Dung lượng bảo mật của hệ thống MIMO cỡ rất lớn khi có thiết bị nghe lén thụ động

Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
Dung lượng bảo mật của hệ thống MIMO
cỡ rất lớn khi có thiết bị nghe lén thụ động
Invited article
Vũ Lê Quỳnh Giang1,2, Trương Trung Kiên2
1Khoa Công nghệ Thông tin, Học viện Quản lý Giáo dục
2Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tác giả liên hệ: Trương Trung Kiên, kientt@ptit.edu.vn
Ngày nhận bài: 21/12/2018, ngày sửa chữa: 26/12/2018, ngày duyệt đăng: 27/12/2018
Xem sớm trực tuyến: 28/12/2018, định danh DOI: 10.32913/rd-ict.vol3.no40.845
Biên tập lĩnh vực điều phối phản biện và quyết định nhận đăng: PGS. TS. Nguyễn Linh Trung
Tóm tắt: Bảo mật ở lớp vật lý có thể kết hợp với các giải pháp bảo mật ở lớp trên để đảm bảo an ninh thông tin trong
mạng thông tin vô tuyến. Các kết quả nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng với điều kiện kênh truyền Rayleigh, việc sử
dụng rất nhiều ăng-ten ở trạm gốc giúp hệ thống thông tin MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) cỡ rất lớn tự được
bảo mật trước thiết bị nghe lén thụ động. Tuy nhiên, bài báo này sau khi đề xuất các biểu thức dạng đóng cho dung
lượng bảo mật cho hệ thống MIMO cỡ rất lớn trong điều kiện kênh truyền Rice có xem xét thành phần truyền tầm nhìn
thẳng đã chứng minh được rằng thiết bị nghe lén thụ động có thể ảnh hưởng lớn đến dung lượng bảo mật của hệ thống.
Các kết quả mô phỏng được cung cấp để kiểm chứng tính chính xác của các kết quả phân tích giải tích và để rút ra một
số chỉ dẫn thiết kế quan trọng.
Từ khóa: Dung lượng bảo mật, MIMO cỡ rất lớn, nghe lén thụ động, bảo mật lớp vật lý.
Title: Secret Capacity of Massive MIMO Systems with a Passive Eavesdropper
Abstract: Physical layer security may be combined with other approaches to make wireless transmissions more secured. Much
prior work showed that, thanks to the excessive number of antennas at the base station, massive MIMO (Multiple-
Input Multiple-Output) systems themselves are inherently robust against passive eavesdropping attacks under the
Rayleigh fading channel. After providing closed-form expressions to secret capacity of massive MIMO under the Rician
fading channel with line-of-sight transmission, this manuscript, however, showed that passive eavesdroppers may affect
negatively the secret capacity. Simulation and numerical results are provided to validate the analytical results and to
gain interesting insights into the system design.
Keywords: Secret capacity, massive MIMO, eavesdropper, physical layer security.
I. GIỚI THIỆU
Đảm bảo an toàn thông tin là một vấn đề quan trọng
và thiết yếu trong các hệ thống thông tin, đặc biệt các hệ
thống hoạt động ở môi trường vô tuyến [1]. Do đặc tính
mở của môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến, các thiết bị
xâm nhập không hợp lệ có thể làm ảnh ảnh hưởng đến
tính bảo mật, tính toàn vẹn và tính sẵn có của thông tin
bằng một trong hai phương pháp sau: (i) nghe lén thụ động
(passive eavesdropping) và (ii) tấn công chủ động (active
attacking/jamming) [2]. Cụ thể, thiết bị nghe lén thụ động
chỉ cố gắng tách tín hiệu từ sóng vô tuyến mang thông
tin nhận được từ thiết bị phát. Về nguyên lý, thiết bị nghe
lén thụ động không thể bị phát hiện. Ngược lại, thiết bị
tấn công chủ động không chỉ cố gắng tách tín hiệu được
truyền từ thiết bị phát mà còn tự phát đi tín hiệu để gây
nhiễu và làm ảnh hưởng đến quá trình huấn luyện và ước
lượng kênh và/hoặc quá trình truyền dữ liệu giữa các thiết
bị hợp lệ. Sự tác động này làm giảm hiệu năng hoạt động
của hệ thống hợp lệ, thậm chí khiến hệ thống không thể
hoạt động được.
Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security) là một cách
tiếp cận đang được quan tâm rộng rãi cho các mạng vô
tuyến do có hiệu quả cao và do khả năng sẵn sàng kết hợp
với các giải pháp bảo mật khác như mật mã hóa [1, 3, 4].
