Luận án tiến sĩ: Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây - ĐH Quốc gia Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ———————- QUÁCH XUÂN TRƯỞNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành: Truyền dữ liệu & Mạng máy tính Mã số : 9480102.01 Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. Trần Trúc Mai Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các kết quả nghiên cứu, số liệu và kết luận trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Các nội dung tham khảo từ các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn gốc tài liệu tham khảo đúng quy định.

Hà Nội, tháng. năm 2021 Tác giả Quách Xuân Trưởng i LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ này được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn tận tình của tập thể cán bộ hướng dẫn TS. Trần Hùng và TS. Trần Trúc Mai.

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã định hướng, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tác giả học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Hùng, đại học Malardalen, Thụy Điển - người đã giảng dạy, đặt nền móng kiến thức nghiên cứu và giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin được chân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình khoa học được trích dẫn trong luận án đã cung cấp kiến thức liên quan và là nguồn học liệu quan trọng trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này.

Tiếp theo, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với GS. Elisabeth Uhlemann, TS. Trần Hùng về sự giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả được thực tập sinh 6 tháng cùng với nhóm nghiên cứu về mạng truyền thông tại Đại học Malardalen, Vasteras, Thụy Điển, 08/2016 - 01/2017. Tác giả xin chân thành cám ơn Lãnh đạo trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các phòng chức năng, Khoa Công nghệ thông tin và tập thể các giảng viên bộ môn Truyền dữ liệu và Mạng máy tính đã luôn quan tâm giúp đỡ, tạo các điều kiện thuận lợi, có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình học tập, và nghiên cứu tại nhà trường.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến ban Lãnh đạo, các đồng nghiệp trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông, Đại học Thái Nguyên đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, người thân và bạn bè thân thiết đã thường xuyên động viên, chia sẻ và hỗ trợ về mọi mặt trong cuộc sống để tác giả có thể hoàn thành luận án. ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh sách hình vẽ v Các ký hiệu vii Các từ viết tắt x Mở đầu 1 Chương 1. Kiến thức cơ sở và tổng quan 11 1.1 Mô hình kênh truyền không dây .1 Mô hình Pathloss .2 Các mô hình thông kê cho kênh truyền đa đường .3 Nhiễu tạp âm và can nhiễu .2 Mạng vô tuyến nhận thức .1 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức .2 Mạng vô tuyến nhận thức dạng dưới ngưỡng nhiễu .3 Mạng vô tuyến nhận thức hợp tác dạng dưới ngưỡng nhiễu 25 1.4 Mạng CRN kết hợp kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến 27 1.3 Bảo mật lớp vật lý cho mạng không dây .1 Mô hình mật mã Shannon .3 Kênh Gaussian wiretap .4 Kênh fading wiretap .5 Độ đo đánh giá hiệu năng bảo mật hệ thống .4 Tổng quan tình hình nghiên cứu .1 Các hình thức tấn công của mạng CRN .2 Tấn công nghe trộm và công trình nghiên cứu liên quan.

