Tổng quan luận án

Báo cáo thị trường của Ericsson chỉ ra rằng đến quý 4 năm 2022, toàn cầu có khoảng 8,2 tỷ thiết bị di động với 660 triệu thuê bao đăng ký 5G. Dự báo đến năm 2027, số lượng thuê bao 5G sẽ đạt 4,4 tỷ (chiếm 50% tổng thuê bao di động toàn cầu) và đạt 5 tỷ vào cuối năm 2028 (chiếm 55% tổng thiết bị di động). Tỷ lệ phủ sóng dân số của công nghệ 5G ước tính đạt 75% vào năm 2027. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị kết nối và nhu cầu băng thông lớn đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật do bản chất mở của môi trường lan truyền sóng vô tuyến. Tín hiệu phát đi chịu ảnh hưởng của pha-đinh đa đường, suy hao truyền sóng và tạp âm, tạo điều kiện cho các thiết bị không được cấp phép thu nhận, trích xuất thông tin hoặc cố ý gây nhiễu làm suy giảm hiệu năng hệ thống.

Các giải pháp an ninh mạng truyền thống tại các tầng trên của mô hình OSI (như chuẩn WEP/WAP ở tầng ứng dụng hoặc các cơ chế mã hóa ở tầng liên kết dữ liệu) dựa trên độ phức tạp của thuật toán và quy trình quản lý, phân phối khóa bí mật. Khi năng lực tính toán của các thiết bị tấn công tăng lên, các cơ chế mã hóa này đứng trước nguy cơ bị giải mã. Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) tiếp cận vấn đề an ninh thông tin dựa trên đặc tính ngẫu nhiên của kênh truyền vô tuyến mà không cần thiết lập hệ thống khóa phức tạp, giúp giảm độ trễ tính toán và bổ trợ cho các cơ chế bảo mật ở tầng trên.

Kỹ thuật Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output cỡ rất lớn) sử dụng số lượng ăng-ten lớn (từ hàng chục đến hàng trăm, hàng ngàn ăng-ten) tại trạm gốc (Base Station - BS) để phục vụ đồng thời nhiều thuê bao trên cùng một tài nguyên tần số và thời gian. Các nghiên cứu bảo mật lớp vật lý trước đây cho Massive MIMO chủ yếu giả định mô hình kênh truyền pha-đinh Rayleigh (chỉ bao gồm thành phần không có tầm nhìn thẳng - NLOS). Trong điều kiện kênh pha-đinh Rice (khi tồn tại thành phần có tầm nhìn thẳng - LOS bên cạnh NLOS), các đặc tính bảo mật và cơ chế chống can nhiễu chưa được khảo sát đầy đủ. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Vũ Lê Quỳnh Giang tập trung giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Đánh giá dung lượng bảo mật của hệ thống Massive MIMO trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice khi có sự hiện diện của thiết bị nghe lén thụ động.
  2. Xây dựng thuật toán và xác định phạm vi phát hiện thiết bị tấn công chủ động sử dụng nhiễu hoa tiêu ở kênh đường lên.
  3. Đề xuất giải pháp cải thiện xác suất phát hiện đúng và giảm xác suất báo động giả đối với thiết bị tấn công chủ động dựa trên kỹ thuật phân tập thời gian.

Đối tượng nghiên cứu:

  1. Ảnh hưởng đến dung lượng bảo mật của hệ thống Massive MIMO khi xuất hiện một thiết bị nghe lén thụ động trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice.
  2. Phương pháp phát hiện nhiễu hoa tiêu, thuật toán phát hiện, xác suất phát hiện đúng và xác suất báo động giả khi xuất hiện thiết bị tấn công chủ động.

Phạm vi nghiên cứu:

