ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
NGUYỄN ĐỨC HOÀNG TÙNG
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ
TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
ĐÀ NẴNG - NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
NGUYỄN ĐỨC HOÀNG TÙNG
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ
TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY
Chuyên ngành : KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số : 60.48.01.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HÀ ĐẮC BÌNH
ĐÀ NẴNG - NĂM 2015
3
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Hà Đắc Bình đã
tận tình hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận
văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo Khoa Sau Đại Học,
những người dã quan tâm tổ chức, chỉ đạo trực tiếp giảng dạy trong suốt quá
trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến
quan trọng giúp tôi hoàn thiện tốt hơn Luận văn của mình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và những người thân đã quan tâm
giúp đỡ và động viên để tôi yên tâm và hoàn thành Luận văn.
Tác giả

Nguyễn Đức Hoàng Tùng
4
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của thầy TS. Hà Đắc Bình.
- Mọi tham khảo dùng trong luận văn đề được trích dẫn rõ ràng và
trung thực.
- Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
- Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
không trùng lặp với các đề tài khác.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và
các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả
Nguyễn Đức Hoàng Tùng
5
MỤC LỤC
6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AF Amplified and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh truyền
CF Compress and Forward Nén và chuyển tiếp
CSI Channel Stage Information Thông tin trạng thái kênh
DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp
DMC Discrete Memoryless Channel Kênh không bộ nhớ rời rạc
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
LOS Line of Sight Dòng thị giác

OSI Open Systems Interconnection Model Mô hình kết nối các hệ thống mở
PDF Probability Density Function Hàm phân phối xác suất
PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
PMF Probability Mass Function Hàm khối xác suất
RF Randomize and Forward Ngẫu nhiên và chuyển tiếp
SINR Signal to Interference plus Noise Ration Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và nhiễu
SISO Single-Input Single-Output Đơn đầu vào, đơn đầu ra
SNR Signal-to-Noise Ration Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
bản
g
Tên bảng Trang
2.1
Kết quả mô phỏng tham số Gaussian và tỉ lệ lỗi bit trong 3 hệ
thống. Bảng được trích dẫn từ [14]
26
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số
hìn
h
Tên hình
Tran
g
1.1 Mô hình truyền thông điểm đến điểm 8
1.2 Mô hình OSI bảy tầng 12
1.3
Mạng truyền thông với máy phát (Alice), máy thu (Bob) và thiết bị

nghe trộm (Eve)
19
1.4 Mô hình hệ thống vô tuyến với một máy nghe trộm đơn antenna 21
2.1
Phương pháp cắt mức. (a) Mẫu ngẫu nhiên của fading Rayleigh.
(b) Kênh ước tính thành công nằm trên đường chuẩn âm q- và dưới
đường chuẩn dương q+. Hình trích dẫn từ [15]
27
2.2 Sơ đồ mạng chuyển tiếp không dây đơn giản 30
2.3 Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 31
2.4 Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF) 32
2.5
Mô hình mạng chuyển tiếp không dây đa chặng DF với một thiết bị
nghe trộm
34
2.6 Mô hình mạng chuyển tiếp hai chặng với một thiết bị nghe trộm 35
3.1
Mô hình mạng chuyển tiếp DF hai chặng với nhiều thiết bị nghe
trộm
38
3.2
Kết quả mô phỏng xác suất khác không của dung lượng bảo mật
với số thiết bị nghe trộm khác nhau
48
3.3
Kết quả mô phỏng xác suất dừng bảo mật với số thiết bị nghe trộm
khác nhau
49
3.4
Biểu đồ so sánh xác suất khác không của dung lượng bảo mật của