Ý tưởng chính của bảo mật lớp vật lý trong các hệ thống
thông tin vô tuyến là xem xét các yếu tố ở lớp vật lý như
tạp âm nhiệt, hệ số pha-đinh của kênh truyền và các kỹ
thuật xử lý tín hiệu ảnh hưởng như thế nào đến khả năng
1
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
bảo mật thông tin được truyền qua kênh vật lý khi có mặt
các thiết bị xâm nhập. Trên cơ sở đó, các giải pháp bảo mật
lớp vật lý có thể được đề xuất để thiết bị thu hợp lệ có khả
năng tách chính xác tín hiệu mong muốn bất chấp sự gây
nhiễu của thiết bị tấn công chủ động trong khi thiết bị nghe
lén thụ động không thể tách được tín hiệu mong muốn.
Hệ thống thông tin vô tuyến cỡ rất lớn (massive Multiple-
Input Multiple-Output) là một công nghệ mới được đề xuất
từ năm 2010 [5] và đã được chấp nhận là một trong các
công nghệ chủ chốt của bộ tiêu chuẩn của 3GPP cho mạng
thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G: the fifth generation)
Vô tuyến mới (NR: New Radio) [6]. Trong hệ thống này,
trạm gốc được trang bị rất nhiều ăng-ten để phục vụ một
hoặc nhiều thuê bao được trang bị chỉ một ăng-ten. Các
nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các
tiềm năng trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần
số vô tuyến điện và hiệu quả sử dụng năng lượng hệ thống
này [5, 7]. Bảo mật cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO
mới chỉ được nghiên cứu trong vài năm gần đây [2, 8]. Các
kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới đến nay cho
hệ thống thông tin MIMO cỡ rất lớn xem xét cả ba trường
hợp sau đây: (i) chỉ có thiết bị tấn công chủ động [9–14],
(ii) chỉ có thiết bị nghe lén thụ động [15–21] và (iii) có cả
hai loại thiết bị trên [22, 23].
Bài báo này tập trung nghiên cứu dung lượng bảo mật
lớp vật lý trong hệ thống thông tin MIMO cỡ rất lớn khi
chỉ có mặt thiết bị nghe lén thụ động trong điều kiện kênh
pha-đinh Rice không tương quan về không gian. Theo định
nghĩa, dung lượng bảo mật của hệ thống bằng hiệu số của
tốc độ dữ liệu đạt được ở thiết bị thu hợp lệ và tốc độ dữ
liệu nghe lén được ở thiết bị nghe lén thụ động nếu hiệu số
này không âm và bằng không nếu hiệu số này âm. Chú ý
rằng, đa số các kết quả nghiên cứu trước đây liên quan đến
hệ thống chỉ có một thiết bị nghe lén thụ động giả thiết mô
hình kênh Rayleigh, tức là giả thiết hệ số kênh truyền chỉ
có thành phần không tầm nhìn thẳng (NLOS: Non-Line-Of-
Sight) [15–19]. Đáng chú ý, các kết quả phân tích và mô
phỏng với mô hình kênh pha-đinh Rayleigh khẳng định thiết
bị nghe lén thụ động gần như không thể tách được tín hiệu
truyền từ trạm gốc, tức là tốc độ dữ liệu nghe lén rất nhỏ
và có thể bỏ qua, nếu số lượng ăng-ten tại trạm gốc đủ lớn.
Nói cách khác, dung lượng bảo mật của hệ thống sẽ tăng
theo số lượng ăng-ten tại trạm gốc. Về lý thuyết, mô hình
kênh pha-đinh Rice được giả thiết trong bài báo này tổng
quát hơn mô hình kênh pha-đinh Rayleigh vì có thêm thành
phần truyền tầm nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight) [24, 25].
Tuy nhiên, mô hình kênh truyền Rice phức tạp lại gây khó
khăn cho việc phân tích giải tích dung lượng bảo mật của
hệ thống [11, 26]. Trong phạm vi hiểu biết của các tác giả,
mới chỉ có một kết quả nghiên cứu được công bố đưa ra kế
quả phân tích giải tích cho hệ thống thông tin MIMO cỡ
rất lớn trong điều kiện mô hình kênh truyền Rice [21]. Tuy
nhiên, công trình [21] xem xét mô hình hệ thống thông tin
có nhiều cặp thu-phát chia sẻ một trạm khuếch đại-chuyển
tiếp có rất nhiều ăng-ten. Ngoài ra, các tác giả của công
trình [21] đã sử dụng phương pháp phân tích tiệm cận số
lớn khi số ăng-ten tại trạm gốc rất lớn để phân tích giải
tích dung lượng bảo mật của hệ thống. Trong bài báo này,
chúng tôi đã đưa ra các kết quả phân tích giải tích dung
lượng bảo mật của hệ thống truyền dẫn điểm-điểm với số
lượng ăng-ten hữu hạn tại trạm gốc. Đặc biệt, kết quả phân
tích giải tích của chúng tôi cho thấy trong điều kiện mô
hình kênh truyền pha-đinh Rice thì tốc độ dữ liệu nghe
lén được tăng theo số lượng ăng-ten tại trạm gốc trong khi
dung lượng bảo mật của hệ thống tiến dần tới một giá trị
bão hoà khi số lượng ăng-ten tại trạm gốc tiến tới vô cùng.
