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

5. Đánh giá hệ thống truyền thông hợp tác chuyển tiếp theo cụm trong
điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo, sử dụng kỹ thuật
lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình để lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất.
B. Hướng phát triển của luận án
Qua các mô hình đánh giá và đề xuất, NCS nhận thấy cịn có các vấn đề
nghiên cứu trong tương lai theo các hướng như sau:
1. Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông vô
tuyến hợp tác làm việc ở chế độ song cơng hồn tồn trong các kênh truyền
Nakagami-m và Rician;
2. Đánh giá mơ hình mạng cụm vô tuyến chuyển tiếp trong môi trường
vô tuyến nhận thức dạng chồng chập hoặc đan xen;
3. Nghiên cứu các mô hình đã được đề xuất và đánh giá với kỹ thuật
chuyển tiếp hai chiều;
4. Nghiên cứu tối ưu khoảng cách của các nút chuyển tiếp hay sử dụng kỹ
thuật MIMO trong hệ thống truyền thông đa chặng;
5. Nghiên cứu bảo mật thông tin ở lớp vật lý cho hệ thống truyền khơng
trực giao (NOMA).

BỘ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

CHU TIẾN DŨNG

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

Chun nghành: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
Mã số: 9.52.02.08

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2019


Cơng trình hồn thành tại:

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
2. TS. Nguyễn Lương Nhật

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại:
Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng,
Vào lúc: . . . giờ, ngày . . . tháng . . . năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Quốc gia.
Thư viện Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông.

KẾT LUẬN

Trong luận án này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu chi tiết về hệ thống
truyền thông vô tuyến đa chặng và hệ thống truyền thông vô tuyến hợp tác.
Luận án khảo sát các hệ thống truyền thông đa chặng: i) trong môi trường vô
tuyến nhận thức; ii) dưới sự tác động của phần cứng không lý tưởng; iii) ảnh
hưởng của trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo. Đối với hệ thống vô tuyến

truyền thông hợp tác, luận án đề xuất mơ hình chuyển tiếp và gây nhiễu có
lựa chọn sử dụng kỹ thuật RF. Bên cạnh đó, luận án cũng đề xuất mơ hình
truyền thơng vơ tuyến hợp tác lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu bằng
năng lượng thu thập.
A. Các kết quả của luận án
Các kết quả chính đạt được của luận án có thể tóm tắt như sau:
1. Nghiên cứu, khảo sát mạng vơ tuyến chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ
thuật chuyển tiếp RF trong môi trường vô tuyến nhận thức với các chặng
chuyển tiếp được tổ chức gồm nhiều nút chuyển tiếp (cụm). Luận án đã đưa
ra được biểu thức chính xác của xác xuất dừng bảo mật vào dung lượng bảo
mật khác không của hệ thống.
2. Đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng bảo
mật của hệ thống vô tuyến truyền thông đa chặng trên kênh truyền pha đinh
Rayleigh. Luận án đưa ra được biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo
mật và dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.
3. Đề xuất một mơ hình truyền thơng vơ tuyến hợp tác gây nhiễu và
chuyển tiếp có lựa chọn trên kênh truyền pha đinh Rayleigh. Luận án đưa ra
biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo mật, dung lượng bảo mật khác
không và dung lượng bảo mật trung bình.
4. Đề xuất một mơ hình truyền thơng vơ tuyến hợp tác lựa chọn nút
chuyển tiếp tốt nhất và gây nhiễu bằng năng lượng thu thập. Luận án đưa
ra biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo mật của mơ hình đề xuất.
21


Hình 4.3: Ảnh hưởng của

10 0

số nút chuyển tiếp trong

MỞ ĐẦU

mỗi cụm lên SOP khi
Cth
10

-1

=

1, β

=

3,

(xE , yE ) = (1, 2), K = 3
và ρ = 0.9.

10 -2

0

5

10

15
20

SNR trung bình [dB]

25

30

và tỷ số độ lợi kênh truyền trung bình giữa kênh hợp pháp và kênh nghe lén.
Kết quả mô phỏng ở Hình 4.6 cho thấy cụm có số lượng nút chuyển tiếp
tối thiểu sẽ quyết định hiệu năng bảo mật của hệ thống.

