Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM LÊ TIỆP

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM LÊ TIỆP

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở
TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG 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. NGUYỄN TOÀN THẮNG

Thái Nguyên - 2017


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, học viên xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn
TS. Nguyễn Toàn Thắng đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho học viên trong
suốt quá trình thực hiện luận văn.
Học viên xin cảm ơn TS. Trần Hùng đã có nhiều góp ý, chỉ dẫn cho cho
học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trực tiếp giảng dạy trong
suốt quá trình học tập tại trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông
Thái Nguyên.
Học viên xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến
quan trọng giúp học viên hoàn thiện tốt hơn luận văn của mình.
Luận văn được hỗ trợ nghiên cứu và là sản phẩm của đề tài nghiên cứu
khoa học cấp Bộ năm 2017 của bộ Giáo dục và Đạo tạo, mã số đề tài: B2017TNA-50
Học viên
Phạm Lê Tiệp

i


LỜI CAM ĐOAN
Học viên cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học viên dưới sự
hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Toàn Thắng. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, học viên xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.
Học viên
Phạm Lê Tiệp

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
MỤC LỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN . 2
1.1 Mô hình OSI ............................................................................................ 2
1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer)............................................................. 3
1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer) ............................................. 4
1.1.3 Tầng mạng (Network Layer) ............................................................ 5
1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer) ................................................. 6
1.1.5 Tầng phiên (Session layer) ............................................................... 6
1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer) .................................................. 7
1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer). ................................................. 7
1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức ........................... 7
1.2.1 Truyền thông hợp tác ........................................................................ 8
1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức ............................................................... 13
1.2.3 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức................... 17
1.3 Tổng quan về lý thuyết thông tin........................................................... 18
1.3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin ....................................... 18
1.3.2 Truyền thông từ điểm tới điểm ....................................................... 20
1.3.3 Kênh truyền fading Rayleigh, Rician ............................................. 22
CHƯƠNG 2: BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY .. 25
2.1 Tổng quan bảo mật tầng vật lý .............................................................. 25
2.1.1 Bảo mật thông tin dựa trên khóa bảo mật ....................................... 25
2.1.2 Bảo mật thông tin không dựa trên khóa bảo mật............................ 28
2.2 Phương pháp đánh giá bảo mật dựa vào lý thuyết thông tin ................. 29

iii


2.2.1 Dung lượng bảo mật thông tin ........................................................ 29
2.2.2 Xác suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin................ 32
2.2.3 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống .............................................. 33
2.3 Mô hình đánh giá khả năng bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý .... 34
2.3.1 Mô hình hệ thống ............................................................................ 34
2.3.2 Chính sách điều khiển công suất của SU........................................ 35
2.3.3 Phân tích quá trình truyền thông..................................................... 37
2.3.4 Phân tích quá trình thu nhận thông tin của thiết bị nghe trộm ....... 39
2.3.5 Xây dựng thuật toán tìm xác xuất dừng bảo mật, xác khác không của
dung lượng bảo mật ................................................................................. 39
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................... 44
3.1 Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung
lượng bảo mật .............................................................................................. 44
3.2 Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng
bảo mật ........................................................................................................ 48
3.3 Đánh giá kết quả của xác xuất khác không của dung lượng bảo mật ... 51
3.4 Kết luận.................................................................................................. 54
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 57

iv


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mô hình OSI ...................................................................................... 2
Hình 1.2: Tầng vật lý......................................................................................... 4
Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu ......................................................................... 5

