Luận án Tiến sĩ Đặng Thế Hùng: Hiệu năng bảo mật lớp vật lý vô tuyến dùng mã Fountain

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG THẾ HÙNG NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CỦA MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG THẾ HÙNG NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CỦA MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS TRẦN TRUNG DUY 2.TS ĐỖ QUỐC TRINH HÀ NỘI - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả được trình bày trong Luận án là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả thể hiện trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các kết quả sử dụng để tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ, theo đúng quy định.

Hà Nội, ngày 06 tháng 01 năm 2021 Tác giả Đặng Thế Hùng ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ này được thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Trung Duy và PGS.TS Đỗ Quốc Trinh. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án, tác giả đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và đóng góp quý báu. Trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy giáo hướng dẫn đã luôn khuyến khích, động viên, tận tình giúp đỡ, thảo luận, rèn luyện tác phong kiên trì, nghiêm túc, chuyên nghiệp trong việc tiếp cận các vấn đề khoa học, tạo mọi điều kiện thuận lợi và tiếp thêm động lực, quyết tâm để vượt qua những thử thách, khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Học viện, Phòng Sau đại học, các Thầy giáo trong Ban chủ nhiệm Khoa Vô tuyến Điện tử, tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Thông tin đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tác giả học tập, sinh hoạt học thuật và hoàn thành công tác nghiên cứu.

Tiếp theo, tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thông tin liên lạc, Binh chủng Thông tin đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã số 102.317, Quỹ Nghiên cứu của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông mã số 09-HV-2018-RD_VT2, đã hỗ trợ một phần kinh phí trong công bố các công trình nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân yêu trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã thường xuyên động viên, chia sẻ những khó khăn trong suốt khóa học để tác giả hoàn thành Luận án. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC HÌNH VẼ. xi DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.xiv MỞ ĐẦU.

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN. Một số khái niệm và giới hạn của mã hóa bảo mật hiện đại. Các nghiên cứu tiên phong của PLS.

BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG MIMO. Bảo mật lớp vật lý trong các hệ thống MIMO lựa chọn ăng-ten. Bảo mật lớp vật lý với kỹ thuật phân tập thu. BẢO MẬT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC.

KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO. MẠNG ĐA CHẶNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN. Hệ thống chuyển tiếp đa chặng và tác động của HWI. Kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến.

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ GÂY NHIỄU CỘNG TÁC. Mạng cảm biến không dây. Gây nhiễu cộng tác. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÃ FOUNTAIN.

Mã hóa tốc độ cố định. Một số ứng dụng của mã Fountain. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN. Bảo mật với kênh nghe lén MIMO.

Bảo mật trong mạng chuyển tiếp đa chặng dựa vào trạm Beacon. Bảo mật trong giao thức chuyển tiếp đa chặng LEACH. Bảo mật trong các hệ thống sử dụng mã Fountain. KẾT LUẬN CHƯƠNG.

HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG CÁC MẠNG MISO TAS VÀ MIMO TAS/SC SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN. MÔ HÌNH 1: MẠNG MISO TAS SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng.

Các kết quả mô phỏng. MÔ HÌNH 2: MẠNG MIMO TAS/SC SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng.

Các kết quả mô phỏng. KẾT LUẬN CHƯƠNG. HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG MẠNG MIMO- NOMA TAS/SC/MRC SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN. MÔ HÌNH HỆ THỐNG.

Mô hình kênh truyền. Không sử dụng NOMA (Wo-NOMA). Sử dụng NOMA. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG.

Xác suất của D và E. Xác suất của D,i và E,i. Số khe thời gian trung bình (TS). Xác suất thu chặn (IP).

CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Số khe thời gian trung bình (TS). Xác suất thu chặn (IP). KẾT LUẬN CHƯƠNG.

HIỆU NĂNG BẢO MẬT TRONG CÁC MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN. MÔ HÌNH 1: MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG SÓNG VÔ TUYẾN. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng.

Các kết quả mô phỏng. MÔ HÌNH 2: GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG LEACH SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN VÀ NÚT GÂY NHIỄU CỘNG TÁC. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng.

Các kết quả mô phỏng. KẾT LUẬN CHƯƠNG. 125 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN.

CÁC ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI.128 vi PHỤ LỤC. 130 Phụ lục A: Các chứng minh trong Chương 2. 130 Phụ lục B: Các chứng minh trong Chương 3. 133 Phụ lục C: Các chứng minh trong Chương 4.

