Luận án về bảo mật thông tin trong lớp vật lý giao thức: Hiệu quả và đánh giá hiệu năng

Khám phá luận án về bảo mật thông tin trong lớp vật lý giao thức hiệu quả và đánh giá hiệu năng, cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ bảo mật.

• Đề tài: Bảo Mật Thông Tin Trong Lớp Vật Lý Giao Thức: Hiệu Quả Và Đánh Giá Hiệu Năng

Mục lục chi tiết

• 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM BẢO AN TOÀN THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ
• 1.1. Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến
• 1.2. Các tham số hiệu năng bảo mật
• 1.3. Dung lượng bảo mật
• 1.4. Xác suất dung lượng bảo mật khác không
• 1.5. Xác suất dừng bảo mật
• 1.6. Truyền thông hợp tác
• 1.7. Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến
• 1.8. Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến
• 1.9. Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp
• 1.10. Vô tuyến nhận thức
• 1.11. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền - Underlay
• 1.12. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen - Interweave
• 1.13. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập - Overlay
• 1.14. Kết luận chương
• 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG
• 2.1. Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng
• 2.2. Các nghiên cứu liên quan
• 2.3. Mô hình hệ thống đề xuất
• 2.4. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 2.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 2.6. Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng
• 2.7. Các nghiên cứu liên quan
• 2.8. Mô hình hệ thống đề xuất
• 2.9. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 2.10. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 2.11. Kết luận chương
• 3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
• 3.1. Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng truyền thông hợp tác hai chặng
• 3.2. Các nghiên cứu liên quan
• 3.3. Mô hình hệ thống đề xuất
• 3.4. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 3.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 3.6. Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng lượng
• 3.7. Các nghiên cứu liên quan
• 3.8. Mô hình hệ thống đề xuất
• 3.9. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 3.10. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 3.11. Kết luận 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
• 4.1. Các nghiên cứu liên quan
• 4.2. Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp
• 4.3. Mô hình hệ thống
• 4.4. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 4.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 4.6. Kết luận chương
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bảo mật thông tin trong lớp vật lý giao thức

Bảo mật thông tin trong lớp vật lý giao thức là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu an ninh mạng. Bảo mật thông tin không chỉ đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách an toàn mà còn bảo vệ hệ thống khỏi các cuộc tấn công từ bên ngoài. Trong bối cảnh hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, việc bảo vệ thông tin trong các hệ thống vô tuyến trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Các phương pháp bảo mật truyền thống thường dựa vào mã hóa ở lớp ứng dụng, tuy nhiên, với sự phát triển của các hệ thống không tập trung, việc này trở nên khó khăn. Do đó, bảo mật lớp vật lý đã được phát triển như một giải pháp hiệu quả, khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền để đảm bảo tính bảo mật. Theo nghiên cứu, việc áp dụng các kỹ thuật như mã hóa và xử lý tín hiệu có thể giúp bảo vệ thông tin khỏi các kẻ tấn công. Điều này cho thấy rằng hiệu quả bảo mật không chỉ phụ thuộc vào công nghệ mà còn vào cách thức triển khai và quản lý hệ thống.

1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo mật

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo mật trong lớp vật lý, bao gồm điều kiện kênh truyền, mức độ nhiễu và khả năng của các thiết bị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi kênh truyền có điều kiện tốt, khả năng bảo mật có thể đạt mức tối ưu mà không cần sử dụng mã hóa phức tạp. Ngược lại, trong các điều kiện kém, dung lượng bảo mật có thể giảm xuống rất thấp. Việc sử dụng các giao thức truyền thông hợp tác cũng đã được chứng minh là có thể nâng cao hiệu suất bảo mật. Các phương pháp như giao thức truyền thông và gây nhiễu nhân tạo có thể giúp cải thiện khả năng bảo vệ thông tin. Điều này cho thấy rằng, việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến bảo mật là rất quan trọng để phát triển các giải pháp hiệu quả hơn trong tương lai.

II. Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến

Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến là một phần quan trọng trong nghiên cứu bảo mật lớp vật lý. Các mô hình hệ thống được xây dựng để đánh giá hiệu suất hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng các kỹ thuật như truyền thông hợp tác và chuyển tiếp đa chặng đã cho thấy khả năng nâng cao dung lượng bảo mật. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi áp dụng các phương pháp này, hiệu suất bảo mật có thể được cải thiện đáng kể. Hơn nữa, việc mô phỏng và đánh giá kết quả cũng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến bảo mật, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại.

2.1. Mô hình hệ thống và các phương pháp phân tích

Mô hình hệ thống được xây dựng dựa trên các yếu tố như tính ngẫu nhiên của kênh truyền và tình trạng kênh. Các phương pháp phân tích bao gồm việc sử dụng các thuật toán để đánh giá dung lượng bảo mật và xác suất dừng bảo mật. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các tham số trong mô hình có thể giúp nâng cao hiệu suất bảo mật. Hơn nữa, việc áp dụng các kỹ thuật như mã hóa thông tin và xử lý tín hiệu cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc bảo vệ thông tin. Điều này cho thấy rằng, việc phát triển các mô hình hệ thống và phương pháp phân tích là rất cần thiết để nâng cao an ninh mạng trong các hệ thống vô tuyến.

