Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Bảo mật thông tin ở lớp vật lý: Giao thức hiệu quả và đánh giá hiệu năng

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông đa chặng. Nghiên cứu hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức. Nghiên cứu kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu trong hệ thống truyền thông hợp tác. Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vào hệ thống truyền thông hợp tác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Bảo mật thông tin ở lớp vật lý: Giao thức hiệu quả và đánh giá hiệu năng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ——————————————————— CHU TIẾN DŨNG BẢO MẬT THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ: GIAO THỨC HIỆU QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ——————————————————— CHU TIẾN DŨNG BẢO MẬT THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ: GIAO THỨC HIỆU QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO TS. NGUYỄN LƯƠNG NHẬT HÀ NỘI - 2019
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 giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Chu Tiến Dũng
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS. Nguyễn Lương Nhật đã hướng dẫn, định hướng nghiên cứu khoa học, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Hội đồng khoa học, Hội đồng tiến sĩ, Khoa Quốc Tế và Đào Tạo Sau Đại học, Khoa Viễn Thông - Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn thủ trưởng Bộ Tư lệnh Thông Tin Liên Lạc và Trường Sĩ Quan Thông Tin là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho tác giả tham gia nghiên cứu và học tập trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn về mọi mặt để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Chu Tiến Dũng
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM BẢO AN TOÀN THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ . . . . . . . . . . . . . 15 1.1. Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . . 15 1.2. Các tham số hiệu năng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.1. Dung lượng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.2. Xác suất dung lượng bảo mật khác không . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3. Xác suất dừng bảo mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3. Truyền thông hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.1. Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3.2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.3. Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4. Vô tuyến nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.4.1. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền - Underlay . . . . . 34 1.4.2. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen - Interweave 34 1.4.3. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập - Overlay 35 i
ii 1.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Chương 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG . . . . . 36 2.1. Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng . . . . . . 51 2.2.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Chương 3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC . . . . . . . . 66 3.1. Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng truyền thông hợp tác hai chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.1.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
iii 3.2. Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.2.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.2.2. Mô hình hệ thống đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Chương 4. 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2. Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.2. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. . . 17 1.2 Dung lượng bảo mật của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Xác suất dung lượng bảo mật khác không của hệ thống. . . . . . 22 1.4 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5 Mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác cơ bản. . . . . . . . . . 25 1.6 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp trung kế vô tuyến. . . . . . 26 1.7 Mô hình chuyển tiếp một chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8 Mô hình chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.9 Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.10 Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.11 Khoảng phổ có thể được sử dụng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.25, xP = −0.5, yP = −0.5, Cth = {0.1, 0.5, 1} , K = 2, M1 = 2, M2 = 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.25, xP = −0.5, yP = −0.5, Cth = 0.75, K = 3, và M1 = M2 = M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 vi
vii 2.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 0.5, yE = 0.5, Cth = 0.25, K = 4, M1 = 2, M2 = 3, M3 = 2 và M4 = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.5 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị M khi xE = 1, yE = 0.25, và K = 1, 2, 4, 6. . . . . . . . . . . 49 2.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị yE khi xE = 0.5, M = 3 và K = 2, 3, 5. . . . . . . . . . . . . 50 2.7 Hệ thống truyền thông đa chặng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.01, Cth = 1, K = 2 và K = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.01, κ = 0.05, Cth = 1 và K = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.10 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , κ = 0.01 khi K = 2 và K = 4. . . . . . . . . . . . . . 61 2.11 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , K = 4 khi κ = 0.01 và κ = 0.05. . . . . . . . . . . . . 62 2.12 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị κ khi Cth = 1 và thay đổi K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1 Mô hình hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị M khi P/N0 = 10[dB], α = 0.5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
