Đặt vấn đề Bản chất truyền sóng trong môi trƣờng không dây đã tạo điều kiện cho hệ thống hợp tác truyền thông, bên cạnh đó nó cũng cho phép các nút ngoài ý muốn hay nút nghe trộm nghe và truyền tải thông tin giữa nguồn và đích định sẵn thông qua một nút chuyển tiếp dẫn đến mất tính an toàn thông tin trong truyền thông. Các phƣơng pháp truyền thống để đạt đảm bảo thông tin liên lạc bao gồm các kỹ thuật mã hóa ở lớp trên yêu cần sự phân phối và quản lý các mã khóa (key). Không giống nhƣ mô hình này, theo lý thuyến thông tin, sự đảm bảo thông tin trong lớp vật lý đƣợc đảm bảo bằng cách khai thác bản chất của các kênh không dây. Về vấn đề này, tôi giới thiệu các kênh nghe trộm và chỉ ra rằng mức độ hoàn hảo an toàn trong thông tin liên lạc là điều có thể mà không cần dựa vào các khóa riêng (private key).
Bên cạnh đó, Năng lƣợng thu thập đang là nguồn năng lƣợng dần phổ biến cung cấp cho các thiết bị không dây [1], nó là tiềm năng để kéo dài tuổi thọ, tránh việc sạc thƣờng xuyên và thay thế pin trong các nút mạng, mà nếu không sẽ rất bất tiện trong các ứng dụng ví dụ các thiết bị y tế cấy ghép trong cơ thể ngƣời. Ngoài ra, việc thu năng lƣợng từ các nguồn tự nhiên nhƣ mặt trời, nhiệt, gió sẽ gặp vần đề sự liên tục của việc thu ví dụ thời gian chuyển đổi ngày qua đêm, gió không thổi liên tục,… Trong khi đó tín hiệu RF có thể mang cả thông tin và năng lƣợng với nhau [2]. Các nút chuyển tiếp có thể tách lấy phần năng lƣợng từ tín hiệu nguồn để phục vụ cho quá trình xử lý thông tin.2 Tình hình nghiên cứu đề tài Vì vấn đề khó khăn của việc thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin từ một cùng tín hiệu hai hình thức thu thập năng lƣợng đã đƣợc đề xuất trong [2] –[4]. Thứ nhất là hình thức phân chia công suất, nơi thu phân chia công suất nhận đƣợc cho việc thu thập năng lƣợng và quá trình xử lý thông tin.
Thứ hai là hình thức chuyển Trang 1 Luan van Luận văn Chƣơng 1 đổi thời gian, quá trình thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin sẽ thực hiện thông qua việc chuyển đổi thời gian để thực hiện chúng trong một khung thời gian. Thu năng lƣợng đồng thời xử lý thông tin có ứng dụng trong chuyển tiếp hợp tác [4] – [7]. Nút nguồn truyền tin tới nút trung gian, sau đó nút trung gian sẽ tiếp tục truyền tin này tới nút đích. Trong mô hình này, các nút trung gian sẽ tách nguồn năng lƣợng từ sóng tín hiệu để cung cấp cho quá trình chuyển tiếp thông tin tới đích.
Cách này kéo dài vòng đời của nút trung gian và do đó tạo điều kiện trong hệ thống hợp tác thông tin. Các công trình [4] – [7] đã nghiên cứu về bảo mật tại lớp vật lý lớp trong sự hiện diện của các nút nghe trộm bên ngoài khác nhau và cố gắng đánh chặn thông tin liên lạc nguồn-đích từ các nút chuyển. Ngay cả trong trƣờng hợp không có nút nghe trộm bên ngoài, giao tiếp giữa nguồn và đích vẫn có thể cần đƣợc bảo mật. Ngƣời ta có thể muốn giữ bí mật thông tin liên lạc nguồn-đích từ nút chuyển mặc dù vẫn hợp tác trong việc chuyển tiếp thông tin [8].