Khẳng định tương tự như trên đã được quan sát dựa trên
kết quả đo tốc độ dữ liệu nghe lén và dung lượng bảo mậ
sử dụng một hệ thống MIMO cỡ rất lớn thử nghiệm hoạt
động ở trong môi trường truyền dẫn vô tuyến thực tế [20].
Cần nhấn mạnh rằng trong phạm vi hiểu biết của các tác
giả thì đây là kết quả công bố đầu tiên trên thế giới đưa
ra các kết quả phân tích giải tích cho khẳng định trên. Các
kết quả mô phỏng và tính toán số được cung cấp để kiểm
chứng các nhận định trên.
Phần tiếp theo của bài báo được bố cục như sau. Mục II
mô tả mô hình hệ thống được xem xét. Mục III đưa ra một
phân tích giải tích cho dung lượng bảo mật của hệ thống.
Mục IV cung cấp một số kết quả mô phỏng và tính toán số
để kiểm chứng các kết quả phân tích giải tích và để khảo
sát và đánh giá dung lượng bảo mật của hệ thống trong
một số kịch bản cụ thể. Mục V kết luận bài báo và đưa ra
một số hướng nghiên cứu tiếp theo.
Một số ký hiệu sử dụng trong bài báo này như sau: a
là đại lượng vô hướng, a là đại lượng véc-tơ, A là ma
trận, [A]i, j , AH , ‖A‖F , |A| lần lượt là phần tử (i, j), ma
trận chuyển vị liên hợp phức (Hermitian), chuẩn Frobenius,
và định thức của ma trận A, E[·] là toán tử tính giá trị
trung bình.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xem xét một hệ thống MIMO với trạm gốc (ký hiệu là
A) đang phục vụ một thuê bao hợp lệ (ký hiệu là nút B)
với sự có mặt của một thiết bị nghe trộm thụ động (ký hiệu
là E), tức là thiết bị này không phát tín hiệu trong suốt thời
gian được xem xét của hệ thống. Trong khi trạm gốc A có
Nt ăng-ten thì thuê bao B và thiết bị nghe trộm E chỉ có
một ăng-ten. Để tiện trình bày, chúng ta ký hiệu X = {B,E}
là tập chỉ số nút. Giả thiết hệ thống hoạt động ở chế độ
song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division
Duplexing) với khung truyền dẫn vô tuyến dài τ ký hiệu.
Giả thiết cấu trúc khung vô tuyến đã được định trước và
2
Tập V-3, Số 40, 12.2018
gồm có hai phần: (i) phần đầu gồm τp dành cho quá trình
huấn luyện và ước lượng hệ số kênh truyền đường lên và
(ii) phần còn lại dài τd = τ − τp ký hiệu được dùng để
truyền dữ liệu đường xuống từ trạm gốc A tới thuê bao B.
Giả thiết kênh truyền vô tuyến có dạng pha-đinh khối
phẳng trên miền tần số, trong đó hệ số kênh truyền không
thay đổi trong thời gian của một khung vô tuyến nhưng có
thể thay đổi một cách độc lập từ khung vô tuyến này sang
khung vô tuyến khác. Ký hiệu hB ∈ CNt×1 là vector hệ số
kênh truyền đường lên từ thuê bao tới trạm gốc và hE ∈
CNt×1 là vector hệ số kênh truyền đường lên từ thiết bị nghe
lén tới trạm gốc. Giả thiết hệ số kênh truyền ở đường lên và
đường xuống đối xứng hoàn hảo, tức là hHB ,hHE ∈ C1×Nt là
các vector hệ số kênh truyền đường xuống tương ứng. Trong
bài báo này, chúng ta giả thiết hệ số kênh truyền tuân theo
mô hình pha-đinh Rice không tương quan về không gian.
