Nghiên cứu hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dưới sự tác động của khiếm khuyết phần cứng

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG TRUYỀN BẢO MẬT SỬ DỤNG MÃ<br /> FOUNTAIN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DƯỚI SỰ<br /> TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG<br /> Đặng Thế Hùng1*, Trần Trung Duy2, Đỗ Quốc Trinh1<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình truyền dữ liệu sử dụng<br /> mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức. Trong mô hình đề xuất, một nút nguồn<br /> thứ cấp sử dụng kỹ thuật chọn lựa ănten phát (Transmit Antenna Selection (TAS))<br /> để gửi những gói mã hóa đến một nút đích thứ cấp. Nút nguồn phải hiệu chỉnh công<br /> suất phát để không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Hơn<br /> thế nữa, với sự xuất hiện của nút nghe lén thứ cấp, nút đích thứ cấp phải cố gắng<br /> đạt được đủ số lượng gói mã hóa được yêu cầu trước nút nghe lén để bảo mật thông<br /> tin gốc. Chúng tôi đã đưa ra các công thức tính xác suất thông tin được giải mã<br /> thành công và bảo mật tại nút đích dưới sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh từ<br /> mạng sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng. Cũng vậy, xác suất mất bảo mật cũng sẽ<br /> được đánh giá bằng các biểu thức toán học. Để kiểm chứng các công thức, chúng<br /> tôi tiến hành các mô phỏng Monte Carlo để so sánh với kết quả lý thuyết.<br /> Từ khóa: Mã Fountain; Vô tuyến nhận thức; Khiếm khuyết phần cứng; Chọn lựa ănten phát; Bảo mật lớp vật lý.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Bảo mật trong truyền thông vô tuyến là một vấn đề then chốt do tính chất phát sóng<br /> quảng bá tự nhiên của kênh truyền vô tuyến. Cho đến nay, nhiều kỹ thuật mật mã đã được<br /> sử dụng để đảm bảo sự bảo mật thông tin. Tuy nhiên, việc triển khai những giải thuật mật<br /> mã thường phức tạp, chưa kể đến việc có thể hoàn toàn bị bẻ khóa khi khả năng tính toán<br /> của các thiết bị nghe lén đủ mạnh. Trong những mạng truyền thông vô tuyến như mạng<br /> cảm biến, mạng ad-hoc hay mạng IoT, v.v., các thiết bị thường nhỏ gọn, bị giới hạn năng<br /> lượng và khả năng xử lý. Việc triển khai những kỹ thuật mật mã phức tạp với thiết bị này<br /> có thể tốn kém và không hiệu quả.<br /> Gây đây, các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp bảo mật thông tin đơn giản tại lớp<br /> vật lý (Physical Layer Security: PHY) để đạt được bảo mật thông qua việc khai thác các<br /> đặc tính của các kênh truyền vô tuyến như khoảng cách, pha-đinh kênh truyền, giao thoa<br /> và nhiễu [1]-[2] và do đó để tránh việc sử dụng thêm các nguồn tài nguyên phổ tần, giảm<br /> phần mào đầu tín hiệu và đặc biệt có khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật hiện có<br /> mà không cần phải sử dụng thêm các kỹ thuật mã hóa phức tạp. PHY dựa vào đặc tính<br /> ngẫu nhiên của các kênh truyền vô tuyến, nhằm mục đích làm cho tốc độ truyền cao hơn<br /> dung lượng kênh nghe lén, nhưng thấp hơn so với dung lượng kênh hợp pháp. Vậy nên,<br /> PHY là một giải pháp bổ sung hoàn hảo nhằm khắc phục các hạn chế của các kỹ thuật mật<br /> mã hóa truyền thống. Trong bảo mật lớp vật lý, thông tin có thể được bảo mật khi kênh dữ<br /> liệu tốt hơn kênh nghe lén. Vì vậy, các kỹ thuật truyền phân tập thường được sử dụng để<br /> nâng cao chất lượng của kênh dữ liệu. Trong các tài liệu [3]-[4], hiệu quả bảo mật của mô<br /> hình MIMO đã được phân tích, trong đó nút nguồn sử dụng kỹ thuật chọn lựa ănten phát<br /> (Transmit Antenna Selection) và nút đích sử dụng các bộ kết hợp tỷ số tối đa (Maximal<br /> Ratio Combining: MRC) để đạt được độ lợi phân tập phát và thu tại hai đầu cuối. Ngoài<br /> ra, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe lén cũng là một phương pháp hiệu quả để bảo<br /> mật thông tin. Trong phương pháp này, một nút tạo nhiễu tin cậy được sử dụng để gây ra<br /> nhiễu lên nút nghe lén, trong khi nút đích có thể khử được nhiễu gây ra từ nút này. Kỹ<br /> thuật này đòi hỏi một sự đồng bộ cao giữa nút đích và nút tạo nhiễu, tuy nhiên hiệu năng<br /> bảo mật thông tin tăng lên đáng kể khi so sánh với các kỹ thuật thông thường [5]-[6].