III. Đánh giá hiệu năng và ứng dụng thực tiễn

Đánh giá hiệu năng bảo mật không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn cần được áp dụng vào thực tiễn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc triển khai các giải pháp bảo mật trong lớp vật lý có thể giúp bảo vệ thông tin một cách hiệu quả. Quản lý rủi ro và kiểm tra bảo mật là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống. Việc áp dụng các công nghệ mới như mã hóa thông tin và giao thức bảo mật cũng đã cho thấy hiệu quả trong việc bảo vệ dữ liệu. Hơn nữa, việc nâng cao nhận thức về bảo mật thông tin trong cộng đồng cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho các hệ thống thông tin vô tuyến.

3.1. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Bảo mật thông tin trong lớp vật lý có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ viễn thông đến an ninh quốc phòng. Các giải pháp bảo mật có thể giúp bảo vệ thông tin nhạy cảm trong các hệ thống truyền thông, đảm bảo rằng dữ liệu không bị rò rỉ hoặc bị tấn công. Việc áp dụng các công nghệ mới như truyền thông hợp tác và gây nhiễu nhân tạo cũng đã cho thấy khả năng nâng cao hiệu suất bảo mật. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ thông tin mà còn giúp nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo mật trong lớp vật lý là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống thông tin vô tuyến đã trải qua các giai đoạn phát triển từ thế hệ thứ nhất (1G) truyền tín hiệu tương tự và cung cấp dịch vụ thoại, thế hệ thứ hai (2G) truyền tín hiệu số với dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp, thế hệ thứ ba (3G) cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ lên đến 02 Mbps, đến thế hệ thứ tư (4G - LTE) với tốc độ dữ liệu tối đa đạt 100 Mbps khi thiết bị di chuyển ở vận tốc 250 km/h trên băng thông mở rộng 40 MHz. Tiếp nối là mạng dữ liệu di động thế hệ thứ năm (5G) phục vụ đa nền tảng trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT). Theo thống kê năm 2014, lưu lượng hệ thống thông tin vô tuyến toàn cầu tăng trưởng khoảng 70%, trong đó 26% thiết bị di động thông minh chiếm 88% tổng lưu lượng dữ liệu di động; dự báo của Cisco Visual Networking Index (VNI) cho thấy đến năm 2019 số lượng thiết bị di động thông minh chiếm hơn phân nửa tổng số thiết bị mạng di động.

Do đặc tính truyền lan quảng bá trong không gian mở, tín hiệu truyền thông vô tuyến dễ bị nghe lén và tấn công mạo danh. Các giải pháp an ninh truyền thống chủ yếu áp dụng thuật toán mật mã đối xứng và bất đối xứng (như DES, RSA) tại lớp ứng dụng (Application layer) với giả định rằng kênh truyền vật lý bên dưới không có lỗi. Tuy nhiên, trong các hệ thống mạng phân tán, không tập trung (Decentralized networks) có tính di động cao và chịu ảnh hưởng của hiện tượng pha-đinh nhanh, việc phân phối khóa bí mật đòi hỏi hạ tầng phức tạp, trong khi năng lực tính toán của các đối tượng nghe lén ngày càng gia tăng có thể dẫn đến nguy cơ bị giải mã và phân tích lưu lượng. Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) là giải pháp an ninh bổ sung, khai thác trực tiếp tính chất ngẫu nhiên của môi trường truyền sóng vô tuyến để đảm bảo tính bí mật và xác thực mà không phụ thuộc hoàn toàn vào độ phức tạp tính toán của thuật toán mã hóa lớp trên. Khoảng trống nghiên cứu mà luận án hướng tới là việc phân tích và tối ưu hóa hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong các điều kiện phi lý tưởng của môi trường truyền dẫn, bao gồm: cấu hình mạng chuyển tiếp đa chặng, mạng vô tuyến nhận thức chia sẻ phổ tần, ảnh hưởng của sự suy giảm phần cứng thiết bị, kỹ thuật thu thập năng lượng và điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) không hoàn hảo.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là nâng cao hiệu năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý thông qua việc kết hợp các kỹ thuật truyền thông hợp tác, lựa chọn nút chuyển tiếp, phát tín hiệu gây nhiễu nhân tạo, truyền thông đa chặng, thu thập năng lượng và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố không hoàn hảo của hệ thống. Các mục tiêu cụ thể được xác định như sau:

1. Đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng lên hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông đa chặng.
2. Nghiên cứu hiệu năng bảo mật của hệ thống truyền thông đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức.
3. Nghiên cứu kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và gây nhiễu trong hệ thống truyền thông hợp tác.
4. Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vào hệ thống truyền thông hợp tác.
5. Đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến hợp tác trong điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo.
6. Ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (Randomize-and-Forward - RF) trong hệ thống vô tuyến hợp tác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các giao thức và mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác; các kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp (Khuếch đại-và-chuyển tiếp - AF, Giải mã-và-chuyển tiếp - DF, Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp - RF); các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp (đơn trình, toàn trình); mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR); kỹ thuật thu thập năng lượng (Energy Harvesting - EH).
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình kênh truyền chịu tác động của pha-đinh Rayleigh và tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN); mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay); thiết bị hoạt động ở chế độ bán song công phân chia theo thời gian; các điều kiện kênh truyền có sai số ước lượng (CSI không hoàn hảo) và thiết bị có mức suy giảm phần cứng không lý tưởng.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Cơ sở lý thuyết về an toàn thông tin được Shannon xây dựng trong công trình năm 1948/1949, xác định mức độ bảo mật thông qua lượng thông tin mà nút nghe lén thu nhận được. Wyner (1975) đặt nền móng cho bảo mật lớp vật lý khi chứng minh trên mô hình kênh truyền rời rạc không nhớ rằng nếu kênh của người dùng hợp pháp có điều kiện truyền dẫn tốt hơn kênh nghe lén, hệ thống có thể đạt được khả năng bảo mật hoàn hảo mà không cần sử dụng khóa mã hóa. Kết quả này sau đó được mở rộng sang kênh nghe lén Gauss, hình thành khái niệm dung lượng bảo mật. Trên kênh pha-đinh chậm, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu ứng pha-đinh có thể tạo ra dung lượng bảo mật khác không ngay cả khi tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) trung bình của kênh chính thấp hơn kênh nghe lén.

Các công trình nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý được phát triển theo hai hướng tiếp cận chính:

• Tạo khóa bí mật: Khai thác tính ngẫu nhiên và tính tương hỗ của kênh truyền vô tuyến để trích xuất khóa mật mã khi kênh chính đủ tốt và nút nghe lén ở vị trí cách biệt.
• Không sử dụng khóa bí mật: Sử dụng các giao thức truyền thông hợp tác, xử lý tín hiệu và định tuyến để tối đa hóa SNR tại nút thu hợp pháp, đồng thời hạn chế SNR tại nút nghe lén.

Về mặt kỹ thuật hợp tác và xử lý tín hiệu:

• Công trình của các tác giả nghiên cứu giải pháp sử dụng nút chuyển tiếp phát tín hiệu gây nhiễu để làm suy giảm khả năng thu của nút nghe lén; kết hợp xử lý tín hiệu với mã hóa kênh nhằm tăng cường mức độ an toàn.
• Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống nhiều anten (MIMO) phục vụ bảo mật lớp vật lý trong truyền dữ liệu và ước lượng kênh; phân loại năm chủ đề nghiên cứu trọng tâm gồm dung lượng bảo mật, tiền mã hóa kênh, mã hóa, tối ưu công suất và lựa chọn tín hiệu.
• Nghiên cứu các giải pháp phòng chống tấn công gây nhiễu trong quá trình đồng bộ hóa và ước lượng kênh truyền; khảo sát các mối đe dọa bảo mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức.
• Đối với mạng chuyển tiếp ngang hàng phục vụ nhiều người dùng sử dụng kỹ thuật Giải mã-và-Chuyển tiếp (DF), các nghiên cứu đã khảo sát bài toán phân bổ công suất phát tối thiểu tại các nút chuyển tiếp nhằm đảm bảo tính công bằng và thỏa mãn ngưỡng dung lượng bảo mật; bài toán tối đa hóa dung lượng bảo mật trong mạng hợp tác có nhiều cặp nút nguồn - đích.

Về truyền thông đa chặng và vô tuyến nhận thức:

• Shim và các cộng sự khảo sát mạng vô tuyến nhận thức đa chặng sử dụng kỹ thuật DF trên kênh pha-đinh Rayleigh chịu tác động của trạng thái kênh truyền không hoàn hảo, thiết lập biểu thức tường minh cho hiệu năng hệ thống.
• Các nghiên cứu đề xuất giải pháp sử dụng nút chuyển tiếp đa chặng phát nhiễu nhân tạo có chủ đích lên nút nghe lén để tối ưu hóa dung lượng bảo mật ergodic; Alotaibi và Hamdi phân tích dung lượng bảo mật toàn chặng của mạng chuyển tiếp đa chặng DF với giả định CSI hoàn hảo khi có và không có nút hỗ trợ gây nhiễu.
• Mo và các cộng sự so sánh hiệu năng bảo mật giữa hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và Ngẫu nhiên-và-Chuyển tiếp (RF), chứng minh kỹ thuật RF giúp cải thiện bảo mật ngay cả khi các nút phân bố ngẫu nhiên.
• Lee nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp đa chặng hoạt động ở chế độ song công (Full-Duplex) kết hợp phát nhiễu và tối ưu hóa vị trí nút bằng phương pháp lập trình hình học.

