5. Đánh giá hệ thống truyền thông hợp tác chuyển tiếp theo cụm trong
điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo, sử dụng kỹ thuật
lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình để lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất.
B. Hướng phát triển của luận án
Qua các mô hình đánh giá và đề xuất, NCS nhận thấy còn có các vấn đề
nghiên cứu trong tương lai theo các hướng như sau:
1. Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông vô
tuyến hợp tác làm việc ở chế độ song công hoàn toàn trong các kênh truyền
Nakagami-m và Rician;
2. Đánh giá mô hình mạng cụm vô tuyến chuyển tiếp trong môi trường
vô tuyến nhận thức dạng chồng chập hoặc đan xen;
3. Nghiên cứu các mô hình đã được đề xuất và đánh giá với kỹ thuật
chuyển tiếp hai chiều;
4. Nghiên cứu tối ưu khoảng cách của các nút chuyển tiếp hay sử dụng kỹ
thuật MIMO trong hệ thống truyền thông đa chặng;
5. Nghiên cứu bảo mật thông tin ở lớp vật lý cho hệ thống truyền không
trực giao (NOMA).

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
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 nghành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 9.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


truyền thông hợp tác, luận án đề xuất mô hình chuyển tiếp và gây nhiễu có
lựa chọn sử dụng kỹ thuật RF. Bên cạnh đó, luận án cũng đề xuất mô hình
truyền thông vô tuyến hợp tác lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu bằng
năng lượng thu thập.
A. Các kết quả của luận án
Các kết quả chính đạt được của luận án có thể tóm tắt như sau:
1. Nghiên cứu, khảo sát mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ
thuật chuyển tiếp RF trong môi trường vô tuyến nhận thức với các chặng
chuyển tiếp được tổ chức gồm nhiều nút chuyển tiếp (cụm). Luận án đã đưa
ra được biểu thức chính xác của xác xuất dừng bảo mật vào dung lượng bảo
mật khác không của hệ thống.
2. Đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng bảo
mật của hệ thống vô tuyến truyền thông đa chặng trên kênh truyền pha đinh
Rayleigh. Luận án đưa ra được biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo
mật và dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.
3. Đề xuất một mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác gây nhiễu và
chuyển tiếp có lựa chọn trên kênh truyền pha đinh Rayleigh. Luận án đưa ra
biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo mật, dung lượng bảo mật khác
không và dung lượng bảo mật trung bình.
4. Đề xuất một mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác lựa chọn nút
chuyển tiếp tốt nhất và gây nhiễu bằng năng lượng thu thập. Luận án đưa
ra biểu thức dạng đóng của xác suất dừng bảo mật của mô hình đề xuất.
21


Hình 4.3: Ảnh hưởng của

10 0

số nút chuyển tiếp trong

SNR trung bình [dB]

25

30

và tỷ số độ lợi kênh truyền trung bình giữa kênh hợp pháp và kênh nghe lén.
Kết quả mô phỏng ở Hình 4.6 cho thấy cụm có số lượng nút chuyển tiếp
tối thiểu sẽ quyết định hiệu năng bảo mật của hệ thống.

4.3

Kết luận chương

Trong Chương 4, luận án đã trình bày mô hình mạng vô tuyến chuyển
tiếp theo cụm sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, kết hợp
với phương pháp ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp dưới sự tác động của thông tin
trạng thái kênh truyền. Các giá trị SOP và PrNZ thể hiện hiệu năng bảo
mật của hệ thống tăng khi số nút và số cụm chuyển tiếp tăng, điều này đồng
nghĩa với việc tăng dung lượng cho kênh chính.
Các kết quả được công bố trong công trình số 04.