4.3

Kết luận chương

Trong Chương 4, luận án đã trình bày mơ hình mạng vơ tuyến chuyển
tiếp theo cụm sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, kết hợp
với phương pháp ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp dưới sự tác động của thông tin
trạng thái kênh truyền. Các giá trị SOP và PrNZ thể hiện hiệu năng bảo
mật của hệ thống tăng khi số nút và số cụm chuyển tiếp tăng, điều này đồng
nghĩa với việc tăng dung lượng cho kênh chính.
Các kết quả được cơng bố trong cơng trình số 04.

20

1. Bối cảnh nghiên cứu Hệ thống thông tin vô tuyến đang được ứng dụng
nhiều công nghệ tiên tiến nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng, tốc độ và
dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng, đặc biệt là các thiết bị người dùng
sử dụng kênh truyền vơ tuyến. Do đặc tính quảng bá của kênh truyền, hệ
thống truyền thông vô tuyến dễ bị nghe lén và tấn công mạo danh.
Bảo mật lớp vật lý không cần phải xem xét các giao thức bảo mật được

thực hiện như thế nào và nó cũng khơng địi 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.
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 khơng
hồn hảo lên hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thơng vơ tuyến.
2. 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.
- Đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến hợp tác trong điều
kiện thông tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo. - Ứng dụng kỹ thuật
chuyển tiếp RF trong hệ thống vô tuyến hợp tác.
1


3. 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.
4. 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 cơng trình nghiên cứu liên quan trong
và ngồi nước.
- Đề xuất, xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến theo mục đích
nghiên cứu.
- Mơ hình hóa tốn học cho hệ thống thơng tin vơ tuyến đề xuất trên kênh
truyền pha-đinh Rayleigh.
- Tính tốn, phân tích các tham số đánh giá hiệu năng bảo mật của mơ hình
đề xuất.
- Sử dụng phương pháp mơ phỏng Monte-Carlo mơ phỏng kết quả tính tốn,
phân tích trên phần mềm Matlab.
- Kiểm chứng, nhận xét kết quả mô phỏng và kết quả tính tốn, phân tích.
5. Bố cục luận án:
Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến và đảm bảo an tồn thơng tin
ở lớp vật lý.
Chương 2: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vơ tuyến truyền thơng
đa chặng.
Chương 3: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến truyền thông
hợp tác.
Chương 4: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vơ tuyến truyền thông
hợp tác trong điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo.

4.2.2 Phân tích hiệu năng hệ thống
4.2.2.1

Xác suất dừng bảo mật

Xác suất dừng bảo mật của hệ thống được biểu diễn như (4.21):
Mk

K

1−

SOP = 1−

(−1)

+1

(4.21)

=1

k=1

× 1 − exp

4.2.2.2

Mk

(θ − 1)
ηDk (1 + ( − 1) (1 − ρ2 ))

1

1+

ηEk θ
ηDk (1+( −1)(1−ρ2 ))

Xác suất dung lượng bảo mật khác khơng

Xác suất bảo mật khác khơng tồn hệ thống Pr(Ce2e > 0):
Mk

K

1−

Pr(Ce2e > 0) =

Mk

(−1)

=1

k=1

+1

1−

1
1+

ηEk
ηDk (1+( −1)(1−ρ2 ))

(4.26)
4.2.3 Mơ phỏng và đánh giá kết quả
100

Hình 4.2: Ảnh hưởng của
ρ lên SOP khi Cth = 1,

-1

10

β = 3, (xE , yE ) = (1, 2)
và M = [3 3 3].

10-2
ρ = 0.7
ρ = 0.9
ρ = 0.95

10-3

ρ = 0.99
ρ=1

10-4

0

5

10

15
20
SNR trung bình [dB]

25

30

Kết quả mơ phỏng ở Hình 4.2 cho thấy rõ ràng rằng giá trị SOP tiến đến
một giới hạn khi giá trị SNR ở miền cao, đó là một hàm của số lượng chặng
2

.

19

.


