Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nâng cao hiệu suất truyền tin mật Rs (bits/symbol) cho mạng truyền tin vô tuyến, có sự hỗ trợ của nhiều trạm chuyển tiếp dựa trên các đề xuất về phương pháp giải mới cho các bài toán bảo mật truyền tin tầng vật lý để tìm ra các giá trị hệ số tạo búp sóng phát (beamforming) tốt nhất cho các trạm chuyển tiếp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ NGUYỄN NHƯ TUẤN NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN TIN BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG QUY HOẠCH DC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ NGUYỄN NHƯ TUẤN NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN TIN BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG QUY HOẠCH DC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MẬT MÃ MÃ SỐ: 9520209 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Đặng Vũ Sơn 2. TS. Nguyễn Ngọc Cương HÀ NỘI - NĂM 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi cùng với các thầy hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong Luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Luận án NCS Nguyễn Như Tuấn
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện Luận án với đề tài “Nâng cao tốc độ truyền tin bảo mật trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp trên cơ sở ứng dụng quy hoạch DC”, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ, trang bị phương pháp nghiên cứu, kinh nghiệm, kiến thức khoa học và kiểm tra, đánh giá các kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu Luận án. Tôi xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo cùng các nhà khoa học đã quan tâm và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi hoàn thiện Luận án. Trong quá trình thực hiện Luận án, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Lãnh đạo cơ sở đào tạo, các nhà khoa học, các cán bộ ở các phòng ban đã động viên và đóng góp ý kiến trong suốt quá trình học và làm Luận án. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin cảm ơn các nhà khoa học trong phòng nghiên cứu IA-LGIPM, Đại học Lorraine, Cộng hòa Pháp đã hướng dẫn, chỉ bảo nhiều kiến thức quan trọng, đặc biệt là kiến thức về quy hoạch DC và giải thuật DCA. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình thân yêu đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án này. Tác giả Luận án Nguyễn Như Tuấn
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................vi PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ, QUY HOẠCH DC VÀ GIẢI THUẬT DCA .......................................................................................................12 1.1 Giới thiệu .........................................................................................................12 1.2 Bài toán bảo mật tầng vật lý ............................................................................14 1.2.1 Truyền bản tin mật trong kênh truyền quảng bá .......................................17 1.2.2 Định nghĩa về tốc độ truyền tin mật trong PLS ........................................23 1.2.3 Kênh truyền tin vô tuyến sử dụng trong luận án .......................................24 1.2.4 Một số đặc điểm của bảo mật tầng vật lý so với bảo mật truyền thống ....27 1.3 Mô hình bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp vô tuyến ...........28 1.3.1 Bài toán bảo mật mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật DF ...............30 1.3.2 Bài toán bảo mật mạng chuyển tiếp vô tuyến theo kỹ thuật AF ...............36 1.4 Quy hoạch DC và giải thuật DCA ...................................................................43 1.4.1 Bài toán tối ưu tổng quát (Optimization Problems) ..................................43 1.4.2 Bài toán tối ưu lồi (Convex Optimization Problems) ............................... 44 1.4.3 Giới thiệu về Quy hoạch DC và giải thuật DCA ......................................46 1.4.4 Quy hoạch DC và giải thuật DCA............................................................. 47 1.5 Kết luận Chương 1 ........................................................................................... 51 CHƯƠNG 2: NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF. .................54 2.1 Giới thiệu .........................................................................................................54 2.2 Hệ thống có một trạm nghe lén ........................................................................55 2.2.1 Phương pháp giải đã được công bố cho bài toán DF1E [T.6] ..................55 2.2.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DC và giải thuật DCA................................ 59 2.2.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-DF1E......................................65 2.3 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén .....................................................................74 2.3.1 Phương pháp giải bài toán DFME hiện tại [T.6] ......................................74 2.3.2 Đề xuất giải thuật DCA-DFME giải bài toán DFME ............................... 76 i
2.3.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-DFME ....................................80 2.4 Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 84 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN TIN MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT AF. .................86 3.1 Giới thiệu .........................................................................................................86 3.2 Hệ thống có một trạm nghe lén ........................................................................86 3.2.1 Phương pháp giải bài toán AF1E hiện tại [T.6]. .......................................87 3.2.2 Đề xuất ứng dụng quy hoạch DC và giải thuật DCA cho bài toán AF1E 91 3.2.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-AF1E......................................95 3.3 Hệ thống có nhiều trạm nghe lén ...................................................................102 3.3.1 Phương pháp giải bài toán AFME hiện tại [T.6] ....................................104 3.3.2 Đề xuất giải thuật DCA-AFME ..............................................................105 3.3.3 Thực nghiệm và đánh giá giải thuật DCA-AFME ..................................109 3.4 So sánh hiệu quả của hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và AF .............................113 3.5 Kết luận Chương 3 .........................................................................................117 KẾT LUẬN .................................................................................................................119 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................121 A. CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TRONG LUẬN ÁN ...............................121 B. CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ..........................................122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................123 ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình truyền tin cần bảo mật thông dụng. ...................................... 12 Hình 1.2: Mô hình kênh nghe lén tổng quát của Wyner. .................................... 13 − Hình 1.3: Miền giá trị  . .................................................................................... 17 Hình 1.4: Miền giá trị của 1e . ............................................................................ 22 Hình 1.5: Mô hình kênh truyền Rayleigh fading. ............................................... 25 Hình 1.6: Mô hình truyền tin đa ăng ten. ............................................................ 26 Hình 1.7. Mô hình mạng vô tuyến bảo mật theo kỹ thuật CJ. ............................ 29 Hình 1.8: Mô hình truyền tin có xuất hiện một trạm nghe lén............................ 31 Hình 1.9: Hệ thống có sự xuất hiện của nhiều trạm nghe lén. ............................ 35 Hình 1.10: Ví dụ về một số tập lồi. ..................................................................... 