Bảo mật thông tin ở lớp vật lý giao thức hiệu quả và đánh giá hiệu năng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
———————————————————

CHU TIẾN DŨNG

BẢO MẬT THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ:
GIAO THỨC HIỆU QUẢ VÀ
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
———————————————————

CHU TIẾN DŨNG

BẢO MẬT THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ:
GIAO THỨC HIỆU QUẢ VÀ
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 9.52.02.08
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
TS. NGUYỄN LƯƠNG NHẬT

HÀ NỘI - 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
bởi bất kỳ tác giả nào hay trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết
quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả

Chu Tiến Dũng


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Võ Nguyễn
Quốc Bảo và TS. Nguyễn Lương Nhật đã hướng dẫn, định hướng nghiên cứu
khoa học, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Hội đồng khoa học, Hội
đồng tiến sĩ, Khoa Quốc Tế và Đào Tạo Sau Đại học, Khoa Viễn Thông Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo điều kiện thuận lợi để

tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả cũng xin cảm ơn thủ trưởng Bộ Tư lệnh Thông Tin Liên Lạc và
Trường Sĩ Quan Thông Tin là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho tác giả
tham gia nghiên cứu và học tập trong thời gian làm nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng
chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó
khăn về mọi mặt để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả

Chu Tiến Dũng


MỤC LỤC

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM
BẢO AN TOÀN THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ . . . . . . . . . . . . .

15

1.1. Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . .

15

1.2. Các tham số hiệu năng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.2.1. Dung lượng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.2.2. Xác suất dung lượng bảo mật khác không . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

1.2.3. Xác suất dừng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3. Truyền thông hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.3.1. Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

1.3.2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . .

29

1.3.3. Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

1.4. Vô tuyến nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

1.4.1. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền - Underlay . . . . .

34

1.4.2. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen - Interweave 34
1.4.3. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập - Overlay 35
i

ii

1.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương

35

2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG . . . . .

36

2.1. Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.1.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.1.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.1.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.1.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

2.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng . . . . . .

51

2.2.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

2.2.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

2.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

2.2.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

2.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Chương

3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC . . . . . . . .

66

3.1. Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng truyền thông hợp
tác hai chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.1.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

3.1.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80


iii

3.2. Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng
lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

3.2.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

3.2.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

3.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

3.2.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

3.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

Chương

4. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG ĐIỀU

KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG
HOÀN HẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99
99

4.2. Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu năng bảo mật
của mạng chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

4.2.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

4.2.2. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

4.2.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

4.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114

KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . .

119

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại-và-chuyển tiếp

AWGN

Additive

White

Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng

Noise

tính

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDF

Cumulative

Distribution Hàm phân phối tích lũy

Function

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

CRC

Cyclic Redundancy Check

Mã kiểm tra dịch vòng

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh
truyền

DES

Data Encryption Standard

Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu

DF

Decode-and-Forward

Giải mã-và-chuyển tiếp

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

FCC

Federal

LOS

Communications Ủy ban truyền thông quốc

Commission

gia Mỹ

Line of Sight

Đường truyền thẳng
iv


v

MIMO

Multiple

Input-Multiple Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra

Output
MISO

Multiple Input-Single Out- Nhiều đầu vào-một đầu ra
put

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỉ số tối đa

MS

Mobile Station

Trạm di động

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

PDF

Probability Density Func- Hàm mật độ xác suất

tion

PLS

Physical Layer Security

Bảo mật lớp vật lý

PrNZ

Non-zero Secrecy Capacity Dung lượng bảo mật khác
Probability

không

PU

Primary User

Người dùng sơ cấp

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Random-and-Forward

Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp

RSA

Rivest - Shamir - Adleman

Thuật toán mã hóa công
khai

SC

Secrecy Capacity

Dung lượng bảo mật

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số công suất tín hiệu trên
tạp âm

SOP

Secrecy Outage Probability

Xác suất dừng bảo mật

SU

Secondary User

Người dùng thứ cấp


DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1

Mô hình cơ bản của hệ thống vô tuyến với một máy nghe lén. . . 17

1.2

Dung lượng bảo mật của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3

Xác suất dung lượng bảo mật khác không của hệ thống. . . . . . 22

1.4

Xác suất dừng bảo mật của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.5

Mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác cơ bản.