Về điều kiện kênh truyền không hoàn hảo, suy giảm phần cứng và thu thập năng lượng:

• Zheng và các cộng sự phân tích hệ thống đa anten kết hợp gây nhiễu nhân tạo trong điều kiện CSI không hoàn hảo, xác định mối quan hệ giữa sai số ước lượng kênh và công suất phát cần thiết để giảm xác suất dừng bảo mật.
• Nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp $M$ nút sử dụng kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp (AF) ở kịch bản chuyển tiếp ngẫu nhiên và chuyển tiếp có lựa chọn khi ước lượng kênh bị lỗi, chỉ ra sự suy giảm hiệu năng khi các nút di chuyển.
• Trong lĩnh vực thu thập năng lượng (EH), các nghiên cứu khảo sát mô hình chuyển tiếp AF kết hợp gây nhiễu nhân tạo theo hai giao thức: Chuyển mạch thời gian (Time Switching) và Phân chia công suất (Power Splitting); tối ưu hóa phân bổ sóng mang và tỷ lệ chia sẻ năng lượng trong mạng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao; đánh giá xác suất dừng bảo mật giữa kịch bản lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất kết hợp gây nhiễu ngẫu nhiên với kịch bản lựa chọn nút gây nhiễu kết hợp chuyển tiếp ngẫu nhiên.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu trước đã đề cập đến từng khía cạnh riêng lẻ, việc đánh giá đồng thời cấu hình chuyển tiếp đa chặng dạng cụm, áp dụng kỹ thuật chuyển tiếp RF, kết hợp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu với gây nhiễu nhân tạo bằng năng lượng thu thập, cũng như việc lượng hóa chính xác ảnh hưởng của mức độ suy giảm phần cứng và sai số ước lượng kênh truyền thông qua các biểu thức giải tích tường minh vẫn chưa được giải quyết đầy đủ. Luận án tập trung giải quyết các bài toán này.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

Hệ thống thông tin vô tuyến được mô hình hóa trên kênh pha-đinh Rayleigh, trong đó tín hiệu chịu tác động của suy hao đường truyền theo khoảng cách và tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN) có giá trị trung bình bằng 0 và phương sai $N_0$. Tỷ số SNR tức thời của kênh truyền được xác định bởi $\gamma = P|h|^2/N_0$, với $P$ là công suất phát và $h$ là hệ số kênh truyền. Hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) của $\gamma$ trên kênh pha-đinh Rayleigh có dạng: $$f_{\gamma}(\gamma) = \lambda \exp(-\lambda \gamma), \quad F_{\gamma}(\gamma) = 1 - \exp(-\lambda \gamma)$$ trong đó $\lambda$ là giá trị trung bình thống kê của tỷ số SNR. Khi xét đến khoảng cách $d$ và hệ số suy hao đường truyền $\beta$ ($\beta \in [2, 6]$), độ lợi kênh trung bình thỏa mãn quan hệ $\lambda \propto d^{\beta}$.

Khung phân tích hiệu năng bảo mật lớp vật lý dựa trên ba tham số chính:

1. Dung lượng bảo mật (Secrecy Capacity - $C_S$): Chênh lệch giữa dung lượng kênh chính ($C_D = \log_2(1+\gamma_D)$) và dung lượng kênh nghe lén ($C_E = \log_2(1+\gamma_E)$), được định nghĩa là $C = [C_D - C_E]^+ = \max(0, C_D - C_E)$.
2. Xác suất dung lượng bảo mật khác không (Probability of Non-zero Secrecy Capacity - $PrNZ$): Xác suất để dung lượng kênh chính lớn hơn dung lượng kênh nghe lén: $$Pr(C > 0) = Pr(\gamma_D > \gamma_E) = \frac{\lambda_D}{\lambda_D + \lambda_E} = \frac{1}{1 + (d_E/d_D)^{\beta}}$$
3. Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - $SOP$): Xác suất để dung lượng bảo mật tức thời nhỏ hơn một ngưỡng tốc độ bảo mật mục tiêu $C_{th}$ ($C_{th} > 0$): $$SOP = Pr(C < C_{th}) = 1 - \frac{\lambda_D + \lambda_E}{\lambda_D + 2^{C_{th}}\lambda_E} \exp\left(-\frac{2^{C_{th}}-1}{\lambda_D}\right)$$

Các kỹ thuật xử lý và chuyển tiếp trong mạng hợp tác bao gồm:

• Kỹ thuật chuyển tiếp: Khuếch đại-và-chuyển tiếp (AF - không tái tạo, tích lũy nhiễu), Giải mã-và-chuyển tiếp (DF - tái tạo tín hiệu, loại bỏ tạp âm nhưng tăng độ trễ), Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (RF - giải mã và mã hóa lại với từ mã ngẫu nhiên để vô hiệu hóa khả năng kết hợp tín hiệu của nút nghe lén).
• Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp: Lựa chọn đơn trình (Partial Relay Selection) dựa trên CSI của một chặng và lựa chọn toàn trình (Full Relay Selection) dựa trên CSI của cả hai chặng; cơ chế thực thi dựa trên giao thức đồng hồ đếm ngược với thời gian trễ $t_i = A/\gamma_i$ ($A$ là hằng số).
• Mô hình mạng vô tuyến nhận thức (CR): Dạng nền (Underlay) với công suất nút thứ cấp bị ràng buộc bởi ngưỡng can nhiễu tối đa cho phép tại máy thu sơ cấp ($I_{th}$); dạng đan xen (Interweave) và dạng chồng chập (Overlay).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích giải tích: Sử dụng lý thuyết xác suất, biến ngẫu nhiên và giải tích tích phân để thiết lập mô hình toán học cho các kịch bản mạng; dẫn xuất các biểu thức tường minh của PDF, CDF, SNR đầu cuối, $SOP$ và $PrNZ$.
• Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phương pháp mô phỏng thống kê Monte-Carlo trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính đúng đắn của các biểu thức toán học giải tích đã dẫn xuất.