Hình 1.4: Tầng vận chuyển ............................................................................... 6
Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác ................................................. 8
Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ......................................... 9
Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF) ............................................. 10
Hình 1.8: Mô hình phân tập kết hợp lựa chọn ................................................ 12
Hình 1.9: Mô hình phân tập kết hợp tỉ số tối đa ............................................. 13
Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave ................................................. 15
Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay .................................................... 16
Hình 1.12: Mô hình một mạng truyền thông hợp tác nhận thức ..................... 17
Hình 1.13: Mô hình truyền thông điểm đến điểm ........................................... 20
Hình 2.1: Phương pháp cắt mức ...................................................................... 27
Hình 2.2: Mô hình mạng với máy phát (Alice) máy thu (Bob) và thiết bị nghe
trộm (Eve)........................................................................................................ 30
Hình 2.3: Mô hình hệ thống vô tuyến với một máy nghe trộm ...................... 30
Hình 2.4: Mô hình đánh giá bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây ....... 34
Hình 3.1: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của
dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập SC.......................................... 45
Hình 3.2: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của
dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập MRC...................................... 45
Hình 3.3: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của
dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 1 .......... 46
Hình 3.4: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của
dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 2 .......... 46
Hình 3.5: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của
dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 3 .......... 47
v


Hình 3.6: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC ................................................................ 48

Hình 3.7: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật MRC ............................................................ 49
Hình 3.8: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 2 ............................... 49
Hình 3.9: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng 50của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 5 ............................... 50
Hình 3.10: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 12 ............................. 50
Hình 3.11: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của
dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật SC ................................................. 51
Hình 3.12: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của
dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC ............................................. 52
Hình 3.13: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của
dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 2 ................. 52
Hình 3.14: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của
dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 5 ................. 53
Hình 3.15: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của
dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 12 ............... 53

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF

Khuếch đại và chuyển tiếp

Amplified and Forward

AWGN Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

CF

Compress and Forward

Nén và chuyển tiếp

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân phối tích lũy

CCRN

Cognitive

Cooperative

Radio Mạng truyền thông hợp tác nhận

Network

thức

CRN

Cognitive Radio Network

Mạng vô tuyến nhận thức

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

CU

Cognitive User

Người dùng vô tuyến nhận thức

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

DMC

Discrete Memoryless Channel

Kênh không bộ nhớ rời rạc

EGC

Equal-Gain Combiners

Bộ tổ hợp cùng độ lợi

MRC

Maximal Ratio Combining

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa

OSI

Open

Systems

Interconnection Mô hình kết nối các hệ thống mở

Model
PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PU

Primary User

Người dùng chính

SC

Selection Combining

Kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SNR

signal-to-noise ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SU

Secondary User

Người dùng vô tuyến nhận thức

vii


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gầy đây, mạng không dây ngày càng phổ biến với
nhiều ưu điểm như tính di động cao, tiện lợi trong việc sử dụng. Nhưng do tính
chất truyền quảng bá của kênh truyền không dây nên nó tạo cơ hội cho kẻ xấu
nghe trộm và can thiệp một cách tự nhiên. Bất cứ ai có một máy thu được điều
chỉnh trong phạm vi mà tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đủ lớn đều có thể nghe
trộm. Do đó, bảo mật là mối quan tâm then chốt trong các mạng không dây.
Để đánh giá khả năng bảo mật của các không dây học viên chọn đề tài:

“Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây’’. Đề tài của
học viên sẽ tiến hành nghiên cứu đánh giá bảo mật ở tầng vật lý trong mạng
không dây dựa vào lý thuyết thông tin được đưa ra bởi Shannon.
Chương 1: Lý thuyết tổng quan.
Ở chương này học viên đưa ra các kiến thức tổng quan cụ thể học viên
lần lượt đi giới thiệu kiến thức về các tầng trong mô hình OSI đặc biệt là tầng
vật lý, lý thuyết thông tin được giới thiệu bởi Claude Elwood Shannon. Mạng
vô tuyến nhận thức có sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác.
Chương 2: Bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây.
Ở chương này học viên đưa ra phương pháp đánh giá bảo mật mạng
không dây ở tầng vật lý dựa vào lý thuyết thông tin, sau đó học viên đưa ra mô
hình và phân tích, xây dựng thuật toán đánh giá bảo mật mạng không dây ở
tầng vật lý.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
Ở chương này học viên thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab với
phương pháp mô phỏng Monte Carlo từ đó học viên đi phân tích,so sánh các
kết quả thu được để đánh giá khả năng bảo mật của mạng không dây.
Cuối cùng là khái quát toàn bộ vấn đề nghiên cứu, kết luận và đưa ra
hướng phát triển tiếp theo của luận văn.

