Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển hệ thống truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: đề xuất hệ thống đa sóng mang Khóa dịch hỗn loạn vi sai cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp (RSS), gọi là hệ thống RSS-MC-DCSK. Hệ thống này nhằm cải tiến hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER performance) cũng như hiệu suất sử dụng băng thông cho hệ thống MCDCSK truyền thống;... Mời các bạn cùng tham khảo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGUYỄN HỮU LONG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỖN

LOẠN SỬ DỤNG ĐA SÓNG MANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỮU LONG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỖN

LOẠN SỬ DỤNG ĐA SÓNG MANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Văn Yêm

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các nội dung được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự chỉ bảo của người hướng dẫn khoa học Các kết quả đạt được là không trùng lặp và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác trước đây Các kết quả số liệu đạt được là chính xác và trung thực Mọi thông tin trích dẫn đều được liệt kê rõ ràng đầy đủ trong các tài liệu tham khảo Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung cũng như các kết quả luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Long

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học, PGS TS Vũ Văn Yêm, đã tận tình chỉ bảo về mặt chuyên môn, đồng thời giúp đỡ động viên tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành bản luận án Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Xuân Quyền, người đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô và các bạn nghiên cứu sinh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu tại Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sự dạy bảo, động viên và khích

lệ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua khó khăn thử thách để hoàn thành các nội dung nghiên cứu

Cuối cùng nhưng cũng là nguồn động lực to lớn nhất, đó là sự yêu thương, quan tâm chia sẻ của bố mẹ, anh chị và đặc biệt là vợ và hai con của tôi Gia đình chính là chỗ dựa vững chắc cho tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Long

MỤC LỤC 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục các thuật ngữ viết tắt 4

Danh mục các hình 7

Danh mục các bảng 9

Mở đầu 10

Truyền thông sử dụng hỗn loạn 10

Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn 11

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án 12 Động lực nghiên cứu 12

Mục tiêu nghiên cứu 13

Đối tượng nghiên cứu 13

Giới hạn nghiên cứu 13

Phương pháp nghiên cứu 14

Tổ chức nội dung của luận án 14

Chương 1 16

Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn 16

1.1 Giới thiệu 16

1.2 Hỗn loạn và các đặc điểm 16

1.3 Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu 19

1.3.1 Thực thi các hàm hỗn loạn 19

1.3.2 Lọc nhiễu cho tín hiệu hỗn loạn 21

1.4 Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn 22

1.4.1 Đồng bộ đặc tính động hỗn loạn 22

1.4.2 Đồng bộ hỗn loạn ứng dụng trong truyền thông 23

1.5 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ 23

1.5.1 Các hệ thống tương tự 24

1.5.2 Các hệ thống số 24

1.6 Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ 27

1.6.1 Các hệ thống tương tự 28

1.6.2 Các hệ thống số 28

1.7 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang 31

1.7.1 DCSK đa sóng mang (MC-DCSK) 31

1.7.2 DCSK ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM-DCSK) 33

1.8 Kết luận 35

Chương 2 36

Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp 36

2.1 Giới thiệu 36

2.2 Hạn chế của hệ thống truyền thống và ý tưởng đề xuất 36

2.3 Thiết kế hệ thống RSS-MC-DCSK 37

2.3.1 Máy phát 37

2.3.2 Máy thu 40

2.4 Phân tích hiệu năng tỷ lệ lỗi bit 42

2.4.1 Năng lượng bit trung bình 42

2.4.2 Biểu thức BER 43

2.4.3 Tích phân số 45

2.5 Hiệu suất năng lượng và băng thông 48

2.6 Mô phỏng số và so sánh hiệu năng 50

2.7 Kết luận 54

Chương 3 55

Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn 55

3.1 Giới thiệu 55

3.2 Hệ thống OFDM xáo trộn sóng mang con hỗn loạn 56

3.2.1 Ánh xạ Baker 56

3.2.2 Sơ đồ hệ thống đề xuất 58

3.2.3 Hiệu năng lỗi bit của hệ thống 59

3.2.4 Phân tích hệ số tương quan 63

3.3 ệ thống M-PSK/OFDM sử dụng trải phổ trực tiếp hỗn loạn 64

3.3.1 Máy phát và máy thu 64

3.3.2 Kết quả mô phỏng 67

3.3.3 Đặc điểm bảo mật 72

3.4 Kết luận 74

Kết luận và hướng phát triển 76

Nội dung và các kết quả đạt được 76

Đóng góp mới 77

MỤC LỤC 3

ƣớng phát triển 78

Danh mục các công trình đã công bố của luận án 79

Bài báo tạp chí và hội nghị 79

Đề tài nghiên cứu tham gia 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 81

TÀI LIỆU TIẾNG ANH 81

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gausian trắng cộng

BE Bandwidth Efficiency Hiệu suất băng thông

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng

chuỗi hỗn loạn CEF Complementary Error Function Hàm lỗi bù

CM-DCSK Continuous Mobility DCSK Khóa dịch hỗn loạn vi sai động liên

tục COOK Chaotic On/Off Keying Khóa tắt/mở hỗn loạn

CPF Chebyshev Polynomial Function Hàm đa thức Chebyshev CPF Chebyshev Polynomial Function Hàm đa thức Chebyshev CPM Chaotic Parameter Modulation Điều chế thông số hỗn loạn CPPG Chaotic Pulse Position Generator Khối phát vị trí xung hỗn loạn CPPM Chaotic Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung hỗn loạn CPWPM Chaotic Pulse Width-Position

Modulation

Điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn

loạn CSD Chaotic Symbolic Dynamics Động kí tự hỗn loạn

DBM Discretized Baker Map Ánh xạ Baker rời rạc

DCSK Differential Chaos Shift Keying Khóa dịch hỗn loạn vi sai DCSK/S Simplest Version of Enhanced DCSK DCSK tăng cường phiên bản đơn

giản nhất DCSK-WC Differential Chaos

Shift Keying-Walsh Codes

Khóa dịch hỗn loạn vi sai-mã

Walsh DDCSK-

WC

Differentially DCSK-Walsh Codes Khóa dịch hỗn loạn vi sai mã

Walsh DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DSSS Direct-Sequence Spread-Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DVB-T Digital Video Broadcasting- Truyền hình số quảng bá mặt đất

Danh mục các thuật ngữ viết tắt 5

Terrestrial DWSCS Discrete Wheel-Switching Chaotic

Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần

FPGAs Field Programmable Gate Arrays Mảng cổng logic khả trình trường FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số

HE-DCSK High Efficiency-Differential Chaos

Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai-hiệu

năng cao I-DCSK Improved-Differential Chaos Shift

Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai cải tiến

ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên kí tự

LPI Low Probability of Intercept Xác suất bị chặn thấp

MC-DCSK Multi Carrier-Differential Chaos

Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng

mang MCM Multi-carrier Modulation Điều chế đa sóng mang NR-DCSK Noise reduction DCSK Khóa dịch hỗn loạn vi sai giảm

bình

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PN Pseudo-random Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên

PRBS Pilot Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân ngẫu nhiên hoa tiêu PS-DCSK Phase Separated Differential

Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai chia pha

PTM Pulse Time Modulation Điều chế thời gian xung

RBE Ration of Bandwidth Efficiency Tỷ lệ hiệu suất băng thông RBF Radial Basis Function Hàm cơ bản xuyên tâm REE Ratio of Energy Efficiency Tỷ lệ hiệu suất năng lượng

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RM-DCSK Reference Modulated-Differential

Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều chế

tham chiếu RSS Repeated Spreading Sequence Chuỗi trải phổ lặp

SNR Signal Noise Rate Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SR-DCSK Short Reference DCSK Khóa dịch hỗn loạn vi sai tham

chiếu ngắn SRRS Square-Root-Raised Cosine Cosin nâng căn bậc hai WLAN Wireless Local Access Network Mạng truy nhập nôi bộ không dây WPAN Wireless Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân không dây

Danh mục các hình 7

Danh mục các hình

Hình 1.1 Dạng sóng thời gian của biến trạng thái trong: (a) hệ Lorenz liên tục với điều

kiện khởi động khác nhau, (b) trong hệ logistic map rời rạc 17

Hình 1.2 Các đặc tính điển hình của tín hiệu hỗn loạn: (a) hàm tự tương quan, (b) hàm tương quan chéo, và (c) phổ tần số 18

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống CDSSS: (a) máy phát, (b) máy thu 25

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống CDS-CDMA với user 26

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống DCSK truyền thống: (a) máy phát, (b) cấu trúc khung dữ liệu, (c) máy thu 29

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống MC-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu[44] 31

Hình 1.7 Hiệu năng BER của hệ thống MC-DCSK trong: (a) kênh AWGN, (b) kênh fading đa đường [44] 32

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu [41] 33

Hình 1.9 Hiệu năng BER của hệ thống OFDM-DCSK trong: (a) kênh AWGN, (b) kênh fading đa đường [41] 34

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống RSS-MC-DCSK: (a) máy phát và (b) máy thu 38

Hình 2.2 Minh họa của (a) các tín hiệu băng cơ sở trong máy phát và (b) dạng phổ của tín hiệu được phát lên kênh truyền 39

Hình 2.3 Biểu đồ phân bố giá trị của biến với: (a) Kênh truyền AWGN, (b) Kênh Rayleigh fading 46

Hình 2.4 So sánh hiệu suất năng lượng (EE), tỷ lệ hiệu suất năng lượng (REE) và tỷ lệ hiệu suất băng thông (RBE) giữa RSS-MC-DSCK, MC-DCSK, và DCSK 50

Hình 2.5 Hiệu năng BER của hệ thống RSS-MC-DCSK dưới kênh truyền: (a) AWGN, và (b) Rayleigh fading 51