viii 3.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị α khi P/N0 = 10[dB], M = 3 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.5 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị yE khi P/N0 = 10[dB], M = 3, α = 0, 5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.5 và Cth = 1. . . . . . . . . . . . . . 85 3.7 Mô hình đề xuất bảo mật với Nth nút chuyển tiếp tốt nhất và gây nhiễu bằng năng lượng thu thập. . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Ψ [dB] khi M = 3 và xR = 0.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo M khi Ψ = 10[dB] và N = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.10 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo xR khi Ψ = 5 [dB] và M = 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.1 Giao thức chuyển tiếp vô tuyến ba chặng trong mạng cụm (cluster) với sự xuất hiện của nút nghe lén. . . . . . . . . . . . . 102 4.2 Ảnh hưởng của ρ lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3 Ảnh hưởng của ρ lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.4 Ảnh hưởng của số chặng lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.5 Ảnh hưởng của số chặng lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và ρ = 0.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
ix 4.6 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 = 0.9. . . . . . . 113 4.7 Ảnh hưởng của vị trí E lên SOP khi Cth = 1, β = 3, K = 3, M = [2 2 2] và ρ = 0.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. G.,. .,. (.|.) Hàm MeijerG. x
MỞ ĐẦU 1. 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]. Theo Cisco’s Visual Networking Index (VNI) dự đoán, đến năm 2019 số lượng thiết bị di động thông minh chiếm hơn phân nửa số lượng thiết bị trong mạng thông tin di động [166]. Giờ đây, thiết bị di động đã trở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực và không thể thiếu đối với mỗi người sử dụng. Tuy nhiên với sự phát triển quá mạnh mẽ của thiết bị di động đã đẩy người dùng vào những rủi ro mất an ninh, an toàn thông tin. Với việc sử dụng phổ biến các thiết bị di động để kết nối, tải, cập nhật, lưu trữ dữ liệu thông qua các Internet đã làm thay đổi hoàn toàn phạm vi, cách thức bảo vệ dữ liệu. Như vậy, các vấn đề về bảo mật và an toàn thông tin trong mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới đang ngày càng tỏ rõ tầm quan trọng, khi mạng thông tin vô tuyến đang xâm nhập sâu rộng và trở thành các công cụ không thể thiếu trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế - xã hội và an ninh - quốc phòng. Cùng với các dịch vụ được đảm bảo bởi sự phát triển của các công nghệ, lưu lượng thông tin người dùng được trao đổi thường xuyên trên các hệ thống thông tin, đặc biệt là các thiết bị người dùng sử dụng kênh truyền vô tuyến. Do đặc tính quảng bá của kênh truyền, hệ thống truyền thông vô tuyến dễ bị nghe lén và tấn công mạo danh. Hai yếu tố bảo mật cơ bản được thể hiện trong các hệ thống truyền thông vô tuyến để chống lại các mối đe dọa này là bảo mật và xác thực. Tính bảo mật đảm bảo rằng người nghe lén không
3 thể đọc được thông tin. Tính xác thực đảm bảo rằng người nhận tin có thế xác định được nguồn gốc tin tức và bất kỳ kẻ tấn công nào cũng không thể giả mạo là nguồn tin. Các phương pháp bảo mật truyền thống đã sử dụng các thuật toán mật mã đối xứng và bất đối xứng để đạt được sự bảo mật và xác thực trong truyền thông. Điểm chung là các thuật toán này được áp dụng ở lớp ứng dụng (Application layer) với giả sử rằng kênh truyền giữa máy phát và máy thu (Physical layer) đã được thiết lập và không lỗi. Tuy nhiên, do sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống vô tuyến không tập trung (Decentralized networks) với khả năng truyền tải dữ liệu lớn và tính di động cao, việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã dữ liệu phức tạp (ở lớp ứng dụng) trở nên khó khăn và không hiệu quả trong môi trường vô tuyến pha- đinh nhanh. Hơn nữa, việc nghe lén, nhiễu kênh truyền và truy cập không xác thực là sự tấn công lên hệ thống thông tin vô tuyến ở lớp vật lý. So với công nghệ mã hóa được thực hiện ở các lớp trên, bảo mật lớp vật lý có một số lợi thế. Bảo mật lớp vật lý bảo đảm an toàn thông tin hơn theo một số cách khác nhau. Ví dụ, các đặc tính vật lý của các kênh vô tuyến được khai thác để đảm bảo tính bảo mật của tin tức cùng với sự trợ giúp của việc mã hóa và xử lý tín hiệu thích hợp, khi đó thông tin được đảm bảo chỉ được giải mã bởi những người nhận đã được xác định. Trong khi còn có nhiều rủi ro trong các phương pháp mã mật, do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, người nghe lén có thể truy cập đến các khả năng tính toán vô hạn để khởi động các cuộc tấn công phá vỡ lưu lượng hay tấn công phân tích hệ thống [124] và đó là mối nguy hiểm đối với bất kỳ hệ thống mật mã nào. Ngoài ra, bảo mật lớp vật lý có thể được thực hiện bằng nhiều cách hết sức thuận tiện, thay vì sử dụng các tài nguyên hoặc cơ sở hạ tầng truyền thông