1.6

Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp trung kế vô tuyến. . . . . . 26

1.7

Mô hình chuyển tiếp một chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.8

Mô hình chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.9

Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . 29

. . . . . . . . . 25

1.10 Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.11 Khoảng phổ có thể được sử dụng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1

Mô hình hệ thống chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa
chọn nút chuyển tiếp từng phần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE =

1, yE = 0.25, xP = −0.5, yP = −0.5, Cth = {0.1, 0.5, 1} ,
K = 2, M1 = 2, M2 = 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE =

1, yE = 0.25, xP = −0.5, yP = −0.5, Cth = 0.75, K = 3, và
M1 = M2 = M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

vi


vii

2.4

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE =

0.5, yE = 0.5, Cth = 0.25, K = 4, M1 = 2, M2 = 3, M3 = 2
và M4 = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5

Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá
trị M khi xE = 1, yE = 0.25, và K = 1, 2, 4, 6. . . . . . . . . . . 49

2.6

Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá
trị yE khi xE = 0.5, M = 3 và K = 2, 3, 5. . . . . . . . . . . . . 50

2.7

Hệ thống truyền thông đa chặng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.8

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ =

0.01, Cth = 1, K = 2 và K = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.9

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ =

0.01, κ = 0.05, Cth = 1 và K = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.10 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá
trị P/N0 , κ = 0.01 khi K = 2 và K = 4. . . . . . . . . . . . . . 61
2.11 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá
trị P/N0 , K = 4 khi κ = 0.01 và κ = 0.05. . . . . . . . . . . . . 62
2.12 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị κ khi Cth = 1
và thay đổi K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1

Mô hình hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.2

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M =
3, α = 0.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.3

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị M khi P/N0 =

10[dB], α = 0.5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82


viii

3.4

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị α khi P/N0 =

10[dB], M = 3 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị yE khi P/N0 =

10[dB], M = 3, α = 0, 5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6

Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá
trị P/N0 khi M = 3, α = 0.5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . 85

3.7

Mô hình đề xuất bảo mật với Nth nút chuyển tiếp tốt nhất và
gây nhiễu bằng năng lượng thu thập. . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.8

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Ψ [dB] khi M = 3
và xR = 0.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.9

Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo M khi Ψ = 10[dB] và

N = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.10 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo xR khi Ψ = 5 [dB] và

M = 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1

Giao thức chuyển tiếp vô tuyến ba chặng trong mạng cụm
(cluster) với sự xuất hiện của nút nghe lén. . . . . . . . . . . . . 102

4.2

Ảnh hưởng của ρ lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) =

(1, 2) và M = [3 3 3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3

Ảnh hưởng của ρ lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) =

(1, 2) và M = [3 3 3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4

Ảnh hưởng của số chặng lên SOP khi Cth = 1, β = 3,

(xE , yE ) = (1, 2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5

Ảnh hưởng của số chặng lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3,

(xE , yE ) = (1, 2) và ρ = 0.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112


ix

4.6

Ảnh hưởng của số nút chuyển tiếp trong mỗi cụm lên SOP khi

Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2), K = 3 và ρ = 0.9. . . . . . . 113
4.7

Ảnh hưởng của vị trí E lên SOP khi Cth = 1, β = 3, K = 3,

M = [2 2 2] và ρ = 0.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114


DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý nghĩa

Pr(·)

Xác suất

E {·}

Ký hiệu của toán tử trung bình.

fX (x)

Hàm mật độ phân bố xác suất của x.

FX (x)

Hàm phân bố xác suất tích lũy của x.

Ith

Ngưỡng can nhiễu tối đa cho phép của đầu vào máy thu sơ cấp.