Hình 2.6 So sánh hiệu năng BER của các hệ thống RSS-MC-DCSK, MC-DCSK, và DCSK dưới kênh truyền: (a) AWGN và (b) Rayleigh fading 52

Hình 3.1 Ánh xạ Baker hai chiều 56

Hình 3.2 Ánh xạ Baker rời rạc (DBM) 57

Hình 3.3 Hệ thống OFDM đề xuất: (a) phía phát, (b) phía thu 58

Hình 3.4 Điều chế kí tự vào sóng mang con trước và sau xáo trộn:(a) phía phát, (b) phía thu 59

Hình 3.5 BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề xuất sử dụng điều chế BPSK qua kênh AWGN 61

Hình 3.6 BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề xuất sử dụng điều chế QPSK qua kênh AWGN 61

Hình 3.7 BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề xuất sử dụng điều chế QPSK qua kênh Rayleigh fading 62

Hình 3.8 BER theo lý thuyết và mô phỏng hệ thống OFDM đề xuất sử dụng điều chế

QPSK qua kênh Rayleigh fading với số lượng sóng mang con khác nhau 62

Hình 3.9 BER theo lý thuyết và mô phỏng của hệ thống OFDM đề xuất qua kênh Rayleigh fading với các phương thức điều chế khác nhau 63

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 65

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng ch m sao của các tín hiệu tại đầu ra các khối: (a) điều chế QPSK, ; (b) trải phổ hỗn loạn CDSSS, ; điều chế OFDM, ; (d) và (e) các kênh truyền AWGN và Fading tương ứng, ; (f) và (g) giải điều chế OFDM với kênh truyền AWGN và Fading tương ứng, ; (h) và (i) giải trải phổ CDSDS với kênh truyền AWGN và Fading tương ứng, ; và (j) giải điều chế QPSK 68

Hình 3.12 Hiệu năng BER qua kênh AWGN với M 2,4,8,16 và 69

Hình 3.13 Hiệu năng BER qua kênh AWGN với và M = 4 70

Hình 3.14 Hiệu năng BER qua kênh Rayleigh Fading với M 2,4,8,16 và 70

Hình 3.15 Hiệu năng BER qua Rayleigh Fading với và M = 4 71

Hình 3.16 So sánh hiệu năng BER của hệ thống đề xuất với hệ thống thông thường trong trường hợp và M = 4 71

Hình 3.17 So sánh hiệu năng BER với các chuỗi hỗn loạn khác nhau trong trường hợp và M = 4 72

Hình 3.18 Ch m sao của tín hiệu tại đầu ra giải trải phổ ở bên máy thu trong các trường hợp: (a), (b) không có sai khác thông số qua kênh AWGN và Fading; (c), (d) với sai khác điều kiện khởi động qua kênh AWGN và Fading 72

Hình 3.19 Hiệu năng BER với và M 4 qua kênh AWGN trong trường hợp không có và có sai khác điều kiện khởi động 73

Hình 3.20 Hiệu năng BER với và M 4 qua kênh Rayleigh Fading trong trường hợp không có và có sai khác điều kiện khởi động 74

Danh mục các bảng 9

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ 24

Bảng 1.2 Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ 28

Bảng 3.1 Hệ số tương quan giữa hai kí tự liền kề trong một kí tự OFDM 64

Bảng 3.2 Tham số cho hệ thống mô phỏng 66

Mở đầu

Truyền thông sử dụng hỗn loạn

Truyền thông sử dụng hỗn loạn (Chaos-based Communications) đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn thế giới trong vài thập kỷ vừa qua [1, 2] Hỗn loạn trong truyền thông được đề cập lần đầu tiên trong công trình nghiên cứu của Shannon vào năm 1947 [97] Nghiên cứu này sau đó được xác nhận bởi thực nghiệm của Chua vào năm 1980 thông qua các mạch điện tử hỗn loạn thực tế [12] Về lý thuyết, các hàm hỗn loạn với sự nhạy cảm đặc biệt vào điều kiện khởi động có khả năng phát ra chuỗi các tín hiệu trạng thái có độ tương quan rất thấp Bên cạnh đó, với đặc tính phổ băng rộng, các tín hiệu hỗn loạn đã chứng tỏ là phù hợp với truyền thông số đa truy nhập dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp [8, 58, 59, 96, 107, 108] Tiềm năng của ứng dụng hỗn loạn trong truyền thông đã được khẳng định trong nghiên cứu [28, 42, 59], theo đó các hệ thống truyền thông hỗn loạn đã thể hiện những ưu điểm so với các hệ thống sử dụng sóng mang điều hòa truyền thống, đó là hạn chế fading biến đổi thời gian của kênh truyền [115], chống lại jamming với xác suất bị chặn thấp (LPI) [120], và đặc biệt tăng cường bảo mật lớp vật lý [68] Nhiều nghiên cứu về giảm thiểu nhiễu giao thoa đa truy nhập (MAI) và tỷ

lệ công suất đỉnh-trên-trung bình (PAPR) đã chỉ ra rằng các chuỗi trải phổ hỗn loạn có hiệu năng tốt hơn chuỗi Gold truyền thống trong các hệ thống thông tin trải phổ đa người sử dụng [71, 111]

Cho đến nay, nghiên cứu về các truyền thông sử dụng kỹ thuật hỗn loạn tập trung vào hai hướng chính sau:

(i) Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ (Coherent systems), trong đó các tín hiệu hỗn loạn được phát lại và đồng bộ chính xác với tín hiệu đến ở bên máy thu Các chuỗi đồng bộ này sau đó được sử dụng cho quá trình giải điều chế với các phương pháp khác nhau để khôi phục thông tin [16, 53, 79]

(ii) Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ (Non-coherent systems), trong đó máy thu thực hiện giải điều chế dựa trên các đặc điểm của tín hiệu đến mà không cần thông tin về trạng thái kênh hay yêu cầu phát lại và đồng bộ chuỗi hỗn loạn [49, 50]

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ điển hình có thể kể đến là khóa dịch hỗn loạn (CSK), trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn (CDSSS), đa truy nhập phân chia theo mã hỗn loạn (CDS-CDMA), và điều chế động biểu tượng hỗn loạn (CSD) [30, 31, 59, 73, 90, 96] Bên máy phát, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như sóng mang thông tin, trong khi đó quá trình giải điều chế bên máy thu dựa trên sóng mang phát lại đã được đồng bộ [39, 45, 72]

Hệ thống đồng bộ được nghiên cứu phát triển rộng rãi nhất là CDSSS, trong đó các chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (PN) truyền thống được thay thế bằng chuỗi hỗn loạn rời rạc [30, 31] Như chúng ta đã biết, các chuỗi PN đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống

Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn 11

CDMA truyền thống Bên cạnh ưu điểm về đặc tính tương quan tốt, chúng cũng bộc lộ điểm yếu đó là giới hạn về khả năng bảo mật Các nghiên cứu [10, 81] đã chỉ ra rằng, bởi

vì độ phức tạp tuyến tính thấp, các chuỗi PN có thể hoàn toàn được khôi phục bằng các phương pháp tấn công hồi quy tuyến tính Điểm yếu này có thể được khắc phục bằng cách

sử dụng chuỗi hỗn loạn với biến đổi phi chu kỳ với vô số các trạng thái [105] Tuy nhiên, với các hệ thống thông tin thực tế, việc đồng bộ tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền dẫn, đặc biệt là kênh vô tuyến, có độ khả thi thấp [59] Hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER) qua kênh truyền thực tế kém là nhược điểm chính vẫn đang c n là thách thức lớn cần giải quyết của các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ [59]

Để tăng mức độ khả thi của việc áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin, các hệ thống hỗn loạn không đồng bộ được đề xuất nghiên cứu, trong đó máy thu thực hiện giải điều chế mà không yêu cầu phát lại hay đồng bộ hỗn loạn [59] Các hệ thống điển hình có thể kể đến là Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK), Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK), Khóa dịch trễ tương quan (CDSK), trong đó hệ thống DCSK được nghiên cứu và phát triển phổ biến nhất [54] Với khả năng hoạt động tốt trong kênh truyền bị ảnh hưởng bởi nhiễu, fading và đa đường, hầu hết các hệ thống hỗn loạn được đề xuất cho truyền thông vô tuyến đều dựa trên sự cải tiến hoặc mở rộng từ DCSK [42]

Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin thực tế như mạng LAN không dây (WLAN), mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN), truyền hình số mặt đất (DVB-T), mạng di động 4G [26, 111] Điều này bởi vì khả năng mạnh mẽ của điều chế đa sóng mang trong việc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự (ISI) được tạo ra bởi truyền dẫn số tốc độ cao qua kênh truyền fading đa đường với trải trễ [111] Kỹ thuật MCM chia băng thông truyền dẫn thành nhiều băng con hẹp Dòng bit tốc độ cao được chia nhỏ thành nhiều dòng bit tốc độ thấp, được điều chế vào các sóng mang con và phát lên các băng hẹp tương ứng Việc chia nhỏ băng thông làm cho kênh truyền fading lựa chọn tần số ứng với mỗi sóng mang con lại có đặc tính fading phẳng [27] Do đó, loại bỏ được ảnh hưởng của ISI đến hiệu năng BER, cải thiện chất lượng hệ thống Về cơ bản, điều chế đa sóng mang dựa trên phương pháp cơ bản là Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) [121] Kỹ thuật này sau đó được phát triển để có thể thực thi dễ dàng hơn trên nền tảng xử lý số tín hiệu, tạo ra kỹ thuật Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) [76]

