Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây", chuyên ngành Truyền dữ liệu và Mạng máy tính (Mã số: 9480102.01), được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Quách Xuân Trưởng tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Trúc Mai và TS. Trần Hùng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mạng truyền thông không dây có đặc tính mở, quảng bá và dễ giao thoa, khiến tín hiệu truyền đi luôn đối mặt với nguy cơ bị thu thập và giải mã bất hợp pháp bởi các phần tử nghe trộm (Eavesdropper - EAV). Các cơ chế bảo mật truyền thống dựa trên thuật toán mật mã ở các tầng trên của mô hình OSI (như giao thức EAP ở tầng liên kết dữ liệu, WEP/WPA ở tầng ứng dụng) phụ thuộc vào độ phức tạp tính toán và việc phân phối khóa bí mật. Khi năng lực tính toán phát triển và số lượng thiết bị mạng hạn chế tài nguyên (như thiết bị IoT) tăng lên, phương pháp mật mã truyền thống gặp nhiều trở ngại về độ trễ, quản lý khóa và nguy cơ bị giải mã.

Bảo mật tầng vật lý (Physical Layer Security - PLS) khai thác đặc tính ngẫu nhiên của kênh truyền vô tuyến (suy hao đường truyền, fading, nhiễu tạp âm) để bảo vệ bản tin mà không cần quản lý khóa phức tạp. Trong các mô hình mạng không dây, mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network - CRN) dạng dưới ngưỡng nhiễu (underlay) là giải pháp giúp người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) chia sẻ phổ tần số đã cấp phép cho người dùng sơ cấp (Primary User - PU). Tuy nhiên, cơ chế chia sẻ này làm phát sinh bài toán tối ưu công suất phát của SU: vừa phải đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và giới hạn can nhiễu của PU, vừa phải duy trì độ tin cậy và ngăn chặn sự nghe trộm của EAV. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là xây dựng các mô hình giải tích, chiến lược điều khiển công suất, tối ưu tham số thời gian thu hoạch năng lượng vô tuyến (RFEH) và tích hợp kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp đa nút (CCRN) để đánh giá và nâng cao hiệu năng bảo mật cho hệ thống CRN.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định mục tiêu tổng quát là nghiên cứu, đánh giá và tìm giải pháp nâng cao khả năng bảo mật truyền thông và hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng không dây tại tầng vật lý, tập trung vào mô hình mạng vô tuyến nhận thức (CRN). Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Mô hình hóa một số lớp mô hình mạng CRN, nghiên cứu đề xuất các chính sách, chiến lược điều khiển công suất truyền tin dựa trên các tiếp cận khác nhau về các điều kiện ràng buộc của hệ thống nhằm ngăn chặn khả năng bị nghe trộm thông tin đồng thời đảm bảo hiệu năng hoạt động của hệ thống.
  2. Khai thác các kỹ thuật trong truyền thông không dây để nâng cao khả năng bảo mật thông tin trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống như kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp, đa ăng-ten, thu hoạch năng lượng vô tuyến.
  3. Đề xuất, xây dựng các độ đo đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống cho mô hình dựa trên các tiếp cận khác nhau để phân tích đánh giá độ tin cậy, khả năng bảo mật và hiệu năng hoạt động của các mô hình mạng.
  4. Nghiên cứu, phân tích các mối quan hệ tương quan, các tác động qua lại của các tham số hệ thống trong truyền thông để tìm kiếm các giá trị tối ưu cho một số tham số hệ thống như ngưỡng giới hạn an toàn thông tin, thời gian thu hoạch năng lượng và truyền tin để tăng cường hiệu năng hệ thống đồng thời đảm bảo truyền thông an toàn và tin cậy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các nguyên lý, phương pháp bảo mật thông tin tại tầng vật lý trong truyền thông không dây; mô hình mạng CRN và các kỹ thuật truyền thông không dây; các phương pháp đánh giá hiệu suất hoạt động và hiệu năng bảo mật hệ thống; các chiến lược phân bổ tài nguyên để tối đa hóa hiệu suất hoạt động và an toàn thông tin.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về hình thức tấn công: Luận án tập trung vào ngăn chặn tấn công bị động (nghe trộm thông tin) tại tầng vật lý và đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
    • Về mô hình mạng: Khảo sát mô hình mạng CRN dạng dưới ngưỡng nhiễu (underlay paradigm), bao gồm cấu hình nút đơn, cấu hình tích hợp thu hoạch năng lượng vô tuyến (RFEH), và cấu hình mạng hợp tác chuyển tiếp (CCRN) với giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF).
    • Về môi trường truyền sóng: Kênh truyền fading biến đổi theo thời gian tuân theo phân bố Rayleigh bán tĩnh (quasi-static Rayleigh fading channel).
    • Về phạm vi thời gian và địa điểm thực hiện: Nghiên cứu được hoàn thành năm 2021 tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, có giai đoạn thực tập sinh 6 tháng (08/2016 – 01/2017) tại Đại học Mälardalen (Västerås, Thụy Điển).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Luận án điểm lại hệ thống công trình nghiên cứu nền tảng và chuyên sâu về lý thuyết thông tin, bảo mật tầng vật lý và mạng vô tuyến nhận thức:

  • Nền tảng bảo mật lý thuyết thông tin: Shannon (1949) [87] đặt nền móng với khái niệm bảo mật hoàn hảo (perfect secrecy), trong đó lượng thông tin tương hỗ giữa bản tin $W$ và từ mã $X$ triệt tiêu ($I(W; X) = 0$), tương đương entropy có điều kiện $H(W|X) = H(W)$. Wyner (1975) [103] giới thiệu mô hình kênh wiretap trên kênh rời rạc không nhớ (DMC), chứng minh tồn tại tốc độ truyền bảo mật $R_s > 0$ khi kênh wiretap suy thoái hơn kênh hợp pháp. Csiszár và Körner (1978) [16] mở rộng mô hình sang kênh quảng bá. Leung-Yan-Cheong và Hellman (1978) [57] xác lập dung lượng bảo mật của kênh Gaussian wiretap là hiệu số giữa dung lượng kênh chính và kênh wiretap.
  • Bảo mật tầng vật lý trên kênh fading: Barros và Rodrigues (2006), Bloch và cộng sự (2008) [9], Gopala và cộng sự (2008) [80] chứng minh rằng trên kênh fading, bảo mật theo lý thuyết thông tin vẫn có thể đạt được ngay cả khi máy nghe trộm có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trung bình cao hơn người dùng hợp pháp. Các kỹ thuật kết hợp gồm đa ăng-ten [2, 70, 127], can nhiễu nhân tạo [24, 120, 122], phân tập lựa chọn [2, 11] và hợp tác chuyển tiếp [18, 126].
  • Mạng vô tuyến nhận thức và kiểm soát can nhiễu: J. Mitola [66, 67] khởi xướng mô hình CRN; Goldsmith và cộng sự [26] phân loại ba mô hình truy cập: đan xen (Interweave), dạng chồng (Overlay) và dưới ngưỡng nhiễu (Underlay). Trong mô hình Underlay, việc điều khiển công suất máy phát thứ cấp (S-Tx) chịu ràng buộc công suất nhiễu đỉnh $I_{pk}$, công suất nhiễu trung bình $I_{av}$ [23, 114], hoặc ràng buộc xác suất dừng truyền thông của mạng sơ cấp $P_{out}^p \le e$ [49].
  • Truyền thông hợp tác và thu hoạch năng lượng trong CRN: Các nghiên cứu của Laneman, Bletsas, Zou và cộng sự [39, 47, 54, 85, 117, 125] về giao thức Decode-and-Forward (DF), Amplify-and-Forward (AF) và chiến lược lựa chọn nút chuyển tiếp max-min. Kỹ thuật thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến (RFEH) và truyền đồng thời năng lượng - thông tin (SWIPT) trong CRN được khảo sát qua các công trình của Bi, Lu, Krikidis và cộng sự [28, 64, 100, 116].