  1. Bài toán ảnh hưởng của thiết bị nghe lén thụ động trong hệ thống Massive MIMO không tương quan không gian dưới điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice.
  2. Bài toán xây dựng thuật toán phát hiện thiết bị tấn công chủ động cho hệ thống Massive MIMO trong kênh pha-đinh Rice khi sử dụng điều chế khóa dịch pha PSK (Phase-Shift Keying) ở kênh đường lên.
  3. Kỹ thuật nâng cao hiệu năng bảo mật cho hệ thống Massive MIMO trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice thông qua xử lý nhiễu hoa tiêu và phân tập thời gian.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Nền tảng của lý thuyết bảo mật lớp vật lý bắt đầu từ công trình của C. E. Shannon (1949) với khái niệm "bảo mật hoàn hảo" (perfect secrecy) dựa trên lý thuyết thông tin. Tiếp theo, A. D. Wyner (1975) đề xuất mô hình kênh nghe lén (wiretap channel) và chứng minh rằng việc truyền tin có thể đạt được độ bảo mật hoàn hảo mà không cần mã khóa nếu dung lượng của kênh truyền hợp pháp lớn hơn dung lượng của kênh nghe lén. I. Csiszár và J. Körner (1978) đã mở rộng kết quả của Wyner cho kênh quảng bá tổng quát, chứng minh sự tồn tại của mã hóa kênh đồng thời đảm bảo độ tin cậy và tính bí mật. W. Diffie và M. E. Hellman công bố nguyên tắc về hệ thống mật mã khóa công khai, đồng thời chỉ ra khả năng ứng dụng mã khóa bí mật khi kênh hợp pháp kém hơn kênh nghe lén.

Các nghiên cứu sau đó tiếp tục mở rộng mô hình kênh nghe lén:

  • A. O. Hero và cộng sự nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian - thời gian nhằm bảo đảm an toàn truyền thông trên kênh vô tuyến.
  • M. Bloch và cộng sự phân tích dung lượng dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - SOP) của các kênh pha-đinh, khảo sát trường hợp thiết bị nghe lén có tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) trung bình lớn hơn máy thu hợp pháp.
  • J. Zhu và cộng sự khảo sát việc sử dụng nhiễu nhân tạo (Artificial Noise - AN) kết hợp kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính để làm suy giảm khả năng giải mã của thiết bị nghe lén mà không làm ảnh hưởng đến người dùng hợp pháp; nhóm tác giả này cũng phân tích ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo và nhiễu pha do các bộ dao động tự do gây ra trên đường xuống của hệ thống Massive MIMO.
  • D. Kapetanovic và cộng sự nghiên cứu các kịch bản thiết bị nghe lén di chuyển đến gần người dùng hợp pháp để tạo độ tương quan kênh cao, làm mất đi tính trực giao không gian; nhóm tác giả đề xuất việc sử dụng chuỗi tín hiệu $N$-PSK ngẫu nhiên để phát hiện sự hiện diện của thiết bị nghe lén.
  • X. Li và cộng sự nghiên cứu cơ chế tạo khóa lớp vật lý dựa trên tính tương hỗ của kênh truyền (channel reciprocity) ở chế độ TDD để thiết lập khóa bí mật cho hệ thống Massive MIMO đa người dùng.

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu liên quan đến bảo mật lớp vật lý và kỹ thuật đa ăng-ten bao gồm:

  • Nhóm nghiên cứu của Võ Nguyễn Quốc Bảo và Trần Trung Duy (Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Cơ sở TP. Hồ Chí Minh) khảo sát kỹ thuật truyền thông đa chặng, giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp (relay selection), thu thập năng lượng (energy harvesting) và tạo nhiễu nhân tạo trong hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) có phần cứng không hoàn hảo.
  • Nhóm nghiên cứu của Hà Đắc Bình (Đại học Duy Tân) phân tích hiệu năng bảo mật lớp vật lý trong các môi trường pha-đinh khác nhau, áp dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten tại máy phát trong mạng vô tuyến nhận thức.
  • Nhóm nghiên cứu của Trần Xuân Nam (Học viện Kỹ thuật Quân sự) tập trung vào hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO và truyền thông cộng tác.

Khoảng trống nghiên cứu: Các công trình công bố quốc tế và trong nước về bảo mật Massive MIMO chủ yếu giới hạn trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rayleigh (chỉ có thành phần phản xạ/tán xạ NLOS). Trong thực tế triển khai mạng 5G/6G, khi trạm gốc được đặt trên cao hoặc trong các ô mạng nhỏ (small cells), thành phần truyền thẳng LOS xuất hiện phổ biến, hình thành mô hình kênh pha-đinh Rice. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán phân tích dung lượng bảo mật và xây dựng cơ chế phát hiện tấn công nhiễu hoa tiêu chuyên biệt cho môi trường kênh pha-đinh Rice.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng lý thuyết bảo mật lớp vật lý kết hợp lý thuyết truyền dẫn Massive MIMO ở chế độ song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplexing - TDD).