<br /> <br /> <br /> 58 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Vô tuyến nhận thức [7] (Cognitive Radio: CR) lần đầu tiên được đề xuất bởi Mitola<br /> vào năm 1999 nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần cũng như để sử dụng phổ tần<br /> một cách hiệu quả hơn. Trong CR, mạng sơ cấp hay mạng được cấp phép sử dụng phổ tần<br /> (Primary Networks) có thể chia sẽ phổ tần với mạng thứ cấp (Secondary Networks) để tận<br /> dụng các khoảng tần nhàn rỗi. Thông thường, những người dùng thứ cấp phải thăm dò<br /> hoạt động của người dùng sơ cấp để có thể truy nhập vào những phổ tần trống. Tuy nhiên,<br /> phương pháp này không hiệu quả bởi hoạt động của người dùng thứ cấp phụ thuộc quá<br /> nhiều vào sự xuất hiện của người dùng sơ cấp. Hơn thế nữa, khi quá trình thăm dò xảy ra<br /> sai sót, chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi giao<br /> thoa gây ra từ mạng thứ cấp. Gần đây, các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp chia sẽ<br /> phổ tần dạng nền (underlay spectrum sharing) [8], cho phép mạng thứ cấp hoạt động song<br /> song với mạng sơ cấp. Tuy nhiên, điều kiện ràng buộc là những người dùng thứ cấp phải<br /> hiệu chỉnh công suất phát để không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ<br /> cấp. Gần đây, vấn đề bảo mật thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền [9, 10]<br /> hiện đang trở thành một chủ đề “nóng” thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu<br /> trong và ngoài nước.<br /> Một trong những vấn đề cơ bản trong thông tin vô tuyến là tăng thông lượng một cách<br /> hiệu quả trong các kênh truyền biến đổi theo thời gian. Nhìn chung, việc truyền tín hiệu<br /> trên các kênh vô tuyến phải đối mặt với rất nhiều thách thức đó là sự suy giảm nghiêm<br /> trọng về chất lượng kênh truyền, bao gồm nhiễu, pha-đinh, suy hao đường truyền, hiện<br /> tượng bóng mờ,… thay đổi trong suốt quá trình truyền. Do đó, để đạt được thông lượng<br /> cao, các hệ thống vô tuyến cần phải thích ứng với tất cả các điều kiện kênh truyền khác<br /> nhau. Để giải quyết những vấn đề trên, mã Fountain (Fountain codes: FCs), hay mã<br /> Rateless (Rateless codes) [11, 12], có thể thích ứng với các điều kiện kênh truyền mà<br /> không cần biết thông tin trạng thái kênh (Channel State Information: CSI) tại máy phát.<br /> Máy phát sử dụng bộ mã hóa Fountain có thể tạo ra các gói mã hóa (encoded packets hay<br /> Fountain packets) không giới hạn và gửi đến máy thu cho đến khi máy thu nhận đủ một số<br /> lượng gói tối thiểu để có thể khôi phục được thông tin gốc. Có thể thấy rằng việc triển khai<br /> mã FCs khá đơn giản, và mã FCs hoàn toàn phù hợp cho mạng cảm biến, mạng ad-hoc và<br /> mạng IoT. Tuy nhiên, bảo mật một lần nữa trở thành một vấn đề then chốt bởi các thiết bị<br /> nghe lén dễ dàng nhận được các gói mã hóa và có thể đạt được thông tin gốc một cách bất<br /> hợp pháp. Vì vậy, bảo mật thông tin cho các hệ thống sử dụng FCs đã dành được nhiều sự<br /> quan tâm trong thời gian gần đây. Trong các công trình [13, 14], thông tin gốc của máy<br /> phát sẽ được bảo mật nếu máy thu có thể nhận đủ số gói mã hóa trước máy nghe lén. Tác<br /> giả của công trình [15] đã đề xuất mô hình tạo nhiễu nhân tạo nhằm nâng cao tính bảo mật<br /> cho hệ thống chuyển tiếp dữ liệu sử dụng FCs. Mặt khác, trong hầu hết các công trình<br /> nghiên cứu về PHY thì phần cứng của thiết bị trong mạng được giả sử là hoàn hảo. Tuy<br /> nhiên, trong thực tế, phần cứng của các thiết bị vô tuyến luôn là không hoàn hảo do nhiễu<br /> pha, sự không cân bằng I/Q và các bộ khuếch đại phi tuyến. Khiếm khuyết phần cứng sẽ<br /> gây méo tín hiệu ở cả máy phát và máy thu, dẫn tới giảm tỷ số tín hiệu trên giao thoa và<br /> nhiễu (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio: SINR), làm tăng sự phát xạ ngoài dãi tần<br /> mong muốn. Hơn nữa, trong [16], chúng tôi đã đề xuất hệ thống MIMO TAS/SC nhằm<br /> nâng cao độ tin cậy của việc truyền các gói tin mã hóa trên kênh chính sử dụng FCs, dưới<br /> tác động của nhiễu đồng kênh gây ra từ nhiều nguồn giao thoa, và hệ thống truyền dữ liệu<br /> đường xuống MISO với kỹ thuật TAS sử dụng FCs, kết hợp gây nhiễu hợp tác, nhằm giảm<br /> chất lượng kênh nghe lén dưới ảnh hưởng của suy giảm phần cứng, cũng đã được khảo sát<br /> trong [17].