CHƯƠNG 1:
1


LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN
1.1 Mô hình OSI
Mô hình 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.
Mô hình OSI được biểu diễn như hình (1.1) và gồm 7 tầng: Tầng vật lý
(Physical layer), tầng liên kết dữ liệu (Data link layer), tầng mạng (Network
layer), tầng vận chuyển (Transport layer), tầng phiên (Session layer), tầng biểu
diễn (Presentation layer) và tầng ứng dụng (Application layer). Các tầng trong
mô hình OSI có quan hệ chặt chẽ với nhau, mỗi tầng nhằm định nghĩa một phân
đoạn trong quá trình di chuyển thông tin qua mạng.

.
Hình 1.1: Mô hình OSI

2


1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer)
Tầng vật lý là tầng thấp nhất trong mô hình OSI, đảm nhiệm toàn bộ
công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Tầng vật lý xác định các
giao diện về mặt điện học và cơ học giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền
thông cụ thể như sau:
- Đặc tính vật lý của giao diện và môi trường: Tầng vật lý định nghĩa các
đặc tính của giao diện giữa các thiết bị và môi trường truyền. Ngoài ra, tầng
còn định nghĩa dạng của môi trường truyền.
- Biểu diễn các bit: Dữ liệu tầng vật lý bao gồm dòng các bit (chuỗi các
giá trị 0 và 1) mà không cần phải phiên dịch. Để truyền dẫn thì các bit này phải
được mã hóa thành tín hiệu - điện hay quang. Tầng vật lý định nghĩa dạng mã
hóa (phương thức các giá trị 0 và 1 được chuyển đổi thành tín hiệu).
- Tốc độ dữ liệu: Là số bit được truyền đi trong một giây.
- Đồng bộ bit: Máy phát và máy thu cần được đồng bộ hóa theo cấp độ
bit. Nói cách khác, đồng hồ của máy phát và máy thu phải được đồng bộ hóa.
- Cấu hình đường dây: Tầng vật lý còn giải quyết phương thức thiết bị

được nối với môi trường. Trong cấu hình điểm - điểm, hai thiết bị được nối với
nhau qua kết nối được chỉ định. Trong cấu hình điểm nối nhiều điểm, một kết
nối được chia sẻ cho nhiều thiết bị.
- Định nghĩa phương thức kết nối thiết bị để tạo thành mạng. Thiết bị có
thể được nối theo lưới, sao, cây, vòng hay bus.
- Chế độ truyền: Tầng vật lý định nghĩa chiều truyền dẫn giữa hai thiết
bị: đơn công, bán song công hay song công. Trong chế độ đơn công (simplex)
chỉ có thông tin một chiều, trong bán song công (half duplex) hai thiết bị có thể
nhận và gởi nhưng không đồng thời. Trong chế độ song công (full duplex) hai
thiết bị có thể gởi và nhận đồng thời.

3


Hình 1.2: Tầng vật lý
1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer)
Tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ truyền các khung dữ liệu từ máy tính
này sang máy tính khác qua tầng vật lý, đảm bảo tin cậy, gửi các khối dữ liệu
với các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu. Cụ thể
tầng liên kết dữ liệu thực hiện các chức năng sau:
- Tạo khung (framing): Tầng điều khiển kết nối chia dòng bit nhận được
thành các đơn vị dữ liệu quản lý được gọi là khung (frame).
- Định (tạo) địa chỉ vật lý: Nếu frame được phân phối đến nhiều hệ thống
trong mạng, thì tầng liên kết dữ liệu thêm vào frame một header để định nghĩa
địa chỉ vật lý của nơi phát (địa chỉ nguồn) và/hay nơi nhận (địa chỉ đích).
- Điều khiển lưu lượng: Nếu tốc độ nhận dữ liệu của máy thu bé hơn so
với tốc độ của máy phát, thì tầng liên kết dữ liệu tạo cơ chế điều khiển lưu
lượng tránh quá tải của máy thu
- Kiểm tra lỗi: Tầng liên kết dữ liệu thêm khả năng tin cậy cho tầng vật
lý bằng cách thêm cơ chế phát hiện và gởi lại các frame bị hỏng hay thất lạc.

