Tài liệu đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM LÊ TIỆP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM LÊ TIỆP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TOÀN THẮNG Thái Nguyên - 2017 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, học viên xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Toàn Thắng đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Học viên xin cảm ơn TS. Trần Hùng đã có nhiều góp ý, chỉ dẫn cho cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trực tiếp giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên. Học viên xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến quan trọng giúp học viên hoàn thiện tốt hơn luận văn của mình. Luận văn được hỗ trợ nghiên cứu và là sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ năm 2017 của bộ Giáo dục và Đạo tạo, mã số đề tài: B2017TNA-50 Học viên Phạm Lê Tiệp i LỜI CAM ĐOAN Học viên cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học viên dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Toàn Thắng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, học viên xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Học viên Phạm Lê Tiệp ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN . 2 1.1 Mô hình OSI ............................................................................................ 2 1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer)............................................................. 3 1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer) ............................................. 4 1.1.3 Tầng mạng (Network Layer) ............................................................ 5 1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer) ................................................. 6 1.1.5 Tầng phiên (Session layer) ............................................................... 6 1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer) .................................................. 7 1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer). ................................................. 7 1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức ........................... 7 1.2.1 Truyền thông hợp tác ........................................................................ 8 1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức ............................................................... 13 1.2.3 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức................... 17 1.3 Tổng quan về lý thuyết thông tin........................................................... 18 1.3.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin ....................................... 18 1.3.2 Truyền thông từ điểm tới điểm ....................................................... 20 1.3.3 Kênh truyền fading Rayleigh, Rician ............................................. 22 CHƯƠNG 2: BẢO MẬT Ở TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY .. 25 2.1 Tổng quan bảo mật tầng vật lý .............................................................. 25 2.1.1 Bảo mật thông tin dựa trên khóa bảo mật ....................................... 25 2.1.2 Bảo mật thông tin không dựa trên khóa bảo mật............................ 28 2.2 Phương pháp đánh giá bảo mật dựa vào lý thuyết thông tin ................. 29 iii 2.2.1 Dung lượng bảo mật thông tin ........................................................ 29 2.2.2 Xác suất khác không của dung lượng bảo mật thông tin................ 32 2.2.3 Xác suất dừng bảo mật của hệ thống .............................................. 33 2.3 Mô hình đánh giá khả năng bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý .... 34 2.3.1 Mô hình hệ thống ............................................................................ 34 2.3.2 Chính sách điều khiển công suất của SU........................................ 35 2.3.3 Phân tích quá trình truyền thông..................................................... 37 2.3.4 Phân tích quá trình thu nhận thông tin của thiết bị nghe trộm ....... 39 2.3.5 Xây dựng thuật toán tìm xác xuất dừng bảo mật, xác khác không của dung lượng bảo mật ................................................................................. 