<br /> Tuy nhiên, theo sự hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, vẫn chưa có công trình nào nghiên<br /> cứu hiệu quả bảo mật thông tin cho các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng FCs trong<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 59<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền. Trong mô hình đề xuất, nút nguồn thứ cấp mã<br /> hóa dữ liệu gốc với mã FCs và sử dụng TAS để gửi các gói mã hóa đến một nút đích thứ<br /> cấp. Theo nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chia sẽ phổ tần dạng nền, công suất phát của<br /> nút nguồn phải được hiệu chỉnh để thỏa mãn chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Dưới sự<br /> tác động chung của giao thoa đồng kênh từ mạng sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng, nút<br /> đích thứ cấp phải cố gắng đạt được đủ số lượng gói mã hóa trước nút nghe lén thứ cấp để<br /> bảo mật thông tin của nguồn. Chúng tôi đưa ra các biểu thức tính xác suất thông tin được<br /> giải mã thành công và bảo mật, cũng như xác suất mất bảo mật trên kênh truyền pha-đinh<br /> Rayleigh. Hơn nữa, chúng tôi cũng thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các<br /> biểu thức toán học được đưa ra.<br /> Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Trong phần II, chúng tôi mô tả mô<br /> hình hệ thống được đề xuất. Trong phần III, chúng tôi đánh giá hiệu năng của hệ thống đề<br /> xuất. Phần IV cung cấp các kết quả mô phỏng và phân tích lý thuyết. Cuối cùng, chúng tôi<br /> kết luận bài báo trong phần V.<br /> 2. MÔ HÌNH KHẢO SÁT<br /> 2.1. Mô hình hệ thống<br /> Như được mô tả trong hình 1, hai mạng sơ cấp và thứ cấp cùng sử dụng chung một<br /> băng tần. Trong mạng sơ cấp, máy phát sơ cấp PT (Primary Transmitter) muốn gửi dữ liệu<br /> đến một máy thu sơ cấp PR (Primary Receiver). Cùng lúc đó, trong mạng thứ cấp, một nút<br /> nguồn thứ cấp SS (Secondary Source) cũng truyền dữ liệu đến nút đích thứ cấp SD<br /> (Secondary Destination). Cũng trong mạng thứ cấp, nút nghe lén SE (Secondary<br /> Eavesdropper) đang cố gắng nghe lén dữ liệu mà SS muốn gửi đến SD. Do hai mạng sơ<br /> cấp và thứ cấp cùng hoạt động trên một dải tần, các máy phát sơ cấp và thứ cấp sẽ gây<br /> nhiễu đồng kênh lên các thiết bị thu thứ cấp và sơ cấp. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng<br /> dịch vụ cho mạng sơ cấp (mạng được cấp phép sử dụng băng tần), SS phải hiệu chỉnh<br /> công suất phát một cách thích hợp.<br /> Giả sử rằng PT, PR, SD và SE chỉ có 01 ănten, trong khi SS được trang bị với<br /> M ănten và sử dụng kỹ thuật TAS để gửi các gói dữ liệu đến SD sử dụng mã FCs. Đầu<br /> tiên, SS chia dữ liệu gốc của mình thành L gói nhỏ có độ dài bằng nhau.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình hệ thống khảo sát.<br /> Từ đó, một số lượng các gói nhỏ này sẽ được chọn một cách ngẫu nhiên, và XOR lại<br /> với nhau để tạo thành những gói mã hóa. Kích thước của những gói mã hóa có thể lớn hơn<br /> kích thước của những gói nhỏ đã chọn ra do chúng được thêm vào một số thông tin trong<br /> phần mào đầu để phục vụ cho việc giải mã sau này. Rồi thì, SS sẽ lần lượt gửi những gói<br /> mã hóa đến SD. Bởi tính chất quảng bá của kênh thông tin, SE cũng nhận được các gói mã<br /> <br /> <br /> 60 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> hóa của SS. Ta xét một hệ thống giới hạn về thời gian trễ, trong đó số lượng gói mã hóa tối<br /> đa mà SS có thể gửi đến SD được cố định bởi N . Theo nguyên lý giải mã trong mã FCs,<br /> nếu SD hoặc SE có thể nhận được ít nhất H gói mã hóa, các nút này có thể khôi phục<br /> được dữ liệu gốc của SS, ở đây H  N , H  1    L , với  là một hằng số dương<br /> [18]. Hơn thế nữa, nếu SD có thể nhận đủ H gói mã hóa trước khi SS phát đủ N gói, SD<br /> sẽ lập tức gửi thông điệp ACK về SS để SS ngừng sự truyền. Trong trường hợp này, nếu<br /> SE không thể nhận đủ H gói mã hóa từ SS thì ta có thể thấy rằng sự truyền dữ liệu giữa<br /> SS và SD là thành công và bảo mật (Secure and Successful Transmission: SS). Ngược lại,<br /> nếu SE có thể nhận được ít nhất H gói mã hóa, dữ liệu gốc sẽ bị mất bảo mật (InSecure<br /> Transmission: IS).