hệ thống hai chặng và đơn chặng
50
3.5
Biểu đồ so sánh xác suất dừng bảo mật của hệ thống hai chặng và
hệ thống đơn chặng
51
9
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gầy đây, mạng không dây ngày càng phổ biến với nhiều
ưu điểm như giá thành hợp lý, tính di động cao, tiện lợi trong việc sử dụng. Tuy
nhiên, với tính chất truyền thông quảng bá tự nhiên của các mạng này, bất kỳ người
nhận nào trong phạm vi của một truyền dẫn không dây đều có khả năng nghe được
thông tin truyền đi. Do đó, bảo mật là mối quan tâm then chốt trong các mạng
không dây. Do độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khả thi ở lớp vật lý và khả
năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có mà nó có thể nâng cao
mức độ tổng thể về an toàn thông tin. Vì vậy, bảo mật ở lớp vật lý dựa trên thuyết
thông tin đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các học giả trên khắp thế
giới.
Chuyển tiếp trong các mạng truyền thông không dây là một kỹ thuật mới có
khả năng nâng cao độ phân tập từ đó cải thiện hiệu năng của các hệ thống truyền
thông không dây. Khả năng bảo mật của các mạng chuyển tiếp như thế nào là vấn
đề được nhiều người quan tâm. Để góp phần làm rõ vấn đề này, tôi chọn đề tài
“Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng chuyển tiếp không dây”.
Luận văn nêu ra một số kỹ thuật chuyển tiếp thông dụng trong mạng chuyển
tiếp không dây như giải mã và chuyển tiếp (DF); khuếch đại và chuyển tiếp (AF);
nén và chuyển tiếp (CF); … từ đó tôi đi sâu vào việc nghiên cứu, phân tích, đánh
giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng chuyển tiếp không dây DF có hai
chặng và nhiều thiết bị nghe trộm.
2. Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu các phương pháp bảo mật thông tin ở lớp vật lý.
- Tìm hiểu một số kỹ thuật chuyển tiếp thông dụng trong mạng chuyển tiếp
không dây.
- Xây dựng được mô hình hệ thống.
- Tìm hiểu các biểu thức tham số đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý mạng
không dây như: xác suất dung lượng bảo mật khác không và xác suất dừng bảo mật.
10
- Xây dựng chương trình mô phỏng.
- Đưa ra kết quả số, từ đó đánh giá khả năng bảo mật trong mạng chuyển tiếp
không dây sử dụng kỹ thuật mã hóa và chuyển tiếp (DF) có hai chặng và nhiều thiết
bị nghe trộm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
- Kênh truyền vô tuyến: Rayleigh.
- Thiết bị thu phát đơn ănten.
- Công nghệ truyền thông chuyển tiếp: Mã hóa và chuyển tiếp (DF: Decode-
and-Forward).
- Các tham số bảo mật: Dung lượng bảo mật (Secure Capacity); Xác suất
khác không của dung lượng bảo mật (Probability of non-zero secrecy capacity); Xác
suất dừng bảo mật (Secure outage probability).
3.2 Phạm vi nghiên cứu
- Lý thuyết đảm bảo an toàn thông tin.
- Công nghệ truyền thông không dây.
- Các kỹ thuật bảo mật ở tầng vật lý.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, tìm hiểu cách phân tích, đánh giá và so sánh khả năng bảo mật ở
tầng vật lý. Sau đó sử dụng các phương pháp này thực hiện cho mạng chuyển tiếp
không dây DF.
Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được mục tiêu nghiên cứu:
4.1 Phương pháp thu thập thông tin

- Thu thập các tài liệu tổng quan về bảo mật tầng vật lý và mạng chuyển tiếp.
- Tìm kiếm các tài liệu trong và ngoài nước, các bài báo và công trình nghiên
cứu liên quan. Nhất là các công trình mới nhất trong những năm gần đây.
4.2 Phương pháp so sánh
- Tổng hợp và đối chiếu giữa những tài liệu thu được để đưa ra một cái nhìn
tổng quan nhất giữa các phương pháp cũng như ưu nhược điểm của nó.
11
4.3 Phương pháp phân tích
- Phân tích cách đánh giá, các kỹ thuật chuyển tiếp.
- Xây dựng các mô hình toán học nhằm đánh giá và kiểm chứng hiệu năng
bảo mật của hệ thống thông qua các tham số đánh giá hiệu năng chính: Dung lượng
bảo mật của hệ thống (Secrecy Capacity), xác suất hệ thống có dung lượng bảo mật
khác không (Probability of non-zero Secreccy Capacity), và xác suất dừng bảo mật
của hệ thống (Secure Outage Probability).
4.4 Phương pháp chuyên gia
- Tham vấn từ các chuyên gia trong lĩnh vực này nhằm hoàn thiện các nội
dung cần nghiên cứu.
4.5 Phương pháp thực nghiệm
- Dựa trên mô hình toán học của hệ thống và kênh truyền, xây dựng chương
trình mô phỏng nhằm kiểm chứng lại mô hình toán học và phương pháp tính toán,
đồng thời khảo sát các đặc tính của hệ thống đề xuất.
5. Bố cục luận văn
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1: Lý thuyết thông tin và tổng quan về bảo mật lớp vật lý
Chương này trình bày một cách tổng quan về những vấn đề liên quan đến lý
thuyết thông tin được sử dụng để đánh giá khả năng bảo mật của các hệ thống thông
tin.
Chương 2: Bảo mật thông tin lớp vật lý trong mạng chuyển tiếp không dây
Chương này giới thiệu một số phương pháp bảo mật thông tin lớp vật lý và
trình bày một cách khái quát về mạng chuyển tiếp không dây cũng như một số kỹ

