Luận án Tiến sĩ: Bảo mật lớp vật lý cho hệ thống Massive MIMO với kênh pha Đinh Rice - Vũ Lê Quỳnh Giang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- VŨ LÊ QUỲNH GIANG NGHIÊN CỨU BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO HỆ THỐNG MASSIVE MIMO VỚI KÊNH PHA ĐINH RICE Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- VŨ LÊ QUỲNH GIANG NGHIÊN CỨU BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ CHO HỆ THỐNG MASSIVE MIMO VỚI KÊNH PHA ĐINH RICE Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN 2.TS LÊ NHẬT THĂNG HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả Vũ Lê Quỳnh Giang LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.

Trước tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy hướng dẫn TS. Trương Trung Kiên và PGS. Lê Nhật Thăng. Các Thầy không những là người hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này mà còn là người truyền thụ động lực, quyết tâm cho nghiên cứu sinh vượt qua những khó khăn trong quá trình nghiên cứu.

Tiếp theo, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông đã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành được luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành cám ơn sâu sắc đến TS. Trần Hùng đã luôn hỗ trợ nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu. Nhờ những ý kiến nhận xét và góp ý quí báu của các Thầy trong Hội đồng góp ý hội thảo luận án, bản luận án này đã được cải thiện đáng kể so với bản dự thảo luận án ban đầu.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy trong Hội đồng góp ý luận án trước bảo vệ về những chỉ dẫn quan trọng. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn trong cuộc sống để nghiên cứu sinh đạt được những kết quả như hôm nay. Mục lục MỤC LỤC. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.

iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC. ix MỞ ĐẦU. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ VÀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MASSIVE MIMO.

Bảo mật lớp vật lý trong mạng thông tin di động. Kênh nghe lén Gauss. Tham số đánh giá dung bảo mật của hệ thống thông tin di động 22 1. Hệ thống Massive MIMO.

Lợi ích của hệ thống Massive MIMO. Thách thức của hệ thống Massive MIMO. Hệ thống Massive MIMO với số ăng-ten vô cùng lớn. Bảo mật lớp vật lý trong hệ thống Massive MIMO.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Massive MIMO. Các phương pháp tấn công trong hệ thống Massive MIMO. 34 i ii Chương 2. DUNG LƯỢNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG KHI CÓ THIẾT BỊ NGHE LÉN THỤ ĐỘNG ĐỐI VỚI HỆ THỐNG MASSIVE MIMO TRONG ĐIỀU KIỆN KÊNH PHA ĐINH RICE 35 2.

Những thách thức của nghe lén thụ động trong mạng Massive MIMO 36 2. Mô hình hệ thống. Phân tích dung lượng bảo mật. Định nghĩa và cách tiếp cận.

Tốc độ dữ liệu hợp lệ. Tốc độ dữ liệu nghe lén đạt được. Kết quả mô phỏng và tính toán số. Kết luận chương.

PHÁT HIỆU NHIỄU HOA TIÊU TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO TRONG ĐIỀU KIỆN KÊNH TRUYỀN PHA- ĐINH RICE. Giới thiệu chung. Mô hình hệ thống. Mô hình truyền dẫn tầm nhìn thẳng LOS.

Mô hình truyền dẫn không tầm nhìn thẳng NLOS. Tấn công sử dụng nhiễu hoa tiêu ở kênh đường lên. Sơ đồ phát hiện hoa tiêu ngẫu nhiên khi không bị can nhiễu. Sơ đồ phát hiện nhiễu hoa tiêu ngẫu nhiên dưới sự ảnh hưởng của nhiễu.

Xây dựng phạm vi phát hiên thiết bị bất hợp pháp. Kết quả mô phỏng. Sử dụng cặp hoa tiêu thử nghiệm trong một khung truyền vô tuyến 68 3. Sử dụng căp ngẫu nhiên hoa tiêu thử nghiệm trong một tập hoa tiêu thử nghiệm.

Kết luận chương. CẢI THIỆN XÁC SUẤT PHÁT HIỆN VÀ XÁC SUẤT BÁO ĐỘNG GIẢ TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO. Giới thiệu chung. Mô hình hệ thống.

Phương pháp phát hiện nhiễu hoa tiêu. Phương pháp phát hiện. Khi có tín hiệu gây nhiễu chủ động. Không có tín hiệu gây nhiễu chủ động.

Thuật toán phát hiện. Phân tích xác suất phát hiện. Kết quả mô phỏng. Kết luận chương.