Chương 4

Chương 1

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ

THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THƠNG HỢP

ĐẢM BẢO AN TỒN THƠNG TIN

TÁC TRONG ĐIỀU KIỆN THƠNG TIN TRẠNG

Ở LỚP VẬT LÝ

THÁI KÊNH TRUYỀN KHƠNG HỒN HẢO

1.1

Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến
Các tham số hiệu năng bảo mật

4.1

Các nghiên cứu liên quan

1.2

4.2

Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu

1.2.1 Dung lượng bảo mật
Dung lượng bảo mật thông tin được định nghĩa như sau:

năng bảo mật của mạng chuyển tiếp

C = [CD − CE ]+

4.2.1 Mơ hình hệ thống

=
Hình

E

4.1:

Giao

chặng trong mạng cụm

R

S
R

D

R

R

(cluster) với sự xuất hiện

của nút nghe lén.

D

R

γD > γE
γD ≤ γE .

(1.11)

thức

chuyển tiếp vô tuyến ba

R

log2 (1 + γD ) − log2 (1 + γE ),
0,

1.2.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác không
Thông số này thể hiện xác suất mà dung lượng Shannon của kênh truyền
dữ liệu lớn hơn kênh truyền nghe lén.
Pr(C > 0) = Pr(γD > γE )

(1.12)

D

1.2.3 Xác suất dừng bảo mật

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 bảo mật mong muốn.
Q trình truyền thơng tin từ nút nguồn đến nút đích được sự hỗ trợ
bởi các cụm nút chuyển tuyếp. Trong cụm k , có Mk nút chuyển tiếp theo kỹ
thuật chuyển tiếp RF.
18

Pr(C < Cth ) = 1 −

C
λD + λE
− 2 λth −1
D
e
.
λD + 2Cth γE

3

(1.18)


1.3

Truyền thơng hợp tác

Hình 3.7: Xác suất dừng

0.8

Truyền thơng hợp tác hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu, tăng thông lượng và mở
rộng vùng phủ sóng cho hệ thống truyền thơng vô tuyến.

bảo mật biểu diễn theo M

0.7

khi Ψ = 10[dB] và N = 1.

0.6

0.5

1.3.1 Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến

R
R

0.4
R

Chuyển tiếp một chiều.
Chuyển tiếp hai chiều.
Chuyển tiếp chia sẻ.

R

0.3

= 0.25 )

= 0.25 )
= 0.75)
= 0.75 )

0.2

0.1
1

Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp
Kỹ thuật Giải mã-và-Chuyển tiếp
Kỹ thuật Ngẫu nhiên-và-Chuyển tiếp

1.3.3 Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp
Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình.
Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tồn trình.

1.4

Vơ tuyến nhận thức

Vơ tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp phép sử
dụng tần số có thể truy nhập một phổ rỗi của một người dùng có giấy phép
sử dụng tần số để truyền dẫn thông tin sao cho chỉ gây ra can nhiễu tối thiểu
tới các người dùng có giấy phép hoạt động trong dải tần đó.

1.5

2

3

4

5

6

7

8

9

Trong Hình 3.9, xác suất dừng bảo mật của cả hai giao thức PP và CC
giảm khi số lượng nút chuyển tiếp M tăng. Hơn nữa, vị trí của nút chuyển
tiếp có tác động rất lớn đến hiệu năng bảo mật của hệ thống.

3.3

Kết luận chương

Trong Chương 3, luận án đã khảo sát hiệu năng bảo mật của hệ thống
vô tuyến hợp tác, sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu.
Luận án đề xuất cụm nút chuyển tiếp có khả năng thu thập năng lượng để
thực hiện chuyển tiếp dữ liệu và gây nhiễu cho nút nghe lén.
Các kết quả được công bố trong cơng trình số 03 và số 05.

Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày các vấn đề cơ bản về bảo mật thông tin ở lớp vật
lý, các tham số thể hiện hiệu năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến,
truyền thông hợp tác, các phương pháp chuyển tiếp, các kỹ thuật chuyển tiếp
trong hệ thống thông tin vô tuyến và vô tuyến nhận thức.

4

10

M

1.3.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vơ tuyến

17


Hình 3.6: Xác suất dừng

100

bảo mật biểu diễn theo giá

Chương 2

trị Ψ [dB] khi M = 3 và
xR = 0.5.