thuật (giao thức) chuyển tiếp, cũng như một số nghiên cứu liên quan đến bảo mật
thông tin ở lớp vật lý trong mạng chuyển tiếp không dây.
Chương 3: Đánh giá khả năng bảo mật của mạng chuyển tiếp không dây
Trong chương này, tôi mô tả mô hình hệ thống mạng không dây với chuyển
tiếp sử dụng kỹ thuật DF có hai chặng và nhiều thiết bị nghe trộm, xây dựng các
công thức toán học để đánh giá khả năng bảo mật trong hệ thống này. Sau đó, tôi sẽ
12
trình bày các kết quả mô phỏng bằng Matlab về dung lượng bảo mật thông tin, xác
suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin, xác suất dừng bảo mật thông tin
của hệ thống đã được trình bày. Từ đó, tôi sẽ phân tích các kết quả đạt được để làm
rõ những ưu điểm của mạng chuyển tiếp không dây DF.
Cuối cùng là khái quát toàn bộ vấn đề nghiên cứu, kết luận và đưa ra hướng
phát triển tiếp theo của luận văn.
13
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT
LỚP VẬT LÝ
Hiện nay, cùng với sự phát triển bùng nổ của thông tin vô tuyến là sự quan
tâm ngày càng sâu sắc đến vấn đề bảo mật thông tin trong mạng này. Đối với các
kênh truyền vô tuyến, do tính chất truyền quảng bá nên nó tạo cơ hội cho kẻ xấu
nghe trộm và can thiệp một cách tự nhiên. Vì vậy, các kỹ thuật bảo mật dựa trên độ
phức tạp của thuật toán đang được sử dụng không phù hợp với các mạng không dây
động và ngẫu nhiên quy mô lớn cũng như các mạng phân cấp hoặc những mạng có
yêu cầu nghiêm ngặt về bảo mật và thời gian. Do đó, gần đây đã có nhiều nghiên
cứu về khả năng cơ bản của lớp vật lý dựa trên lý thuyết thông tin để đánh giá khả
năng bảo mật trong các mạng không dây. Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu một
cách tổng quan về lý thuyết thông tin liên quan đến việc đánh giá khả năng đảm bảo
an toàn thông tin của một hệ thống.
1.1 Lý thuyết thông tin
1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin

Lý thuyết thông tin xuất phát từ nghiên cứu “Lý thuyết toán học về truyền
thông” của Claude Elwood Shannon được công bố trên tạp chí Bell System
Technical Journal vào tháng 7 và tháng 10 năm 1948. Mô hình chính của lý thuyết
thông tin cổ điển là vẫn đề kỹ thuật truyền thông tin trên một kênh nhiễu. Các kết
quả cơ bản nhất của lý thuyết này là định lý mã hóa nguồn của Shannon, chứng
minh rằng, về trung bình, số bit cần để mô tả kết quả một sự kiện ngẫu nhiên chính
là entropy; và định lý mã hóa kênh nhiễu của Shannon, khẳng định rằng truyền
thông đáng tin cậy có thể thực hiện thông qua các kênh truyền nhiễu với điều kiện
tỷ lệ truyền thông thấp hơn một ngưỡng nhất định, được gọi là dung lượng kênh
14
truyền. Dung lượng kênh truyền có thể được đạt được trong thực tế bằng cách sử
dụng các hệ thống mã hóa và giải mã thích hợp.
Trước bài báo này, các ý tưởng về lý thuyết thông tin giới hạn đã được phát
triển ở Bell Labs, tất cả các sự kiện ngầm giả định có xác suất bằng nhau. Bài báo
năm 1924 của Harry Nyquist, một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ điện báo
(Certain Factors Affecting Telegraph Speed), chứa phần lý thuyết định lượng
“thông minh” và “tốc độ đường truyền” mà một hệ thống truyền thông có thể
truyền, đưa ra mối quan hệ (Hằng số của Boltzmann), trong đó là tốc độ truyền
thông minh, là số mức điện thế khác nhau chọn từ mỗi bước thời gian và là hằng
số. Bài báo năm 1928 của Ralph Hartley truyền thông tin, sử dụng từ information
như là một lượng có thể đo được, phản ánh khả năng của người nhận phân biệt được
các chuỗi ký hiệu từ bất kỳ người nào khác, do đó lượng hóa thông tin như , trong
đó là số ký hiệu có thể, là số ký hiệu trong một lần truyền. Vì vậy, đơn vị của
thông tin là một số thập phân, rất lâu sau đó được gọi là Hartley để vinh danh ông là
đơn vị, hoặc thang đo, hoặc đơn vị đo của thông tin. Vào năm 1940, Alan Turing sử
dụng các ý tưởng tương tự như một phần của phân tích thống kê để phá vỡ mật mã
Engima trong chiến tranh thế giới thứ hai của Đức.
Trong nghiên cứu của mình, Shannon lần đầu tiên giới thiệu mô hình định
tính và định lượng của thông tin như là một quá trình thống kê làm cơ sở cho lý
thuyết thông tin, mở ra khẳng định rằng “vấn đề cơ bản của truyền thông là tái tạo