Trong trƣờng hợp đó, nút chuyển đƣợc xem nhƣ một nút nghe trộm. Các mô hình của nút chuyển tiếp không tin cậy có ứng dụng thực tế trong quốc phòng, tài chính, mạng chính phủ thông minh, ở đó tất cả ngƣời dùng không có cùng các quyền truy cập vào các thông tin [9]. Ngoài ra, nếu các nút chuyển tiếp thuộc các mạng khác nhau, nó có thể không có đặc quyền để truy cập vào các thông tin nhƣ của nguồn và đích [10] - [12]. Một thực tế khác là các mạng không đồng nhất, nơi các mạng khác nhau nhƣ macrocell, microcell, picocell, và femtocell cùng tồn tại với nhau trong khu vực địa lý tƣơng tự và thông tin liên lạc thông tin giữa hai nút của mạng tƣơng tự xảy ra thông qua một nút thuộc một mạng khác.
Trong trƣờng hợp này, các nút chuyển tiếp, là từ các mạng khác nhau, có thể đƣợc coi là không đáng tin cậy. Một kịch bản ứng dụng cho các nút chuyển tiếp không tin cậy là một trong những nơi mà các nút chuyển tiếp bị xâm phạm. Ví dụ, trong một khu vực thù địch nhƣ chiến trƣờng, một nút trung gian chuyển tiếp các thông tin bí mật giữa những ngƣời sử dụng của một bên tham chiến có thể bị đánh chặn bởi kẻ thù. Xem xét khả năng nhƣ vậy, cần phải bảo vệ các thông tin bí mật từ nút chuyển tiếp để tránh rò rỉ nó cho kẻ thù.
Trang 2 Luan van Luận văn Chƣơng 1 Trong [9], các tác giả cho thấy rằng ngay cả những thông tin liên lạc thông qua một chuyển tiếp (relay) không tin cậy có thể mang lại lợi ích cho các kênh chuyển tiếp với các thành phần trực giao. Các tài liệu tham khảo [10] - [11], [13] - [14] kiểm tra hiệu suất lý thuyết an toàn thông tin cho khuếch đại và chuyển tiếp (AF) các nút chuyển tiếp dƣới kênh fading và nhiễu cộng tác từ nút đích. Công trình [12] nghiên cứu các hiệu năng bảo mật các thông tin liên lạc thông qua một nút chuyển tiếp không tin cậy đa ăng-ten. Gần đây, với việc thu thập năng lƣợng không dây, một số ít công trình nghiên cứu bảo mật vật lý trong sự hiện diện của các nút nghe trộm bên ngoài của các hình thức khác nhau nhƣ giao tiếp điểm – điểm với một ăng-ten [15] và nhiều ăng-ten [16] – [17] và các thông tin liên lạc hợp tác thông qua một nút chuyển tiếp [18] - [20].
Trong [18], trong sự hiện diện của thu thập năng lƣợng từ bên ngoài, các tác giả nghiên cứu hiệu năng bảo mật với các thông tin không dây đồng thời thu thập năng lƣợng. Trong sự hiện diện của một nút nghe trộm bên ngoài. Trong [19], các tác giả đã nghiên cứu bảo mật thông tin liên lạc giữa một nguồn và một đích thông qua nhiều nút chuyển thu năng lƣợng. Nghiên cứu trong [20] kiểm tra tra các hoạt động bảo mật truyền thông nguồn-đích thông qua một nút chuyển tiếp thu thu thập năng lƣợng với nhiều ăng-ten.
Tuy nhiên, các công trình [18] – [20] nút chuyển tiếp đƣợc tin cậy, và nút nghe trộm bên ngoài cố gắng để đánh chặn các thông tin liên lạc tiếp sức hỗ trợ giữa nguồn và đích. Ngoài ra, các công trình dựa trên nút chuyển tiếp tin cậy cho đến bây giờ đã giả định rằng các nguồn năng lƣợng truyền thống chẳng hạn nhƣ pin cung cấp năng lƣợng cho nút chuyển tiếp (xem ví dụ [8] - [12], [13] - [14]).3 Mục tiêu thực hiện Trong đề tà này, tôi giải quyết vấn đề thông tin liên lạc an toàn qua một nút chuyển tiếp không tin cậy thu năng lƣợng. Khi chuyển tiếp không tin cậy thu thập năng lƣợng từ các tín hiệu RF nhận đƣợc, tín hiệu gây nhiễu cộng tác có thể hoạt động nhƣ một nguồn năng lƣợng tiềm năng bên cạnh việc ban đầu của nó là thực Trang 3 Luan van Luận văn Chƣơng 1 hiện bảo mật các thông tin liên lạc qua chuyển tiếp không tin cậy. Điều này cho phép chúng ta sử dụng các tín hiệu gây nhiễu hiệu quả.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.1 Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về mạng hợp tác thu năng lƣợng vô tuyến.
