PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG bảo mật THÔNG TIN ở lớp vật lý TRONG THÔNG TIN vô TUYẾN (có code)

112Equation Chapter 2 Section 1

ĐỒ ÁN TỐT

NGHIỆP
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT THÔNG
TIN Ở LỚP VẬT LÝ TRONG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN


MỤC LỤC


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/45

CHƯƠNG 1.

LÝ THUYẾT VỀ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ.

1.1 Tổng quan về bảo mật lớp vật lý
Cơng nghệ ngày càng phát triển, kèm theo.đó là các phương tiện thông tin
truyền thông và chúng được.chia thành 2 loại, đó là thơng tin khơng dây gọi là vơ
tuyến và thơng tin có dây gọi là hữu tuyến. Trong đó mạng thơng tin vơ tuyến là đại
diện phần lớn cho cuộc sống loài người thời nay.
Hàng ngày, con người.trao đổi, chia sẽ thông tin với nhau bằng vô số hình thức
thơng qua các thiế bị cơng nghệ ngày càng được cải tiến và đổi mới như điện thoại
thông minh, máy tính bảng, máy tính cá nhân…
Nhu cầu càng cao, đáp ứng những nhu cầu đó cịn cao hơn, địi hỏi các nhà sản
xuất, nhà mạng luôn luôn phải cập nhật những gì tốt nhất cho người sử dụng. Trong
đó có thơng tin bảo mật, một trong những khìa cạnh quan trọng trong tất cả mọi lĩnh

vực, từ bí mật quốc gia, an tồn quốc phịng, tài chính hay bắt đầu từ điểm nhỏ nhất
là bật mật cho người sử dụng bởi đi kèm theo sự phát triển của công nghệ theo
hướng tích cực thì tiêu cực cũng đồng thời được cải tiến từng ngày.
Ở mạng vô tuyến ngày nay, các hệ thống đều có phương pháp bảo mật riêng
của nó, với các thuật tốn phức tạp, tuy nhiên vẫn chưa có phương pháp nào thực sự
hiểu quả.
Từ đó, bảo mật lớp vật lý đã ra đời, hiện nay chủ đề này đã và đang được
nghiên cứu một cách nghiêm túc về khả năng truyền đạt, tải dữ liệu giữa phía thu và
phía phát.
Các nền tảng lý thuyết trong.đề tài này bao gồm:
-

Không chỉ nhà sản xuất, nhà mạng mà những kẻ xấu cũng có thể trang bị
các thiết bị đủ mạnh để thực hiện các phép toàn phức tạp lần về thời gian

-

lẫn dung lượng.
Bộ thu và nghe lén ngày nay.có thể thu được các tin hiệu tương tự gần như

-

chính xác
Đủ kiến thức về các phương pháp giải thuật tốn và mã hố.

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/45

Vì vậy, bởi tính bảo mật gần như tuyệt đối, độ phức tạp cũng như độ trễ thấp thì tính
khả thi ở lớp vật lý nên ta có thể nâng cao mức độ tổng thể về an tồn dữ liệu
thơng tin.
1.2 Kênh truyền, đặc tính kênh, giới thiệu kênh fading Rayleigh, Rician
1.2.1 Khái niệm kênh truyền
Chất.lượng của bất kỳ hệ.thống thông.tin nào cũng phụ thuộc vào mơi
trường truyền.
Kênh truyền.là mơi trường truyền dẫn giữa.phía phát và phía thu. Mơi
trường.này có thể là hữu tuyến.hay vơ tuyến.
Kênh truyền vơ tuyến có thể.biến đổi từ đơn giản đến phức tạp và có ảnh hưởng
tương đối đến chất lượng.đường truyền trong truyền tín hiệu.
1.2.2 Đặc tính kênh truyền
Có nhiều loại kênh.truyền, có thể hữu tuyến hoặc vơ.tuyến như đã để cập. 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 mơi trường như
vậy trở nên khó khăn. Có nhiều mơi trường truyền sóng như vùng đơ thị, ngoại ơ,
trong nhà với.những đặc trưng khác nhau. Sự lan.truyền chịu ảnh hưởng bởi các
chướng ngại vật như các tòa nhà, núi.
Trong một.kênh truyền lý tưởng tín hiệu.thu được chỉ bao gồm tín hiệu đến trực
tiếp và sẽ là bản thu hồn hảo của.tín hiệu khác. Tuy nhiên, trong một kênh.thực tế
tín hiệu bị thay đổi trong suốt q 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 duy chuyển (hiệu ứng
Doppler). Chất lượng.của hệ thống vơ 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.kênh vơ tuyến có tầm ảnh.hưởng

quan trọng tương đối lớn, vì chúng.tác động trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và
dung.lượng.đường truyền.