Đồng thời, cũng tạo cơ chế tránh gởi trùng các frame. Kiểm tra lỗi thường được
thực hiện nhờ trailer được thêm vào ở phần cuối của frame.

4


Điều khiển truy cập: Khi hai hay nhiều thiết bị được kết nối trên cùng
một đường truyền, cần có giao thức của tầng kết nối dữ liệu để xác định thiết
bị nào nắm quyền trên kết nối tại một thời điểm.

Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu
1.1.3 Tầng mạng (Network Layer)
Tầng mạng cung cấp các dịch vụ về chọn đường đi và kết nối giữa hai
hệ thống, điều khiển và phân phối dòng dữ liệu truyền trên mạng để tránh tắc
nghẽn. Tầng mạng có trách nhiệm địa chỉ hoá, dịch từ địa chỉ logic sang địa chỉ
vật lý, định tuyến dữ liệu từ nơi gửi tới nơi nhận. Tầng mạng xác định đường
truyền nào tốt trên cơ sở các điều kiện của mạng, quyền ưu tiên dịch vụ. Tầng
mạng cũng quản lý các vấn đề giao thông trên mạng như chuyển mạch, định
tuyến và điều khiển sự tắc nghẽn của dữ liệu:
Định (tạo) địa chỉ logic: Địa chỉ vật lý do tầng kết nối dữ liệu chỉ giải
quyết được vấn đề định địa chỉ cục bộ. Nếu gói dữ liệu đi qua vùng biên của
mạng, thì nhất thiết phải có thêm một hệ thống định địa chỉ khác giúp phân biệt
giữa hệ thống nguồn và hệ thống đích. Tầng mạng thêm header vào gói từ tầng
trên xuống, trong đó chứa địa chỉ logic của nơi gởi và nơi nhận.
Định tuyến (routing): Khi nhiều mạng độc lập được nối với nhau để tạo
ra liên mạng (mạng của mạng) hay một mạng lớn hơn, thì thiết bị kết nối là bộ
định tuyến (router hay gateways) được dùng để chuyển đường đi được đến đích,
tầng mạng được thiết lập cho mục tiêu này.

5

1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer)
Chức năng của tầng vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực
hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao
gồm cả khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Mục đích chính là đảm bảo dữ
liệu được truyền đi không bị mất và bị trùng. Các nhiệm vụ cụ thể của tầng vận
chuyển là :
- Nhận các thông tin từ tầng trên và chia nhỏ thành các đoạn dữ liệu nếu
cần.
- Cung cấp sự vận chuyển tin cậy (End to End) với các thông báo
(Acknowledment).
- Chỉ dẫn cho máy tính không truyền dữ liệu khi buffer là không có sẵn.

Hình 1.4: Tầng vận chuyển
1.1.5 Tầng phiên (Session layer)
Tầng phiên thành lập một kết nối giữa các tiến trình đang chạy trên các
máy tính khác nhau. Các chức năng của tầng phiên bao gồm:
- Cho phép tiến trình ứng dụng đăng kí một địa chỉ duy nhất như là
NetBIOS name. Tầng này lưu các địa chỉ đó để chuyển sang địa chỉ của NIC
từ địa chỉ của tiến trình.
- Thành lập, theo dõi, kết thúc Virtual circuit session giữa hai tiến trình
dựa trên địa chỉ duy nhất của nó.
- Định danh thông báo, thêm các thông tin xác định bắt đầu và kết thúc
thông báo.

6


- Đồng bộ dữ liệu và kiểm tra lỗi.