20

1. Bối cảnh nghiên cứu Hệ thống thông tin vô tuyến đang được ứng dụng
nhiều công nghệ tiên tiến nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng, tốc độ và
dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng, 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.
Bảo mật lớp vật lý không cần phải xem xét các giao thức bảo mật được

tuyến nhận thức.
- Kỹ thuật thu thập năng lượng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp kiến thức về bảo mật thông tin ở lớp vật lý cũng như các kiến
thức liên quan đến nội dung luận án.
- Nghiên cứu, tổng hợp kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan trong
và ngoài nước.
- Đề xuất, xây dựng mô hình hệ thống thông tin vô tuyến theo mục đích
nghiên cứu.
- Mô hình hóa toán học cho hệ thống thông tin vô tuyến đề xuất trên kênh
truyền pha-đinh Rayleigh.
- Tính toán, phân tích các tham số đánh giá hiệu năng bảo mật của mô hình
đề xuất.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo mô phỏng kết quả tính toán,
phân tích trên phần mềm Matlab.
- Kiểm chứng, nhận xét kết quả mô phỏng và kết quả tính toán, phân tích.
5. Bố cục luận án:
Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến và đảm bảo an toàn thông tin
ở lớp vật lý.
Chương 2: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến truyền thông
đa chặng.
Chương 3: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến truyền thông
hợp tác.
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.

4.2.2 Phân tích hiệu năng hệ thống
4.2.2.1

Xác suất dừng bảo mật

1+

ηEk θ
ηDk (1+( −1)(1−ρ2 ))

Xác suất dung lượng bảo mật khác không

Xác suất bảo mật khác không toàn hệ thống Pr(Ce2e > 0):
Mk

K

1−

Pr(Ce2e > 0) =

Mk

(−1)

=1

k=1

+1

1−

1
1+

0

5

10

15
20
SNR trung bình [dB]

25

30

Kết quả mô phỏng ở Hình 4.2 cho thấy rõ ràng rằng giá trị SOP tiến đến
một giới hạn khi giá trị SNR ở miền cao, đó là một hàm của số lượng chặng
2

.

19

.


Chương 4

Chương 1

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ


năng bảo mật của mạng chuyển tiếp

C = [CD − CE ]+

4.2.1 Mô hình hệ thống

=
Hình

E

4.1:

Giao

chặng trong mạng cụm

R

S
R

D

R

R

(cluster) với sự xuất hiện

Là tham số hiệu năng định lượng khả năng đảm bảo an toàn thông tin
của hệ thống với một tốc độ truyền dữ liệu bảo mật mong muốn.
Quá trình truyền thông tin từ nút nguồn đến nút đích được sự hỗ trợ
bởi các cụm nút chuyển tuyếp. Trong cụm k , có Mk nút chuyển tiếp theo kỹ
thuật chuyển tiếp RF.
18

Pr(C < Cth ) = 1 −

C
λD + λE
− 2 λth −1
D
e
.
λD + 2Cth γE

3

(1.18)


1.3

Truyền thông hợp tác

Hình 3.7: Xác suất dừng

0.8


= 0.25 )
= 0.75)
= 0.75 )

0.2

0.1
1

Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp
Kỹ thuật Giải mã-và-Chuyển tiếp
Kỹ thuật Ngẫu nhiên-và-Chuyển tiếp

1.3.3 Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp
Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình.
Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình.

1.4

Vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp phép sử
dụng tần số có thể truy nhập một phổ rỗi của một người dùng có giấy phép
sử dụng tần số để truyền dẫn thông tin sao cho chỉ gây ra can nhiễu tối thiểu
tới các người dùng có giấy phép hoạt động trong dải tần đó.

1.5

2


Chương 1 đã trình bày các vấn đề cơ bản về bảo mật thông tin ở lớp vật
lý, các tham số thể hiện hiệu năng bảo mật của hệ thống thông tin vô tuyến,
truyền thông hợp tác, các phương pháp chuyển tiếp, các kỹ thuật chuyển tiếp
trong hệ thống thông tin vô tuyến và vô tuyến nhận thức.

4

10

M

1.3.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến

17


Hình 3.6: Xác suất dừng

100

bảo mật biểu diễn theo giá

Chương 2

trị Ψ [dB] khi M = 3 và
xR = 0.5.