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/45

Có thể phân.các kênh vơ tuyến thành hai loại: .fading phạm vi rộng và fading
phạm vi hẹp. Các.mơ hình truyền thống.đánh giá cơng suất trung bình thu được tại
các.khoảng cách cho trước.so với máy phát. Fading trong.trường hợp này.gây ra do
truyền sóng đa đường.
Sóng lan.truyền trong mơi trường có thể.truyền theo hướng.trực tiếp, nhưng
cũng có thể bị phản xạ.lại 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 mơi.trường
truyền sóng có thể gặp các vấn đề.như vậy, sóng lan truyền được mơ.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.mơ hình
hóa cần phải quan tâm.
Các kênh vơ 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 khơng gian, một kênh có.các đặc trưng khác nhau.tại khác.vị
trí.khác nhau.
1.2.3 Giới thiệu kênh fading Rayleigh, Rician
1.1.1.1 Kênh truyền 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 mơ hình Rayleigh. Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có
trung bình.bằng khơng và variance.là

phân.bố.hàm mũ. Nếu

thì Z = có phân bố.Rayleigh và

đều.là biến ngẫu nhiên Gauss.với trung bình bằng

khơng.và.phương sai.là , ta có:
Có phân.bố Rayleigh
Trong đó là cơng suất trung bình.của tín hiệu nhận được.
Và có.phân bố hàm mũ.

1.1.1.2

có

Kênh truyền Rician

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/45

Rician fading là kết.quả của sự kết hợp hiện tượng đa đường và đường truyền
trực tiếp LOS (Light of Sight). Tín hiệu LOS tạo thêm.một thành phần biết trước
trong tín.hiệu đa đường.
Hàm phân bố xác suất Rician.như sau:
Trong đó là cơng suất trung bình của.thành phần không chứa đường trực tiếp
LOS (Light of Sight) và là công suất.của.thành phần đường.trực tiếp. là hàm

Bessel.bậc không.
Công suất trung bình nhận được trong kênh Rician fading là:
Hàm phân bố xác.suất Rician có đặc.điểm phụ thuộc vào tỉ số của năng lượng
thành phần trực tiếp.với nặng lượng.thành phần tán xạ K.
Thay
và
Ta có thể viết lại phân bố.Rician theo K và :
Khi K=0 chúng ta khơng có đường.truyền trực tiếp và phân bố Rician trở thành
phân bố Rayleigh. Với giá trị K= thì phân bố Rician trở.thành phân bố Gauss.
Thành phần LOS của phân bố Rician cung cấp một thành.phần tín hiệu tĩnh và
giúp làm giảm.hiệu ứng fading.
1.3 Thông tin, bản chất và định lượng thông tin
1.1.1 Thông tin, bản chất thông tin
Ngày nay trong đời.sống hàng ngày, ở đâu ta cũng nghe.người ta nói tới.thơng
tin: thơng tin là nguồn lực.của sự phát triển, chúng ta đang sống trong.thời đại thông
tin, một nền công.nghiệp thông tin.
Thông tin là một khái niệm khoa.học cũng là khái niệm.trung tâm của xã hội
trong thời đại ngày nay. Mọi quan hệ.hoạt động của con người đều dựa trên một

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/45

hình thức trao đổi thơng tin.nào đó mọi tri thức đều bắt nguồn bằng một thơng.tin
về những điều đã diễn ra, về những cái người ta.đã biết, đã nói, đã làm. Và điều đó
ln xác định bản chất và.chất lượng của những mối quan hệ của.con người.
Vậy thơng.tin là gì ?

