Nội dung đề xuất giải thuật DCA-AFME và kết quả thực nghiệm ở trên đã được nghiên cứu sinh trình bày và báo cáo tại Hội nghị quốc tế về các ứng dụng của khoa học máy tính và tốn ứng dụng ICCSAMA 2017 (International
Conference on Computer Science, Applied Mathematics and Applications). Kỷ yếu của Hội nghị được đăng trên ấn bản AISC- Advances in Intelligent Systems and Computing của nhà xuất bản Springer năm 2018 [T.5].
3.4 So sánh hiệu quả của hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và AF
Phần này trình bày kết quả thực nghiệm đánh giá hiệu quả truyền tin mật của hệ thống mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật DF và AF với trường hợp trong hệ thống có nhiều trạm nghe lén. Thực nghiệm thay đổi số lượng trạm chuyển tiếp để xác định mức độ ảnh hưởng của số lượng trạm chuyển tiếp so với số lượng trạm nghe lén. Cụ thể các thuật toán được thực nghiệm để so sánh gồm:
R S (b its /s ym bo l)
- Mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật DF, gồm hai thuật tốn trình bày trong phần 2.3 là: Thuật toán SDR-DFME (2.13) và thuật toán được đề xuất DCA-DFME (2.18).
- Mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF, gồm hai thuật tốn trình bày trong phần 2.3 là: Thuật tốn SDR-AFME (3.15) và thuật toán được đề xuất DCA-AFME (3.18).
Giả thiết thực nghiệm với hệ thống truyền tin một chiều tương tự như thực nghiệm tại các phần trước, các hệ số kênh truyền được sinh theo phân bố Gauss và được biết trước. Trong thực tế triển khai, trạm nghe lén khó được xác định trước bởi các trạm chuyển tiếp, tương ứng thì hệ số kênh truyền của trạm nghe lén là không được biết trước (imperfect information channel state). Tuy nhiên, trên thực tế có nhiều mạng vơ tuyến được thiết lập trong một khu vực an tồn về vật lý và khơng thể đặt một trạm thu bất hợp pháp (ví dụ trong một khu vực quân sự), khi này trạm nghe lén chính là một trạm thu hợp pháp đã được xác định trong hệ thống, và việc nghe lén trong trường hợp này chỉ là sự nghe trộm giữa các thành viên trong cùng một cơ quan đối với một thông báo cụ thể. Hoặc với một số mạng vơ tuyến hoạt động như một dịch vụ, trong đó có địi hỏi các trạm khi tham gia phải đăng ký như dưới dạng các thuê bao. Khi này, người nghe lén cũng được hiểu là sự thu lén giữa các thành viên trong hệ thống và như vậy thì trạng thái kênh truyền của các thành phần trong hệ thống là cơ bản sẽ được biết trước bởi trạm phát và các trạm chuyển tiếp.
Số trạm chuyển tiếp (M)
Hình 3.3: DF so với AF trong mạng vơ tuyến chuyển tiếp có 5 trạm nghe lén.
Kết quả thực nghiệm như trên Hình 3.3 và Hình 3.4 cho thấy một kết quả phù hợp với lý thuyết và thực tế của các hệ thống truyền thông là giá trị truyền tin mật Rs luôn tăng theo số lượng trạm chuyển tiếp. Như vậy có thể thấy, để có được tốc độ mật cao thì phải trả giá về số lượng trạm chuyển tiếp. Kết quả cũng cho thấy một đặc điểm quan trọng là, giá trị Rs tăng nhanh khi tăng số lượng trạm chuyển tiếp trong khoảng 03 lần số lượng trạm nghe lén. Khi số lượng trạm chuyển tiếp tăng hơn 3 lần số trạm nghe lén thì giá trị Rs có tăng nhưng khơng nhiều.
Kết quả trên Hình 3.3 và Hình 3.4 thể hiện kỹ thuật chuyển tiếp DF cho hiệu quả truyền tin mật tốt hơn kỹ thuật AF. So sánh về thuật toán đề xuất với thuật tốn đã được cơng bố thì với kỹ thuật DF, thuật tốn đề xuất (DCA-DF) cho kết quả tốt hơn thuật tốn đã được cơng bố (SDR-DF) nhưng không nhiều khi số lượng trạm chuyển tiếp lớn, kết quả này chỉ rõ rệt khi số lượng trạm chuyến tiếp nhỏ hơn 03 lần số trạm nghe lén. Với mạng chuyển tiếp AF thì kỹ thuật đề xuất
DCA-AFME cho kết quả tốt hơn rõ ràng với thuật tốn đã cơng bố SDR-AFME với trong tất cả các trường hợp về số lượng trạm chuyển tiếp.
Số trạm chuyển tiếp (M)
Hình 3.4: DF so với AF trong mạng vơ tuyến chuyển tiếp có 7 trạm nghe lén.