  1. Mô hình kênh nghe lén Gauss: Dung lượng của kênh chính từ trạm gốc đến người dùng hợp pháp được ký hiệu là $C_{LU}$, dung lượng kênh nghe lén từ trạm gốc đến thiết bị nghe lén thụ động là $C_{ED}$. Theo công thức Shannon: $$C_{LU} = \log_2\left(1 + \text{SNR}{LU}\right)$$ Dung lượng bảo mật $C{SC}$ (Secrecy Capacity) được xác định bằng: $$C_{SC} = \max\left{C_{LU} - C_{ED}, 0\right}$$

  2. Các tham số đánh giá hiệu năng bảo mật:

  • Dung lượng bảo mật hệ thống ($C_{SC}$): Tốc độ dữ liệu tối đa truyền từ trạm gốc đến thuê bao hợp lệ một cách bảo mật mà không bị thiết bị nghe lén giải mã.
  • Xác suất dung lượng bảo mật khác không: Xác suất để tỷ số $\text{SNR}$ của kênh chính lớn hơn $\text{SNR}$ của kênh nghe lén ($\Pr(C_{SC} > 0)$).
  • Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - SOP): Xác suất dung lượng bảo mật tức thời $C_s$ nhỏ hơn tốc độ truyền bảo mật mục tiêu $R_s$: $$\text{SOP} = \Pr(C_s < R_s)$$
  1. Mô hình kênh truyền pha-đinh Rice: Kênh truyền giữa trạm gốc gồm $M$ ăng-ten và các nút đơn ăng-ten bao gồm hai thành phần: thành phần tầm nhìn thẳng (LOS) có tính tất định và thành phần không tầm nhìn thẳng (NLOS) phân bố theo phân phối Gauss phức biến ngẫu nhiên.
Ký hiệu Ý nghĩa toán học
$a$ Biến số vô hướng
$\mathbf{a}$ Véc-tơ
$\mathbf{A}$ Ma trận
$a_{ij}$ Phần tử hàng thứ $i$, cột thứ $j$ của ma trận $\mathbf{A}$
$\mathbf{A}^H$ Chuyển vị liên hợp phức (Hermitian transpose)
$\mathbb{E}{\cdot}$ Toán tử kỳ vọng toán học
$f_X(\cdot)$ Hàm mật độ xác suất (PDF) của biến ngẫu nhiên $X$
$F_X(\cdot)$ Hàm phân bố tích lũy (CDF) của biến ngẫu nhiên $X$
$\mathcal{CN}(0, \sigma^2)$ Phân bố chuẩn phức với trung bình $0$ và phương sai $\sigma^2$
$\eta$ Hệ số suy hao truyền sóng
$M$ Số lượng ăng-ten tại trạm gốc (BS)
$\tau$ Độ dài khung truyền dẫn vô tuyến (ký hiệu)
$\tau_p$ Số ký hiệu dành cho pha huấn luyện đường lên
$\tau_d$ Số ký hiệu dành cho pha truyền dữ liệu đường xuống ($\tau_d = \tau - \tau_p$)
$\mathbf{h}_B, \mathbf{h}_E$ Véc-tơ hệ số kênh truyền từ thuê bao hợp lệ ($B$) và thiết bị nghe lén ($E$) đến trạm gốc

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp phân tích giải tích toán học và mô phỏng số:

  • Phân tích giải tích: Thiết lập các biểu thức toán học dạng đóng hoặc xấp xỉ tiệm cận cho tốc độ dữ liệu đạt được của người dùng hợp lệ ($R_B$), tốc độ của thiết bị nghe lén ($R_E$), dung lượng bảo mật ($C_{SC}$), xác suất phát hiện đúng ($P_d$) và xác suất báo động giả ($P_{fa}$).
  • Kỹ thuật phát hiện: Sử dụng chuỗi hoa tiêu điều chế dịch pha ngẫu nhiên $N$-PSK ($N \in {4, 8, 16, 24}$) kết hợp phân tích tương quan tín hiệu thu nhận tại trạm gốc.
  • Phương pháp phân tập thời gian: Mở rộng quá trình phát hiện trên nhiều khung truyền dẫn vô tuyến liên tiếp ($N_F$) với tập hoa tiêu thử nghiệm gồm $K$ phần tử.
  • Mô phỏng số: Đánh giá độ chính xác của biểu thức giải tích thông qua mô phỏng Monte Carlo trên các tham số cấu hình: số lượng ăng-ten $M \in {4, 64, 128, 256}$, công suất phát của người dùng $P_B = 24\text{ dBm}$ và thiết bị tấn công $P_J = 24\text{ dBm}$, cự ly truyền dẫn $d_B = 300\text{ m}, d_J = 200\text{ m}$, các góc tới của tín hiệu $\Phi_B, \Phi_E, \Phi_J$ trên miền $[0, 2\pi)$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Những vấn đề chung về bảo mật lớp vật lý và mạng thông tin di động Massive MIMO