Bảng tổng hợp các thông số và ký hiệu toán học chính

Ký hiệu	Ý nghĩa thông số	Miền giá trị / Quy chuẩn
$P, N_0$	Công suất phát trung bình và phương sai tạp âm AWGN	$P > 0, N_0 > 0$
$\gamma, \lambda$	Tỷ số SNR tức thời và giá trị trung bình thống kê của SNR	$\gamma \ge 0, \lambda = E{\gamma}$
$I_{th}, Q$	Ngưỡng can nhiễu tối đa của PU và tỷ số $I_{th}/N_0$	$Q = I_{th}/N_0$ [dB]
$C_S, C_{th}$	Dung lượng bảo mật tức thời và ngưỡng tốc độ truyền bảo mật	$C_S \ge 0, C_{th} > 0$
$PrNZ, SOP$	Xác suất dung lượng bảo mật khác không và xác suất dừng bảo mật	Nằm trong đoạn $[0, 1]$
$\kappa$	Mức độ suy giảm phần cứng không lý tưởng	$\kappa \ge 0$ ($\kappa = 0$: lý tưởng)
$\rho$	Hệ số tương quan giữa kênh truyền thực tế và kênh ước lượng	$0 \le \rho \le 1$ ($\rho = 1$: hoàn hảo)
$\alpha$	Hệ số phân bổ công suất phát tín hiệu / gây nhiễu	$0 < \alpha < 1$
$\beta$	Hệ số suy hao đường truyền theo khoảng cách	$\beta \in [2, 6]$
$K, M$	Số lượng chặng/cụm chuyển tiếp và số nút trong mỗi cụm	$K \ge 1, M \ge 1$
$\Psi, \eta$	Tỷ số công suất thu thập năng lượng và hiệu suất chuyển đổi EH	$\Psi$ [dB], $0 < \eta \le 1$

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến và đảm bảo an toàn thông tin ở lớp vật lý

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về an toàn thông tin vô tuyến và bảo mật lớp vật lý:

• Phân tích các yếu tố tác động tiêu cực của môi trường truyền sóng (suy hao, pha-đinh Rayleigh, can nhiễu) và cấu trúc mô hình hệ thống cơ bản ba nút gồm nguồn ($S$), đích ($D$) và nút nghe lén ($E$).
• Thiết lập cơ sở toán học và dẫn xuất chi tiết các tham số hiệu năng bảo mật ($C_S, PrNZ, SOP$). Khảo sát cho thấy khi $C_{th} \to 0$, $SOP$ tiệm cận giá trị $1 - Pr(C > 0)$; khi $C_{th} \to \infty$, $SOP \to 1$.
• Trình bày nguyên lý truyền thông hợp tác tạo phân tập không gian thông qua hệ thống MIMO ảo, giúp khắc phục hạn chế kích thước và tiêu hao năng lượng trên thiết bị cầm tay; phân loại các mô hình chuyển tiếp một chiều (4 khe thời gian), chuyển tiếp hai chiều (2 pha thời gian) và chuyển tiếp chia sẻ đa anten.
• Khảo sát ba kỹ thuật xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp (AF, DF, RF) và hai phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp (đơn trình và toàn trình) sử dụng thuật toán đồng hồ đếm ngược $t_i = A/\gamma_{SRi}$.
• Giới thiệu công nghệ vô tuyến nhận thức và ba mô hình chia sẻ phổ tần: Underlay (khống chế công suất phát thứ cấp dưới ngưỡng $I_{th}$), Interweave (hoạt động trong các khoảng phổ rỗi) và Overlay (hoạt động đồng thời có thỏa thuận chia sẻ).

Chương 2: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến truyền thông đa chặng

Nội dung Chương 2 tập trung vào hai bài toán phân tích hiệu năng bảo mật trong cấu hình mạng đa chặng:

• Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng dạng nền (Underlay):
  • Mô hình gồm nút nguồn $S$, nút đích $D$, nút nghe lén $E$ và $K$ cụm chuyển tiếp trung gian, mỗi cụm chứa $M$ nút ($R_j^1, \dots, R_j^M$). Hệ thống hoạt động bán song công trên $K+1$ khe thời gian trực giao và sử dụng kỹ thuật RF.
  • Tại mỗi chặng, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn theo tiêu chí cực đại hóa SNR chặng đơn trình: $R_i^b = \arg\max_{k=1,\dots,M_i} \gamma_{R_{i-1}^b, R_i^k}$.
  • Công suất phát tối đa của các nút thứ cấp bị ràng buộc bởi ngưỡng can nhiễu $I_{th}$ của người dùng sơ cấp: $P_{R_{i-1}^b} = I_{th} / |h_{R_{i-1}^b, P}|^2$.
  • Dẫn xuất biểu thức giải tích tường minh cho $SOP$ và $PrNZ$ theo tham số $Q = I_{th}/N_0$, số lượng nút $M$ và vị trí không gian $(x_E, y_E)$ của nút nghe lén. Kết quả mô phỏng kiểm chứng sự trùng khớp giữa đường cong lý thuyết và dữ liệu Monte-Carlo.
• Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng:
  • Mô hình hóa mức độ suy giảm phần cứng thông qua hệ số $\kappa$.
  • Dẫn xuất các biểu thức chính xác của $SOP$ và $PrNZ$ dưới sự chi phối của $P/N_0$, $\kappa$, số chặng $K$ và ngưỡng tốc độ $C_{th}$.
  • Kết quả đánh giá chỉ ra rằng sự suy giảm phần cứng tạo ra mức sàn dừng bảo mật (outage floor) ở vùng SNR cao, làm suy giảm đáng kể khả năng an toàn thông tin của hệ thống đa chặng so với phần cứng lý tưởng ($\kappa = 0$).