Cho đến nay, ứng dụng điều chế đa sóng mang vào nâng cao chất lượng của các hệ thống thông tin hỗn loạn chỉ mới được đề cập trong các nghiên cứu gần đây của Kaddoum [41, 42, 44] Trong đó, tác giả đã nghiên cứu kết hợp đa sóng mang vào hệ thống DCSK truyền thống để đề xuất ra hai hệ thống mới đó là Khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang MC-DCSK và Khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang trực giao OFDM-DCSK Với MC-DCSK, chuỗi trải phổ tham chiếu được phát trên một sóng mang con mặc định,

trong khi các chuỗi trải phổ mang thông tin được phát trên các luồng sóng mang con còn lại [44] Để giảm thiểu băng thông chiếm giữ, hệ thống OFDM-DCSK sử dụng các sóng mang con trực giao trên miền tần số để phát đi các tín hiệu trải phổ hỗn loạn [41] Các kết quả đạt được đã chỉ ra rằng, các hệ thống đa sóng mang này cải thiện rõ rệt chất lượng so với các hệ thống thông tin không đồng bộ truyền thống qua kênh truyền fading với trải trễ

đa đường

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án

Động lực nghiên cứu

(i) Ưu điểm của truyền thông hỗn loạn và điều chế đa sóng mang:

Tín hiệu hỗn loạn với biến đổi phi chu kỳ giống nhiễu và phổ băng rộng được chứng minh là phù hợp với truyền thông số trải phổ Truyền thông hỗn loạn cũng đã thể hiện được những ưu điểm nổi bật như hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo mã, hoạt động tốt dưới ảnh hưởng của fading đa đường, tăng cường tính bảo mật lớp vật lý với xác suất bị chặn thấp, đồng thời việc phát ra hỗn loạn có thể thực hiện đơn giản bằng mạch tương tự cũng như trên nền tảng xử lý số tín hiệu Mặt khác, kỹ thuật điều chế đa sóng mang cũng đã chứng minh được ưu điểm nổi bật trong nâng cao chất lượng truyền thông qua các kênh truyền thực tế Dó đó, việc kết hợp giữa kỹ thuật hỗn loạn

và điều chế đa sóng mang là một hướng nghiên cứu tiềm năng và khả thi, hướng tới áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin thực tế

(ii) Truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang một hướng nghiên cứu mở chỉ mới được đề xuất:

Các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang chỉ mới được đưa

ra gần đây bởi tác giả Kaddoum Hiện tại, chỉ có hai hệ thống không đồng bộ hỗn loạn được đề xuất đó là MC-DCSK và OFDM-DCSK Những kết quả nghiên cứu này mở đầu cho một hướng nghiên cứu mới về truyền thông hỗn loạn đó là sự kết hợp với đa sóng mang Do đó, vẫn còn rất nhiều chủ đề nghiên cứu để các nhà khoa học cùng nhau khám phá Bên cạnh đó, có thể thấy rằng các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang được đề xuất chủ yếu dựa trên phương pháp không đồng bộ DCSK Bản thân việc áp dụng đa sóng mang vào hệ thống DCSK là một hướng mở cần cải tiến hoặc điều chỉnh để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ thống Bên cạnh đó, hướng nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào hệ thống OFDM cũng như ứng dụng OFDM vào truyền thông hỗn loạn đồng bộ chưa được thực hiện Đây cũng là một chủ đề nghiên cứu đầy hứa hẹn nhưng cũng chứa đựng nhiều thách thức cần giải quyết

Những đặc điểm kể trên là động lực mạnh mẽ thôi thúc nghiên cứu sinh chọn và thực hiện nội dung nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đa sóng mang trong luận án tiến sĩ của mình Bên cạnh việc phát triển cải tiến nâng cao chất lượng cho hệ thống không đồng bộ

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án 13

sử dụng đa sóng mang (MC-DCSK) đã được đưa ra, luận án nghiên cứu còn nghiên cứu đề xuất ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật OFDM cũng như áp dụng OFDM vào hệ thống hỗn loạn đồng bộ mà điển hình là hệ thống trải phổ chuỗi hỗn loạn trực tiếp (CDSSS) Những nội dung và kết quả đạt được hy vọng sẽ góp phần phát triển và hoàn thiện hướng nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đa sóng mang, hướng tới ứng dụng vào các hệ thống thông tin thực tế

Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những động lực nghiên cứu ở trên, luận án sẽ tập trung thực hiện hai nội dung khoa học chính như sau:

(i) Đề xuất hệ thống đa sóng mang DCSK cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp (RSS), gọi là hệ thống RSS-MC-DCSK Hệ thống này nhằm cải tiến hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER performance) cũng như hiệu suất sử dụng băng thông cho hệ thống MC-DCSK truyền thống

(ii) Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào xáo trộn các sóng mang con trực giao trong OFDM nhằm tăng cường tính bảo mật, đồng thời đề xuất trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn (CDSSS) trong hệ thống OFDM nhằm cải thiện hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER) qua kênh truyền fading

Đối tượng nghiên cứu

(i) Các hệ thống thông tin số sử dụng kỹ thuật hỗn loạn

(ii) Các hệ thống thông tin hỗn loạn sử dụng đa sóng mang và đa sóng mang trực giao

(iii) Phương pháp nâng cao chất lượng các hệ thống thông tin hỗn loạn bằng cách kết hợp với điều chế đa sóng mang

Giới hạn nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất và thực thi các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang trong giới hạn sau:

(i) Các hệ thống được thiêt kế và phân tích với đơn người sử dụng, trong đó chất lượng truyền thông được đánh giá qua các thông số như hiệu suất năng lượng, hiệu suất băng thông hoặc hiệu năng BER

(ii) Mô hình hóa và phân tích hệ thống ở băng cơ sở, băng cao tần (RF) với đa sóng mang được xem như là phương tiện truyền dẫn tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền (iii) Hệ thống với đa người sử dụng và việc phân tích đánh giá chi tiết khả năng bảo mật là hướng phát triển tiếp theo của luận án

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu dựa trên phân tích lý thuyết và kiểm chứng thông qua mô phỏng số Trước hết mô hình lý thuyết của các phương pháp đề xuất được đưa ra Tín hiệu đầu vào đầu ra của mỗi khâu xử lý của máy phát và máy thu sẽ được xác định biểu diễn bằng các biểu thức toán học cụ thể Sử dụng lý thuyết xác suất để xác định xấp xỉ và chính xác hiệu năng BER của các hệ thống đề xuất qua kênh truyền dẫn Các mô hình sau đó được xây dựng lại trên các phần mềm mô phỏng số trên máy tính Các kết quả mô phỏng đạt được sẽ được so sánh với kết quả ước lượng lý thuyết để kiểm chứng độ chính xác và tin cậy của mô hình và phương pháp phân tích đưa ra

Tổ chức nội dung của luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn được trình bày trong Chương 1 Chương 2 đề xuất và thực hiện hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang (MC-DCSK) cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp Việc áp dụng hỗn loạn để xáo trộn sóng mang con trong OFDM và ứng dụng trải phổ trực tiếp hỗn loạn CDSSS trong hệ thống OFDM được đề xuất và thực hiện trong Chương 3 Các nội dung và kết quả đạt được trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện các đóng góp khoa học chính của luận án Bố cục luận án cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn

Chương này trình bày và tổng hợp một cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng hỗn loạn trong kỹ thuật truyền thông Trạng thái động và tín hiệu của hệ thống động phi tuyến hỗn loạn với các đặc điểm về dạng phổ, dạng sóng, và tính tương quan sẽ được tóm tắt Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào các hệ thống thông tin và các kết quả đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua được tổng hợp Nguyên lý thực hiện, sơ đồ cụ thể cho các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ nói chung và các hệ thống sử dụng đa sóng mang nói riêng sẽ được mô tả và phân tích

Chương 2 Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp

Chương này đề xuất và thực hiện hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp nhằm cải thiện chất lượng so với hệ thống truyền thống Sơ đồ máy phát và máy thu được thiết kế và tính toán Mô hình ước lượng lý thuyết BER qua các kênh nhiễu và fading được mô tả và phân tích Sự cải thiện về hiệu suất năng lượng và hiệu suất băng thông được chứng minh Mô phỏng số và các kết quả được chỉ ra để kiểm tra lại các kết quả lý thuyết đạt được

Tổ chức nội dung của luận án 15

Chương 3 Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn

Trong chương này, hai hướng tiếp cận sử dụng hỗn loạn trong các hệ thống OFDM được đề xuất Thứ nhất, áp dụng hàm Baker để xáo trộn hỗn loạn sóng mang con trong OFDM nhằm nâng cao tính bảo mật hệ thống Thứ hai, áp dụng trải phổ chuỗi hỗn loạn-NRZ vào hệ thống OFDM nhằm cải thiện hiệu năng qua kênh truyền Sơ đồ và hoạt động của các hệ thống đề xuất được đưa ra và phân tích chi tiết Hiệu năng BER qua các kênh truyền AWGN và Rayleigh fading được đánh giá thông qua mô phỏng số Cuối cùng, tác giả đưa ra một số thảo luận về tính bảo mật của các hệ thống đề xuất

lý đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên truyền thống Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của một số hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ điển hình được đưa ra và mô tả lần lượt trong các Mục 1.5 và Mục 1.6 Trong đó, hai hệ thống được nghiên cứu rộng rãi nhất cho mỗi loại đó là Trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CDSSS) và Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) Mục 1.7 đưa ra và phân tích hai hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang đã được nghiên cứu gần đây là MC-DCSK là OFDM-DCSK Những ưu điểm của các phương pháp này trong cải thiện chất lượng truyền thông cũng được chỉ rõ Kết luận đáng chú ý được đưa ra trong Mục 1.8