Ký hiệu κX là hệ số Rice và βX là hệ số pha-đinh phạm vi
rộng (large-scale fading) của kênh truyền từ trạm gốc tới
nút X ∈ X. Các hệ số pha-đinh phạm vi rộng ứng với thành
phần truyền LOS βX,L và thành phần truyền NLOS βX,N
được tính như sau:
βX,L =
√
κX
κX + 1
βX, (1)
βX,N =
√
1
κX + 1
βX. (2)
Khi đó vector hệ số kênh truyền từ trạm gốc tới nút X, ký
hiệu hX, có phân bố CN(gX, βX,NIN ) với X ∈ X và được
biểu diễn dưới dạng
hX = gX + β1/2X,NwX, (3)
trong đó gX là vector hệ số kênh truyền ứng với thành
phần truyền LOS và wX ∼ CN(0, INt ) là vector hệ số kênh
truyền pha-đinh phạm vi nhỏ (small-scale fading). Để tiện
tính toán, giả thiết mảng anten tại trạm gốc A được phân
bố tuyến tính đều (ULA: Uniform Linear Array). Việc mở
rộng ra các dạng hình học khác của mảng anten này không
quá phức tạp. Khi đó, vector hệ số truyền LOS từ trạm gốc
tới nút X ∈ X được tính như sau
gX = β1/2X,L
[
1 e j2pid sinφX · · · e j2pid(N−1) sinφX
]T
, (4)
trong đó φX là góc tới từ nút X tới trạm gốc và d là tỷ số
giữa khoảng cách giữa các phần tử ăng-ten kề nhau ở trạm
gốc chia cho bước sóng. Chú ý rằng gHX gX = NtβX ,L với
mọi X ∈ X. Để tiện trình bày, ta định nghĩa một số tham
số như sau:
ψ(φB, φB) = pid(sin φB − sin φE), (5)
α(φB, φE,Nt) = sin(Ntψ(φB, φB))sin(ψ(φB, φB)) . (6)
Sau một số phép biến đổi, ta có
gHE gB = β
1/2
B,Lβ
1/2
E,Le
jψ(φB ,φB)α(φB, φE,Nt). (7)
Trong pha huấn luyện và ước lượng kênh, nút B truyền
một tín hiệu hoa tiêu với công suất phát pp. Tín hiệu huấn
luyện sau khi tiền xử lý là
yA =
√
ppτphB + nA, (8)
trong đó nA ∼ CN(0, σ2AINt ) là tạp âm Gauss trắng cộng
tính (AWGN: Additive white Gaussian noise) có công suất
σ2A. Giả thiết trạm gốc áp dụng kỹ thuật ước lượng kênh tối
thiểu trung bình lỗi bình phương (MMSE: Minimum Mean
Squared Error) để nhận được một ước lượng hệ số kênh
truyền tới nút B là
hˆB = gB +
√ppβB,N
ppτpβB,N + σ2A
(yA − √ppτpgB). (9)
Theo tính chất trực giao của phương pháp MMSE, sai số
ước lượng tương ứng là
h˜B = hB − hˆB. (10)
Chú ý rằng hˆB ∼ CN(gB, βˆB,NINt ) và h˜B ∼ CN(0, β˜B,NINt )
độc lập thống kê với nhau, trong đó
βˆB,N =
ppτpβ2B,N
ppτpβB,N + σ2A
, (11)
β˜B,N =
βB,Nσ
2
A
ppτpβB,N + σ2A
. (12)
Bên cạnh đó, ta có thể biểu diễn hˆB và h˜B như sau:
hˆB = gB + βˆ1/2B,NwˆB,
h˜B = β˜1/2B,Nw˜B,
(13)
trong đó wˆB và w˜B có cùng phân bố CN(0, INt ) và độc lập
thống kê với nhau.
Trong pha truyền dữ liệu đường xuống, trạm gốc truyền
tín hiệu xB, trong đó E[xB] = 0, E[|xB |2] = 1, tới nút B,
nhưng bị nút E nghe lén. Ký hiệu pd là công suất phát ở
đường xuống. Giả thiết trạm gốc sử dụng bộ tiền mã hóa
kết hợp phát cực đại (MRT: Maximal Ratio Transmission)
được cho bởi
fB =
hˆB
ξ
, (14)
trong đó ξ2 = E[hˆHB hˆB] = (βB,L + βˆB,N)Nt là hệ số chuẩn
hoá nhằm thỏa mãn điều kiện công suất phát trung bình
cực đại tại trạm gốc E[|fBxB |2] ≤ pd. Tín hiệu thu được ở
nút B và nút E lần lượt là
yB =
√
pfhHB fBxB + nB, (15)
yE =
√
pfhHE fBxB + nB, (16)
trong đó nB ∼ CN(0, σ2B) và nE ∼ CN(0, σ2E) là tạp âm
Gauss trắng cộng độc lập thống kê với nhau.
3
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
III. PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG BẢO MẬT
1. Định nghĩa và cách tiếp cận
Dung lượng bảo mật của hệ thống là tốc độ dữ liệu tối
đa có thể truyền từ trạm gốc tới thuê bao hợp lệ, tức là nút
B, một cách tin cậy và bảo mật mà không cần dùng thêm
các biện pháp mã hoá. Theo định nghĩa, dung lượng bảo
mật (SC: Secret Capacity) được xác định như sau
CSC = [RB − RE]+, (17)
trong đó [x]+ = max{x,0}, RB là tốc độ dữ liệu hợp lệ đạt
được ở nút B và RE là tốc độ dữ liệu nghe lén đạt được ở
nút E. Dưới đây, mục III-2 trình bày chi tiết phân tích tốc
độ dữ liệu đạt được ở nút B, mục III-3 trình bày chi tiết
phân tích tốc độ dữ liệu đạt được ở nút E.
