CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Bối cảnh và Động lực Sự phát triển không ngừng của công nghệ truyền thông không dây đã tạo ra những bước tiến lớn trong lĩnh vực quân sự. Các thiết bị và hệ thống quân sự hiện nay ngày càng được đặc trưng bởi khả năng kết nối mạnh mẽ, tính di động cao và sự tự động hóa. Điều này đặc biệt rõ ràng trong các cuộc xung đột quân sự gần đây, chẳng hạn như cuộc chiến Nga-Ukraine [Palavenis (2022)][1] , nơi các máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAVs) đã thay thế một số lượng lớn binh lính trên chiến trường để thực hiện các nhiệm vụ đa dạng như chiến đấu, giám sát và trinh sát. Tương tự, các phương tiện mặt đất không người lái (UGVs) cũng xuất hiện trong các tình huống chiến đấu, nơi chúng có thể liên lạc trực tiếp với người điều khiển từ xa mà không cần có người lái bên trong phương tiện [Xin & Bin (2013)][2].
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI), xu hướng tự động hóa trong quân sự dự kiến sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn trong những năm tới. Cùng với sự tiến bộ của các hệ thống tự động, lĩnh vực chiến tranh điện tử cũng đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Đặc biệt, các cuộc tấn công không dây từ phía kẻ địch đã trở nên phức tạp hơn, khi chúng được triển khai trong nhiều bối cảnh chiến đấu khác nhau, từ tấn công từ trên không xuống mặt đất [Jiang et al (2021)][3] đến tấn công trong các hệ thống liên lạc chiến thuật dưới nước [Diamant & Lampe (2018)][4]. Các kỹ thuật đánh chặn tín hiệu cũng không ngừng cải tiến, khai thác nhiều phương thức khác nhau, bao gồm điều chế, sóng mang và năng lượng.
Đáng chú ý nhất là việc tích hợp các kỹ thuật đánh chặn thành một hệ thống duy nhất, khiến cho các phương pháp tấn công của kẻ thù trở nên tinh vi và khó đối phó hơn. Đồng thời, phía phòng thủ cũng đã phát triển các chiến lược mới nhằm bảo vệ hệ thống trước những mối đe dọa này. Ví dụ, các kiến trúc sử dụng hệ thống trên chip (System on Chip - SoC) kết hợp với radio định nghĩa bằng phần mềm (Software-Defined Radio - SDR) đã được đề xuất để tăng cường khả năng chống nhiễu cho các hệ thống quân sự cỡ nhỏ [Kaidenko & Kravchuk (2021)][5]. Tuy nhiên, bất chấp những tiến bộ đó, các hệ thống phòng thủ quân sự hiện đại vẫn đang phải đối mặt với những thách thức lớn.
Một phần trong số này xuất phát từ sự phát triển của các kỹ thuật đánh chặn mới từ phía kẻ thù, nhưng một phần khác lại bắt nguồn từ nội tại của các hệ thống chiến thuật. Sự gia tăng về tính di động và khả năng mở rộng của người dùng quân sự trong mạng chiến thuật hiện đại đang tạo ra áp lực lớn cho việc duy trì các chiến lược phòng thủ hiệu quả. Các hệ thống quân sự hiện đại cần phải đối mặt với các cuộc tấn công trong bối cảnh môi trường mạng ngày càng phức tạp và biến động nhanh chóng. 1 Thách thức trong Mạng Chiến Thuật Không Dây Hiện Đại Trong các mạng chiến thuật không dây hiện đại, khả năng tránh bị đánh chặn (Low Probability of Intercept - LPI) là một chỉ số quan trọng, quyết định sự thành bại của các nhiệm vụ quân sự.
Các phương pháp chặn tín hiệu của kẻ thù, đặc biệt là chặn tín hiệu dựa trên năng lượng, đang trở nên phổ biến. Khi kẻ thù có thể sử dụng các thiết bị chặn để khai thác năng lượng phát ra từ các tín hiệu quân sự, nguy cơ lộ thông tin và sự thất bại trong liên lạc quân sự là rất cao. Mặc dù các kỹ thuật truyền thống như nhảy tần số và trải phổ đã được sử dụng thành công trong một số tình huống nhất định, chúng vẫn còn nhiều hạn chế trong việc thích ứng với môi trường tác chiến hiện đại có tính di động cao và đòi hỏi sự thay đổi nhanh chóng. Sự gia tăng về tính di động và khả năng mở rộng của các mạng quân sự khiến cho việc quản lý tài nguyên ngày càng trở nên phức tạp.
Với sự gia tăng về số lượng thiết bị quân sự và người dùng trong mạng, các yếu tố như công suất truyền và độ dài khóa mã hóa cần phải được quản lý một cách hiệu quả. Điều này có thể dẫn đến sự chậm trễ trong việc phân bổ tài nguyên, gây ảnh hưởng đến hiệu suất phòng thủ tổng thể của hệ thống. Đồng thời, việc giữ vững chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) trong môi trường có tính di động cao cũng là một thách thức lớn, khi mạng có thể bị thay đổi cấu trúc liên tục. Mục tiêu nghiên cứu Trước những thách thức trên, luận văn đề xuất phát triển một chiến lược phòng thủ mới nhằm bảo vệ các mạng chiến thuật không dây khỏi các cuộc tấn công chặn tín hiệu, đặc biệt là các cuộc chặn tín hiệu dựa trên năng lượng.