<br /> 2.2. Mô hình kênh truyền<br /> Giả sử tất cả các kênh truyền đều là kênh pha-đinh Rayleigh. Ta ký hiệu  X,Y là độ lợi<br /> kênh giữa hai nút X và Y. Hơn nữa,  X,Y sẽ có phân phối mũ với hàm phân phối tích lũy là:<br /> FX ,Y  x   1  exp   X,Y x  , (1)<br /> trong đó,  X,Y là tham số đặc trưng của  X,Y , và có thể được biểu diễn bằng công thức<br /> sau (xem tài liệu [19]):<br /> <br />  X,Y  d X,Y , (2)<br /> với d X,Y là khoảng cách giữa X và Y, và  là hệ số suy hao đường truyền có giá trị từ 2<br /> đến 6. Do đó, hàm mật độ xác suất của  X,Y sẽ là:<br /> fX ,Y  x    X,Y exp   X,Y x  . (3)<br /> Ta cũng ký hiệu SSm ,Y là độ lợi kênh pha-đinh Rayleigh giữa ănten phát thứ m của<br /> SS và nút Y, với m  1, 2,..., M . Giả sử rằng các độ lợi kênh truyền SSm ,Y là độc lập và<br /> đồng nhất với nhau, cụ thể là SSm ,Y  SS,Y với mọi m .<br /> 2.3. Công suất phát của SS<br /> Giả sử SS sử dụng ănten thứ m để gửi gói mã hóa đến SD với công suất phát PSSm .<br /> Như vậy, tỷ số tín hiệu trên giao thoa và nhiễu (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio<br /> (SINR)) nhận được tại PR được viết như sau (xem [20]):<br /> PPT PT,PR<br /> SINR PT,PR  2<br /> , (4)<br />  P  PT,PR  PSSmSSm ,PR  N 0<br /> P PT<br /> <br /> với PPT là công suất phát của PT, N 0 là phương sai của nhiễu cộng tại PR, và  P2 là mức<br /> suy hao phần cứng tổng cộng tại PT và PR. Để đơn giản cho việc trình bày và tính toán, ta<br /> có thể giả sử phương sai của nhiễu cộng tại tất cả các đầu thu đều bằng N 0 .<br /> Nếu SINR PT,PR nhỏ hơn một ngưỡng dương xác định trước  P , ta giả sử rằng PR không<br /> thể giải mã thành công dữ liệu nhận được từ PT. Thật vậy, xác suất này được tính như sau:<br />  P  Pr  SINR PT,PR   P <br /> (5)<br />  <br />  Pr 1   P2 P  PPT PT,PR  PSSm  PSSm ,PR  N 0 P .<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 61<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Nhìn vào công thức (5), ta thấy rằng nếu 1   P2 P  0 thì  P  1 . Ngược lại, nếu<br /> 1   P2 P  0 , ta viết lại (5) như sau:<br />   PSSm  P N 0 P <br />  P   F  x   fSS ,PR  x  dx. (6)<br /> 0 PT,PR<br />  1   P2 P  PPT 1   2<br />   P  m<br />  P P PT <br /> Thay các hàm phân phối đã đưa ra trong (1) và (3) vào trong (6), sau một số tính toán<br /> tích phân, ta thu được kết quả cuối cùng là<br /> SS,PR 1   P2 P  PPT  N  <br /> P  1  exp   0 2PT,PR P  . (7)<br /> SS,PR 1   P2 P  PPT   PT,PR P PSSm  1   P  P  PPT <br />  <br /> Để mạng sơ cấp đảm bảo chất lượng dịch vụ:  P   P , công suất phát tối đa mà SS có<br /> thể sử dụng được tính như sau:<br /> <br />     <br /> SS,PR 1   P  P  PPT<br /> 2  1  N<br /> PSSm  0,  exp   0 2PT,PR P   1  , (8)<br />   PT,PR P  1   P   1   P P  PPT   <br />     <br /> <br /> với  x, 0  max  x, 0  . Công thức (8) có ý nghĩa rằng nếu  P   P thì PSSm  0 , đồng<br /> nghĩa với việc PR không cho phép SS sử dụng chung phổ tần với mình. Ta cũng quan sát<br /> từ công thức (8) rằng công suất phát tối đa của tất cả các ănten phát tại SS đều như nhau<br /> ( PSSm  PSS m ) và cũng là một hàm của PPT . Hơn thế nữa, khi PPT đủ lớn  PPT    ,<br /> ta có xấp xỉ sau:<br /> PPT  SS,PR 1   P2 P   P<br /> PSS  PSS*  PPT . (9)<br />  PT,PR 1   P   P<br /> Công thức (9) cho thấy khi PPT đủ lớn, công suất phát của SS tăng tuyến tính theo PPT .<br /> 2.4. Chọn lựa ănten phát tại SS<br /> Trước khi gửi một gói mã hóa đến SD, SS chọn lựa ănten phát tốt nhất của mình theo<br /> tiêu chí sau:<br /> SS ,SD  max SS<br /> b m ,SD<br /> , (10)<br /> m 1,2,..., M<br /> <br /> với b  1, 2,..., M  . Công thức (10) có nghĩa rằng SS sẽ chọn ănten đạt được độ lợi kênh<br /> đến SD lớn nhất để gửi dữ liệu. Hơn nữa, khi SSm ,SD là độc lập và đồng nhất với nhau thì<br /> hàm phân phối tích lũy của SSb ,SD sẽ là<br /> M<br /> <br /> FSS ,SD  x   1  exp  SS,SD x <br /> b<br /> <br /> M (11)<br /> m<br />  1    1 CMm exp  mSS,SD x .<br /> m 1<br /> <br /> Do đó, tỷ số SINR nhận được tại SD và SE để giải mã mỗi gói mã hóa của SS sẽ lần<br /> lượt đạt được như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 62 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> P<br /> SS SSb ,SD<br /> SINR SS,SD  2<br /> , (12)<br />  P<br /> D SS SSb ,SD P <br /> PT PT,SD  N0<br /> P<br /> SS SSb ,SE<br /> SINR SS,SE  2<br /> , (13)<br />  P<br /> E SS SSb ,SE P <br /> PT PT,SE  N0<br /> trong đó,  D2 và  E2 lần lượt là tổng mức suy hao phần cứng trên các kênh liên kết<br /> SS  SD và SS  SE .