MỞ ĐẦU 1. Hoàn cảnh nghiên cứu Hiện nay các thiết bị di động cùng với yêu cầu về băng thông đường truyền ngày càng cao. Theo báo cáo của Ericsson [26], đến quý 4 năm 2022 thế giới có khoảng 8,2 tỷ thiết bị di động trên toàn cầu với tổng cộng 660 triệu tổng số đăng ký 5G hiện trên toàn thế giới. Dự kiến đăng ký 5G được dự báo sẽ đạt 4,4 tỷ vào năm 2027 chiếm một nửa số thuê bao di động.
Các công nghệ đang sử dụng không thể đáp ứng được nhu cầu kết nối cho một số lượng lớn thiết bị đa dạng về chủng loại cũng như công nghệ đa truy cập [22, 55]. Để vượt qua được rào cản công nghệ này, mạng thông tin di động thế hệ thứ 5, 6 và những thế hệ tiếp theo được mong đợi có thể giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, mạng thông tin di động luôn phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật do đặc điểm của kênh truyền vật lý. Cụ thể, với bản chất mở của môi trường lan truyền sóng vô tuyến, mọi thiết bị nằm trong vùng phủ sóng của một máy phát đều có khả năng thu sóng vô tuyến truyền đi từ máy phát đó để cố gắng giải mã thông tin một cách bất hợp pháp.
Ngoài ra những vấn đề bảo mật khác phát sinh từ các đặc điểm của môi trường lan truyền sóng vô tuyến như pha-đinh đa đường, suy hao đường truyền và nhiễu. Kết quả là những thiết bị bất hợp pháp có thể trích xuất thông tin truyền thông, có thể gây suy giảm hiệu năng truyền nhận thông tin hoặc gián đoạn hoạt động truyền tin của hệ thống [59]. Để tăng tốc độ dữ liệu có thể sử dụng nhiều 1 2 ăng-ten tại phía phát/thu hoặc sử dụng phương pháp định hướng búp sóng hoặc tăng băng thông tín hiệu. Kỹ thuật truyền tin sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thu, gọi tắt là kỹ thuật MIMO đã được chuẩn hóa và sử dụng rộng rãi trong mạng WLAN thương mại (IEEE 802.11n/ac) và mạng di động tế bào (IEEE 802.16e /m, 3GPP LTE và LTE nâng cao).
Ngoài ra, kỹ thuật định hướng búp sóng khi sử dụng nhiều ăng-ten thu phát giúp cải thiện tỉ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm của tín hiệu mong muốn, giảm xuyên nhiễu từ đó tăng hiệu suất sử dụng phổ. Kỹ thuật thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten ở trạm gốc (thường được biết đến với tên tiếng Anh là “Massive MIMO”) là một trong các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến ứng cử quan trọng cho mạng 5G, 6G [15, 79]. Masive MIMO là một cải tiến của kỹ thuật thông tin MIMO truyền thống vốn đã được tích hợp trong các mạng thông tin di động thế hệ thứ 4. Ý tưởng chính của kỹ thuật truyền dẫn này là sử dụng rất nhiều (có thể lên tới hàng trăm, hàng ngàn) ăng-ten ở trạm gốc để phục vụ đồng thời nhiều (có thể lên tới hàng chục, hàng trăm) thuê bao di động trên cùng một tài nguyên tần số và thời gian [53, 52].
Kỹ thuật này đã được 3GPP chấp nhận và đưa vào từ phiên bản 13 của họ công nghệ 3GPP LTE/LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro [2] và được tích hợp vào họ công nghệ Vô tuyến mới cho 5G của 3GPP [50, 72, 69]. Kỹ thuật này hứa hẹn là một trong những công nghệ chủ chốt cho các mạng thông tin di động 5G, 6G (sau khi cấu hình lại) nhờ vào các tiềm năng như cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần và hiệu quả sử dụng năng lượng với sự triển khai chi phí thấp [48]. Bên cạnh các lợi ích tiềm năng này, kỹ thuật Massive MIMO cũng đặt ra các thách thức kỹ thuật mới cần phải vượt qua trước khi có thể áp dụng rộng rãi trên thực tế [59, 40, 94]. Ví dụ, việc phục vụ đồng thời nhiều thuê bao 3 qua môi trường vô tuyến đặt ra một thách thức rất lớn trong việc bảo đảm an toàn thông tin.
Đối với các phương pháp truyền thống, bảo mật của hệ thông mạng không dây đã được quan tâm và nghiên cứu ở các lớp khác nhau ở mô hình OSI. Như trong lớp liên kết thì sử dụng phương pháp bảo mật theo chuẩn bảo mật nâng cao, trong lớp ứng dụng thì sử dụng phương pháp bảo mật tương đương có dây/ Truy cập Wi-Fi được bảo vệ WEP/WAP. những phương pháp này đã được sử dụng trong các mạng truyền thông di động hiện nay. Tuy nhiên trong thực tế chứng minh, các giao thức bảo mật này đã bị vượt qua, đặc biệt đối với các thiết bị tấn công thông minh [94, 43].
Bên cạnh đó các giải pháp bảo mật truyền thống này sử dụng hệ thống mật mã dựa trên độ phức tạp của các thuật toán, các giải pháp này gặp nhiều khó khăn, hạn chế trong việc triển khai, trong việc quản lý và phân phối các khóa bảo mật. Ngoài ra, với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ tính toán, các hệ thống mật mã cũng phải đối mặt với nguy cơ bị phá vỡ và độ tin cậy của mã hóa sẽ không còn được đảm bảo. Ngày nay, bảo mật tại lớp vật lý đang là lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên khắp thế giới do có một số ưu điểm so với các phương pháp bảo mật truyền thông. Vì có độ trễ và độ phức tạp thấp, có khả năng triển khai tại lớp vật lý và áp dụng song song với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có ở các lớp trên, bảo mật lớp vật lý có khả năng cho phép truyền thông bảo mật và độ phức tạp tính toán thấp, đặc biệt hiệu có hiệu quả đối với các thiết bị mạng di động có tài nguyên hạn chế.