1.2 Hỗn loạn và các đặc điểm

Hỗn loạn là một trạng thái đặc biệt của các hệ thống động phi tuyến với sự nhạy cảm đặc biệt vào các điều kiện khởi động và các tham số của hệ thống [18] Thực nghiệm đầu tiên chứng minh được sự tồn tại của hỗn loạn được thực hiện bởi Faraday vào năm 1831 Thực nghiệm này sau đó được thực hiện lại và được công bố bởi Lord Rayleigh với nghiên cứu về lý thuyết âm thanh vào năm 1877 [4] Năm 1981, thực nghiệm của Faraday được tiến hành với các thiết bị hiện đại Các kết quả đạt được cho thấy các thành phần hài được chia nhỏ cho đến khi đầu ra được biến đổi đến một trạng thái giống nhiễu với phổ tần số liên tục Các ví dụ khác về hỗn loạn xảy ra trong tự nhiên cũng được tìm thấy như hình dạng lá cây, trạng thái đám mây và thời tiết, … [4]

Thuật ngữ “hỗn loạn” (Chaos) nhằm diễn tả một hiện tượng giống ngẫu nhiên được xuất hiện lần đầu tiên trong giả thiết của Boltzmann về hỗn loạn phân tử trong thiết lập định lý H (H-theorem) Thuật ngữ này sau đó được sử dụng rộng rãi trong các tạp chí toán học bắt đầu từ năm 1975 Cho đến nay chưa có một định nghĩa chính thức nào về “hỗn loạn” được chấp nhận toàn cầu Trong khuôn khổ luận án này, tác giả nêu ra hai đặc điểm quan trọng để một quá trình hoặc một hệ thống động được xem là hỗn loạn như sau [101]:

Hỗn loạn và các đặc điểm 17

(i) các trạng thái tương lai của quá trình hoặc hệ thống được xác định chính xác nếu điều kiện khởi động được biết trước; (ii) các trạng thái tương lai của quá trình hoặc hệ thống là không thể dự đoán được nếu điều kiện đầu không được xác định

(a)

(b)

Hình 1.1 Dạng sóng thời gian của biến trạng thái trong: (a) hệ Lorenz liên tục với điều

kiện khởi động khác nhau, (b) trong hệ logistic map rời rạc [101]

Về mặt toán học, các hệ thống động ở trạng thái hỗn loạn có thể biểu diễn bằng các phương trình vi phân liên tục theo thời gian hoặc các hàm lặp rời rạc [32] Do đó, các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau: (i) dạng liên tục của thời gian được biểu diễn bằng phương trình vi phân, ⁄ , trong đó là biến trạng thái có thể một hoặc nhiều chiều, và là thời điểm và giá trị khởi động của

hệ thống; (ii) dạng rời rạc của thời gian được biểu diễn bởi hàm lặp, , với là giá trị khởi động, là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều của hệ thống ở bước lặp thứ Một ví dụ điển hình về hỗn loạn liên tục là hệ thống động phản ánh đối lưu nhiệt trong khí quyển được giới thiệu bởi Lorenz vào năm 1963 [64] Hệ thống này được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân ba chiều như sau:

Trễ thời gian chuẩn hóa

Hình 1.2 Các đặc tính điển hình của tín hiệu hỗn loạn: (a) hàm tự tương quan, (b) hàm

tương quan chéo, và (c) phổ tần số [101]

Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu 19

trong đó là các biến trạng thái và là các tham số của hệ thống Với bộ tham số ⁄ , hệ Lorenz rơi vào trạng thái hỗn loạn Hình 1.1(a) chỉ ra dạng sóng biến đổi hỗn loạn theo thời gian của biến với hai tập điều kiện đầu sai khác nhau rất nhỏ Chúng ta có thể thấy rằng các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như cùng một điểm, nhưng sau đó chúng tách biệt nhanh chóng và trở nên khác nhau hoàn toàn

Đối với hỗn loạn rời rạc, hệ thống Logistic map được xem là một ví dụ điển hình và được biểu diễn bởi hàm lặp sau:

, (1.2) với là hệ số điều khiển trạng thái hỗn loạn [4] Với giá trị , giá trị đầu ra biến đổi hỗn loạn trong khoảng (0, 1) như trong Hình 1.1(b)

Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin được mở ra sau công trình công bố của Pecora và Carroll về khả năng đồng bộ của hệ hỗn loạn [80] Các nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng các tín hiệu hỗn loạn có đặc tính tương tự như chuỗi giả ngẫu nhiên trong truyền thông trải phổ Hình 1.2(a), (b) và (c) minh họa hàm tự tương quan, hàm tương quan chéo, và phổ băng rộng điển hình của một tín hiệu hỗn loạn [101] Dựa vào các đặc điểm này, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như các sóng mang băng rộng thay thế cho sóng mang điều hòa hoặc là chuỗi giả ngẫu nhiên trong các hệ thống thông tin truyền thống

1.3 Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu

1.3.1 Thực thi các hàm hỗn loạn

Từ năm 1980, các hàm hỗn loạn điển hình như: hàm đa thức Chebyshev (CPF), hàm tuyến tính từng đoạn (PWL), hàm Markov, hàm Tent, hàm Logistic, vv, đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng [98] Những hệ thống được biểu diễn bởi các hàm này được gọi là động vì khả năng lưu trữ trạng thái quá khứ, theo đó trạng thái đầu ra hiện tại là kết quả của hàm lặp với đầu vào là trạng thái trước đó Ví dụ như các hệ thống động rời rạc một chiều được mô tả bởi hàm ánh xạ (với ký hiệu không gian trạng thái) được đánh giá bởi một trường véc-tơ xác định và điều kiện khởi động như sau:

trong đó là biến trạng thái được lấy mẫu ở thời điểm thứ , là hàm lặp mô tả đặc tính động của hệ thống, và là véc-tơ các thông số xác định tính động của hệ thống Sự biểu diễn theo thời gian rời rạc của các hệ thống động đưa ra một cách tiếp cận đơn giản cho việc thực thi và phát ra các tín hiệu hỗn loạn trong kỹ thuật điện tử, đó là thực thi trên

nền tảng xử lý tín hiệu số Thực tế thì các mạch điện tử có thể phát ra cả tín hiệu hỗn loạn liên tục lẫn rời rạc Ví dụ điển hình nhất của phát tín hiệu hỗn loạn liên tục là mạch Chua [13] và mạch dao động Colpitts [86] Tuy nhiên bởi vì thời gian duy trì trạng thái tín hiệu

là không xác định và không điều khiển được [18, 40], các tín hiệu hỗn loạn liên tục không được đề xuất sử dụng trong thông tin số trải phổ Thay vào đó, các tín hiệu hỗn loạn rời rạc với thời gian trạng thái xác định bằng bước lặp tính toán được ứng dụng phổ biến

Một số nghiên cứu gần đây về lý thuyết hỗn loạn đã chứng minh rằng đặc tính phi chu

kỳ biến đổi giống nhiễu của các hệ hỗn loạn không thể được đảm bảo hoàn toàn nếu các hàm hỗn loạn được thực thi trên nền tảng xử lý tín hiệu số, như trên DSP, FPGA, hoặc máy tính Nguyên nhân là bởi vì các giá trị trạng thái hỗn loạn rơi vào một số hữu hạn của các thanh ghi tính toán, thường là 8, 16, 32, hoặc 64 bit [19] Điều này dẫn tới quỹ đạo có chu

kỳ của hệ thống hay nói cách khác đặc tính hỗn loạn bị suy giảm Để khắc phục nhược điểm này, đã có nhiều phương pháp thực thi đã được đề xuất nhằm cải thiện chất lượng cũng như đảm bảo tính ngẫu nhiên của tín hiệu hỗn loạn trên nền tảng số [6, 17, 24, 77, 78,

113, 114] Một phương pháp sử dụng nhiều tầng biến đổi hỗn loạn nối tiếp được thực thi trong [122] Phương pháp này cho phép phát ra một số lượng rất lớn các chuỗi hỗn loạn với không gian trạng thái lớn hơn và số vòng lặp có chu kỳ lớn hơn, làm tăng mức độ phức tạp của toàn bộ hệ thống Hai phương pháp thực thi khác cho các bộ phát số ngẫu nhiên hiệu năng cao sử dụng một mạch hỗn loạn rời rạc được trình bày trong [78] Đề xuất này được phát triển từ thiết kế bộ chuyển đổi tương tự - số (DAC) vào ra song song tiêu chuẩn, được điều chỉnh để hoạt động như một tập các hàm hỗn loạn tuyến tính từng phần Các phương pháp thực thi trên đã được chứng minh là đặc biệt phù hợp để nhúng vào các ứng dụng mật mã

Trong [24], việc thực thi một bộ phát hỗn loạn rời rạc đã được nghiên cứu và đánh giá Nghiên cứu này tập trung vào vấn đề tiêu thụ công suất, sử dụng tài nguyên phần cứng và tốc độ tối đa có thể thực thi trên bo mạch FPGA Trong [5], kỹ thuật hỗn loạn thời gian - ngược được sử dụng để thực hiện các hệ thống hỗn loạn trên phần cứng, tạo ra các mạch điện phát hỗn loạn tốc độ cao với độ phức tạp thấp Một hướng tiếp cận khác để phát ra tín hiệu hỗn loạn với đặc tính ngẫu nhiên tốt và độ phức tạp thấp được công bố trong các nghiên cứu [77] và [6] Trong đó, một hàm hỗn loạn có tên là hàm Zigzag với đặc tính hỗn loạn gần với ngẫu nhiên lần đầu tiên được giới thiệu Các kết quả chỉ ra rằng hàm Zigzag

đề xuất vượt qua được tất cả các phép thử theo tiêu chuẩn NIST800-22 về mức độ ngẫu nhiên thống kê Trong [114], một kỹ thuật hỗn loạn rời rạc được trình bày và thực thi trên FPGA Kỹ thuật này dựa trên sự thay đổi các chuỗi điều khiển của các chuyển mạch - quay tròn (DWSCS), cho phép phát ra một số lớn các chuỗi hỗn loạn mới từ một tập các hàm hỗn loạn sẵn có

Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu 21

1.3.2 Lọc nhiễu cho tín hiệu hỗn loạn

Sau khi qua kênh truyền dẫn, tín hiệu hỗn loạn chịu sự tác động của nhiễu cộng, do đó

để cải thiện chất lượng của các hệ thống thông tin hỗn loạn, tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu (SNR) phải được nâng cao Bởi vì tín hiệu hỗn loạn có đặc tính giống nhiễu ngẫu nhiên, do đó các

bộ lọc tuyến tính không có tác dụng trong việc lọc tách nhiễu ra khỏi tín hiệu trộn tổng hợp Đây cũng là thách thức lớn đồng thời cũng đặt ra vấn đề nghiên cứu mở cho các nhà khoa học cùng nhau nghiên cứu giải quyết Về nguyên lý, bất kỳ một thuật toán lọc nhiễu nào cũng phụ thuộc vào lượng thông tin biết trước sẵn có

Dựa trên những thông tin biết trước của các hệ thống động hỗn loạn, nhiều hướng tiếp cận đã được đề xuất để giảm hoặc loại bỏ sự hiện diện của nhiễu trong các tín hiệu phi tuyến Trong các công bố [66, 100, 112], một phương pháp thực hiện dựa trên lọc Kalman thời gian - rời rạc được đưa ra để ước lượng trạng thái của các mẫu hỗn loạn - nhiễu Trong thực tế, lọc Kalman được biết đến như là bộ ước lượng không gian trạng thái cung cấp các ước lượng sai số bình phương trung bình tối thiểu đệ qui cho các hệ thống tuyến tính dưới tác động của nhiễu Gau-xơ Phương pháp này không thể được sử dụng trực tiếp để ước lượng đối với các mô hình không gian trạng thái phi tuyến Bởi vì lý do này, một giải pháp xấp xỉ được yêu cầu cho phép sự mở rộng lọc Kalman cho các mô hình không gian trạng thái phi tuyến, như đã được thực hiện trong [66] và [100] Trong [66], một bộ thu cho hệ thống trải phổ hỗn loạn được phát triển sử dụng hai bộ lọc Kalman mở rộng, thực hiện đồng thời quá trình đồng bộ và giải mã Bởi vì phương pháp lọc này dựa trên ước lượng của tín hiệu có nhiễu gần nhất có thể với tín hiệu sạch không nhiễu trong cảm nhận sai số bình phương trung bình [29], bộ lọc Wiener cũng có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề lọc nhiễu Phương pháp lọc này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu nhằm giảm nhiễu trong các tín hiệu hỗn loạn [9, 100]

Với cùng một mục đích, các phương pháp xử lý tín hiệu thích nghi cũng được đề xuất trong [34-37, 61] để giảm nhiễu và tăng cường chất lượng cho các hệ thống thông tin Quá trình lọc sử dụng các hàm hỗn loạn biết trước với , được xem như là một bài toán tối ưu, trong đó hàm chi phí có dạng

̂ ̂ ̂ (1.4) được tối thiểu [61] Hàm ̂ đo lường sự tương đồng giữa điểm được ước lượng ̂ và điểm nhận được nhiễu, ̂ là hàm áp đặt chỉ ra mức độ hợp lý của quỹ đạo ước lượng,

và là hàm trọng lượng Lời giải tối ưu cho phương trình (1.4) đạt được bằng hai phương pháp được đề xuất trong [61] Dựa vào các nghiên cứu của Lee và cộng sự, Jákó đã chỉ ra trong các công bố [35, 37] rằng cả hai phương pháp này có mối liên hệ mật thiết với phương pháp gradient tiêu chuẩn Những giải thuật giảm nhiễu này được khai thác ứng dụng trong thiết kế bộ tách sóng không đồng bộ nhằm tăng cường chất lượng BER [34, 36]

1.4 Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn

Đồng bộ là quá trình bắt buộc để thiết kế các hệ thống hỗn loạn đồng bộ Đã có nhiều phương pháp đồng bộ được đề xuất cho các hệ thống thông tin hỗn loạn Về cơ bản, các phương pháp đồng bộ có thể được chia thành hai nhóm chính như sau: (i) các kỹ thuật đồng bộ đặc tính động hỗn loạn [38, 65, 75, 80, 104, 117, 119]; (ii) hướng tiếp cận đồng bộ truyền thống được ứng dụng cho truyền thông hỗn loạn [39, 45, 72] Trong nhóm thứ nhất, các hệ thống chủ động và thụ động được sử dụng cho đồng bộ, trong đó một tín hiệu hỗn loạn liên kết được phát từ hệ chủ động được sử dụng để lái hệ thụ động, bắt buộc hệ thụ động phát ra một bản sao chính xác được đồng bộ của tín hiệu liên kết Nhóm thứ hai phát triển các phương pháp đồng bộ trong các hệ thống thông tin truyền thống như là đồng bộ pha và lấy mẫu ứng dụng trong các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ Mục đích của các

kỹ thuật đồng bộ này là loại bỏ sai lệch đồng hồ bên máy thu nhằm phát ra chuỗi hỗn loạn được đồng bộ chính xác về mặt thời gian

Có thể nói rằng khó khăn lớn nhất đối với các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ đó

là việc đồng bộ hỗn loạn ở máy thu [92] Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp đồng bộ hỗn loạn đã được để xuất Yamada và Fujisaka là những người tiên phong trong nghiên cứu về vấn đề này trong [23] và sau đó là Afraimovich và cộng sự trong [3] Tuy nhiên, chủ đề này được bắt đầu nghiên cứu rộng rãi sau khi Pecora và Carroll đưa ra phương pháp một đồng bộ hỗn loạn và đề xuất áp dụng cho truyền thông bảo mật [80] Trong hướng tiếp cận đề xuất, một hệ thống chủ động và một hệ thống thụ động được yêu cầu và một tín hiệu từ hệ chủ động được gửi đến để lái hệ thụ động [15, 80] Một hệ thống chủ động - thụ động bao gồm hai hệ thống hỗn loạn có cùng biểu diễn phương trình vi phân với các giá trị thông số như nhau Các kết quả trong [80] chỉ ra rằng đồng bộ hỗn loạn xảy ra khi tín hiệu đầu ra của ít nhất một trong các phương trình vi phân của hệ thống thứ nhất có tác dụng đối với hệ thống thứ hai Do đó, một hệ thống hỗn loạn được cho là có thể lái một hệ thống hỗn loạn khác thông qua tín hiệu liên tục theo thời gian được phát ra từ một trong các phương trình vi phân của nó Hệ thống hỗn loạn lái được gọi là hệ chủ động còn hệ được lái gọi là hệ bị động Khái niệm về sơ đồ đồng bộ chủ động - bị động cũng được nghiên cứu trong [104] và [117] Cũng theo các công bố liên quan [15, 38, 65, 75, 119], bốn kiểu chế độ lái của các bộ phát liên kết được xác định là lái định hướng, lái hai hướng, lái liên kết mạng, và lái ngoài

Áp dụng trong truyền thông, một hoặc nhiều tín hiệu lái được phát từ hệ thống chủ động (máy phát) đến hệ thống thụ động (máy thu) thông qua kênh truyền để đồng bộ hệ thống bị động Quá trình này bắt buộc hệ thống thụ động phải theo hệ thống chủ động bằng cách phát một bản sao chính xác của tín hiệu lái được phát, dẫn đến đồng bộ hỗn loạn

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ 23

Khái niệm này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hỗn loạn tương tự và truyền thông bảo mật [70, 109]

Liên quan đến phần nội dung về đồng bộ đặc tính động hỗn loạn, trong công bố số 1 (trong phần các công trình công bố của luận án – trang 79) của mình, tác giả đã đề xuất và thực hiện mô hình đồng bộ giữa hai mạch dao động hỗn loạn Colpitts cải tiến Mạch dao động chủ động sẽ gửi tín hiệu lái đến mạch bị động thông qua một điện trở thuần Các kết quả đạt được chỉ ra rằng với việc lựa chọn giá trị các thông số mạch điện và điện trở thuần hợp lý, hai mạch dao động sẽ được đồng bộ và các tín hiệu phát ra là hoàn toàn như nhau

Bởi vì chất lượng kém của đồng bộ hỗn loạn chủ động - bị động qua kênh truyền có nhiễu, hiệu năng của các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ sử dụng các phương pháp đồng bộ này cũng rất kém [53] Mặt khác, các ứng dụng chủ yếu của hỗn loạn là cho truyền thông trải phổ, do đó một hướng tiếp cận khác trong đồng bộ hỗn loạn đó là sử dụng phương pháp đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) truyền thống cho các hệ thống thông tin hỗn loạn Trong hệ thống trải phổ truyền thống, quá trình đồng bộ chuỗi PN bên phía thu được thực hiện qua hai bước [81]: thứ nhất, quá trình bắt (Acquisition) giảm sai khác thời gian của chuỗi bên thu so chuỗi bên phát, lúc này máy thu đạt được đồng bộ thô xấp xỉ; thứ hai, quá trình bám (Tracking) điều chỉnh tinh để giảm sai khác thời gian đến không nhằm đạt được đồng bộ chính xác

