HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

PHẠM QUỐC HƯNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT VỚI KỸ THUẬT
CHỌN LỰA NHIỀU NÚT CHUYỂN TIẾP ĐƠN
TRÌNH DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG
KHÔNG HOÀN HẢO

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN TRUNG DUY

Phản biện 1: …………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc
sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

2
cứu sử dụng nút chuyển tiếp đơn phần để nâng cao hiệu năng bảo
mật của mạng chuyển tiếp dưới sự tác động của phần cứng không
hoàn hảo. Nội dung của luận văn được chia làm ba chương cụ thể
như sau:
Chương 1: Lý thuyết tổng quan
Chương 2: Mô hình hệ thống
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1

Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)
Kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical-Layer

Security) là khai thác các tính chất vật lý của kênh truyền vô tuyến
để tăng cường hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các công cụ
mã hóa.

C AB

A

B

C AE
E
Hình 1.1: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

1.2



4

S

D

Hình 1.4: Mô hình chuyển tiếp phân tập

1.3.3.1

Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình (Partial

Relay Selection)
Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn
chỉ dựa vào trạng thái kênh truyền giữa nút nguồn và các nút chuyển
tiếp (chặng đầu tiên). Bởi vì, thông tin trạng thái kênh truyền này có
thể dễ dàng đạt được thông qua các hoạt động duy trì mạng nên việc
thực thi giao thức này trong thực tế sẽ đơn giản hơn việc chọn lựa
nút chuyển tiếp toàn phần.
1.3.3.2

Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình (Full

Relay Selection)
1.4 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)
Suy giảm phần cứng của thiết bị thu phát ảnh hưởng xấu đến
hiệu suất của hệ thống thông tin, đặc biệt là đối với các hệ thống tốc
độ cao. Như chúng ta đã biết, hầu hết các nghiên cứu đóng góp trong

cũng giả sử rằng tổng mức suy hao phần cứng tại các chặng
là bằng nhau.
Trong luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề hiệu năng bảo mật

với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác
động của phần cứng không hoàn hảo.


6
Chương 2 - MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
2.1 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)
Xét sự truyền dữ liệu giữa một nút phát X và một nút nhận
Y, tín hiệu nhận được tại nút Y với sự xuất hiện của phần cứng
không hoàn hảo có thể được mô hình hoá như trong các tài liệu
[22],[23] như sau:

y

Ph  x  t   r  nY .

(2.1)

Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại máy
thu Y có thể được tính bởi phương trình sau:

 

P | h |2
 | h |2

 | hSD |2 
 | hSE |2  
 max  0,log 2 1 

log
1

.
2
2 
2 


1


|
h
|
1


|
h
|
SD
SE




Hình 2.2 mô tả mô hình sẽ được nghiên cứu trong luận văn
này. Trong hình vẽ này, một nút nguồn S muốn chuyển tiếp dữ liệu
đến một nút đích D, thông qua sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp R

 R1, R2 ,..., RM  . Giả sử rằng, không có liên kết trực tiếp giữa S và
D bởi vì khoảng cách hoặc vật cản. Vì vậy, nút nguồn (S ) cần sự
giúp đỡ từ các nút chuyển tiếp (R) để đưa dữ liệu mong muốn đến


8
đích. Trong mô hình khảo sát, nút nghe lén (E) đang cố gắng nghe
lõm dữ liệu được phát đi từ nguồn S và từ các nút chuyển tiếp R.
Về mặt toán học, ta có thể phát biểu phương pháp chọn lựa
này bằng công thức sau:

Rb :  bD  max  kD  .