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các kỹ thuật riêng lẻ đã được khảo sát, việc kết hợp đồng thời các ràng buộc can nhiễu khắt khe từ mạng sơ cấp (PU), điều kiện bảo mật chống EAV, cơ chế thu hoạch năng lượng RF từ nguồn can nhiễu của PU, và kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp tối ưu trong mạng CCRN vẫn còn thiếu các công thức giải tích dạng đóng và các tiêu chuẩn đánh giá toàn diện. Luận án giải quyết khoảng trống này qua bốn mô hình hệ thống với các chính sách phân bổ công suất tối ưu, đề xuất độ đo xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật mới (SRCP), tối ưu hóa thời gian thu hoạch năng lượng $\tau$, và tối ưu hóa ngưỡng dừng bảo mật thích ứng theo thông tin trạng thái kênh (CSI).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Mô hình kênh truyền và suy hao sóng vô tuyến: Mô hình suy hao công suất theo khoảng cách (Pathloss) với công thức: $$PL[\text{dB}] = A + 10\nu \log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)$$ trong đó $\nu$ là hệ số suy hao đường truyền phụ thuộc vào môi trường cụ thể; $d$ và $d_0$ là khoảng cách truyền và khoảng cách tham chiếu.
Môi trường truyền dẫn Hệ số suy hao $\nu$
Không gian trống (Free space) 2.0
Các cell nhỏ trong đô thị (Urban microcells) 2.5
Các cell lớn trong đô thị (Urban macrocells) 3.5
Tòa nhà văn phòng (cùng tầng) 1.5
Tòa nhà văn phòng (các tầng khác nhau) 2.4 – 2.8
  • Mô hình kênh Fading: Khảo sát các phân bố thống kê mô tả fading đa đường gồm Rayleigh, Rician, Nakagami-$m$, Weibull và $\alpha-\mu$. Trong các bài toán tối ưu và phân tích chính của luận án, kênh truyền fading Rayleigh bán tĩnh được lựa chọn làm mô hình chuẩn, trong đó độ lợi kênh $h = |r(t)|^2$ có hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) lần lượt là: $$f_h(x) = \frac{1}{\Omega} \exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad F_h(x) = 1 - \exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$ với $\Omega$ là công suất trung bình của tín hiệu nhận được.
  • Khung phân tích bảo mật tầng vật lý: Dung lượng bảo mật tức thời ($C_s$) trên kênh fading được định nghĩa: $$C_s = \begin{cases} \log_2(1 + \gamma_m) - \log_2(1 + \gamma_e), & \text{nếu } \gamma_m > \gamma_e \ 0, & \text{nếu } \gamma_m \le \gamma_e \end{cases}$$ trong đó $\gamma_m$ và $\gamma_e$ lần lượt là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu - SINR) của kênh hợp pháp và kênh wiretap.
  • Hệ thống độ đo hiệu năng:
    • Xác suất khác không của dung lượng bảo mật (Probability of Non-zero Secrecy Capacity - PNSC / $O_{\text{nonZero}}$): $P_{\text{non-zero}}^{\text{sec}} = \Pr(C_s > 0) = \Pr(\gamma_m > \gamma_e)$.
    • Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - SOP / $O_{\text{sec}}$): $O_{\text{sec}} = \Pr(C_s < R_s)$ với $R_s > 0$ là tốc độ bảo mật mục tiêu.
    • Xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật (Secure and Reliable Communication Probability - SRCP / $O_{ss}$): Độ đo kết hợp điều kiện truyền thông không lỗi và đảm bảo bí mật.
    • Xác suất lỗi gói tin (Packet Error Probability - PEP) và Độ trễ trung bình của gói tin (Average Packet Delay - APD).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng kết hợp phương pháp giải tích toán học và phương pháp mô phỏng số:

  1. Phương pháp giải tích: Sử dụng các công cụ giải tích toán học, biến đổi ngẫu nhiên, định lý triển khai nhị thức, hàm Gamma ($\Gamma(\cdot)$), hàm Beta khuyết ($B[\cdot,\cdot,\cdot]$), hàm siêu bội ($_2F_1(\cdot)$) để thiết lập biểu thức tích phân xác suất, từ đó dẫn xuất các công thức giải tích chính xác và biểu thức xấp xỉ dạng đóng (closed-form asymptotic expressions) cho các độ đo hiệu năng.
  2. Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng các thuật toán mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB. Phương pháp sử dụng các dãy số giả ngẫu nhiên để tái hiện tính ngẫu nhiên của các biến trạng thái kênh truyền fading Rayleigh, kiểm chứng sự trùng khớp giữa kết quả giải tích lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến thức cơ sở và tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý thuyết và tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án, gồm các nội dung chính:

  • Mô hình kênh truyền không dây: Trình bày cơ chế lan truyền sóng vô tuyến, hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ dẫn đến hiệu ứng đa đường (multipath); phân biệt fading rộng (shadowing) và fading hẹp; chi tiết hóa các mô hình thống kê Rayleigh, Rician (với hệ số $K$), Nakagami-$m$ (với tham số $m$), Weibull (với tham số $a$), và $\alpha-\mu$; phân tích các nguồn nhiễu tạp âm (AWGN) và can nhiễu đồng kênh.
  • Mạng vô tuyến nhận thức (CRN): Định nghĩa khái niệm "hố phổ" (spectrum holes); phân tích chi tiết ba mô hình truy cập phổ: đan xen (Interweave), dạng chồng (Overlay) và dưới ngưỡng nhiễu (Underlay). Trong mô hình Underlay, phân tích hai dạng điều kiện ràng buộc chính từ mạng sơ cấp: ràng buộc công suất nhiễu (mức đỉnh $I_{pk}$ và mức trung bình $I_{av}$) và ràng buộc xác suất dừng truyền thông ($P_{out}^p \le e$). Trình bày mô hình CRN hợp tác chuyển tiếp (CCRN) đơn nút và đa nút sử dụng giao thức DF kết hợp kỹ thuật chọn lọc kết hợp (Selection Combining - SC) và chiến lược max-min: $$\gamma_{e2e} = \max_{i=1,\dots,N} {\min(\gamma_{sr_i}, \gamma_{r_i d})}$$ Phân tích mô hình mạng CRN tích hợp kỹ thuật thu hoạch năng lượng tần số vô tuyến (RFEH).
  • Bảo mật lớp vật lý cho mạng không dây: Trình bày hệ thống mật mã Shannon; mô hình kênh wiretap tổng quát của Wyner trên kênh rời rạc không nhớ; kênh Gaussian wiretap; kênh fading wiretap bán tĩnh; thiết lập các công thức toán học cho các độ đo hiệu năng: dung lượng kênh ($C$), dung lượng bảo mật ($C_s$), xác suất khác 0 của dung lượng bảo mật ($O_{\text{nonZero}}$), xác suất dừng bảo mật ($O_{\text{sec}}$).
  • Tổng quan tình hình nghiên cứu: Phân loại các hình thức tấn công tại tầng vật lý trong mạng CRN (tấn công chủ động như làm nghẽn kênh, tấn công giả mạo người dùng chính PUE; tấn công bị động nghe trộm); tổng hợp các công trình nghiên cứu về ngăn chặn nghe trộm trong CRN.

Chương 2: Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức

Chương 2 tập trung vào hai mô hình mạng CRN dạng underlay nhằm tối ưu hóa công suất phát và cơ chế truyền thông:

1. Mô hình 2.1: Hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng CRN

  • Mô hình hệ thống (Hình 2.1): Mạng gồm một cặp người dùng sơ cấp (P-Tx, P-Rx), một cặp người dùng thứ cấp (S-Tx, S-Rx) và một thiết bị nghe trộm (EAV) cố gắng thu thập thông tin từ liên kết S-Tx $\to$ S-Rx. P-Tx và EAV được trang bị đa ăng-ten, S-Tx và S-Rx trang bị đơn ăng-ten.
  • Chính sách phân bổ công suất: Xây dựng bốn chính sách phân bổ công suất ($P_{S1}, P_{S2}, P_{S3}, P_{S4}$) tương ứng với bốn kịch bản thu nhận thông tin trạng thái kênh (CSI) của mạng sơ cấp và kênh nghe trộm tại S-Tx, đảm bảo không vi phạm ngưỡng can nhiễu tại P-Rx.
  • Độ đo hiệu năng và kết quả: Đề xuất độ đo xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật ($SRCP$). Kết quả phân tích và mô phỏng trên MATLAB chứng minh:
    • Khi tăng số lượng ăng-ten của P-Tx, mức độ can nhiễu từ P-Tx lên EAV tăng lên, giúp cải thiện đáng kể SNR của S-Tx và nâng cao giá trị $SRCP$.
    • Tăng số lượng ăng-ten tại EAV làm giảm hiệu năng bảo mật của SU, tuy nhiên chính sách phân bổ công suất đề xuất vẫn duy trì kết nối tin cậy cho SU trong giới hạn ngưỡng cho phép của PU ($e$).