Ứng dụng của phương pháp đồng bộ chuỗi PN truyền thống vào hệ thống thông tin hỗn loạn đã được nghiên cứu trong [72] Một đề xuất của hướng tiếp cận này được phát triển trong [106] sử dụng các tín hiệu hỗn loạn như là tín hiệu hoa tiêu (Chaotic pilot) Kỹ thuật đồng bộ này có thể được sử dụng cho truyền thông đa người sử dụng (nhiều user) đồng bộ Hiệu năng hệ thống trong [106] được đánh giá với kênh truyền Rayleigh fading Khó khăn trong thực thi kỹ thuật đồng bộ truyền thống này phụ thuộc vào việc thực hiện

và phát ra dạng sóng hỗn loạn ở phía máy thu Để đạt được mục đích này, hai hướng tiếp cận có thể được sử dụng Hướng tiếp cận thứ nhất yêu cầu thực hiện một hàm hỗn loạn ở phía máy thu có cùng điều kiện khởi động như ở phía máy phát Hướng thứ hai bao gồm việc phát mã hỗn loạn với giá trị thực hoặc đã được lượng tử hóa, sau đó cùng được lưu trữ

ở cả bên phát và bên thu Bởi vì bộ phát hỗn loạn rất nhạy cảm với điều khiện khởi động, chỉ cần một sai số rất nhỏ trong việc thực thi có thể dẫn đến việc phát lại tín hiệu khác hoàn toàn giữa máy phát và máy thu, do đó việc đồng bộ là không thể Hướng tiếp cận thứ hai mặc dù yêu cầu bộ thêm bộ nhớ mã hỗn loạn ở cả bên phát và bên thu, tuy nhiên khả thi hơn, giúp tránh được sai số do thực thi trên phần cứng

1.5 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ

Truyền thông sử dụng hỗn loạn có thể được phân thành hai nhóm chính tùy thuộc vào phương pháp giải điều chế bên phía thu đó là: đồng bộ và không đồng bộ [59, 101] Bảng

1.1 liệt kê các hệ thống thông tin số hỗn loạn đồng bộ điển hình đã được đề xuất, bao gồm

cả hệ thống tương tự và số Trong mục này, sơ đồ và nguyên lý hoạt động từng hệ thống sẽ được trình bày

1.5.1 Các hệ thống tương tự

Hai hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ tương tự điển hình là mặt nạ hỗn loạn (Chaotic masking) và điều chế hỗn loạn (Chaotic modulation) Hệ thống mặt nạ hỗn loạn được đề xuất trong [14] Tín hiệu mang thông tin tương tự sẽ được cộng với tín hiệu hỗn loạn trước khi phát đi trên kênh truyền Ở phía thu, quá trình đồng bộ được thực hiện để phát lại chính xác tín hiệu hỗn loạn Thông tin tương tự sau đó được khôi phục bằng cách lấy tín hiệu thu được trừ cho tín hiệu hỗn loạn đã đồng bộ Các biện pháp cải thiện chất lượng của hệ thống mặt nạ hỗn loạn được đề xuất trong [74] Sự hạn chế về khả năng bảo mật của phương pháp này cùng được nêu ra trong [63]

Bảng 1.1 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ

1.5.2 Các hệ thống số

Một trong những hệ thống thông tin số hỗn loạn đồng bộ đầu tiên là khóa dịch hỗn loạn (CSK) [79] Dữ liệu nhị phân được dùng để điều khiển bộ chuyển mạch chọn một trong hai bộ phát hỗn loạn khác nhau và Tín hiệu đầu ra bộ phát hỗn loạn được phát

đi nếu bit vào là “+1”, ngược lại với bit vào là “0”, tín hiệu đầu ra bộ hỗn loạn được phát

đi Trong sơ đồ thu thứ nhất, hai khối phát lại và đồng bộ hỗn loạn tương ứng và được

sử dụng Sự sai khác giữa tín hiệu thu được và đầu ra các bộ đồng bộ được so sánh giải mã

để khôi phục bit thông tin [52] Với sơ đồ máy thu thứ hai, tương quan trong mỗi độ rộng

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ 25

thời gian bit giữa tín hiệu đến và các tín hiệu đầu ra các khối đồng bộ được lấy mẫu và so sánh để khôi phục thông tin [53] Bởi vì sự nhạy cảm đặc biệt của đồng bộ hỗn loạn đến sai khác thông số và nhiễu kênh truyền, việc thực thi hệ thống khóa dịch hỗn loạn trong thực

tế có độ khả thi thấp

Khối phát chuỗi hỗn loạn rời rạc

Dữ liệu vào NRZ

nT b

Lấy mẫu So sánh

y(nT b )

Khối phát chuỗi hỗn loạn rời rạc

Khối bắt và bám đồng bộ

Khối đồng bộ chuỗi hỗn loạn

d(t)

(b)

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống CDSSS: (a) máy phát, (b) máy thu [1]

Phương pháp điều chế vị trí xung hỗn loạn CPPM là sự kết hợp của hệ thống động hỗn loạn rời rạc và điều chế vị trí xung PPM truyền thống [93, 103] Trong đó vị trí của mỗi xung được xác định bởi khoảng cách thời gian giữa nó và xung trước đó Khoảng cách này phụ thuộc vào giá trị đầu ra của hệ thống phi tuyến động được sử dụng, các thông số điều chế và giá trị của bit đầu vào Điều chế và giải điều chế cùng sử dụng các bộ phát xung vị trí hỗn loạn (CPPG) như nhau Với sự lựa chọn hợp lý của các thông số, khoảng cách giữa các xung liên tiếp vừa biến đổi hỗn loạn vừa mang thông tin nhị phân Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là cơ chế tự đồng bộ mà không cần giao thức bắt tay đặc biệt nào, trong

đó mỗi xung nhận được đóng vai tr như là tín hiệu đánh dấu đồng bộ [93] Tín hiệu đánh dấu giúp cho phía thu khôi phục lại toàn bộ các tín hiệu hỗn loạn bên phát và từ đó khôi phục bit dữ liệu Các phương pháp mở rộng của CPPM cũng được đề xuất và nghiên cứu trong [1, 84, 87]

Một trong những hệ thống được nghiên cứu phổ biến là trải phổ chuỗi hỗn loạn trực tiếp (CDSSS) dựa trên sơ đồ trải phổ trực tiếp truyền thống sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên [30, 31], trong đó chuỗi PN được thay thế bởi chuỗi hỗn loạn rời rạc Sơ đồ khối hệ thống CDSSS được đưa ra trong Hình 1.3 Trong máy phát, quá trình trải phổ được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp dữ liệu nhị phân vào với chuỗi hỗn loạn Một trong những thông

số quan trọng của hệ thống CDSSS là hệ số trải phổ (SF) (hay còn gọi là độ lợi xử lý (PG)), là tỷ số giữa độ rộng bit của chuỗi dữ liệu và độ rộng chip (khoảng cách bước lặp) của chuỗi hỗn loạn Thông số này quyết định hiệu năng hệ thống qua kênh truyền Bên máy thu, chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát lại và đồng bộ với tín hiệu thu Quá trình đồng

bộ được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ chuỗi PN truyền thống [81], bao gồm hai bước bắt và bám, như đã được đề cập ở Mục 1.4.2 Quá trình giải trải phổ sau đó dựa trên việc tính tương quan giữa tín hiệu nhận được và chuỗi hỗn loạn được đồng bộ Giá trị tương quan đầu ra được lấy mẫu với chu kỳ bằng độ rộng bit Các giá trị mẫu thu được được so sánh với mức ngưỡng không để khôi phục dữ liệu ở đầu ra

.

.

.

Kênh truyền

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống CDS-CDMA với user [88]

Với việc sử dụng đồng bộ chuỗi rời rạc như trải phổ truyền thống, hiệu năng của hệ thống CDSSS qua kênh truyền bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo tốt hơn, do đó tính khả thi cho việc ứng dụng CDSSS vào các hệ thống thông tin thực tế được tăng lên Đây cũng là lý

do hầu hết các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đồng bộ gần đây đều tập trung vào nghiên cứu hiệu năng của CDSSS trong các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã hỗn loạn (CDS-CDMA) Sơ đồ điển hình của một hệ thống CDS-CDMA được đưa ra như Hình 1.4 Các user trong hệ thống được phân biệt với nhau bởi các chuỗi trải phổ trực giao được phát ra từ một hệ thống động hỗn loạn với điều kiện khởi động khác nhau Trải phổ bên máy phát và giải trải phổ bên máy thu sử dụng phương pháp CDSSS như đã mô tả ở mục trên Công trình nghiên cứu đầu tiên về C-CDMA được công bố bởi Bateni và McGille [30, 31], trong đó sơ đồ hệ thống thông tin đa truy nhập sử dụng chuỗi trải phổ hỗn loạn được đề xuất, đồng thời BER qua môi trường nhiễu được xác định bằng các kết quả mô phỏng số Các kết quả đạt được chỉ ra rằng, BER của hệ thống CDS-CDMA là tương đương với hệ thống CDMA truyền thống nhưng khả năng bảo mật tốt hơn với xác xuất bị chặn (LPI) thấp hơn [95] Được thúc đẩy bởi kết quả này, hầu hết các nghiên cứu sau đó về thông tin hỗn loạn kết hợp đều tập trung vào hệ thống CDS-CDMA theo ba nội dung chính như sau:

(i) Xác định BER của hệ thống qua các kênh truyền khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, từ xấp xỉ đến chính xác BER qua môi trường nhiễu được ước lượng lý thuyết trong [110] sử dụng xấp xỉ Gau-xơ Tuy nhiên phương pháp này cho độ chính xác thấp, đặc biệt

Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ 27

khi hệ số trải phổ là thấp Ảnh hưởng của đặc tính động hỗn loạn đến biểu thức xác định BER được tính đến trong [105] bằng cách tích phân biểu thức BER với một hệ số trải phổ cho trước qua tất cả các chuỗi hỗn có thể Phương pháp này cho kết quả chính xác nhưng