(2.10)

k 1,2,..., K

Dung lượng bảo mật của chặng thứ nhất được tính tương tự
như công thức (2.9) như sau:

 1
 1   SR b
C1  max  0, log 2 
 1   SE
 2


Trong luận văn này, giả sử tất cả các kênh truyền đều là kênh
fading Rayleigh. Do đó, tất cả các độ lợi kênh truyền

 Sb ,  bD ,  SE ,  bE

đều có phân phối mũ (exponential distribution) (xem [9],[12]). Hơn
nữa, để đưa suy hao phần cứng vào trong các tính toán, giá trị của


9
tham số đặc trưng

AB

có thể được xác định như trong tài liệu [3]

như sau:

AB  d AB
,

với

d AB

(2.17)

là khoảng cách và  là hệ số suy hao đường truyền có giá

trị chạy từ 2 đến 6, tuỳ thuộc vào môi trường truyền.

b








C
 
th  





   Cth   .




(2.19)

Tuy nhiên, khi đánh giá hiệu năng của hệ thống, giá trị trung
bình của SOP thường được sử dụng.


10
SOP  1 

 1  R E 
 2



b








1
 1  1 
 K



   Cth  

 



 1
 1   RbD  
 1  Pr  max  0, log 2 
   Cth   .

PNSC  Pr  Ce 2 e  0   Pr  min  C1 , C2   0 
 Pr  C1  0  Pr  C2  0 



 



 Pr  SR b   SE Pr  R b D   R b E .

(2.21)
Cũng vậy, giá trị trung bình của PNSC được đưa ra dưới dạng
sau:


11

1
PNSC  
K


Pr  SRb   SE  Pr  Rb D   R b E .
j 1,b  j

(2.22)
K






 1
 1   RbD  
.

Pr  max  0, log 2 

C

th
 1  R E 
 2


b





Sau khi khai triển biểu thức xác suất ta đạt được kết quả:


 1
 1   SR b
Pr  max  0, log 2 

 1   SE

0  1     1  , 1    1,  2       1

với

3     1      . với
0  1     1  , 1    1,  2       1 

và

2

và

3     1  2     .

Nhận xét 1: Rõ ràng rằng, nếu 1     1   0 thì

 1
 1   SR b
Pr  max  0, log 2 

 1   SE
 2




, có nghĩa là chặng thứ
   Cth   1




th   Pr   0   3Y1  X 1b  1   2Y1 




  Pr   0   3 y  X 1b  1   2 y  fY1  y  dy


0



 0 / 3

0


   y 
FX1b  1 2  fY1  y  dy  
f  y  dy.
 0 / 3 Y1
 0  3 y 

(3.3)
Sau các bước biến đổi ta đạt được (3.8) dưới dạng:


13

exp  1

0
3 z
 3




z  dz.

(3.8)

Bởi vì tích phân trong công thức (3.8) không thể được biểu
diễn dưới dạng biểu thức tường minh nên các tích phân này sẽ được
tính bằng phương pháp số sử dụng các phần mềm máy tính như
MATLAB [28] (hoặc MATHEMATICA [29]). Tương tự, ta cũng có
thể tính


 1
 1   RbD
Pr  max  0, log 2 
 1  R E
 2

b






 0 exp    v  t  1 1  0 2  1 3   exp  1 z  dz.

 0


z

3
 3 


K
     2 0 
k 1 k  2
exp  2 2
   1 CK

3
3
k 1




0




 Pr  X 1b    1  Y1 




0



   Cth 



FX1b    1   y  fY1  y  dy,


 1
 1   RbD
Pr  max  0, log 2 
 1  R E
 2

b



 Pr  X 2b    1  Y2b 


(3.14)

1   v  t  1 1
 K b1 t 1 v 0,v t 1

K
 2 exp  k  2    1  
k 1
    1 CKk
.
 2  k 2 
 k 1


(3.20)
3.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC)



Đầu tiên, xác suất Pr  SR   SE
b



sẽ được viết lại bằng

công thức sau:

 X 1b
Y1 
Pr  SR b   SE  Pr 



b

M t 1

   1
t 1 v  0,v  t 1

v

CMt 1CMv t 11   K
CKk  2 
k 1
    1
.
1   v  t  1 1   k 1
 2  k 2 

(3.25)


16
Nhận xét 2: Không giống như xác suất dừng bảo mật, xác suất dung
lượng bảo mật khác 0 không phụ thuộc vào giá trị của mức độ suy
hao phần cứng

.