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

10-1

THỐNG VƠ TUYẾN TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG
10-2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ψ [dB]

2.1

2.1.1 Các nghiên cứu liên quan

Biểu thức xác suất dừng bảo mật của mơ hình CC như sau:

Sec
SOPCC = Pr CCC
< Cth


(3.66)

N M −j+1

(−1)t

=1 − 
j=1

t=0

M −j+1
t

× exp − (t + j − 1) λSR

θ−1
Ψ

N
j−1

Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng

2.1.2 Mơ hình hệ thống đề xuất

λSE
λSE + (t + j − 1) λSR θ

λRE
θ−1
exp −λRD
λRE + λRD θ
Ψ

.

Mạng thứ cấp gồm một nút nguồn và một nút đích, với sự hiện diện của
một nút nghe lén. Nút nguồn truyền tin đến nút đích qua K cụm chuyển
tiếp.

Xem xét tại giá trị Ψ cao, xác suất dừng bảo mật được biểu diễn như biểu
thức (3.67):

N M −j+1
Ψ→+∞
M −j+1
N

SOPCC ≈ 1 − 1 −
(−1)t
t
j−1
t=0

PU-Tx

thống

(3.67)

3.2.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả
Quan sát từ Hình 3.8, xác suất dừng bảo mật của giao thức đề xuất PP
tốt hơn rất nhiều so với giao thức CC cho tất cả các giá trị của N và Ψ. Điều
này chứng minh rằng, gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn có hiệu năng bảo
mật rất lớn đối với hệ thống truyền thơng hợp tác.
16

chuyển

tiếp

đa

chặng sử dụng kỹ thuật

j=1

λSE
λRE
×
.
λSE + (t + j − 1) λSR θ λRE + λRD θ

Hình 2.1: Mơ hình hệ

PU-Rx

R

R

S

R

R

R

R

R
R

Cụm 1

Cụm 2

R

Cụm K

E

5

lựa chọn nút chuyển tiếp
D

từng phần.


2.1.3 Phân tích hiệu năng hệ thống

3.2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
Xác suất dừng bảo mật theo mơ hình đề xuất:

Xác suất dừng bảo mật

SOP

Q→+∞

≈

Mi

K

(−1)n+1

1−
i=1

n=1

λi−1,E
Mi
.
n λi−1,E + nλi−1,i θ



(2.19)

Mi

(−1)n+1

PrNZ =
i=1

n=1

(2.23)

bảo mật biểu diễn theo

0.8

giá trị Q [dB] khi xE =

0.7

1, yE

0.6

−0.5, yP = −0.5, Cth =

0.5

0.75, K = 3, và M1 =

0.4

M2 = M3 .

=

0.25, xP

=

0.3

0

5

10

15

ω

0 − −
0 0 0

(3.61)

.

Với trường hợp tỉ số tín hiệu trên tạp âm (Ψ) cao, dung lượng bảo mật được
biểu diễn như sau:

0.9

-5

λRE
θ
+ λRD
Ψ
Ψ

× G3,1
1,3

Hình 2.2: Xác suất dừng

-10

N

j−1

λSE
θ−1
exp − (t + j − 1) λSR
λSE + (t + j − 1) λSR θ
Ψ
θω
θ−1
θ−1
− λRD
exp −λRD
× exp −λRD
Ψ
Ψ
Ψ

2.1.4 Mơ phỏng và đánh giá kết quả

0.2
-15

t=0

M −j+1
t

×

λi−1,E

Mi
.
n λi−1,E + nλi−1,i

1

(−1)t
j=1

Xác suất dung lượng bảo mật khác không
K

N M −j+1

SOPPP =1 − 1 −


SOPPP

Ψ→+∞

N M −j+1

(−1)t

≈ 1 − 1 −
j=1

t=0

M −j+1
t

N
j−1

λSE
λSE + (t + j − 1) λSR θ
θ−1
θω
θ−1
× exp −λRD
− λRD
exp −λRD
Ψ
Ψ
Ψ
×

× G3,1
1,3

λRE
θ
+ λRD
Ψ
Ψ

ω

0 − −
0 0 0

.

