THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung

• Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bảo mật thông tin tại tầng vật lý và đánh giá hiệu quả của hoạt động của mạng không dây dựa trên các ràng buộc nhiễu và khả năng truyền/nhận năng lượng không dây.
• Mã số: B2017-TNA-50
• Chủ nhiệm đề tài: ThS. Quách Xuân Trưởng
• Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
• Thời gian thực hiện: 24 tháng

2. Mục tiêu

Nghiên cứu hiệu năng bảo mật mô hình mạng vô tuyến nhận thức tại tầng vật lý. Trên cơ sở các mô hình mạng được khảo sát, chúng tôi sẽ nghiên cứu đánh giá hiệu năng hoạt động và khả năng bảo mật thông tin tại tầng vật lí dưới sự tác động của các điều kiện ràng buộc cho trước. Đề tài giải quyết hai vấn đề chính sau đây: Một là đề xuất các chính sách điều khiển công suất cho thiết bị không dây nhằm hạn chế khả năng bị nghe trộm hoặc rỏ rỉ thông tin. Hai là đánh giá thời gian truyền các gói tin và xác suất gói tin truyền bị lỗi của thiết bị không dây sử dụng kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến trong môi trường bị gây nhiễu hoặc bị ràng buộc bởi các chính sách an toàn thông tin.

3. Tính mới và sáng tạo

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực công nghệ mạng không dây dẫn đến công nghệ ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, bên cạnh tiềm năng phát triển thì mạng không dây mang lại những thách thức lớn cho việc đảm bảo truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin. Hiện nay, bảo mật lớp vật lý trong mạng không dây đang là lĩnh vực thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Do có độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khả thi ở lớp vật lý và khả năng cùng tồn tại song song với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có ở các lớp trên, bảo mật lớp vật lý có khả năng cho phép truyền thông an toàn và giảm thiểu sự phức tạp tính toán, đặc biệt có hiệu quả đối với thiết bị mạng không dây có tài nguyên hạn chế như trong IoT. Vì vậy, nó có thể nâng cao mức độ tổng thể về sự tin cậy và an toàn thông tin cho hệ thống.

Mặc dù đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu với cách tiếp cận khác nhau, song truyền thông bảo mật và tin cậy vẫn đang là một vấn đề mở. Với sự phổ biến và phát triển không ngừng của công nghệ mạng không dây, vấn đề bảo mật trong truyền thông sẽ có nhiều thách thức hơn nữa trong tương lai, làm cho chủ đề này trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và liên tục. Bảo mật lớp vật lý có thể đóng góp cho truyền thông an toàn tổng thể bằng nhiều cách. Ý tưởng cơ bản của đề tài nghiên cứu này là khai thác các đặc tính của kênh không dây và tính chất ngẫu nhiên của tín hiệu trong môi trường fading để hạn chế lượng thông tin mà các phần tử nghe trộm có thể thu thập và giải mã được.

4. Kết quả nghiên cứu

• Nghiên cứu khảo sát khả năng bảo mật thông tin ở tầng vật lý trong mạng không dây.
• Nghiên cứu tổng quát về đánh giá hiệu năng mạng cho mạng không dây trong môi trường kênh truyền fading.
• Nghiên cứu về mô hình mạng vô tuyến nhận thức và lợi ích của nó trong mạng không dây thế hệ mới.
• Nghiên cứu các kỹ thuật truyền thông hợp tác và ứng dụng trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức.
• Nghiên cứu kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến và ứng dụng trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức.
• Nghiên cứu các phương pháp nhằm cải thiện khả năng bảo mật thông tin ở tầng vật lý đối với mô hình mạng vô tuyến nhận thức.
• Nghiên cứu, xây dựng phương pháp đánh giá độ tin cậy và bảo mật thông tin cho mạng vô tuyến nhận thức trong môi trường kênh truyền fading.
• Nghiên cứu đánh giá hiệu suất bảo mật trong mạng vô tuyến nhận thức khi áp dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác để tăng cường QoS và bảo mật thông tin.
• Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa thời gian thu hoạch năng lượng và lựa  chọn kênh cho mô hình mạng vô tuyến nhận thức thu hoạch năng lượng vô tuyến đảm bảo hiệu năng hoặt động và bảo mật thông tin.
• Nghiên cứu mô hình hóa toán học, xây dựng các chính sách điều khiển công suất cho các mô hình mạng được đề xuất dưới các điều kiện ràng buộc về can nhiễu và bảo mật thông tin.
• Thực hiện mô phỏng kiểm nghiệm tính chính xác của các công thức tìm được trong các chính sách điều khiển công suất cho các mô hình hệ thống nghiên cứu.
• Đánh giá và rút ra được các kết luận về mối liên hệ giữa những ràng buộc về can nhiễu, bảo mật thông tin, thu hoạch năng lượng không dây, tác động qua lại của các tham số hệ thống lên hiệu năng hoạt động của hệ thống và đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng và an toàn cho hệ thống.
• Tổng hợp kết quả nghiên cứu để công bố công trình nghiên cứu trên các tạp chí và hội thảo quốc tế chuyên ngành.
• Nâng cao chất lượng trong hỗ trợ và đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ ngành CNTT với các công trình nghiên cứu có chất lượng.