Bảo mật tại lớp vật lý không yêu cầu các giả thiết về khả năng tính toán của các thiết bị nghe lén; kỹ thuật bảo mật tại lớp vật lý có khả năng mở rộng, có thể bổ sung hỗ trợ cho các kỹ thuật mã hóa truyền thống. Bên cạnh đó, bảo mật lớp vật lý bảo đảm an 4 toàn cho các pha truyền thông, còn kỹ thuật mật mã bảo vệ dữ liệu đã xử lý sau pha truyền thông. Việc nghiên cứu các tính chất bảo mật trong truyền thông ở lớp vật lý đã được đề cập đến trong công trình nghiên cứu của tác giả Wyner [92, 108]. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các công nghệ không dây như kỹ thuật MIMO, Massive MIMO, mmWave, NOMA, đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và trở thành vấn đề quan trọng trong truyền thông thế hệ mới.
Trong vấn đề an toàn thông tin của mạng thông tin di động, có hai vấn đề chính là tấn công chủ động và nghe trộm thụ động. Tấn công chủ động có thể là sự xâm nhập bất hợp pháp bằng cách giả mạo thông tin xác thực hoặc làm vô hiệu hóa hoạt động của hệ thống mạng bằng cách gây nhiễu để máy phát không thể truyền thông tin đến máy thu hợp pháp [61]. Đối với nghe lén thụ động, mục tiêu là thu thập và phá vỡ tính bí mật của thông tin, chặn dữ liệu và gây nhiễu cho truyền dẫn hợp pháp trong hệ thống thông tin di động [94, 43, 108, 61, 58]. Mặc dù đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu với cách tiếp cận khác nhau, song vấn đề bảo mật thông tin trong truyền thông vẫn luôn là vấn đề mở.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ trong hệ thống mạng thông tin di động, vấn đề bảo mật trong truyền thông sẽ có nhiều thách thức hơn nữa trong tương lai và chủ đề này trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và liên tục. Những ý tưởng chính của bảo mật lớp vật lý là tận dụng những lợi thế của đặc tính kênh truyền và tính chất ngẫu nhiên của tín hiệu để hạn chế lượng thông tin mà các thiết bị không được cấp phép có thể thu thập và giải mã được. Dựa trên các mô hình lý thuyết và sử dụng phương pháp xử lý và mã hóa tín hiệu một cách phù hợp, bảo mật lớp vật lý có thể đảm bảo truyền thông an toàn mà không cần thiết lập các bộ khóa bí mật. Mặt khác, 5 trong các trường hợp cần thiết phải sử dụng khóa bí mật, bằng cách khai thác sự ngẫu nhiên và tính chất phức tạp của kênh truyền như cường độ tín hiệu, pha của tín hiệu sóng mang, điều chế góc, biên độ, tham số ngẫu nhiên Gauss,.
Bảo mật lớp vật lý có khả năng cung cấp những phương pháp tiếp cận khác để thiết lập những khóa bí mật với mục tiêu làm giảm việc tính toán cho mã hóa tại lớp ứng dụng. Mạng thông tin di động luôn phải đối mặt với nhiều thách thức đo đặc điểm vật lý của kênh truyền. Với bản chất phát tự nhiên của kênh truyền vô tuyến, mạng thông tin di động do các thiết bị trong vùng phủ sóng của máy phát đều có khả năng thu và giải mã thông tin. Ngoài ra những vấn đề bảo mât khác phát sinh từ những nhược điểm của môi trường truyền dẫn tín hiệu như pha đinh đa đường, suy hao, nhiễu.
Kết quả là những thiết bị bất hợp pháp có thể trích xuất thông tin truyền thông, có thể gây suy giảm hoặc gián đoạn hoạt động truyền thông của hệ thống [59]. Bên cạnh các giải pháp giải quyết vấn đề an ninh trong mạng thông tin di động theo cách tiếp cận truyền thống là sử dụng các kỹ thuật mã hóa để cảnh báo, ngăn chặn các thiết bị bất hợp pháp [33, 45]. Hiện nay, bảo mật lớp vật lý đã được bổ sung để nâng cao tính bảo mật thông tin và chống lại các cuộc tấn công nghe trộm trong mạng thông tin di động. Ý tưởng của cách tiếp cận bảo mật trong lớp vật lý cho mạng thông tin di động là dựa vào nguyên lý cơ bản của bảo mật dựa trên lý thuyết thông tin được giới thiệu bởi tác giả Shannon [77], tác giả đã đề xuất ra khái niệm bảo mật hoàn hảo.
Tiếp theo cá nhà nghiên cứu đã đưa ra mô hình kênh nghe lén thụ động và chứng minh rằng việc truyền dữ liệu/ thông tin có thể đạt được bảo mật hoàn hảo nếu dung lượng kênh cấp phép lớn hơn dung lượng kênh bất hợp pháp mà không cần phải mã hóa dữ liệu [92]. Mô hình kênh nghe lén của được xem là nền 6 móng cho các nghiên cứu bảo mật thông tin tại lớp vật lý. Dung lượng bảo mật của kênh Gauss nghe lén được tính bằng hiệu dung lượng kênh Shannon giữa kênh chính và kênh nghe lén [66].