Luận án đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý mạng NOMA - Phạm Hữu Tùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ———————- PHẠM HỮU TÙNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG NOMA LUẬN ÁN TIẾN SĨ MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU Tập thể hướng dẫn khoa học: 1.TS Nguyễn Đình Việt 2. Trần Hùng Hà Nội - 2024 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 06 năm 2024 Tác giả Phạm Hữu Tùng 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 PGS.TS Nguyễn Đình Việt và TS Trần Hùng. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã định hướng, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu, chỉ bảo tận tình, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin được trân trọng cảm ơn TS Võ Nhân Văn, TS Quách Xuân Trưởng, Ths Ninh Thị Thanh Tâm, Ths Nguyễn Yến Chi đã hỗ trợ, giúp đỡ, cộng tác, trao đổi thảo luận về mặt chuyên môn. Ngoài ra Tôi xin cảm ơn 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.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy/cô lãnh đạo Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các phòng ban chức năng, Khoa Công nghệ thông tin và tập thể các giảng viên Bộ môn Mạng và truyền thông 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 trường. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Lãnh đạo, các đồng nghiệp Trường Đại học Xây dựng Hà Nội 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 hai bên nội ngoại, đặc biệt là vợ và hai con của Tôi đã luôn đồng hành, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để Tôi có thể chuyên tâm nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn 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 vi Danh mục các ký hiệu ix Danh mục các từ viết tắt x Mở đầu 1 Chương 1. Kiến thức cơ sở và tổng quan 10 1.1 Mô hình kênh truyền không dây .2 Mô hình đầu vào/đầu ra của kênh truyền không dây .3 Mô hình thống kê của kênh truyền fading .1 Phân bố Rayleigh fading .2 Phân bố α − µ fading .4 Mạng truyền thông không dây cộng tác .1 Nguyên lý hoạt động .2 Đường truyền xuống trong mạng NOMA .3 Đường truyền lên trong mạng NOMA .6 Bảo mật tầng vật lý trong mạng NOMA .1 Cơ sở lý thuyết bảo mật tầng vật lý .2 Kênh nghe lén .3 Kênh nghe lén Gaussian .4 Kênh nghe lén fading .6 Phép đo hiệu năng bảo mật hệ thống .7 So sánh bảo mật dùng mật mã và bảo mật tầng vật lý .7 Các công trình nghiên cứu liên quan đến luận án .1 Các nghiên cứu về bảo mật mạng NOMA cộng tác .2 Các nghiên cứu về chủ động nghe lén trong mạng NOMA .3 Các nghiên cứu về bảo mật mạng SISO NOMA .4 Các nghiên cứu về bảo mật mạng NOMA nhận thức .5 Nhận xét về các công trình nghiên cứu .8 Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. Đánh giá hiệu năng bảo mật mạng NOMA cộng tác có chiến lược đối phó chủ động với hình thức tấn công hợp tác 50 2.2 Mô hình hệ thống .1 Kịch bản hệ thống không có chiến lược đối phó chủ động .2 Kịch bản hệ thống có chiến lược đối phó chủ động .3 Phân tích xác suất dừng bảo mật .1 Xác suất dừng bảo mật trong kịch bản hệ thống không có chiến lược đối phó chủ động .2 Xác suất dừng bảo mật trong kịch bản hệ thống có chiến lược đối phó chủ động .4 Mô phỏng và đánh giá kết quả. Đánh giá hiệu năng bảo mật mạng NOMA có chiến lược chủ động nghe lén 65 3.2 Mô hình hệ thống .3 Chính sách phân bổ công suất gây nhiễu .1 Trạng thái kênh gây nhiễu là xác định .2 Trạng thái kênh gây nhiễu không xác định .4 Xác suất nghe lén hợp pháp thành công .1 Xác suất nghe lén hợp pháp thành công đối với thiết bị đầu cuối có tín hiệu mạnh nhất .2 Xác suất nghe lén hợp pháp thành công đối với thiết bị đầu cuối có tín hiệu yếu nhất .5 Mô phỏng và đánh giá kết quả.