Chương 3: Phân tích hiệu năng bảo mật của hệ thống vô tuyến truyền thông hợp tác

Chương 3 khảo sát các giải pháp nâng cao bảo mật bằng kỹ thuật gây nhiễu nhân tạo và thu thập năng lượng:

• Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng hợp tác hai chặng:
  • Đề xuất và đánh giá mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất kết hợp lựa chọn nút phát tín hiệu gây nhiễu có chủ đích lên nút nghe lén.
  • So sánh định lượng hiệu năng của mô hình đề xuất với kịch bản gây nhiễu hoặc chuyển tiếp ngẫu nhiên.
  • Phân tích sự phụ thuộc của $SOP$ và $PrNZ$ vào hệ số phân bổ công suất $\alpha$ (giữa kênh truyền tin và kênh phát nhiễu), số lượng nút ứng viên $M$, tỉ số $P/N_0$ và tọa độ $y_E$ của nút nghe lén.
• Bảo mật mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng lượng (EH):
  • Đề xuất mô hình chọn nút chuyển tiếp thứ $N_{th}$ tốt nhất và tận dụng nguồn năng lượng vô tuyến thu hoạch được để phát tín hiệu gây nhiễu nhân tạo.
  • Thiết lập biểu thức giải tích và đánh giá hiệu năng bảo mật theo tham số tỷ số công suất thu hoạch $\Psi$ [dB], số nút $M$ và vị trí chuyển tiếp $x_R$, chứng minh hiệu quả giảm thiểu $SOP$ khi tăng số lượng nút hỗ trợ thu thập năng lượng.

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

Chương 4 nghiên cứu ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh truyền đối với mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm:

• Mô hình hóa mối tương quan giữa hệ số kênh truyền thực tế và hệ số kênh truyền ước lượng thông qua hệ số tương quan $\rho$ ($0 \le \rho \le 1$).
• Khảo sát mô hình mạng cụm ba chặng ($K = 3$) với cấu hình vector số nút trong mỗi cụm $M = [3\ 3\ 3]$ và $M = [2\ 2\ 2]$ khi có sự xuất hiện của nút nghe lén $E$ tại tọa độ $(x_E, y_E) = (1, 2)$, hệ số suy hao đường truyền $\beta = 3$ và ngưỡng tốc độ $C_{th} = 1$.
• Đánh giá sự biến thiên của $SOP$ và $PrNZ$ theo hệ số tương quan $\rho$, số chặng $K$, số nút trong mỗi cụm $M$ và vị trí của nút $E$.
• Kết quả cho thấy khi chất lượng ước lượng kênh giảm (tương ứng giá trị $\rho$ giảm xa mức 1), xác suất dừng bảo mật $SOP$ tăng cao và xác suất $PrNZ$ giảm, lượng hóa mức độ suy giảm an toàn thông tin do thiếu hụt thông tin trạng thái kênh truyền chính xác.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và kỹ thuật

1. Xây dựng mô hình toán học giải tích và đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trên kênh pha-đinh Rayleigh; đề xuất áp dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và kỹ thuật chuyển tiếp ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (RF) cho hệ thống chuyển tiếp đa chặng và hợp tác.
2. Đề xuất mô hình hệ thống truyền thông đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay CR) sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất ở từng cụm; dẫn xuất thành công các biểu thức tường minh cho xác suất dung lượng bảo mật khác không ($PrNZ$) và xác suất dừng bảo mật ($SOP$).
3. Thiết lập biểu thức chính xác của $SOP$ và $PrNZ$ cho hệ thống truyền thông vô tuyến đa chặng chịu tác động của phần cứng không hoàn hảo, chỉ ra mức sàn hiệu năng bảo mật do tham số suy giảm phần cứng ($\kappa$) gây ra.
4. Xây dựng và tối ưu hóa mô hình truyền thông hợp tác kết hợp lựa chọn nút chuyển tiếp và phát tín hiệu gây nhiễu nhân tạo có lựa chọn trên kênh pha-đinh Rayleigh.
5. Đề xuất mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng (EH) phục vụ chuyển tiếp dữ liệu và phát tín hiệu gây nhiễu có lựa chọn, xác lập các biểu thức định lượng hiệu năng của hệ thống đề xuất.