độ phức tạp tính toán lớn Để ước lượng chính xác và đơn giản hơn, Kaddoum trong các công bố của mình đã đề xuất phương pháp xác định phân bố hàm mật độ xác xuất (PDF) của năng lượng bit, sau đó lấy tích phân của biểu thức BER xấp xỉ qua tất cả các giá trị của hàm PDF này [43] Phương pháp này sau đó được dùng để xác định hiệu năng BER qua các kênh truyền phức tạp hơn gần với môi trường vô tuyến hơn như kênh fading phẳng, fading lựa chọn tần số, fading đa đường, fading đa đường với doppler [7, 46, 88]

(ii) Các phương pháp đồng bộ chuỗi hỗn loạn ở phía máy thu với các kênh truyền khác nhau cũng là một nội dung thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ Trước hết, các phương pháp đồng bộ chuỗi qua kênh nhiễu được nghiên cứu [89] [71] Các kết quả chỉ ra rằng, chúng ta có thể áp dụng các phương pháp đồng bộ chuỗi PN truyền thống để thực hiện đồng bộ trong hệ thống CDS-CDMA Nghiên cứu về đồng bộ qua các môi trường fading, đa đường, và fading đa đường được mở rộng trong các nghiên cứu sau đó với [39,

45, 106]

(iii) Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng dưới ảnh hưởng của đa đường, tỷ lệ lỗi bit của hệ thống CDS-CDMA sử dụng kiến trúc thu tương quan truyền thống tăng lên Để khắc phục, trong các nghiên cứu với kênh truyền đa đường, kiến trúc máy thu RAKE được

đề xuất sử dụng ở phía thu Các kết quả nghiên cứu về các phương pháp xác định BER cũng như các phương pháp đồng bộ chuỗi cho hệ thống CDS-CDMA với bộ thu RAKE qua kênh truyền chịu ảnh hưởng bởi fading đa đường đã được công bố trong [39, 46, 91, 106]

1.6 Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ

Như đã phân tích ở Mục 1.5 ở trên, ngoại trừ hai hệ thống CDSSS và CDS-CDMA sử dụng đồng bộ chuỗi rời rạc truyền thống, các hệ thống hỗn loạn đồng bộ còn lại chủ yếu dựa trên đồng bộ đặc tính động hỗn loạn Tuy nhiên, bởi vì việc đồng bộ hỗn loạn qua kênh truyền có nhiễu và méo là không khả thi, thêm vào đó việc phải thực hiện phát lại và đồng bộ chuỗi hỗn loạn làm cho máy thu trở nên phức tạp và chi phí cao Đây cũng chính

là nguyên nhân để các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ được đề xuất và trở thành hướng nghiên cứu phổ biến được đầu tư mạnh mẽ trong suốt một thập kỷ qua Với việc giải điều chế không yêu cầu đồng bộ, máy thu trở nên đơn giản và hoạt động tin cậy hơn qua kênh truyền thực tế Bảng 1.2 tổng kết các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ đã được đề xuất, trong đó chỉ có hai hệ thống tương tự, còn lại là các hệ thống số

là mở rộng và cải tiến của phương pháp cơ bản DCSK

1.6.1 Các hệ thống tương tự

Các hệ thống khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK) và điều chế thông số hỗn loạn (CPM) được đề xuất để truyền dẫn dữ liệu số, tuy nhiên chúng được phân loại thuộc các hệ thống tương tự bởi vì phương pháp giải điều chế được thực hiện bên máy thu Hệ thống COOK được đề xuất lần đầu tiên trong [51] và sau được cải thiện trong một số nghiên cứu [11] Nguyên lý điều chế COOK đơn giản, trong thời gian của mỗi bit, sóng mang hỗn loạn được phát đi nếu là bit “1”, và không được phát đi nếu là bit “0” Bên phía thu sử dụng bộ tách sóng đường bao tương tự và so sánh ngưỡng để khôi phục thông tin Ưu điểm của hệ thống COOK là đơn giản, tuy nhiên nhược điểm chính là mức độ bảo mật thấp Với điều chế thông số hỗn loạn, tín hiệu thông tin được đưa vào để làm thay đổi các thông số của hàm hỗn loạn [62] Khi đó trạng thái động của hàm hỗn loạn và tín hiệu hỗn loạn đầu ra sẽ thay đổi theo tin tức Giải điều chế được thực hiện mà không yêu cầu đồng bộ hỗn loạn Có

ba kỹ thuật giải điều chế chính đã được đề xuất đó là kỹ thuật đảo ngược, kỹ thuật giải điều chế tuyến tính sử dụng các bộ lọc thích nghi, và kỹ thuật giải điều chế phi tuyến sử dụng mạng nơ-ron RBF

Bảng 1.2 Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ

Hệ thống tương tự Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK)

Điều chế thông số hỗn loạn (CPM)

Hệ thống số Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK)

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK) Khóa dịch trễ tương quan (CDSK)

DCSK hiệu năng cao (HE-DCSK) DCSK điều chế tham chiếu (RM-DCSK) DCSK mã Walsh đa truy nhập (DCSK-WC) DCSK cải tiến (I-DCSK)

Các hệ thống khác: DCSK/S, DCSK/AV, NR-DCSK, DDCSK-WC, SR-DCSK, PS-DCSK, CM-DCSK

1.6.2 Các hệ thống số

Hệ thống số không đồng bộ thu hút được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ nhất đó là khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK) được đề xuất đầu tiên trong nghiên cứu [54] Hình 1.5 biểu diễn hoạt động của hệ thống DCSK, trong đó mỗi độ rộng bit được chia thành hai khe thời gian bằng nhau Khe thứ nhất phát đi tín hiệu hỗn loạn rời rạc tham chiếu, trong khi đó khe thứ hai phụ thuộc vào giá trị nhị phân bit dữ liệu là “1” hay “0”, tín hiệu tham chiếu hay bản đảo ngược biên độ của nó sẽ được truyền đi tương ứng Bên phía thu thực hiện tính toán tương quan giữa tín hiệu đến với phiên bản trễ của nó trong mỗi khoảng thời gian bit để khôi phục dữ liệu Hiệu năng BER của hệ thống DCSK dưới ảnh hưởng của các kênh truyền khác nhau được khảo sát trong [47, 85]

Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ 29

Để cải thiện một số đặc tính của hệ thống DCSK, hai hệ thống mở rộng là FM-DCSK

và CDSK đã được đề xuất Trong hệ thống FM-DCSK [55], tín hiệu hỗn loạn đầu ra được qua bộ điều tần để tạo ra sóng mang hỗn loạn về tần số có biên độ không đổi Sóng mang hỗn loạn điều tần này sau đó được sử dụng cho điều chế và giải điều chế DCSK thông thường Do năng lượng bit là hằng số nên quá trình tách sóng tương quan bên phía thu trở nên rõ ràng hơn, dẫn đến hiệu năng BER được cải thiện

Khối phát hỗn loạn

1

k k k

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống DCSK truyền thống: (a) máy phát, (b) cấu trúc khung dữ

liệu, (c) máy thu [42]

Để khắc phục nhược điểm không liên tục của tín hiệu DCSK, sơ đồ CDSK đã được đề xuất trong công bố [102], trong đó các bộ chuyển mạch được thay thế bằng các bộ cộng Tín hiệu hỗn loạn được cộng với phiên bản trễ của nó sau khi đã nhân với bit thông tin Phía thu thực hiện giải điều chế tương quan và so sánh ngưỡng để khôi phục dữ liệu Dạng sóng đầu ra biến đổi hỗn loạn liên tục giúp tăng cường tính bảo mật, đổi lại hiệu năng BER của CDSK thấp hơn so với DCSK

Để giảm năng lượng hao phí được sử dụng để phát tín hiệu tham chiếu, một hệ thống DCSK hiệu năng cao (HE-DCSK) đã được đề xuất trong [118] Máy phát sử dụng lại khe thời gian tham chiếu, hai bit dữ liệu sẽ được điều chế trong cùng khe thời gian mang thông tin Đặc điểm này làm cho hiệu suất băng thông tăng gấp đôi đồng thời giảm việc phát lại giúp cho tín hiệu phát trên kênh truyền khó bị chặn hơn so với DCSK Bên máy thu, hai bộ trễ tín hiệu như bên phát được thực hiện, quá trình giải điều chế tương quan sau đó được

thực hiện riêng biệt để khôi phục hai bit dữ liệu ứng với mỗi tham chiếu Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống này không thể thực hiện với kênh truyền fading nhanh, trong đó hệ số fading biến đổi liên tục trên các khe thời gian của mỗi khung

Hệ thống DCSK điều chế tham chiếu (RM-DCSK) được xuất trong [118] có thể xem như một phiên bản cải tiến của HE-DCSK Trong cả hai khe thời gian của một khung truyền, tín hiệu mang thông tin về bit dữ liệu được gửi đi, trong đó khe thời gian thứ hai được cộng thêm tín hiệu hỗn loạn tham chiếu trước khi phát đi Bên máy thu thực hiện giải điều chế tương quan như thông thường để khôi phục thông tin Kết quả đạt được đã chứng

tỏ rằng hiệu năng BER qua kênh AWGN của RM-DCSK là tốt hơn so với DCSK và CDSK với tỷ lệ tín hiệu - tạp âm SNR cao và hệ số trải phổ lớn So với HE-DCSK, hệ thống này dùng ít bộ trễ tín hiệu hơn nên có thể thực thi đơn giản hơn Tuy nhiên, bởi vì các phần của tín hiệu là chồng lấn trên cùng khe thời gian, hệ thống này sẽ chịu tác động nhiều hơn của nhiễu giao thoa trong kênh truyền fading đa đường

