Luận văn thạc sĩ kỹ thuật viễn thông phân tích hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp hai chiều có thu thập năng lượng vô tuyến

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật viễn thông phân tích hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp hai chiều có thu thập năng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Hồ Văn Khương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông
• Đề tài: Phân Tích Hiệu Năng Bảo Mật Trong Mạng Chuyển Tiếp Hai Chiều Với Năng Lượng Vô Tuyến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Trong phần này, luận văn trình bày cơ sở lý thuyết của hiệu năng bảo mật trong mạng chuyển tiếp hai chiều, với một trọng tâm đặc biệt vào việc thu thập năng lượng vô tuyến. Sự gia tăng nhu cầu về bảo mật thông tin trong các hệ thống viễn thông hiện đại là điều không thể phủ nhận, đặc biệt khi các thiết bị di động ngày càng trở nên phổ biến. Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống TWR có thu thập năng lượng, từ đó đề xuất các mô hình và giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất mạng. Một trong những điểm nổi bật là việc sử dụng bảo mật lớp vật lý (PLS) để cải thiện khả năng bảo mật mà không cần phải phụ thuộc vào các phương pháp mã hóa truyền thống, vốn có thể tốn kém và phức tạp.

1.1 Tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về bảo mật thông tin trong mạng không dây đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong những năm gần đây. Bảo mật lớp vật lý đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để bảo vệ thông tin trong các kênh truyền thông không dây. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng các tính chất vật lý của kênh truyền có thể nâng cao khả năng bảo mật mà không cần đến mã hóa phức tạp. Điều này rất quan trọng trong bối cảnh mà mạng hai chiều đang trở nên phổ biến và cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất mạng.

II. Cơ sở lý thuyết

Phần này tập trung vào việc xây dựng nền tảng lý thuyết cho các khái niệm liên quan đến mạng chuyển tiếp hai chiều và thu thập năng lượng. Mạng không dây là một phần không thể thiếu trong hệ thống viễn thông hiện đại, và việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cũng như bảo mật thông tin là cực kỳ quan trọng. Các mô hình kênh truyền, như mô hình Rayleigh, sẽ được phân tích để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bảo mật. Đặc biệt, việc đánh giá các thông số như xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn sẽ được thực hiện nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng bảo mật của hệ thống.

2.1 Mô hình kênh truyền

Mô hình kênh truyền Rayleigh được sử dụng để mô phỏng các điều kiện thực tế trong mạng không dây. Điều này cho phép đánh giá chính xác hơn về hiệu suất bảo mật trong các tình huống thực tế. Việc phân tích các hiện tượng như fading và multi-path sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách mà các tín hiệu có thể bị ảnh hưởng trong quá trình truyền tải. Các thông số như tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cũng sẽ được xem xét để đánh giá khả năng bảo mật của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

III. Đánh giá hiệu năng bảo mật

Trong phần này, luận văn sẽ trình bày các kết quả đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống TWR có thu thập năng lượng. Các biểu thức toán học sẽ được xây dựng để đánh giá các thông số quan trọng như xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn. Việc mô phỏng Monte Carlo sẽ được sử dụng để kiểm chứng các biểu thức này, từ đó xác định độ tin cậy của các mô hình đã đề xuất. Kết quả sẽ chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số vận hành có thể nâng cao đáng kể hiệu suất bảo mật của hệ thống.

3.1 Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống TWR sẽ được xây dựng dựa trên các yếu tố như thu thập năng lượng và bảo mật lớp vật lý. Việc phân tích các tín hiệu x1 và x2 sẽ giúp đánh giá hiệu suất mạng trong các điều kiện khác nhau. Các thông số như tỉ lệ dừng kết nối và tỉ lệ dừng đánh chặn sẽ được đưa vào mô hình để xác định khả năng bảo mật của hệ thống. Kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật.

IV. Kết quả mô phỏng và nhận xét

Kết quả mô phỏng sẽ được trình bày để đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống TWR. Các biểu đồ và số liệu sẽ được sử dụng để minh họa sự ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn. Phân tích này sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách mà năng lượng vô tuyến có thể được thu thập và sử dụng hiệu quả trong các mạng chuyển tiếp hai chiều. Sự khác biệt trong các kết quả sẽ được thảo luận để tìm ra các giải pháp tối ưu cho vấn đề bảo mật trong môi trường không dây.