Kiến nghị và giải pháp kỹ thuật

• Trong các mạng chuyển tiếp đa chặng, nên triển khai kỹ thuật chuyển tiếp RF để loại bỏ khả năng nút nghe lén kết hợp các bản sao tín hiệu nhận được qua các khe thời gian.
• Khi thiết kế hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền, cần xác lập giá trị ngưỡng can nhiễu $I_{th}$ và tỷ số $Q$ phù hợp nhằm cân bằng giữa yêu cầu bảo vệ người dùng sơ cấp (PU) và duy trì dung lượng bảo mật cho mạng thứ cấp.
• Cần tính toán hệ số bù trừ công suất và biên dự phòng bảo mật khi hệ thống vận hành trong điều kiện phần cứng không lý tưởng ($\kappa > 0$) hoặc thông tin trạng thái kênh truyền có sai số ($\rho < 1$).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Các phân tích giải tích trong luận án chủ yếu thực hiện trên mô hình kênh truyền pha-đinh Rayleigh, chưa khảo sát trên các mô hình kênh pha-đinh tổng quát hơn có thành phần đường truyền thẳng (LOS) như Rician hoặc Nakagami-$m$.
• Mô hình hệ thống giả định các nút mạng trang bị đơn anten và hoạt động ở chế độ bán song công phân chia theo thời gian, chưa tích hợp hoàn chỉnh cấu trúc đa anten MIMO tại tất cả các thực thể.
• Mạng vô tuyến nhận thức mới chỉ tập trung phân tích sâu mô hình dạng nền (Underlay), chưa mở rộng phân tích giải tích chi tiết cho mô hình dạng đan xen (Interweave) và dạng chồng chập (Overlay).

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng đánh giá hiệu năng bảo mật lớp vật lý trên các mô hình kênh pha-đinh Rician, Nakagami-$m$ và kênh truyền có tương quan không gian.
• Khảo sát hệ thống truyền thông hợp tác đa chặng hoạt động ở chế độ song công toàn phần (Full-Duplex) kết hợp các giải pháp triệt nhiễu tự thân (self-interference cancellation).
• Nghiên cứu mô hình an ninh lớp vật lý trong điều kiện có nhiều nút nghe lén hoạt động cấu kết (colluding eavesdroppers) và tối ưu hóa phân bổ năng lượng trong mạng thu thập năng lượng đa người dùng.

---

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Luận án cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc xây dựng mô hình toán học giải tích, kỹ thuật biến đổi tích phân để tìm biểu thức tường minh cho $SOP$ và $PrNZ$, cũng như quy trình xây dựng chương trình mô phỏng kiểm chứng Monte-Carlo trên Matlab.
• Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên sâu về các chủ đề giao thoa giữa bảo mật lớp vật lý, truyền thông hợp tác, vô tuyến nhận thức và thu thập năng lượng.
• Đối với kỹ sư thiết kế hệ thống: Cung cấp các công thức định lượng và đường cong đặc tính phản ánh mức độ ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh ($\rho$) và suy giảm phần cứng ($\kappa$), phục vụ việc ước lượng tham số và cấu hình thiết bị thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khái niệm dung lượng bảo mật ($C_S$) được xác định như thế nào trong luận án?
Dung lượng bảo mật là hiệu số giữa dung lượng của kênh chính ($C_D$) và dung lượng của kênh nghe lén ($C_E$). Đại lượng này được xác định bởi công thức $C = [C_D - C_E]^+ = \max(0, \log_2(1+\gamma_D) - \log_2(1+\gamma_E))$, mang giá trị không âm và bằng 0 khi dung lượng kênh nghe lén lớn hơn hoặc bằng dung lượng kênh truyền dữ liệu chính.

2. Điểm khác biệt cơ bản giữa kỹ thuật Giải mã-và-chuyển tiếp (DF) và Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp (RF) là gì?
Cả hai kỹ thuật đều thực hiện giải điều chế và giải mã tín hiệu nhận được để loại bỏ tạp âm. Tuy nhiên, ở kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp mã hóa lại tín hiệu bằng cùng cấu trúc từ mã gốc; trong khi ở kỹ thuật RF, nút chuyển tiếp mã hóa lại dữ liệu với một từ mã ngẫu nhiên khác, qua đó ngăn chặn nút nghe lén sử dụng các bộ kết hợp tín hiệu từ nhiều chặng.

3. Công suất phát của nút thứ cấp trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay) bị khống chế bởi điều kiện gì?
Công suất phát của nút thứ cấp bị giới hạn bởi ngưỡng can nhiễu tối đa cho phép tại máy thu sơ cấp ($I_{th}$), được tính theo công thức $P_{R_{i-1}^b} = I_{th} / |h_{R_{i-1}^b, P}|^2$, trong đó $h_{R_{i-1}^b, P}$ là hệ số kênh truyền giữa nút phát thứ cấp và máy thu sơ cấp PU.