Tìm hiểu các kỹ thuật và giao thức đƣợc sử dụng trong mô hình mạng hợp tác. Phân tích mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp sử dụng nút chuyển tiếp có thu thập năng lƣợng từ tín hiệu nhận đƣợc. Tính toán, phân tích xác suất dừng lớp vật lý mạng vô tuyến hợp tác truyền qua nút chuyển tiếp không tin cậy có thu thập năng lƣợng. So sánh hiệu năng bảo mật giữa hệ thống có nút chuyển tiếp thu thập và không tự thu năng lƣợng.
Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng hợp tác trên phần mềm Matlab.2 Giới hạn của đề tài Đề tài nghiên cứu hiệu quả bảo mật của một giao tiếp hai bƣớc giữa một nguồn và một đích, nơi mà nguồn phát thông tin sử dụng một AF chuyển tiếp không tin cậy để chuyển tiếp các thông tin bí mật đến nút đích. Để giữ bí mật các thông tin từ các nút chuyển tiếp, chúng ta xem xét đến nhiễu cộng tác ở điểm đích. Đề tài sử dụng hai hình thức phân chia công suất (PS) và chuyển đổi thời gian (TS) nhƣ kiến trúc [2] tại nút chuyển tiếp để tạo thuận lợi cho quá trình thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin. Với các tín hiệu gây nhiễu có thể xem nhƣ nhƣ một nguồn năng lƣợng hữu ích có trong cả hai hình thức PS và TS cho nút chuyển tiếp AF thu năng lƣợng, ta lấy đƣợc biểu thức quan trọng hiệu suất bảo mật là xác suất dừng bảo mật.
Trang 4 Luan van Luận văn Chƣơng 1 Tiếp tục so sánh hình thức PS và TS, đề tài cho thấy rằng, với cùng tốc độ đạt bảo mật ngƣỡng có thể đạt đƣợc và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), hình thức PS đạt xác suất dừng bảo mật tốt hơn. Đối với cả hai hình thức PS và TS, phân tích cho thấy, việc thực hiện bảo mật tối ƣu đạt đƣợc khi nút chuyển tiếp nằm gần nút đích hơn nút nguồn. Điều này trái ngƣợc với các trƣờng hợp tiếp sức thu năng lƣợng không dây đƣợc coi là đáng tin cậy, và vị trí tối ƣu của nút chuyển tiếp là gần hơn với các nguồn. So sánh tiếp tục giữa mạng có nút chuyển tiếp có thu thập năng lƣợng và không thu năng lƣợng, ta thấy hệ thống không thu năng lƣợng ở nút chuyển tiếp cho xác suất dừng bảo mật tốt hơn, xét trên cùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).5 Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài đƣợc thực hiện dựa trên một số phƣơng pháp nghiên cứu: Tham khảo từ một số bài báo khoa học.
Sử dụng phƣơng pháp xây dựng mô hình mô. Mô phỏng mô hình trên phần mềm matlab Sử dụng phƣơng pháp phân tích. Phƣơng pháp đánh giá.6 Đóng góp của luận văn Nhƣ đã trình bày ở phần tình hình nghiên cứu đề tài, các đề tài gần đây nghiên cứu bảo mật mạng vô tuyến chuyển tiếp có nút trung gian thu thập năng lƣợng. Tuy nhiên các nút trung gian này là nút tin cậy nên các nút nghe lén có thể lợi dụng điều này để đánh cắp thông tin từ các nút trung gian.