4 lớn để chia sẻ các thông tin mật mã giữa các thực thể hợp pháp [125], bảo mật lớp vật lý không cần phải xem xét các giao thức bảo mật được thực hiện như thế nào và nó cũng không đòi hỏi phải thực hiện bất kỳ cơ chế bảo mật bổ sung nào ở các lớp khác trên lớp vật lý. Hơn nữa, xác thực ở lớp vật lý có thể xác thực các nút hợp pháp một cách nhanh chóng trước khi giải điều chế và giải mã tín hiệu để tránh lãng phí trong việc xử lý các tín hiệu không mong muốn. Vì vậy, luận án tập trung nghiên cứu vào một cơ chế an ninh bổ sung, đó là bảo mật thông tin được thực hiện ở lớp vật lý, bằng cách khám phá tính chất ngẫu nhiên của phương tiện truyền tải lớp vật lý để đạt được cả tính bảo mật và xác thực. Trong hai thập kỷ qua, dựa trên các lý thuyết toán học, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số lượng đáng kể các công nghệ, các thuật toán và các giải pháp để giải quyết các vấn đề thách thức của bảo mật lớp vật lý [33,128,149]. Mặc dù tập trung vào các vấn đề khác nhau, tùy thuộc vào từng kịch bản, những thách thức chính của nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý vẫn không thay đổi, chẳng hạn như: định lượng dung lượng bảo mật; ảnh hưởng của mức độ hoàn hảo của trạng thái kênh truyền; ảnh hưởng của pha-đinh; ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng; truyền thông hợp tác; vô tuyến nhận thức v.v. . . Với những ảnh hưởng đó, nên khi kênh nghe lén được cải thiện, việc mất khả năng bảo mật hoàn toàn có thể xảy ra. Vì vậy, làm cách nào để nâng cao hiệu năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến trong điều kiện bất lợi vẫn là một vấn đề mở. Hiện nay, các công trình nghiên cứu về bảo mật ở lớp vật lý tập trung theo hướng dùng khóa bí mật hay không dùng khóa bí mật, đó là:
5 • Khai thác tính ngẫu nhiên và tính tương thích của kênh truyền vô tuyến để tạo khóa bí mật. Với phương pháp này, kênh chính phải đủ tốt để tạo khóa bí mật và nút nghe lén có khoảng cách đủ xa [34, 131]. • Sử dụng các giao thức truyền thông để tối đa hóa tốc độ mà không cần dùng khóa bí mật. Các giao thức truyền thông hoạt động theo kịch bản sao cho tỉ số SNR tại mọi nút phát (gồm nút nguồn và nút chuyển tiếp) đạt được giá trị lớn nhất và tỉ số SNR của nút nghe lén bị hạn chế bởi các giao thức truyền thông: chuyển tiếp, hợp tác,. . . Luận án của nghiên cứu sinh được đặt ra trong bối cảnh nghiên cứu này, với mục tiêu nâng cao hiệu năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý bằng cách sử dụng các phương pháp kỹ thuật tiên tiến như: truyền thông hợp tác sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, gây nhiễu nhân tạo, truyền thông đa chặng và nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái kênh truyền không hoàn hảo lên hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông vô tuyến. Từ đó, luận án xây dựng các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến nhằm nâng cao hiệu năng bảo mật và đảm bảo các tiêu chí về tốc độ truyền dẫn, chất lượng dịch vụ nhằm hướng tới khả năng ứng dụng vào trong xây dựng, triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến thực tế. 2. Các công trình nghiên cứu liên quan Khi nói về bảo mật thông tin ở lớp vật lý, chúng ta không thể không nhắc đến Shannon, là người đã đề xuất, phân tích lý thuyết về lý thuyết bảo mật thông tin [128], theo đó mức độ bảo mật phụ thuộc vào lượng thông tin những người nghe lén biết được. Tiếp theo đó, các khái niệm ban đầu về bảo mật lớp vật lý được đưa ra trong nghiên cứu [149], Wyner đã chỉ ra rằng khi kênh
6 của người sử dụng hợp pháp có điều kiện truyền lan tốt hơn so với người nghe lén, thì hệ thống truyền thông có thể đạt được bảo mật hoàn hảo mà không cần dùng bất cứ một loại mã mật nào. Tuy nhiên, khi các điều kiện kênh trong mạng vô tuyến không thuận lợi cho người dùng hợp pháp, dung lượng bảo mật có thể rất thấp hoặc thậm chí giảm xuống không. Một số nghiên cứu [22, 64, 69, 132] là những bài báo tiêu biểu về lĩnh vực bảo mật lớp vật lý. Trong [22], các tác giả đã trình bày giải pháp bảo mật lớp vật lý cho hệ thống truyền thông vô tuyến bằng kỹ thuật hợp tác, sử dụng nút chuyển tiếp gây nhiễu cho nút nghe lén. Bài báo [64] tập trung vào việc xử lý tín hiệu kết hợp với mã hóa kênh để tăng tính bảo mật của hệ thống. Trong [69], các tác giả trình bày tổng quan về xử lý tín hiệu trong các hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều anten để nâng cao hiệu năng bảo mật lớp vật lý, bài báo này tập trung vào xử lý bảo mật tín hiệu trong truyền dữ liệu và ước lượng kênh. Trong [132], tác giả liệt kê các phương thức tấn công thường được sử dụng và các yêu cầu về bảo mật hệ thống, qua đó bài báo giới thiệu năm chủ đề nghiên cứu chính về bảo mật lớp vật lý, bao gồm: dung lượng bảo mật, tiền mã hóa kênh, mã hóa, tối ưu công suất và phương thức tiếp cận lựa chọn tín hiệu. Nghiên cứu [127, 129] tập trung vào các vấn đề rất cụ thể của bảo mật. Trong [127], các tác giả nghiên cứu, thảo luận chi tiết về các biện pháp ngăn chặn đối với tấn công gây nhiễu cho hệ thống vô tuyến trong quá trình đồng bộ và ước lượng kênh. Trong [129], các tác giả thảo luận về các vấn đề bảo mật lớp vật lý và các lớp trên trong các mạng vô tuyến nhận thức bằng cách giới thiệu các mối đe dọa về an ninh và các biện pháp đối phó. Trong bài báo [57], các tác giả đã thực hiện nghiên cứu bảo mật lớp vật lý cho mạng