Chương 1 tổng hợp cơ sở lý luận về mạng thông tin di động băng rộng và kỹ thuật Massive MIMO, đồng thời hệ thống hóa các dạng tấn công ở lớp vật lý.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Massive MIMO: Hệ thống hoạt động theo cơ chế TDD bao gồm 3 pha chính:

  1. Pha huấn luyện đường lên: Thuê bao gửi tín hiệu hoa tiêu (pilot) để trạm gốc ước lượng thông tin trạng thái kênh truyền (CSI). Ước lượng kênh chính xác cho phép trạm gốc định hướng búp sóng (beamforming) tập trung năng lượng đến thuê bao hợp lệ và giảm can nhiễu.
  2. Pha truyền dữ liệu đường xuống: Trạm gốc sử dụng ma trận tiền mã hóa (dựa trên kênh ước lượng) để truyền đồng thời dữ liệu đến các thuê bao.
  3. Pha truyền dữ liệu đường lên: Các thuê bao truyền dữ liệu về trạm gốc; trạm gốc sử dụng các bộ tách sóng (như MRC, ZF, MMSE) để khôi phục tín hiệu từng người dùng.

Các thách thức kỹ thuật trong Massive MIMO:

  • Tính bất đối xứng phần cứng: Mặc dù môi trường truyền sóng có tính đối xứng đường lên - đường xuống trong chế độ TDD, sự không hoàn hảo của mạch thu phát vô tuyến tại trạm gốc và thiết bị đầu cuối gây ra sai lệch kênh.
  • Nhiễu hoa tiêu (Pilot Contamination): Do tài nguyên tần số và thời gian có hạn, các chuỗi hoa tiêu trực giao phải tái sử dụng giữa các tế bào (cells), dẫn đến hiện tượng ước lượng kênh bị can nhiễu lẫn nhau. Hiện tượng này không biến mất ngay cả khi số ăng-ten $M \to \infty$.
  • Phần cứng chi phí thấp: Sử dụng hàng trăm bộ chuyển đổi ADC/DAC độ phân giải thấp, bộ khuếch đại công suất phi tuyến và bộ dao động nội giá rẻ làm tăng tạp âm lượng tử hóa và nhiễu pha.

Phân loại tấn công lớp vật lý:

  • Nghe lén thụ động: Thiết bị thu gom tín hiệu phát thanh từ trạm gốc mà không phát xạ sóng vô tuyến, che giấu sự tồn tại để trạm gốc không có được CSI của kênh nghe lén.
  • Tấn công chủ động: Thiết bị phát tín hiệu gây nhiễu trong pha huấn luyện kênh (tấn công làm nhiễm bẩn hoa tiêu) hoặc phát nhiễu trong pha truyền dữ liệu, làm sai lệch hướng tạo búp sóng của trạm gốc.
Hình thức tấn công Đặc điểm hoạt động Tác động lên hệ thống Massive MIMO
Nghe lén thụ động Không phát sóng vô tuyến, trạm gốc không có CSI Đe dọa tính bí mật dữ liệu đường xuống
Tấn công chủ động (Nhiễu hoa tiêu) Đồng thời phát tín hiệu hoa tiêu trùng khớp trong pha đường lên Làm sai lệch ma trận tiền mã hóa của BS, hướng búp sóng về phía kẻ tấn công
Tấn công chủ động (Gây nhiễu dữ liệu) Phát tín hiệu công suất cao trong pha dữ liệu Làm giảm tỷ số SINR, gây gián đoạn đường truyền

Chương 2: Dung lượng bảo mật của hệ thống khi có thiết bị nghe lén thụ động đối với hệ thống Massive MIMO trong điều kiện kênh pha đinh Rice

Chương 2 thiết lập mô hình toán học và đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống Massive MIMO đơn ô khi xuất hiện một thiết bị nghe lén thụ động $E$ trong môi trường kênh pha-đinh Rice không tương quan không gian.

