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

VŨ TIẾN TRỰC

NGHIÊN CỨU SỰ ĐÁNH ĐỔI GIỮA BẢO MẬT
VÀ XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP
ĐA CHẶNG M2M TRONG MÔI TRƯỜNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2017


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

VŨ TIẾN TRỰC

NGHIÊN CỨU SỰ ĐÁNH ĐỔI GIỮA BẢO MẬT VÀ XÁC SUẤT
DỪNG CỦA MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG M2M TRONG
MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN TRUNG DUY

Học viên thực hiện luận văn

Vũ Tiến Trực


iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ii
TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................................vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................... 2
1.1

Mạng chuyển tiếp ............................................................................................... 2

1.1.1

Giới thiệu ......................................................................................................... 2

1.1.2

Chuyển tiếp hai chặng và đa chặng. ................................................................ 4

1.2

Mạng truyền thông M2M ................................................................................... 6


Các thông số đánh giá bảo mật lớp vật lý ..................................................... 13

1.5

Tổng quan về đề tài và chọn đề tài ................................................................... 15

1.6

Các nghiên cứu liên quan ................................................................................. 17

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 18
2.1

Mô hình hệ thống .............................................................................................. 18

2.2

Xây dựng biểu thức SNR cho kênh thông tin và kênh nghe lén ...................... 20

2.3

Sự đánh đổi giữa bảo mật và chất lượng dịch vụ ............................................. 22

2.4

Mô hình kênh truyền Rayleigh fading và Rayleigh fading đôi ........................ 22


iv



v

TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ

TIẾNG VIỆT

SC

Selection Combining

Lựa chọn kết hợp

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp


Mobile – to – Mobile

Di động tới di động


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp. ............................................................................. 2
Hình 1.2 : Mạng chuyển tiếp 2 chặng. ............................................................................. 5
Hình 1.3 : Mạng chuyển tiếp đa chặng. ........................................................................... 5
Hình 1.4 : Mô hình mạng M2M trong nhà. ...................................................................... 6
Hình 1.5 : Phổ đang sử dụng và phổ truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian
và tần số. ......................................................................................................................... 10
Hình 1.6 : Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản. .............................................................. 12
Hình 1.7: Sự đánh đổi giữa IP/OP trên kênh truyền fading Rayleigh. .......................... 14
Hình 2.1 : Mô hình hệ thống khảo sát. ........................................................................... 18
Hình 3.1: Kiểm chứng hàm CDF trong công thức (2.20) bằng mô phỏng Monte Carlo.
........................................................................................................................................ 31
Hình 3.2: Xác suất dừng (OP) là một hàm của I max (dB)............................................. 33
Hình 3.3 : Xác suất chặn (IP) là một hàm của I max (dB). ............................................. 34
Hình 3.4: Xác suất dừng (OP) là một hàm của N. ......................................................... 34
Hình 3.5: Xác suất chặn (IP) là một hàm của N. ............................................................ 35
Hình 3.6: Xác suất dừng (OP) là một hàm của M. ......................................................... 36
Hình 3.7: Xác suất chặn (IP) là một hàm của M. ........................................................... 37
Hình 3.8: Xác suất dừng (OP) và xác suất chặn (IP) là một hàm của  . ...................... 38
Hình 3.9: Sự đánh đổi giữa bảo mật và xác suất dừng. ................................................. 39


1

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Mạng chuyển tiếp
1.1.1 Giới thiệu
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến ngày càng phát triển. Bên cạnh đó nhu cầu sử
dụng thiết bị di động cũng tăng theo. Thiết bị có dây đang dần được thay thế. Vấn đề
kết nối được đặt lên hàng đầu. Nhưng bên cạnh đó khả năng phủ sóng của các thiết bị
vẫn đang bị hạn chế và hiệu suất chưa cao. Vì thế các nhà nghiên cứu đã tiến hành phát
triển mạng chuyển tiếp để mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ
liệu thông qua sự truyền/nhận ở những khoảng cách ngắn, giảm công suất phát khi so
sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích.
Mạng vô tuyến chuyển tiếp được sử dụng phổ biến để giảm bớt ảnh hưởng của hiện
tượng fading và tăng cường khả năng bao phủ. Trong những mô hình như vậy, nút
chuyển tiếp có nhiệm vụ giúp đỡ các nút nguồn chuyển tiếp dữ liệu nguồn đến đích
mong muốn.

Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp

Mạng chuyển tiếp là một mạng lưới thường được sử dụng trong mạng không dây, nơi
mà nút nguồn và nút đích kết nối với nhau bằng các nút chuyển tiếp trung gian. Trong
một mạng lưới như vậy thì nút ngồn và đích không thế kết nối trược tiếp với nhau được


3

bởi vì khoảng cách giữa chúng lớn hơn phạm vi truyền. Do đó cần thêm nút trung gian
để chuyển tiếp.
Mạng chuyển tiếp là một phương pháp rất hiệu quả để thiết lập kết nối giữa các nút
mạng khi mà truyền thông theo đường truyền trực tiếp là không thể hoặc do hiệu suất
của công suất là không tối ưu. Trong mạng chuyển tiếp thì dữ liệu được truyền từ nút
đính tới nút nguồn sẽ đi qua một hoặc nhiều nút trung gian (Relay) để đảm bảo dữ liệu

truyền đi thành công. Trong luận văn thì chúng ta sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển
tiếp (DF).
 Ưu điểm của mạng chuyển tiếp :
-

Tăng khoảng cách phủ sóng của nút nguồn, có thể truyền dữ liệu tới nút đích
ở khoảng cách xa hơn.

-

Tăng sự ổn định của quá trình truyền dữ liệu bằng cách chuyền dữ liệu ở các
chặng ngắn tới các nút chuyển tiếp.

-

Giảm công suất phát cho các nút trung gian.

-

Tăng tốc đố truyền dữ liệu.

-

Tăng lưu lượng kênh truyền và cân bằng tải.

 Nhược điểm của mạng chuyển tiếp :
-

Tăng thời gian trễ.



nút nguồn T0 sau đó truyền dữ liệu đã giải mã được tới nút chuyển tiếp tiếp theo là T2 .
Tương tự như T1 thì nút chuyển tiếp T2 cũng giải mã tín hiệu nhận được và truyền đi
nút chuyển tiếp tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho tới khi dữ liệu được gửi tới
nút đích TM . Nút đích sẽ không nhận được dữ liệu thành công nếu một chặng bị mất dữ
liệu hoặc không giải mã được dữ liệu.

1.2 Mạng truyền thông M2M
1.2.1 Giới thiệu mạng truyền thông M2M

Hình 1.4 : Mô hình mạng M2M trong nhà

Ngày nay, mạng truyền thông M2M ngày càng được dành nhiều sự quan tâm và phát
triển ngày càng mạnh mẽ. Trong mạng M2M, thì các thiết bị đầu cuối là các thiết bị di
động và được kết nối để truyền tín hiệu. Ví dụ các thiết bị này là máy móc di chuyển,
xe cộ, các thiết bị cảm biến chuyển động hoặc các thiết bị di động cầm tay. Nói chung


7

ngày may mọi thiết bị công nghệ cao có thể được thiết kế chở thành một thành phần
trong mạng truyền thông M2M.
Trong mô hình mạng M2M trong nhà ta thấy được tất cả các thiết bị vật dụng trong
nhà đều được kết nối với nhau qua mạng vô tuyến. Chúng được kết nối, phân tích cũng
như điều khiển. Như mô hình trên ta thấy đối với thiết bị trong nhà như bóng đèn chiếu
sáng, máy lạnh điều hòa chúng ta có thể điều khiển của như cảm biến trang thái của
thiết bị. Đối với camera hay vấn đề an ninh cảnh báo cũng được giám sát và phân tích.
Ta thấy rằng mọi thiết bị đều được kết nối với nhau và truyền thông tin qua mạng
không dây.
Ở trên là ví dụ về mạng M2M trong nhà. Mạng M2M còn được phát triển và có nhiều