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

10-1

Sec
SOPCC = Pr CCC
< Cth


(3.66)

N M −j+1

(−1)t

=1 − 
j=1

t=0

M −j+1
t

× exp − (t + j − 1) λSR

θ−1
Ψ

N
j−1

Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng

2.1.2 Mô hình hệ thống đề xuất

PU-Tx

thống

(3.67)

3.2.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả
Quan sát từ Hình 3.8, xác suất dừng bảo mật của giao thức đề xuất PP
tốt hơn rất nhiều so với giao thức CC cho tất cả các giá trị của N và Ψ. Điều
này chứng minh rằng, gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn có hiệu năng bảo
mật rất lớn đối với hệ thống truyền thông hợp tác.
16

chuyển

tiếp

đa

chặng sử dụng kỹ thuật

j=1

λSE
λRE
×
.
λSE + (t + j − 1) λSR θ λRE + λRD θ

Hình 2.1: Mô hình hệ

5

lựa chọn nút chuyển tiếp
D

từng phần.


2.1.3 Phân tích hiệu năng hệ thống

3.2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
Xác suất dừng bảo mật theo mô hình đề xuất:

Xác suất dừng bảo mật

SOP

Q→+∞

≈

Mi

K

(−1)n+1

1−
i=1


1, yE

0.6

−0.5, yP = −0.5, Cth =

0.5

0.75, K = 3, và M1 =

0.4

M2 = M3 .

=

0.25, xP

=

0.3

0

5

10

15


j−1

λSE
θ−1
exp − (t + j − 1) λSR
λSE + (t + j − 1) λSR θ
Ψ
θω
θ−1
θ−1
− λRD
exp −λRD
× exp −λRD
Ψ
Ψ
Ψ

2.1.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả

0.2
-15

t=0

M −j+1
t

×

λi−1,E

M −j+1
t

N
j−1

λSE
λSE + (t + j − 1) λSR θ
θ−1
θω
θ−1
× exp −λRD
− λRD
exp −λRD
Ψ
Ψ
Ψ
×

× G3,1
1,3

λRE
θ
+ λRD
Ψ
Ψ

ω



,

(3.64)


Hình 3.4: Xác suất dừng
0.65
0.6
0.55

bảo mật biểu diễn theo giá

0.5

lượng bảo mật khác không

0.9
0.8

trị α khi P/N0 = 10[dB],

0.45

Hình 2.3: Xác suất dung

1

biểu diễn theo giá trị yE


0.2
0.1

0.15
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

0.9

0

α

0.2


2.2

nút chuyển tiếp tốt nhất

2.2.1 Các nghiên cứu liên quan

Hệ thống mạng gồm một nút nguồn và một nút đích, có sự hiện diện của
một nút nghe lén. Trên kênh chính, các nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp RF.

E


SR

Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng

2.2.2 Mô hình hệ thống đề xuất

lượng thu thập.

BE

SE

S

xuất bảo mật với Nth

và gây nhiễu bằng năng


hE,2

hE,K

thu thập năng lượng
Kênh dữ liệu

3.2.1 Các nghiên cứu liên quan

E

Kênh nghe lén

3.2.2 Mô hình hệ thống đề xuất
Mô hình gồm một nút nguồn, một nút đích và các nút chuyển tiếp và có
sự hiện diện của một nút nghe lén (Hình 3.7).
Dung lượng bảo mật toàn chặng được biểu diễn theo biểu thức:
Sec
CPP
= min C1Sec , C2Sec

14

+

,

(3.50)



Xác suất dung lượng bảo mật khác không C Sec > 0 của hệ thống:
Pr (Ck > 0) =1 − 1 +
∞

×
k=0

(λM,k + λE,k )
1
exp −
κ
κ

(−1)k
k!

λM,k + λE,k
κ

k

λM,k
.
−k − 1

10-2

(2.40)


0.5

Hình 3.3: Xác suất dừng
100

bảo mật biểu diễn theo giá

Cth = 1, K = 2 và K = 4.
0.4

trị M khi P/N0 = 10[dB],
0.3

α = 0.5 và Cth = 1.
0.2
10-1

0.1

0
0

5

10

15

20



9

10

M

Trong Chương 2, luận án đã khảo sát hiệu năng bảo mật của mạng vô
tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển

Hình 3.4 cho thấy xác suất dừng bảo mật của kịch bản gây nhiễu và
chuyển tiếp có lựa chọn thấp hơn so với kịch bản gây nhiễu và chuyển tiếp
ngẫu nhiên.

8

13


3.1.3.3

So sánh với phương pháp gây nhiễu và chuyển tiếp ngẫu
nhiên

Biểu thức tường minh xác suất dừng bảo mật toàn chặng của hệ thống.