C

Dung lượng bảo mật.

Cth

Ngưỡng tối đa của tốc độ truyền cho trước.

β

Hệ số suy hao đường truyền.

η

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu thập.

κ

Mức độ suy giảm phần cứng.

γ

Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm tức thời của kênh truyền.

λ

Giá trị trung bình thống kê của γ .

ρ

Hệ số tương quan giữa kênh truyền thực tế và kênh truyền
ước lượng.

α

Hệ số phân bổ công xuất.

d

Khoảng cách giữa các nút.

P

Công suất phát trung bình.

h

Hệ số kênh truyền.

n

Nhiễu tại đầu vào máy thu.

N0

Phương sai của tạp âm Gauss trắng cộng tính.

G.,.
.,. (.|.)

Hàm MeijerG.
x


MỞ ĐẦU

1. Bối cảnh nghiên cứu
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự
phát triển vượt bậc của lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin và Điện Tử - Viễn
Thông, hệ thống thông tin vô tuyến đang có rất nhiều công nghệ tiên tiến
được ứng dụng nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng, tốc độ và dịch vụ ngày
càng cao của người sử dụng. Trong thực tế, để đáp ứng nhu cầu ngày càng
cao của người sử dụng, hệ thống thông tin vô tuyến thường xuyên đổi mới,
từ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) chỉ truyền tín hiện
tương tự, cung cấp dịch vụ thoại, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

(2G) truyền có khả năng truyền tín hiệu số, cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu
tốc độ thấp, tiếp đến là thế hệ thứ ba (3G) có xu thế chuẩn hóa toàn cầu và
có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ như: thoại, dữ liệu và đa phương tiện với
tốc độ lên đến 02 Mbps. Đến nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư
(4G - LTE) đã được đưa vào khai thác với khả năng nhanh hơn thế hệ thứ
ba từ 04 đến 10 lần và băng thông có thể mở rộng lên đến 40 MHz, tốc độ dữ
liệu tối đa có thể lên đến 100 Mbps khi thiết bị người sử dụng chuyển động
ở tốc độ 250 Km/h. Nối tiếp với thế hệ thứ tư, mạng dữ liệu di động 5G đã
và đang được nghiên cứu nhằm ứng dụng vào cuộc sống, mạng 5G sẽ là chìa
khóa kết nối đa nền tảng trong tương lai gần. Với băng thông rộng và tốc độ
1


2

truyền tải lớn, mạng 5G có thể phục vụ cho mọi lĩnh vực của cuộc sống khi
cả thế giới bước vào kỷ nguyên Internet vạn vật (Internet of Things - IoT).
Lướt qua những số liệu thống kê về hệ thống thông tin vô tuyến trên toàn
cầu đã tăng trưởng khoảng 70% trong năm 2014. Trong đó, chỉ 26% thiết bị
di động thông minh trong tổng số thiết bị di động toàn cầu đã chiếm 88%
tổng lưu lượng dữ liệu di động [166]. Theo Cisco’s Visual Networking Index
(VNI) dự đoán, đến năm 2019 số lượng thiết bị di động thông minh chiếm
hơn phân nửa số lượng thiết bị trong mạng thông tin di động [166]. Giờ đây,
thiết bị di động đã trở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực và không thể thiếu
đối với mỗi người sử dụng. Tuy nhiên với sự phát triển quá mạnh mẽ của
thiết bị di động đã đẩy người dùng vào những rủi ro mất an ninh, an toàn
thông tin. Với việc sử dụng phổ biến các thiết bị di động để kết nối, tải, cập
nhật, lưu trữ dữ liệu thông qua các Internet đã làm thay đổi hoàn toàn phạm
vi, cách thức bảo vệ dữ liệu. Như vậy, các vấn đề về bảo mật và an toàn
thông tin trong mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới đang ngày càng tỏ rõ

