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”.