Mô Phỏng và Phân Tích Bảo Mật Lớp Vật Lý Trong Mạng Truyền Thông Không Trực Gia NOMA

Khám phá mô phỏng và phân tích bảo mật lớp vật lý trong mạng truyền thông không trực giao NOMA tại HCMUTE. Tìm hiểu các thông số quan trọng.

• Tác giả: ThS. Trương Ngọc Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện – Điện Tử
• Đề tài: Phân Tích Bảo Mật Lớp Vật Lý Trong Mạng Truyền Thông Không Trực Giao NOMA
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài KH&CN Cấp Trường
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ
• 2.2. VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
• 2.2.1. Tổng quan
• 2.2.2. Khái niệm vô tuyến nhận thức
• 2.2.3. Mục tiêu của vô tuyến nhận thức
• 2.2.4. Chức năng vô tuyến nhận thức
• 2.2.5. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ NOMA VÀ SIC
• 2.3.1. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA
• 2.3.2. Kỹ thuật loại bỏ giao thoa một cách tuần tự (SIC)
• 2.4. LÝ THUYẾT VỀ MẢNG ANTEN
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH
• 3.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 3.2. KỸ THUẬT NOMA. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẢNG NOMA
• 3.3. XÁC SUẤT DỪNG BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG NOMA KẾT HỢP MẢNG ANTEN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. ĐÁNH GIÁ THEO HỆ SỐ ANPHA
• 4.2. ĐÁNH GIÁ THEO SỐ LƯỢNG ANTEN
• 4.3. ĐÁNH GIÁ THEO HỆ SỐ SNR (Q(DB))
• 4.4. ĐÁNH GIÁ THEO VỊ TRÍ NÚT NGHE LÉN E
• 4.5. ĐÁNH GIÁ TỶ LỆ LỖI BIT BER CỦA HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• DANH MỤC HÌNH
• CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Phân tích Bảo mật Lớp Vật lý trong Mạng Truyền thông Không Trực giao NOMA

Bài viết tập trung phân tích bảo mật lớp vật lý trong mạng truyền thông không trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access). Nghiên cứu khảo sát các khía cạnh liên quan đến an ninh mạng, an toàn thông tin, và phân tích bảo mật của công nghệ NOMA. Đặc biệt, bài viết nhấn mạnh vào việc ứng dụng kỹ thuật truyền thông và mạng không dây để nâng cao hiệu quả năng lượng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, góp phần giải quyết vấn đề tấn công kênh và ngăn chặn tấn công đối với hệ thống NOMA.

1.1 Cơ sở lý thuyết về Bảo mật Lớp Vật lý và NOMA

Phần này trình bày cơ sở lý thuyết về bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) trong mạng truyền thông. Bảo mật lớp vật lý tận dụng đặc tính vật lý của kênh truyền để bảo vệ thông tin, khác với các phương pháp bảo mật truyền thống ở tầng ứng dụng. Bài viết đề cập đến khái niệm dung lượng kênh bảo mật, xác suất dừng bảo mật (SOP), và dung lượng bảo mật trung bình (ASC). NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) được giới thiệu như một kỹ thuật đa truy cập tiên tiến, cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một tài nguyên tần số. Kỹ thuật loại bỏ giao thoa một cách tuần tự (SIC) đóng vai trò quan trọng trong việc giải mã tín hiệu ở phía người nhận trong hệ thống NOMA. Việc kết hợp bảo mật lớp vật lý với NOMA tạo ra những thách thức và cơ hội mới trong việc đảm bảo an toàn thông tin.

1.2 Mô hình nghiên cứu và phân tích bảo mật

Phần này trình bày mô hình nghiên cứu được sử dụng để phân tích bảo mật trong mạng NOMA. Mô hình này bao gồm các thành phần chính: nút nguồn (S), nút đích (D), và nút nghe lén (E). Mạng truyền thông không trực giao được mô phỏng để đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo mật lớp vật lý. Các thông số quan trọng được xem xét bao gồm: xác suất dừng bảo mật, tỷ lệ lỗi bit (BER), và ảnh hưởng của các yếu tố như hệ số phân chia công suất, số lượng anten, và vị trí của nút nghe lén. Mảng anten được xem xét như một giải pháp để tăng cường khả năng bảo mật. Mô hình kênh và kỹ thuật beamforming được sử dụng để mô phỏng môi trường truyền dẫn thực tế.

1.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá

Phần này trình bày kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo mật lớp vật lý trong mạng NOMA. Xác suất dừng bảo mật (SOP) được tính toán và phân tích dựa trên các thông số khác nhau như: hệ số phân chia công suất α, số lượng anten, tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), và vị trí nút nghe lén. Tỷ lệ lỗi bit (BER) cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng truyền dẫn. Các kết quả mô phỏng được trình bày dưới dạng biểu đồ, cho thấy ảnh hưởng của từng thông số đến hiệu suất bảo mật. Phân tích kết quả cho thấy hiệu quả của việc kết hợp bảo mật lớp vật lý với NOMA và sử dụng mảng anten để cải thiện an ninh mạng.

1.4 Ứng dụng thực tiễn và xu hướng tương lai

Phần này thảo luận về ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu trong các hệ thống truyền thông không dây hiện đại. NOMA đang được xem xét như một công nghệ hứa hẹn cho các mạng 5G và 6G. Bảo mật lớp vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn thông tin cho các ứng dụng nhạy cảm như: an ninh quốc gia, tài chính, và y tế. Bài viết cũng đề cập đến xu hướng tương lai của bảo mật lớp vật lý trong NOMA, bao gồm việc tích hợp các kỹ thuật tiên tiến như học máy, mạng học sâu, và blockchain để nâng cao hiệu quả bảo mật. Đánh giá tổng quan về những thách thức và cơ hội trong việc ứng dụng công nghệ này vào thực tế.

Nội dung chính

Phân Tích Bảo Mật Lớp Vật Lý Trong Mạng Truyền Thông Không Trực Giao NOMA Kết Hợp Mảng Anten

---

Tóm tắt nghiên cứu

• Câu hỏi nghiên cứu chính: Làm thế nào để nâng cao năng lực bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) trong mạng truyền thông đa truy cập phi trực giao (NOMA) khi đối mặt với các cuộc tấn công nghe lén thụ động từ bên thứ ba, và việc tích hợp mảng anten phát định hướng tác động như thế nào đến xác suất dừng bảo mật cũng như tỷ lệ lỗi bit?
• Phương pháp tiếp cận: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống gồm 3 nút mạng (Nút nguồn phát $S$ trang bị mảng anten tuyến tính, Nút đích hợp pháp $D$ và Kẻ nghe lén $E$). Kỹ thuật phân chia công suất NOMA kết hợp giải mã khử can nhiễu tuần tự (SIC) được thiết lập trên nền kênh truyền fading Rayleigh. Nhóm tác giả thiết lập công thức giải tích tính Xác suất dừng bảo mật ($SOP$), sau đó kiểm chứng và đánh giá định lượng bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo với $10^4$ phép thử và $10^6$ bit truyền trên nền tảng MATLAB.
• Kết quả then chốt: Việc gia tăng số lượng phần tử anten tại nút phát $S$ giúp co hẹp búp sóng phát, tập trung công suất về phía nút đích $D$ và triệt tiêu đáng kể độ lợi kênh nghe lén tại nút $E$, qua đó giảm mạnh xác suất dừng bảo mật ($SOP$) và cải thiện tỷ lệ lỗi bit ($BER$) cho các tín hiệu thành phần. Tỷ lệ phân chia công suất ($\alpha_1, \alpha_2$) và vị trí không gian của kẻ nghe lén đóng vai trò quyết định đến ngưỡng suy giảm an toàn của hệ thống.
• Ý nghĩa thực tiễn: Công trình cung cấp mô hình toán học giải tích chuẩn xác và giải pháp kỹ thuật khả thi để thiết kế các kiến trúc truyền dẫn bảo mật cao cho mạng di động 5G/6G, mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) và Internet vạn vật (IoT) mà không đòi hỏi các thuật toán mã hóa phức tạp ở các tầng giao thức phía trên.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng

Thực trạng phát triển và thách thức tài nguyên phổ tần

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang thúc đẩy sự bùng nổ của hàng tỷ thiết bị kết nối thông minh, từ điện thoại thông minh, thiết bị IoT đến các hệ thống tự hành. Nhu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp ngày càng gia tăng, đặt ra áp lực nặng nề lên tài nguyên phổ tần vô tuyến – vốn là một nguồn tài nguyên hữu hạn và đang cạn kiệt. Mặc dù các công nghệ truyền thông vô tuyến truyền thống sử dụng đa truy cập trực giao (OMA) như OFDMA, TDMA, CDMA đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng hiệu suất sử dụng phổ vẫn chưa đáp ứng trọn vẹn nhu cầu trong tương lai.

Đa truy cập phi trực giao (NOMA) và lỗ hổng an ninh vô tuyến

Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) trong miền công suất nổi lên như một giải pháp đột phá cho mạng di động thế hệ mới. NOMA cho phép ghép kênh phi trực giao nhiều người dùng trên cùng một băng tần và khe thời gian thông qua việc phân bổ các mức công suất phát khác nhau, sau đó phía thu sử dụng kỹ thuật khử can nhiễu tuần tự (Successive Interference Cancellation - SIC) để tách tín hiệu. Tuy nhiên, đặc tính quảng bá tự nhiên của sóng điện từ trong không gian mở khiến tín hiệu truyền trong mạng NOMA cực kỳ dễ bị các nút nghe lén (Eavesdropper) thu nhận và giải mã bất hợp pháp, đe dọa nghiêm trọng đến tính bảo mật thông tin trong các lĩnh vực trọng yếu như an ninh, quốc phòng, tài chính ngân hàng và dịch vụ truyền thông trả phí.

Khoảng trống nghiên cứu và giải pháp bảo mật lớp vật lý

Trước đây, các giải pháp an ninh mạng chủ yếu dựa vào thuật toán mã hóa phức tạp ở tầng ứng dụng hoặc tầng liên kết dữ liệu. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các siêu máy tính và điện toán lượng tử khiến các cơ chế mã hóa toán học truyền thống có nguy cơ bị phá vỡ. Do đó, Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) trở thành hướng tiếp cận chiến lược. Thay vì dựa vào độ phức tạp tính toán, PLS khai thác chính đặc tính ngẫu nhiên của kênh truyền vô tuyến vô tuyến (nhiễu, suy hao, fading) và dung lượng kênh Shannon để đảm bảo kênh truyền hợp pháp có chất lượng vượt trội hơn kênh nghe lén. Việc kết hợp mảng anten (Antenna Array) phát chùm sóng định hướng (Beamforming) cùng kỹ thuật NOMA là hướng đi cấp thiết nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ đồng thời thiết lập rào chắn an ninh vững chắc ngay tại lớp vật lý.

---

Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận

  +-------------------------------------------------------------+
  |                   NÚT NGUỒN PHÁT (S)                        |
  |  - Ghép tín hiệu NOMA: xS = sqrt(α1)*x1 + sqrt(α2)*x2      |
  |  - Mảng Anten Tuyến tính (N phần tử) -> Hệ số mảng AF(N,ϕ)  |
  +-------------------------------------------------------------+
                   /                               \
                  / Búp sóng chính                  \ Búp sóng phụ / suy giảm
                 /                                   \
                v                                     v
  +---------------------------+        +---------------------------+
  |     NÚT ĐÍCH (D)          |        |    KẺ NGHE LÉN (E)        |
  | - 1 Anten thu             |        | - 1 Anten thu             |
  | - Kênh Rayleigh h_SD      |        | - Kênh Rayleigh h_SE      |
  | - Giải mã SIC: x1 -> x2   |        | - Cố gắng thực hiện SIC   |
  +---------------------------+        +---------------------------+

Thiết kế mô hình hệ thống

Mô hình nghiên cứu được xây dựng gồm 3 nút mạng cơ bản:

1. Nút nguồn phát ($S$): Nằm tại gốc tọa độ, được trang bị một mảng anten tuyến tính đồng nhất gồm $N$ phần tử, khoảng cách giữa các phần tử là $d$, được cấp dòng cùng biên độ nhưng lệch pha để định hình búp sóng chính hướng thẳng về phía nút đích $D$. Nguồn $S$ phát đồng thời hai luồng tín hiệu $x_1$ và $x_2$ cho người dùng bằng cơ chế ghép công suất NOMA: $$x_S = \sqrt{\alpha_1} x_1 + \sqrt{\alpha_2} x_2$$ với $\alpha_1 + \alpha_2 = 1$ và $\alpha_1 > \alpha_2$.
2. Nút đích hợp pháp ($D$): Trang bị 1 anten đơn, nhận tín hiệu trực tiếp từ búp sóng cực đại của $S$.
3. Kẻ nghe lén thụ động ($E$): Trang bị 1 anten đơn, nằm tại vị trí tạo góc $\phi_{SE}$ so với trục mảng anten của nguồn $S$, luôn tìm cách chặn bắt và giải mã dữ liệu của cả hai tín hiệu $x_1, x_2$.

Kỹ thuật phân tích toán học và kênh truyền

• Mô hình kênh: Tất cả các liên kết truyền thông ($S \to D$ và $S \to E$) đều chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading phẳng Rayleigh độc lập, với các hệ số kênh $h_{SD}$ và $h_{SE}$. Độ lợi công suất kênh $|h_{SD}|^2$ và $|h_{SE}|^2$ tuân theo hàm phân phối tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) phân phối mũ với các tham số tỷ lệ $\lambda_{SD}, \lambda_{SE}$.
• Hệ số sắp xếp mảng anten (Array Factor - $AF$): $$AF(N, \phi) = \frac{\sin\left(\frac{N(kd\cos\phi + \beta)}{2}\right)}{\sin\left(\frac{kd\cos\phi + \beta}{2}\right)}$$ Độ lợi anten tương ứng theo hướng nút $D$ và $E$ lần lượt là $G_{SD} = |AF(N, \phi_{SD})|^2$ và $G_{SE} = |AF(N, \phi_{SE})|^2$.
• Cơ chế thu và giải mã SIC: Nút $D$ và nút $E$ trước hết giải mã tín hiệu công suất lớn $x_1$ bằng cách coi $x_2$ là nhiễu, sau đó áp dụng SIC để loại bỏ hoàn toàn thành phần $x_1$ và tiếp tục giải mã $x_2$.
• Thiết lập công thức xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability - $SOP$): Dung lượng bảo mật tức thời được xác định bằng hiệu dung lượng kênh truyền hợp pháp và kênh nghe lén: $C_{sec}^{x_i} = [C_D^{x_i} - C_E^{x_i}]^+$. Xác suất dừng bảo mật được tính toán theo ngưỡng tốc độ truyền dẫn mục tiêu $C_{th}$: $$SOP_{x_i} = \Pr(C_{sec}^{x_i} < C_{th})$$

Độ tin cậy và phương pháp kiểm chứng mô phỏng

Để đảm bảo tính xác thực khoa học tuyệt đối cho các biểu thức giải tích đã dẫn xuất, nghiên cứu thực hiện mô phỏng số thông qua phương pháp Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB với:

• $10.000$ lần lặp cho việc tính toán xác suất dừng $SOP$.
• $1.000.000$ bit truyền độc lập cho việc đánh giá tỷ lệ lỗi bit $BER$ của hệ thống dưới các điều kiện tỷ số công suất phát trên tạp âm $Q = P_s/N_0$ thay đổi từ $0$ dB đến $30$ dB.

---

Các phát hiện nghiên cứu chính

1. Sự ăn khớp chặt chẽ giữa công thức lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm

Kết quả phân tích trên đồ thị cho thấy các đường cong biểu diễn giải tích toán học của xác suất dừng bảo mật ($SOP$) và tỷ lệ lỗi bit ($BER$) bám sát hoàn hảo các điểm dữ liệu mô phỏng Monte-Carlo. Điều này chứng minh độ tin cậy và tính đúng đắn cao của các công thức giải tích tích phân đóng mà đề tài đã xây dựng.

Thông số đánh giá	Tác động lên tín hiệu $x_1$	Tác động lên tín hiệu $x_2$	Kết luận bảo mật chung
Tăng hệ số $\alpha_1$	$SOP$ giảm mạnh (Bảo mật tăng)	$SOP$ tăng nhẹ	Tối ưu hóa điểm phân bổ công suất giúp cân bằng bảo mật cả 2 luồng tin
Tăng số anten $N$ tại nút $S$	$SOP$ giảm sâu, $BER$ giảm nhanh	$SOP$ giảm sâu, $BER$ giảm nhanh	Tăng số anten cải thiện vượt bậc an toàn lớp vật lý
Tăng SNR hệ thống ($Q$ dB)	Phụ thuộc vào độ lợi $G_{SE}$	$SOP$ giảm đều đặn	Nếu $E$ ở gần hướng chính ($G_{SE}$ cao), tăng $Q$ có thể làm tăng nguy cơ nghe lén
Thay đổi góc lệch $\phi_{SE}$	$SOP$ biến thiên theo đồ thị bức xạ	$SOP$ biến thiên theo đồ thị bức xạ	Vị trí nghe lén tại các góc triệt tiêu của anten có $SOP \approx 0$

2. Tác động phân bổ công suất NOMA ($\alpha_1$) đến hiệu năng bảo mật

Khi hệ số phân bổ công suất $\alpha_1$ tăng lên (đồng nghĩa công suất dành cho $x_2$ là $\alpha_2 = 1 - \alpha_1$ giảm xuống):

• Tín hiệu $x_1$ nhận được mức năng lượng cao hơn, giúp tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu ($SINR$) tại nút đích $D$ tăng vượt bậc so với nút nghe lén $E$, dẫn đến xác suất dừng bảo mật của $x_1$ giảm rõ rệt.
• Ngược lại, xác suất dừng bảo mật của tín hiệu $x_2$ có xu hướng tăng nhẹ do công suất phân bổ $\alpha_2$ bị co hẹp.

3. Hiệu quả vượt trội của mảng anten trong việc triệt tiêu nghe lén

Khi số lượng phần tử anten tại nút phát $S$ tăng từ $N = 2$ lên $N = 4$ và $N = 5$:

• Độ rộng búp sóng chính bị thu hẹp đáng kể và hướng trực diện vào nút $D$, nâng cao hệ số khuếch đại $G_{SD}$.
• Năng lượng phát tán về các hướng phụ (nơi có kẻ nghe lén $E$) bị suy giảm sâu ($G_{SE} \ll G_{SD}$).
• Kết quả là xác suất dừng bảo mật $SOP$ của cả hai tín hiệu $x_1, x_2$ giảm mạnh, đồng thời tỷ lệ lỗi bit $BER$ tại nút đích $D$ giảm nhanh theo hàm mũ khi tăng công suất phát $Q$ (dB), trong khi tỷ lệ $BER$ tại nút nghe lén $E$ duy trì ở mức rất cao, khiến kẻ xấu không thể khôi phục được thông tin gốc.

4. Phát hiện bất ngờ về mối quan hệ giữa công suất phát $Q$ và vị trí kẻ nghe lén

Nghiên cứu chỉ ra một hiện tượng phi tuyến tính quan trọng: Việc tăng công suất phát $Q$ không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích bảo mật.

• Nếu nút nghe lén $E$ nằm ở vị trí có độ lợi anten lớn ($G_{SE} = 1$, gần hướng búp sóng chính), việc tăng $Q$ sẽ vô tình cung cấp cho nút $E$ mức $SNR$ đủ cao để giải mã thành công $x_1$ qua kỹ thuật SIC, làm cho xác suất dừng bảo mật bị tăng lên (tính bảo mật suy giảm).
• Chỉ khi mảng anten điều hướng búp sóng sao cho $G_{SE}$ nhỏ ($G_{SE} \le 0.1$), việc tăng công suất phát mới phát huy tối đa hiệu quả bảo mật lớp vật lý.

---

Đóng góp khoa học và giá trị học thuật

+-------------------------------------------------------------------------+
|                       ĐÓNG GÓP CỦA CÔNG TRÌNH                           |
+------------------------------------+------------------------------------+
|         LÝ THUYẾT & TOÁN HỌC        |         KỸ THUẬT & ỨNG DỤNG        |
| - Thiết lập công thức giải tích     | - Tích hợp NOMA + Mảng Anten       |
|   chuẩn xác cho SOP và BER.         |   giúp bảo mật không cần mật mã.   |
| - Đánh giá trường hợp xấu nhất     | - Làm chủ phần mềm mô phỏng        |
|   (Worst-case Eavesdropping SIC).   |   hỗ trợ thiết kế mạng 5G/6G.      |
+------------------------------------+------------------------------------+

1. Đóng góp về mặt lý thuyết và mô hình toán học

• Đã thiết lập thành công khung phân tích toán học giải tích tường minh cho Xác suất dừng bảo mật ($SOP$) và Tỷ lệ lỗi bit ($BER$) của hệ thống NOMA đa người dùng kết hợp kỹ thuật mảng anten phát trên kênh truyền fading Rayleigh.
• Khảo sát toàn diện trường hợp nghe lén xấu nhất (Worst-case Scenario) khi nút $E$ có năng lực xử lý SIC lý tưởng, cung cấp chặn dưới an toàn cho việc đánh giá hệ thống thực tế.

2. Đổi mới phương pháp luận và kỹ thuật

• Kết hợp đồng thời 3 trụ cột công nghệ viễn thông tiên tiến: Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong miền công suất (NOMA), Kỹ thuật điều khiển búp sóng mảng anten (Beamforming/Antenna Array), và Lý thuyết bảo mật lớp vật lý (PLS).
• Chứng minh định lượng tính khả thi của việc thay thế hoặc bổ trợ các cơ chế mã hóa tầng cao phức tạp bằng các giải pháp vô tuyến tại lớp vật lý, giúp giảm độ trễ xử lý và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị đầu cuối.

3. Giá trị thực tiễn và chuyển giao công nghệ

• Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho công tác đào tạo đại học và sau đại học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông (các môn học: Hệ thống viễn thông, Thông tin di động, Thông tin vô tuyến nâng cao).
• Đặt nền móng cho việc thiết kế và cấu hình các trạm gốc (Base Station) thông minh trong mạng di động 5G-Advanced và 6G tương lai, tối ưu hóa thuật toán phân chia công suất và định hướng anten nhằm bảo vệ luồng dữ liệu của người dùng.

---

Đối tượng hưởng lợi và phạm vi quan tâm

1. Giảng viên, Nghiên cứu sinh và Học viên Cao học

• Nguồn tài liệu học thuật tham khảo trực tiếp về mô hình hóa toán học kênh truyền vô tuyến, kỹ thuật NOMA, giải mã SIC và phương pháp mô phỏng Monte-Carlo trên MATLAB.
• Gợi mở các hướng phát triển đề tài mở rộng như: Mạng NOMA chuyển tiếp đa chặng (Cooperative Relay), Bảo mật mạng MIMO-NOMA quy mô lớn, hay Thu thập năng lượng vô tuyến (SWIPT-NOMA).

2. Kỹ sư R&D và Chuyên gia Quy hoạch Mạng Vô tuyến

• Cung cấp các thông số kỹ thuật then chốt (Hệ số phân bổ công suất $\alpha$, số phần tử anten $N$, ngưỡng công suất $Q$, góc đặt anten) phục vụ việc lập trình và thiết kế phần cứng cho các thiết bị trạm phát sóng di động (BS) và thiết bị đầu cuối (UE).

3. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách an ninh thông tin

• Bổ sung cơ sở khoa học để đánh giá mức độ an toàn của các chuẩn giao tiếp vô tuyến thế hệ mới, hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về bảo vệ dữ liệu truyền thông không dây trong các mạng chuyên dụng trọng yếu.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài này là gì?

Trả lời: Đề tài chứng minh rằng việc tích hợp mảng anten tuyến tính vào nút phát NOMA có thể khắc phục triệt để điểm yếu rò rỉ thông tin của mạng đa truy cập miền công suất. Bằng cách tăng số lượng phần tử anten để thu hẹp búp sóng phát, hệ thống vừa tối ưu hóa được công suất truyền đến người dùng hợp pháp, vừa đẩy xác suất nghe lén tại nút $E$ về mức suy giảm nghiêm trọng mà không cần thuật toán mã hóa phức tạp.

2. Phương pháp nghiên cứu của đề tài có điểm gì đặc biệt?

Trả lời: Nghiên cứu đã kết hợp chặt chẽ giữa dẫn xuất giải tích toán học lý thuyết (xây dựng các tích phân đóng cho $SOP$) và kiểm chứng thực nghiệm bằng mô phỏng số Monte-Carlo với quy mô mẫu lớn ($10^4$ lần thử và $10^6$ bit truyền). Cách tiếp cận này giúp cô lập và đánh giá chính xác từng thông số như số anten $N$, tỷ lệ $\alpha$, mức SNR $Q$, và góc không gian $\phi_{SE}$.

3. Kết quả nghiên cứu có thể tổng quát hóa cho các mô hình mạng khác không?

Trả lời: Hoàn toàn có thể. Khung lý thuyết và phương pháp phân tích trong đề tài có thể mở rộng trực tiếp cho các hệ thống phức tạp hơn như mạng MIMO-NOMA đa anten ở cả phía thu và phát, mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Underlay/Overlay), mạng chuyển tiếp cộng tác (Cooperative Relaying), hoặc các hệ thống truyền thông bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS).

4. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu này là gì?

Trả lời: Các hướng nghiên cứu kế tiếp bao gồm: Tối ưu hóa phân bổ công suất động thích nghi theo trạng thái kênh truyền thực tế (CSI không hoàn hảo), khảo sát tác động của kẻ nghe lén chủ động phát nhiễu (Active Jammer/Eavesdropper), và thử nghiệm trên các nền tảng vô tuyến phần mềm định hình (SDR - Software Defined Radio).

5. Khả năng ứng dụng thực tiễn của công trình như thế nào?

Trả lời: Kết quả nghiên cứu ứng dụng trực tiếp trong việc thiết kế các thuật toán phân bổ tài nguyên và điều khiển búp sóng tại các trạm gốc 5G/6G, bảo vệ an toàn truyền dẫn cho các mạng cục bộ công nghiệp (Industrial IoT), hệ thống thông tin xe cộ (V2X), và truyền thông vệ tinh tầm thấp.

---

Kết luận

Báo cáo nghiên cứu khoa học đề tài trọng điểm cấp trường "Mô phỏng và phân tích các thông số của bảo mật lớp vật lý trong mạng truyền thông không trực giao NOMA" (Mã số: T2020-38TĐ) do ThS. Trương Ngọc Hà chủ nhiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán bảo mật thông tin trong mạng NOMA thông qua việc tích hợp mảng anten phát định hướng.

Công trình không chỉ hoàn thiện hệ thống cơ sở lý thuyết và công thức giải tích cho xác suất dừng bảo mật ($SOP$) và tỷ lệ lỗi bit ($BER$), mà còn cung cấp bức tranh định lượng rõ ràng về tác động của các tham số vật lý then chốt. Đây là nguồn tư liệu khoa học chất lượng cao, đóng góp thiết thực cho công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu và định hướng triển khai các công nghệ bảo mật vô tuyến tiên tiến cho kỷ nguyên mạng di động thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Ngay nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra một cách mạnh mẽ trên toàn cầu, trong đó lĩnh vực viễn thông là đầu tàu của cuộc cách mạng đó. Hàng loạt các hệ thống vô tuyến và các chuẩn giao tiếp như Wifi, LTE, Wimax, HSPA+…đã ra đời [1],[2], điều đó góp phần thoả mãn nhu cầu về truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, tần số là tài nguyên có hạn và sự xuất hiện của các hệ thống này làm nguồn tài nguyên này ngày càng cạn kiệt, hiệu suất sử dụng phổ tần số còn thấp.

Một kỹ thuật đa truy cập đầy tiềm năng và triển vọng được cho rằng sẽ cải thiện hiệu suất phổ của mạng thông tin di động vừa được công nhận, đó là kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) [3], [4]. NOMA là kỹ thuật cho phép với cùng một người dùng gởi cùng lúc nhiền tín hiệu trên cùng một băng tần đến một hoặc nhiều người dùng khác. Điều đó được thực hiện bằng cách ghép ghép tuyến tính các dữ liệu lại với nhau rồi gởi tín hiệu đã ghép tới các bên nhận. Ở phía thu dữ liệu, chúng sẽ được giải mã theo cơ chế khử nhiễu tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)) [5].

Tuy nhiên, do tín hiệu truyền từ nguồn đến nơi nhận qua môi trường vô tuyến nên dễ bị tấn công hoặc nghe lén. Hiện tại, các phương pháp bảo mật thường được triển khai ở lớp ứng dụng: các kỹ thuật mã hóa, xác thực(như WEP, WPA,…). Việc triển khai các giải pháp bảo mật trên đòi hỏi nhiều về các kỹ thuật, tính toán, và tích hợp vào hệ thống. Bên cạnh đó, các phương thức tấn công mạng cũng thay đổi và phát triển không ngừng[6].

Ngay nay, một hướng nghiên cứu mới nhằm tìm ra các giải pháp tăng cường khả năng bảo mật cho mạng vô tuyến ở lớp vật lý [7]. Hướng tiếp cận này dựa trên lý thuyết về bảo mật thông tin: một hệ thống truyền thông không dây có khả năng bảo mật nếu dung lượng kênh truyền hợp pháp lớn hơn dung lượng kênh truyền nghe lén. Đây là một kỹ thuật đơn giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật toán mã hóa phức tạp trên tầng ứng dụng [7]. 1 Luan van Một trong những hướng nghiên cứu về bảo mật lớp vật lý là dùng kỹ thuật beamforming.

Beamforming là kỹ thuật dựa trên việc điều chỉnh dòng và pha cung cấp cho một mảng anten để điều chỉnh tín hiệu đến được nơi cần đến tốt nhất còn các hướng khác tín hiệu sẽ rất nhỏ [8], [9], [10]. 2 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. BẢO MẬT LỚP VẬT LÝ Trong môi trường làm việc hiện đại, việc truy cập tìm kiếm và trao đổi thông tin đã trở thành thói quen hàng ngày không thể thiếu của con người. Cùng với sự ra đời của các thiết bị công nghê cao như smartphone, laptop, smart tv,… Và nhu cầu làm việc năng động, di chuyển dể dàng của con người trong thời buổi cách mạng công nghiệp 4.0 thì thông tin vô tuyến cũng theo đó phát triển không ngừng.

Do bản chất phát sóng ra không gian tự do, truyền thông không dây giữa những người dùng hợp pháp rất dễ bị tấn công nghe lén đánh cắp dữ liệu thông tin từ bên thứ ba [6]. Đặc biệt trong các lĩnh vực như an ninh, quân sự, tài chính ngân hàng và truyền hình trả tiền thì việc nghe lén thông tin làm đe dọa đến an ninh quốc gia, bảo mật thông tin, bản quyền truyền hình,… Do đó cần tìm ra một giải pháp bảo mật hiệu quả để đảm bảo tính bảo mật thông tin, tính toàn vẹn đối với việc truyền thông tin đi là rất cần thiết. Trong mạng không dây hiện nay, hầu hết các hệ thống bảo mật đều sử dụng cơ chế bảo mật dựa trên việc tính toán phức tạp, mà người ta cho rằng chưa có cách nào hiểu quả ngoài cách vét cạn vì với giả định kẻ xấu có khả năng tính toán hạn chế và không đủ những thuật toán hiệu quả. Tuy nhiên, việc giả định này hết sức thiếu thuyết phục vì tri thức của con người là vô tận và cùng với đó là sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ cho ra đời nhiều siêu máy tính để phục vụ cho một khối lượng tính toán khổng lồ (như máy tính lượng tử) và được cung cấp trang bị, lập trình trước bằng những thuật toán hiệu quả có hiệu suất cao hơn.

Do đó, đã có những nghiên cứu đáng chú ý gần đây về khả năng cơ bản của lớp vật lý để cung cấp thông tin liện lạc không dây an toàn. Mô hình này được gọi là bảo mật thông tin ở lớp vật lý. Bảo mật ở lớp vật lý là một lĩnh vực nghiên cứu mới về khả năng truyền đạt, truyền tải dữ liệu được bảo mật hoàn hảo giữa máy thu và máy phát. 3 Luan van Hướng tiếp cận bảo mật lớp vật lý xây dựng dựa trên lý thuyết bảo mật thông tin, với nguyên lý cơ bản: một hệ thống truyền thông không dây có khả năng bảo mật nếu dung lượng kênh truyền hợp pháp lớn hơn dung lượng kênh truyền bất hợp pháp.