tầm quan trọng, khi mạng thông tin vô tuyến đang xâm nhập sâu rộng và
trở thành các công cụ không thể thiếu trong các lĩnh vực của đời sống kinh
tế - xã hội và an ninh - quốc phòng.
Cùng với các dịch vụ được đảm bảo bởi sự phát triển của các công nghệ,
lưu lượng thông tin người dùng được trao đổi thường xuyên trên các hệ thống
thông tin, đặc biệt là các thiết bị người dùng sử dụng kênh truyền vô tuyến.
Do đặc tính quảng bá của kênh truyền, hệ thống truyền thông vô tuyến dễ
bị nghe lén và tấn công mạo danh. Hai yếu tố bảo mật cơ bản được thể hiện
trong các hệ thống truyền thông vô tuyến để chống lại các mối đe dọa này
là bảo mật và xác thực. Tính bảo mật đảm bảo rằng người nghe lén không


3

thể đọc được thông tin. Tính xác thực đảm bảo rằng người nhận tin có thế
xác định được nguồn gốc tin tức và bất kỳ kẻ tấn công nào cũng không thể
giả mạo là nguồn tin. Các phương pháp bảo mật truyền thống đã sử dụng
các thuật toán mật mã đối xứng và bất đối xứng để đạt được sự bảo mật
và xác thực trong truyền thông. Điểm chung là các thuật toán này được áp
dụng ở lớp ứng dụng (Application layer) với giả sử rằng kênh truyền giữa
máy phát và máy thu (Physical layer) đã được thiết lập và không lỗi. Tuy
nhiên, do sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống vô tuyến không tập trung
(Decentralized networks) với khả năng truyền tải dữ liệu lớn và tính di động
cao, việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã dữ liệu phức tạp (ở lớp ứng
dụng) trở nên khó khăn và không hiệu quả trong môi trường vô tuyến phađinh nhanh. Hơn nữa, việc nghe lén, nhiễu kênh truyền và truy cập không
xác thực là sự tấn công lên hệ thống thông tin vô tuyến ở lớp vật lý.
So với công nghệ mã hóa được thực hiện ở các lớp trên, bảo mật lớp vật
lý có một số lợi thế. Bảo mật lớp vật lý bảo đảm an toàn thông tin hơn theo
một số cách khác nhau. Ví dụ, các đặc tính vật lý của các kênh vô tuyến được
khai thác để đảm bảo tính bảo mật của tin tức cùng với sự trợ giúp của việc

mã hóa và xử lý tín hiệu thích hợp, khi đó thông tin được đảm bảo chỉ được
giải mã bởi những người nhận đã được xác định. Trong khi còn có nhiều rủi
ro trong các phương pháp mã mật, do sự phát triển nhanh chóng của công
nghệ máy tính, người nghe lén có thể truy cập đến các khả năng tính toán vô
hạn để khởi động các cuộc tấn công phá vỡ lưu lượng hay tấn công phân tích
hệ thống [124] và đó là mối nguy hiểm đối với bất kỳ hệ thống mật mã nào.
Ngoài ra, bảo mật lớp vật lý có thể được thực hiện bằng nhiều cách hết sức
thuận tiện, thay vì sử dụng các tài nguyên hoặc cơ sở hạ tầng truyền thông