Kết quả thực nghiệm về so sánh giá trị SNR thu được tại trạm thu hợp pháp D và trạm nghe lén E trên BẢNG 3.9 cho thấy sự chênh lệch là rất rõ ràng. Khi số trạm chuyển tiếp tăng thì giá trị SNR tại trạm thu D tăng, trong khi đó giá trị này tại trạm nghe lén luôn rất nhỏ nên việc khôi phục tín hiệu tại trạm nghe lén là khơng thể. Kết quả thực nghiệm này cũng đã làm rõ yêu cầu về bảo mật tầng vật lý của Wyner trong phần 1.2. đó là để có thể truyền tin mật (Rs > 0) thì chất lượng
kênh truyền đến trạm thu hợp pháp phải tốt hơn kênh đến trạm nghe lén. Như vậy, với kỹ thuật truyền búp sóng thơng qua nhiều trạm chuyển tiếp đã đáp ứng tốt yêu cầu của Wyner. Hay nói cách khác, với sự phát triển của lý thuyết thông tin và kỹ thuật truyền tin vơ tuyến hiện nay thì giải pháp bảo mật truyền tin tầng vật lý đã trở nên khả thi và rất đáng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong thực tế.
BẢNG 3.9. GIÁ TRỊ SNR TẠI D VÀ E VỚI TRƯỜNG HỢP P=30mW, 5 TRẠM NGHE LÉN
Nội dung thực nghiệm và phân tích so sánh hiệu suất của hai kỹ thuật chuyển tiếp và đánh giá khả năng bảo mật thông qua giá trị SNR ở trên đã được nghiên cứu sinh trình bày trong bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Cơng nghệ trong lĩnh vực An tồn thơng tin, ISSN 2615-9570, số 2 năm 2019 [T.3].
3.5 Kết luận Chương 3
Chương này đã trình bày kết quả nghiên cứu, phân tích 02 bài tốn bảo mật cho mạng chuyển tiếp vơ tuyến AF từ đó đề xuất 02 thuật toán giải mới cho 02 bài toán này, đồng thời thực nghiệm đánh giá hiệu quả của kỹ thuật AF so với DF và đưa ra khuyến cáo về số trạm chuyển tiếp phù hợp trong thực tế triển khai. Cụ thể, các kết quả chính đạt được trong chương này bao gồm:
- Nghiên cứu, biến đổi bài toán quy hoạch tối đa hóa giá trị truyền tin mật tầng vật lý hoạt động theo kỹ thuật AF có một trạm nghe lén AF1E về dạng bài toán quy hoạch DC. Từ đó, đề xuất giải thuật DCA-AF1E để nâng cao giá trị tốc độ mật Rs.
- Thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn và tính ưu việt của giải thuật DCA- AF1E đề xuất so với thuật tốn tìm nghiệm SubOpt đã được cơng bố. Kết quả thực nghiệm cho thấy thuật tốn đề xuất cho giá trị hàm mục tiêu là tốc độ mật và thời gian thực hiện tốt hơn thuật tốn tìm nghiệp SubOpt. - Nghiên cứu, biến đổi bài tốn quy hoạch tối đa hóa giá trị SNR tại trạm
thu hợp pháp với ràng buộc về giá trị SNR tại các trạm nghe lén thấp hơn
Number of Relays 5 10 15 20 25 30 35 SNR D E D E D E D E D E D E D E DCA_AFME 9.4 0.31 70.4 0.30 172.1 0.31 260.3 0.32 325.4 0.32 451.2 0.33 534.8 0.33 SDR_AFME 3.0 0.43 25.1 0.46 77.5 0.58 105.9 0.51 140.7 0.50 220.2 0.50 252.1 0.53 DCA_DFME 60.4 2.46 165.5 0.03 296.4 0.01 473.7 0.00 589.3 0.00 741.7 0.00 880.7 0.00 SDR_DFME 30.3 37.5 157.9 0.00 292.2 0.00 470.5 0.00 587.0 0.00 740.0 0.00 879.3 0.00
một giá trị ngưỡng xác định trước trong mạng chuyển tiếp vơ tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF có nhiều trạm nghe lén AFME về dạng bài toán quy hoạch DC. Từ đó, đề xuất giải thuật DCA-AFME để nâng cao hiệu quả truyền tin mật.
- Thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn và tính ưu việt của giải thuật DCA- AFME đề xuất so với thuật tốn tìm nghiệm SDR đã được cơng bố. Kết quả thực nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất cho giá trị hàm mục tiêu là tốc độ mật tốt hơn giá trị hàm mục tiêu theo thuật toán SDR.
- Thực nghiệm so sánh hiệu quả của hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và AF, làm rõ hơn khả năng bảo mật tầng vật lý theo giá trị SNR tại trạm thu hợp pháp và trạm nghe lén, đồng thời đưa ra khuyến nghị về số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp so với số trạm nghe lén trong thiết lập hệ thống. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, giá trị Rs tăng do 3 yếu tố chính là: cơng suất phát tăng; số lượng trạm chuyển tiếp tăng; và tìm được giá trị hệ số tạo búp sóng của các trạm chuyển tiếp tốt. Như vậy, theo hai yếu tố đầu thì hệ thống phải trả giá về công suất phát và số trạm chuyển tiếp, yếu tố thứ 3 do hiệu quả của giải thuật sử dụng, đây cũng là kết quả chính của Luận án.
Các phương pháp giải cho các bài toán quy hoạch khó ở trên chưa có nhiều kết quả được công bố nên số lượng kết quả so sánh bị hạn chế, các kết quả đã công bố dùng để so sánh là kết quả được công bố trong thời gian gần đây. Kết quả đề xuất giải thuật DCA-AF1E đã được NSC gửi cơng bố trên Tạp chí Khoa học – Kỹ thuật của Học viện Kỹ thuật quân sự Số 206 (5-2020) [T.2], kết quả thuật toán đề xuất DCA-AFME đã được công bố tại hội nghị khoa học quốc tế ICCSAMA 2017, AISC Springer năm 2018 [T.5].
KẾT LUẬN
Luận án đã đề xuất một số thuật toán mới nhằm nâng cao hiệu suất truyền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến dựa trên việc ứng dụng Quy hoạch DC và giả thuật DCA vào giải một số bài tốn quy hoạch khơng lồi trong bảo mật tầng vật lý trên mạng vô tuyến. Đồng thời Luận án đã thực nghiệm đánh giá hiệu suất bảo mật của kỹ thuật DF so với AF và xác định số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp hỗ trợ cài đặt tham số truyền tin mạng vơ tuyến góp phần đưa lĩnh vực này gần hơn trong triển khai thực tế, cụ thể, các kết quả chính của Luận án đã đạt được bao gồm:
- Đề xuất thuật toán DCA-DF1E và DCA-DFME nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật cho mạng chuyển tiếp vơ tuyến hoạt động theo kỹ thuật DF có sự xuất hiện của một và nhiều trạm nghe lén.
- Đề xuất thuật toán DCA-AF1E và DCA-AFME nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF với sự xuất hiện của một và nhiều trạm nghe lén.
- Luận án đã triển khai thực nghiệm trên máy tính để đánh giá các thuật tốn đề xuất và so sánh hiệu quả truyền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật DF và AF; đồng thời làm rõ hiệu quả của việc tăng số trạm chuyển tiếp so với số trạm nghe lén và đưa ra khuyến nghị về số lượng trạm chuyển tiếp phù hợp theo số lượng trạm nghe lén.
Kết quả Luận án đã làm rõ hơn phương pháp bảo mật truyền tin tầng vật lý theo ý tưởng của Wyner cho mạng truyền tin vô tuyến là khả thi theo quan điểm bảo mật của Shannon. Với sự phát triển của lý thuyết thông tin và kỹ thuật truyền tin vô tuyến, đặc biệt là kỹ thuật truyền tin quét búp sóng và kỹ thuật truyền tin có tương tác đa ăng ten thì vấn đề bảo mật truyền tin tầng vật lý càng trở nên khả thi ngay cả khi chất lượng kênh truyền của trạm thu hợp pháp kém hơn kênh truyền của trạm thu lén.
Một số hướng nghiên cứu tiếp theo
Do tính chất phức tạp của các mơ hình truyền tin thực tế và do chủ đề bảo mật tầng vật lý không dựa trên các kỹ thuật mật mã truyền thống là hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam, đặc biệt là trong ngành Cơ yếu nên các nội dung này cần được nghiên cứu tiếp để tiến tới xây dựng mơ hình truyền tin mật tầng vật lý mạng vơ tuyến trong lĩnh vực an ninh quốc phịng theo hướng:
- Phát triển nghiên cứu trên các mơ hình truyền tin hai chiều trong thực tế trong đó có xác định vị trí của các trạm thu hợp pháp và các trạm thu lén về khoảng cách, hướng và các đặc trưng của các trạm thu phát.
- Nghiên cứu cài đặt, thiết kế hệ thống thực nghiệm trong một số môi trường thực tế. Trong đó có cài đặt các thuật tốn xác định cấu hình tham số trọng số khuếch đại cho các trạm chuyển tiếp được điều chỉnh phù hợp để hiệu suất truyền tin mật là tối ưu.
Mặc dù đã cố gắng nhưng Luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót, NCS rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo, các nhà nghiên cứu và đồng nghiệp để Luận án được hồn thiện hơn.