Có rất nhiều cách.hiệu về thơng tin. Thậm chí ngay.các từ điển cũng khơng thể
có một định nghĩa thống nhất. Ví dụ từ điển Oxford.English Dictionary thì cho rằng
thơng tin là “ điều mà người ta đánh giá.hoặc nói đến, là tri thức, tin.tức ” theo từ
điển khác thì đơn giản.đồng nhất thơng tin.với kiến thức: “thông tin là điều.người ta
biết” hoặc “thông tin là sự.chuyển giao tri thức làm.tăng thêm sự hiểu biết.của con
người”.
Nguyên nhân.của sự khác nhau trong.việc sử dụng thuật ngữ.này chính là do
thông tin không thể cầm nắm hay.sờ được. Người ta bắt gặp thơng.tin chỉ trong q
trình hoạt động, thơng qua các tác động.trừu tượng của nó.
Theo nghĩa thơng thường: thơng tin là tất cả các sự việc, sự kiện, ý tưởng, phán
đoán là tăng thêm.sự hiểu biết của con người. Thơng tin hình.thành trong q trình
giao tiếp: một người có thể nhận được thông.tin.trực tiếp từ người khác thông qua
các phương tiện thông.tin.đại chúng, từ ngân hàng dữ liệu, hoặc từ tất cả các hiện
tượng quan sát.được trong môi trường xung quanh.
Trên quan điểm.triết học: thông tin là sự phản ánh của tự.nhiên.và xã hội (thế
giới vật chất) bằng ngôn.từ, ký hiệu, hình ảnh…hay nói rộng hơn bằng tất cả các
phương tiện tác động lên.giác quan của con người.
Trong cuộc.sống con người, nhu cầu thông.tin là.một.nhu.cầu rất cơ bản. Nhu
cầu đó khơng ngừng.tăng lên cùng với sự tăng.các mối quan hệ trong xã hội. Mỗi
người sử dụng thông.tin.lại tạo ra thơng tin mới. Các thơng tin.đó lại được truyền
cho người khác trong.quá trình thảo luận, truyền đạt mệnh lênh, trong thư từ và tài
liệu, hoặc qua các phương tiện truyền thông khác. Thông.tin được tổ chức tuân theo
một quan hệ logic.nhất định, trở thành một bộ phận của tri thức, đòi hỏi phải.được
khai thác và nghiên cứu một cách hệ thống.
1.1.2 Định lượng thơng tin

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/45

Lượng đo tin tức: Nguồn A có m tín.hiệu đẳng xác suất, một thơng tin đo nguồn
A hình.thành là một dãy n.
Ký hiệu bất kỳ ().
Lượng tin chứa.trong một bất kỳ:
Lượng tin chứa trong.một dãy x gồm n ký hiệu:
I(x) = n .log m.
Đơn vị đo thông tin thường được chọn là cơ số 2.
Khi m ký hiệu của nguồn tin có.xác suất khác nhau và khơng độc lập thống kê
với nhau thì:
Lượng tin riêng:
Là lượng tin ban đầu được xác định bằng xác suất tiên nghiệm.
1.1 Lý thuyết về bảo mật lớp vật lý
1.1.3 Khái niệm, chức năng của lớp vật lý
1.1.1.3 Khái niệm.
Lớp vật lý còn gọi là.tầng thiết bị, tầng vật thể hay đường.truyền vật lý là lớp
thấp nhất.trong kênh truyền vô tuyến. Tầng này chịu trách nhiệm.đáp ứng đối với
các đòi hỏi.về dịch vụ của tầng trên nó.
Tầng này ám chỉ đến.phần cứng của mạng truyền thông, đến hệ thống nối.dây
cụ thể, hoặc đến sự liên kết.viễn thông điện từ. Tầng này còn xử lý.thiết kế điện,
khống chế xung đột, và các chức.năng ở tầng.thấp nhất.
Tầng vật lý là hạ tầng.cơ sở của mạng viễn thơng, cung cấp phương.tiện truyền
tín hiệu.thơ sơ ở dạng bit, hình dáng của các.nút cắm điện, tần số để phát.sóng là
bao nhiêu, và những cái thuộc hạ.tầng tương tự.
1.1.1.4 Chức năng của tầng vật lý
Thiết lập và.ngắt mạch một liên kết.viễn thông trên một phương.tiện truyền
thông.
Tham gia vào tiến trình.trong đó tài ngun được nhiều người.sử dụng cùng một

lúc, chẳng hạn.phân giải và tranh chấp.và khống chế luồng.