Chiến lược này nhắm đến hai mục tiêu chính: 1. Bảo vệ hệ thống chiến thuật trước các cuộc tấn công dựa trên năng lượng: Tối ưu hóa độ dài khóa mã hóa và công suất truyền để cân bằng giữa khả năng bảo mật và hiệu suất truyền thông. Giải quyết các bài toán về tính di động và khả năng mở rộng: Đảm bảo rằng hệ thống có thể thích ứng với các thay đổi nhanh chóng của môi trường chiến thuật và vẫn duy trì hiệu suất tối ưu ngay cả khi số lượng thiết bị quân sự tăng lên. Để đạt được các mục tiêu trên, luận văn đề xuất một phương pháp tiếp cận tối ưu hóa phi lồi và đa mục tiêu.
Bài toán tối ưu hóa sẽ được chia thành hai bài toán con: phân bổ công suất và tối ưu độ dài khóa. Phương pháp này cho phép sử dụng các thuật toán lặp để điều chỉnh động độ dài khóa, từ đó tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu bảo mật, thời gian xử lý và tiêu thụ năng lượng. Giải pháp đề xuất Giải pháp của luận văn tập trung vào việc thiết kế một hệ thống bảo mật linh hoạt, có khả năng thích ứng với các tình huống thay đổi nhanh chóng trong các cuộc tấn công dựa trên năng lượng. Hệ thống sẽ sử dụng thuật toán mã hóa dòng RC4, hỗ trợ độ dài khóa bí mật linh hoạt để điều chỉnh động độ dài khóa tùy theo yêu cầu bảo mật tại mỗi thời điểm.
Điều này cho phép hệ thống duy trì mức độ bảo mật yêu cầu mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động và tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, bài toán tối ưu hóa này là phi lồi, do sự xuất hiện của các ràng buộc về công suất truyền và độ dài khóa. luận văn này sẽ áp dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính bậc nhất và phương pháp hiệu khác lồi (Difference of Convex - D.C) để giải quyết các thành phần phi tuyến trong bài toán tối ưu hóa. Sau mỗi lần lặp, hệ thống sẽ điều chỉnh độ dài khóa dựa trên các kết quả từ các bước trước đó, đảm bảo sự hội tụ đến một giải pháp tối ưu, cân bằng 2 giữa bảo mật, hiệu suất và tiêu thụ năng lượng.
Cấu trúc luận văn Luận văn này được phát triển dựa trên các nghiên cứu đã thực hiện và một số bài báo khoa học đã được công bố. Cấu trúc luận văn bao gồm chương Giới thiệu, bốn chương chính; cuối cùng là chương Kết luận & Đề xuất, nhằm cung cấp cho độc giả một cái nhìn toàn diện về bài toán nghiên cứu và phương pháp tiếp cận. Chương Giới thiệu cung cấp cái nhìn tổng quan về nền tảng và động lực phát triển của các chiến lược bảo vệ hệ thống thông tin quân sự khỏi các cuộc tấn công nghe lén dựa trên năng lượng, đặc biệt là trong các mạng chiến thuật di động. Luận văn sẽ thảo luận về các bài toán liên quan đến yêu cầu bảo vệ và an ninh thông tin trong môi trường chiến đấu hiện đại và đặt ra các câu hỏi nghiên cứu và mục tiêu cụ thể của công trình để định hướng cho các phần tiếp theo.
Cấu trúc của luận văn cũng sẽ được trình bày trong chương này Chương 2 (Tổng quan về cơ sở lý thuyết) sẽ cung cấp tổng quan về các kỹ thuật đánh chặn phổ biến và phương pháp phòng tránh trong các hệ thống phòng thủ hiện đại. Tiếp đó, luận văn sẽ trình bày chi tiết về thuật toán mã hóa dòng RC4 với khả năng linh hoạt trong kích thước khóa bí mật, đề xuất như một giải pháp bảo mật phù hợp cho các hệ thống chiến thuật. Cuối cùng, chương sẽ phân tích những hạn chế của kỹ thuật tối ưu hóa truyền thống và học tăng cường sâu (DRL) trong bối cảnh ứng dụng quân sự, đồng thời so sánh chiến lược đề xuất với các nghiên cứu trước đây để nêu bật những ưu điểm vượt trội của phương pháp này trong việc bảo vệ hệ thống. Chương 3 (Những công trình nghiên cứu liên quan) sẽ trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan đến việc đảm bảo xác suất bị nghe lén thấp (LPI) cho hệ thống.
Cụ thể, chương tập trung vào các kỹ thuật tránh đánh chặn dựa trên năng lượng và ứng dụng các phương pháp học máy trong việc bảo vệ LPI. Trong Chương 4 (Giải pháp chống đánh chặn không dây cho các phương tiện chiến đấu mặt đất), luận văn sẽ trình bày phương pháp nghiên cứu chính của luận văn, tập trung vào chiến lược bảo vệ thông tin trước các cuộc tấn công đánh chặn dựa trên năng lượng. Phương pháp này kết hợp giữa phương pháp tối ưu hóa, học tăng cường sâu đa tác tử (Multi Agent Deep Reinforcement Learning - MADRL) và thuật toán mã hóa dòng (Stream Cipher) để mã hóa dữ liệu và hệ thống sẽ tự chọn kích thước khóa bí mật một cách tự động tùy thuộc vào điều kiện của môi trường. Cụ thể, luận văn sẽ tích hợp thuật toán RC4 vào hệ thống nhằm nâng cao tính bảo mật và hiệu quả mã hóa thông tin trong các tình huống di động cao.
Chương này sẽ đi sâu vào cách mà học tăng cường sâu đa tác tử (MADRL) thực hiện quyết định phân bổ tài nguyên để tối ưu hóa khả năng bảo vệ hệ thống trước các cuộc tấn công, đồng thời giảm thiểu chi phí tính toán. Ngoài ra, luận văn cũng sẽ phân tích cơ chế tối ưu hóa truyền thống, việc mã hóa thông tin của RC4 và khả năng tương thích của nó với hệ thống trong các kịch bản tác chiến cụ thể.