(wireless communications) đã tăng trưởng một cách nhanh chóng. Thông tin vô tuyến
đã và đang phát triển mạnh mẽ, phục vụ số lượng ngày càng tăng các thiết bị thông
minh. Tuy nhiên, đi đôi với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, sự cạn kiệt
nguồn tài nguyên về phổ tần là một vấn đề không thể tránh khỏi. Bởi vì băng tần là tài
nguyên hữu hạn, vì vậy đòi hỏi các nhà nghiên cứu và các nhà đầu tư phải đưa ra
những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Năm 1999, Mitola đã đề xuất
phương pháp với tên gọi Cognitive Radio (tạm dịch là Vô tuyến Nhận thức) [5]. Trong
kỹ thuật này, người sử dụng phổ tần được phân thành hai nhóm: nhóm sơ cấp
(Primary) và nhóm thứ cấp (Secondary). Những người dùng thuộc nhóm thứ nhất
(người dùng sơ cấp) được cấp phép sử dụng phổ tần và những người dùng này có
quyền sử dụng băng tần bất cứ lúc nào. Trong khi đó, những người dùng trong nhóm
thứ cấp không có bản quyền sử dụng tần số, và những người dùng này chỉ có thể sử
dụng những tần số nếu chúng không đang bị chiếm dụng bởi những người dùng sơ cấp
hoặc người dùng sơ cấp có thể chia sẽ phổ tần hoặc một phần phổ tần cho những người
dùng thứ cấp. Một trong những mô hình chia sẽ phổ tần thu hút được nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu là mô hình chia sẽ phổ tần dạng nền (Underlay) [6], [7].
Trong mô hình Underlay, người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với


9

người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ
cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Tuy nhiên, trong
khi những người dùng thứ cấp đang cố gắng sử dụng một cách hiệu quả nhất các phổ
tần được chia sẻ thì việc bảo mật trong hệ thống này vẫn chưa nhận được sự quan tâm
một cách đầy đủ.
J. Mitola đã định nghĩa [5] : “Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có
thể thiết lập các thông số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi
trường biến đổi theo không gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến.”
Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến nhận

Mô hình chia sẻ tần số (Overlay) : nút phát thứ cấp đóng vai trò như những bộ

chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp. Nhờ sự cộng tác này, hiệu năng của
mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm thấy những cơ hội để
truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn.


11

-

Mô hình dạng nền (Underlay) : Trong mô hình này thì người sử dụng thứ cấp

có thể sử dụng chung tần số với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu của người dùng
thứ cấp tới người dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép. Để làm được điều này thì công
suất phát của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời hiệu năng của mạng thứ cấp
cũng giảm theo.
Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp phải điều chỉnh
công suất phát sao cho thoả mãn mức giao thoa định mức tối đa được quy định bởi
mạng sơ cấp. Khi mạng sơ cấp có nhiều nút, công suất phát tối đa mà một nút phát thứ
cấp Tm  m  1, 2,..., M  1 có thể sử dụng được đưa ra tương tự như trong tài liệu [8,
công thức (8)]:
PTm 

I th



max  Tm PUn


12

1.4 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)
1.4.1 Giới thiệu
Ngày nay mạng viễn thông ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu người dùng hệ
thống mạng vô tuyến ngày càng tăng, tạo điều kiện cho các ngày dịch vụ cũng như
nâng cao tốc độ đường truyền. Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ như vậy thì nhu cầu
chia sẻ thông tin qua mạng vô tuyến cũng vô cùng lớn. Một số thông tin nhạy cảm như
thông tin cá nhân, thông tin tài chính… Ta thấy được thật sự nguy hiểm nến thông tin
của chúng ta bị đánh cắp trên đường truyền vô tuyến. Vì thế vấn đề bảo mật được đặt
lên hàng đầu và chở nên vô cùng quan trọng khi muốn phát triển hạ tầng hay dịch vụ.
Bảo mật trong truyền thông vô tuyến đã trở thành một vấn đề được các nhà nghiên
cứu qua tâm. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến, tín hiệu được truyền đi
có thể bị nghe trộm bởi các thiết bị nghe lén. Trong thực tế có nhiều phương pháp bảo
mật và nhận dạng khác nhau, tuy nhiên hầu hết các thuật toán mã hóa, ví dụ như DES,
RSA… đều là các thuật toán chạy ở lớp ứng dụng và khá phức tạp khi triển khai trong
các hệ thống.

Hình 1.6 : Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Và một phương pháp được cho là ít tốn kém và không ảnh hưởng nhiều tới tốc độ dữ
liệu bảo mật lớp vật lý (Physical – layer security) được ra đời. Trong phương pháp này


13

là khai thác các tinh 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.
Bảo mật lớp vật lý (Physical-layer security) là một kỹ thuật đơn giản hiệu quả mà
không cần tới các phương pháp bảo mật mã hóa dữ liệu phức tạp ở các lớp trên. Như ta

(1.5)


14

Csec  E Csec  ,

(1.6)

với E 
. là toán tử kỳ vọng toán học.
Tuy nhiên, các hiệu năng bảo mật ở trên không quan tâm đến khả năng giải mã của
nút đích cũng như nút nghe lén. Trong các tài liệu [9], [10], các tác giả nghiên cứu sự
đánh đổi giữa xác suất dừng (Outage Probability (OP)) xảy ra tại nút đích D và khả
năng nghe lén tại nút nghe lén E (Intercept Probability (IP)).
Xác suất dừng (OP) là xác suất mà dung lượng Shannon của kênh dữ liệu nhỏ hơn
một ngưỡng xác định trước:

OP=Pr  CSD  Rth  .

(1.7)

Xác suất chặn hay xác suất mà nút nghe lén có thể giải mã thành công dữ liệu nghe lén
được định nghĩa như sau:

IP=Pr  CSE  Rth  .

Hình 1.7: Sự đánh đổi giữa IP/OP trên kênh truyền fading Rayleigh

(1.8)



16

minh. Tuy nhiên, đi đôi với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, sự cạn kiệt
nguồn tài nguyên về phổ tần là một vấn đề không thể tránh khỏi. Bởi vì băng tần là tài
nguyên hữu hạn, vì vậy đòi hỏi các nhà nghiên cứu và các nhà đầu tư phải đưa ra
những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Năm 1999, Mitola đã đề xuất
phương pháp với tên gọi Cognitive Radio (tạm dịch là Vô tuyến Nhận thức) [5]. Trong
kỹ thuật này, người sử dụng phổ tần được phân thành hai nhóm: nhóm sơ cấp
(Primary) và nhóm thứ cấp (Secondary). Những người dùng thuộc nhóm thứ nhất
(người dùng sơ cấp) được cấp phép sử dụng phổ tần và những người dùng này có
quyền sử dụng băng tần bất cứ lúc nào. Trong khi đó, những người dùng trong nhóm
thứ cấp không có bản quyền sử dụng tần số, và những người dùng này chỉ có thể sử
dụng những tần số nếu chúng không đang bị chiếm dụng bởi những người dùng sơ cấp
hoặc người dùng sơ cấp có thể chia sẽ phổ tần hoặc một phần phổ tần cho những người
dùng thứ cấp. Một trong những mô hình chia sẽ phổ tần thu hút được nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu là mô hình chia sẽ phổ tần dạng nền (Underlay) [6], [7].
Trong mô hình Underlay, người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với
người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ
cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Tuy nhiên, trong
khi những người dùng thứ cấp đang cố gắng sử dụng một cách hiệu quả nhất các phổ
tần được chia sẻ thì việc bảo mật trong hệ thống này vẫn chưa nhận được sự quan tâm
một cách đầy đủ. Đó cũng là lý do mà Học viên mong muốn nghiên cứu vấn đề bảo
mật (lớp vật lý) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền.
Ngày nay, mạng truyền thông M2M (Mobile-to-Mobile) cũng dành được nhiều sự
quan tâm. Trong mạng M2M, các thiết bị đầu cuối là các thiết bị di động, ví dụ các
thiết bị này có thể là các máy móc di chuyển, hoặc là xe hơi, cũng có thể là các sensor
chuyển động. Các thiết bị chuyển động này được trang bị để có thể giao tiếp với nhau
bằng sóng vô tuyến. Việc sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức cho sự truyền thông

dữ liệu đến nút đích thứ cấp thông qua nhiều nút chuyển tiếp thứ cấp, trong khi
các công trình [16] và [17] chỉ xem xét sự truyền thông hai chặng.
-

Đề tài xem xét môi trường vô tuyến nhận thức với nhiều người dùng
sơ cấp. Đây sẽ là mô hình mở rộng so với các mô hình trong [16] và
[17], mà trong đó các tác giả của các công trình [16] và [17] chỉ xét
mô hình với 01 người dùng sơ cấp.

-

Đề tài khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số quan trọng lên hiệu
năng của mạng thứ cấp, cụ thể: số chặng, số người dùng sơ cấp, vị trí
của nút nghe lén, vị trí của các nút sơ cấp ảnh hưởng như thế nào lên
hiệu năng hệ thống thứ cấp?