2. Mô hình 2.2: Hiệu năng truyền thông tin cậy và bảo mật của mạng CRN dựa trên chính sách công suất và chọn kênh truyền

  • Mô hình hệ thống (Hình 2.8): Xét kịch bản mở rộng gồm nhiều thiết bị sơ cấp hoạt động trên nhiều băng tần/kênh truyền và sự hiện diện của nhiều thiết bị nghe trộm. S-Tx không có nguồn năng lượng cố định mà sử dụng kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến (RFEH) từ tín hiệu phát của P-Tx trong khung thời gian $T$.
  • Cơ chế hoạt động: Khung thời gian $T$ được chia thành khoảng thời gian $\tau$ dành cho việc thu hoạch năng lượng và khoảng thời gian $(T - \tau)$ dành cho truyền dữ liệu.
  • Tối ưu hóa và độ đo hiệu năng: Thiết lập bài toán tối ưu hóa đồng thời: tính toán giá trị tối ưu của tham số thời gian $\tau$, xác định chính sách phân bổ công suất phát $P_{S\text{-Tx}}^{(n)}$ trên kênh thứ $n$, và đề xuất chiến lược lựa chọn kênh truyền tối ưu. Đánh giá hệ thống thông qua hai độ đo: Xác suất lỗi gói tin ($PEP$) và Độ trễ trung bình của gói tin ($APD$).
  • Kết quả: Các đồ thị mô phỏng chỉ ra rằng can nhiễu từ P-Tx đến các EAV ($\Omega_{\beta_n}$) có tác động tích cực trong việc làm suy thoái kênh nghe trộm, đồng thời việc tối ưu hóa $\tau$ giúp cực tiểu hóa $PEP$ và $APD$ của mạng thứ cấp mà vẫn tuân thủ giới hạn can nhiễu của PU.

Chương 3: Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng bảo mật sử dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức

Chương 3 khảo sát việc ứng dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp đa nút (CCRN) để nâng cao hiệu năng bảo mật:

1. Mô hình 3.1: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới giới hạn dừng truyền thông và công suất phát mức đỉnh

  • Mô hình hệ thống (Hình 3.1): Mạng thứ cấp gồm S-Tx truyền tin tới S-Rx thông qua sự trợ giúp của $N$ nút chuyển tiếp thứ cấp ($SR_i, i = 1,\dots,N$) sử dụng giao thức Decode-and-Forward (DF), dưới sự giám sát của EAV. Giả định kênh trực tiếp S-Tx $\to$ S-Rx bị che khuất hoàn toàn do hiệu ứng shadowing. Hệ thống áp dụng chiến lược lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (best-relay selection).
  • Điều kiện ràng buộc: Kết hợp giữa ràng buộc xác suất dừng truyền thông của mạng sơ cấp ($P_{out}^p \le e$) và công suất phát cực đại của mạng thứ cấp ($P_s \le P_s^{\max}$).
  • Độ đo và phân tích giải tích: Xây dựng biểu thức toán học chính xác và các biểu thức xấp xỉ dạng đóng cho Xác suất dừng bảo mật ($O_{\text{sec}}$) và Xác suất khác không của dung lượng bảo mật ($P_{\text{non-zero}}^{\text{sec}}$).
  • Kết quả: Kết quả mô phỏng khẳng định biểu thức xấp xỉ tiệm cận hoàn toàn khớp với đường mô phỏng Monte-Carlo ở vùng SNR cao. Hiệu năng bảo mật ($O_{\text{sec}}$ giảm, $P_{\text{non-zero}}^{\text{sec}}$ tăng) được cải thiện rõ rệt khi tăng số lượng nút chuyển tiếp $N$ hoặc khi các kênh can nhiễu P-Tx $\to$ EAV mạnh lên.