1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer)
Tầng biểu diễn liên quan đến vấn đề về cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa
(sematic) của tin tức trao đổi giữa hai hệ thống. Các nhiệm vụ của tầng biểu
diễn là:
- Biên dịch (translation): Các quá trình (chương trình đang chạy) của hai
hệ thống thường trao đổi thông tin theo dạng chuỗi các ký tự, số, v.v...Thông
tin này nhất thiết phải được chuyển sang dòng bit trước khi được gởi đi. Do các
máy tính khác nhau thường dùng các phương pháp mã hóa khác nhau, nên tầng
trình bày có nhiệm vụ vận hành chung trong hai hệ thống này. Tầng trình bày
tại máy phát thay đổi dạng thông tin từ dạng của máy phát (sender-depending)
sang dạng thông thường. Tại máy thu, thì tầng trình bày chuyển dạng thông
thường thành dạng của máy thu (receiving depending).
- Mã hóa (encryption) và giải mã hóa (decryption): Để mang các thông
tin nhạy cảm, hệ thống phải có khả năng bảo đảm tính riêng tư. Mã khóa là quá
trình mà máy phát chuyển đổi thông tin gốc thành dạng khác và gởi đi bản tin
đi qua mạng. Giải mã khóa (decryption) là quá trình ngược lại nhằm chuyển
bản tin trở về dạng gốc.
- Nén: Nén dữ liệu nhằm giảm thiểu số lượng bit để truyền đi. Nén dữ
liệu ngày càng trở nhên quan trọng trong khi truyền multimedia như văn bản,
audio, và video.
1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer).
Tầng ứng dụng trong mô hình OSI là tầng trên cùng trong bộ giao thức
quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, tầng ứng dụng cung
cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ của mô
hình OSI. Các ứng dụng cung được cấp như các chương trình xử lý kí tự, bảng
biểu, thư tín … và tầng ứng dụng đưa ra các giao thức HTTP, FTP, SMTP,
POP3, Telnet.
1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức
7

1.2.1 Truyền thông hợp tác
Nếu một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác,
và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó thì có thể tạo ra
nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích.
Mạng truyền thông hợp tác dựa vào ý tưởng trên, có nghĩa là các thiết bị
di động có thể “chia sẻ” tín hiệu của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ
thống mạng phân tập không gian. Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user)
được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn được truyền bởi
những thiết bị di động khác. Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin
cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một đường truyền duy nhất.

Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác
Quá trình truyền thông trong mạng truyền thông hợp tác gồm hai giai
đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên, thông tin được nút nguồn quảng bá tới tất cả các nút
chuyển tiếp (Relay). Tại các nút chuyển tiếp (Relay) sẽ sử dụng các kỹ thuật
chuyển tiếp để truyền tín hiệu từ nguồn (S) đến thiết bị người dùng (D). Có
nhiều kỹ thuật chuyển tiếp được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng như: Khuếch
đại và chuyển tiếp (Amplified and Forward - AF), Giải mã và chuyển tiếp
(Decoded and Forward - DF), Nén và chuyển tiếp (Compress and Forward -

8


CF). Các kỹ thuật này mô tả cách nhận và xử lý dữ liệu tại trạm chuyển tiếp
trước khi dữ liệu được gửi đến đích.
Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Phương pháp này thường được sử
dụng khi chuyển tiếp có thời gian/công suất tính toán có sẵn bị giới hạn hoặc
thời gian trễ phải là tối thiểu, thời gian trễ được tạo ra bởi chuyển tiếp giải mã
và mã hóa thông điệp.

Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Quá trình xử lý tín hiệu đối với AF có thể đơn giản thành ba giai đoạn
như sau:
- Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu bằng phương pháp phát sóng
vô tuyến, nút chuyển tiếp R thu nhận tín hiệu.
- Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp R khuếch đại công suất của tín hiệu nhận
được từ S và chuyển tiếp đến nút đích D.
- Giai đoạn 3: Nút đích D giải mã tín hiệu nhận từ R trong giai đoạn 2 và
khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Giao thức AF khuếch đại tín hiệu tại nút chuyển tiếp R, tăng công suất
của tín hiệu truyền đi, giúp đầu thu D có thể thu được tín hiệu tốt nhất. AF còn
gọi là phương thức chuyển tiếp không tái tạo, là phương thức xử lý tín hiệu cơ
bản và đơn giản nhất so với các phương pháp khác. Ý tưởng phía sau giao thức
AF là đơn giản. Tín hiệu được nhận bởi chuyển tiếp R bị suy giảm và cần được
9


khuếch đại trước khi nó có thể được gửi đi lần nữa. Khi làm như vậy nhiễu
trong tín hiệu cũng được khuếch đại, đây chính là điểm yếu của giao thức này.
Giải mã và chuyển tiếp (DF): Ngày nay việc truyền dẫn không dây rất
hiếm tín hiệu tuần tự và chuyển tiếp có đủ sức mạnh tính toán, do đó, DF thường
là phương pháp được ưu tiên nhất để xử lý dữ liệu trong chuyển tiếp. Tín hiệu
nhận đầu tiên được giải mã và sau đó mã hóa lại. Vì vậy, không có nhiễu được
khuếch đại trong tín hiệu gửi, như là trường hợp sử dụng giao thức AF. Đó là
hai vấn đề chính được thực hiện trong một hệ thống sử dụng giao thức chuyển
tiếp DF.

Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF)
Đối với kỹ thuật này, quá trình xử lý tín hiệu có thể đơn giản qua 3 giai

đoạn như sau:
- Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu, nút chuyển tiếp R nhận tín
hiệu.
- Giai đoạn 2: Nút R sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã các gói tin
nhận được từ S và tái mã hóa bằng cách sử dụng mã mới tương tự với mã tại
nguồn S để chuyển tiếp thông tin đến nút đích. Trong giải mã và tái mã hóa,
nút chuyển tiếp có sử dụng mã sửa lỗi để sửa lỗi trên đường truyền.

10


- Giai đoạn 3: Nút đích D nhận tín hiệu từ R, xử lý và khôi phục lại thành
tín hiệu ban đầu.
Do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng giải mã sai ở nút chuyển tiếp
làm suy giảm đáng kể hiệu năng hệ thống. Do đó, phương thức này được giả
định là nút R chỉ thực hiện chuyển tiếp nếu các tín hiệu từ nguồn được giải mã
một cách chính xác. Điều này có thể được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm
tra CRC (Cyclic redundancy check). Chuyển tiếp có thể giải mã hoàn toàn
thông điệp gốc. Điều này yêu cầu nhiều thời gian tính toán, nhưng có nhiều tiện
lợi. Nếu thông điệp nguồn chứa một mã sửa lỗi, các lỗi bit được nhận có thể
sửa ở trạm chuyển tiếp. Hoặc nếu không có mã hóa như vậy được thực hiện
một kiểm tra cho phép chuyển tiếp phát hiện chứa lỗi. Phụ thuộc vào việc thực
thi, một thông điệp sai có thể không được gửi đến đích. Nhưng chuyển tiếp R
không thể luôn giải mã đầy đủ thông điệp nguồn. Việc chậm trễ thêm gây ra để
giải mã đầy đủ và xử lý thông điệp là không thể chấp nhận được, chuyển tiếp
có thể không đủ khả năng tính toán hoặc thông điệp nguồn có thể bị mã hóa để
bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Trong trường hợp này, tín hiệu vào chỉ được giải mã
và mã hóa lại từng ký hiệu. Vì vậy, hoặc không có sửa lỗi nào có thể được thực
hiện hoặc không có kiểm tra được tính toán.
Nén và chuyển tiếp (DF): Trong kỹ thuật này, chuyển tiếp R nén tín