Cách tiếp cận này tuy đơn giản nhưng hiệu quả do tập trung giải quyết vấn đề bảo mật ngay ở mức thông tin nhằm hạn chế khả năng thu nhận thông tin bất hợp pháp [8]. Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) là một kỹ thuật đơn giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật toán mã hóa phức tạp ở các lớp trên [7].1 miêu tả mô hình bảo mật lớp vật lý đơn giản, trong đó Alice (A) muốn giao tiếp với Bob (B) và Eva (E) muốn nghe lén thông tin mà Alice gửi đến Bob. Giả sử, dung lượng kênh của liên kết giữa A và B là C𝐴𝐵 và dung lượng kênh của kênh nghe lén là C𝐴𝐸 , thì dung lượng kênh bảo mật được định nghĩa như sau. Mô hình bảo mật lớp vật lý với 3 nút cơ bản Theo như công thức (2.1) có định nghĩa rằng dung lượng bảo mật là một đại lượng không âm, và khi dung lượng kênh dữ liệu lớn hơn dung lượng kênh nghe 4 Luan van lén thì dung lượng bảo mật bằng hiệu của dung lượng kênh dữ liệu trừ đi dung lượng kênh nghe lén.

Để so sánh cũng như đánh giá mức độ bảo mật của các hệ thống vô tuyến, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các thông số sau:  Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability(SOP)) được định nghĩa là xác suất dung lượng bảo mật nhỏ hơn một giá trị dương cho trước 𝐶𝑡ℎ nào đó và có công thức như sau: SOP = Pr (C𝑆𝑒𝑐 < 𝐶𝑡ℎ ) (2.2)  Xác suất dung lượng bảo mật khác không (Probability of Non-Zero Secrecy Capacity (PNSC)) là thông số bảo mật của hệ thống thể hiện xác suất mà dung lượng Shannon của kênh truyền dữ liệu lớn hơn kênh nghe trộm, và có công thức như sau: PNSC = Pr(C𝑆𝑒𝑐 > 0 ) = Pr(C𝐴𝐵 − C𝐴𝐸 > 0 ) = Pr(C𝐴𝐵 > C𝐴𝐸 ) (2.3) Dung lượng bảo mật trung bình (Average Secrecy Capacity (ASC)): là giá trị trung bình của dung lượng bảo mật.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 Tổng quan Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của mạng truyền thông vô tuyến(wireless communications) đã tăng trưởng một cách nhanh chóng. Thông tin vô tuyến đã và đang phát triển mạnh mẽ, phục vụ số lượng ngày càng tăng các thiết bị thông minh. Tuy nhiên, đi đôi với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, sự cạn kiệt nguồn tài nguyên về phổ tần là một vấn đề không thể tránh khỏi. Bởi vì băng tần là tài nguyên hữu hạn, vì vậy đòi hỏi các nhà nghiên cứu và các nhà đầu tư phải đưa ra những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.

Năm 1998, 5 Luan van trong một cuộc hội thảo tại Viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm, Joseph Mitola đã đưa ra khái niệm vô tuyến nhận thức(Cognitive Radio) và được công bố năm 1999 [3]. Các mạng thông tin vô tuyến hiện nay đang ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại để tối ưu chất lượng dịch vụ cũng như khai thác một cách hiệu quả bằng tần được cấp phép. Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chưa được khai thác một cách triệt để, vẫn còn những hố phổ (những nơi chưa được khai thác, sử dụng).2: Minh họa hố phổ Công nghệ vô tuyến nhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, các người dùng phụ có khả năng sử dụng phổ tần được chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dùng chính được cấp phép. Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng (Hình 2.

Nếu phổ tần này được người dùng chính (người dùng cấp phép) sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một phổ tần thì phải thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến người dùng chính.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức. Vô tuyến nhận thức là một mô hình mới có khả năng tự nhận thức được các thực thể, rất nhạy cảm với môi trường xung quanh và có khả năng tương tác với 6 Luan van môi trường xung quanh nhanh chóng để tự cấu hình hoặc tái thiết lập mạng, đây là một ý tưởng hoàn toàn mới dành cho mạng vô tuyến. Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ mới, mà nó là một sự thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến. Vô tuyến nhận thức cho phép đầu cuối có thể cảm biến, nhận biết và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định.

Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như: J. Mitola đã định nghĩa : Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến. Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay không, và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác”.