Chú ý rằng trạm gốc không truyền tín hiệu hoa tiêu
đường xuống nên nút B và nút E không thể ước lượng hệ
số kênh đường xuống tức thời. Trong bài báo này, chúng
ta chấp thuận phương pháp tiếp cận thường được sử dụng
trong các tài liệu trước đây trong đó các nút này chỉ ước
lượng được hệ số kênh truyền đường xuống hiệu dụng trung
bình [27]. Cụ thể, nút B chỉ có được thông tin trạng thái
kênh ở dạng E[hHB fB]. Tương tự, nút E chỉ có được thông
tin trạng thái kênh ở dạng E[hHE fB].
Ngoài ra, bổ đề sau đây sẽ được sử dụng nhiều trong
quá trình xây dựng công thức giải tích dạng tường minh
cho tốc độ dữ liệu đạt được ở nút B và nút E.
Bổ đề 1: Cho a ∼ CN(0, IN ) và ma trận chuẩn tắc B ...  nhận được từ trạm gốc đủ
lớn để tách tín hiệu.
Bổ đề 5: Nếu ∆φ , 0 thì ηE → 0 và RE → 0 khi Nt →
∞. Khi đó dung lượng bảo mật CSC → RB = log2(1 + η¯B)
khi Nt đủ lớn.
Chứng minh: Ta có
|α(φB, φE,Nt)| ≤ | sin(ψ(φB, φE))|−1, ∀Nt ≥ 1.
Thay bất đẳng thức này vào (36) ta có 0 ≤ |ηE | ≤
g(Nt) = η¯E | sin(ψ(φB, φE))|−2/Nt trong đó η¯E được cho
trong (37). Vì η¯E và ψ(φB, φE) không phụ thuộc vào Nt
nên limNt→∞ g(Nt) = 0. Vì vậy, limNt→∞ ηE = 0. Từ đó ta
có limNt→∞ RE = 0 và limNt→0 CSC = RB. 
Nhớ lại rằng, các kết quả nghiên cứu trước đây cho điều
kiện kênh pha-đinh Rayleigh đã khẳng định rằng thiết bị
nghe lén thụ độc gần như không thể tách được thông tin
phát từ trạm gốc tới thuê bao hợp lệ. Nói cách khác, thiết
bị nghe lén thụ động gần như không ảnh hưởng tới dung
lượng bảo mật của hệ thống. Lý do cho hiện tượng này là
trong điều kiện kênh pha-đinh Rayleigh với Nt đủ lớn thì
hB và hE không chỉ có hệ số tương quan chéo thấp mà
thậm chí còn trực giao với nhau. Chú ý rằng bổ đề 5 cũng
đưa ra một khẳng định hoàn toàn tương đồng trong điều
kiện kênh pha-đinh Rice nếu cả ∆φ , 0 và Nt đủ lớn. Có
thể giải thích hiện tượng này như sau. Khi cả Nt đủ lớn thì
độ phân giải không gian của mảng ăng-ten tại trạm gốc đủ
nhỏ, điều này kết hợp với điều kiện ∆φ , 0 thì các vector
hệ số kênh truyền hB và hE cũng sẽ có tương quan chéo
thấp, khiến cho thiết bị nghe lén gần như không thu được
tách được tín hiệu truyền từ trạm gốc.
IV. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN SỐ
Mục này của bài báo cung cấp một số kết quả mô phỏng
và tính toán số để kiểm chứng các kết quả phân tích giải
tích đã trình bày ở mục III. Xét một mạng di động chỉ có
một tế bào trong đó trạm gốc được đặt ở chính giữa tế bào
trong khi thiết bị đầu cuối hợp lệ (nút B) và thiết bị nghe
lén thụ động (nút E) được bố trí ngẫu nhiên trong tế bào.
Giả thiết ảnh hưởng của hiệu ứng che chắn bị bỏ qua, khi
đó hệ số suy hao đường truyền phạm vi lớn được tính như
sau: [29–31]
βX,Y = 32,4 + 10nY log10(d3D,X) + 20 log10( fc),
trong đó X ∈ X, Y ∈ Y = {L,N}, d3D,X là khoảng cách
tính theo mét từ trạm gốc đến nút X trong không gian 3
chiều, fc = 3,5 GHz là tần số sóng mang, nY là hệ số mũ
suy hao đường truyền (path-loss exponent). Ngoài ra, d3D,X
được tính như sau d3D,X =
√
d22D,X + (hA − hX)2 trong đó
d2D,X là khoảng cách từ trạm gốc tới nút X trong không
gian 2 chiều, hA là chiều cao của trạm gốc A và hX là
chiều cao của nút X [29]. Không mất tính tổng quát, giả
thiết hA = 10 m và hB = hE = 1,5 m. Bài báo xem xét môi
trường tế bào lớn ở đô thị (UMa: Urban Macro), khi đó
nL = 2 cho thành phần truyền LOS và nN = 2,9 cho thành
phần truyền NLOS [30, 31]. Theo [29], đối với môi trường
UMa thì κ tính theo dB là một biến ngẫu nhiên Gauss
N(9; 3,5). Để đơn giản, chúng ta giả thiết κB = κE = 9 dB.