39 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................... 44 3.1 Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật .............................................................................................. 44 3.2 Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật ........................................................................................................ 48 3.3 Đánh giá kết quả của xác xuất khác không của dung lượng bảo mật ... 51 3.4 Kết luận.................................................................................................. 54 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 57 iv MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình OSI ...................................................................................... 2 Hình 1.2: Tầng vật lý......................................................................................... 4 Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu ......................................................................... 5 Hình 1.4: Tầng vận chuyển ............................................................................... 6 Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác ................................................. 8 Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ......................................... 9 Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF) ............................................. 10 Hình 1.8: Mô hình phân tập kết hợp lựa chọn ................................................ 12 Hình 1.9: Mô hình phân tập kết hợp tỉ số tối đa ............................................. 13 Hình 1.10: Ví dụ về truy cập phổ Interweave ................................................. 15 Hình 1.11: Ví dụ về truy cập phổ Underlay .................................................... 16 Hình 1.12: Mô hình một mạng truyền thông hợp tác nhận thức ..................... 17 Hình 1.13: Mô hình truyền thông điểm đến điểm ........................................... 20 Hình 2.1: Phương pháp cắt mức ...................................................................... 27 Hình 2.2: Mô hình mạng với máy phát (Alice) máy thu (Bob) và thiết bị nghe trộm (Eve)........................................................................................................ 30 Hình 2.3: Mô hình hệ thống vô tuyến với một máy nghe trộm ...................... 30 Hình 2.4: Mô hình đánh giá bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây ....... 34 Hình 3.1: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập SC.......................................... 45 Hình 3.2: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với kỹ thuật phân tập MRC...................................... 45 Hình 3.3: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 1 .......... 46 Hình 3.4: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 2 .......... 46 Hình 3.5: Ảnh hưởng của các tham số môi trường truyền lên suất dừng của dung lượng bảo mật đối với hai kỹ thuật phân tập trong trường hợp 3 .......... 47 v Hình 3.6: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC ................................................................ 48 Hình 3.7: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật MRC ............................................................ 49 Hình 3.8: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 2 ............................... 49 Hình 3.9: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng 50của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 5 ............................... 50 Hình 3.10: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác suất dừng của dung lượng bảo mật sử dụng kỹ thuật SC, MRC với N bằng 12 ............................. 50 Hình 3.11: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật SC ................................................. 51 Hình 3.12: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC ............................................. 52 Hình 3.13: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 2 ................. 