Mô hình hệ thống: Trạm gốc $A$ trang bị $M$ ăng-ten phục vụ một người dùng hợp lệ $B$ (1 ăng-ten) dưới sự hiện diện của thiết bị nghe lén $E$ (1 ăng-ten). Khung truyền TDD dài $\tau$ ký hiệu, gồm $\tau_p$ ký hiệu huấn luyện và $\tau_d = \tau - \tau_p$ ký hiệu truyền dữ liệu đường xuống. Kênh truyền $\mathbf{h}_B$ và $\mathbf{h}_E$ là các vector kích thước $M \times 1$.

Phân tích dung lượng: Luận án dẫn xuất các biểu thức giải tích đánh giá:

  • Tốc độ dữ liệu đạt được của người dùng hợp lệ $R_B$.
  • Tốc độ dữ liệu rò rỉ tới thiết bị nghe lén $R_E$.
  • Dung lượng bảo mật $C_{SC} = \max{R_B - R_E, 0}$.

Kết quả mô phỏng và tính toán số:

  • Khi góc tới của người dùng và thiết bị nghe lén trùng nhau ($\Phi_E = \Phi_B = 0\text{ rad}$), sự gia tăng của số lượng ăng-ten trạm gốc $M$ làm tăng mạnh tốc độ $R_B$ trong khi tốc độ nghe lén $R_E$ bị chặn trên, dẫn đến dung lượng bảo mật $C_{SC}$ tăng tuyến tính theo hàm logarit của $M$.
  • Khi khảo sát sự phụ thuộc vào góc tới $\Phi_E$ tại cấu hình $M = 128$, dung lượng bảo mật đạt giá trị cực tiểu khi thiết bị nghe lén nằm cùng hướng góc với người dùng hợp lệ ($\Phi_E \approx \Phi_B$), và tăng nhanh khi góc lệch giữa hai thiết bị mở rộng do khả năng phân giải không gian của mảng ăng-ten cỡ lớn.

Chương 3: Phát hiện nhiễu hoa tiêu trong hệ thống Massive MIMO trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice

Chương 3 giải quyết bài toán phát hiện thiết bị tấn công chủ động $J$ phát tín hiệu gây nhiễm bẩn chuỗi hoa tiêu ở kênh đường lên.

Cơ chế phát hiện bằng hoa tiêu ngẫu nhiên: Người dùng hợp lệ $B$ gửi chuỗi ký hiệu hoa tiêu ngẫu nhiên thuộc bảng mã điều chế $N$-PSK. Trạm gốc thu tín hiệu và thực hiện nhân kết hợp hai mẫu tín hiệu liên tiếp.

  • Trường hợp không có tấn công: Tích vô hướng của các tín hiệu thu sau khi xử lý mảng giữ nguyên dạng ký hiệu thuộc chòm sao $N$-PSK.
  • Trường hợp có thiết bị tấn công $J$: Tín hiệu gây nhiễu phá vỡ cấu trúc chòm sao pha, làm tích tín hiệu lệch khỏi tập điểm $N$-PSK chuẩn. Dựa trên độ lệch này, trạm gốc quyết định sự có mặt của thiết bị $J$.

Khảo sát định lượng xác suất phát hiện ($P_d$) và xác suất báo động giả ($P_{fa}$):

  • Khi số lượng ăng-ten tại BS $M = 256$, công suất $P_B = 24\text{ dBm}$, $P_J = 24\text{ dBm}$, $\Phi_B = 0\text{ rad}$, xác suất phát hiện $P_d$ tiệm cận $1$ khi SNR tăng từ $-10\text{ dB}$ lên trên $0\text{ dB}$.
  • Với cấu hình $N = 4\text{-PSK}$, $d_B = 300\text{ m}$, $d_J = 200\text{ m}$, $\Phi_B = 0,1\text{ rad}$, xác suất phát hiện tăng theo SNR và phụ thuộc chặt chẽ vào số ăng-ten $M$.
  • Khi tăng bậc điều chế từ $N = 4\text{-PSK}$ lên $8\text{-PSK}$ và $16\text{-PSK}$ với $M = 64, K = 10$, khoảng cách giữa các điểm pha thu hẹp lại khiến xác suất phát hiện đúng giảm nhẹ tại vùng SNR thấp và đòi hỏi mức SNR cao hơn để đạt ngưỡng $P_d = 1$.
  • Xác suất báo động giả $P_{fa}$ giảm nhanh về $0$ khi số ăng-ten $M$ tăng (khảo sát với $\Phi_J = 0,1\text{ rad}$, $N = 16\text{-PSK}$ và $N = 8\text{-PSK}, \text{SNR} = 5\text{ dB}$).