(3.63)

20

Q [dB]

Trong Hình 2.3, Ta thấy rằng SOP giảm đáng kể khi ta tăng số lượng nút
trong mỗi cụm.
Hình 2.6 cho ta nhận xét, PrNZ tăng khi E cách xa tuyến truyền dữ liệu
từ nguồn đến đích.
6

Thực hiện so sánh với mơ hình hợp tác thơng thường - CC, không sử dụng
nút chuyển tiếp thu thập năng lượng để gây nhiễu cho nút nghe lén. Dung
lượng bảo mật của mơ hình CC được tính bởi:
Sec
Sec
Sec
CCC
= min C1,CC
, C2,CC

15

+

,

(3.64)


Hình 3.4: Xác suất dừng
0.65
0.6
0.55

bảo mật biểu diễn theo giá

0.5

lượng bảo mật khác khơng

0.9
0.8

trị α khi P/N0 = 10[dB],

0.45

Hình 2.3: Xác suất dung

1

biểu diễn theo giá trị yE

0.7

0.4

M = 3 và Cth = 1.

0.35

khi xE = 0.5, M = 3 và

0.6

0.3

0.5

0.25

0.4

K = 2, 3, 5.

K = 2)

K = 3)

0.3
K = 5)

0.2

0.2
0.1

0.15
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

0.9

0

α

0.2

0.4

0.6

0.8

1

yE

Kênh dữ liệu
Kênh nghe lén
Kênh gây nhiễu

R1

R2

R

D

BD

B

RM

R

2.2

nút chuyển tiếp tốt nhất

2.2.1 Các nghiên cứu liên quan

Hệ thống mạng gồm một nút nguồn và một nút đích, có sự hiện diện của
một nút nghe lén. Trên kênh chính, các nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp RF.

E


SR

Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng khơng lý tưởng

2.2.2 Mơ hình hệ thống đề xuất

lượng thu thập.

BE

SE

S

xuất bảo mật với Nth

và gây nhiễu bằng năng

RB
SR

Hình 3.5: Mơ hình đề

R E
J

J

RJ Nút gây nhiễu

Hình 2.4: Hệ thống truyền
S

3.2

hM,1

hM,K

R1

D

thơng đa chặng.

Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật
hE,1

hE,2

hE,K

thu thập năng lượng
Kênh dữ liệu

3.2.1 Các nghiên cứu liên quan

E

Kênh nghe lén

3.2.2 Mơ hình hệ thống đề xuất
Mơ hình gồm một nút nguồn, một nút đích và các nút chuyển tiếp và có
sự hiện diện của một nút nghe lén (Hình 3.7).
Dung lượng bảo mật toàn chặng được biểu diễn theo biểu thức:
Sec
CPP
= min C1Sec , C2Sec

14

+

,

(3.50)

2.2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
Dung lượng bảo mật tồn trình được tính bởi:
CSec = mink=0,1,...,K−1 Ck .
7

(2.33)


Xác suất dừng bảo mật tồn trình của hệ thống được biểu diễn như sau:

Hình 3.2: Xác suất dừng

100

bảo mật biểu diễn theo giá

K−1

1 − SOPk .

SOP = 1 −

(2.37)

k=0

trị P/N0 khi M = 3, α =
10-1

0.5.

Xác suất dung lượng bảo mật khác không C Sec > 0 của hệ thống:
Pr (Ck > 0) =1 − 1 +
∞

×
k=0

(λM,k + λE,k )
1
exp −
κ
κ

(−1)k
k!

λM,k + λE,k
κ

k

λM,k
.
−k − 1

10-2

(2.40)

10-3

0

5

10

15

20

25

P/N 0 [dB]

2.2.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả
Hình 2.5: Xác suất dừng

0.7
K=2)

bảo mật biểu diễn theo giá

K=4)

trị P/N0 khi κ = 0.01,

0.6

0.5

Hình 3.3: Xác suất dừng
100

bảo mật biểu diễn theo giá

Cth = 1, K = 2 và K = 4.
0.4

trị M khi P/N0 = 10[dB],
0.3

α = 0.5 và Cth = 1.
0.2
10-1

0.1

0
0

5

10

15

20

P/N 0 [dB]

Kết quả ở Hình 2.8, cho thấytồn tại một giá trị P/N0 để cho xác suất
dừng bảo mật của hệ thống là tốt nhất. Ta cũng nhận thấy sự tương quan
giữa cơng suất phát và số chặng chuyển tiếp.
Hình 2.12 cho thấy khi K tăng trong khi κ ở một giá trị cho phép thì hiệu
năng bảo mật của hệ thống tăng, tuy nhiên khi κ tăng quá ngưỡng cho phép
thì hiệu năng bảo mật của hệ thống giảm rất nhanh.

