Nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng kỹ thuật phân tập

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ
luật của Khoa.
Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Tá Thạch

Trang 1


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang 2


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
MRC

Maximal Ratio Combining

SC

Selection Combining

EGC

Equal Gain Combining

CDF

Cumulative Distribution Function

PDF

Probability Density Function

SNR

Signal-to-Noise Ratio

OP

Outage Probability

Pr

Probability

Trang 3


DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc phân lớp của các giao thức truyền thông
Hình 1.2: Mô hình nghe trộm trong mạng vô tuyến
Hình 2.1: SISO - Single Input Single Output
Hình 2.2: SIMO - Single Input Multiple Output
Hình 2.3: MISO - Multiple Input Single Output
Hình 2.4: MIMO - Multiple Input Multiple Output
Hình 2.5: Mô hình phân tập không gian thu
Hình 2.6: Kết hợp tuyến tính
Hình 2.7: Phân tập thu SC
Hình 2.8 Phân tập MRC
Hình 2.9: Phân tập thu EGC
Hình 3.1: Mô hình hệ thống cơ bản
Hình 3.2: Xác suất bảo mật khác không vẽ theo chiều tăng
Hình 3.3: Xác xuất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng

γM

γM

, R= 0.1

Hình 3.4 Mô hình hệ thống
Hình 3.5: Xác suất bảo mật khác không SC vẽ theo chiều tăng
Hình 3.6: Xác suất dừng bảo mật SC vẽ theo chiều tăng

γM γE
,

γM

=5dB, R=0.1

Hình 3.7: Xác suất bảo mật khác không MRC vẽ theo chiều tăng
Hình 3.8: Xác suất dừng bảo mật MRC vẽ theo chiều tăng

γM γE
,

γM

=5dB, R=0.1

Hình 4.1: Mô hình hệ thống
Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán xác suất bảo mật khác không SC, MRC
Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán xác suất dừng bảo mật SC, MRC

Trang 4


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.4: Xác suất bảo mật khác không MRC vẽ theo chiều tăng
Hình 4.5: Xác suất dừng bảo mật MRC vẽ theo chiều tăng

γM γE
,

Hình 4.6: Xác suất bảo mật khác không SC vẽ theo chiều tăng
Hình 4.7: Xác suất dừng bảo mật SC vẽ theo chiều tăng

γM γE
,

γM

=5dB, R=0.1

γM

=5dB, R=0.1

Hình 4.8: So sánh xác suất bảo mật khác không vẽ theo chiều tăng
Hình 4.9: So sánh xác suất dừng bảo mật vẽ theo chiều tăng

γM

γM

Trang 5


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang 6


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, lĩnh vực truyền thông vô tuyến đang

được mở rộng, ngày càng cho thấy những hiệu quả và ưu điểm mà nó mang lại. Tuy
nhiên với tính chất mở của kênh truyền, hệ thống vô tuyến dễ gặp phải nhiều vấn đề
về bảo mật thông tin, đặc biệt là nghe trộm. Các phương pháp bảo mật hiện nay với
việc chú trọng vào sự phức tạp của kỹ thuật như mật mã, mã hóa… vẫn đang cho
thấy hiệu quả trong việc đảm bảo an toàn thông tin. Tuy nhiên về lâu về dài, với sự
bùng nổ và phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính, cần có những phương
pháp bảo mật tốt hơn. Với yêu cầu đặt ra đó, một hướng đi mới được đưa vào
nghiên cứu gọi là bảo mật thông tin lớp vật lý, với ý tưởng cơ bản là tận dụng chính
các đặc tính sẵn có của kênh truyền để tăng cường bảo mật thông tin mà không cần
sử dụng thêm tài nguyên vô tuyến nào. Hiện tại có nhiều hướng nghiên cứu về bảo
mật lớp vật lý như: bảo mật nút chuyển tiếp vật lý, bảo mật kết hợp kỹ thuật phân
tập… đã cho thấy những kết quả khả quan và đáng hứa hẹn. Từ đó em chọn đề tài
nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: ‘‘Nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý bằng
kỹ thuật phân tập’’.
Đồ án này gồm 4 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về bảo mật thông tin
Trình bày tổng quan về bảo mật thông tin nói chung và bảo mật thông tin lớp

vật lý nói riêng.
-

Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến
Trình bày về các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến nói chung và kỹ

thuật phân tập thu nói riêng. Đi vào phân tích các tham số của các loại phân tập thu
(MRC, SC) như tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hàm mật độ xác suất và hàm phân bố xác
suất. Tạo tiền đề để đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật ở chương sau.
-