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/45

Biến đổi thể dạng.của dữ liệu số trong thiết của người.dùng đồng bộ với tín
hiệu được truyền qua.đường truyền thông.
Chuyển thông.tin (dưới dạng bit) giữa hai thực.thể nối kết với nhau bằng một
đường truyền vật lý.
1.1.4 Lý thuyết về bảo mật lớp vật lý
Bảo mật lớp vật lý.gần đây đã trở thành một kỹ thuật mới.để bổ sung và cải
thiện đáng kể tính bảo.mật thơng tin liên lạc.của các mạng không dây. So với các
phương pháp.mã hóa, bảo mật lớp vật lý là giải.pháp.bảo mật đầu tiên.tập trung vào
khai thác các thuộc tính lớp.vật lý của các kênh không dây, như đa đường fading và
nhiễu, để bảo vệ việc.truyền tải thông tin bảo mật.chống nghe trộm.
Được viết bởi các nhà.nghiên cứu tiên phong, bảo mật lớp vật.lý.trong truyền
thơng khơng.dây.cung cấp một cái nhìn tổng quan hệ.thống các khái.niệm cơ bản,
tiến bộ gần đây, và các vấn.đề mở trong việc cung cấp thông tin liên lạc.an ninh tại
các lớp vật lý. Nó giới thiệu các.khái niệm quan trọng, vấn đề thiết kế, và các giải
pháp bảo mật lớp vật lý trong truyền thông đơn.người dùng và đa người dùng của
hệ thống, cũng như.các mạng không dây quy mơ lớn.
Để q trình truyền tải thơng tin được bảo.mật, hệ thống truyền thơng hiện có
thường áp.dụng các kỹ thuật.mật.mã để ngăn chặn một kẻ nghe trộm từ.việc.khai
thác cách truyền tải.dữ liệu giữa.những người sử dụng hợp pháp.
Bằng cách xem xét các mã hóa khóa đối xứng là.một ví dụ, các dữ liệu ban đầu
(gọi là plaintext) được mã.hóa.đầu.tiên tại nút nguồn bằng.cách sử dụng.một thuật

tốn mã hóa.cùng với một khóa.bí mật mà được chia.sẻ với trạm.đích duy nhất.
Sau đó, các bản rõ.được mã hóa (cịn gọi là ciphertext) là truyền.tới điểm đến
mà sẽ giải mã bản mã nhận.được nó.với khóa bí mật trước.khi chia sẻ.
Bằng cách này, ngay cả khi một kẻ nghe.trộm nghe được truyền tải.bản mã, thì
việc giải mã từ kẻ nghe.trộm là khó.khăn nếu khơng có.khóa bí mật.
Tuy nhiên việc giải mã vẫn là có thể bằng cuộc tấn công brute-force với giả
định những kẻ nghe trộm có thể sử.dụng sức mạnh tính tốn vơ hạn và thời gian.

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/45

Để ngăn chặn điều đó, an ninh lớp vật lý đang nổi lên như.một mơ hình thay thế
để bảo vệ các thông.tin liên lạc không dây với các cuộc tấn công.nghe trộm, bao
gồm cả tấn công brute-force.
Bảo mật ở lớp vật lý đã được tiên phong bởi Wyner, nó đã được chứng minh là
việc truyền dữ liệu hồn tồn an.tồn có thể đạt được nếu cơng suất kênh của liên
kết chính (từ nguồn tới đích) là cao hơn so với các kênh nghe trộm.điện thoại (từ
nguồn tới kẻ nghe trộm).
Thông tin được.thể hiện ở một dạng thức nhất định.được gọi là bản tin. Dạng
thể hiện có thể là văn.bản, bản nhạc, hình vẽ, đoạn thoại. Một bản tin chứa.đựng
một lượng thơng.tin cụ thể, có nguồn và đích.xác định.cần được.chuyển một cách
chính xác, đúng đích và kịp thời.
Trong thời buổi.hiện nay.thơng tin giữ.vai trị rất quan trọng và.từ thơng tin có
thể tạo ra một. nguồn thu nhập lớn cho nên bất cứ ai.cũng muốn nắm giữ những
thông tin quan trọng đặc biệt là.những thông tin liên quan đến lĩnh vực tài chính,
quốc phịng cho nên ngày càng có nhiều kẻ xấu muốn lấy cắp thơng.tin với nhiều