2.3

Kết luận chương

10-2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

M

Trong Chương 2, luận án đã khảo sát hiệu năng bảo mật của mạng vô
tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển

Hình 3.4 cho thấy xác suất dừng bảo mật của kịch bản gây nhiễu và
chuyển tiếp có lựa chọn thấp hơn so với kịch bản gây nhiễu và chuyển tiếp
ngẫu nhiên.

8

13


3.1.3.3

So sánh với phương pháp gây nhiễu và chuyển tiếp ngẫu
nhiên

Biểu thức tường minh xác suất dừng bảo mật toàn chặng của hệ thống.

Hình 2.6: Xác suất dừng

1

bảo mật biểu diễn theo giá

0.9
0.8

trị κ khi Cth = 1 và thay

0.7

SOPe2e =1 −

exp −

θ−1
α

(3.40)

× {1 − λSRc ω0 exp ((λSRc θ + λSE ) ω0 ) E1 ((λSRc θ + λSE ) ω0 )}]
θ−1
× exp −λRc D
α

đổi K.

0.6
0.5

K=3

0.4

K=5

0.3

K=7

0.2
0.1

× {1 − λRc D ω4 exp ((λRc D θ + λRc E ) ω4 ) E1 ((λRc D θ + λRc E ) ω4 )}]}

0
0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

κ

Xác suất dung lượng bảo mật khác không được tính bởi cơng thức:
e2e
PrNZe2e = Pr CSec
>0
1 >0
= Pr CSec

2 >0 ,
CSec

1 >0
Pr CSec

(3.41)

tiếp ở từng chặng. Các kết quả tính tốn được kiểm chứng bằng những mơ
phỏng máy tính. Các kết quả đã thể hiện rằng số nút tại mỗi cụm ảnh hưởng
đáng kể lên hiệu năng bảo mật của hệ thống.
Các kết quả được công bố trong công trình số 06 và 07.

(3.42)

= 1 − λSRc ω0 exp ((λSRc + λSE ) ω0 ) E1 ((λSRc + λSE ) ω0 ) ,
2 >0
Pr CSec

(3.43)

= 1 − λRc D ω4 exp ((λRc D + λRc E ) ω4 ) E1 ((λRc D + λRc E ) ω4 ) .

Như vậy, thay thế (3.42) và (3.43) vào (3.41), ta có được biểu thức xác suất
dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.

3.1.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả
Kết quả ở Hình 3.2 cho ta thấy xác suất dừng bảo mật của kịch bản
chuyển tiếp và gây nhiễu có lựa chọn tốt hơn so với kịch bản chuyển tiếp và
gây nhiễu ngẫu nhiên.
Hình 3.3 biểu diễn kết quả mơ phỏng xác suất dừng bảo mật của hai kịch
bản. Quá trình mơ phỏng cho ta kết luận rằng phương pháp chuyển tiếp và
gây nhiễu có lựa chọn có xác suất dừng bảo mật khi số lượng nút chuyển tiếp
tăng.
12

9


Dung lượng bảo mật của pha thứ hai được biểu diễn như biểu thức sau:
2
2
− CE2 .
CSec
= max 0, CD

Chương 3
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

3.1.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
3.1.3.1

THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP

(3.12)

Xác suất dừng bảo mật

Dung lượng bảo mật toàn hệ thống:
e2e
1
2
CSec
= min CSec
, CSec
.

TÁC

(3.26)

Từ (3.26), xác suất dừng bảo mật của toàn hệ thống được tính bởi:

3.1

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

SOPe2e = 1 − 1 − SOP1

3.1.3.2

3.1.1 Các nghiên cứu liên quan

1 − SOP2 .