<br /> Tiếp theo, giả sử rằng một gói mã hóa có thể được giải mã thành công nếu tỷ số SINR<br /> nhận được tại SD và SE lớn hơn ngưỡng  S xác định trước. Ngược lại, gói mã hóa đó sẽ<br /> không được giải mã thành công. Vì vậy, xác suất mà SD và SE không thể nhận thành công<br /> một gói dữ liệu sẽ được viết như sau:<br />  D  Pr  SINR SS,SD   S  , (14)<br /> <br />  E  Pr  SINR SS,SE   S  . (15)<br /> Thay công thức (12) vào trong (14), ta có:<br /> <br />  D  Pr 1   D2  S  PSSSS ,SD  PPT S PT,SD  N 0 S .<br /> b<br />  (16)<br /> <br /> Dễ thấy rằng nếu 1   D2  S  0 thì  D  1 , và ngược lại, ta viết<br /> <br />  D  Pr SS ,SD  D PT,SD  D <br /> b<br /> <br /> <br /> (17)<br />  FSS ,SD   D x  D  fPT,SD  x  dx,<br /> 0 b<br /> <br /> <br /> với<br /> PPT S N 0 S<br /> D  , D  . (18)<br /> 1     P2<br /> D S SS 1     P<br /> 2<br /> D S SS<br /> <br /> Thay các công thức (3) và (11) vào (17), sau một số bước tính toán, ta có:<br /> m<br /> M<br />  1 CMm  PT,SD<br /> D  1   exp  mSS,SDD  . (19)<br /> m 1  PT,SD  mSS,SD  D<br /> Tiếp đến, khi công suất phát của PT đủ lớn, ta có thể xấp xỉ SINR SS,SD bởi:<br /> PPT  PSS* SSb ,SD<br /> SINR SS,SD  . (20)<br />  D2 PSS* SS ,SD  PPT PT,SD<br /> b<br /> <br /> Kết hợp (9), (14) và (20), với cùng phương pháp tính toán như trên, ta có thể đạt được<br /> một biểu thức xấp xỉ cho  D như sau:<br /> PPT  M<br /> m  PT,SD<br /> D  1    1 CMm , (21)<br /> m 1  PT,SD  mSS,SD  D*<br />  PT,PR 1   P   P S<br /> với D*  . (22)<br /> SS,PR 1   D2  S 1   P2 P   P<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 63<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Quan sát từ các công thức (21) và (22), ta thấy rằng khi PPT đủ lớn thì  D không phụ<br /> thuộc vào PPT nữa.<br /> Một cách tương tự,  E trong công thức (15) có thể được tính chính xác như sau:<br /> 1, khi 1   E2 S  0<br /> <br /> E    PT,SE (23)<br /> 1   exp  SS,SEE  , khi 1   E2 S  0<br />  PT,SE  SS,SE  E<br /> <br /> PPT S N 0 S<br /> ở đây, E  , E  . (24)<br /> 1   E S  PSS<br /> 2<br /> 1   E2 S  PSS<br /> Hơn nữa, khi PPT   ,  E cũng không phụ thuộc vào PPT , cụ thể:<br /> PPT   PT,SE<br /> E  1 , (25)<br />  PT,SE  SS,SE E*<br />  PT,PR 1   P   P S<br /> với E*  . (26)<br /> SS,PR 1   E2 S 1   P2 P   P<br /> Cuối cùng, ta lưu ý rằng xác suất mà SD và SE có thể nhận được một gói mã hóa<br /> thành công sẽ lần lượt là: 1   D và 1   E . Hơn nữa, các xác suất  D và  E là bằng nhau<br /> trong mỗi khe thời gian, và do đó, ta có thể bỏ qua chỉ số thời gian trong các ký hiệu này.<br /> 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG<br /> Trong phần này, chúng tôi đánh giá các hiệu năng hệ thống. Đầu tiên, ta xét đến xác<br /> suất mà dữ liệu gốc của SS được gửi thành công và bảo mật (Secure and Successful<br /> Transmission: SS) đến SD. Như đã đề cập ở trên, SS là xác suất mà SD có thể nhận thành<br /> công H gói mã hóa trước SE, và được tính như sau:<br /> N H 1<br /> SS=  Cvv1H 1   D <br /> H<br />  D <br /> vH<br />     Cvt 1   E t  E v t  . (27)<br /> vH<br />    t 0 <br /> <br /> Trong công thức (27), ta quan tâm đến hai đại lượng. Đại lượng<br /> v H H v H<br /> C v 1 1   D   D  là xác suất mà SD có thể nhận thành công H gói mã hóa khi số<br /> gói mã hóa được gửi đi bởi SS là v  H  v  N  . Đại lượng thứ hai là<br /> H 1<br /> t t v t<br />  C 1     <br /> t 0<br /> v E E là xác suất mà SE chỉ có thể nhận được thành công t gói mã hóa,<br /> <br /> 0  t  H , khi SS kết thúc sự truyền sau khi đã gửi v gói mã hóa.<br /> Tiếp theo, ta quan tâm đến xác suất mất bảo mật thông tin (IS), là xác suất mà SE có<br /> thể nhận được thành công H gói mã hóa trước hoặc cùng lúc với SD. Xác suất này được<br /> tính chính xác như sau:<br />  H 1 u N u  N t N t <br /> IS=   C Nu 1   D   D      C Nt 1   E   E  <br />  u 0  t H <br /> (28)<br /> N v<br /> H v H  t v t <br />   Cvv1H 1   D   D      Cvt 1   E   E  .<br /> v H<br />   t H <br /> <br /> <br /> 64 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Để tính xác suất IS, ta xét hai trường hợp. Trường hợp 1: SD không thể nhận đủ H<br /> gói mã hóa sau khi SS đã gửi hết N gói mã hóa, tuy nhiên SE lại có thể đạt được ít nhất<br /> H gói mã hóa. Trường hợp 2: SD có thể đạt được H gói mã hóa từ SS, tuy nhiên SE<br /> cũng đạt được ít nhất H gói mã hóa trong trường hợp này. Trong công thức (28), số hạng<br /> đầu tiên là xác suất của trường hợp 1 và số hạng thứ hai là xác suất của trường hợp 2.