Giả thiết hệ thống hoạt động với băng thông 10 MHz, công
suất phát ở trạm gốc là pd = 46 dBm, công suất phát ở thiết
bị đầu cuối hợp lệ là pp = 24 dBm và mật độ công suất
tạp âm nhiệt là N0 = −174 dBm/Hz. Tốc độ dữ liệu được
tính cho một sóng mang con băng thông 15 kHz. Giả thiết
khoảng cách giữa các ăng-ten lân cận tại trạm gốc bằng
nửa bước sóng, tức là d = 0,5. Giả thiết hệ số tạp âm tại
6
Tập V-3, Số 40, 12.2018
0 1000 2000 3000 4000 5000
t )
0
2
4
6
8
10
12
14
Hình 1. Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB,
RB và CSC dưới dạng hàm số của Nt khi ΦE = ΦB = 0 rad.
trạm gốc là 9 dB/Hz trong khi hệ số tạp âm tại nút B và
tại nút E là 5 dB/Hz. Không mất tính tổng quát, giả thiết
rằng ΦB = 0 rad.
Trước hết, chúng ta xem xét một kịch bản mô phỏng
trong đó thiết bị nghe lén thụ động, hay nút E, đặt khá sát
thiết bị đầu cuối hợp lệ, hay nút B. Một số các tham số
mô phỏng của kịch bản này như sau: (i) khoảng cách từ
nút E và từ nút B đến trạm gốc đều là 300 m, (ii) hệ số
mô hình kênh Rice là κB = κE = 9 dB, và (iii) kết quả mô
phỏng được lấy trung bình của 100.000 mẫu. Các hình 1
và 2 trình bày kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải
tích của tốc độ dữ liệu hợp lệ RB, tốc độ dữ liệu nghe lén
RB và dung lượng bảo mật CSC dưới dạng hàm số của Nt
tương ứng với khi ΦE = 0 rad và ΦE = 0,002 rad. Có thể
thấy rằng các kết quả mô phỏng gần như nằm trên đường
biểu diễn các kết quả phân tích giải tích tương ứng, tức là
kết quả phân tích giải tích được đề xuất có độ chính xác
cao và có thể được dùng thay thế cho kết quả mô phỏng.
Trong cả hai hình trên, RB luôn tăng theo hàm lôgarít của
Nt, đúng như kết quả phân tích trong mục III-2. Hình 1 cho
thấy RE đều tăng theo hàm lôgarít đối với Nt trong khi CSC
gần như không đổi. Kết quả mô phỏng này hoàn toàn phù
hợp với các khẳng định trong bổ đề 4.
Hình 2 cho thấy khi ΦE , ΦB thì cả RE và CSC thay đổi
không đơn điệu theo Nt. Khi số ăng-ten ở trạm gốc nhỏ
thì tốc độ dữ liệu nghe lén gần sát với tốc độ dữ liệu hợp
lệ, khiến cho dung lượng bảo mật thấp. Khi số ăng-ten ở
trạm gốc tăng lên thì tốc độ dữ liệu nghe lén giảm dần.
Đáng chú ý, có một số giá trị số ăng-ten ở trạm gốc khiến
cho tốc độ dữ liệu nghe lén tiến sát bằng không và dung
0 1000 2000 3000 4000 5000
t )
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Hình 2. Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB,
RB và CSC dưới dạng hàm số của Nt khi ΦE = ΦB = 0,002 rad.
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Hình 3. Kết quả mô phỏng và kết quả phân tích giải tích của RB,
RB và CSC dưới dạng hàm số của ΦE rad khi Nt = 128.
lượng bảo mật gần bằng tốc độ dữ liệu hợp lệ. Lý do là tại
các giá trị Nt trên các vector hệ số kênh truyền trực giao
với nhau.
Hình 3 trình bày kết quả mô phỏng và kết quả phân tích
giải tích của RB, RB và CSC dưới dạng hàm số của ΦE rad
khi Nt = 128. Có thể thấy rằng khi góc tới ΦE càng lớn, tức
7
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
là ∆Φ càng lớn, thì tốc độ dữ liệu nghe lén có xu hướng
càng giảm. Điều này hợp lý vì khi ∆Φ càng lớn thì tương
quan chéo giữa các vector hệ số kênh truyền càng nhỏ.
V. KẾT LUẬN
Bài báo này đề xuất các biểu thức giải tích dạng tường
minh cho dung lượng bảo mật của hệ thống thông tin vô
tuyến MIMO cỡ rất lớn khi có mặt thiết bị nghe lén thụ
động và dưới điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice. Kết quả
cho thấy của thành phần truyền tầm nhìn thẳng có thể làm
cho tương quan chéo giữa các vector hệ số kênh truyền
giữa trạm gốc và các thiết bị đủ lớn, từ đó cho phép thiết
bị nghe lén thụ động có thể ảnh hưởng lớn đến dung lượng
bảo mật của hệ thống. Các kết quả trên được kiểm chứng
bởi mô phỏng Monte Carlo trong các điều kiện mô phỏng
khác nhau. Một số hướng nghiên cứu tiếp theo liên quan
là nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị nghe lén thụ động
khi trạm gốc sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu khác
hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị tấn công chủ động
trong điều kiện kênh truyền pha-đinh Rice.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa
học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã
số 102.02-2013.09. Nhóm tác giả trân trọng cám ơn sự tài
trợ nghiên cứu của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông thông qua Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và
Ứng dụng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Zou, J. Zhu, X. Wang, and L. Hanzo, “A survey on
wireless security: Technical challenges, recent advances, and
future trends,” Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 9, pp.