Chương 3: Kỹ thuật kết hợp phân tập nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý
Chương này đi sâu vào phân tích và tính toán các tiêu chí để đánh giá hiệu

năng bảo mật. Kết hợp kỹ thuật phân tập ở đầu thu hợp pháp để nâng cao hiệu năng
bảo mật của hệ thống.
Trang 7


LỜI MỞ ĐẦU

-

Chương 4: Mô phỏng các thông số đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống
Mô phỏng và đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật của hệ thống kết hợp

kỹ thuật phân tập ở đầu thu. So sánh hiệu năng bảo mật của hệ thống dùng kỹ thuật
phân tập SC và MRC.
Với việc mô phỏng mô hình sử dụng kỹ thuật kết hợp phân tập tại đầu thu
bằng phần mềm Matlab, đồ án đã chứng minh rằng hiệu năng bảo mật của kênh
truyền được nâng cao hơn so với mô hình không có phân tập.
Vì thời gian và kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót của
đồ án, em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN
1.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về bảo mật thông tin nói chung và
bảo mật thông tin lớp vật lý nói riêng.
1.2 Tổng quan
Hiện nay, do nhu cầu sử dụng truyền tải thông tin được phát triển mạnh mẽ,
nhất là truyền thông tin qua hệ thống vô tuyến đang được áp dụng một cách rộng rãi
và rất đa dạng. Do đó, vấn đề bảo mật được các nhà nghiên cứu quan tâm hàng đầu
và đang là tâm điểm nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới nói chung
và trong nước nói riêng.
1.2.1 Tổng quan về bảo mật thông tin
Thông tin được truyền đi rất đa dạng như: văn thư, truyền miệng, thư điện
tử… Một thông tin được gọi là bảo mật phải dựa vào giá trị thực của nó, có nghĩa là
một khi thông tin được truyền đi và đã được sử dụng thì thông tin đó không còn giá
trị nữa, cho dù sau đó có ai đó lấy cắp được thông tin đó thì nó cũng được xem như
là “thông tin được bảo mật”.
Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, người sử dụng đặt ra các yêu cầu rất
cao cho thông tin của mình. Do tính chất mở của thông tin vô tuyến, các nhà nghiên
cứu đã đưa ra nhiều phương pháp để bảo mật chúng như mã hóa, tường lửa, bảo mật
lớp vật lý… Bảo mật thông tin lớp vật lý đang được các nhà nghiên cứu quan tâm
và hứa hẹn sẽ mở ra một phương pháp mới cho tương lai của hệ thống thông tin vô
tuyến.
1.2.2 Các vấn đề bảo mật hệ thống thông tin vô tuyến
Hiện nay, nhu cầu bảo mật thông tin người sử dụng yêu cầu ngày càng cao nên
việc bảo mật thông tin trong truyền thông vô tuyến không dây đang được các nhà
nghiên cứu quốc tế và trong nước quan tâm. Do tính chất của kênh thông tin quảng
bá vô tuyến, vì vậy rất khó để ngăn chặn một người nghe trộm cản phá các thông tin
liên lạc trong hệ thống vô tuyến không dây.