mục đích khác nhau (kinh tế, chính trị …).
Do đó, việc bảo mật thông tin là.vô cùng quan trọng. Hiện nay, các nhà nghiên
cứu trên thế giới gần.đây tập trung nghiên cứu vấn đề đảm bảo.an tồn thơng tin ở
lớp vật lý theo.ba hướng chính: một là nghiên cứu bảo.mật thơng.tin dựa trên khóa
bảo mật.ở lớp vật lý, hai là nghiên cứu bảo mật thơng.tin khơng cần khóa bảo mật
thơng qua lớp vật lý, ba là nghiên cứu.các phương pháp đánh giá khả năng đảm bảo
an tồn thơng tin ở lớp vật lý.
1.1.5 Bảo mật thơng tin dựa trên khóa bảo mật
Bảo mật thơng tin dựa.vào khóa chủ yếu tập trung vào việc tìm ra.khóa bảo mật
dựa trên các đặc tính.của mơi trường truyền. Hướng này hồn tồn khả.thi vì sự
phức tạp của môi trường.truyền quảng bá không dây.
Cho đến nay, hầu hết các cơng trình trước.đây về bảo mật lớp PHY đều cho
rằng các kênh hợp pháp.tương tự như các kênh bất hợp pháp. Tuy nhiên trong.nhiều
tình huống thực tế, giả định này khơng cịn.đúng do sự duy chuyển.của các thiết bị
di động tạo ra các kênh.fading khác nhau. Chính sự khác nhau này cho phép

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/45

các.khóa bảo mật để mã hóa thơng tin, đảm bảo an.tồn cho người sử dụng hợp
pháp.
Có hai phương.pháp tiếp cận là tạo khóa bảo mật sử dụng ở lớp ứng.dụng và
tạo khóa.bảo mật sử dụng trực tiếp ở.lớp vật lý.
1.1.6 Bảo mật thông tin không dựa vào khóa bảo mật.
Bên cạnh bảo mật thơng tin bằng khóa.bảo mật, các nhà nghiên cứu cịn chứng
minh được rằng mạng.vơ tuyến có khả năng bảo mật mà khơng.cần dùng khóa bảo

mật.
Tiên phong trong cơng cuộc này là Wyner người đã phân tích dung lượng bảo
mật dương khi các kênh chính có nhiễu ít hơn kênh nghe trộm. Ơng đã xây dựng
một cơ chế mã hóa ngẫu nhiên, trong đó tìm cách.ẩn các dịng thơng tin trong nhiễu
cộng để làm suy yếu các thiết.bị nghe trộm bằng cách ánh xạ bản tin cho nhiều từ
mã theo một phân bố xác suất thích hợp. Bằng cách này sẽ gây ra khó khăn và.dễ
nhầm lẫn tại thiết bị.nghe trộm. Điều này cho thấy rằng thơng tin.liên lạc là có thể
an tồn mà khơng cần sử dụng khóa bảo mật.
Ngồi ra, cịn có.nhiều cơng trình của các nhà nghiên cứu khác.trong số đó một
số cơng trình nghiên cứu đã cho.thấy rằng các kênh truyền vơ tuyến có dung lượng
bảo mật là dương.ngay cả khi kênh nghe trộm.tốt hơn kênh dữ.liệu hợp pháp.
Như vậy, bảo mật thơng tin.khơng dựa trên khóa bảo mật thường được thực
hiện thơng qua việc sử dụng mã.hóa theo.hướng cố gắng để tối đa hóa.dung lượng
kênh truyền giữa máy phát.và máy thu hợp pháp trong thông tin.vô tuyến, đồng thời
làm giảm thiểu dung.lượng.kênh truyền giữa máy phát.và.máy nghe trộm.
Tuy nhiên phương pháp.này cịn có nhiều nhược.điểm chẳng hạn như các tính
tốn thường cần có những thơng tin về kênh.nghe trộm như.vị.trí và số lượng các
máy nghe trộm, điều.này.trong.thực tế là rất khó đạt được vì máy.nghe trộm gần
như vơ hình đối với chúng ta.
1.1.7 Các phương pháp đánh giá khả năng đảm bảo an tồn thơng tin.
Một hệ thống có khả.năng đảm bảo an tồn thơng tin khi dung lượng kênh
truyền của kênh dữ liệu hợp pháp phải lớn hơn hoặc bằng.dung lượng của kênh
nghe trộm.

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/45

Để đánh giá một hệ.thống có đảm bảo an tồn thơng tin ở lớp vật lý.hay không,
người ta dựa vào ba thông số sau:
-

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.