tại một thời điểm, hoặc là chính xác hoặc là xấp xỉ, một thông điệp được chọn ở
thời điểm khác”. Khẳng định này đưa đến các ý tưởng về entropy thông tin và
lượng dư thừa (redundancy) của nguồn, và sự liên quan đến lý thuyết mã hóa
nguồn; thông tin tương hỗ, và dung lượng kênh của một kênh nhiễu, bao gồm sự
triển vọng về truyền thông hoàn hảo không mất dữ liệu được đưa ra bởi lý thuyết
mã hóa kênh nhiễu; kết quả thực hiện của luật Shannon-Harley cho dung lượng
kênh của một kênh Gaussian, cũng như bit - một cách nhìn mới về đơn vị cơ bản
của thông tin.
15
1.1.2 Đo lường thông tin
Lý thuyết thông tin dựa vào lý thuyết xác suất và thống kê. Lượng quan
trọng nhất của thông tin là entropy, thông tin trong một biến ngẫu nhiên, và thông
tin tương hỗ, lượng thông tin chung giữa hai biến ngẫu nhiên.
Entropy là một đơn vị đo độ bất định (uncertainty) của một biến ngẫu nhiên.
Cho là một biến ngẫu nhiên rời rạc, có thể nhận các giá trị trong tập và hàm khối
xác suất (PMF: Probability Mass Function) .
Định nghĩa 1.1. Entropy của biến ngẫu nhiên rời rạc được định nghĩa như
sau:
(1.1)
Entropy được đo bằng bit, và ở đây, ta quy ước .
Từ (1.1), ta nhận thấy rằng entropy của có thể được hiểu như là giá trị kỳ
vọng của biến ngẫu nhiên , với . Vì vậy,
Cho và là 2 biến ngẫu nhiên rời rạc với hàm khối xác suất kết hợp và hàm
khối xác suất đơn là và . Entropy có điều kiện của được cho bởi như sau:
Định nghĩa 1.2. Entropy có điều kiện cho được định nghĩa như sau:
(1.2)
Entropy vi phân (Differential Entropy): cho là một biến ngẫu nhiên liên tục
có thể nhận các giá trị trong tập hữu hạn và hàm mật độ xác suất (PDF: Probability
Density Function) như sau.
Định nghĩa 1.3. Entropy vi phân của biến ngẫu nhiên liên tục được định

nghĩa là
(1.3)
Thông tin tương hỗ (mutual information): là đại lượng đo lượng thông tin
mà một biến ngẫu nhiên chứa một biến ngẫu nhiên khác.
Định nghĩa 1.4. Thông tin tương hỗ được định nghĩa là
(1.4)
Quan hệ giữa thông tin Entropy và thông tin tương hỗ. Từ các công thức
(1.1), (1.2) và (1.4) suy ra đẳng thức sau:
16
(1.5)
Vì vậy, thông tin tương hỗ tương ứng với mức giảm độ bất định của với tri
thức về , hoặc tương đương, mức giảm độ bất định của với tri thức về . Giải thích
tương tự về quan hệ giữa entropy vi phân và thông tin tương hỗ cũng dùng cho các
biến ngẫu nhiên liên tục. Đối với những phân tích sâu hơn về các thuộc tính của
entropy và thông tin tương hỗ có thể xem thêm trong tài liệu [1].
1.1.3 Truyền thông từ điểm đến điểm
Trong phần này tôi xem xét mô hình truyền thông được mô tả trong hình 1.1.
Mô hình hệ thống truyền thông này được giới thiệu bởi Claude E. Shannon trong
bài báo [2] đã đặt nền tảng cho lĩnh vực lý thuyết thông tin. Trong mô hình này,
máy phát mong muốn gửi thông điệp W đến máy nhận. Thông điệp này phải được
gửi thông qua các kênh truyền thông, là một đại diện của môi trường vật lý được
chia sẽ bởi máy phát và máy thu.
Hình 1.1: Mô hình truyền thông điểm đến điểm.
Mục đích của Shannon là cung cấp các công cụ toán học cho việc phân tích
hệ thống truyền thông. Đặc biệt, Shannon đã giới thiệu một phương pháp tiếp cận
xác suất để mô hình hóa kênh truyền thông. Kênh này có thể được đại diện như là
một kênh không bộ nhớ rời rạc (DMC: Discrete Memoryless Channel), được định
nghĩa bởi hai tập hữu hạn và và một tập hợp các hàm khối xác suất (PMF) . Tập
hợp các xác suất chuyển tiếp mô tả cách xử lý của kênh, ví dụ, sự phản ứng của
kênh khi nó được cấp bởi một sđầu vào cho trước.

