Luận án tiến sĩ: Phân tích hiệu năng bảo mật lớp vật lý hệ thống vô tuyến truyền thông đa chặng

MỤC LỤC MỤC LỤC. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM BẢO AN TOÀN THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ. Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến. Các tham số hiệu năng bảo mật. Dung lượng bảo mật.

Xác suất dung lượng bảo mật khác không. Xác suất dừng bảo mật. Truyền thông hợp tác. Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến.

Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến. Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp. Vô tuyến nhận thức. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền - Underlay.

Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen - Interweave 34 1. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập - Overlay 35 i ii 1. Kết luận chương. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG.

Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất.

Phân tích hiệu năng hệ thống. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC.

Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng truyền thông hợp tác hai chặng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng lượng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất.

Phân tích hiệu năng hệ thống. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO.

Các nghiên cứu liên quan. Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

121 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại-và-chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng Noise tính BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDF Cumulative Distribution Hàm phân phối tích lũy Function CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dịch vòng CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu DF Decode-and-Forward Giải mã-và-chuyển tiếp EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng FCC Federal Communications Ủy ban truyền thông quốc Commission gia Mỹ LOS Line of Sight Đường truyền thẳng iv v MIMO Multiple Input-Multiple Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra Output MISO Multiple Input-Single Out- Nhiều đầu vào-một đầu ra put MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa MS Mobile Station Trạm di động OP Outage Probability Xác suất dừng PDF Probability Density Func- Hàm mật độ xác suất tion PLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý PrNZ Non-zero Secrecy Capacity Dung lượng bảo mật khác Probability không PU Primary User Người dùng sơ cấp QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Random-and-Forward Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp RSA Rivest - Shamir - Adleman Thuật toán mã hóa công khai SC Secrecy Capacity Dung lượng bảo mật SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm SOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mật SU Secondary User Người dùng thứ cấp DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Mô hình cơ bản của hệ thống vô tuyến với một máy nghe lén.2 Dung lượng bảo mật của hệ thống.3 Xác suất dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.4 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống.5 Mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác cơ bản.6 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp trung kế vô tuyến.7 Mô hình chuyển tiếp một chiều.8 Mô hình chuyển tiếp hai chiều.9 Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp.10 Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp.11 Khoảng phổ có thể được sử dụng.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 0.5 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị M khi xE = 1, yE = 0.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị yE khi xE = 0.7 Hệ thống truyền thông đa chặng.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.10 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , κ = 0.11 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , K = 4 khi κ = 0.12 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị κ khi Cth = 1 và thay đổi K .1 Mô hình hệ thống.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị M khi P/N0 = 10[dB], α = 0.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị α khi P/N0 = 10[dB], M = 3 và Cth = 1.5 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị yE khi P/N0 = 10[dB], M = 3, α = 0, 5 và Cth = 1.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.7 Mô hình đề xuất bảo mật với Nth nút chuyển tiếp tốt nhất và gây nhiễu bằng năng lượng thu thập.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Ψ [dB] khi M = 3 và xR = 0.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo M khi Ψ = 10[dB] và N = 1.10 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo xR khi Ψ = 5 [dB] và M = 5.1 Giao thức chuyển tiếp vô tuyến ba chặng trong mạng cụm (cluster) với sự xuất hiện của nút nghe lén.2 Ảnh hưởng của ρ lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3].3 Ảnh hưởng của ρ lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3].4 Ảnh hưởng của số chặng lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2).5 Ảnh hưởng của số chặng lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và ρ = 0.6 Ảnh hưởng của số nút chuyển tiếp trong mỗi cụm lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2), K = 3 và ρ = 0.7 Ảnh hưởng của vị trí E lên SOP khi Cth = 1, β = 3, K = 3, M = [2 2 2] và ρ = 0. 114 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Pr(·) Xác suất E {·} Ký hiệu của toán tử trung bình. fX (x) Hàm mật độ phân bố xác suất của x. FX (x) Hàm phân bố xác suất tích lũy của x.

Ith Ngưỡng can nhiễu tối đa cho phép của đầu vào máy thu sơ cấp. C Dung lượng bảo mật. Cth Ngưỡng tối đa của tốc độ truyền cho trước. β Hệ số suy hao đường truyền.

η Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu thập. κ Mức độ suy giảm phần cứng. γ Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm tức thời của kênh truyền. λ Giá trị trung bình thống kê của γ.

ρ Hệ số tương quan giữa kênh truyền thực tế và kênh truyền ước lượng. α Hệ số phân bổ công xuất. d Khoảng cách giữa các nút. P Công suất phát trung bình.

h Hệ số kênh truyền. n Nhiễu tại đầu vào máy thu. N0 Phương sai của tạp âm Gauss trắng cộng tính. Bối cảnh nghiên cứu Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin và Điện Tử - Viễn Thông, hệ thống thông tin vô tuyến đang có rất nhiều công nghệ tiên tiến được ứng dụng nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng, tốc độ và dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng.

Trong thực tế, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, hệ thống thông tin vô tuyến thường xuyên đổi mới, từ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) chỉ truyền tín hiện tương tự, cung cấp dịch vụ thoại, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) truyền có khả năng truyền tín hiệu số, cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu tốc độ thấp, tiếp đến là thế hệ thứ ba (3G) có xu thế chuẩn hóa toàn cầu và có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ như: thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ lên đến 02 Mbps. Đến nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G - LTE) đã được đưa vào khai thác với khả năng nhanh hơn thế hệ thứ ba từ 04 đến 10 lần và băng thông có thể mở rộng lên đến 40 MHz, tốc độ dữ liệu tối đa có thể lên đến 100 Mbps khi thiết bị người sử dụng chuyển động ở tốc độ 250 Km/h. Nối tiếp với thế hệ thứ tư, mạng dữ liệu di động 5G đã và đang được nghiên cứu nhằm ứng dụng vào cuộc sống, mạng 5G sẽ là chìa khóa kết nối đa nền tảng trong tương lai gần. Với băng thông rộng và tốc độ 1 2 truyền tải lớn, mạng 5G có thể phục vụ cho mọi lĩnh vực của cuộc sống khi cả thế giới bước vào kỷ nguyên Internet vạn vật (Internet of Things - IoT).

Lướt qua những số liệu thống kê về hệ thống thông tin vô tuyến trên toàn cầu đã tăng trưởng khoảng 70% trong năm 2014. Trong đó, chỉ 26% thiết bị di động thông minh trong tổng số thiết bị di động toàn cầu đã chiếm 88% tổng lưu lượng dữ liệu di động [166].