1727–1765, Sep. 2016.
[2] D. Kapetanovic, G. Zheng, and F. Rusek, “Physical layer
security for massive MIMO: An overview on passive eaves-
dropping and active attacks,” IEEE Communications Maga-
zine, vol. 53, no. 6, pp. 21–27, 2015.
[3] A. Mukherjee, S. A. A. Fakoorian, J. Huang, and A. L.
Swindlehurst, “Principles of physical layer security in mul-
tiuser wireless networks: A survey,” IEEE Communications
Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 3, pp. 1550–1573, 2014.
[4] A. Yener and S. Ulukus, “Wireless physical-layer security:
Lessons learned from information theory,” Proceedings of
the IEEE, vol. 103, no. 10, pp. 1814–1825, Oct. 2015.
[5] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with un-
limited numbers of base station antennas,” IEEE Transac-
tions on Wireless Communications, vol. 9, no. 11, pp. 3590–
3600, 2010.
[6] 3GPP TR 38.912, “Study on new radio (NR) access tech-
nology (Release 15),” 3GPP, Technical Report v.15.0.0, Jun.
2018.
[7] T. L. Marzetta, “Massive MIMO: An introduction,” Bell Labs
Technical Journal, vol. 20, pp. 11–22, 2015.
[8] Y. Wu, A. Khisti, C. Xiao, G. Caire, K. Wong, and X. Gao,
“A survey of physical layer security techniques for 5G
wireless networks and challenges ahead,” IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, 2018.
[9] X. Zhou, B. Maham, and A. Hjorungnes, “Pilot contam-
ination for active eavesdropping,” IEEE Transactions on
Wireless Communications, vol. 11, no. 3, pp. 903–907, Mar.
2012.
[10] D. Kapetanovic´, G. Zheng, K. Wong, and B. Ottersten, “De-
tection of pilot contamination attack using random training
and massive MIMO,” in Proc. of IEEE Int. Symp. Personal,
Indoor, Mobile Radio Commun. (PIMRC), Sep. 2013, pp.
13–18.
[11] J. Wang, J. Lee, F. Wang, and T. Q. S. Quek, “Jamming-
aided secure communication in massive MIMO Rician
channels,” IEEE Transactions on Wireless Communications,
vol. 14, no. 12, pp. 6854–6868, Dec. 2015.
[12] Y. Wu, R. Schober, D. W. K. Ng, C. Xiao, and G. Caire,
“Secure massive MIMO transmission with an active eaves-
dropper,” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 62,
no. 7, pp. 3880–3900, Jul. 2016.
[13] D. Hu, W. Zhang, L. He, and J. Wu, “Secure transmission in
multi-cell multi-user massive MIMO systems with an active
eavesdropper,” to appear in IEEE Wireless Communications
Letters, Jul. 2019.
[14] H. Akhlaghpasand, S. M. Razavizadeh, E. Bjo¨rnson, and
T. T. Do, “Jamming detection in massive MIMO systems,”
IEEE Wireless Communications Letters, vol. 7, no. 2, pp.
242–245, Apr. 2018.
[15] J. Zhu, R. Schober, and V. K. Bhargava, “Secure transmis-
sion in multicell massive MIMO systems,” IEEE Transac-
tions on Wireless Communications, vol. 13, no. 9, pp. 4766–
4781, 2014.
[16] ——, “Linear precoding of data and artificial noise in secure
massive MIMO systems,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 15, no. 3, pp. 2245–2261, 2016.
[17] Y. Long, Z. Chen, L. Li, and J. Fang, “Non-asymptotic
analysis of secrecy capacity in massive MIMO system,”
in Proceedings of the IEEE International Conference on
Communications (ICC), Jun. 2015, pp. 4587–4592.
[18] A. Bereyhi, S. Asaad, R. R. Mu¨ller, R. F. Schaefer, and
A. M. Rabiei, “On robustness of massive MIMO systems
against passive eavesdropping under antenna selection,” in
Proceedings of the IEEE Global Communications Confer-
ence (GLOBECOM), Abu Dhabi, UAE, Dec. 2018.
[19] T. Yang, R. Zhang, X. Cheng, and L. Yang, “Secure mas-
sive MIMO under imperfect CSI: Performance analysis and
channel prediction,” to appear in IEEE Transactions on
Information Forensics and Security, 2018.