Trang 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

Cùng với những vấn đề thường gặp trong bảo mật, hệ thống vô tuyến còn phải
đối mặt với những vấn đề do bản chất mở của nó đem lại. Thứ nhất, kênh vô tuyến
dễ bị gây nhiễu. Một người tấn công có thể dễ dàng gây nhiễu cho kênh truyền
thông vô tuyến và dẫn đến người dùng hợp pháp không thể truy cập vào mạng. Loại
tấn công này rất khó ngăn chặn vì nó nhắm tới phá vỡ lưu lượng thông tin hơn là ăn
cắp thông tin. Thứ hai, một người tấn công có thể truy xuất tài nguyên mạng và
vượt qua được hạ tầng bảo mật của mạng ví dụ tường lửa. Cuối cùng, bởi vì đặc
tính mở của kênh truyền vô tuyến, người nghe trộm có thể dễ dàng thu được tín hiệu
mà không cần đến các thiết bị phức tạp và đắt tiền. Về nguyên lý thì chính những
người dùng hợp pháp trong mạng cũng có thể là người nghe trộm.
Giải pháp cho những vấn đề trên được đưa ra dựa trên tiếp cận dạng lớp. Về
mặt lịch sử cách tiếp cận này được sử dụng nhằm mục đích đơn giản thiết kế của
giao thức truyền thông, tuy nhiên lại ít được quan tâm về bảo mật. Hình 1.1 mô tả
những lớp khác nhau trong một giao thức vô tuyến đặc trưng và mục đích của từng
lớp. Ví dụ mã hóa kênh được thực hiện tại lớp vật lí để đảm bảo tất cả các lớp trên
nó hoạt động trong trạng thái không lỗi.

Trang 10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

Hình 1.1: Kiến trúc phân lớp của các giao thức truyền thông
Xem xét một số giải pháp bảo mật được sử dụng trong một số lớp nhất định, ta
thấy kỹ thuật trãi phổ được sử dụng tại lớp vật lý để chống lại nhiễu, các cơ chế
nhận thực được thực hiện tại lớp liên kết dữ liệu để chống lại việc truy nhập vào các

mạng mà không qua nhận thực và mật mã hóa được sử dụng tại lớp ứng dụng chống
lại việc nghe trộm. Tuy nhiên việc nghe trộm cũng là vấn đề liên quan tới lớp vật lý,
hiện tại việc chống nghe trộm được thực hiện nhờ lớp ứng dụng. Một câu hỏi đặt ra
là liệu có cách nào chống lại việc nghe trộm tại lớp vật lý hay không? Giải quyết
câu hỏi trên chính là nhiệm vụ bảo mật ở lớp vật lý.
1.2.3 Một số hạn chế trong bảo mật thông tin hiện nay
Bảo mật thông tin hiện nay không chỉ còn là bài toán giải quyết phương pháp
mã hóa và giải mã, mà phải quan tâm đến độ xác thực như chữ ký số, nhận thực, độ
toàn vẹn thông tin. Phương pháp sử dụng phổ biến hiện nay là nâng cao thuật toán
mật mã và cài các chuỗi bit bí mật mà chỉ có người gửi và người nhận mới giải mã
được. Mục đích là để người nghe trộm khó khăn cho việc giải mã thông tin, phép đo
Trang 11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

này phụ thuộc vào độ phức tạp của giải thuật tính toán, thời gian giải mã lớn và bộ
nhớ cần phải lớn để làm tăng khả năng bảo mật thông tin. Nhưng thông tin càng mã
hóa phức tạp thì dung lượng truyền càng lớn, kéo theo tốc độ truyền tăng. Để khắc
phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp để kết hợp bảo mật
thông tin trên thiết kết phần cứng. Hướng nghiên cứu này được các nhà khoa học
gọi là “bảo mật thông tin lớp vật lý”.
1.3 Bảo mật thông tin ở lớp vật lý
Những năm gần đây nhiều nghiên cứu cho thấy lớp vật lý có khả năng tăng
cường độ bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến. Hướng nghiên cứu này được gọi
là bảo mật thông tin ở lớp vật lý. Ý tưởng đằng sau bảo mật thông tin ở lớp vật lý là
tận dụng các đặc tính của kênh truyền vô tuyến như Fading và nhiễu, để cung cấp
bảo mật cho kênh vô tuyến.
Những đặc tính trên theo quan điểm truyền thống được xem là nhân tố là giảm
chất lượng hệ thống, thì theo quan điểm bảo mật lớp vật lý chúng làm tăng độ tin

cậy và độ bảo mật của hệ thống. Trong phần này sẽ trình bày các khái niệm cơ bản
trong bảo mật lớp vật lý, phần này cũng đưa ra một số mô hình thường gặp trong
bảo mật lớp vật lý như kênh nghe trộm, kênh chính.
Trước hết ta xét mô hình có 3 nút như sau:

Trang 12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

Hình 1.2: Mô hình nghe trộm trong mạng vô tuyến
Trong hình 1.2 mô tả quá trình truyền thông giữa T1 và T2, bị nghe lén bởi
T3. Kênh truyền thông giữa hai người dùng hợp pháp T1 và T2 được gọi là kênh
chính (main channel), kênh giữa T1 và T3 được gọi là kênh nghe trộm
(eavesdroppers’ channel).
Tín hiệu vô tuyến thu được tại ngõ ra của kênh chính và kênh nghe trộm
thường khác nhau, do đặc tính của kênh truyền gây ra, trong đó ảnh hưởng nhiều
nhất là fading và path-loss. Như vậy nếu khoảng cách truyền của kênh chính nhỏ
hơn nhiều so với kênh nghe trộm thì có thể kì vọng tín hiệu nhận được tại T3 kém
hơn nhiều so với tín hiệu nhận được tại T2, thậm chí trong trường hợp bị suy hao
quá lớn đến nỗi T3 không thể giải mã được. Ví dụ khi T1 đang quảng bá một đoạn
video thì lúc này tín hiệu nhận được tại T3 giảm rõ rệt so với tại T2. Như vậy ý
tưởng tận dụng đặc tính kênh truyền vô tuyến vào bảo mật đã cho thấy những tín
hiệu khả quan nhất định.
Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy lớp vật lý có khả năng bảo mật thông tin
trong hệ thống vô tuyến. Các nhà nghiên cứu đã khai thác được các đặc tính của
kênh truyền vô tuyến như fading và nhiễu có thể tận dụng cho khả năng bảo mật
thông tin vô tuyến. Hiện nay có rất nhiều phương pháp an toàn thông tin vô tuyến
lớp vật lý được các nhà nghiên cứu quan tâm như: Bảo mật thông tin các nút chuyển
tiếp, bảo mật thông tin kết hợp kỹ thuật phân tập, v.v.

Trong khuôn khổ đồ án này sẽ trình bày phương pháp bảo mật thông tin lớp
vật lý dùng kỹ thuật phân tập.
1.4 Kết luận chương
Trong chương này trình bày khái quát về bảo mật thông tin vô tuyến nói chung
và bảo mật thông tin lớp vật lý nói riêng. Đưa ra mô hình nghe trộm trong mạng vô
tuyến và chỉ ra ý tưởng rằng tận dụng đặc tính của kênh truyền vô tuyến vào bảo
mật sẽ cho những tín hiệu khả quan nhất định.

Trang 13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

Trang 14


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

CHƯƠNG 2:
CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật phân tập vô tuyến nói
chung và kỹ thuật phân tập thu nói riêng. Đồng thời sẽ đi sâu vào phân tích các kỹ
thuật kết hợp phân tập không gian thu cơ bản như MRC, SC và EGC.
2.2 Tổng quan về phân tập trong thông tin vô tuyến
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, để hạn chế ảnh hưởng của fading (gây ra
bởi hiện tượng đa đường) và nâng cao chất lượng kênh truyền, một trong những
phương pháp được sử dụng rộng rãi chính là phân tập. Phân tập nói cách đơn giản là
truyền cùng một tín hiệu trên các đường truyền có tham số độc lập với nhau và chịu
ảnh hưởng bởi fading khác nhau. Bởi vậy tại đầu thu sẽ thu được các tín hiệu khác

nhau. Nếu kết hợp các tín hiệu thu này một cách thích hợp có thể thu được tín hiệu
tổng hợp tốt nhất, ít chịu ảnh hưởng của fading nhất.
Các phương pháp phân tập sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến được
phân loại như sau: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian.
2.2.1 Phân tập thời gian
Là phương pháp thực hiện truyền một tín hiệu tại những thời điểm cách nhau
đủ xa, đồng nghĩa với việc truyền cùng một thông tin trên các đường truyền độc lập
nhau. Nhược điểm của phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất băng thông do
có sự dư thừa trong miền thời gian.
2.2.2 Phân tập tần số
Là phương pháp sử dụng một tập hợp các tần số với khoảng cách đủ lớn để
truyền cùng một tín hiệu. Cũng giống như phân tập thời gian, điều này tạo ra nhiều
đường truyền độc lập cho một tín hiệu được truyền đi.
Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn phổ tần số, đồng thời trên mỗi nhánh
cần sử dụng một máy thu phát tần riêng.