136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. CÁC CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG KẾT QUẢ TRONG LUẬN ÁN. CÁC CÔNG BỐ KHÁC TRONG THỜI GIAN THỰC HIỆN LUẬN ÁN 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 143 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 5G 5th Generation Mạng di động thế hệ thứ 5 ACK Acknowledgement Thông báo xác nhận AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AN Artificial Noise Nhiễu nhân tạo Dung lượng bảo mật trung ASC Average Secrecy Capacity bình AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng B Beacon Trạm phát sóng vô tuyến BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bít BS Base Station Trạm gốc BP Belief Propagation Lan truyền niềm tin CCI Co-channel Interference Nhiễu đồng kênh Cumulative Distribution CDF Hàm phân bố tích lũy Function CDM Code Domain Multiplexing Ghép kênh theo miền mã CH Cluster Head Nút chủ cụm CJ Cooperative Jamming Gây nhiễu cộng tác CRN Cognitive Radio Network Mạng vô tuyến nhận thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh viii D Destination Nút đích Tiêu chuẩn mã hóa bảo mật DES Data Encryption Standard dữ liệu DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp E Eavesdropper Nút nghe lén EGC Equal-Gain Combining Kết hợp cân bằng độ lợi EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng FC Fountain Code Mã Fountain FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi GE Gaussian Elimination Phép loại trừ Gauss HJ Harvest-to-Jam Thu thập để gây nhiễu HPA High Power Amplifier Khuếch đại công suất cao HWI Hardware Impairments Suy giảm phần cứng ID Information Decoding Giải mã thông tin IoT Internet of Things Internet vạn vật IP Intercept Probability Xác suất thu chặn I/Q In-phase and Quadrature-phase Đồng pha và vuông pha Low Energy Adaptive Phân cấp theo cụm thích LEACH Clustering Hierarchy ứng năng lượng thấp LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng LT Luby Transform Chuyển đổi Luby ix MH Multi-hop Communication Truyền thông đa chặng ML Maximum Likelihood Hợp lẽ cực đại MIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào đa đầu ra MISO Multiple-Input Single-Output Đa đầu vào đơn đầu ra MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa MRT Maximal Ratio Transmission Truyền tỉ số tối đa Multiuser Superposition Truyền dẫn xếp chồng đa MUST Transmission người dùng Non-Orthogonal Multiple Đa truy nhập không trực NOMA Access giao NLOS Non-Line-Of-Sight Tầm nhìn không thẳng OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập trực giao OP Outage Probability Xác suất dừng PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PDM Power Domain Multiplexing Ghép kênh theo công suất PU Primary User Người dùng sơ cấp PT Primary Transmitter Máy phát sơ cấp PR Primary Receiver Máy thu sơ cấp PLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý PN Phase Noise Nhiễu pha Probability of Non-zero Xác suất bảo mật khác PNSC Secrecy Capacity không x PS Power-splitting Phân chia theo công suất QoS Quality of Sevice Chất lượng dịch vụ RC Rateless Code Mã Rateless RF Radio Frequency Tần số vô tuyến S Source Nút nguồn SC Selection Combining Kết hợp có lựa chọn Successive Interference SIC Khử nhiễu nối tiếp Cancellation Signal-to-Interference-plus- Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và SINR Noise Ratio tạp âm SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mật Successful and Secure Bảo mật thông tin thành SS Communication công SU Secondary User Người dùng thứ cấp TAS Transmit Antenna Selection Lựa chọn ăng-ten phát Đa truy nhập phân chia theo TDMA Time Division Multiple Access thời gian TS Average Number of Time Slots Số khe thời gian trung bình WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây XOR Exclusive-OR Phép toán XOR xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình kênh nghe lén.2: Mô hình cơ bản hệ thống với kỹ thuật TAS ở máy phát.3: Mô hình cơ bản hệ thống phân tập sử dụng đa ăng-ten ở máy thu.4: Minh họa mô hình bảo mật mạng vô tuyến nhận thức dạng nền.5: NOMA đường xuống miền công suất hai người dùng.6: Mô hình hệ thống truyền thông đa chặng.7: Cấu trúc máy thu cho SWIPT với một ăng-ten cho chế độ TS.8: Minh họa mô hình gây nhiễu cộng tác thông thường.9: Minh họa đồ thị phân tán dạng thưa của mã Fountain.10: Minh họa đồ thị giải mã LT.11: Minh họa quá trình giải mã LT.12: Minh họa bộ giải mã BP cho LT với k  6 và n  6.1: Mô hình hệ thống đề xuất.2: Xác suất của  và  vẽ theo P (dB) khi N  7, N 10 và D E PT S max 2 2  D E  0.3: Xác suất SS vẽ theo PPT (dB) khi Nmax 10 và  D  E  0.4: Xác suất IP vẽ theo P (dB) khi N 10 và  2   2  0.

61 PT max D E Hình 2.5: Xác suất SS vẽ theo  2 khi N  5 và  2 2 .6: Xác suất IP vẽ theo 2 khi N  5và  2 2.7: Mô hình nghiên cứu đề xuất.