4.1 Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy mối quan hệ giữa hiệu suất bảo mật và các thông số như công suất jamming và tốc độ ngưỡng. Việc phân tích sẽ chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể nâng cao đáng kể khả năng bảo mật của hệ thống. Các biểu đồ sẽ minh họa rõ ràng sự thay đổi của xác suất dừng kết nối và xác suất dừng đánh chặn theo các điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các yếu tố này tương tác với nhau trong môi trường thực tế.

V. Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

Phần kết luận sẽ tóm tắt các kết quả đạt được từ nghiên cứu về hiệu năng bảo mật trong mạng chuyển tiếp hai chiều có thu thập năng lượng vô tuyến. Các khuyến nghị cho các nghiên cứu trong tương lai sẽ được đưa ra, bao gồm các phương pháp cải tiến bảo mật và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Sự phát triển của công nghệ viễn thông trong tương lai sẽ cần phải tiếp tục chú trọng đến các vấn đề này để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho người dùng.

5.1 Kết quả đã đạt được

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng bảo mật lớp vật lý có thể cải thiện đáng kể khả năng bảo mật trong mạng chuyển tiếp hai chiều. Những phát hiện này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, giúp các nhà thiết kế hệ thống viễn thông có cơ sở để phát triển các giải pháp bảo mật hiệu quả hơn trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sự gia tăng trong nhu cầu sử dụng dữ liệu di động Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu tăng 71% so với năm trước (2016) trong năm 2017. Tốc độ tăng trưởng thay đổi theo khu vực, với Trung Đông và Châu Phi có tốc độ tăng trưởng cao nhất (92%), tiếp theo là Châu Á Thái Bình Dương (86%), Mỹ Latinh (68 %), và Trung và Đông Âu (66%). Tây Âu tăng trưởng ước tính 60% và Bắc Mỹ tăng trưởng 23% trong năm 2017 (tham khảo Hình 1. Ở cấp quốc gia, Trung Quốc, Pháp và Nam Phi dẫn đầu tăng trưởng toàn cầu ở mức 178%, 149% và 98%.

Trung Quốc cùng với Indonesia và Ấn Độ là một trong ba quốc gia dẫn đầu tăng trưởng lưu lượng di động trong năm 2016 [4]. Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu năm 2017 BẮC MỸ 23% TÂY ÂU 60% TRUNG VÀ ĐÔNG ÂU 66% MỸ LATIN 68% CHÂU Á THÁI BÌNH DƯƠNG 86% TRUNG ĐÔNG VÀ CHÂU PHI 92% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Hình 1.1: Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu năm 2017 (Nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu từ năm 2017 đến 2022 1 Lưu lượng dữ liệu di động tổng thể dự kiến sẽ là 77 exabytes mỗi tháng vào năm 2022, tăng gấp 7 lần so với năm 2017. Lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR (tỉ lệ gia tăng tích lũy hằng năm) là 46% từ năm 2017 đến năm 2022 (Hình 1. 90 EXABYTES MỖI THÁNG CỦA CÁC NĂM 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2017 2018 2019 2020 2021 2022 CÁC NĂM Hình 1.2: CISCO dự đoán lưu lượng mỗi tháng là 77 Exabytes trước năm 2022 (Nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) Lưu lượng truy cập khu vực Châu Á Thái Bình Dương sẽ chiếm 56% tổng số lưu lượng truy cập di động toàn cầu vào năm 2022.

Bắc Mỹ sẽ chỉ có thị phần đứng thứ tư vào năm 2022, bị vượt qua bởi Trung-Đông Âu, Trung Đông và Châu Phi. Trung Đông và Châu Phi sẽ có tốc độ CAGR cao nhất là 56%, tăng gấp 9 lần trong giai đoạn dự báo. Châu Á Thái Bình Dương sẽ có CAGR cao thứ hai là 49%, tăng gấp 7 lần trong giai đoạn dự báo. Qua số liệu trên, có thể thấy một con số khổng lồ của nhu cầu lưu lượng thông tin di động.

Với nhu cầu lưu lượng càng cao thì bài toán bảo mật cần phải giải quyết cấp bách. Bởi lẽ sự phát triển của tốc độ mạng di động càng cao đồng nghĩa dữ liệu cá nhân có thể bị xâm phạm, nghe lén, thu thập một cách nhanh chóng. Gần đây nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề nâng cao hiệu suất và đồng thời tăng tính bảo mật được quan tâm. Trong luận văn này, kỹ thuật chuyển tiếp và bảo mật lớp vật lý sẽ được xem xét và thiết kế để đáp ứng mục tiêu nâng cao hiệu năng hệ thống.2 Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thông Sự phát triển nhanh chóng và rộng rãi của kỹ thuật thông tin và truyền thông (ICT) kéo theo việc tiêu thụ năng lượng cũng sẽ gia tăng.

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Macro Micro Pico Femto/Home PA Main Supp DC-DC RF BB Cooling Hình 1.3:Tỷ lệ mức tiêu thụ năng lượng của một trạm gốc BS trong hệ thống di động tế bào (Nguồn: cordis.3 mô tả tỷ lệ mức tiêu thụ năng lượng của một trạm gốc BS trong hệ thống di động tế bào. Trong các biểu đồ ở Hình 1.3, chỉ ra rằng tiêu thụ năng lượng nhiều nhất đó là khuếch đại công suất – PA và xử lý giải nền – BB. Cụ thể như sau - Với phần khuếch đại công suất PA thì mô hình Macro cell, phần khuếch đại công suất chiếm 57% tổng năng lượng tiêu thụ, và giảm dần. Các hệ thống Micro cell là 38%, pico cell là 28% và Femto cell là 22%.

- Đối với phần xử lý giải nền (BB), mô hình Femto cell có tỷ lệ tiêu thụ năng lượng nhiều nhất là 47%, kế đến là pico cell 41%, kế tiếp là Micro cell là 38%, cuối cùng là Macro cell 13%. Như vậy, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất sử dụng năng lượng khi trực tiếp tác động vào hai phần tiêu thụ năng lượng có tỷ lệ lớn này. Hơn nữa, sự tiêu thụ năng lượng của ngành công nghiệp viễn thông nói chung và của các thiết bị di động nói riêng được nhận định là thuộc nhóm các ngành tiêu thụ năng lượng lớn (ví dụ như, Telecom Italia là công ty tiêu thụ điện thứ hai tại Italia, và xét trên tổng thể thì sự tiêu thụ năng lượng của mạng di dộng đang gia tăng nhanh hơn kỹ thuật ICT [5]. Ngoài ra, với sự gia tăng đáng kể của các thiết bị thông minh và kết nối vô tuyến đang trở nên được ưa chuộng hơn thì việc 3 tiêu thụ năng lượng của các kết nối vô tuyến sẽ gia tăng một cách đáng kể nếu không có các biện pháp phù hợp được áp dụng.

Theo thống kê trong [6], [7], [8], lượng năng lượng tiêu thụ khổng lồ tại các trạm gốc (BS) dẫn đến tiêu tốn chi phí cao trong truyền thông vô tuyến. Hơn 50% năng lượng được sử dụng cho phần truy cập vô tuyến (RA), và 50% – 80% được sử dụng cho phần khuếch đại công suất (PA). Cũng theo [8], chi phí năng lượng xấp xỉ 18% của tổng chi phí trong thị trường Châu Âu và hơn 32% tại Ấn Độ. Sự ảnh hưởng của vấn đề năng lượng có thể được thể hiện qua ba khía cạnh sau: • Về khía cạnh người phát triển hệ thống, để giảm chi phí vận hành, hoạt động dựa trên giảm năng lượng tiêu thụ, một số các công ty lớn đã bắt đầu các dự án về hiệu quả năng lượng như Huawei với tên gọi “Green Communications, Green Huawei, and Green World” như trong [9], hay của công ty Ericsson như trong [6].

• Về khía cạch người sử dụng, vấn đề năng lượng trong truyền thông vô tuyến là vấn đề tất yếu để duy trì kết nối. Sẽ là rào cản lớn nhất trong khai thác dịch vụ vô tuyến khi thời lượng sử dụng năng lượng lưu trữ bị hạn chế. • Về vấn đề môi trường, sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là góp phần vào cuộc chiến bảo vệ môi trường, cắt giảm khí thải nhà kính. Trong đó ngành viễn thông thế giới chiếm khoảng 5% tổng khí thải CO2 [7].

Vì vậy thiết kế, khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng sẽ có ý nghĩa lớn cho môi trường cả hiện tại và tương lai. Từ các tình hình phát triển như nêu trên, hiệu suất năng lượng EE không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn mà còn thể hiện được trách nhiệm xã hội khi tham gia vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, đây được xem là bước chuyển cần thiết và quan trọng từ việc tối ưu dung lượng và hiệu suất phổ SE qua việc tối ưu hiệu suất năng lượng EE trong việc thiết kế các hệ thống mạng vô tuyến.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Bảo mật lớp vật lý không dây (PLS) [10-12] là một mô hình nổi bật để cải thiện bảo mật truyền thông của các mạng di động thế hệ tương lai [13], [14]. Do bản chất phát sóng của kênh truyền không dây, tính linh hoạt của thiết bị đầu cuối không dây và sự không ổn định của kiến trúc mạng trong mạng không dây làm cho bảo mật là một nhiệm vụ quan trọng và đầy thách thức.

Các phương pháp mã hóa thông thường có thể không 4 được áp dụng với lý do độ phức tạp của việc đòi hỏi tính toán nhiều và tiêu thụ năng lượng lớn trong việc tạo ra và trao đổi khóa bí mật. Do đó, PLS là một giải pháp có chi phí thấp, đầy hứa hẹn đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng. Kể từ khi nghiên cứu tiên phong của Wyner trên kênh wiretap [15], xác suất bảo mật được định nghĩa là sự khác biệt tối đa của thông tin có thể đạt được giữa các kênh wiretap hợp pháp trong nghiên cứu của Cheong và Hellman [16]. Lý thuyết này đảm bảo khả năng truyền an toàn trong truyền thông không dây bằng thiết kế lớp vật lý.

Sau đó, bảo mật lớp vật lý đã được nghiên cứu rộng rãi cho các tình huống giao tiếp không dây đa dạng [17]. Chúng ta có thể kể tên công trình nghiên cứu của các tác giả như: Zheng và các đồng nghiệp trong [18], giải pháp triển khai máy thu song công/bán song công lai được nghiên cứu cho mạng quảng bá không dây với nhiều người dùng và nhiều kẻ nghe lén. Phương pháp này cho thấy sự cải thiện hiệu suất đáng kể trong bảo mật hệ thống. Gần đây, bảo mật lớp vật lý đã được tổng quát hóa để nghiên cứu các kênh fading không dây [19] - [22] và nhiều tình huống truy cập khác nhau [23] - [26].

Để chống nghe lén thông tin thì kỹ thuật gây nhiễu bằng cách phát tín hiệu ngẫu nhiên (jamming) là một trong các kỹ thuật hiệu quả trong bảo mật lớp vật lý. Về bản chất để gây nhiễu bằng những tín hiệu giả ngẫu nhiên (AN) ta cần phải phát ra tín hiệu, và quá trình này sẽ làm tốn thêm năng lượng. Để bù đắp năng lượng tiêu hao này chúng ta cần áp dụng phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến (energy harvesting: EH). Để cải thiện bảo mật hệ thống, các tác giả [27], [28] đã sử dụng mạch chuyển tiếp khuếch đại (AF) và đa ăng-ten với sự có mặt của máy nghe lén thụ động.

Tín hiệu gây nhiễu cho bảo mật thông tin qua chuyển tiếp EH không đáng tin cậy đã được nghiên cứu trong [29], [30]. Nghiên cứu trong [31] tác giả đã thiết kế một giao thức để tối đa tối đa hóa tốc độ bảo mật trong hệ thống chuyển tiếp và mã hóa (FD). Trong [32] tác giả đã thiết kế bảo mật lớp vật lý trong SWIPT cho đường truyền xuống (downlink) người dùng. Hiệu suất bảo mật của hệ thống SWIPT với EH đã được thực hiện trong [33].

Các tác giả trong [34] đã nghiên cứu thiết kế bảo mật trong một mạng khuếch đại và chuyển tiếp AF. Một thuật toán thời gian thu thật năng lượng EH gần tối ưu cho sơ đồ gây nhiễu tốt nhất và chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay and Best Jammer) đã được thực hiện trong [35]. Nghiên cứu trong [36] đã đề xuất một vấn đề tối ưu hóa để tối đa hóa tốc độ bảo mật có thể đạt được. Hiệu suất bảo mật với nhiễu nhân tạo AN thông qua kênh Rician đã được nghiên cứu trong [37].

Giao thức chuyển tiếp sử dụng mã hóa mạng tuyến tính ngẫu 5 nhiên cho bảo mật thông tin đã được nghiên cứu trong [38].