Nghiên cứu hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dưới sự tác động của khiếm khuyết phần cứng

Bài viết đề xuất mô hình truyền dữ liệu sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức. Trong mô hình đề xuất, một nút nguồn thứ cấp sử dụng kỹ thuật chọn lựa ănten phát (Transmit Antenna Selection (TAS)) để gửi những gói mã hóa đến một nút đích thứ cấp.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dưới sự tác động của khiếm khuyết phần cứngKỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG TRUYỀN BẢO MẬT SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG Đặng Thế Hùng1*, Trần Trung Duy2, Đỗ Quốc Trinh1 Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình truyền dữ liệu sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức. Trong mô hình đề xuất, một nút nguồn thứ cấp sử dụng kỹ thuật chọn lựa ănten phát (Transmit Antenna Selection (TAS)) để gửi những gói mã hóa đến một nút đích thứ cấp. Nút nguồn phải hiệu chỉnh công suất phát để không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Hơn thế nữa, với sự xuất hiện của nút nghe lén thứ cấp, nút đích thứ cấp phải cố gắng đạt được đủ số lượng gói mã hóa được yêu cầu trước nút nghe lén để bảo mật thông tin gốc. Chúng tôi đã đưa ra các công thức tính xác suất thông tin được giải mã thành công và bảo mật tại nút đích dưới sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh từ mạng sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng. Cũng vậy, xác suất mất bảo mật cũng sẽ được đánh giá bằng các biểu thức toán học. Để kiểm chứng các công thức, chúng tôi tiến hành các mô phỏng Monte Carlo để so sánh với kết quả lý thuyết.Từ khóa: Mã Fountain; Vô tuyến nhận thức; Khiếm khuyết phần cứng; Chọn lựa ănten phát; Bảo mật lớp vật lý. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bảo mật trong truyền thông vô tuyến là một vấn đề then chốt do tính chất phát sóngquảng bá tự nhiên của kênh truyền vô tuyến. Cho đến nay, nhiều kỹ thuật mật mã đã đượcsử dụng để đảm bảo sự bảo mật thông tin. Tuy nhiên, việc triển khai những giải thuật mậtmã thường phức tạp, chưa kể đến việc có thể hoàn toàn bị bẻ khóa khi khả năng tính toáncủa các thiết bị nghe lén đủ mạnh. Trong những mạng truyền thông vô tuyến như mạngcảm biến, mạng ad-hoc hay mạng IoT, v.v., các thiết bị thường nhỏ gọn, bị giới hạn nănglượng và khả năng xử lý. Việc triển khai những kỹ thuật mật mã phức tạp với thiết bị nàycó thể tốn kém và không hiệu quả. Gây đây, các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp bảo mật thông tin đơn giản tại lớpvật lý (Physical Layer Security: PHY) để đạt được bảo mật thông qua việc khai thác cácđặc tính của các kênh truyền vô tuyến như khoảng cách, pha-đinh kênh truyền, giao thoavà nhiễu [1]-[2] và do đó để tránh việc sử dụng thêm các nguồn tài nguyên phổ tần, giảmphần mào đầu tín hiệu và đặc biệt có khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật hiện cómà không cần phải sử dụng thêm các kỹ thuật mã hóa phức tạp. PHY dựa vào đặc tínhngẫu nhiên của các kênh truyền vô tuyến, nhằm mục đích làm cho tốc độ truyền cao hơndung lượng kênh nghe lén, nhưng thấp hơn so với dung lượng kênh hợp pháp. Vậy nên,PHY là một giải pháp bổ sung hoàn hảo nhằm khắc phục các hạn chế của các kỹ thuật mậtmã hóa truyền thống. Trong bảo mật lớp vật lý, thông tin có thể được bảo mật khi kênh dữliệu tốt hơn kênh nghe lén. Vì vậy, các kỹ thuật truyền phân tập thường được sử dụng đểnâng cao chất lượng của kênh dữ liệu. Trong các tài liệu [3]-[4], hiệu quả bảo mật của môhình MIMO đã được phân tích, trong đó nút nguồn sử dụng kỹ thuật chọn lựa ănten phát(Transmit Antenna Selection) và nút đích sử dụng các bộ kết hợp tỷ số tối đa (MaximalRatio Combining: MRC) để đạt được độ lợi phân tập phát và thu tại hai đầu cuối. Ngoàira, kỹ thuật tạo nhiễu nhân tạo lên nút nghe lén cũng là một phương pháp hiệu quả để bảomật thông tin. Trong phương pháp này, một nút tạo nhiễu tin cậy được sử dụng để gây ranhiễu lên nút nghe lén, trong khi nút đích có thể khử được nhiễu gây ra từ nút này. Kỹthuật này đòi hỏi một sự đồng bộ cao giữa nút đích và nút tạo nhiễu, tuy nhiên hiệu năngbảo mật thông tin tăng lên đáng kể khi so sánh với các kỹ thuật thông thường [5]-[6].58 Đ. T. Hùng, T. T. Duy, Đ. Q. Trinh, “Nghiên cứu hiệu năng … khiếm khuyết phần cứng.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Vô tuyến nhận thức [7] (Cognitive Radio: CR) lần đầu tiên được đề xuất bởi Mitolavào năm 1999 nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần cũng như để sử dụng phổ tầnmột cách hiệu quả hơn. Trong CR, mạng sơ cấp hay mạng được cấp phép sử dụng phổ tần(Primary Networks) có thể chia sẽ phổ tần với mạng thứ cấp (Secondary Networks) để tậndụng các khoảng tần nhàn rỗi. Thông thường, những người dùng thứ cấp phải thăm dòhoạt động của người dùng sơ cấp để có thể truy nhập vào những phổ tần trống. Tuy nhiên,phương pháp này không hiệu quả bởi hoạt động của người dùng thứ cấp phụ thuộc quánhiều vào sự xuất hiện của người dùng sơ cấp. Hơn thế nữa, khi quá trình thăm dò xảy rasai sót, chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi giaothoa gây ra từ mạng thứ cấp. Gần đây, các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp chia sẽphổ tần dạng nền (underlay spectrum sharing) [8], cho ...