4

lớn để chia sẻ các thông tin mật mã giữa các thực thể hợp pháp [125], bảo
mật lớp vật lý không cần phải xem xét các giao thức bảo mật được thực hiện
như thế nào và nó cũng không đòi hỏi phải thực hiện bất kỳ cơ chế bảo mật
bổ sung nào ở các lớp khác trên lớp vật lý. Hơn nữa, xác thực ở lớp vật lý
có thể xác thực các nút hợp pháp một cách nhanh chóng trước khi giải điều
chế và giải mã tín hiệu để tránh lãng phí trong việc xử lý các tín hiệu không
mong muốn. Vì vậy, luận án tập trung nghiên cứu vào một cơ chế an ninh bổ
sung, đó là bảo mật thông tin được thực hiện ở lớp vật lý, bằng cách khám
phá tính chất ngẫu nhiên của phương tiện truyền tải lớp vật lý để đạt được
cả tính bảo mật và xác thực.
Trong hai thập kỷ qua, dựa trên các lý thuyết toán học, các nhà nghiên cứu
đã phát triển một số lượng đáng kể các công nghệ, các thuật toán và các giải
pháp để giải quyết các vấn đề thách thức của bảo mật lớp vật lý [33,128,149].
Mặc dù tập trung vào các vấn đề khác nhau, tùy thuộc vào từng kịch bản,
những thách thức chính của nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý vẫn không thay
đổi, chẳng hạn như: định lượng dung lượng bảo mật; ảnh hưởng của mức độ
hoàn hảo của trạng thái kênh truyền; ảnh hưởng của pha-đinh; ảnh hưởng
của phần cứng không lý tưởng; truyền thông hợp tác; vô tuyến nhận thức

v.v. . . Với những ảnh hưởng đó, nên khi kênh nghe lén được cải thiện, việc
mất khả năng bảo mật hoàn toàn có thể xảy ra. Vì vậy, làm cách nào để nâng
cao hiệu năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến trong điều kiện bất
lợi vẫn là một vấn đề mở.
Hiện nay, các công trình nghiên cứu về bảo mật ở lớp vật lý tập trung theo
hướng dùng khóa bí mật hay không dùng khóa bí mật, đó là:


5

• Khai thác tính ngẫu nhiên và tính tương thích của kênh truyền vô tuyến
để tạo khóa bí mật. Với phương pháp này, kênh chính phải đủ tốt để tạo
khóa bí mật và nút nghe lén có khoảng cách đủ xa [34, 131].

• Sử dụng các giao thức truyền thông để tối đa hóa tốc độ mà không cần
dùng khóa bí mật. Các giao thức truyền thông hoạt động theo kịch bản
sao cho tỉ số SNR tại mọi nút phát (gồm nút nguồn và nút chuyển tiếp)
đạt được giá trị lớn nhất và tỉ số SNR của nút nghe lén bị hạn chế bởi
các giao thức truyền thông: chuyển tiếp, hợp tác,. . .
Luận án của nghiên cứu sinh được đặt ra trong bối cảnh nghiên cứu này,
với mục tiêu nâng cao hiệu năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý bằng cách
sử dụng các phương pháp kỹ thuật tiên tiến như: truyền thông hợp tác sử
dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, gây nhiễu nhân tạo, truyền
thông đa chặng và nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái kênh truyền không
hoàn hảo lên hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông vô tuyến. Từ đó,
luận án xây dựng các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến nhằm nâng cao
hiệu năng bảo mật và đảm bảo các tiêu chí về tốc độ truyền dẫn, chất lượng
dịch vụ nhằm hướng tới khả năng ứng dụng vào trong xây dựng, triển khai
các hệ thống thông tin vô tuyến thực tế.
2. Các công trình nghiên cứu liên quan

Khi nói về bảo mật thông tin ở lớp vật lý, chúng ta không thể không nhắc
đến Shannon, là người đã đề xuất, phân tích lý thuyết về lý thuyết bảo mật
thông tin [128], theo đó mức độ bảo mật phụ thuộc vào lượng thông tin những
người nghe lén biết được. Tiếp theo đó, các khái niệm ban đầu về bảo mật
lớp vật lý được đưa ra trong nghiên cứu [149], Wyner đã chỉ ra rằng khi kênh


6

của người sử dụng hợp pháp có điều kiện truyền lan tốt hơn so với người
nghe lén, thì hệ thống truyền thông có thể đạt được bảo mật hoàn hảo mà
không cần dùng bất cứ một loại mã mật nào. Tuy nhiên, khi các điều kiện
kênh trong mạng vô tuyến không thuận lợi cho người dùng hợp pháp, dung
lượng bảo mật có thể rất thấp hoặc thậm chí giảm xuống không.
Một số nghiên cứu [22, 64, 69, 132] là những bài báo tiêu biểu về lĩnh vực
bảo mật lớp vật lý. Trong [22], các tác giả đã trình bày giải pháp bảo mật lớp
vật lý cho hệ thống truyền thông vô tuyến bằng kỹ thuật hợp tác, sử dụng
nút chuyển tiếp gây nhiễu cho nút nghe lén. Bài báo [64] tập trung vào việc
xử lý tín hiệu kết hợp với mã hóa kênh để tăng tính bảo mật của hệ thống.
Trong [69], các tác giả trình bày tổng quan về xử lý tín hiệu trong các hệ
thống vô tuyến sử dụng nhiều anten để nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật
lý, bài báo này tập trung vào xử lý bảo mật tín hiệu trong truyền dữ liệu và
ước lượng kênh. Trong [132], tác giả liệt kê các phương thức tấn công thường
được sử dụng và các yêu cầu về bảo mật hệ thống, qua đó bài báo giới thiệu
năm chủ đề nghiên cứu chính về bảo mật lớp vật lý, bao gồm: dung lượng
bảo mật, tiền mã hóa kênh, mã hóa, tối ưu công suất và phương thức tiếp
cận lựa chọn tín hiệu.
Nghiên cứu [127, 129] tập trung vào các vấn đề rất cụ thể của bảo mật.
Trong [127], các tác giả nghiên cứu, thảo luận chi tiết về các biện pháp ngăn
chặn đối với tấn công gây nhiễu cho hệ thống vô tuyến trong quá trình đồng

bộ và ước lượng kênh. Trong [129], các tác giả thảo luận về các vấn đề bảo
mật lớp vật lý và các lớp trên trong các mạng vô tuyến nhận thức bằng cách
giới thiệu các mối đe dọa về an ninh và các biện pháp đối phó. Trong bài
báo [57], các tác giả đã thực hiện nghiên cứu bảo mật lớp vật lý cho mạng


7

chuyển tiếp ngang hàng phục vụ nhiều người sử dụng với kỹ thuật Giải mãvà-Chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) có sự hiện diện của một nút nghe
lén. Bài báo xem xét sự công bằng của người sử dụng với khả năng bảo mật
tối đa trong khi công suất phát bị giới hạn. Bên cạnh đó, nghiên cứu quan
tâm đến giảm thiểu công suất truyền dẫn nhằm giảm thiểu tối đa công suất
phát ở các nút chuyển tiếp sao cho thỏa mãn dung lượng bảo mật cho các
người dùng. Trong [62], tác giả nghiên cứu vấn đề tối đa hóa dung lượng bảo
mật trong mạng hợp tác ngang hàng trong khi các nút chuyển tiếp được khai
thác bởi nhiều cặp nút nguồn. Trong [110], tác giả nghiên cứu ảnh hưởng
cấu trúc mạng của người dùng tác động như thế nào lên dung lượng bảo mật
của hệ thống ở cả hai kỹ thuật hợp tác DF và Khuếch đại-và-Chuyển tiếp
(Amplify-and-Forward - AF) .
Một trong những giải pháp hiệu quả trong nghiên cứu bảo mật lớp vật
lý đó là truyền thông đa chặng. Trong [130], K. Shim và các cộng sự nghiên
cứu, xem xét mạng vô tuyến nhận thức đa chặng sử dụng kỹ thuật DF dưới
sự tác động của trạng thái kênh truyền không hoàn hảo qua kênh pha-đinh
Rayleigh. Bài báo cũng quan tâm đến số chặng của mạng truyền thông, kết
quả của bài báo là biểu thức tường minh của hiệu năng bảo mật của hệ thống.
Bài báo [108] đề xuất sử dụng các nút chuyển tiếp để nâng cao dung lượng
bảo mật ergodic của mạng truyền thông đa chặng sử dụng kỹ thuật DF với
sự hiện diện của nhiều nút nghe lén độc lập. Mô hình đề xuất dựa trên xu
hướng tiếp cận về bảo mật lớp vật lý gần đây, đó là gây nhiễu nhân tạo. Nút
chuyển tiếp ở các chặng thực hiện gây nhiễu có chủ đích lên nút nghe lén. Vấn

