ có dạng [T.6]:
SNR =w†Aw w†Gw +1 và SNRe k = w †B k w . w †Hkw +1 Trong đó,Bk
Giá trị tốc độ mật RS có thể đạt được khi này sẽ là:
R S =k min =1,,K (I (xs ; y d )− I (xs ; y ek ))
= min (log(1+ SNRd ) − log(1+ SNRe )).
k =1, ,K k
Bài toán tối ưu cực đại hóa giá trị tốc độ mật RS của hệ thống với ràng buộc về tổng công suất truyền của tất cả các trạm chuyển tiếp hoặc ràng buộc về công suất truyền tối đa tại mỗi trạm chuyển tiếp có dạng như sau:
max min w k =1, ,K s.t. w†Cw P ( w với C = diag ( hsr1
2 P+ 2 s 2 P+ 2 s 2Ps + 2) .
1.3.2.2.3 Phát biểu bài toán theo cách tiếp cận về giá trị SNR
Bài toán bảo mật tầng vật lý còn được phát biểu theo giá trị tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR, có nghĩa là tối đa hóa giá trị SNR tại trạm thu hợp pháp D với ràng buộc là giá trị SNR tại các trạm nghe lén phải thấp hơn một giá trị ngưỡng mong muốn được xác định trước và ràng buộc về công suất truyền [53], [59].
Giá trị SNR luôn được quan tâm trong các hệ thống truyền tin theo khía cạnh chất lượng truyền tin QoS (Quality of Service). Do đặc tính vật lý, giá trị SNR tại trạm thu phải lớn hơn một ngưỡng nào đó thì nó mới có khả năng khôi phục (decode) từ tín hiệu thu được về dạng nguồn tin. Tuy nhiên, giá trị SNR ở