Thuộc tính không bộ nhớ có nghĩa là nếu được truyền trên n kênh, khi đó
đầu ra ở thời điểm thứ được phân bố theo . Mặt khác, đầu ra của kênh ở thời điểm
thứ chỉ phụ thuộc vào đầu vào ở thời điểm thứ , thông qua xác suất chuyển tiếp .
Thuộc tính không bộ nhớ hàm ý rằng, không có thông tin phản hồi,
17
(1.6)
Dung lượng kênh: Một tham số quan trọng của hệ thống truyền thông là tốc
độ truyền thông tin. Nó đặc trưng cho tỷ lệ của thông tin mà máy phát có thể truyền
qua kênh truyền đến máy thu.
Cách chính thức, tỷ lệ truyền thông có thể được định nghĩa như sau:
* Cho thông điệp được chọn đồng dạng từ tập hữu hạn kích thước
* Bộ mã hóa gán giá trị từ mã đối với mỗi thông điệp
* Bộ giải mã gán giá trị ước lượng hoặc một thông điệp lỗi cho mỗi chuỗi
nhận được .
Sau đó tỷ lệ truyền thông được cho bởi công thức:
(1.7)
Và tôi gọi mã tương ứng là mã .
Một câu hỏi cơ bản phát sinh: Tỷ lê tối đa lúc truyền một cách đáng tin là
gì?
Như một phép đo về độ tin cậy, xác suất trung bình của lỗi mã được tính theo công
thức:
(1.8)
Một tỷ lệ được nói rằng có thể đạt được nếu tồn tại một chuỗi mã sao cho,
khi . Sau đó, Dung lượng của kênh không bộ nhớ rời rạc (DMC) được định nghĩa là
cận trên đúng (supremum) của tất cả các tỉ lệ đạt được. Nghĩa là, là định nghĩa
chính xác của câu trả lời cho câu hỏi trên, và cho bất kỳ tỷ lệ nào, việc truyền với
một xác suất trung bình thấp tùy ý của lỗi là có thể.
Trong công trình ban đầu của mình [2], Shannon đã thiết lập định lý cơ bản
sau đây:
Định lý 1.1 (định lý mã hóa kênh [2]). Dung lượng của kênh không bộ nhớ

rời rạc DMC được cho bởi công thức
(1.9)
Do đó, Dung lượng của kênh không bộ nhớ rời rạc (DMC) có thể được suy
ra bằng cách giải quyết vấn đề tối đa hóa trên tất cả các phân phối đầu vào có thể.
Việc tối ưu này có thể. Tối ưu hóa này có thể là khó khăn cho các kênh nhất định,
18
nhưng ngoài ra có thể tìm giới hạn trên và dưới của dung lượng. Nếu các giới hạn
này xảy ra đồng thời, thì dung lượng được tìm thấy.
Ví dụ 1.1: (Kênh Gaussian) Xét các kênh nhiễu trắng Gaussian cộng
(AWGN: Additive White Gaussian Noise) có giá trị thực như sau:
(1.10)
Trong đó, là tín hiệu nhận tại máy thu; là tín hiệu phát tại máy phát; là tín
hiệu nhiễu trắng Gaussian cộng có trung bình bằng và phương sai là ; : thời điểm
truyền thông tin .
Với sự ràng buộc công suất trung bình:
(1.11)
Đối với mỗi từ mã . Đối với kênh AWGN này, dung lượng được được đưa ra
trong định lý sau:
Định lý 1.2. (Dung lượng AWGN [2]) Dung lượng của kênh nhiễu Gaussian
trắng cộng với ràng buộc năng lượng trung bình được cho bởi công thức
(1.12)
1.2 Mô hình OSI
Mô hình kết nối các hệ thống mở (OSI Open Systems Interconnection
Model) là một mô hình khái niệm, đặc trưng và chuẩn hóa các chức năng bên trong
của một hệ thống thông tin bằng cách chia nó thành các tầng trừu tượng. Mô hình
này là một sản phẩm của dự án Open Systems Interconnection tại Tổ chức Tiêu
chuẩn Quốc tế (ISO), được ký hiệu tiêu chuẩn ISO/IEC 7498-1.
Vào cuối thập niên 1970, hai dự án đã bắt đầu một cách độc lập, với cùng
mục tiêu: để xác định một tiêu chuẩn thống nhất cho kiến trúc của hệ thống mạng.
Một được quản lý bởi Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế, trong khi đó một tiêu chuẩn

khác được thực hiện bởi Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế. Hai hội đồng
tiêu chuẩn quốc tế này đã phát triển một tài liệu định nghĩa các mô hình mạng giống
nhau.
Năm 1983, hai tài liệu này đã được sáp nhập để tạo thành một tiêu chuẩn gọi
là Các mô hình tham chiếu cơ bản để kết nối các hệ thống mở. Vì vậy, tiêu chuẩn
19
này thường được gọi là mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở, mô hình tham
chiếu OSI, hoặc thậm chí chỉ là mô hình OSI. Nó được xuất bản vào năm 1984 bởi
cả ISO, gọi là tiêu chuẩn ISO 7498, và CCITT (nay gọi là Lĩnh vực tiêu chuẩn hóa
Viễn thông của Liên hiệp Viễn thông Quốc tế hoặc ITU-T: the Telecommunications
Standardization Sector of the International Telecommunication Union) gọi là tiêu
chuẩn X.200.
OSI có hai phần chính: một mô hình trừu tượng mạng, được gọi là mô hình
tham chiếu cơ bản hoặc mô hình 7 tầng, và một tập các giao thức cụ thể.
Khái niệm về mô hình 7 tầng được cung cấp bởi công trình nghiên cứu của
Charles Bachman, các dịch vụ thông tin Honeywell. Các hướng khác nhau của thiết
kế OSI phát triển từ kinh nghiệm với ARPANET, Internet còn non trẻ, NPLNET,
EIN, mạng CYCLADES và các công IFIP WG6.1. Thiết kế mới được đưa vào ISO
7498 và phụ lục của nó. Trong mô hình này, một hệ thống mạng được chia thành
các tầng. Mỗi tầng, một hoặc nhiều đối tượng (entity) thực hiện chức năng của nó.
Mỗi đối tượng tương tác (interact) trực tiếp chỉ với tầng ngay bên dưới (beneath)
nó, cung cấp các chức năng cho các tầng trên nó sử dụng.
Các giao thức cho phép một đối tượng trong một máy chủ này tương tác với
một đối tượng tương ứng (corresponding) ở cùng tầng trong máy chủ khác. Các
định nghĩa dịch vụ mô tả một cách trừu tượng chức năng được cung cấp cho tầng
thứ N bởi tầng thứ N - 1, ở đây N là một trong 7 tầng của giao thức hoạt động tại
máy chủ cục bộ.
20
Hình 1.2: Mô hình OSI bảy tầng.
Trong hình 1.2 mô tả mô hình OSI bảy tầng gồm: tầng vật lý; tầng liên kết

dữ liệu; tầng mạng; tầng giao vận, tầng phiên; tầng trình diễn; tầng ứng dụng.
1.2.1 Tầng vật lý (Physical)
Tầng vật lý có những chức năng chính sau:
- Định nghĩa tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết bị. Trong đó bao
gồm bố trí của các chân cắm (pin), các hiệu điện thế, và các đặc tả về cáp nối. Các
21
thiết bị tầng vật lý bao gồm Hub, bộ lặp (repeater), thiết bị tiếp hợp mạng (network
adapter) và thiết bị tiếp hợp kênh máy chủ (Host Bus Adapter - HBA dùng
trong mạng lưu trữ (Storage Area Network)).
- Thiết lập hoặc ngắt mạch kết nối điện (electrical connection) với một môi
trường truyền dẫn phương tiện truyền thông (transmission medium).
- Tham gia vào quy trình mà trong đó các tài nguyên truyền thông được chia
sẻ hiệu quả giữa nhiều người dùng. Chẳng hạn giải quyết tranh chấp tài nguyên
(contention) và điều khiển lưu lượng.
- Điều chế (modulation), hoặc biến đổi giữa biểu diễn dữ liệu số của các thiết
bị người dùng và các tín hiệu tương ứng được truyền qua kênh truyền thông.
Tầng vật lý của mạng SCSI song song hoạt động trong tầng này, cũng như
các mạng Ethernet và mạng cục bộ khác, như Token Ring, FDDI, ITU-TG.hn, và
IEEE 802.11 (Wi-Fi), cũng giống các mạng cá nhân khu vực như Bluetooth và
IEEE 82.15.4.
1.2.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
Tầng này cung cấp các phương tiện có tính chức năng và quy trình để truyền
dữ liệu giữa các thực thể mạng, phát hiện và có thể sửa chữa các lỗi trong tầng vật
lý nếu có. Cách đánh địa chỉ mang tính vật lý, nghĩa là địa chỉ (địa chỉ MAC) được
mã hóa cứng vào trong các thẻ mạng (network card) khi chúng được sản xuất. Hệ
thống xác định địa chỉ này không có đẳng cấp (flat scheme). Chú ý: Ví dụ điển hình
nhất là Ethernet. Những ví dụ khác về các giao thức liên kết dữ liệu (data link
protocol) là các giao thức HDLC; ADCCP dành cho các mạng điểm tới điểm
(Point-to-Point networks) hoặc mạng chuyển mạch gói (packet-switched networks)
và giao thức Aloha cho các mạng cục bộ. Trong các mạng cục bộ theo tiêu chuẩn