Trang 15


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2.2.3 Phân tập không gian
Kỹ thuật phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, sử dụng nhiều
anten phát hoặc thu hoặc cả hai để đạt được sự phân tập. Trong phân tập không
gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa
trong miền không gian. Nếu các anten có khoảng cách đủ lớn, thường là lớn hơn
một nữa bước sóng, tín hiệu tương ứng với mỗi anten sẽ không tương quan với
nhau.
Phân tập không gian đảm bảo việc sử dụng hiệu quả băng thông tín hiệu nhờ sử
dụng nhiều anten thu phát. Tuy nhiên có một hạn chế lớn là không thể sử dụng

nhiều anten thu ở các thiết bị cầm tay do giới hạn về kích thước cũng như công suất.
2.2.3.1 Hệ thống SISO
Đây là một kênh truyền vô tuyến đúng chuẩn. Máy phát và máy thu truyền và
nhận tín hiệu chỉ sử dụng một anten. Hệ thống này không có phân tập và không yêu
cầu phải xử lý thêm tín hiệu.

Hình 2.1: SISO - Single Input Single Output
Ưu điểm lớn nhất của cấu hình này tính đơn giản. Tuy nhiên hiệu suất của hệ
thống có nhiều hạn chế. Nhiễu và fading ảnh hưởng lớn đến hệ thống nhiều hơn là
các mô hình MIMO khác có sử dụng kỹ thuật phân tập.
2.2.3.2 Hệ thống SIMO
Hệ thống SIMO sử dụng một anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu.
Phương pháp này còn được gọi là phân tập thu. Máy thu sẽ nhận nhiều tín hiệu từ
các nguồn độc lập khác nhau để loại bỏ được ảnh hưởng của fading.

Hình 2.2: SIMO - Single Input Multiple Output
Trang 16


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hệ thống SIMO có ưu điểm là nó có thể được thực hiện tương đối dễ dàng,
thích hợp với nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, một nhược điểm khá lớn là nó đòi hỏi
phải có bộ xử lý phức tạp tại máy thu. Các thiết bị thu như điện thoại di động phải
có kích thước lớn, giá cả cao và đòi hỏi nguồn pin cung cấp phải đủ lớn.
2.2.3.3 Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống
MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ
đó cải thiện chất lượng tín hiệu.

Hình 2.3: MISO - Multiple Input Single Output
Hệ thống MISO đã khắc phục được nhược điểm của hệ thống SIMO (phân tập
thu) bởi vì toàn bộ hệ thống anten và bộ xử lý phức tạp ở máy thu đã được chuyển
sang trạm phát. Ưu điểm này rất quan trọng vì nó làm giảm đáng kể kích thước, giá
thành và năng lượng tiêu thụ của thiết bị di động, làm cho tuổi thọ của nguồn pin
tăng lên và hơn nữa lại phù hợp với thị hiếu của người sử dụng.
2.2.3.4 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ
thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu
nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống tốt nhất.

Hình 2.4: MIMO - Multiple Input Multiple Output

Trang 17


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Để đạt được những lợi ích từ hệ thống MIMO thì việc cần thiết là phải sử
dụng phương pháp mã hóa kênh truyền để tách rời và độc lập hóa tín hiệu từ các
đường truyền khác nhau. Phương pháp mã hóa phải có tốc độ xử lý cao đồng thời
cũng phải đảm bảo được dung lượng cực lớn cho kênh truyền.
Tóm lại, có nhiều dạng cấu hình cho một hệ thống MIMO, từ SISO đến
SIMO, MISO và tổng quát nhất là MIMO. Tất cả các dạng cấu hình trên đều cho
những cải thiện đáng kể về hiệu quả sử dụng kênh. Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm
đến chi phí của các bộ xử lý và số lượng anten được sử dụng. Vì vậy khi lựa chọn
một cấu hình để ứng dụng cho hệ thống thông tin di động thì sự cân bằng giữa các
yếu tố này là điều rất cần thiết.
Tiếp theo trong chương này sẽ tập trung phân tích phân tập không gian thu, cụ
thể là các kỹ thuật kết hợp phân tập MRC (Maximal Ratio Combining), SC