hiệu mà nó nhận được và gửi thông tin đã được nén đến đích D, bao gồm ba
giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Nút S truyền tín hiệu, nút R nhận tín hiệu.
- Giai đoạn 2: Nút R sử dụng kỹ thuật mã hóa nén Wyner – Ziv (WZC)
và lượng tử hóa tín hiệu để nén tín hiệu nhận được từ S trước khi chuyển tiếp
nó sang đích D.
- Giai đoạn 3: Nút đích D khôi phục lại thành tín hiệu cần thu.
Ở giai đoạn thứ 2 của quá trình truyền thông trong mạng truyền thông
hợp tác, dữ liệu được chuyển tiếp từ các nút chuyển tiếp đến đích, tại đích sẽ
sử dụng các kỹ thuật phân tập để tổng hợp thông tin thu được. Có hai kỹ thuật
11


phân tập phổ biến được sử dụng là kỹ thuật phân tập kết hợp lựa chọn ( SCSelection combining ) và kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa ( MRC-Maximal ratio
combining )
Kỹ thuật phân tập kết hợp lựa chọn ( SC- Selection combining):

Hình 1.8: Mô hình phân tập kết hợp lựa chọn
Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ
số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ
các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý . Trong kỹ thuật này, tại một thời điểm
chỉ có một nhánh được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được
chuyển đến vị trí anten tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn). Tuy nhiên
kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và
liên tục. Trong phương pháp SC, tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính
là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các nhánh. Vì tại một thời điểm chỉ có một
tín hiệu của một nhánh đưa vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng
pha giữa các nhánh.

12

Hình 1.9: Mô hình phân tập kết hợp tỉ số tối đa
Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC-Maximal ratio combining):
Trong kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo tỷ số tối đa, đầu ra là tổng trọng số
của tất cả các nhánh. Do pha của tín hiệu là khác nhau trên các nhánh, do vậy
để kết hợp chính xác các tín hiệu đòi hỏi phải đồng pha các tín hiệu này. Việc
đồng pha được thực hiện bằng cách nhân mỗi nhánh với giá trị i  a1.e j. .
i

Trong đó ai là một số thực bất kì, i là pha của tín hiệu trên nhánh thứ i.
1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức
Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Networks) là hệ thống mà
các phần tử của nó có khả năng thay đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ
sở tương tác với môi trường hoạt động. Mục đích của mạng vô tuyến nhận thức
là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm
thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn
hoạt động trên dải tần đó. Các thành phần kiến trúc của mạng vô tuyến nhận
thức bao gồm hai nhóm mạng: mạng chính (mạng sở hữu bản quyền tần số,
mạng chính - Primary Network) và mạng vô tuyến nhận thức (mạng thứ cấp –
Secondary Network).
Mạng chính (Primary Network): Có quyền truy cập tới băng tần được
cấp phép, ví dụ như mạng truyền hình quảng bá, hay mạng di động tế bào. Các
thành phần của mạng chính bao gồm:

13


- Người dùng chính (Primary User): Người dùng có giấy phép để hoạt
động trong một băng tần nhất định. Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm

gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người dùng
không được cấp phép khác.
- Trạm gốc chính (Primary Base-Station): là thành phần cơ sở hạ tầng
mạng được cố định, có giấy phép phổ, như trạm BTS trong mạng tế bào.
Mạng vô tuyến nhận thức (Secondary Network): Mạng vô tuyến nhận
thức hay mạng không có giấy phép để hoạt động trong một băng tần mong
muốn. Do đó, nó chỉ được phép truy cập phổ khi có cơ hội. Các thành phần của
mạng vô tuyến nhận thức bao gồm:
- Người dùng vô tuyến nhận thức (Secondary User, Cognitive User):
Người dùng không được cấp phép, người dùng vô tuyến nhận thức không có
giấy phép sử dụng phổ. Do đó, những người dùng này cần có các chức năng
cộng thêm để chia sẻ băng tần cấp phép. Những người dùng này sử dụng những
kỹ thuật truy cập vô tuyến nâng cao để sử dụng chung dải tần với các PU mà
không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các PU.
- Trạm gốc vô tuyến nhận thức (Secondary Base Station): Trạm gốc
không cấp phép hay trạm gốc vô tuyến nhận thức là thành phần cơ sở hạ tầng
cố định có các khả năng của mạng không dây nhận thức. Trạm gốc vô tuyến
nhận thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng vô tuyến nhận
thức mà không cần giấy phép truy cập phổ. Thông qua kết nối này, người dùng
vô tuyến nhận thức có thể truy nhập đến các mạng khác.
Có ba mô hình phổ biến được sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức,
đó là mô hình Interweave, mô hình Underlay và mô hình Overlay. Mỗi mô hình
hoạt động dựa trên các kỹ thuật và nguyên tắc khác nhau.
Mô hình Interweave: Một SU sẽ phát hiện ra các khe trống phổ và thực
hiện truyền thông qua phổ trống đó mà không gây nhiễu tới PU. Để một SU
truyền hiệu quả qua các khe trống phổ cần có các cảm biến để phát hiện chính
xác sự xuất hiện của các PU trên các băng tần khác nhau. Do vậy kỹ thuật cảm
14