5. Sản phẩm

• Bài báo công bố tên tạp chí khoa học quốc tế thuộc danh mục ISI : 01 bài báo.

(1) Truong Xuan Quach, Hung Tran, Elisabeth Uleman, G.Kaddoum, and T.Q.Anh (2017), "Power allocation policy and performance analysis of secure and reliable communication in cognitive radio networks", Wireless Networks, https://doi.org/10.1007/s11276-017-1605-z.

• Bài báo trên kỷ yếu hội thảo quốc tế: 02 bài báo.

(1) Truong Xuan Quach, Hung Tran, Elisabeth Uleman, Mai Tran Truc (2017), "Secrecy performance of cognitive cooperative industrial radio networks", 2017 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Cyprus, pp. 1-8.

(2) Hung Tran, Truong Xuan Quach, Elisabeth Uleman, Ha-Vu Tran (2017), "Optimal energy harvesting time and power allocation policy in CRN under security constraints from eavesdroppers", 2017 IEEE 28th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Canada, pp. 1-8.

• Thạc sĩ bảo vệ thành công luận văn tốt nghiệp: 01 thạc sĩ.

Phạm lê Tiệp (2017), Đánh giá khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng không dây, Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính, Khoá 2015-2017, Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.

• Hỗ trợ dào tạo nghiên cứu sinh: 01 NCS

NCS Quách Xuân Trưởng, Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây, Luận văn tiến sĩ Ngành Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội.

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

6.1. Phương thức chuyển giao.

Sau khi đề tài được nghiên cứu thành công sẽ được chuyển giao cho đại học Thái Nguyên, góp phần bổ sung kết quả/tài liệu nghiên cứu khoa học trong các hướng tiếp cận mới trên thế giới trong lĩnh vực mạng truyền thông không dây. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng tham khảo trong học tập, nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực mạng máy tính & truyền thông và đào tạo cán bộ chuyên ngành mạng & truyền thông, an toàn thông tin.

6.2. Địa chỉ ứng dụng.

Kết quả của đề tài được sử dụng/tham khảo tại Đại học Thái Nguyên.

6.3. Tác động và lợi ích mang lại đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo

Nội dung nghiên cứu góp phần bổ sung kết quả/tài liệu nghiên cứu khoa học trong các hướng tiếp cận mới trên thế giới trong lĩnh vực mạng truyền thông không dây. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng tham khảo trong học tập, nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực mạng máy tính và truyền thông.

Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo trình độ cao chuyên ngành mạng máy tính và truyền thông

6.4. Tác động và lợi ích mang lại đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan

Đề tài đóng góp giải quyết một số thách thức và khó khăn trong việc hiện thực hóa hệ thống mạng vô tuyến nhận thức cùng khả năng truyền/nhận năng lượng không dây vào ứng dụng trong đời sống thực tiễn.

Góp phần nâng cao khả năng giải quyết những vấn đề khoa học công nghệ trong lĩnh vực mạng máy tính và truyền thông, an toàn và bảo mật thông tin.

6.5. Tác động và lợi ích mang lại đối với phát triển kinh tế-xã hội

Vài thập niên trở lại đây, mạng truyền thông không dây phát triển nhanh chóng đã gây ra nhiều ảnh hưởng to lớn đến mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội (công nghiệp, y tế, giáo dục, an ninh quốc phòng, kinh tế, tài nguyên môi trường….). Điều này dẫn đến nhu cầu cần thiết phải tối ưu hóa các dải tần số vô tuyến và khắc phục hạn chế về khả năng sử dụng năng lượng. Bên cạnh đó việc bảo mật thông tin trong mạng không dây trở thành một vấn đề nóng cần được quan tâm, đặc biệt trong các lĩnh vực tài chính, ngân hàng, an ninh quốc phòng.  Kết quả đóng góp của đề tài sẽ góp phần vào giải quyết các thách thức và khó khăn trong việc hiện thực hóa hệ thống mạng vô tuyến nhận thức cùng khả năng truyền/nhận năng lượng không dây vào ứng dụng trong đời sống xã hội, làm cho cuộc sống chúng ta có thể trở nên thoải mái, tiện nghi, và an toàn trong liên lạc không dây

6.6. Tác động và lợi ích mang lại đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu

Đào tạo đội ngũ cán bộ khoa học cho trường đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên trong lĩnh vực công nghệ thông tin và an toàn bảo mật thông tin, góp phần nâng cao năng lực của trường đại học CNTT&TT nói riêng và Đại học Thái Nguyên nói chung. 