IEEE 802, và một số mạng theo tiêu chuẩn khác, chẳng hạn FDDI, tầng liên kết dữ
liệu có thể được chia ra thành hai tầng con: tầng MAC (Media Access Control -
Điều khiển Truy nhập Đường truyền) và tầng LLC (Logical Link Control - Điều
khiển Liên kết Lôgic) theo tiêu chuẩn IEEE 802.2.
22
Tầng liên kết dữ liệu chính là nơi và các thiết bị chuyển mạch (switches)
hoạt động. Kết nối chỉ được cung cấp giữa các nút mạng được nối với nhau trong
nội bộ mạng.
1.2.3 Tầng mạng (Network Layer)
Tầng mạng cung cấp các chức năng và qui trình cho việc truyền các chuỗi dữ
liệu có độ dài đa dạng, từ một nguồn tới một đích, thông qua một hoặc nhiều mạng,
trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ mà tầng giao vận yêu cầu. Tầng mạng thực
hiện chức năng định tuyến, các thiết bị định tuyến (router) hoạt động tại tầng này -
gửi dữ liệu ra khắp mạng mở rộng, làm cho liên mạng trở nên khả thi (còn có thiết
bị chuyển mạch (switch) tầng mạng, còn gọi là chuyển mạch IP). Đây là một hệ
thống định vị địa chỉ lôgic (logical addressing scheme) - các giá trị được chọn bởi
kỹ sư mạng. Hệ thống này có cấu trúc phả hệ. Ví dụ điển hình của giao thức tầng
này là giao thức IP.
1.2.4 Tầng giao vận (Transport Layer)
Tầng giao vận cung cấp dịch vụ chuyên dụng chuyển dữ liệu giữa các người
dùng tại đầu cuối, nhờ đó các tầng trên không phải quan tâm đến việc cung cấp dịch
vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy và hiệu quả. Tầng giao vận kiểm soát độ tin cậy của
một kết nối được cho trước. Một số giao thức có định hướng trạng thái và kết nối
(state and connection orientated). Có nghĩa là tầng giao vận có thể theo dõi các gói
tin và truyền lại các gói bị thất bại. Một ví dụ điển hình của giao thức tầng 4 là TCP.
Tầng này là nơi các thông điệp được chuyển sang thành các gói tin TCP hoặc UDP.
Ở tầng này địa chỉ được đánh là các cổng địa chỉ (address ports), thông qua các
cổng địa chỉ để phân biệt được ứng dụng trao đổi.
23
1.2.5 Tầng phiên (Session layer)