<br /> Lưu ý rằng, xác suất giải mã thành công và bảo mật có thể đạt được khi nút đích SD<br /> có thể nhận hiệu quả số lượng các gói mã hóa từ nút nguồn SS trước nút nghe lén khi số<br /> lượng các khe thời gian được sử dụng nhỏ hơn hoặc bằng N . Mặt khác, dữ liệu gốc của<br /> SS bị đánh chặn khi nút nghe lén SE đạt được H gói mã hóa, bất kể nút nguồn sẽ phát các<br /> gói mã hóa trong các khe thời gian tiếp theo, thay vào đó SE sẽ bắt đầu giải mã dữ liệu gốc<br /> của SS.<br /> Cuối cùng, thay các biểu thức của  D và  E đã đạt được trong phần II vào (27) và (28),<br /> ta đạt được những biểu thức dạng đóng (close-form) chính xác cho SS và IS.<br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> Trong phần này, chúng tôi thực hiện các mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các<br /> công thức đã được trình bày ở phần III. Trong mặt phẳng tọa độ Oxy, ta đặt SS ở gốc tọa<br /> độ (0,0), trong khi SD có tọa độ (1,0). Ta cũng đặt PT và PR cố định tại các vị trí<br /> PT(0.5,0.5) và PR(0.5,0). Để sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh từ PT gây lên SD và<br /> SE là đồng đều, cũng như khoảng cách từ SS đến SD và SE là như nhau, ta cũng đặt SE ở<br /> vị trí (1,0) (xem như SE ở rất gần SD). Do đó, ta dễ dàng tính được khoảng cách giữa các<br /> nút như sau: dSS,SD  dSS,SE  1 , d PT,PR  0.5 , dSS,PR  0.5 và d PT,SD  d PT,SE  1/ 2 .<br /> Giả sử hệ số suy hao đường truyền được cố định bằng 3   3 , thông số đặc trưng của<br /> các kênh truyền sẽ là SS,SD  SS,SE  1 ,  PT,PR  SS,PR  1/ 8 và<br /> 3<br />  PT,SD   PT,SE  1/  2  . Trong tất cả các mô phỏng, chúng tôi cũng cố định các tham<br /> số hệ thống khác như sau: N 0  1 , H  5 ,  th  0.3 và  P  0.1 . Đối với tham số khiếm<br /> khuyết phần cứng, ta giả sử:  P2  0 và  D2   E2 .<br /> <br /> 1<br /> <br /> <br /> Mo Phong (D)<br /> 0.9<br /> Mo Phong (E)<br /> Ly Thuyet<br /> 0.8<br /> Xap Xi<br /> <br /> <br /> 0.7<br /> D & E<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.6<br /> <br /> <br /> <br /> 0.5<br /> <br /> <br /> 0.4<br /> <br /> <br /> <br /> 0 5 10 15 20 25 30<br /> PPT (dB)<br /> <br /> <br /> Hình 2. Xác suất  D và  E vẽ theo PPT (dB) khi M  7 , N  10 và  D2   E2  0.1 .<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 65<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Hình 2 biểu diễn các xác suất  D và  E theo các giá trị của PPT (dB). Trong mô<br /> phỏng này, số lượng ănten tại SS bằng 7, số gói mã hóa tối đa mà SS có thể gửi SD là 10,<br /> và các mức suy hao phần cứng trên các kênh dữ liệu và kênh nghe lén đều bằng 0.1. Như<br /> chúng ta có thể thấy trong Hình 2,  D và  E sẽ giảm khi PPT tăng nhưng các giá trị này<br /> sẽ hội tụ về các giá trị tiệm cận (Xap Xi) khi PPT đủ lớn. Ta cũng thấy rằng  D thấp hơn<br /> rất nhiều so với  E bởi SS sử dụng TAS để gửi dữ liệu đến SD. Cuối cùng, ta quan sát<br /> rằng các kết quả mô phỏng (Mo Phong) trùng với các kết quả lý thuyết (Ly Thuyet), điều<br /> này minh chứng các kết quả lý thuyết đưa ra trong phần III là chính xác.<br /> <br /> 0.9 0.14<br /> <br /> <br /> 0.8<br /> 0.12<br /> <br /> 0.7<br /> 0.1<br /> 0.6<br /> <br /> <br /> 0.5 0.08<br /> SS<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> IS<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.4<br /> 0.06<br /> <br /> 0.3<br /> 0.04 Mo Phong (M=2)<br /> Mo Phong (M=2)<br /> 0.2 Mo Phong (M=3) Mo Phong (M=3)<br /> Mo Phong (M=6) Mo Phong (M=6)<br /> 0.02 Ly Thuyet<br /> 0.1 Ly Thuyet<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30<br /> PPT (dB) PPT (dB)<br /> <br /> <br /> Hình 3. Xác suất SS vẽ theo PPT (dB) khi Hình 4. Xác suất IS vẽ theo PPT (dB) khi<br /> 2 2<br /> N  10 và     0 . D E N  10 và  D2   E2  0 .<br /> <br /> 0.8 0.08<br /> Mo Phong (N=6)<br /> Mo Phong (N=8)<br /> 0.7 0.07<br /> Mo Phong (N=10)<br /> Ly Thuyet<br /> 0.6 0.06<br /> <br /> <br /> 0.5 0.05<br /> SS<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> IS<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.4 0.04<br /> Mo Phong (N=6)<br /> Mo Phong (N=8)<br /> 0.3 0.03<br /> Mo Phong (N=10)<br /> Ly Thuyet<br /> 0.2 0.02<br /> <br /> <br /> 0.1 0.01<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 2 0.6 0.8 1<br /> 2 E<br /> D<br /> <br /> <br /> Hình 5. Xác suất SS vẽ theo  D2 khi Hình 6. Xác suất IS vẽ theo  E2 khi M  5<br /> M  5 và  D2   E2 . và  D2   E2 .