52 Hình 3.14: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 5 ................. 53 Hình 3.15: Ảnh hưởng của truyền thông hợp tác lên xác xuất khác không của dung lượng bảo mật khi sử dụng kỹ thuật MRC,SC với N bằng 12 ............... 53 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Khuếch đại và chuyển tiếp Amplified and Forward AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng CF Compress and Forward Nén và chuyển tiếp CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CCRN Cognitive Cooperative Radio Mạng truyền thông hợp tác nhận Network thức CRN Cognitive Radio Network Mạng vô tuyến nhận thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CU Cognitive User Người dùng vô tuyến nhận thức DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp DMC Discrete Memoryless Channel Kênh không bộ nhớ rời rạc EGC Equal-Gain Combiners Bộ tổ hợp cùng độ lợi MRC Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa OSI Open Systems Interconnection Mô hình kết nối các hệ thống mở Model PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PU Primary User Người dùng chính SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn SNR signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SU Secondary User Người dùng vô tuyến nhận thức vii LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gầy đây, mạng không dây ngày càng phổ biến với nhiều ưu điểm như tính di động cao, tiện lợi trong việc sử dụng. Nhưng do tính chất truyền quảng bá của kênh truyền không dây nên nó tạo cơ hội cho kẻ xấu nghe trộm và can thiệp một cách tự nhiên. Bất cứ ai có một máy thu được điều chỉnh trong phạm vi mà tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đủ lớn đều có thể nghe trộm. Do đó, bảo mật là mối quan tâm then chốt trong các mạng không dây. Để đánh giá khả năng bảo mật của các không dây học viên chọn đề tài: “Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây’’. Đề tài của học viên sẽ tiến hành nghiên cứu đánh giá bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây dựa vào lý thuyết thông tin được đưa ra bởi Shannon. Chương 1: Lý thuyết tổng quan. Ở chương này học viên đưa ra các kiến thức tổng quan cụ thể học viên lần lượt đi giới thiệu kiến thức về các tầng trong mô hình OSI đặc biệt là tầng vật lý, lý thuyết thông tin được giới thiệu bởi Claude Elwood Shannon. Mạng vô tuyến nhận thức có sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác. Chương 2: Bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây. Ở chương này học viên đưa ra phương pháp đánh giá bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý dựa vào lý thuyết thông tin, sau đó học viên đưa ra mô hình và phân tích, xây dựng thuật toán đánh giá bảo mật mạng không dây ở tầng vật lý. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Ở chương này học viên thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab với phương pháp mô phỏng Monte Carlo từ đó học viên đi phân tích,so sánh các kết quả thu được để đánh giá khả năng bảo mật của mạng không dây. Cuối cùng là khái quát toàn bộ vấn đề nghiên cứu, kết luận và đưa ra hướng phát triển tiếp theo của luận văn. CHƯƠNG 1: 1 LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Mô hình OSI Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Model) là một mô hình khái niệm, đặc trưng và chuẩn hóa các chức năng bên trong của một hệ thống thông tin bằng cách chia nó thành các tầng trừu tượng. Mô hình này là một sản phẩm của dự án Open Systems Interconnection tại Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO), được ký hiệu tiêu chuẩn ISO/IEC 7498-1. Mô hình OSI được biểu diễn như hình (1.1) và gồm 7 tầng: Tầng vật lý (Physical layer), tầng liên kết dữ liệu (Data link layer), tầng mạng (Network layer), tầng vận chuyển (Transport layer), tầng phiên (Session layer), tầng biểu diễn (Presentation layer) và tầng ứng dụng (Application layer). Các tầng trong mô hình OSI có quan hệ chặt chẽ với nhau, mỗi tầng nhằm định nghĩa một phân đoạn trong quá trình di chuyển thông tin qua mạng. . Hình 1.1: Mô hình OSI 2 1.1.1 Tầng vật lý (Physical Layer) Tầng vật lý là tầng thấp nhất trong mô hình OSI, đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Tầng vật lý xác định các giao diện về mặt điện học và cơ học giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông cụ thể như sau: - Đặc tính vật lý của giao diện và môi trường: Tầng vật lý định nghĩa các đặc tính của giao diện giữa các thiết bị và môi trường truyền. Ngoài ra, tầng còn định nghĩa dạng của môi trường truyền. - Biểu diễn các bit: Dữ liệu tầng vật lý bao gồm dòng các bit (chuỗi các giá trị 0 và 1) mà không cần phải phiên dịch. Để truyền dẫn thì các bit này phải được mã hóa thành tín hiệu - điện hay quang. Tầng vật lý định nghĩa dạng mã hóa (phương thức các giá trị 0 và 1 được chuyển đổi thành tín hiệu). - Tốc độ dữ liệu: Là số bit được truyền đi trong một giây. - Đồng bộ bit: Máy phát và máy thu cần được đồng bộ hóa theo cấp độ bit. Nói cách khác, đồng hồ của máy phát và máy thu phải được đồng bộ hóa. - Cấu hình đường dây: Tầng vật lý còn giải quyết phương thức thiết bị được nối với môi trường. Trong cấu hình điểm - điểm, hai thiết bị được nối với nhau qua kết nối được chỉ định. Trong cấu hình điểm nối nhiều điểm, một kết nối được chia sẻ cho nhiều thiết bị. - Định nghĩa phương thức kết nối thiết bị để tạo thành mạng. Thiết bị có thể được nối theo lưới, sao, cây, vòng hay bus. - Chế độ truyền: Tầng vật lý định nghĩa chiều truyền dẫn giữa hai thiết bị: đơn công, bán song công hay song công. Trong chế độ đơn công (simplex) chỉ có thông tin một chiều, trong bán song công (half duplex) hai thiết bị có thể nhận và gởi nhưng không đồng thời. Trong chế độ song công (full duplex) hai thiết bị có thể gởi và nhận đồng thời. 3 Hình 1.2: Tầng vật lý 1.1.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer) Tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ truyền các khung dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác qua tầng vật lý, đảm bảo tin cậy, gửi các khối dữ liệu với các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu. Cụ thể tầng liên kết dữ liệu thực hiện các chức năng sau: - Tạo khung (framing): Tầng điều khiển kết nối chia dòng bit nhận được thành các đơn vị dữ liệu quản lý được gọi là khung (frame). - Định (tạo) địa chỉ vật lý: Nếu frame được phân phối đến nhiều hệ thống trong mạng, thì tầng liên kết dữ liệu thêm vào frame một header để định nghĩa địa chỉ vật lý của nơi phát (địa chỉ nguồn) và/hay nơi nhận (địa chỉ đích). - Điều khiển lưu lượng: Nếu tốc độ nhận dữ liệu của máy thu bé hơn so với tốc độ của máy phát, thì tầng liên kết dữ liệu tạo cơ chế điều khiển lưu lượng tránh quá tải của máy thu - Kiểm tra lỗi: Tầng liên kết dữ liệu thêm khả năng tin cậy cho tầng vật lý bằng cách thêm cơ chế phát hiện và gởi lại các frame bị hỏng hay thất lạc. Đồng thời, cũng tạo cơ chế tránh gởi trùng các frame. Kiểm tra lỗi thường được thực hiện nhờ trailer được thêm vào ở phần cuối của frame. 4 Điều khiển truy cập: Khi hai hay nhiều thiết bị được kết nối trên cùng một đường truyền, cần có giao thức của tầng kết nối dữ liệu để xác định thiết bị nào nắm quyền trên kết nối tại một thời điểm. Hình 1.3: Tầng liên kết dữ liệu 1.1.3 Tầng mạng (Network Layer) Tầng mạng cung cấp các dịch vụ về chọn đường đi và kết nối giữa hai hệ thống, điều khiển và phân phối dòng dữ liệu truyền trên mạng để tránh tắc nghẽn. Tầng mạng có trách nhiệm địa chỉ hoá, dịch từ địa chỉ logic sang địa chỉ vật lý, định tuyến dữ liệu từ nơi gửi tới nơi nhận. Tầng mạng xác định đường truyền nào tốt trên cơ sở các điều kiện của mạng, quyền ưu tiên dịch vụ. Tầng mạng cũng quản lý các vấn đề giao thông trên mạng như chuyển mạch, định tuyến và điều khiển sự tắc nghẽn của dữ liệu: Định (tạo) địa chỉ logic: Địa chỉ vật lý do tầng kết nối dữ liệu chỉ giải quyết được vấn đề định địa chỉ cục bộ. Nếu gói dữ liệu đi qua vùng biên của mạng, thì nhất thiết phải có thêm một hệ thống định địa chỉ khác giúp phân biệt giữa hệ thống nguồn và hệ thống đích. Tầng mạng thêm header vào gói từ tầng trên xuống, trong đó chứa địa chỉ logic của nơi gởi và nơi nhận. Định tuyến (routing): Khi nhiều mạng độc lập được nối với nhau để tạo ra liên mạng (mạng của mạng) hay một mạng lớn hơn, thì thiết bị kết nối là bộ định tuyến (router hay gateways) được dùng để chuyển đường đi được đến đích, tầng mạng được thiết lập cho mục tiêu này. 5 1.1.4 Tầng vận chuyển (Transport Layer) Chức năng