Chương 4: Cải thiện xác suất phát hiện và xác suất báo động giả trong hệ thống Massive MIMO

Chương 4 đề xuất thuật toán cải tiến hiệu năng phát hiện tấn công nhiễu hoa tiêu bằng cách khai thác tính phân tập thời gian qua nhiều khung truyền dẫn vô tuyến liên tiếp ($N_F$) và sử dụng tập hoa tiêu thử nghiệm ($K$).

Thuật toán phát hiện cải tiến: Trạm gốc tích lũy quyết định kiểm định trên $N_F$ khung vô tuyến liên tiếp thay vì chỉ xử lý trên một khung đơn lẻ.

Kết quả phân tích hiệu năng và so sánh kênh truyền:

  • Ảnh hưởng của số lượng hoa tiêu ($K$): Khảo sát với $N_F = 2, N = 8\text{-PSK}, M = 128, P_B = P_J = 24\text{ dBm}, \Phi_B = \Phi_J = 0\text{ rad}$, khi tăng số hoa tiêu thử nghiệm $K$ từ $2 \to 4 \to 10 \to 15$, đường cong xác suất phát hiện dịch chuyển về phía trái (đạt $P_d = 1$ ở mức SNR thấp hơn đáng kể).
  • So sánh kênh pha-đinh Rayleigh và kênh pha-đinh Rice: Với cấu hình $M = 4, K \in {5, 10}, N_F = 2, N = 16\text{-PSK}$, kênh pha-đinh Rice cho xác suất phát hiện cao hơn và xác suất báo động giả thấp hơn so với kênh Rayleigh ở cùng mức SNR nhờ thành phần tầm nhìn thẳng LOS ổn định công suất tín hiệu thu.
  • Đánh giá xác suất báo động giả ($P_{fa}$):
    • Tại $\text{SNR} = 3\text{ dB}, N_F = 3, N = 8\text{-PSK}$, khi tăng $K$ từ $5 \to 10 \to 15 \to 20$, $P_{fa}$ giảm về $0$ nhanh hơn theo số ăng-ten $M$.
    • Khi tăng bậc điều chế $N \in {4, 8, 16, 24}$ tại $K = 12, N_F = 3, \text{SNR} = 1\text{ dB}, \Phi_B = 0,1\text{ rad}$, $P_{fa}$ tăng theo $N$, nhưng việc tăng $M$ tại trạm gốc triệt tiêu hiện tượng báo động sai này.
    • So sánh trực tiếp tại $\text{SNR} \in {0, 3}\text{ dB}, K = 14, N_F = 8, N = 16$, kênh pha-đinh Rice duy trì mức xác suất báo động giả thấp hơn hẳn so với kênh pha-đinh Rayleigh khi $M$ tăng.
Tham số khảo sát Giá trị thiết lập trong Chương 3 & 4 Xu hướng tác động lên hiệu năng ($P_d$ và $P_{fa}$)
Số ăng-ten trạm gốc ($M$) $4, 64, 128, 256$ $M$ càng lớn $\to P_d$ tiến tới $1$, $P_{fa}$ tiến tới $0$
Bậc điều chế ($N$-PSK) $4, 8, 16, 24$ $N$ càng cao $\to$ Khoảng cách pha hẹp $\to P_d$ giảm nhẹ ở SNR thấp, $P_{fa}$ tăng
Số hoa tiêu thử nghiệm ($K$) $2, 4, 5, 10, 11, 12, 14, 15, 20$ $K$ tăng $\to$ Tăng lượng mẫu kiểm định $\to P_d$ tăng, $P_{fa}$ giảm
Số khung truyền dẫn ($N_F$) $2, 3, 4, 5, 8$ $N_F$ tăng (tận dụng phân tập thời gian) $\to$ Giảm mạnh xác suất báo động sai
Mô hình kênh Pha-đinh Rice so với Rayleigh Kênh Rice có thành phần LOS giúp cải thiện $P_d$ và giảm $P_{fa}$ so với Rayleigh