1.1.1.5 Dung lượng bảo.mật thơng tin.
• Khái niệm dung lượng kênh truyền
Khái niệm “dung lượng” kênh truyền là khái niệm rất.cơ bản của lý thuyết
truyền tin và là một đại.lượng vật lý đồng thời cũng là đại lượng tốn học (có đơn vị
là bit). Nó cho phép xác định tốc độ truyền tối đa.của mỗi kênh truyền có thể đáp
ứng mà khơng gây méo.dạng tín hiệu. Do đó, dựa vào dung lượng.kênh truyền,
người ta có thể chỉ ra tốc độ.truyền tin đồng thời.với một.phương pháp truyền có.sai
số

cho

phép.

• Định lượng dung lượng kênh truyền
Giả sử độ rộng băng.thông của kênh là B, công suất tín hiệu thu là P, tỷ số tín
hiệu trên nhiễu thu (SNR) là tỷ số giữa công suất lượng thông.tin thu được và công
suất của nhiễu và là.hằng số được tính bằng trong đó là mật độ phổ cơng suất của
nhiễu, khi đó dung lượng của kênh truyền.được tính bởi công thức Shannon:
Đơn vị của dung lượng là bit/s.
Định lý Shannon.cho thấy một.kênh nhiễu có dung lượng C và thông tin truyền
với tốc độ R kênh, nếu R < C thì tồn tại mã mà.cho phép xác suất lỗi ở máy thu có

thể nhỏ tùy ý. Điều này có.nghĩa rằng, về mặt lý thuyết nó có thể truyền thơng tin
gần như không lỗi ở bất kỳ.tốc độ nào nhỏ hơn một giới hạn là dung lượng C. Điều
ngược lại cũng hết sức quan trọng, nếu R > C, một xác suất lỗi.nhỏ tùy ý là không
thể đạt được.
Kết quả cơ bản lý thuyết thông tin của Shannon phát.biểu rằng đối với kênh rời
rạc khơng nhớ thì.khả.năng thơng qua được cho bởi biểu thức sau:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/45

Trong đó là lượng.thơng tin chéo.trung bình giữa X (đầu vào kênh) và Y (đầu
ra của kênh) việc cực đại hóa.được.thực hiện trên tồn bộ phân.phối xác suất đầu
vào của kênh.
Thơng tin chéo trung bình giữa hai biến ngẫu nhiên X và Y được định nghĩa là.
Trong đó lượng thơng tin chéo lấy theo log cơ số 2 thì được đơn vị bit.
• Dung lượng bảo mật thông tin
Dung lượng bảo mật thông tin của hệ thống được định nghĩa.là độ lệch giữa
dung lượng của kênh truyền dữ liệu hợp pháp.và kênh bất hợp pháp. Một hệ thống
được xem là có khả.năng đảm bảo an tồn thơng tin cao nếu dung lượng bảo mật
lớn và đó cũng là một thông số quan.trọng để đánh giá hiệu.năng bảo mật của hệ
thống.
Dung lượng bảo mật thông tin.ký hiệu Cs được định nghĩa như sau:
Kênh truyền hợp pháp:

Kênh truyền bất hợp pháp:

Dung lượng bảo mật:

Dung lượng an tồn thơng tin của hệ thống là một đại lượng.không âm. Dung
lượng bảo mật của hệ thống thông tin.sẽ bằng 0 khi mà kênh nghe trộm có dung
lượng Shannon lớn hơn kênh truyền dữ liệu.
1.1.1.6

Xác xuất khác không của dung lượng bảo mật thơng tin

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/45

Từ dung lượng bảo.mật của hệ thống, người ta đưa ra thông số khác không của
dung lượng bảo mật của hệ thống. Thông số này thể hiện.xác suất mà dung lượng
Shannon của kênh dữ liệu hợp pháp.lớn hơn dung lượng của kênh nghe trộm.
Ký hiệu: Pr () = Pr ().
Ở đây:
là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNR của kênh truyền.dữ liệu hợp pháp.
là tỷ số tín hiệu trên.nhiễu tức thời SNR của.kênh truyền dữ liệu bất hợp pháp.
1.1.1.7 Xác suất dừng bảo mật thông tin của hệ thống
Khác với xác suất khác không của dung lượng.bảo mật thông tin, xác suất dừng
bảo mật thông tin hệ.thống là tham số hiệu năng.định lượng khả năng đảm bảo an
tồn thơng tin của hệ thống với một tốc độ truyền dữ liệu mong muốn.
Cụ thể là với một tốc đồ truyền cho trước R, xác xuất.dừng bảo mật của hệ
thống được xác định.là Pout (R) = Pr (Cs

CHƯƠNG 2.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ PHÂN TÍCH
HIỆU NĂNG BẢO MẬT

2.1 Mơ hình hệ thống
Chúng ta xem xét mơ hình hệ thống như hình 1. Alice và Bob là người sử dụng
hợp pháp của hệ thống MISO. Trong khi Eve là kẻ nghe.trộm thụ động tìm cách
trích thơng tin từ Alice mà không.chủ động tấn công. Alice là thiết bị dùng hai ănten sử dụng một ăng-ten để truyền thơng tin và một ăng-ten để.tạo nhiễu giả, trong
khi đó Bob và Eve là những.thiết bị đơn ăng-ten, ở đây Bob là thiết bị thu hợp pháp
nên biết và đã có được phương pháp lọc được tín hiệu.nhiễu.giả cịn Eve thì khơng.
Ở đây, chúng ta giả.sử rằng hai thiết bị ăng-ten của máy phát đặt ở một khoảng
cách đủ gần nhau để hệ số kênh truyền của hai ăng-ten.đến từng máy phát là giống
nhau.
Và công suất của nhiễu nhân tạo tại máy thu được giả sử bằng công suất của tín
hiệu thơng tin.

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/45

Hình 2-1: Mạng truyền thơng với máy phát (Alice), máy thu (Bob)

Gọi ăng-ten thứ nhất là ăng-ten phát tín hiệu thơng tin thì ở từng thiết bị sẽ thu
được tín hiệu như sau:

Gọi ăng-ten thứ.hai là ăng-ten phát nhiễu nhân tạo thì tín hiệu ở từng thiết bị sẽ

thu được là:

Tín hiệu tổng hợp tại máy thu hợp pháp Bol:
+,
Trong đó, là hệ.số fading của kênh truyền giữa Alice và Bob. là nhiễu Gaussian
phức có.trung bình bằng 0 và cơng suất là .
Tín hiệu tổng hợp.tại máy thu bất hợp pháp Eve:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/45

+,
Trong đó, là hệ số fading của kênh truyền giữa Alice và Eve. là nhiễu Gaussian
phức có trung.bình bằng 0 và cơng suất là .
Gọi lần lược là SNR tức thời và trung bình tại Bol và Eve.Ta có:

Trong đó, , lần lượt là cơng suất phát trung bình tại Bob và Eve, E[.] là phép
tính kỳ vọng của biến ngẫu nhiên, nhiễu nhân tạo do thiết bị phát Alice tạo ra có
cơng suất là ,.
Như giả sử ở phần đầu thì thiết bị thu hợp pháp đã biết trước và có được
phương pháp loại bỏ nhiễu, cịn thiết bị bất hợp pháp thì khơng, nên ở phần nhiễu
của máy thu hợp pháp khơng có đại lượng cơng.suất nhiễu giả cịn máy thu bất hợp
pháp thì có. Và cơng suất của tín hiệu nhiễu giả cũng được.cho bằng cơng suất của
tín hiệu thơng tin.
2.2 Tính hàm CDF và PDF
2.2.1 Đối với trường hợp kênh truyền đồng nhất Rayleigh/Rayleigh

Gọi và lần lượt là hàm mật độ xác suất (PDF) của (Rayleigh fading) và
(Rayleigh fading).
Từ hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) của kênh fading.Rayleigh đã giới thiệu
ở phần trước công thức (1.1):
Và dựa vào [2] ta có được:

Tính CDF:

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/45

Tương tự ta có được PDF của :
Hàm PDF:
Hàm CDF:
Gọi là hàm phân bố xác suất của (Rayleigh fading).
Ta có:

có dạng:

với ().

Trường hợp: ()

Từ CDF của (2.6) ta có được CDF của

Từ hàm CDF của (2.7) ta tính PDF của bằng cách đạo hàm CDF theo biến .

Ta có được PDF :
Trường hợp: ()
Và hàm:
1.1.8 Đối với trường hợp kênh truyền.không đồng nhất Rayleigh/Rician
Gọi và lần lượt là hàm.mật độ xác suất (PDF) của (Rayleigh fading) và
(Rician fading).