45 Hình 1.11: Ví dụ về một số hàm lồi một biến. .................................................... 45 Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền tin thực nghiệm giải thuật DCA-DF1E. ..... 66 Hình 2.2: Mô hình hệ thống thực nghiệm giải thuật DCA-DFME. .................... 80 Hình 2.3: Giá trị Secrecry Rate Rs theo tổng công suất truyền của các trạm chuyển tiếp. ......................................................................................................... 83 Hình 2.4: Giá trị Rs theo số lượng trạm nghe lén. ............................................... 84 Hình 3.1: Mô hình hệ thống thực nghiệm giải thuật DCA-AFME. .................. 110 Hình 3.2: Giá trị tốc độ mật với công suất truyền PR........................................ 113 Hình 3.3: DF so với AF trong mạng vô tuyến chuyển tiếp có 5 trạm nghe lén. ........................................................................................................................... 115 Hình 3.4: DF so với AF trong mạng vô tuyến chuyển tiếp có 7 trạm nghe lén. ........................................................................................................................... 116 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ ACIIDS Asean Conference on Intelligent Information and Database Systems AF Amplify-and-Forward AF1E Amplify-and-Forward 1 Eavesdropper AFME Amplify-and-Forward Multiple Eavesdroppers AWGN Additive White Gaussian Noise BCC Broadcast Channels with Confidential messages BER Bit Error Rate BSC Binary Symmetric Channel CJ Cooperating Jamming CSI Channel State Information DC Difference of Convex functions DCA DC Algorithm DCA-AF1E DCA – Amplify-and-Forward One Eavesdropper DCA-AFME DCA – Amplify-and-Forward Multiple Eavesdroppers DCA-DF1E DCA – Decode-and-Forward One Eavesdropper DCA-DFME DCA – Decode-and-Forward Multiple Eavesdroppers DF Decode-and-Forward DF1E Decode-and-Forward 1 Eavesdropper DFME Decode-and-Forward Multiple Eavesdroppers EVM Error Vector Magnitude IoT Internet of Things iv
LNCS Lecture Note in Computer Science LOS Line of Sight MIMO Multiple Input Miltiple Output MISO Multiple Input Single Output PLS Physical Layer Security QAM Quadrature Amplitude Modulation QCQP Quadratically Constrained Quadratic Program QPSK Quadrature Phase Shift Keying SDR Semi-Definite Relaxation SNR Signal to Noise Ratio v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa (.) , (.) , (.) * T † Liên hợp phức, chuyển vị và chuyển vị liên hợp phức IM Ma trận đơn vị cấp M Diag a hoặc Ma trận đường chéo với các phần tử nằm trên đường chéo D (a ) chính là giá trị của véc tơ a a Chuẩn 2 (2-norm) của véc tơ a, a = a12 + a22 + ... + an2 E  . Kỳ vọng (Expectation) NN A 0 A là ma trận nửa xác định dương (semidefinite positive matrix), A = AT và dạng toàn phương xTAx >= 0 với x  N Tập số phức s.t. Các ràng buộc của bài toán tối ưu (subject to); với điều kiện Re(.) Hàm lấy phần thực của số phức Im(.) Hàm lấy phần ảo của số phức Arg min(P) Là nghiệm của bài toán (P) Dom f() Tập xác định của hàm f (domain of function f()) Sup() Hàm Supremum() Inf() Hàm Infimum() Trace(A), tr(A) Vết của ma trận A, Hàm tính tổng số các giá trị trên đường chéo của ma trận vuông A. Tích vô hướng của hai véc tơ có độ dài n {= sum(xiyi), i=1…n} I(X;Y) Thông tin tương hỗ (mutual information), lượng thông tin thu được về X khi biết Y. I(X;Y) = H(X) – H(X|Y) vi
HS Entropy nguồn H(X|Y) Entropy có điều kiện của X với Y biết trước; H(X|Y)= H(X,Y)- H(Y) Pr() Hàm xác suất (Probability) D Trạm thu hợp pháp (Destination) E Trạm thu lén (Eavesdropper) S Trạm nguồn (Source) R Trạm chuyển tiếp (Relay) Rs Tốc độ mật (Secrecy rate) Cs Dung lượng truyền tin mật (Secrecy capacity) CM Dung lượng kênh chính (capacity of main channel) P t, P r Tổng công suất phát của các trạm chuyển tiếp PLS Bảo mật tầng vật lý SNR Giá trị tín trên tạp âm AF Kỹ thuật khuếch đại – chuyển tiếp DF Kỹ thuật giải mã – chuyển tiếp w Véc tơ cột hệ số tạo búp sóng/hệ số khuếch đại của trạm chuyển tiếp Chữ in thường Véc tơ cột đậm CHỮ IN HOA Ma trận ĐẬM vii
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, hầu hết các phương pháp đảm bảo bí mật trong hệ thống truyền tin đều dựa vào kỹ thuật/thuật toán mật mã để mã hóa nội dung thông tin cần bảo mật từ nơi gửi đến nơi nhận. Thông thường, quá trình này được thực hiện tại các tầng phía trên của tầng vật lý trong mô hình mạng truyền tin nhiều tầng. Phương pháp bảo mật truyền thống sử dụng các thuật toán mật mã khóa đối xứng hoặc phi đối xứng hiện vẫn được cho là an toàn trong nhiều mô hình ứng dụng. Tuy nhiên, mức độ an toàn của các thuật toán mật mã này thường dựa trên độ khó của bài toán giải mã khi không có khóa. Do đó, thách thức về khả năng duy trì mức độ an toàn đối với các thuật toán mã hóa truyền thống khi máy tính lượng tử ra đời là rất lớn. Hơn nữa, các thuật toán mật mã truyền thống gặp nhiều khó khăn khi triển khai trong các mạng vô tuyến cỡ lớn do sự khác biệt về các bài toán khó được sử dụng, khác biệt về các giao thức mật mã, tiêu tốn tài nguyên do độ phức tạp cao và do các vấn đề quản lý khóa. Một xu hướng khác mới nổi trong việc bảo mật thông tin truyền trên mạng vô tuyến là bảo mật dữ liệu tầng vật lý (Physical Layer Security – PLS) mà không sử dụng thuật toán mật mã. PLS sử dụng lý thuyết thông tin và xử lý tín hiệu để đạt được bảo mật dựa trên tính không hoàn hảo của lớp vật lý. PLS tập trung vào lớp vật lý, với thông tin vô tuyến PLS chú ý đến và dựa trên các đặc trưng vật lý của kênh vô tuyến như fading, tạp, nhiễu và phương pháp mã kênh để chống lại việc nghe lén. Vì không dựa vào các bài toán phức tạp, PLS có độ phức tạp tính toán thấp, tiết kiệm tài nguyên. Ngoài ra, nhờ thực hiện ở lớp vật lý, các kỹ thuật bảo mật có thể điều chỉnh chiến lược truyền dẫn và tham số để phù hợp với sự thay đổi của kênh truyền. 1
Thực tế thì hướng nghiên cứu về PLS đã được khởi xướng từ năm 1975 bởi Tiến sĩ Aaron D. Wyner [1]. Bằng những quan điểm của lý thuyết thông tin, Wyner đã chứng minh rằng có thể truyền tin mật với tốc độ Cs (Cs > 0) trong hệ thống truyền tin có sự xuất hiện của người nghe lén (Eavesdropper). Tuy nhiên, tại thời điểm đó, Wyner đưa ra một điều kiện quan trọng trong các kết quả của mình là kênh truyền giữa người gửi đến người nghe lén có độ suy hao lớn hơn kênh truyền từ người gửi đến người nhận hợp pháp. Giả thiết này khó được đảm bảo do không xác định được chất lượng của kênh nghe lén, nên công bố của Wyner chưa thực sự được quan tâm trong một thời gian dài. Ý tưởng của Wyner mới được tiếp tục mở rộng nghiên cứu mạnh mẽ trong khoảng hơn mười năm gần đây. Các mô hình và kết quả nghiên cứu này đã gắn liền với những tiến bộ về kỹ thuật truyền tin, đặc biệt là kỹ thuật truyền tin có định hướng theo búp sóng (beamforming) và kỹ thuật tương tác fading kênh chủ động trong các hệ thống truyền tin đa ăng ten, các kết quả nghiên cứu này đã rất gần với việc triển khai trong thực tế. Theo lý thuyết thông tin, các bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến được mô hình hóa thành các bài toán quy hoạch toán học. Trong đó, hàm mục tiêu thường là giá trị tốc độ truyền tin mật Rs cần được tối đa hóa trong hệ thống với ràng buộc về giới hạn công suất truyền của các ăng ten phát và nghiệm của bài toán là giá trị khuếch đại phù hợp tại các trạm chuyển tiếp. Trong hầu hết các trường hợp thì các bài toán quy hoạch trên đang rất khó giải tìm nghiệm tối ưu toàn cục. Các kết quả được công bố hiện nay thường là các phương pháp giải tìm nghiệm cận tối ưu. Do đó, việc tìm ra một phương pháp giải tốt để nâng cao hiệu suất truyền tin mật cho hệ thống nhằm hỗ trợ triển khai bảo mật trong thực tế vẫn đang là thách thức cho các nhà nghiên cứu. Mặc dù đang được nghiên cứu rộng rãi, nhưng tại Việt Nam chưa có nhiều kết quả khoa học về bảo mật tầng vật lý được công bố. Một số kết quả được công bố trong thời gian gần đây cũng là sự kết hợp nghiên cứu với một số nhà khoa học 2
quốc tế [2]. Do đó, việc nghiên cứu bài toán bảo mật cho mạng vô tuyến không sử dụng kỹ thuật mật mã truyền thống hoặc sử dụng kết hợp với các phương pháp bảo mật truyền thống tại các tầng trên để tăng độ bí mật sẽ có tính khoa học và thực tế cao. Bài toán bảo mật tầng vật lý có khả năng đảm bảo bí mật ngay cả khi máy tính lượng tử ra đời do khả năng thám mã không phụ thuộc vào độ phức tạp tính toán. Với bài toán bảo mật tầng vật lý, người nghe lén không thể biết được nội dung thông tin do tín hiệu thu được có chất lượng rất thấp, giá trị tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signal to Noise Ratio - SNR) thấp dưới ngưỡng cho phép để có thể khôi phục được nguồn tin. Hướng nghiên cứu bảo mật tầng vật lý cho mạng vô tuyến càng trở nên cấp thiết khi thực tế mạng truyền tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng [3]. Đặc biệt là với sự xuất hiện của mạng truyền tin 5G, 6G và hệ thống IoT thì dự đoán về mạng vô tuyến sẽ thay thế mạng truyền tin cáp quang đã trở thành hiện hữu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của Luận án là nâng cao hiệu suất truyền tin mật Rs (bits/symbol) cho mạng truyền tin vô tuyến, có sự hỗ trợ của nhiều trạm chuyển tiếp dựa trên các đề xuất về phương pháp giải mới cho các bài toán bảo mật truyền tin tầng vật lý để tìm ra các giá trị hệ số tạo búp sóng phát (beamforming) tốt nhất cho các trạm chuyển tiếp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Giá trị Rs là số lượng bit tin mật có thể được truyền trên một đơn vị tín hiệu thông tin (symbol). Trong thực tế thì mỗi symbol sẽ chứa nhiều bit phục vụ các mục đích khác nhau (sửa sai, điều khiển…) trong đó có Rs bit tin mật. Tùy theo các phương pháp điều chế, môi trường và kỹ thuật truyền tin cụ thể thì các symbol này là khác nhau. 3
- Một số mô hình bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến có sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật Giải mã – Chuyển tiếp (DF - Decode-and-Forward) hoặc Khuếch đại – Chuyển tiếp (AF - Amplify-and-Forward) với hai trường hợp: Hệ thống có một trạm nghe lén và hệ thống có nhiều trạm nghe lén; - Các bài toán truyền tin mật được xây dựng theo lý thuyết thông tin tương ứng với các mô hình bảo mật tầng vật lý cho các mạng được nghiên cứu; - Phương pháp giải bài toán truyền tin mật cho các dạng bài toán quy hoạch trên, một số công cụ phần mềm giải bài toán tối ưu lồi. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của Luận án: - Luận án tập trung nghiên cứu về nâng cao giá trị Rs mà không đi sâu nghiên cứu về các đặc trưng truyền dẫn của symbol như ăng ten, tần số, phương pháp điều chế... - Trên các mô hình bài toán truyền tin mật được phát biểu theo lý thuyết thông tin cho hệ thống truyền tin vô tuyến một chiều trên kênh truyền Gauss rời rạc không nhớ sử dụng nhiều ăng ten [4]–[6]. - Hệ số kênh truyền là các giá trị phức theo kênh truyền Rayleigh fading được giả định sinh ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh [7]–[12], các giá trị này là cố định trong quá trình thực nghiệm và được biết trước. Các kết quả nghiên cứu công bố trên thế giới hiện nay tập trung vào cả hai trường hợp là hệ số kênh được biết trước (perfect CSI) và chưa biết trước (imperfect CSI). Hệ số kênh truyền được biết trước phù hợp với trường hợp hệ thống mạng thông tin có đòi hỏi đăng ký và có sự quản lý các trạm truyền tin tham gia trong hệ thống, khi này việc nghe lén là hoạt động xảy ra giữa các người dùng hợp pháp trong hệ thống với một bản tin và vào một thời điểm cụ thể. 4
- Sử dụng công cụ phần mềm để lập trình giải bài toán tối ưu [13]–[16] tìm nghiệm chính là hệ số khuếch đại thích hợp của các trạm chuyển tiếp (các hệ thống ăng ten) và giá trị hàm mục tiêu là tốc độ truyền tin mật của hệ thống (có đơn vị là bits/symbol). Luận án không đi sâu nghiên cứu về đặc trưng tín hiệu, ăng ten, tần số cũng như chưa thực nghiệm trên những hệ thống truyền tin vật lý thực. 4. Ý nghĩa của nghiên cứu - Giải quyết vấn đề quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền tin mật trên mạng vô tuyến là hiệu suất truyền tin mật, trong đó có tốc độ truyền và thời gian thiết lập tham số cài đặt chính là các trọng số phát của các trạm chuyển tiếp. - Góp phần nâng cao hiệu suất truyền tin mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến. Các thuật toán đề xuất mới trong Luận án được thực nghiệm chứng minh tính hiệu quả hơn so với một số thuật toán đã được công bố. Các kết quả nghiên cứu đã được báo cáo tại các hội nghị và đăng trên các tạp chí uy tín trong nước và quốc tế. - Cung cấp một cách tiếp cận mới trong bảo mật truyền tin vô tuyến là bảo mật tầng vật lý. Phương pháp bảo mật tầng vật lý này có thể được dùng độc lập hoặc dùng kết hợp với phương pháp bảo mật truyền thống nhằm tăng chất lượng bảo mật. - Bổ sung thêm cho các nhóm nghiên cứu tiếp theo trong Ban Cơ yếu Chính phủ nói riêng và tại Việt Nam nói chung nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền tin vô tuyến có bảo mật trong thực tế. 5. Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong Luận án bao gồm: 5
- Nghiên cứu một số bài toán bảo mật truyền tin tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến có sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp và kỹ thuật truyền búp sóng; - Nghiên cứu, áp dụng Quy hoạch DC và giải thuật DCA cho các bài toán bảo mật tầng vật lý trên cơ sở biến đổi một số bài toán quy hoạch tối đa hóa giá trị truyền tin mật về dạng bài toán quy hoạch DC phù hợp; - Đề xuất phương pháp giải mới dựa vào giải thuật DCA để giải các bài toán bảo mật tầng vật lý đã được biến đổi về dạng DC ở trên; - Thực nghiệm và đánh giá giải pháp đề xuất so với một số giải pháp đã được công bố để chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả của giải pháp đề xuất so với một số phương pháp giải đã được công bố; - Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả của hai kỹ thuật chuyển tiếp là giải mã – chuyển tiếp và khuếch đại – chuyển tiếp; đánh giá và đưa ra khuyến cáo về số lượng trạm chuyển tiếp hiệu quả; làm rõ khả năng bảo mật truyền tin dựa theo giá trị SNR tại trạm thu hợp pháp và trạm nghe lén. 6. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong Luận án bao gồm: - Phân tích, tổng hợp, khái quát hóa và hệ thống hóa các tài liệu khoa học đã công bố trên thế giới và trong nước, kết hợp với việc tự nghiên cứu; - Sử dụng phương pháp luận liên ngành: Lý thuyết thông tin, bảo mật thông tin, toán tối ưu, kỹ thuật truyền thông trong nghiên cứu; - Phân tích, tổng hợp tình hình nghiên cứu về bài toán bảo mật tầng vật lý, xác định các thách thức khoa học và định hướng nội dung cần giải quyết của Luận án; 6
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình và công cụ giải các bài toán tối ưu lồi để thực nghiệm các thuật toán nghiên cứu, đề xuất và so sánh, đánh giá với một số thuật toán đã công bố trước đây. 7. Tính mới trong khoa học của Luận án Những đóng góp khoa học mới của Luận án là nâng cao hiệu suất truyền tin mật và thiết lập tham số cài đặt hệ thống truyền tin mật tầng vật lý trong mạng vô tuyến bằng cách áp dụng phương pháp giải mới cho một số bài toán quy hoạch không lồi trong bảo mật tầng vật lý trên môi trường mạng vô tuyến chuyển tiếp, bao gồm: - Đề xuất giải thuật DCA-DF1E và giải thuật DCA-DFME để nâng cao hiệu suất truyền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật Giải mã - Chuyển tiếp có sự xuất hiện của một và nhiều trạm nghe lén; - Đề xuất giải thuật DCA-AF1E và giải thuật DCA-AFME để nâng cao hiệu suất tryền tin mật cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật Khuếch đại – Chuyển tiếp có sự xuất hiện một và nhiều trạm nghe lén; - Luận án đi vào phân tích hiệu quả truyền tin mật theo lý thuyết Shannon thông qua độ bất định của người nghe lén đối với bản tin rõ dựa trên giá trị SNR tại trạm thu hợp pháp và các trạm nghe lén; Thực nghiệm đánh giá và so sánh hiệu suất truyền tin mật của hai kỹ thuật chuyển tiếp DF và AF, đồng thời đưa ra khuyến nghị về số lượng trạm chuyển tiếp cần thiết theo số lượng trạm nghe lén trong hệ thống. 8. Cấu trúc của Luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và các danh mục từ viết tắt, các ký hiệu toán học, danh mục bảng, danh mục hình vẽ, nội dung chính của Luận án gồm 03 chương, cụ thể: 7