Hệ thống DCSK cải tiến (I-DCSK) được đề xuất trong [48], trong đó tín hiệu hỗn loạn tham chiếu và sóng mang dữ liệu hỗn loạn được phát trên cùng một khe thời gian Bên máy phát, tín hiệu tham chiếu hỗn loạn được đảo ngược theo thời gian và được cộng với tín hiệu mang thông tin Việc thực hiện đảo ngược thời gian là để tạo ra sự trực giao giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu mang thông tin hỗn loạn trong mỗi khe thời gian Việc cộng hai tín hiệu và truyền đi đồng thời cho phép tín hiệu phát đi là liên tục, đồng thời tăng hiệu suất phổ của I-DCSK lên gấp đôi so với DCSK Bên máy thu, tín hiệu đến được tương quan với phiên bản trễ đảo ngược theo thời gian của nó trong mỗi chu kỳ bit Giá trị nhị phân của bit dữ liệu được quyết định sau khi so sánh giá trị tương quan với ngưỡng không Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hiệu năng BER qua kênh AWGN của I-DCSK là tốt hơn rõ rệt trong khi vẫn giữ được kiến trúc đơn giản so với DCSK

Hệ thống đa người sử dụng cho DCSK được đề xuất đầu tiên trong [56], trong đó các

mã Walsh được sử dụng để loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các người sử dụng bằng cách tạo

ra một tập các tín hiệu trực giao Trong thiết kế, các mã Walsh của bậc-2K được gán cho người sử dụng tương ứng Hệ thống này sau đó được phân tích trong [116] dưới kênh truyền fading đa đường Quá trình giải điều chế với đa người sử dụng phân biệt với nhau bởi các mã Walsh trực giao sử dụng mô hình tách sóng khả năng tối đa tổng quát

Bên cạnh các hệ thống trên, một số hệ thống mở rộng khác của DCSK đã được đề xuất gần đây, như DCSK/S, DCSK/AV, NR-DCSK, DDCSK-WC, SR-DCSK, PS-DCSK, CM-CDKS [42] Những hệ thống này đều nhằm mục đích cải thiện các thông số của DCSK như tốc độ dữ liệu, hiệu năng BER, hiệu suất phổ, hiệu suất năng lượng, độ bảo mật, hay

độ phức tạp, qua các kênh truyền khác nhau từ đơn giản đến phức tạp

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang 31

1.7 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang

Bởi vì những ưu điểm của điều chế đa sóng mang và phương pháp DCSK trong thông tin vô tuyến, các hệ thống dựa trên sự kết hợp giữa chúng đã được đề xuất nghiên cứu gần đây Cho đến nay, mới chỉ có hai hệ thống được đề xuất bởi Kaddoum và các cộng sự đó là DCSK đa sóng mang (MC-DCSK) [44] và DCSK đa sóng mang trực giao (OFDM-DCSK) [41]

Dữ liệu vào

Phát hỗn loạn

Bộ lọc phối hợp

Bộ lọc phối hợp

Ma trận O

Ma trận G

mang con và tối đa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm bằng cách sử dụng các bộ lọc phối hợp (Matched filter), quá trình giải điều chế tương quan song song được thực hiện để khôi phục đồng thời chuỗi bit con Các chuỗi này sau đó được ghép lại để khôi phục dòng bit tốc độ cao ở đầu ra

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang 33

BER; (iii) việc chia sẻ một khe sóng mang tham chiếu cho khe mang dữ liệu giúp nâng cao hiệu suất năng lượng phát và tốc độ dữ liệu

So sánh hiệu năng BER của các hệ thống MC-DCSK và DCSK truyền thống trong kênh truyền AWGN và fading hai đường được chỉ ra như trong Hình 1.7 (a) và (b) tương ứng Có thể thấy rằng, hiệu năng BER của MC-DCSK với số sóng mang con là tương đương với DCSK Tuy nhiên khi số sóng mang tăng lên, với cùng một hệ số trải phổ

và cùng điều kiện kênh truyền, hiệu năng BER của MC-DCSK được cải thiện rõ rệt so với DCSK

P/S CP User 1

User p

User P

Tín hiệu tham chiếu

Tín hiệu mang tin

e(t)

(a)

S/P

F F T

Xóa

Giải điều chế DCSK

Tín hiệu tham chiếu

r(t)

Dữ liệu

(b)

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu [41]

1.7.2 DCSK ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM-DCSK)

Hệ thống kết hợp giữa DCSK và OFDM được đề xuất trong [41] nhằm mục đích giảm

độ phức tạp, hoạt động tốt trong kênh fading đa đường và cho phép thực hiện đa truy nhập

đa người dùng Sơ đồ hệ thống được đưa ra như trong Hình 1.8 Hệ thống sử dụng tổng cộng sóng mang con và hỗ trợ đa truy nhập cho user, trong đó mỗi user sử dụng sóng mang con riêng và sóng mang con chung với các user khác Điều này có nghĩa là Các sóng mang con riêng được sử dụng để phát các tín hiệu tham chiếu của mỗi user, trong khi các sóng mang chung được dùng để mang dữ liệu Để tiết kiệm năng lượng phát, tín hiệu tham chiếu hỗn loạn được dùng để phát bit với

thay vì dùng tín hiệu tham chiếu như trong hệ thống DCSK truyền thống Bên phía máy thu, chuyển đổi nối tiếp - song song và giải điều chế đa sóng mang chuyển về băng cơ bản được thực hiện Tín hiệu tham chiếu được khôi phục và được sử dụng để giải trải phổ tương quan như trong hệ thống DCSK

(a)

(b)

Hình 1.9 Hiệu năng BER của hệ thống OFDM-DCSK trong: (a) kênh AWGN, (b) kênh

fading đa đường [41]

So với hệ thống DCSK, bit được phát sử dụng tín hiệu tham chiếu nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng hệ thống Thêm vào đó, thực hiện đa truy nhập được thực hiện trên miền tần số bằng cách sử dụng sóng mang con riêng cho mỗi user So với hệ thống MC-DCSK đã được mô tả ở trên, sơ đồ này giảm độ phức tạp bằng cách sử dụng

1.8 Kết luận

Chương 1 đã trình bày tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn Hỗn loạn, tín hiệu hỗn loạn, và các hệ thống thông tin hỗn loạn điển hình được mô tả và phân tích Có thể thấy từ các nội dung đã trình bày rằng:

(i) Hai hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ được nghiên cứu phổ biến và rộng rãi nhất tương ứng là CDSSS ứng dụng trong CDS-CDMA và DCSK với các biện pháp mở rộng

(ii) Điều chế đa sóng mang chỉ mới được kết hợp với hệ thống DCSK để tạo ra hai hệ thống không đồng bộ mới là MC-DCSK và OFDM-DCSK Các hệ thống này đã chứng minh được ưu điểm của chúng trong việc nâng cao chất lượng truyền thông qua kênh truyền ảnh hưởng bởi nhiễu và méo do fading đa đường

Những ưu điểm của truyền thông hỗn loạn kết hợp với đa sóng mang là nền tảng và động lực để các đề xuất nghiên cứu trong các chương tiếp theo của luận án tập trung phát triển các hệ thống này theo các hướng: cải thiện hiệu năng BER, nâng cao hiệu suất băng thông và hiệu suất năng lượng, tăng cường tính bảo mật, và mở rộng kết hợp với hệ thống đồng bộ Các công trình công bố của NCS liên quan đến nội dung Chương 1 được chỉ ra ở hai bài báo hội nghị quốc tế số 1 và số 2 ở trang 79

Nội dung của Chương 2 được trình bày như sau: Mục 2.2 chỉ ra những hạn chế của sơ

đồ MC-DCSK truyền thống và ý tưởng đề xuất cải thiện Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động của RSS-MC-DCSK được thiết kế và mô tả chi tiết trong Mục 2.3 Phân tích lý thuyết để đưa ra biểu thức xác định hiệu năng BER qua các kênh truyền nhiễu trắng cộng

và kênh fading được trình bày trong Mục 2.4 Mục 2.5 đưa ra tính toán so sánh hiệu suất năng lượng và hiệu suất băng thông của hệ thống cải tiến đề xuất với các hệ thống MC-DCSK và DCSK Để kiểm tra lại các kết quả phân tích lý thuyết đạt được, mô phỏng số được thực hiện và các kết quả được chỉ ra trong Mục 2.6 Cuối cùng, các kết luận đáng chú

ý được đưa ra trong Mục 2.7

2.2 Hạn chế của hệ thống truyền thống và ý tưởng đề xuất

Trong hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng mang truyền thống (MC-DCSK) đã được mô tả ở Mục 1.7.1, một sóng mang con mặc định được sử dụng để gửi đi chuỗi hỗn loạn tham chiếu, trong khi các sóng mang còn lại dùng để gửi đi tín hiệu trải phổ hỗn loạn mang thông tin [44] Việc sử dụng một sóng mang con riêng biệt để mang tín hiệu tham chiếu (tín hiệu này không mang thông tin) sẽ làm cho hiệu suất băng thông và hiệu suất năng lượng của MC-DCSK bị hạn chế, đặc biệt là khi số lượng sóng mang con thấp Hơn nữa, các máy thu đánh cắp thông tin sẽ dễ dàng quan sát và khôi phục lại tín hiệu hỗn loạn tham chiếu này và sử dụng nó cho việc giải trải phổ và giải mã thông tin Dó đó tính bảo mật thấp cũng là một hạn chế của MC-DCSK [42]

Để khắc phục những nhược điểm ở trên, trong chương này, một hệ thống MC-DCSK cải tiến sẽ được đề xuất và thực hiện Trong đó thay vì gửi đi tín hiệu tham chiếu, một tín hiệu được điều chế DCSK sẽ được gửi đi trên sóng mang con mặc định Tất cả các sóng mang con còn lại vẫn dùng để phát tín hiệu trải phổ mang thông tin Như đã mô tả ở Mục 1.6.2, mỗi khung của tín hiệu điều chế DCSK được chia thành hai khe như nhau, khe thứ