2. Mô hình 3.2: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới điều kiện dừng bảo mật và giới hạn can nhiễu

  • Mô hình hệ thống (Hình 3.7): Mở rộng mô hình 3.1 trong điều kiện tồn tại kênh truyền trực tiếp giữa S-Tx và S-Rx song song với $N$ nút chuyển tiếp $SR_i$.
  • Ràng buộc và tối ưu hóa: Ràng buộc hệ thống là sự kết hợp giữa điều kiện dừng bảo mật của SU và giới hạn công suất can nhiễu đỉnh $I_{th}$ tại P-Rx. Luận án thực hiện phân tích và thiết lập biểu thức tính toán giá trị tối ưu cho ngưỡng dừng bảo mật dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI) tức thời thu được trong quá trình truyền.
  • Kết quả: Việc áp dụng ngưỡng dừng bảo mật thích ứng tối ưu giúp $O_{\text{sec}}$ và $O_{\text{nonZero}}$ của hệ thống được cải thiện vượt trội so với trường hợp thiết lập ngưỡng cố định. Số lượng nút chuyển tiếp $N$ và mức giới hạn can nhiễu $I_{th}$ đóng vai trò quyết định đến độ suy giảm xác suất dừng bảo mật.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng hệ thống mô hình giải tích bảo mật tầng vật lý trong CRN: Luận án đã thiết lập thành công các mô hình toán học giải tích toàn diện cho bốn cấu hình mạng vô tuyến nhận thức dạng dưới ngưỡng nhiễu (underlay CRN) trên kênh fading Rayleigh, bao gồm: mạng đơn chặng có đa ăng-ten, mạng tích hợp thu hoạch năng lượng vô tuyến (RFEH), mạng hợp tác đa nút chuyển tiếp không có kênh trực tiếp, và mạng hợp tác đa nút chuyển tiếp có kênh trực tiếp.
  2. Đề xuất độ đo hiệu năng mới: Đề xuất và chứng minh tính đúng đắn của độ đo Xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật ($SRCP$), cho phép đánh giá đồng thời hai tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ và an toàn thông tin trong cùng một biểu thức toán học.
  3. Dẫn xuất các biểu thức dạng đóng và biểu thức tiệm cận: Thiết lập các công thức giải tích chính xác và công thức xấp xỉ dạng đóng cho các độ đo quan trọng: Xác suất dừng bảo mật ($O_{\text{sec}}$), Xác suất khác không của dung lượng bảo mật ($P_{\text{non-zero}}^{\text{sec}} / O_{\text{nonZero}}$), Xác suất lỗi gói tin ($PEP$) và Độ trễ gói tin trung bình ($APD$). Các biểu thức này cho phép đánh giá nhanh hiệu năng hệ thống mà không đòi hỏi khối lượng tính toán mô phỏng phức tạp.
  4. Giải pháp tối ưu hóa tham số thích ứng: Đưa ra giải pháp tính toán giá trị tối ưu cho thời gian thu hoạch năng lượng $\tau$ trong mạng CRN-RFEH và tối ưu hóa ngưỡng dừng bảo mật thích ứng theo thông tin trạng thái kênh (CSI) tức thời trong mạng CCRN, nâng cao đáng kể dung lượng bảo mật.