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  1. Thiết lập biểu thức giải tích đánh giá dung lượng bảo mật của hệ thống Massive MIMO trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice không tương quan không gian khi có sự hiện diện của thiết bị nghe lén thụ động.
  2. Xây dựng mô hình toán học và thuật toán phát hiện nhiễu hoa tiêu gây ra bởi thiết bị tấn công chủ động ở kênh đường lên bằng chuỗi tín hiệu $N$-PSK ngẫu nhiên.
  3. Thiết lập công thức tính toán và phân tích giải tích xác suất phát hiện đúng ($P_d$) và xác suất báo động giả ($P_{fa}$) trong môi trường kênh Rice.
  4. Đề xuất phương pháp phân tập thời gian kết hợp chuỗi hoa tiêu đa khung vô tuyến ($N_F$), chứng minh về mặt lý thuyết sự vượt trội về khả năng phát hiện trên kênh pha-đinh Rice so với kênh pha-đinh Rayleigh.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Bảo vệ tính bí mật dữ liệu: Cung cấp cơ sở tính toán để trạm gốc lựa chọn công suất phát và tốc độ truyền an toàn mà không cần thiết lập các giao thức mã hóa phức tạp tại tầng ứng dụng.
  2. Đối phó can nhiễu hoa tiêu: Cung cấp thuật toán cho phép trạm gốc phát hiện nhanh sự hiện diện của thiết bị gây nhiễu chủ động ngay trong pha huấn luyện đường lên, ngăn ngừa hiện tượng định hướng sai búp sóng.
  3. Nâng cao độ tin cậy của mạng viễn thông: Giảm thiểu tỷ lệ cảnh báo sai ($P_{fa}$), hạn chế việc hệ thống tạm dừng truyền dữ liệu không cần thiết, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ tần.

Các công trình khoa học đã công bố minh chứng cho các kết quả nghiên cứu:

  • Bài báo J1 trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông (Journal of R&D on ICT).
  • Báo cáo C1 tại Hội nghị Quốc gia về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT).
  • Các công trình C3, C4 (kết quả Chương 3) và C5, C6 (kết quả Chương 4) công bố tại các hội nghị/tạp chí chuyên ngành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án giả định mô hình kênh truyền không tương quan không gian giữa các phần tử ăng-ten tại trạm gốc.
  • Kịch bản khảo sát tập trung vào mô hình một người dùng hợp lệ và một thiết bị xâm nhập (đơn thiết bị nghe lén hoặc đơn thiết bị gây nhiễu).
  • Giả định phần cứng thu phát lý tưởng, chưa xét đến tác động đồng thời của nhiễu pha, méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất và độ phân giải lượng tử hóa ADC/DAC hữu hạn trong các biểu thức giải tích phát hiện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng bài toán phân tích dung lượng bảo mật và phát hiện nhiễu hoa tiêu cho hệ thống Massive MIMO đa người dùng trong môi trường mạng đa ô (multi-cell).
  2. Khảo sát ảnh hưởng của tính tương quan không gian giữa các ăng-ten khi khoảng cách giữa các phần tử mảng ăng-ten nhỏ hơn nửa bước sóng.
  3. Nghiên cứu hiệu năng bảo mật khi có sự xuất hiện đồng thời của cả thiết bị nghe lén thụ động và thiết bị tấn công chủ động với phần cứng không hoàn hảo.
  4. Tích hợp giải pháp bảo mật lớp vật lý vào các công nghệ mới như bề mặt phản xạ thông minh (Intelligent Reflecting Surface - IRS) và Massive MIMO không ô (Cell-free Massive MIMO).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Tham khảo phương pháp thiết lập biểu thức giải tích đánh giá dung lượng bảo mật và xác suất phát hiện trên kênh pha-đinh Rice.
  • Kỹ sư R&D và chuyên gia thiết kế hệ thống vô tuyến 5G/6G: Ứng dụng thuật toán phát hiện hoa tiêu ngẫu nhiên $N$-PSK và kỹ thuật phân tập thời gian để thiết kế quy trình xử lý tín hiệu đường lên tại trạm gốc.
  • Phần nội dung đáng lưu ý:
    • Mục 2.3 và 2.4 (Chương 2) về phương pháp dẫn xuất tốc độ dữ liệu $R_B, R_E$ và dung lượng bảo mật $C_{SC}$.
    • Mục 3.4, 3.5 (Chương 3) và Mục 4.3, 4.4 (Chương 4) về thuật toán kiểm định chòm sao pha và phân tích xác suất $P_d, P_{fa}$ theo số lượng hoa tiêu $K$ và số khung $N_F$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu dung lượng bảo mật trên kênh pha-đinh Rice lại phức tạp hơn kênh pha-đinh Rayleigh?