(3.27)

Xác suất dung lượng bảo mật khác không

Theo mơ hình bài tốn, PrNZe2e được biểu diễn như sau:

3.1.2 Mơ hình hệ thống đề xuất

e2e
PrNZe2e = Pr CSec
>0
1
2
= Pr CSec
> 0 Pr CSec
>0 .

 SR

S

R1

R1

R2

R2

Rc

c

D

S

R E
c

R E
1
J

E

M

RM

Pha thứ nhất

E

(−1)m+1

1
Pr CSec
>0 =

R D
c

D

m=1

RJ

M
m

(3.30)

× [1 − λSRc ωm exp ((λSRc + λSE ) ωm ) E1 ((λSRc + λSE ) ωm )] .

R E
2
J

Xác suất dung lượng bảo mật khác không của pha thứ nhất:

thống.

Rc

RJ

 SE

Hình 3.1: Mơ hình hệ

(3.28)

RM

Xác suất dung lượng bảo mật khác không của pha thứ hai:

Pha thứ hai
Kênh dữ liệu

M −1

Kênh gây nhiễu

(−1)u+1

2
Pr CSec
>0 =

Kênh nghe lén

u=1

Mơ hình gồm có một nút nguồn và một nút đích. Việc truyền thơng giữa
hai nút phụ thuộc vào sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp. Có sự hiện diện
của một nút nghe lén cố gắng thu thập thông tin.
Dung lượng bảo mật của pha đầu tiên được biểu diễn như biểu thức sau:
1
1
CSec
= max 0, CD
− CE1 .

10

(3.7)

M −1
u

× [1 − uλRc D ϕm exp
× E1

(−1)m+1
m=1

M −1
m

λRJ2 E + λRc D u ϕm

λRJ2 E + λRc D u ϕm

× [1 − uλRc D ϕm exp
× E1

M −1

λRJ2 E + λRc D u ϕm

λRJ2 E + λRc D u ϕm

.

(3.32)

Thay thế (3.30) và (3.32) vào (3.28), ta được biểu thức xác suất dung lượng
bảo mật khác không của hệ thống.
11


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH
ĐÃ CƠNG BỐ
1. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo và Nguyễn Lương Nhật, “Đánh
giá ảnh hưởng của suy giảm phần cứng lên mạng chuyển tiếp hai chặng”
Hội thảo Quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông
tin (ECIT2014), tr. 227– 232, 2014.
2. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Lương Nhật và Hồ
Văn Cừu “Đánh giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức
chuyển tiếp đa chặng”, Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện tử, Truyền thông
và Công nghệ Thông tin (ECIT2015), tr. 466– 470, 2015.
3. Chu Tien Dung, Nguyen Toan Van, Tran Trung Duy, Vo Nguyen Quoc
Bao and Nguyen Luong Nhat, “Security enhancement for dual-hop RF

protocols with Nth-best partial relay and EH-based jammer”, in 2015
The International Conference on Computing, Management &Telecommunications (ComManTel), Da Nang City, Vietnam, pp. 111–115, Dec. 2015.

4. Chu Tien Dung, Vo Nguyen Quoc Bao, Nguyen Luong Nhat and Ho
Van Cuu “Effect of imperfect CSI on secrecy performance of cluster
based relaying networks”, in The 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Ha Noi City, Vietnam,
pp. 114–119, Otc. 2016.
5. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo và Nguyễn Tùng Hưng “Đánh
giá hiệu năng bảo mật của mạng vơ tuyến chuyển tiếp và gây nhiễu
có lựa chọn hai chặng”, Tạp chí Nghiên Cứu Khoa Học và Công Nghệ
Quân Sự, Hà Nội, Việt Nam, pp. 56–71, 2017.
6. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo và Nguyễn Lương Nhật “Đánh
giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa


chặng”, Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ Thơng Tin và Truyền Thông, Hà
Nội, Việt Nam, tr. 65–73, Tháng 5. 2018.
7. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo “Phân tích hiệu năng bảo mật
của mạng chuyển tiếp đa chặng trong điều kiện phần cứng khơng lý
tưởng” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đà Nẵng, Việt Nam, tr. 06–11,
số 11(132) 2018.

24