đề ở đây là tối ưu phân bổ công suất phát của nút chuyển tiếp sao cho dung
lượng bảo mật là lớn nhất. Trong bài báo [4], Alotaibi và Hamdi quan tâm


8

đến việc nâng cao dung lượng bảo mật toàn chặng của mạng vô tuyến chuyển
tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF. Đầu tiên, tác giả xem xét
đến dung lượng bảo mật của hệ thống khi không dùng biện pháp gây nhiễu,
sau đó đề xuất biện pháp sử dụng nút gây nhiễu với giả sử là thông tin trạng
thái kênh truyền đã được biết trước một cách hoàn hảo. Kết quả của bài báo
chứng minh được rằng với sự hỗ trợ của nút chuyển tiếp làm nhiệm vụ gây
nhiễu, dung lượng bảo mật của hệ thống được cải thiện hơn. Trong nghiên
cứu [102], Mo cùng cộng sự nghiên cứu hiệu năng bảo mật của hệ thống vô
tuyến hợp tác, bài báo khảo sát khả năng bảo mật của hệ thống ở hai kỹ
thuật chuyển tiếp DF và Ngẫu nhiên-và-Chuyển tiếp (Random-and-Forward
- RF). Kết quả của bài báo khẳng định rằng, trong truyền thông hợp tác sử
dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF, hiệu năng bảo mật của hệ thống tốt hơn cho
dù vị trí của các nút trong mô hình được bố trí ngẫu nhiên. Đa phần các
nghiên cứu khác đều giả sử rằng các nút làm việc ở chế độ bán song công,
trong [91], Lee nghiên cứu bảo mật của hệ thống truyền thông chuyển tiếp đa
chặng với các nút chuyển tiếp hoạt động ở chế độ song công. Các nút chuyển
tiếp này được thiết kế để truyền tín hiệu gây nhiễu đến nút nghe lén khi nhận
dữ liệu từ nút lân cận trước đó. Trong nghiên cứu này, vấn đề phân bổ công
suất được giải quyết bằng phương pháp lập trình hình học, tối ưu vị trí của
các nút chuyển tiếp. Kết quả của bài báo cho thấy hiệu quả vượt trội của chế
độ song công so với chế độ bán song công.
Hầu hết các nghiên cứu bảo mật ở lớp vật lý với giả sử rằng trạng thái
kênh truyền là hoàn hảo. Tuy nhiên, trong thực tế trạng thái kênh truyền là
không hoàn hảo. Trong [162], Zheng và cộng sự đã nghiên cứu bảo mật lớp