của tầng vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Mục đích chính là đảm bảo dữ liệu được truyền đi không bị mất và bị trùng. Các nhiệm vụ cụ thể của tầng vận chuyển là : - Nhận các thông tin từ tầng trên và chia nhỏ thành các đoạn dữ liệu nếu cần. - Cung cấp sự vận chuyển tin cậy (End to End) với các thông báo (Acknowledment). - Chỉ dẫn cho máy tính không truyền dữ liệu khi buffer là không có sẵn. Hình 1.4: Tầng vận chuyển 1.1.5 Tầng phiên (Session layer) Tầng phiên thành lập một kết nối giữa các tiến trình đang chạy trên các máy tính khác nhau. Các chức năng của tầng phiên bao gồm: - Cho phép tiến trình ứng dụng đăng kí một địa chỉ duy nhất như là NetBIOS name. Tầng này lưu các địa chỉ đó để chuyển sang địa chỉ của NIC từ địa chỉ của tiến trình. - Thành lập, theo dõi, kết thúc Virtual circuit session giữa hai tiến trình dựa trên địa chỉ duy nhất của nó. - Định danh thông báo, thêm các thông tin xác định bắt đầu và kết thúc thông báo. 6 - Đồng bộ dữ liệu và kiểm tra lỗi. 1.1.6 Tầng biểu diễn (Presentation layer) Tầng biểu diễn liên quan đến vấn đề về cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa (sematic) của tin tức trao đổi giữa hai hệ thống. Các nhiệm vụ của tầng biểu diễn là: - Biên dịch (translation): Các quá trình (chương trình đang chạy) của hai hệ thống thường trao đổi thông tin theo dạng chuỗi các ký tự, số, v.v...Thông tin này nhất thiết phải được chuyển sang dòng bit trước khi được gởi đi. Do các máy tính khác nhau thường dùng các phương pháp mã hóa khác nhau, nên tầng trình bày có nhiệm vụ vận hành chung trong hai hệ thống này. Tầng trình bày tại máy phát thay đổi dạng thông tin từ dạng của máy phát (sender-depending) sang dạng thông thường. Tại máy thu, thì tầng trình bày chuyển dạng thông thường thành dạng của máy thu (receiving depending). - Mã hóa (encryption) và giải mã hóa (decryption): Để mang các thông tin nhạy cảm, hệ thống phải có khả năng bảo đảm tính riêng tư. Mã khóa là quá trình mà máy phát chuyển đổi thông tin gốc thành dạng khác và gởi đi bản tin đi qua mạng. Giải mã khóa (decryption) là quá trình ngược lại nhằm chuyển bản tin trở về dạng gốc. - Nén: Nén dữ liệu nhằm giảm thiểu số lượng bit để truyền đi. Nén dữ liệu ngày càng trở nhên quan trọng trong khi truyền multimedia như văn bản, audio, và video. 1.1.7 Tầng ứng dụng (Application layer). Tầng ứng dụng trong mô hình OSI là tầng trên cùng trong bộ giao thức quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, tầng ứng dụng cung cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ của mô hình OSI. Các ứng dụng cung được cấp như các chương trình xử lý kí tự, bảng biểu, thư tín … và tầng ứng dụng đưa ra các giao thức HTTP, FTP, SMTP, POP3, Telnet. 1.2 Truyền thông hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức 7 1.2.1 Truyền thông hợp tác Nếu một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó thì có thể tạo ra nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích. Mạng truyền thông hợp tác dựa vào ý tưởng trên, có nghĩa là các thiết bị di động có thể “chia sẻ” tín hiệu của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống mạng phân tập không gian. Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một đường truyền duy nhất. Hình 1.5: Mô hình mạng truyền thông hợp tác Quá trình truyền thông trong mạng truyền thông hợp tác gồm hai giai đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên, thông tin được nút nguồn quảng bá tới tất cả các nút chuyển tiếp (Relay). Tại các nút chuyển tiếp (Relay) sẽ sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp để truyền tín hiệu từ nguồn (S) đến thiết bị người dùng (D). Có nhiều kỹ thuật chuyển tiếp được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng như: Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplified and Forward - AF), Giải mã và chuyển tiếp (Decoded and Forward - DF), Nén và chuyển tiếp (Compress and Forward - 8 CF). Các kỹ thuật này mô tả cách nhận và xử lý dữ liệu tại trạm chuyển tiếp trước khi dữ liệu được gửi đến đích. Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Phương pháp này thường được sử dụng khi chuyển tiếp có thời gian/công suất tính toán có sẵn bị giới hạn hoặc thời gian trễ phải là tối thiểu, thời gian trễ được tạo ra bởi chuyển tiếp giải mã và mã hóa thông điệp. Hình 1.6: Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Quá trình xử lý tín hiệu đối với AF có thể đơn giản thành ba giai đoạn như sau: - Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu bằng phương pháp phát sóng vô tuyến, nút chuyển tiếp R thu nhận tín hiệu. - Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp R khuếch đại công suất của tín hiệu nhận được từ S và chuyển tiếp đến nút đích D. - Giai đoạn 3: Nút đích D giải mã tín hiệu nhận từ R trong giai đoạn 2 và khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Giao thức AF khuếch đại tín hiệu tại nút chuyển tiếp R, tăng công suất của tín hiệu truyền đi, giúp đầu thu D có thể thu được tín hiệu tốt nhất. AF còn gọi là phương thức chuyển tiếp không tái tạo, là phương thức xử lý tín hiệu cơ bản và đơn giản nhất so với các phương pháp khác. Ý tưởng phía sau giao thức AF là đơn giản. Tín hiệu được nhận bởi chuyển tiếp R bị suy giảm và cần được 9 khuếch đại trước khi nó có thể được gửi đi lần nữa. Khi làm như vậy nhiễu trong tín hiệu cũng được khuếch đại, đây chính là điểm yếu của giao thức này. Giải mã và chuyển tiếp (DF): Ngày nay việc truyền dẫn không dây rất hiếm tín hiệu tuần tự và chuyển tiếp có đủ sức mạnh tính toán, do đó, DF thường là phương pháp được ưu tiên nhất để xử lý dữ liệu trong chuyển tiếp. Tín hiệu nhận đầu tiên được giải mã và sau đó mã hóa lại. Vì vậy, không có nhiễu được khuếch đại trong tín hiệu gửi, như là trường hợp sử dụng giao thức AF. Đó là hai vấn đề chính được thực hiện trong một hệ thống sử dụng giao thức chuyển tiếp DF. Hình 1.7: Mô hình giải mã và chuyển tiếp (DF) Đối với kỹ thuật này, quá trình xử lý tín hiệu có thể đơn giản qua 3 giai đoạn như sau: - Giai đoạn 1: Nút nguồn S truyền tín hiệu, nút chuyển tiếp R nhận tín hiệu. - Giai đoạn 2: Nút R sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã các gói tin nhận được từ S và tái mã hóa bằng cách sử dụng mã mới tương tự với mã tại nguồn S để chuyển tiếp thông tin đến nút đích. Trong giải mã và tái mã hóa, nút chuyển tiếp có sử dụng mã sửa lỗi để sửa lỗi trên đường truyền. 10 - Giai đoạn 3: Nút đích D nhận tín hiệu từ R, xử lý và khôi phục lại thành tín hiệu ban đầu. Do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng giải mã sai ở nút chuyển tiếp làm suy giảm đáng kể hiệu năng hệ thống. Do đó, phương thức này được giả định là nút R chỉ thực hiện chuyển tiếp nếu các tín hiệu từ nguồn được giải mã một cách chính xác. Điều này có thể được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm tra CRC (Cyclic redundancy check). Chuyển tiếp có thể giải mã hoàn toàn thông điệp gốc. Điều này yêu cầu nhiều thời gian tính toán, nhưng có nhiều tiện lợi. Nếu thông điệp nguồn chứa một mã sửa lỗi, các lỗi bit được nhận có thể sửa ở trạm chuyển tiếp. Hoặc nếu không có mã hóa như vậy được thực hiện một kiểm tra cho phép chuyển tiếp phát hiện chứa lỗi. Phụ thuộc vào việc thực thi, một thông điệp sai có thể không được gửi đến đích. Nhưng chuyển tiếp R không thể luôn giải mã đầy đủ thông điệp nguồn. Việc chậm trễ thêm gây ra để giải mã đầy đủ và xử lý thông điệp là không thể chấp nhận được, chuyển tiếp có thể không đủ khả năng tính toán hoặc thông điệp nguồn có thể bị mã hóa để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Trong trường hợp này, tín hiệu vào chỉ được giải mã và mã hóa lại từng ký hiệu. Vì vậy, hoặc không có sửa lỗi nào có thể được thực hiện hoặc không có kiểm tra được tính toán. Nén và chuyển tiếp (DF): Trong kỹ thuật này, chuyển tiếp R nén tín hiệu mà nó nhận được và gửi thông tin đã được nén đến đích D, bao gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Nút S truyền tín hiệu, nút R nhận tín hiệu. - Giai đoạn 2: Nút R sử dụng kỹ thuật mã hóa nén Wyner – Ziv (WZC) và lượng tử hóa tín hiệu để nén tín hiệu nhận được từ S trước khi chuyển tiếp nó sang đích D. - Giai đoạn 3: Nút đích D khôi phục lại thành tín hiệu cần thu. Ở giai đoạn thứ 2 của quá trình truyền thông trong mạng truyền thông hợp tác, dữ liệu được chuyển tiếp từ các nút chuyển tiếp đến đích, tại đích sẽ sử dụng các kỹ thuật phân tập để tổng hợp thông tin thu được. Có hai kỹ thuật 11