Tải bản đầy đủ (.docx) (81 trang)

Luận văn thạc sĩ đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.33 MB, 81 trang )

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, cơ trực tiếp giảng dạy trong
suốt q 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 hồn 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 cơng 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 cơng bố trong bất kỳ
cơng 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 Mơ 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 thơng tin dựa trên khóa bảo mật.......................................25

2.1.2 Bảo mật thơng tin khơng 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 Mơ hình đánh giá khả năng bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý.....34
2.3.1 Mơ hình hệ thống............................................................................34
2.3.2 Chính sách điều khiển cơng suất của SU........................................35
2.3.3 Phân tích q trình truyền thơng.....................................................37
2.3.4 Phân tích q trình thu nhận thơng tin của thiết bị nghe trộm........39
2.3.5 Xây dựng thuật tốn 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: Mơ 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: Mơ hình mạng truyền thơng hợp tác.................................................8
Hình 1.6: Mơ hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF)......................................... 9
Hình 1.7: Mơ hình giải mã và chuyển tiếp (DF).............................................10
Hình 1.8: Mơ hình phân tập kết hợp lựa chọn................................................ 12
Hình 1.9: Mơ 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: Mơ hình một mạng truyền thơng hợp tác nhận thức.....................17
Hình 1.13: Mơ hình truyền thơng điểm đến điểm...........................................20
Hình 2.1: Phương pháp cắt mức......................................................................27
Hình 2.2: Mơ hình mạng với máy phát (Alice) máy thu (Bob) và thiết bị nghe
trộm (Eve).......................................................................................................30
Hình 2.3: Mơ hình hệ thống vơ tuyến với một máy nghe trộm...................... 30
Hình 2.4: Mơ hình đánh giá bảo mật tầng vật lý trong mạng khơng 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 mơi 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 mơi 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 thơng hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC................................................................48
Hình 3.7: Ảnh hưởng của truyền thơng hợp tác lên xác suất dừng của dung
lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật MRC............................................................49
Hình 3.8: Ảnh hưởng của truyền thơng 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 thơng 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 thơng 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 thơng 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 thơng 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 C
AF

Amplified and Forward


AWGN

Additive White Gaussian N

CF

Compress and Forward

CDF

Cumulative Distribution F

CCRN

CognitiveCooperativeRadi
Network

CRN

Cognitive Radio Network

CSI

Channel State Information

CU

Cognitive User

DF


Decode and Forward

DMC

Discrete Memoryless Chan

EGC

Equal-Gain Combiners

MRC

Maximal Ratio Combining

OSI

Open

Systems

Intercon

Model
PDF

Probability Density Functi

PU


Primary User

SC

Selection Combining

SNR

signal-to-noise ratio

SU

Secondary User

vii


LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm gầy đây, mạng khơng 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 khơng 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.



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 mơ hình OSI đặc biệt là tầng
vật lý, lý thuyết thông tin được giới thiệu bởi Claude Elwood Shannon. Mạng
vơ tuyến nhận thức có sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác.
Chương 2: Bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây.

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
mơ hình và phân tích, xây dựng thuật tốn đánh giá bảo mật mạng khơng dây
ở tầng vật lý.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả.


chương này học viên thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab với

phương pháp mơ 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 THƠNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN
1.1 Mơ hình OSI

Mơ hình OSI (Open Systems Interconnection Model) là một mơ 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. Mơ 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.
Mơ 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 mơ hình OSI có quan hệ chặt chẽ với nhau, mỗi tầng nhằm định nghĩa
một phân đoạn trong quá trình di chuyển thơng tin qua mạng.

.
Hình 1.1: Mơ hình OSI

2


1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer)
Tầng vật lý là tầng thấp nhất trong mơ hình OSI, đảm nhiệm tồn bộ
cơng 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 mơi trường
truyền thơng 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 mơi trường truyền. Ngồi ra,
tầng cịn 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 cịn 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 cơng (simplex)
chỉ có thơng tin một chiều, trong bán song cơng (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 hố, 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 thơng. 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 khơng truyền dữ liệu khi buffer là khơng 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 thơng 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 thơng tin từ dạng của máy phát (sender-depending)
sang dạng thông thường. Tại máy thu, thì tầng trình bày chuyển dạng thơng
thường thành dạng của máy thu (receiving depending).
-

Mã hóa (encryption) và giải mã hóa (decryption): Để mang các thơng

tin nhạy cảm, hệ thống phải có khả năng bảo đảm tính riêng tư. Mã khóa là
q 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 q 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 mơ 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 mơ 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 thơng 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 khơng gian. Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user)
được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà cịn 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: Mơ hình mạng truyền thơng hợp tác
Q trình truyền thơng trong mạng truyền thơng 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/cơng suất tính tốn 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 thơng điệp.

Hình 1.6: Mơ hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Q 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
vơ 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 khơi phục lại tín hiệu ban đầu.
Giao thức AF khuếch đại tín hiệu tại nút chuyển tiếp R, tăng cơng suất của
tín hiệu truyền đi, giúp đầu thu D có thể thu được tín hiệu tốt nhất. AF cịn 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 khơng dây rất
hiếm tín hiệu tuần tự và chuyển tiếp có đủ sức mạnh tính tốn, 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, khơng 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: Mơ hình giải mã và chuyển tiếp (DF)
Đối với kỹ thuật này, q 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 khơi phục lại

thành tín hiệu ban đầu.
Do lỗi đường truyền, thơng 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 hồn tồn
thơng điệp gốc. Điều này u cầu nhiều thời gian tính tốn, 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 khơng 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 khơng 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 khơng đủ khả năng tính tốn hoặc thơng 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 khơng có sửa lỗi nào có
thể được thực hiện hoặc khơng có kiểm tra được tính tốn.
Nén và chuyển tiếp (DF): Trong kỹ thuật này, chuyển tiếp R nén tín
hiệu mà nó nhận được và gửi thơng 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 khơi phục lại thành tín hiệu cần thu.


giai đoạn thứ 2 của quá trình truyền thơng trong mạng truyền thơng

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 thơng 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: Mơ hình phân tập kết hợp lựa chọn
Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên ngun 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: Mơ 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 địi 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 vơ 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 vơ tuyến nhận
thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần cịn
trống tạm thời mà khơng gây nhiễu đến các hệ thống vơ tuyến có quyền ưu
tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó. Các thành phần kiến trúc của mạng vơ

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 khơng bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người
dùng khơng 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 khơng 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 mơ hình phổ biến được sử dụng trong mạng vơ tuyến nhận thức,
đó là mơ hình Interweave, mơ hình Underlay và mơ hình Overlay. Mỗi mơ
hình hoạt động dựa trên các kỹ thuật và ngun tắc khác nhau.
Mơ hình Interweave: Một SU sẽ phát hiện ra các khe trống phổ và thực
hiện truyền thơng qua phổ trống đó mà khơng 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


×