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ

theo giá trị của
giảm khi





. Cụ thể, khi giá trị của



thấp, giá trị của SOP

tăng. Tuy nhiên, SOP sẽ giảm xuống đến một giá trị

cực tiểu rồi sẽ tăng lên theo sự gia tăng của



Hình 4.1: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo tỷ số
công suất phát trên nhiễu



(dB) khi

   5dB,15dB ,

M  3 , K  1, 2,3 , Cth  0.1,   0.1 , xR  0.5 ,


   5dB, 20dB ,

  0.1 , xR  0.5 , xE  1
yE  0.5

M  2,3,6 , K  2 , Cth  0.1,
và

Hình 4.3: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo mức suy
hao phần cứng



khi

  5dB , M  3 , K  2 ,

Cth 0.25,0.5,0.75 ,   [0,1] , xR  0.5 , xE  1 và
yE  0.5
Trong hình vẽ 4.3, ta quan sát sự tác động của suy hao phần
cứng lên hiệu năng bảo mật SOP của hệ thống. Cụ thể, ta thay đổi


19
giá trị của

Cth




20
Trong hình vẽ 4.5, ta sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí nút
nghe lén E lên giá trị của SOP. Nhìn vào hình vẽ, ta thấy rằng giá trị
SOP giảm mạnh với sự gia tăng của giá trị yE . Điều này có thể được
giải thích rằng khi

yE tăng, khoảng cách giữa nút nghe lén đến nút

nguồn và các nút chuyển tiếp sẽ tăng. Vì vậy, dung lượng của kênh
nghe lén sẽ giảm nên dung lượng bảo mật tăng lên, kéo theo sự giảm
của xác suất dừng bảo mật.

Hình 4.5: Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ tung độ

yE

khi

  0dB , M  1, 2, 4 , K  1, Cth  0.25 ,   0 , xR  0.8 ,
xE  0.5 và yE  0.1,0.9
4.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC)
Trong mục này, ta sẽ khảo sát hiệu năng bảo mật xác suất
dung lượng bảo mật khác 0 của mô hình khảo sát.


21

Hình 4.6: Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) vẽ theo giá trị
K khi


chuyển tiếp đơn phần, để nâng cao hiệu quả bảo mật cho cả hai
chặng. Hơn nữa, các công cụ toán học được sử dụng để đánh giá
chính xác xác suất dừng bảo mật và xác suất dung lượng bảo mật
khác 0. Cuối cùng, mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để kiểm
chứng các kết quả lý thuyết. Từ các hình vẽ, các kết quả thú vị đạt
được từ giao thức đề xuất có thể được liệt kê như sau:
- Với sự xuất hiện của suy hao phần cứng, xác suất dừng bảo
mật tăng (hiệu quả bảo mật kém hơn) khi tăng công suất phát của
nguồn và các nút chuyển tiếp. Hơn nữa, khi phần cứng của các thiết


23
bị là hoàn hảo, giá trị của xác suất dừng sẽ hội tụ về một giá trị hằng
khi công suất phát đủ lớn.
- Đề giảm xác suất dừng bảo mật, các phương pháp sau có
thể được áp dụng: i) tăng số lượng nút chuyển tiếp giữa nguồn và
đích, ii) chọn lựa số lượng nút chuyển tiếp ở chặng đầu tiên (giá trị
K) một cách thích hợp, iii) chọn lựa các nút chuyển tiếp có vị trí
thích hợp.
- Một đặc tính quan trọng của mô hình đề xuất được tìm ra
trong Chương III là hệ thống sẽ luôn bị mất bảo mật nếu như điều
kiện 1   22C  1   0 xảy ra. Nói cách khác, nếu mức độ suy hao
th

phần cứng vượt quá một ngưỡng cho phép

  1 /  2

2 Cth