(Selection Com-bining) và EGC (Equal- Gain Combining).
2.3 Các kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu cơ bản
2.3.1 Mô hình tín hiệu
Xét mô hình tín hiệu như hình 2.5 . Tín hiệu được truyền từ đầu phát Tx tới
đầu thu Rx. Tại đầu thu Rx có M anten để thực hiện phân tập.

Hình 2.5: Mô hình phân tập không gian thu
Trong mô hình phân tập không gian thu trên, tín hiệu đi nhiều đường có tham
số kênh truyền độc lập nhau đến các anten thu khác nhau được kết hợp lại để thu
được tín hiệu kết quả, sau đó được đưa qua bộ điều chế chuẩn. Việc kết hợp tín hiệu
có thể được thực hiện bằng nhiều cách với độ phức tạp và hiệu quả khác nhau. Hầu
Trang 18


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

hết các kỹ thuật kết hợp đều là tuyến tính, tức là ngõ ra của bộ kết hợp là tổng trọng
số của các nhánh như hình 2.6

Hình 2.6: Kết hợp tuyến tính
Việc kết hợp tín hiệu từ nhiều nhánh phân tập khác nhau yêu cầu sự đồng pha
trong khi pha của tín hiệu trên các nhánh là độc lập nhau. Quá trình đồng pha tín

hiệu

θi

của nhánh thứ i được thực hiện bằng việc thực hiện nhân các trọng số

α i = ai e − jθi

vào các nhánh.

Phần tiếp theo sẽ mô tả các kỹ thuật kết hợp tín hiệu MRC, SC, EGC và phân
tích cụ thể hiệu năng của từng kỹ thuật.

Trang 19


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2.3.2 Kỹ thuật phân tập SC
Trong kỹ thuật SC, bộ tổng hợp tín hiệu thực hiện đo lường và tính toán tỷ số
tín hiệu trên nhiễu của từng nhánh, sau đó sẽ lựa chọn nhánh có tỷ số tín hiệu trên
nhiễu tốt nhất.

Hình 2.7: Phân tập thu SC
Xét hệ thống M anten ở đầu thu như sau:

γ1 γ 2 γ 3

Gọi , , ....
với i= {1, 2, 3…, M}.

γM

lần lượt là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời của kênh thứ i

Nguyên tắc thu SC như sau:

γ = max(γ 1,γ 2 , γ 3 ...γ M )

Xét

γi

có phân bố Rayleigh, ta có:
γ

1 −
fγ i [γ ]= e γ i
γi

(2.1)

Trang 20


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Fγ i [γ ]=1-e

−

γ
γi

(2.2)

Theo công thức [2, 7.4tr194] với M là số anten ở máy thu ta có hàm CDF của

kỹ thuật phân tập SC như sau:
M

Fγ SC [γ ]=P(γ ∑ <γ )=P(max[γ 1,γ 2 , γ 3 ...γ M ]<γ )=∏ P(γ i < γ )
i =1

Xét

γ 1 = γ 2 = γ 3 = ...γ M = γ

ta có:

Hàm CDF
γ
−

Fγ SC [γ ]= 1 − e γ



M


÷
÷


(2.3)

Hàm PDF

γ
−

fγ SC [γ ]=M  1 − e γ



M −1


÷
÷


γ

1 −γ
e
γ
(2.4)

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỷ số lớn nhất-MRC
Phương pháp này được đề xuất bởi Kahn năm 1954, thực hiện bằng cách nhân
trọng số cân xứng với tỷ số SNR của các nhánh. Sau đó điều chỉnh các nhánh đồng
pha rồi kết hợp lại với nhau để thu được tỷ số SNR lớn nhất.