Chương 1: Bài toán bảo mật truyền tin tầng vật lý, quy hoạch DC và giải thuật DCA. Nội dung Chương 1 nghiên cứu tổng quan về bài toán bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến có sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp. Từ ý tưởng đầu tiên đến các nghiên cứu gần đây được trình bày logic và ngắn gọn, đặc biệt là các bài toán quy hoạch cho mô hình truyền tin mật tầng vật lý theo lý thuyết thông tin đang được nghiên cứu rộng rãi được phân tích, trình bày rõ ràng và là cơ sở chính cho các đóng góp đề xuất ở các chương sau. Nội dung về ý tưởng bảo mật tầng vật lý đã được NCS xây dựng thành ba bài báo đăng trên Tạp chí An toàn thông tin [T.1, T.7]. Các kết quả nghiên cứu gần đây về lĩnh vực bảo mật tầng vật lý đã được NCS tổng hợp, phân tích và đánh giá trong một bài báo đăng trên ấn phẩm Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin [T.6]1. Phần cuối của Chương 1 trình bày ngắn gọn và khái quát nhất về quy hoạch DC và giải thuật DCA. Đây là một phương pháp giải hiệu quả cho lớp các bài toán quy hoạch không lồi, phương pháp này đang được nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nơi trên thế giới và trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhưng chưa được nghiên cứu áp dụng nhiều cho bài toán bảo mật tầng vật lý. Một đặc điểm thú vị của quy hoạch DC và giải thuật DCA đang được thế giới quan tâm đó là không phải tất cả các bài toán quy hoạch không lồi đều có thể giải được bằng quy hoạch DC và giải thuật DCA và với một bài toán quy hoạch không lồi có thể có nhiều cách giải bằng quy hoạch DC và giải thuật DCA khác nhau. Việc tìm ra một cách giải theo quy hoạch DC và giải thuật DCA tốt hơn cho cùng một bài toán quy hoạch không lồi vẫn đang là thách thức khoa học. Nội dung trình bày về quy hoạch DC và giải thuật DCA trong chương này liên quan đến các đề xuất nâng cao hiệu suất bảo mật truyền tin tầng vật lý được trình bày trong 02 chương tiếp theo của Luận án. 1 Ấn phẩm Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin đã được Hội đồng Giáo sư nhà nước tính điểm công trình khoa học. 8
Chương 2: Nâng cao hiệu quả truyền tin mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật DF. Nội dung Chương 2 tập trung phân tích hai bài toán điển hình trong mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật Giải mã - Chuyển tiếp là: hệ thống mạng có sự xuất hiện một trạm thu lén (DF1E – DF 1 Eavesdropper) và mạng có sự xuất hiện của nhiều trạm thu lén (DFME – DF Mutliple Eavesdroppers) [T.6]. Đây là các bài toán quy hoạch không lồi và không có cách giải tìm nghiệm tối ưu toàn cục. Nghiên cứu biến đổi các bài toán quy hoạch không lồi này về dạng bài toán quy hoạch DC phù hợp, từ đó đề xuất hai thuật toán (giải thuật DCA-DF1E và DCA-DFME) cho các bài toán điển hình này. Phần thực nghiệm đã thể hiện tính ưu việt của các thuật toán đề xuất so với các thuật toán đã được công bố. Nội dung đề xuất giải thuật DCA-DF1E và kết quả thực nghiệm đã được trình bày tại Hội nghị châu Á về Hệ thống cơ sở dữ liệu và tính toán thông minh (Asean Conference on Intelligent Information and Database Systems - ACIIDS) năm 2016. Kỷ yếu của Hội nghị được đăng trên ấn bản Lecture Note in Computer Science (LNCS) của nhà xuất bản Springer [T.9]2. Nội dung đề xuất giải thuật DCA-DFME và kết quả thực nghiệm đã được trình bày tại Hội nghị châu Á về Hệ thống cơ sở dữ liệu và tính toán thông minh (Asean Conference on Intelligent Information and Database Systems - ACIIDS) năm 2019. Kỷ yếu của Hội nghị được đăng trên ấn bản Lecture Note in Computer Science (LNCS) của nhà xuất bản Springer [T.4]2. Chương 3: Nâng cao hiệu quả bảo mật tầng vật lý cho mạng truyền tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật AF. Nội dung Chương 3 trình bày phân tích hai bài toán bảo mật điển hình trong mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật Khuếch đại - Chuyển tiếp là: trong 2 Kỷ yếu LNCS của Springer được liệt kê trong danh mục ISI và Scopus. 9