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 66 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Hình 3 và 4 vẽ các xác suất SS và IS theo công suất phát của PT. Trong cả hai hình vẽ,<br /> các tham số hệ thống được cố định bởi N  10 và  D2   E2  0 . Trong Hình 3, giá trị của<br /> SS tăng khi PPT tăng nhưng giá trị của SS sẽ tiến về hằng số khi PPT đủ lớn. Điều này có<br /> thể được giải thích dựa vào kết quả đạt được trong Hình 2, đó là khi PPT tăng thì xác suất<br />  D giảm, nhưng khi PPT đủ lớn thì  D sẽ không đổi nữa. Hình 3 cũng cho thấy rằng khi<br /> tăng số lượng ănten phát M , xác suất dữ liệu nguồn có thể nhận được thành công và bảo<br /> mật tại SD cũng tăng lên đáng kể.<br /> Ngược lại với SS, Hình 4 cho thấy rằng xác suất mất bảo mật của hệ thống sẽ giảm khi<br /> nguồn SS được trang bị nhiều ănten hơn. Tương tự như giá trị của SS, giá trị của IS cũng<br /> tăng khi PPT tăng và đạt đến giá trị bão hòa khi PPT đủ lớn. Một lần nữa, các kết quả mô<br /> phỏng đã kiểm chứng sự chính xác của các kết quả lý thuyết.<br /> Hình 5 và 6 cho thấy sự ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng lên xác suất SS và IS<br /> của hệ thống. Như ta có thể thấy, giá trị của SS và IS giảm nhanh khi giá trị  D2 tăng từ 0<br /> lên 1. Ta thấy trong Hình 5 rằng SS tăng khi giá trị N tăng. Tuy nhiên, khi N tăng thì<br /> giá trị IS cũng tăng do nút nghe lén SE có nhiều cơ hội nhận đủ H gói mã hóa.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, các hiệu năng của mạng thứ cấp sử dụng mã Fountain đã được<br /> đánh giá và phân tích. Dưới sự giới hạn của giao thoa định mức và sự tác động chung của<br /> giao thoa đồng kênh và nhiễu phần cứng, kỹ thuật chọn lựa ănten phát được sử dụng để<br /> nâng cao độ tin cậy truyền dữ liệu và bảo mật dữ liệu. Các kết quả cho thấy rằng mô hình<br /> đề xuất đạt được hiệu năng tốt hơn khi nguồn thứ cấp được trang bị với nhiều ănten phát<br /> và phần cứng của các thiết bị thứ cấp tốt hơn. Hơn nữa, để nâng cao hiệu năng bảo mật của<br /> hệ thống thì cần phải giảm số lần truyền các gói mã hóa và tăng số ănten tại nút nguồn thứ<br /> cấp SS một cách phù hợp để nâng cao chất lượng của kênh hợp pháp.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ<br /> Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.04-2017.317.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. A. D. Wyner, “The Wire-tap Channel,” Bell Syst. Technol. J., Vol. 54, No. 8 (Oct.<br /> 1975), pp. 1355-1387.<br /> [2]. M. Bloch, J. Barros, M. Rodrigues, and S. McLaughlin, “Wireless Information-<br /> Theoretic Security,” IEEE Trans. Inf. Theory, Vol. 54, No. 6 (Jun. 2008), pp. 2515-<br /> 2534.<br /> [3]. F. A. Khan, K. Tourki, M.-S. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Outage and SER<br /> Performance of Spectrum Sharing System with TAS/MRC,” in Proc. IEEE Commun.<br /> Conf., Budapest, Hungary (Jun. 2013), pp. 381-385.<br /> [4]. F. A. Khan, K. Tourki, M.-S. Alouini, and K. A. Qaraqe, “Performance Analysis of a<br /> Power Limited Spectrum Sharing System with TAS/MRC,” IEEE Trans. Signal<br /> Process., Vol. 62, No. 4 (Feb. 2014), pp. 954-967.<br /> [5]. L. Dong, Z. Han, A. P. Petropulu, and H. V. Poor, “Improving Wireless Physical<br /> Layer Security via Cooperating Relays,” IEEE Transactions on Signal Processing,<br /> Vol. 58, No. 3 (Mar. 2010), pp. 1875-1888.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 67<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> [6]. S. Jia, J. Zhang, H. Zhao, R. Zhang, “Relay Selection for Improved Security in<br /> Cognitive Relay Networks with Jamming,” IEEE Wireless Commun. Lett., Vol. 6,<br /> No. 5 (Oct. 2017), pp. 662-665.<br /> [7]. J. Mitola and G. Q. Maguire, “Cognitive Radio: Making Software Radios more<br /> Personal,” IEEE Personal Commun., Vol. 6, No. 4 (Aug. 1999), pp. 13-18.<br /> [8]. Y. Zou, B. Champagne, W. Zhu, and L. Hanzo, “Relay-Selection Improves the<br /> Security-Reliability Trade-off in Cognitive Radio Systems,” IEEE Trans. on Comm.,<br /> Vol. 63, No. 1 (Jan. 2015), pp. 215-228.<br /> [9]. X. Feng, X. Gao, and R. Zong, “Cooperative Jamming for Enhancing Security of<br /> Cognitive Radio Networks with Multiple Primary Users,” China Comm., Vol. 14,<br /> No. 7 (Jul. 2017), pp. 1-15.