97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI. 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 100 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AWGN Additive White Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng Noise tính BS Base Station Trạm gốc CDF Cumulative Distribution Hàm phân bố xác suất Function CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức CSI Channel State Informa- Thông tin trạng thái kênh tion truyền DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp ITU International Telecommu- Liên minh viễn thông nications Union quốc tế IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật Điện và Electronics Engineers Điện tử MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập MIMO Multi-Input Multi- Đa đầu vào đa đầu ra Output Massive MIMO Massive Multi-Input Đa đầu vào đa đầu ra cỡ Multi-Output rất lớn iv v MRC Maximal Ratio Combin- Kết hợp tỉ số cực đại ing LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng NLOS Non-Line-Of-Sight Không tầm nhìn thẳng SOP Secrecy Outage Probabil- Xác suất dừng bảo mật ity OFDM Orthogonal Frequency- Ghép kênh phân chia theo Division Multiplexing tần số trực giao PSK Phase-Shift Keying Điều chế khóa dịch pha PDF Probability Density Func- Hàm mật độ xác suất tion SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm SINR Signal to Interference plus Tỉ số công suất tín hiệu/ Noise Ratio công suất nhiễu và tạp âm Wi-Fi Wireless Fidelity Công nghệ mạng cục bộ không dây WAP Wi-Fi Protected Access Chuẩn bảo mật được sử dụng trong mạng Wi-Fi WEP Wired Equivalent Privacy Bảo mật tương đương với mạng có dây ZF Zero-Forcing Cưỡng ép về không Danh sách hình vẽ 1.1 Hiệu năng sử dụng phổ của hệ thống Massive MIMO với số ăng-ten lớn.1 Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB , RE và CSC dưới dạng hàm số của M khi ΦE = ΦB = 0 [rad].2 Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB , RE và CSC dưới dạng hàm số của M khi ΦE = ΦB = 0.3 Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB , RE và CSC dưới dạng hàm số của ΦE [rad] khi M = 128.1 Mô hình hệ thống, trong đó trạm gốc A truyền thông với người dùng B và thiết bị nghe lén bất hợp pháp J.2 Sơ đồ phát hiện phát hiện nhiễu hoa tiêu ngẫu nhiên. Đầu tiên B truyền các hoa tiêu PSK ngẫu nhiên.

Sau quá trình xử lý tại BS, nếu không có J thì tích của hai tín hiệu nhận được phải là ký hiệu PSK. Ngược lại thì J có mặt.3 Xác suất phát hiện tỉ lệ SNR với M = 256, PB = 24 dBm, PJ = 24 dBm, ΦB = 0.4 Xác suất phát hiện tỉ lệ với SNR cho trường hợp N = 4-PSK, PB = 24 dBm, PJ = 24 dBm and ΦB = 0.1 rad, dB = 300 m, dJ = 200 m .5 Xác suất báo động giả ΦJ = 0.1 rad, N = 16 PSK với M .6 Xác suất phát hiện tỉ lệ với SNR với M = 128, N = 8 và các giá trị K khác nhau .7 Xác suất phát hiện vs. SNR cho trường hợp K = 10, M = 64 ang ten, và N = 4; 8; 16-PSK .8 Xác suất báo động giả N = 8 PSK , SNR=5; K = 2; 5; 10; 15 vs.1 Xác suất phát hiện tỉ lệ với SNR với số lượng hoa tiêu là 2, 4, 10, 15, số khung truyền dẫn NF = 2, số PSK = 8, M = 128, PB = 24 dBm, PJ = 24 dBm, and ΦB = 0 rad và ΦJ = 0.2 Xác suất phát hiện tỉ lệ với SNR với số hoa tiêu K = 5, số khung truyền dẫn là NF = 4, N = 8-PSK, PB = 1, PJ = 1 and ΦB = 0 rad, and ΦJ = 0.3 Xác suất phát hiện của kênh Rayleigh pha đinh và kênh truyền pha đinh Rice tỉ lệ với SNR, số ăng ten M = 4, số hoa tiêu thử nghiệm K = 5; 10, số khung truyền dẫn NF = 2, N = 16PSK, PB = 24 dBm, PJ = 24 dBm and ΦB = 0.4 Xác suất cảnh báo sai tỉ lệ với M với số hoa tiêu là5, 10, 15, 20, SNR = 3 dB, số khung truyền dẫn NF = 3, với N = 8 PSK ΦJ = 0 rad, ΦB = 0.5 Xác suất cảnh báo sai tỉ lệ với số ăn-ten tại BS; PSK lần lượt là 4,8,16,24, số hoa tiêu là K = 12, số khung truyền dẫn NF = 3, ΦJ = 0 rad, ΦB = 0.1 rad, SNR = 1 dB.6 Xác suất báo động giả của kênh pha đinh Rice theo số ăng-ten và SNR là -5, 2, 4, 10, số hoa tiêu K = 11, số khung truyền dẫn vô tuyến NF = 5, PSK = 8, ΦJ = 0 [rad], ΦB = 0.7 So sánh xác suất báo động giả của kênh truyền pha-đinh Rayleighvà kênh truyền pha-đinh Rice tỉ lệ với số ăng ten tại trạm gốc khi SNR ∈ {0, 3} [dB] , K = 14, NF = 8, N = 16, ΦJ = 0. 96 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa a a là biến số vô hướng a a là một véc-tơ A A là một ma trận aij Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A AH Chuyển vị liên hợp phức (Hermitian transpose) của ma trận A E {·} Kí hiệu của toán tử kì vọng fX (·) Hàm mật độ xác suất của X FX (·) Hàm phân bố tích lũy của X CN (0, σ 2 ) Phân bố chuẩn với trung bình không và phương sai σ 2 η Hệ số suy hao truyền sóng ix MỞ ĐẦU 1.

Hoàn cảnh nghiên cứu Hiện nay các thiết bị di động cùng với yêu cầu về băng thông đường truyền ngày càng cao.