Hình 2.6: Xác suất dừng

1


0.4

K=5

0.3

K=7

0.2
0.1

× {1 − λRc D ω4 exp ((λRc D θ + λRc E ) ω4 ) E1 ((λRc D θ + λRc E ) ω4 )}]}

0
0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35


= 1 − λRc D ω4 exp ((λRc D + λRc E ) ω4 ) E1 ((λRc D + λRc E ) ω4 ) .

Như vậy, thay thế (3.42) và (3.43) vào (3.41), ta có được biểu thức xác suất
dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.

3.1.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả
Kết quả ở Hình 3.2 cho ta thấy xác suất dừng bảo mật của kịch bản
chuyển tiếp và gây nhiễu có lựa chọn tốt hơn so với kịch bản chuyển tiếp và
gây nhiễu ngẫu nhiên.
Hình 3.3 biểu diễn kết quả mô phỏng xác suất dừng bảo mật của hai kịch
bản. Quá trình mô phỏng cho ta kết luận rằng phương pháp chuyển tiếp và
gây nhiễu có lựa chọn có xác suất dừng bảo mật khi số lượng nút chuyển tiếp
tăng.
12

9


Dung lượng bảo mật của pha thứ hai được biểu diễn như biểu thức sau:
2
2
− CE2 .
CSec
= max 0, CD

Chương 3
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ

3.1.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
3.1.3.1


3.1.1 Các nghiên cứu liên quan

1 − SOP2 .

(3.27)

Xác suất dung lượng bảo mật khác không

Theo mô hình bài toán, PrNZe2e được biểu diễn như sau:

3.1.2 Mô hình hệ thống đề xuất

e2e
PrNZe2e = Pr CSec
>0
1
2
= Pr CSec
> 0 Pr CSec
>0 .

 SR

S

R1

R1



1
Pr CSec
>0 =

R D
c

D

m=1

RJ

M
m

(3.30)

× [1 − λSRc ωm exp ((λSRc + λSE ) ωm ) E1 ((λSRc + λSE ) ωm )] .

R E
2
J

Xác suất dung lượng bảo mật khác không của pha thứ nhất:

thống.

Rc

Mô hình gồm có một nút nguồn và một nút đích. Việc truyền thông giữa
hai nút phụ thuộc vào sự giúp đỡ của M nút chuyển tiếp. Có sự hiện diện
của một nút nghe lén cố gắng thu thập thông tin.
Dung lượng bảo mật của pha đầu tiên được biểu diễn như biểu thức sau:
1
1
CSec
= max 0, CD
− CE1 .

10

(3.7)

M −1
u

× [1 − uλRc D ϕm exp
× E1

(−1)m+1
m=1

M −1
m

λRJ2 E + λRc D u ϕm

λRJ2 E + λRc D u ϕm


protocols with Nth-best partial relay and EH-based jammer”, in 2015
The International Conference on Computing, Management &Telecommunications (ComManTel), Da Nang City, Vietnam, pp. 111–115, Dec. 2015.

4. Chu Tien Dung, Vo Nguyen Quoc Bao, Nguyen Luong Nhat and Ho
Van Cuu “Effect of imperfect CSI on secrecy performance of cluster
based relaying networks”, in The 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Ha Noi City, Vietnam,
pp. 114–119, Otc. 2016.
5. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo và Nguyễn Tùng Hưng “Đánh
giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến chuyển tiếp và gây nhiễu
có lựa chọn hai chặng”, Tạp chí Nghiên Cứu Khoa Học và Công Nghệ
Quân Sự, Hà Nội, Việt Nam, pp. 56–71, 2017.
6. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo và Nguyễn Lương Nhật “Đánh
giá hiệu năng bảo mật của mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa


chặng”, Tạp chí Khoa Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, Hà
Nội, Việt Nam, tr. 65–73, Tháng 5. 2018.
7. Chu Tiến Dũng, Võ Nguyễn Quốc Bảo “Phân tích hiệu năng bảo mật
của mạng chuyển tiếp đa chặng trong điều kiện phần cứng không lý
tưởng” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đà Nẵng, Việt Nam, tr. 06–11,
số 11(132) 2018.

24