<br /> [10]. K. Ho-Van and T. Do-Dac, “Performance Analysis of Jamming Technique in Energy<br /> Harvesting Cognitive Radio Networks,” Telecomm. Sys., (Jun. 2018), pp. 1-16.<br /> [11]. M. Luby, “LT Codes,” in Proc. 43rd Annual IEEE Symp. on Foundations of<br /> Computer Science, Vancouver, Canada (Nov. 2002), pp. 271-282.<br /> [12]. M. Shokrollahi, “Raptor Codes,” IEEE Trans. Inf. Theory, Vol. 52, No. 6 (Jun.<br /> 2006), pp. 2551-2567.<br /> [13]. H. Niu, M. Iwai, K. Sezaki, L. Sun, and Q. Du, “Exploiting Fountain Codes for<br /> Secure Wireless Delivery,” IEEE Commun. Lett., Vol. 18, No. 5 (May 2014), pp.<br /> 777-780.<br /> [14]. W. Li, Q. Du, L. Sun, P. Ren, and Y. Wang, “Security Enhanced via Dynamic<br /> Fountain Code Design for Wireless Delivery,” in IEEE WCNC, Doha, Quatar<br /> (2016), pp. 1-6.<br /> [15]. L. Sun, P. Ren, Q. Du, and Y. Wang, “Fountain-Coding Aided Strategy for Secure<br /> Cooperative Transmission in Industrial Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans.<br /> Ind. Informat., Vol. 12, No. 1 (Feb. 2016), pp. 291-300.<br /> [16]. D. T. Hung, T. T. Duy và D. Q. Trinh, “Đánh giá khả năng giải mã và bảo mật dữ<br /> liệu thành công trong mạng MIMO TAS/SC sử dụng mã Fountain dưới tác động của<br /> giao thoa đồng kênh,” Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số<br /> 192 (tháng 8/2018), tr. 89-102.<br /> [17]. D. T. Hung, T. T. Duy, D. Q. Trinh, and V. N. Q. Bao, “Secrecy Performance<br /> Evaluation of TAS Protocol Exploiting Fountain Codes and Cooperative Jamming<br /> under Impact of Hardware Impairments,” in SigTelCom 2018, Ho Chi Minh City,<br /> Vietnam (Jan. 2018), pp. 164-169.<br /> [18].T. T. Duy and H.Y. Kong, “Secondary Spectrum Access in Cognitive Radio Networks<br /> Using Rateless Codes over Rayleigh Fading Channels,” Wireless Pers. Commun.,<br /> Vol. 77, No. 2 (Jul. 2014), pp. 963-978.<br /> [19]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative Diversity in Wireless<br /> Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior,” IEEE Trans. on Inform.<br /> Theory, Vol. 50, No. 12 (Dec. 2004), pp. 3062-3080.<br /> [20]. T. Duy, Cao N. Trang, V. N. Q. Bao, and T. Hanh, “Joint Impact of Hardware<br /> Impairment and Co-channel Interference on Multihop Relaying,” in Proc. of IEEE<br /> International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC<br /> 2015), Ho Chi Minh City, Vietnam (Oct. 2015), pp. 88-92.<br /> <br /> <br /> <br /> 68 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> PERFORMANCE EVALUATION OF FOUNTAIN CODES<br /> BASED SECURED COMMUNICATION IN COGNITIVE RADIO NETWORKS<br /> UNDER IMPACT OF HARDWARE IMPAIRMENTS<br /> In this paper, we propose a secured communication scheme exploiting Fountain<br /> codes in cognitive radio networks. In the proposed scheme, the secondary source<br /> uses transmit antenna selection (TAS) method to send encoded packets to a<br /> secondary destination. The source must adjust transmit power so that QoS of the<br /> primary network is not harmful. Moreover, with the presence of a secondary<br /> eavesdropper, the secondary destination attempts to obtain a sufficient number of<br /> encoded packets before the eavesdropper to protect the original data of the source.<br /> For performance evaluation, we derive an exact expression of the probability that<br /> the original data is received successfully and securely by the destination under the<br /> joint impact of the primary co-channel interference and hardware impairments. In<br /> addition, the probability that the data is intercepted by the eavesdropper is also<br /> evaluated. Finally, we perform Monte Carlo simulations to verify the theoretical<br /> results.<br /> Keywords: Fountain Codes; Cognitive Radio; Hardware Impairments; Transmit Antenna Selection; Physical<br /> Layer Security.<br /> <br /> Nhận bài ngày 30 tháng 10 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 06 tháng 12 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019<br /> 1<br /> Địa chỉ: Khoa Vô tuyến điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 2<br /> Khoa Viễn thông 2 - Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông, Cơ sở TP. HCM.<br /> *<br /> Email: danghung8384@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 69<br />