vật lý sử dụng kỹ thuật đa anten kết hợp gây nhiễu nhân tạo với trạng thái


9

kênh truyền không hoàn hảo có sự hiện diện của một nút nghe lén. Tác giả
đưa ra giải pháp tối ưu phân bố công suất cho tín hiệu dữ liệu và tín hiệu gây
nhiễu để xác suất dừng bảo mật là nhỏ nhất và dung lượng bảo mật là lớn
nhất. Hơn nữa, bài báo cũng cho thấy lỗi ước lượng kênh truyền ảnh hưởng
như thế nào đến công suất phát ở hai mục tiêu trên. Khi lỗi ước lượng tăng,
công suất phát cần phải lớn để xác suất dừng bảo mật giảm, tuy nhiên khi
tăng công suất phục vụ gây nhiễu thì xác suất dừng bảo mật lại tăng. Bài
báo [88] khảo sát hệ thống truyền thông chuyển tiếp M nút sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp AF, trong hai kịch bản là chuyển tiếp ngẫu nhiên và chuyển tiếp
có lựa chọn khi ước lượng kênh truyền lỗi. Trước hết, nghiên cứu đưa ra được
biểu thức tường minh của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise
- SNR) tức thời từ đầu cuối đến đầu cuối. Tiếp theo đó là biểu thức xấp xỉ
cho tỉ lệ lỗi bit trung bình của hệ thống, xác suất dừng, dung lượng Shannon.
Bài báo cho thấy rằng, khi các nút hợp tác di chuyển, hiệu năng bảo mật của
hệ thống suy giảm nghiêm trọng so với hệ thống cố định.
Kỹ thuật thu thập năng lượng (Energy Harvesting - EH) trong truyền
thông vô tuyến đã có được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu, đặc
biệt đối với các thiết bị có nguồn pin hạn chế và khó khăn khi thay thế hoặc
nạp lại pin, các thiết bị hoạt động trong môi trường nguy hiểm hay trong cơ
thể con người. Giải pháp thu thập năng lượng dựa trên thực tế là các tín hiệu
vô tuyến đồng thời vừa mang thông tin và năng lượng, do đó cho phép các
thiết bị vô tuyến có năng lượng hạn chế có thể đồng thời vừa thu nhận thông
tin và năng lượng. Gần đây, một số nghiên cứu về bảo mật thông tin ở lớp
vật lý cho các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng đã
được công bố. Trong [116], tác giả và cộng sự khảo sát mô hình chuyển tiếp

10

AF và gây nhiễu nhân tạo, nút chuyển tiếp thực hiện thu thập năng lượng
tại pha thứ nhất và gửi tín hiệu gây nhiễu đến nút nghe lén tại pha thứ hai.
Kết quả của nghiên cứu khảo sát hai kỹ thuật thu thập năng lượng, đó là
chuyển tiếp chuyển mạch thời gian (Time Switching Relaying Protocol) và
chuyển tiếp phân chia năng lượng (Power Splitting Relaying Protocol) trên
cơ sở giá trị dung lượng bảo mật của hệ thống. Trong [161], các tác giả nghiên
cứu kỹ thuật thu thập năng lượng cho hệ thống vô tuyến đa truy nhập phân
chia theo tần số trực giao nhiều người sử dụng. Nghiên cứu này phân tích tối
ưu thu thập năng lượng cho tất cả người dùng mà vẫn đảm bảo được dung
lượng bảo mật bằng cách phân bổ sóng mang và tỉ lệ phân chia năng lượng
cho thu thập và xử lý tín hiệu. Trong bài báo [68], các tác giả đã đưa ra kết
quả xác suất dừng bảo mật của hai kịch bản i) lựa chọn nút chuyển tiếp tốt
nhất và gây nhiễu ngẫu nhiên và ii) lựa chọn nút gây nhiễu và chuyển tiếp
ngẫu nhiên.
3. Mục đích nghiên cứu

• Đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng bảo
mật của hệ thống truyền thông đa chặng.

• Nghiên cứu hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông đa chặng trong
môi trường vô tuyến nhận thức.

• Nghiên cứu kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu trong hệ
thống truyền thông hợp tác.

• Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vào hệ thống truyền

thông hợp tác.


11

• Đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến hợp tác trong điều
kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo.

• Ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF trong hệ thống vô tuyến hợp tác.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

• Hệ thống thông tin vô tuyến hợp tác.
• Kênh truyền pha-đinh Rayleigh.
• Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp vô tuyến.
• Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác.
• Hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp đa chặng trong môi trường vô
tuyến nhận thức.

• Kỹ thuật thu thập năng lượng.
5. Phương pháp nghiên cứu

• Tổng hợp kiến thức về bảo mật thông tin ở lớp vật lý cũng như các kiến
thức liên quan đến nội dung luận án.

• Nghiên cứu, tổng hợp kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan
trong và ngoài nước.

• Đề xuất, xây dựng mô hình hệ thống thông tin vô tuyến theo mục đích
nghiên cứu.

• Mô hình hóa toán học cho hệ thống thông tin vô tuyến đề xuất trên kênh
truyền pha-đinh Rayleigh.