biến để phát hiện các khe phổ trống là rất quan trọng, cần lưu ý rằng không để
xảy ra việc truyền đồng thời của cả PU và SU trên cùng một dải tần và SU phải
ngừng sử dụng phổ ngay khi PU sử dụng lại phổ. Khi đó việc truyền thông của
SU phải chấm dứt nếu SU không tìm ra được một khe phổ trống khác để tiến
hành chuyển giao. Ưu điểm của việc truy cập dựa trên cơ chế interweave là SU
có thể truyền với công suất phát tối đa trên một khe phổ trống mà không cần
quan tâm đến nhiễu ảnh hưởng đến PU. Tuy nhiên việc phát hiện ra một cách
chính xác các khe phổ trống trong môi trường mạng vô tuyến nhiễu động không
đơn giản, do đó việc phát hiện không chính xác có thể gây nhiễu nghiêm trọng
cho PU.

Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave
Mô hình Underlay: Trong kỹ thuật truy cập phổ Underlay, SU được
phép truy cập đồng thời vào dải phổ cấp phép của PU, các SU phải thực hiện
điều khiển công suất phát của mình một cách nghiêm ngặt nhằm đảm bảo lượng
nhiễu gây ra cho PU không vượt qua một mức giới hạn được quy định bởi mạng
chính . Kết quả là, những ràng buộc này không chỉ thu hẹp phạm vi truyền sóng
mà còn hạn chế tốc độ truyền của SU.

15


Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay
Mô hình Overlay: Trong hệ thống Overlay, SU-Tx có thể đồng thời truy
cập tần số của PU-Tx. Tuy nhiên, để đảm bảo không làm suy giảm hiệu năng
của mạng chính, SU-Tx áp dụng các kỹ thuật để triệt tiêu nhiễu gây ra tại PURx. Cụ thể là, SU-Tx phải biết được codebooks của mạng chính. Sau đó, SUTx có thể dùng thông tin này theo một số cách để loại bỏ hoặc triệt tiêu nhiễu.
Một mặt, SU-Tx có thể sử dụng thông tin này để hợp tác với PU-Tx bằng cách
sử dụng một phần công suất phát để truyền tín hiệu của mạng chính. Mặt khác
thông tin về codebook này cũng được sử dụng tại phía thu của mạng vô tuyến
nhận thức để loại bỏ tín hiệu của mạng chính ra khỏi tín hiệu nhận được. Bằng

cách tiếp cận này, hiệu suất của cả hai mạng vô tuyến nhận thức và chính đều
được cải thiện.
Tuy nhiên trong một số điều kiện khi không có sự điều phối giữa mạng
chính và vô tuyến nhận thức, Overlay khó có thể thực hiện. Nguyên nhân có
thể là do PU-Tx có thể ở xa SU, hoặc nó bị ẩn đối với SU do các vật cản. Vì
vậy SU không thể giải mã các bản tin PU-Tx tại thời điểm bắt đầu của giai đoạn
truyền

16