4. Mức độ suy giảm phần cứng ($\kappa$) và hệ số tương quan kênh truyền ($\rho$) tác động như thế nào đến hiệu năng bảo mật?
Khi mức độ suy giảm phần cứng $\kappa$ tăng ($\kappa > 0$), hệ thống xuất hiện mức sàn dừng bảo mật ở vùng SNR cao khiến $SOP$ không thể giảm vô hạn. Khi hệ số tương quan $\rho$ giảm (sai số ước lượng kênh tăng), chất lượng kênh hợp pháp bị đánh giá sai lệch, dẫn đến việc $SOP$ tăng lên và xác suất $PrNZ$ suy giảm.

5. Cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp bằng thuật toán đồng hồ đếm ngược hoạt động ra sao?
Mỗi nút chuyển tiếp ứng viên $R_i$ thiết lập một đồng hồ đếm thời gian $t_i = A/\gamma_{SRi}$ (với $A$ là hằng số, $\gamma_{SRi}$ là SNR tức thời). Nút nào có SNR lớn nhất sẽ có thời gian đáp ứng $t_i$ ngắn nhất, phát tín hiệu trước và được chọn làm nút chuyển tiếp tốt nhất cho chặng đó.

---

Kết luận

Luận án đã phân tích toàn diện hiệu năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý trong các cấu hình mạng vô tuyến hợp tác và chuyển tiếp đa chặng trên kênh pha-đinh Rayleigh. Bằng phương pháp phân tích giải tích kết hợp mô phỏng Monte-Carlo, tác giả đã thiết lập các biểu thức tường minh cho dung lượng bảo mật, xác suất dừng bảo mật ($SOP$) và xác suất dung lượng bảo mật khác không ($PrNZ$) trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng có thu thập năng lượng, cũng như đánh giá định lượng tác động của phần cứng không lý tưởng và thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thông số kỹ thuật phục vụ việc thiết kế, tối ưu hóa các giao thức truyền thông vô tuyến an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỤC LỤC MỤC LỤC. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM BẢO AN TOÀN THÔNG TIN Ở LỚP VẬT LÝ. Bảo mật thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến. Các tham số hiệu năng bảo mật. Dung lượng bảo mật.

Xác suất dung lượng bảo mật khác không. Xác suất dừng bảo mật. Truyền thông hợp tác. Phương pháp chuyển tiếp vô tuyến.

Kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến. Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp. Vô tuyến nhận thức. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền - Underlay.

Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen - Interweave 34 1. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập - Overlay 35 i ii 1. Kết luận chương. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG.

Mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp đa chặng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Mạng chuyển tiếp đa chặng với phần cứng không lý tưởng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất.

Phân tích hiệu năng hệ thống. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC.

Gây nhiễu và chuyển tiếp có lựa chọn trong mạng truyền thông hợp tác hai chặng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Bảo mật trong mạng vô tuyến hợp tác kết hợp kỹ thuật thu thập năng lượng. Các nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống đề xuất.

Phân tích hiệu năng hệ thống. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. 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.

Các nghiên cứu liên quan. Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết luận chương. 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.2 Dung lượng bảo mật của hệ thống.3 Xác suất dung lượng bảo mật khác không của hệ thống.4 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống.5 Mô hình truyền thông vô tuyến hợp tác cơ bản.6 Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp trung kế vô tuyến.7 Mô hình chuyển tiếp một chiều.8 Mô hình chuyển tiếp hai chiều.9 Kỹ thuật Khuếch đại-và-Chuyển tiếp.10 Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp.11 Khoảng phổ có thể được sử dụng.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 1, yE = 0.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Q [dB] khi xE = 0.5 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị M khi xE = 1, yE = 0.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị yE khi xE = 0.7 Hệ thống truyền thông đa chặng.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi κ = 0.10 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , κ = 0.11 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 , K = 4 khi κ = 0.12 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị κ khi Cth = 1 và thay đổi K .1 Mô hình hệ thống.2 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.3 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị M khi P/N0 = 10[dB], α = 0.4 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị α khi P/N0 = 10[dB], M = 3 và Cth = 1.5 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị yE khi P/N0 = 10[dB], M = 3, α = 0, 5 và Cth = 1.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác không biểu diễn theo giá trị P/N0 khi M = 3, α = 0.7 Mô hình đề xuất bảo mật với Nth nút chuyển tiếp tốt nhất và gây nhiễu bằng năng lượng thu thập.8 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo giá trị Ψ [dB] khi M = 3 và xR = 0.9 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo M khi Ψ = 10[dB] và N = 1.10 Xác suất dừng bảo mật biểu diễn theo xR khi Ψ = 5 [dB] và M = 5.1 Giao thức chuyển tiếp vô tuyến ba chặng trong mạng cụm (cluster) với sự xuất hiện của nút nghe lén.2 Ảnh hưởng của ρ lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3].3 Ảnh hưởng của ρ lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và M = [3 3 3].4 Ảnh hưởng của số chặng lên SOP khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2).5 Ảnh hưởng của số chặng lên PrNZ khi Cth = 1, β = 3, (xE , yE ) = (1, 2) và ρ = 0.6 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 = 0.7 Ảnh hưởng của vị trí E lên SOP khi Cth = 1, β = 3, K = 3, M = [2 2 2] và ρ = 0. 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. 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].