Kênh pha-đinh Rayleigh chỉ mô hình hóa các thành phần sóng phản xạ/tán xạ ngẫu nhiên (NLOS), dẫn đến ma trận kênh gồm các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập có trung bình bằng $0$. Kênh pha-đinh Rice có thêm thành phần sóng truyền thẳng trực tiếp (LOS) có tính tất định (trung bình khác $0$), phụ thuộc vào góc tới $\Phi$ và khoảng cách truyền sóng. Việc xuất hiện thành phần LOS khiến các phép tính kỳ vọng toán học và tích phân phân bố xác suất trong biểu thức dung lượng bảo mật $C_{SC}$ phức tạp hơn nhiều so với kênh Rayleigh.

2. Nguyên lý cơ bản để trạm gốc phát hiện thiết bị tấn công nhiễu hoa tiêu ở kênh đường lên là gì?

Người dùng hợp lệ gửi chuỗi hoa tiêu điều chế dịch pha ngẫu nhiên $N$-PSK. Trạm gốc lấy tích vô hướng của hai mẫu tín hiệu liên tiếp nhận được. Khi không có can nhiễu, tích này vẫn giữ nguyên tính chất của một điểm trong chòm sao $N$-PSK chuẩn. Khi có thiết bị tấn công phát tín hiệu hoa tiêu giả mạo, pha của tích tín hiệu bị biến dạng và lệch khỏi vị trí chòm sao chuẩn, cho phép trạm gốc phát hiện sự có mặt của kẻ tấn công.

3. Phân tập thời gian trong Chương 4 giúp cải thiện xác suất phát hiện đúng và giảm báo động giả như thế nào?

Thay vì đưa ra quyết định chỉ dựa trên một khung truyền vô tuyến đơn lẻ, thuật toán kiểm định ở Chương 4 tích lũy thông tin thu nhận qua $N_F$ khung truyền liên tiếp với $K$ hoa tiêu thử nghiệm. Việc tích lũy này làm giảm phương sai của tạp âm nhiệt ngẫu nhiên, giúp chòm sao tín hiệu phân biệt rõ ràng hơn giữa hai trạng thái (có nhiễu và không có nhiễu), từ đó đẩy xác suất phát hiện đúng $P_d$ tiệm cận $1$ và kéo xác suất báo động giả $P_{fa}$ về $0$ ngay cả ở mức SNR thấp.

4. Bậc điều chế $N$-PSK ($N=4, 8, 16, 24$) ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng phát hiện?

Khi bậc điều chế $N$ tăng lên (ví dụ từ $4$-PSK lên $16$-PSK hoặc $24$-PSK), khoảng cách góc pha giữa các điểm liền kề trong chòm sao bị thu hẹp lại. Do đó, tạp âm nhiệt dễ làm dịch chuyển điểm tín hiệu sang vùng quyết định lân cận hơn, dẫn đến xác suất báo động giả $P_{fa}$ tăng lên và xác suất phát hiện đúng $P_d$ bị suy giảm nhẹ tại vùng SNR thấp. Để bù đắp lại, trạm gốc cần tăng số lượng ăng-ten $M$ hoặc tăng số khung phân tập thời gian $N_F$.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Lê Quỳnh Giang đã giải quyết toàn diện bài toán bảo mật lớp vật lý cho hệ thống Massive MIMO trong môi trường kênh pha-đinh Rice. Các đóng góp chính bao gồm việc thiết lập biểu thức giải tích dung lượng bảo mật khi có thiết bị nghe lén thụ động, xây dựng thuật toán phát hiện nhiễu hoa tiêu bằng chuỗi $N$-PSK ngẫu nhiên và nâng cao độ chính xác phát hiện thông qua kỹ thuật phân tập thời gian. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và giải pháp kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho việc thiết kế các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo.