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 tốn bảo mật mạng vơ 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 mơ hình truyền tin vơ tuyến đang được nhiều cơng 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 khơng 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 Mơ hình hệ thống
Mơ hình truyền tin mật sử dụng kỹ thuật truyền theo búp sóng khơng 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: Mơ 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 mơ 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 khơng có bảo mật và khơng 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 = h sr 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 cơng 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 cơng suất truyền tại mỗi trạm chuyển tiếp, có dạng
wm 2 pm , m = 1, , M trong đó pm là công suất truyền tối đa của trạm chuyển tiếp thứ m.
32
w = w1 , , wM
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:
Rs = log (1 + SNR d ) − log (1 + SNRe )
Bài tốn 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 cơng suất truyền ln bị giới hạn với mỗi một hệ thống cụ thể. Đặc biệt, trong các thiết bị phát sóng vơ tuyến di động thì giới hạn về cơng suất truyền là rất cần thiết.
- Bài tốn 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 mơ hình truyền tin vơ 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 cơng trình nghiên cứu [19], [27], [30], [50], [57], [60]. Đây là một bài tốn quy hoạch khơng lồi và chưa có các giải tìm nghiệm tối ưu tồn cục nên đang là thách thức cho các nhà nghiên cứu. Một số phương pháp giải được cơng bố gần đây đều là tìm nghiệm cận tối ưu mà chưa có phương pháp giải tìm nghiệm tối ưu tồn cục.
1.3.1.2.1 Mơ hình hệ thống
Mơ mình hệ thống chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật DF có nhiều trạm nghe lén (Multiple Eavesdroppers) như Hình 1.9. Mơ hình này có các thành phần
và ký hiệu tương tự như mơ 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 hre j = hre j ,1 ,..., hre j ,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 †re j wx'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 mơ 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 e j ) = j =min 1,,K (log (1+ SNR d )− log (1 +SNR e j )) = min j =1, , K
Bài tốn 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
( wm 2 pm , m = 1, , M ).
Bài toán (1.19) là bài tốn quy hoạch với hàm mục tiêu khơng lồi và chưa có cách giải để tìm được nghiệm tối ưu tồn 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 tốn 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 cơng bố.
1.3.2 Bài tốn bảo mật mạng chuyển tiếp vơ tuyến theo kỹ thuật AF
Phần này trình bày mơ hình truyền tin mật sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại - Chuyển tiếp. Bên cạnh mơ hình hoạt động theo kỹ thuật DF, mơ hình hoạt động theo kỹ thuật AF cũng đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu [3], [21], [22], [30], [45], [61].
1.3.2.1 Hệ thống có một trạm nghe lén
1.3.2.1.1 Mơ 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 mơ 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 cơng 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]:
y r = Ps h sr xs +nr .
Trong pha 2, các trạm chuyển tiếp khơng thực hiện giải mã (decode) như
với mơ 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 cơng 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 cơng suất truyền riêng rẽ tại mỗi trạm chuyển tiếp, có dạng wm 2 pm 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:
37
M y d = h rd ,m w m ( m=1 = PS h rd D (h sr )w xs + nTr D† (h rd )w + nd , M y e = h re ,m w m ( m=1 = PS h re D (h sr )w xs + nTr D† (h re )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 †w PR ) 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 Mơ hình hệ thống
Xem xét mơ hình hệ thống truyền tin vơ 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 mơ 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 ( = PS h rd D (h sr )wxs + nTr D† (h rd )w + nd , y e ,k = mM =1h rek ,m w m (
= PS h rek D (h sr )w xs + nTr D† (h rek )w + nek . 1.3.2.2.2 Phát biểu bài toán truyền tin mật AFME
Tương tự như mơ 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 †H k w +1 Trong đó, B k
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 tốn 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
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 khơi phục (decode) từ tín hiệu thu được về dạng nguồn tin. Tuy nhiên, giá trị SNR ở đây được sử dụng cho mục đích truyền tin mật theo nghĩa trạm nghe lén có giá trị SNR nhỏ hơn một mức ngưỡng rất nhỏ được xác định trước, nên trạm nghe lén không thể khơi phục được bản tin từ tín hiệu thu được.
Khi này, tốc độ truyền tin an toàn theo giá trị SNR là RS = ½log(1 + SNR). Cụ thể, bài tốn bảo mật theo cách tiếp cận giá trị SNR được phát biểu như sau: Từ giá trị thu được tại trạm thu hợp pháp D và tại các trạm nghe lén El (l =
1,2,…K) như (1.24) và (1.25), giá trị SNR tại trạm thu D và các trạm nghe lén là:
SNR d SNR l = iM=1 h si w i h id 1 + iM=1 = iM=1 h si w i h il 1 + iM=1
Bài toán quy hoạch tối đa hóa tốc độ mật AFME khi này có dạng
nghe lén thứ l; w 2
max,i
tiếp thứ i. Bài tốn bảo mật (1.28) khơng phải là bài tốn quy hoạch lồi nên nó thuộc dạng bài tốn khó và chưa có cách giải tìm nghiệm tối ưu tồn cục. Việc
nghiên cứu tìm cách giải tốt theo nghĩa tìm nghiệm cận tối ưu tốt hơn đang là