Những đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Chính sách phân bổ công suất: Đề xuất bốn chính sách phân bổ công suất ($P_{S1}$ đến $P_{S4}$) tương ứng với các mức độ thu nhận thông tin CSI khác nhau, giúp mạng thứ cấp linh hoạt điều chỉnh công suất phát để vừa không làm gián đoạn mạng sơ cấp vừa vô hiệu hóa khả năng nghe trộm của EAV.
  • Chiến lược chọn kênh và chọn nút chuyển tiếp: Cung cấp thuật toán lựa chọn kênh truyền tối ưu cho thiết bị thu hoạch năng lượng và chiến lược chọn nút chuyển tiếp DF tốt nhất theo quy tắc max-min, làm cơ sở kỹ thuật cho việc thiết kế các giao thức định tuyến và truyền tin an toàn trong mạng vô tuyến 5G/IoT.
  • Khai thác can nhiễu có ích: Luận án chỉ ra và chứng minh bằng số liệu rằng tín hiệu can nhiễu từ máy phát sơ cấp (P-Tx) có thể được khai thác theo hướng có lợi: vừa là nguồn cung cấp năng lượng RF cho S-Tx, vừa đóng vai trò như nguồn can nhiễu tự nhiên làm suy giảm chất lượng thu của thiết bị nghe trộm EAV.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình kênh truyền: Các phân tích giải tích và đánh giá hiệu năng trong luận án chủ yếu tập trung vào mô hình kênh fading Rayleigh bán tĩnh. Mặc dù Chương 1 có tổng quan các mô hình fading tổng quát (Rician, Nakagami-$m$, Weibull, $\alpha-\mu$), các công thức giải tích đóng ở Chương 2 và Chương 3 chưa được mở rộng đầy đủ cho các phân bố fading phức tạp này.
  • Giả định về thông tin trạng thái kênh (CSI): Một số kịch bản phân tích giả định hệ thống thu nhận được CSI hoàn hảo của các kênh liên kết, điều này có thể gặp thách thức trong môi trường di động cao.
  • Phạm vi hình thức tấn công: Luận án chỉ tập trung giải quyết hình thức tấn công nghe trộm thụ động (passive eavesdropping), chưa khảo sát các kịch bản tấn công chủ động phức tạp kết hợp (như tấn công làm nghẽn kênh - jamming, tấn công giả mạo người dùng sơ cấp - PUE).

Hướng nghiên cứu tiếp

  1. Mở rộng việc phân tích hiệu năng bảo mật tầng vật lý của hệ thống CRN trên các mô hình kênh fading tổng quát hơn như Nakagami-$m$, Rician, $\alpha-\mu$ và kênh fading đôi (cascaded/double fading).
  2. Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng hệ thống dưới điều kiện thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo (imperfect CSI) hoặc có độ trễ phản hồi CSI.
  3. Kết hợp bảo mật tầng vật lý trong mạng CRN với các công nghệ truyền thông không dây mới như Đa truy cập phi trực giao (NOMA), Massive MIMO, Bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS), và phát can nhiễu nhân tạo (Artificial Noise).
  4. Khảo sát các kịch bản đối phó với kẻ tấn công vừa nghe trộm vừa phát tín hiệu can nhiễu chủ động (full-duplex jammer/eavesdropper).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, Kỹ thuật Viễn thông: Là tài liệu học tập toàn diện về cơ sở toán học của bảo mật tầng vật lý, lý thuyết kênh wiretap, mô hình mạng vô tuyến nhận thức và phương pháp mô phỏng Monte-Carlo trên MATLAB.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Có thể sử dụng các phương pháp mô hình hóa giải tích, các biểu thức xấp xỉ dạng đóng của $O_{\text{sec}}$, $O_{\text{nonZero}}$, $SRCP$, $PEP$, $APD$ làm công cụ phân tích hoặc phát triển mở rộng cho các cấu hình mạng không dây phức tạp khác.
  • Kỹ sư và chuyên gia thiết kế hệ thống mạng vô tuyến (5G, IoT, M2M): Tham khảo các giải pháp kỹ thuật về phân bổ công suất phát, cơ chế thu hoạch năng lượng vô tuyến RFEH và chiến lược lựa chọn nút chuyển tiếp DF để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần và nâng cao mức độ an toàn dữ liệu trên thiết bị hạn chế tài nguyên.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết vấn đề gì trong mạng vô tuyến nhận thức (CRN)?