42 iii Chương 2. Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức 46 2.1: Hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng CRN .1 Mô hình hệ thống .2 Chính sách công suất và độ đo hiệu suất của hệ thống .3 Mô phỏng và đánh giá kết quả .2: Hiệu năng truyền thông tin cậy và bảo mật của mạng CRN dựa trên chính sách công suất và chọn kênh truyền .1 Mô hình hệ thống .2 Phân bổ công suất và lựa chọn kênh của SU .3 Các độ đo hiệu suất hệ thống .4 Mô phỏng và đánh giá kết quả. Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng bảo mật sử dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức 81 3.1: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới giới hạn dừng truyền thông và công suất phát mức đỉnh .1 Mô hình hệ thống .2 Điều kiện của công suất truyền tin và dung lượng bảo mật .3 Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật của hệ thống .4 Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống .5 Mô phỏng và đánh giá kết quả .2: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới điều kiện dừng bảo mật và giới hạn can nhiễu .1 Mô hình hệ thống .2 Các điều kiện về bảo mật, công suất truyền tin và can nhiễu cho mạng SU .3 Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật cho truyền thông của SU 101 3.4 Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống .5 Mô phỏng và đánh giá kết quả. 118 Kết luận và định hướng nghiên cứu 120 Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 122 Phụ lục 124 Tài liệu tham khảo 128 iv Danh sách hình vẽ 1.1 Các cơ chế lan truyền sóng vô tuyến trong mạng không dây .2 Ví dụ về các "hố phổ" .3 Ví dụ về mô hình truy cập đan xen .4 Ví dụ về mô hình truy cập dạng nền .5 Một mô hình CRN dạng dưới ngưỡng nhiễu .6 Mô hình mạng CRN hợp tác với đơn nút chuyển tiếp .7 Mô hình CRN hợp tác với đa nút chuyển tiếp .8 Mô hình tổng quát mạng CRN kết hợp kỹ thuật RFEH .9 Mô hình hệ thống mật mã của Shannon .10 Mô hình kênh wiretap tổng quát .11 Mô hình kênh Gaussian wiretap .12 Mô hình kênh fading wiretap .13 Các hình thức tấn công mức vật lý trong mạng CRN .1 Mô hình CRN trong đó tồn tại EAV nghe trộm thông tin từ kênh S-Tx→S-Rx.2 SNR của S-Tx cho bốn kịch bản theo SNR của P-Tx.3 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của P-Tx lên SNR của S-Tx.4 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của EAV lên SNR của S-Tx.5 SRCP theo SNR của P-Tx với e = 0.6 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của P-Tx lên SRCP của S-Tx.7 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của EAV lên SRCP của S-Tx.8 Mô hình mạng CRN trong đó S-Tx sử dụng năng lượng thu được từ P-Tx để truyền thông trong khu vực có nhiều EAV.9 Một khung thời gian T được sử dụng để thu hoạch năng lượng và truyền thông.10 Ảnh hưởng của độ lợi trung bình (Ω βn ) của P-Tx→EAV lên SNR của S-Tx.11 SNR của S-Tx theo SNR của P-Tx với độ lợi trung bình khác nhau của S-Tx→EAV ({Ω β n }5n=1 = 10, 50, 80, 150).12 SNR của S-Tx theo thời gian τ và độ lợi trung bình khác nhau của P-Tx→S-Tx ({Ω f n }5n=1 = 1, 3, 5, và γP−Tx = 12 dB).13 Ảnh hưởng của các kênh can nhiễu P-Tx→EAV lên PEP.14 Độ trễ của gói tin theo SNR của P-Tx.1 Mô hình CCRN đa nút chuyển tiếp với sự hiện diện của EAV.2 Osec của hệ thống với ba trường hợp độ lợi kênh trung bình khác nhau .3 Osec của hệ thống với các trường hợp Ω f0 , Ω f khác nhau của các kênh wiretap.4 Osec của hệ thống với các SNR khác nhau của S-Tx.5 Osec của hệ thống với số lượng nút SR khác nhau.6 sec Pnon −zero với số lượng nút SR khác nhau.7 Mô hình CCRN trong đó SU truyền tin qua kênh trực tiếp hoặc sự trợ giúp của N nút chuyển tiếp với sự hiện diện của EAV.8 Tác động của e lên OSEC của hệ thống theo tập giá trị N 0 .9 Tác động của e lên OSEC của hệ thống theo tập giá trị γ p .10 Ảnh hưởng của các kênh can nhiễu lên OSEC của hệ thống.11 Tác động của số lượng nút SR đối với OSEC theo tập giá trị của Ith .12 Tác động của số lượng nút SR đối với OSEC theo tập giá trị của γ p .13 OnonZero của hệ thống với độ lợi trung bình của các kênh đồng nhất bằng 5.

118 vi BẢNG CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC STT Ký hiệu Giải nghĩa ký hiệu 1 f X (x) Hàm PDF của biến ngẫu nhiên X 2 FX ( x ) Hàm CDF của biến ngẫu nhiên X 3 ∑ Hàm tổng 4 ∏ Hàm tích 5 Γ(·) Hàm Gamma 6 csc( x ) Hàm lượng giác cosecant 7 B [·, ·, ·] Hàm beta khuyết 8 2 F1 (·, ·; ·; ·) Hàm siêu bội 9 exp Hàm e mũ 10 max {.} Hàm trả về giá trị lớn nhất 11 mix {.} Hàm trả về giá trị nhỏ nhất 12 arg{ x } Hàm trả về chỉ số của giá trị trong dãy Rb 13 a {.} dx Hàm tính tính phân từ a đến b N N 14 ∑ ( k ) x n−k ak Định lý triển khai nhị thức ( x + a)n k =0 15 E [.] Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên 16 V (·) Phương sai của biến ngẫu nhiên 17 H(.) Entropy của biến ngẫu nhiên 18 I(.) Thông tin tương hỗ 19 sup R Giá trị lớn nhất trong tập các giá trị của R 20 Pr {.} Biểu thức xác suất 21 R{.} Phần thực của một tín hiệu phức 22 I{.