Trang 21


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hình 2.8 Phân tập MRC
Giả sử một hệ thống đa anten thu nhận được M bản sao tín hiệu qua M đường
độc lập nhau. Tín hiệu thu được tại anten thu thứ i sẽ là :

yi = hi + ni

Với

i = 1,....,M

hi = ai e jθi

. Tại các anten tín hiệu thu được sẽ được nhân với các trọng số ,

tín hiệu kết hợp thu được sẽ là :
M
M

y = ∑ gi e− jθi yi =  ∑ gi ai ÷x +

÷
i =1
 i =1


M

∑ gie− jθ ni
i

i =1

Sau khi kết hợp tín hiệu, SNR thu được sẽ là:
M

SNR =

(∑ gi ai )2
i =1

M

N 0 ∑ gi 2
i =1

Sử dụng bất đẳng thức Chauchy-Swart để maximum phương trình, kết quả ta
được:
gi =

ai
N0

Kết quả, ta sẽ có SNR sau khi kết hợp là:

Trang 22


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

M

γ=

∑ ai 2
i =1

N0

M

= ∑γ i
i =1

Trong đó, là SNR tại mỗi đầu thu của anten. Nói cách khác, SNR tại máy thu
bằng tổng SNR của mỗi kênh truyền độc lập.
Theo định nghĩa ta có hàm PDF, CDF của kỹ thuật phân tập MRC, công thức
[2, 7.18tr199] như sau:

fγ MRC (γ ) =

γ

M −1

e

−

γ

γ

( M − 1)!γ

M

 M −1 γ k  − γγ
Fγ MRC (γ ) = 1 −  ∑ k
÷e
 k =0 γ ( k )! ÷



(2.5)

(2.6)

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp đồng độ lợi EGC
Kỹ thuật MRC yêu cầu phải biết chính xác trọng số trên mỗi nhánh phân tập,
do đó khá phức tạp. Một phương pháp đơn giản hơn nhiều được gọi là EGC, thực
hiện bằng cách đồng pha tín hiệu tại các nhánh, sau đó nhân với trọng số cùng độ
lớn rồi kết hợp với nhau.

Hình 2.9: Phân tập thu EGC

Trang 23


CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Ta có tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống được cho bởi công thức [2, 7.24tr201]:
2

1 M 
γ∑ =
∑ ri 
N 0 M  i =1 ÷

Ta thấy EGC là một trường hợp đặc biệt của kỹ thuật MRC với hiệu năng thấp
hơn MRC. Đó cũng là cái giá phải trả cho việc giảm độ phức tạp khi sử dụng kỹ
thuật đồng độ lợi.
2.4 Kết luận chương
Chương này đã trình bày về kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến nói chung và
phân tập thu nói riêng. Đi sâu vào phân tích các tham số của các loại phân tập thu
(MRC, SC, EGC) như tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hàm mật độ xác suất và hàm phân
bố xác suất. Tạo tiền đề để nghiên cứu và đánh giá các thông số hiệu năng bảo mật
khi sử dụng kỹ thuật phân tập ở chương sau.

Trang 24


CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP NÂNG CAO HIỆU NĂNG
BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP NÂNG CAO HIỆU NĂNG
BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ
3.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ trình bày hệ thống bảo mật thông tin lớp vật lý cơ bản,
các tiêu chí để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống và kết hợp các kỹ thuật
phân tập dùng cho hệ thống có nhiều ăng-ten ở phía thu hợp pháp để nâng cao hiệu

năng bảo mật của hệ thống.
3.2 Phân tích hiệu năng hệ thống cơ bản (BS)
Xét hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm một máy phát (Tx) và một máy thu
(Rx) dưới sự nghe lén của một người nghe trộm (E). Mô hình cơ bản của hệ thống
như sau:

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cơ bản
Hệ thống này, dữ liệu sẽ được truyền từ máy phát (Tx) đến máy thu (Rx), do
tính chất mở của kênh truyền vô tuyến dữ liệu này cũng được nhận bởi một máy thu
trộm (E). Gọi

hM

và

hE

là hệ số kênh truyền của kênh chính và kênh nghe trộm,

chuẩn hóa B=1. Theo công thức [2, 4.1tr 92] ta có dung lượng Shannon chuẩn hóa
của 2 kênh như sau:

CM = log 2 (1 + γ M )
Trang 25