Tầng này có chức năng kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các máy tính.
Tầng này thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa trình ứng dụng địa phương
và trình ứng dụng ở xa. Tầng này còn hỗ trợ hoạt động song công (duplex) hoặc bán
song công (half-duplex) hoặc đơn công (Single) và thiết lập các qui trình đánh dấu
điểm hoàn thành (checkpointing) - giúp việc phục hồi truyền thông nhanh hơn khi
có lỗi xảy ra, vì điểm đã hoàn thành đã được đánh dấu - trì hoãn (adjournment), kết
thúc (termination) và khởi động lại (restart). Mô hình OSI uỷ nhiệm cho tầng này
trách nhiệm "ngắt mạch nhẹ nhàng" (graceful close) các phiên giao dịch (một tính
chất của giao thức kiểm soát giao vận TCP) và trách nhiệm kiểm tra và phục hồi
phiên, đây là phần thường không được dùng đến trong bộ giao thức TCP/IP.
1.2.6 Tầng trình diễn (Presentation layer)
Tầng trình diễn hoạt động như tầng dữ liệu trên mạng. Tầng này trên máy
tính truyền dữ liệu làm nhiệm vụ dịch dữ liệu được gửi từ tầng Application sang
định dạng chung. Và tại máy tính nhận, tầng này lại chuyển từ định dạng chung
sang định dạng của tầng Application. Lớp thể hiện thực hiện các chức năng sau:
- Dịch các mã kí tự từ ASCII sang EBCDIC.
- Chuyển đổi dữ liệu, ví dụ từ số interger sang số dấu phảy động.
- Nén dữ liệu để giảm lượng dữ liệu truyền trên mạng.
- Mã hoá và giải mã dữ liệu để đảm bảo sự bảo mật trên mạng.
1.2.7 Tầng ứng dụng (Application layer)
Tầng ứng dụng là tầng gần với người sử dụng nhất. Nó cung cấp phương tiện
cho người dùng truy nhập các thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua chương
trình ứng dụng. Tầng này là giao diện chính để người dùng tương tác với chương
trình ứng dụng, và qua đó với mạng. Một số ví dụ về các ứng dụng trong tầng này
24
bao gồm Telnet, Giao thức truyền tập tin FTP và Giao thức truyền thư điện
tử SMTP, HTTP, X. 400 Mail remote.
1.3 Kênh truyền, đặc tính kênh truyền vô tuyến
1.3.1 Khái niệm kênh truyền
Chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin nào cũng phụ thuộc vào môi trường

truyền.
Kênh truyền là môi trường truyền giữa đầu phát và đầu thu. Môi trường này
có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến, hữu tuyến sử dụng cáp như cáp quang, cáp đồng
trục, các loại dây dẫn hoặc là vô tuyến sử dụng sóng điện từ.
Kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp, kênh truyền
có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trong truyền tín hiệu.
1.3.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến
Có nhiều loại kênh truyền, có thể hữu tuyến hoặc vô tuyến như đã nói trên.
Đối với kênh truyền vô tuyến, sự thay đổi trạng thái của kênh truyền có thể diễn ra
trong thời gian rất ngắn. Điều này khiến cho việc truyền tín hiệu trong môi trường
như vậy trở nên khó khăn. Có nhiều môi trường truyền sóng như vùng đô thị, ngoại
ô, trong nhà với những đặc trưng khác nhau. Sự lan truyền giữa máy thu và máy
phát như vậy chịu ảnh hưởng bởi các vật che chắn như các tòa nhà, núi. Đường
truyền thẳng có thể không tồn tại giữa máy phát và máy thu, và tốc độ di chuyển
của máy thu cũng ảnh hưởng đến sự suy hao của tín hiệu ở máy thu.
Trong một kênh truyền lý tưởng tín hiệu thu được chỉ bao gồm tín hiệu đến
trực tiếp và sẽ là bản thu hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên, trong một kênh
thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là tổng
hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ,nhiễu xạ và của
các tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có
thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu
25
ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh
truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đề
quan trọng.
Trong thông tin vô tuyến, các đặc tính kênh vô tuyến có tầm quan trọng rất
lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng.
Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: fading phạm vi rộng và fading
phạm vi hẹp. Các mô hình truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại
các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với khoảng cách lớn, các mô hình

truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Fading phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng
nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn
hay trên cự ly di chuyển ngắn. Fading trong trường hợp này gây ra do truyền sóng
đa đường.
Sóng lan truyền trong môi trường có thể truyền theo hướng trực tiếp, nhưng
cũng có thể bị phản xạ khi gặp các vật cản lớn như các tòa nhà, nhiễu xạ khi gặp các
vật có góc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp phải cây cối. Dọc môi trường truyền sóng
có thể gặp các vấn đề như vậy, sóng lan truyền được mô tả bằng các hiện tượng như
suy hao (path loss), bóng mờ (shadowing) và đa đường (mutipath). Các hiện tượng
này tuân theo những nguyên tắc vật lý khác nhau mà khi mô hình hóa cần phải quan
tâm.
Các kênh vô tuyến là các kênh truyền mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay
đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các
vị trí khác nhau. Trong không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau tại các vị
trí khác nhau.
1.3.3 Giới thiệu kênh truyền fading Rayleigh, Rician
1.3.3.1 Kênh truyền fading Rayleigh
Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ do bầu khí quyển
hoặc vật chắn, ta có thể dùng mô hình Rayleigh. Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có
trung bình bằng không và phương sai (variance) là thì có phân bố Rayleigh và có