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/45

Như tính tốn ở trên ta có được PDF của :
Và hàm phân bố xác suất CDF của :

Từ hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) của kênh fading Rician (1.4) đã giới
thiệu ở phần trước:
Và dựa vào [2] ta được:

Trong đó, K là tham số fading Rician và là tỉ số.công suất giữa đường trực tiếp và
các đường còn lại, , và (.) là hàm Bessel hiệu chỉnh bậc 0.
Tính CDF dựa vào (2.13):
Ta có: ; Theo [2], thay x=
Khi đó
Thay
Ta được :
Đặt t = bx; =>
Đổi cận:

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/45

Gọi là hàm phân bố xác suất của (Rician fading).
Ta có:

có dạng:

với ().

Trường hợp: ()
Và dựa vào (2.14):
Nên ta có:
Từ hàm CDF của (2.15) ta tính PDF của bằng cách đạo hàm CDF theo biến .
Ta có được PDF :

Trường hợp: ()

Và hàm:

1.2 Phân tích hiệu năng bảo mật
Như đã giới thiệu.ở phần trước có ba thông số quan trọng quyết.định hiệu năng
bảo mật của kênh truyền là dung lượng bảo.mật, xác suất dừng bảo mật, xác suất
tồn tại dung lượng bảo mật.của hệ thống và sau đây chúng ta sẽ đi vào.phân tích
từng phần trên:

1.1.9 Đối với trường hợp kênh truyền đồng nhất Rayleigh/Rayleigh
1.1.1.8 Dung lượng bảo mật
Dung lượng bảo mật thông tin ký hiệu Cs được định nghĩa như sau:
Kênh truyền hợp pháp:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/45

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/45

Kênh truyền bất hợp pháp:

Dung lượng bảo mật:

1.1.1.9 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống
Xác suất dừng bảo mật Pout (Rs) = Pr (Cs
Theo công thức (2.8):
Và (2.4)
Ở đây, ta tính tích phân từ 0 đến nhưng trong trường hợp cận chạy từ 1 đến thì hàm
PDF của = 0 (theo cơng thức 2.10);

Nên ta có được tích phân sau:
Từ (2.4) và (2.8) thay vào ta có được:

Tính:
Đặt t =; =>
Đổi cận:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/45

Tính:
Đặt t =; =>
Đổi cận:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/45

Từ (3.1) và (3.2) ta có được:

1.1.1.10 Xác suất tồn tại dung lượng bảo mật của hệ thống
Pr()=Pr()
Ở đây chúng ta chia ra hai trường hợp .

Trường hợp cận chạy từ 0 đến 1 thì tích phân trở thành:
Trường hợp cận chạy từ 1 đến thì tích phân trở thành:
Lý do là trong trường hợp cận chạy từ 1 đến thì =1 (theo cơng thức (2.9) ).
Ở trường hợp một theo công thức (2.3) thay:
Và theo cơng thức (2.7):
Vào ta được:

Tính:

Tính:
Đặt t = ;
Đổi cận:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/45

Từ (3.4) và (3.5) thay vào ta được kết quả của trường hợp một là:

Trường hợp thứ hai:

Từ (3.6) và (3.7) ta có được:

1.1.10 Đối với trường hợp kênh truyền không đồng nhất Rayleigh/Rician
1.1.1.11 Dung lượng bảo mật
Tương tự như kênh truyền đồng nhất Rayleigh/Rayleigh.
Dung lượng bảo mật thông tin.kênh Rayleigh/Rician ký hiệu Cs được định

nghĩa như sau:
Kênh truyền hợp pháp:

Kênh truyền bất hợp pháp:

Dung lượng bảo mật:

2.3.2.2. Xác suất dừng bảo mật của hệ thống

Phân tích hiệu năng bảo mật thơng tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/45

Xác suất dừng bảo mật Pout (Rs) = Pr (CsTheo cơng thức (2.16) ta có:

Và cơng thức (2.12):
Nên ta có:
Ở đây, ta tính tích phân từ 0 đến nhưng trong trường hợp cận chạy từ 1 đến thì
hàm PDF của = 0 (theo cơng thức 2.18);
Từ cơng thức (2.12), (2.16), (2.18) ta được:

Tính:

Phân tích hiệu năng bảo mật thông tin
ở lớp vật lý trong thông tin vô tuyến