89 iv Chương 4. Đánh giá hiệu năng bảo mật, độ tin cậy mạng SISO NOMA và mạng NOMA nhận thức 91 4.1: Đánh giá hiệu năng bảo mật và tính công bằng thời gian truyền tin mạng SISO NOMA .1 Mô hình hệ thống .2 Hiệu năng bảo mật trong kịch bản Eve có một ăng-ten .3 Hiệu năng bảo mật trong kịch bản Eve có nhiều ăng-ten .4 Phân tích xác suất rớt gói tin .5 Thời gian truyền gói tin trung bình .6 Tính công bằng về thời gian truyền tin .7 Mô phỏng và phân tích kết quả .2: Đánh giá hiệu năng bảo mật và độ tin cậy mạng NOMA nhận thức dạng nền dưới ràng buộc mức can nhiễu của mạng sơ cấp .1 Mô hình hệ thống .2 Phân tích hiệu suất hệ thống .3 Mô phỏng và đánh giá kết quả. 129 Kết luận và định hướng nghiên cứu 131 Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 135 Tài liệu tham khảo 137 v Danh sách hình vẽ 1.1 Mô hình kênh truyền không dây .2 Mô hình mạng truyền thông cộng tác có một nút chuyển tiếp .3 Mô hình mạng truyền thông cộng tác sử dụng giao thức DF, AF .4 Minh họa đường truyền xuống trong mạng NOMA sử dụng SIC tại máy thu .5 So sánh dung lượng đường truyền xuống trong mạng NOMA và OMA .6 Minh họa đường truyền lên trong mạng NOMA sử dụng SIC tại máy phát .7 So sánh dung lượng đường truyền lên trong mạng NOMA và OMA .8 Mô hình tham chiếu OSI .9 Mô hình hệ thống bảo mật của Shannon .10 Mô hình kênh nghe lén tổng quát .11 Mô hình kênh nghe lén Gaussian .12 Mô hình kênh nghe lén fading .1 Mô hình mạng NOMA cộng tác không sử dụng chiến lược đối phó chủ động với hình thức tấn công hợp tác.2 Mô hình mạng NOMA cộng tác có sử dụng chiến lược đối phó chủ động với hình thức tấn công hợp tác.3 Tác động của SNR tại J, S, và R lên SOP trong kịch bản NPS và APS với α = 2, µ = 1, Ω gi = Ωhi,1 = Ωhi,2 = Ωk1 = 5, và Ω ge = Ω gs,e = Ωhi,e = Ω f i,1 = Ω f1,2 = Ω f2,2 = 0.4 Tác động của SNR tại J, S, và R lên SOP trong kịch bản NPS và APS với α = 2, µ = 1, Ω gi = Ωhi,1 = Ωhi,2 = Ωk1 = 5, và Ω ge = Ω gs,e = Ωhi,e = Ω f i,1 = Ω f1,2 = Ω f2,2 = 0.5 Tác động của số lượng ăng-ten tại R và SNR tại J, S, và U1 lên SOP trong kịch bản NPS với α = 2, µ = 1, Ω gi = Ωhi,1 = Ωhi,2 = Ωk1 = 5 và Ω ge = Ω gse = Ωhi,e = Ω f1,2 = Ω f2,2 = Ω f i,1 = 0.6 Tác động của số lượng ăng-ten của R và SNR của J, S, và U1 lên SOP trong kịch bản APS với α = 2, µ = 1, Ω gi = Ωhi,1 = Ωhi,2 = Ωk1 = 5 và Ω ge = Ω gse = Ωhi,e = Ω f1,2 = Ω f2,2 = Ω f i,1 = 0.7 Tác động của độ lợi kênh truyền J → R và R→ E lên SOP trong kịch bản NPS và APS với α = 2, µ = 1, Ω gi = Ωhi,1 = Ωhi,2 = Ωk1 = 5 và Ω ge = Ω gs,e = Ω f1,2 = Ω f2,2 = 0.1 Mô hình mạng NOMA có chiến lược chủ động nghe lén.2 SNR của tín hiệu nhiễu trong trường hợp kênh truyền gây nhiễu E→ B xác định và Ω gn = 1.3 SNR của tín hiệu nhiễu trong trường hợp kênh truyền gây nhiễu E→ B không xác định và Ω gn = 1.4 Tác động của số lượng cặp người dùng lên Osuc theo tập giá trị của γs .5 Tác động của số lượng cặp người dùng lên Osuc theo tập giá trị của γs .6 Tác động của số lượng ăng-ten lên Osuc theo tập giá trị của γs .7 Tác động của số lượng ăng-ten lên Osuc theo tập giá trị của γs .8 Tác động của hệ số phân bổ công suất δ1 đối với Osuc theo tập giá trị của γs .1 Mô hình mạng NOMA có một máy phát S, hai người dùng cuối U1 , U2 , và một thiết bị nghe lén E.2 SOP của hệ thống theo tập giá trị SNR trong kịch bản Eve sử dụng kỹ thuật loại bỏ nhiễu SIC và PIC với Ω1 = 200, Ω2 = 100, và α1 = 0.3 SOP của U1 và U2 theo tập giá trị SNR trong kịch bản Eve sử dụng kỹ thuật loại bỏ nhiễu SIC và PIC với Ω1 = 200, Ω2 = 100, Ωe = 0.4 SOP của hệ thống theo miền giá trị của hệ số phân bổ công suất α1 trong kịch bản Eve sử dụng kỹ thuật SIC với Ω1 = 200, Ω2 = 100, Ωe = 0.2, và SNR = 10 dB.5 SOP của hệ thống theo miền giá trị độ lợi kênh truyền trong kịch bản Eve sử dụng kỹ thuật SIC với Ω1 = 200, Ω2 = 100, và SNR = 10 dB.6 SOP của hệ thống theo tập giá trị của hệ số phân bổ công suất α1 trong kịch bản Eve sử dụng kỹ thuật PIC với Ω1 = 200, Ω2 = 100, Ωe = 0.2, và SNR = 10 dB.7 Tác động của số lượng ăng-ten của Eve lên SOP của hệ thống với Ω1 = 200, Ω2 = 100, Ωe = 2.