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ A. CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ TRONG LUẬN ÁN
[T.1]. , Bảo mật tầng vật lý: Một phương pháp bảo mật khơng dùng
thuật tốn mật mã, Tạp chí An tồn thơng tin, Số 6 (058) 2020, ISSN 1859-1256, pp 26-28, 2020.
http://antoanthongtin.vn/gp-mat-ma/bao-mat-tang-vat-ly-mot-phuong- phap-bao-mat-khong-dung-thuat-toan-mat-ma-106684
[T.2]. ., Nâng cao hiệu năng bảo mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp
vô tuyến sử dụng kỹ thuật khuếch đại – chuyển tiếp có một trạm nghe lén, Số 206 (5-
2020) - Học viện Kỹ thuật Quân sự, pp 60-77, 2020.
[T.3]. Nhu Tuan Nguyen, Decode-and-Forward vs. Amplify-and-Forward Scheme in Physical Layer Security for Wireless Relay Beamforming Networks. Journal of
Science and Technology on Information Security. ISSN 2615-9570, Vol. 10, No. 2, pp
9-17, 2019.
http://isj.vn/index.php/journal_STIS/article/view/66
[T.4]. Tuan N.N., Thuy T.T., Physical Layer Security Cognitive Decode-and-Forward Relay Beamforming Network with Multiple Eavesdroppers. Intelligent Information
and Database Systems. ACIIDS 2019. Lecture Notes in Computer Science, vol 11432,
pp 254-262. Springer, Cham. 2019. (Indexing: ISI Proceedings, SCOPUS).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-14802-7_22
[T.5]. Tuan, N.N., Son, D.V.: DC programming and DCA for Enhancing physical layer security in amplify-and-forward relay beamforming networks based on the SNR approach. In: Le, N.-T., Van Do, T., Nguyen, N.T., Thi, H.A.L. (eds.) ICCSAMA 2017.
AISC (Advances in Intelligent Systems and Computing), vol. 629, pp. 23–33. Springer,
Cham. 2018. (Indexing: ISI Proceedings, EI-Compendex, DBLP, SCOPUS, Google Scholar and Springerlink)
https://doi.org/10.1007/978-3-319-61911-8_3
[T.6]. , Đặng Vũ Sơn, Nguyễn Ngọc Cương, Bảo mật dữ liệu tầng vật
lý trong mạng truyền tin không dây sử dụng relay theo kỹ thuật Decode-and-Forward và Amplify-and-Forward, Chuyên san Nghiên cứu khoa học và công nghệ trong lĩnh
vực an tồn thơng tin, Tạp chí An tồn thơng tin, ISSN 2615-9570, vol. 5, pp 19-30,
No. 1/CS2017, 2017.
[T.7]. Đặng Vũ Sơn và , Bảo mật dữ liệu tầng vật lý trong mạng truyền
tin không dây: Những ý tưởng đầu tiên và hướng nghiên cứu hiện nay, Tạp chí An
tồn thơng tin, tháng 12/2016.
http
://antoanthongtin.vn/gp-attm/bao-mat-du-lieu-tang-vat-ly-trong-mang-
truyen-tin-khong-day-nhung-y-tuong-dau-tien-va-huong-nghien-c-101779
B. CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN
[T.8]. Thi Thuy Tran, Hoai An Pham Thi, Tao Pham Dinh, Nhu Tuan Nguyen: DC
programming and DCA for enhancing physical layer security via relay beamforming strategies. Optimization Lettes, Springer (2021).
https://doi.org/10.1007/s11590-020-01696-8
[T.9]. Thuy, T.T., Tuan, N.N., An, L.T.H., Gély, A.: DC programming and DCA for
enhancing physical layer security via relay beamforming strategies. In: Nguyen, N.T., Trawiński, B., Fujita, H., Hong, T.-P. (eds.) ACIIDS 2016. LNCS (LNAI), vol. 9622, pp. 640–650. Springer, Heidelberg (2016). (Indexing: ISI Proceedings, SCOPUS)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. D. Wyner, “The Wire-Tap Channel,” Bell Syst. Tech. J., vol. 54, no. 8, pp. 1355– 1387, Oct. 1975, doi: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02040.x.
[2] T. X. Quach, H. Tran, E. Uhlemann, G. Kaddoum, and Q. A. Tran, “Power
allocation policy and performance analysis of secure and reliable communication in cognitive radio networks,” Wirel. Netw., vol. 25, no. 4, pp. 1477–1489, May 2019, doi: 10.1007/s11276-017-1605-z.
[3] O. G. Aliu, A. Imran, M. A. Imran, and B. Evans, “A Survey of Self Organisation in Future Cellular Networks,” IEEE Commun. Surv. Tutor., vol. 15, no. 1, pp. 336–