[20] C.-Y. Yeh and E. W. Knightly, “Feasibility of passive eaves-
dropping in massive MIMO: An experimental approach,” in
Proceedings of the IEEE Conference on Communications
and Network Security (CNS), Beijing, China, May 2018.
[21] X. Zhang, D. Guo, and K. Guo, “Secure performance
analysis for multi-pair AF relaying massive MIMO systems
in Ricean channels,” IEEE Access, vol. 6, pp. 57 708–57 720,
2018.
[22] A. Mukherjee and A. Swindlehurst, “A full-duplex active
eavesdropper in MIMO wiretap channels: Construction and
countermeasures,” in Proceedings of the Forty Fifth Asilo-
mar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILO-
MAR), Pacific Grove, U.S.A., Nov. 2011, pp. 265–269.
[23] D. B. Rawat, K. Neupane, and M. Song, “A novel algorithm
for secrecy rate analysis in massive MIMO system with target
SINR requirements,” in Proceedings of the IEEE Conference
on Computer Communications (INFOCOM), Apr. 2016, pp.
53–58.
[24] O. Ozdogan, E. Bjornson, and E. G. Larsson, “Massive
MIMO with spatially correlated rician fading channels,”
8
Tập V-3, Số 40, 12.2018
Submitted to IEEE Transactions on Communications, 2018.
[25] Y. Hu, Y. Hong, and J. Evans, “Angle-of-arrival-dependent
interference modeling in Rician massive MIMO,” IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, no. 7, pp.
6171–6183, Jul. 2017.
[26] L. Sanguinetti, A. Kammoun, and M. Debbah, “Theoretical
performance limits of massive MIMO with uncorrelated
Rician fading channels,” to appear in IEEE Transactions on
Communications, 2018.
[27] J. Jose, A. Ashikhmin, T. L. Marzetta, and S. Vishwanath,
“Pilot contamination and precoding in multi-cell TDD sys-
tems,” IEEE Transactions on Wireless Communications,
vol. 10, no. 8, pp. 2640–2651, Aug. 2011.
[28] E. Bjornson, J. Hoydis, and L. Sanguinetti, Massive MIMO
Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency.
Foundations and Trends in Signal Processing, 2017, vol. 11,
no. 3-4.
[29] 3GPP TR 38.901, “Study on channel model for frequencies
from 0.5 to 100 GHz,” 3GPP, Technical Report v.15.0.0, Jun.
2018.
[30] T. S. Rappaport, S. Sun, and M. Shafi, “Investigation and
comparison of 3GPP and NYUSIM channel model for
5G wireless communications,” in Proceedings of the IEEE
86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Toronto,
Canada, Sep. 2017.
[31] S. Sun, T. S. Rappaport, T. A. Thomas, A. Ghosh, H. C.
Nguyen, I. Z. Kovacs, I. Rodriguez, O. Koymen, and A. Par-
tyka, “Investigation of prediction accuracy, sensitivity, and
parameter stability of large-scale propagation path loss mod-
els for 5G wireless communications,” IEEE Transactions on
Vehicular Technology, vol. 65, no. 5, pp. 2843–2860, May
2016.
Vũ Lê Quỳnh Giang nhận bằng thạc sĩ
và bằng kỹ sư ngành Khoa học máy tính
tại Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia
Vongagrat, Liên bang Nga lần lượt vào năm
2007 và năm 2005. Hiện tại, tác giả đang là
nghiên cứu sinh và là thành viên của Phòng
thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng
thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông. Hướng nghiên cứu hiện tại của tác giả là bảo mật lớp vật
lý cho hệ thống MIMO cỡ rất lớn.
Trương Trung Kiên nhận bằng tiến sĩ và
bằng thạc sĩ ngành Điện tử Viễn thông tại
Đại học Tổng hợp bang Texas cơ sở ở thành
phố Austin, Texas, Hoa Kỳ lần lượt vào
năm 2012 và năm 2008; nhận bằng kỹ sư
ngành Điện tử Viễn thông tại Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội năm 2002. Hướng
nghiên cứu hiện tại của tác giả bao gồm
một số công nghệ cho mạng 5G như hệ thống FD-MIMO, hệ thống
thông tin ở dải bước sóng milimét (mmWave) và hệ thống Internet
kết nối vạn vật (Internet of Things). TS. Kiên đã được trao một số
giải thưởng nghiên cứu khoa học như Bài báo xuất sắc nhất năm
2013 của tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications
and Networking (JWCN), Bài báo xuất sắc nhất năm 2014 của
tạp chí KICS Journal of Communications and Networks, Bài báo
xuất sắc nhất của Hội nghị International Conference on Advanced
Technologies for Communications năm 2018 và Bài báo xuất sắc
nhất của Hội thảo Quốc gia về Điện tử, Truyền thông và Công
nghệ Thông tin (REV-ECIT) các năm 2015 và 2018. TS. Kiên
đang phụ trách Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng
dụng thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và là
Thành viên Cao cấp (Senior Member) của IEEE.
9