Đối với cá nhân/cơ sở ứng dụng: Các kết quả tính toán và mô hình đề xuất mang tính khoa học làm căn cứ trong quá trình nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thông tin và an toàn bảo mật thông tin.

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information

Project title: Performance Evaluation of Physical Layer Security of Wireless Network based on Interference and Energy Harvesting Constraints.

Code number: B2017-TNA-50

Coordinator: MSc Quach Xuan Truong

Implementing institution: Thai Nguyen University

Duration: from 01/03/2017 to 01/03/2019 (24 month)

2. Objective(s)

In this project, we study the security performance of cognitive radio network models at the physical layer. Given interference and energy harvesting constraints, we focus on two major issues: Firstly, propose power control policies to reduce the risk of overhearing by eavesdroppers. Secondly, evaluate the transmission time of packets and the symbol error probability of wireless devices using the RF energy harvesting technology under joined constraints of interference and security policies.

3. Creativeness and innovativeness

In recent years, wireless networking becomes the vital part of daily life. However, the new generation wireless networks are facing many challenges such as security and reliability in communication. Recently, physical layer security in wireless networks has been emerged as a hot research topic and attract a lot of attention of researchers around the world.   Because it is considered powerful solution with a low complexity and latency, feasibility, and the ability to coexist with traditional encryption security mechanisms in the upper layers. Obtained research results have proved that physical layer security can minimize computational complexity, especially effective for wireless network devices that have limited resources like in IoT. Therefore, it can enhance the overall level of reliability and information security for the system

Although there have been many research with different approaches to physical layer security, secure and reliable communication is still an open problem. With the popularity and continued development of wireless networking technology, the security issue in wireless communication will be more challenging in the future, making this topic one of the continuous and important research areas. The basic idea of this project is to exploit the characteristics of the wireless channel and the random nature of the signal in the fading channel to limit the amount of information that eavesdroppers can collect and decode.

4. Research results

• An overview of physical layer security in wireless communication.
• An overview of evaluation performance network for wireless networks in fading channel environment.
• Research on the concept of the cognitive radio network and its benefits in the new generation wireless network.
• Research cooperative communication techniques and applications in cognitive radio network models
• Research radio frequency energy harvesting techniques and applications in cognitive radio network models.
• Research methods to improve physical layer security for cognitive radio network models
• Research methods to analyze the secure and reliable communication for cognitive radio networks in fading channels
• Research on evaluating security performance in CCRN when applying collaborative communication techniques to enhance QoS and information security.
• Researching methods to optimize energy harvesting time and selecting channels for the energy harvesting cognitive radio network to ensure performance system and information security.
• Math modeling, proposed power allocation policies for proposed network models under the interference and security constraints.
• Simulation examines the accuracy of formulas obtained in power allocation policies for research system models
• Evaluation and conclusions about the relationship between interference, security, and RF energy harvesting constraints. Consider the interactions of system parameters on the performance system and propose solutions to improve the security and performance system.
• Summary of research results to publish research works in international journals and conferences.
• Improving the quality of support and training of masters and Ph.D. in IT with quality research works.

5. Products

• Scientific products: 03
• Truong Xuan Quach, Hung Tran, Elisabeth Uleman, G.Kaddoum, and T.Q.Anh (2017), "Power allocation policy and performance analysis of secure and reliable communication in cognitive radio networks", Wireless Networks, https://doi.org/10.1007/s11276-017-1605-z.
• Truong Xuan Quach, Hung Tran, Elisabeth Uleman, Mai Tran Truc (2017), “Secrecy performance of cognitive cooperative industrial radio networks”, 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Cyprus, pp. 1-8.
• Hung Tran, Truong Xuan Quach, Elisabeth Uleman, Ha-Vu Tran (2017), "Optimal energy harvesting time and power allocation policy in CRN under security constraints from eavesdroppers", IEEE 28th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Canada, pp. 1-8
• Training products: 01

Phạm Lê Tiệp (2017), Evaluate physical layer security in wireless networks, Master thesis in computer science, University of Information And Communication Technology, Thai Nguyen University.

• PhD co-adviser: 01

PhD candidate Quach Xuan Truong, Secrecy performance of wireless communications at the physical layer, PhD thesis in Information Technology, VNU University of Engineering and Technology.

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

• Regarding transfer method and application address: After successfully research, the project will be transferred to Thai Nguyen university to supplement scientific research documents in new approaches in the field of wireless communication networks in the world. Research results can be used for reference in learning, research, and teaching in the field of computer networks & communication
• Regarding the impact and benefits of research: The project contributes to solving some challenges and difficulties in the field of computer networks & communication, information security. Research results can be used for reference in learning, research and teaching in universities and research institutes.