Luận án giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin tại tầng vật lý cho mạng CRN dạng dưới ngưỡng nhiễu (underlay), nhằm ngăn chặn thiết bị nghe trộm (EAV) đánh cắp thông tin của người dùng thứ cấp (SU) trong khi vẫn đảm bảo các điều kiện ràng buộc khắt khe về can nhiễu và xác suất dừng truyền thông của người dùng sơ cấp (PU).

2. Bốn chính sách phân bổ công suất trong Mô hình 2.1 được xây dựng dựa trên nguyên tắc nào?

Bốn chính sách phân bổ công suất ($P_{S1}, P_{S2}, P_{S3}, P_{S4}$) được xây dựng tương ứng với bốn kịch bản thu nhận thông tin trạng thái kênh (CSI) khác nhau tại máy phát thứ cấp (S-Tx). Công suất phát của S-Tx được điều chỉnh tối ưu dựa trên các tham số độ lợi kênh trong môi trường fading Rayleigh, đảm bảo công suất can nhiễu gây ra tại máy thu sơ cấp (P-Rx) không vượt quá ngưỡng cho phép và xác suất dừng của PU thỏa mãn $P_{out}^p \le e$.

3. Tín hiệu can nhiễu từ máy phát sơ cấp (P-Tx) có vai trò gì đối với mạng thứ cấp trong các mô hình đề xuất?

Tín hiệu can nhiễu từ P-Tx được khai thác theo hai khía cạnh hữu ích:

  • Là nguồn năng lượng sóng vô tuyến để máy phát thứ cấp (S-Tx) thu hoạch (RFEH) và phục vụ cho quá trình truyền tin (trong Mô hình 2.2).
  • Đóng vai trò là nguồn can nhiễu tự nhiên tác động lên thiết bị nghe trộm (kênh P-Tx $\to$ EAV), làm suy giảm chất lượng tín hiệu thu của EAV, qua đó làm tăng dung lượng bảo mật và giảm xác suất dừng bảo mật của mạng thứ cấp (trong Mô hình 2.1, 3.1 và 3.2).

4. Kỹ thuật chuyển tiếp nào được sử dụng trong Chương 3 và cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp là gì?

Chương 3 sử dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp đa nút với giao thức Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF). Cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp là chiến lược lựa chọn nút tốt nhất (best-relay selection) theo tiêu chuẩn max-min: lựa chọn nút chuyển tiếp $SR_i$ có khả năng tối đa hóa giá trị SINR nhỏ nhất giữa hai chặng (S-Tx $\to SR_i$ và $SR_i \to$ S-Rx), nhằm giảm thiểu xác suất dừng bảo mật $O_{\text{sec}}$ của hệ thống.

5. Độ đo SRCP do tác giả đề xuất có ý nghĩa gì?

Độ đo $SRCP$ (Secure and Reliable Communication Probability - Xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật) là chỉ số đánh giá hiệu năng tổng hợp được đề xuất ở Chương 2, cho phép đo lường đồng thời khả năng truyền bản tin chính xác đến máy thu hợp pháp (độ tin cậy) và khả năng ngăn chặn kẻ nghe trộm giải mã bản tin (tính bảo mật), thay vì đánh giá tách rời hai yếu tố này như các nghiên cứu truyền thống.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Quách Xuân Trưởng đã nghiên cứu toàn diện bài toán đánh giá và nâng cao hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng vô tuyến nhận thức (CRN) dạng dưới ngưỡng nhiễu trên kênh fading Rayleigh. Tác giả đã đề xuất thành công bốn mô hình mạng với các chính sách phân bổ công suất tối ưu, giải pháp tối ưu hóa thời gian thu hoạch năng lượng vô tuyến và ngưỡng dừng bảo mật thích ứng, cùng việc tích hợp kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác đa nút DF. Các biểu thức giải tích và xấp xỉ dạng đóng cho các độ đo hiệu năng bảo mật ($O_{\text{sec}}, O_{\text{nonZero}}, SRCP, PEP, APD$) được thiết lập chặt chẽ và kiểm chứng chính xác qua mô phỏng Monte-Carlo, đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật hữu ích cho việc thiết kế các hệ thống truyền thông không dây an toàn thế hệ mới.