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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> NGUYỄN HỮU LONG<br /> <br /> NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG<br /> HỖN LOẠN SỬ DỤNG ĐA SÓNG MANG<br /> <br /> Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông<br /> Mã số: 62520208<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG<br /> <br /> HÀ NỘI - 2017<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. VŨ VĂN YÊM<br /> <br /> Phản biện 1:<br /> Phản biện 2:<br /> Phản biện 3:<br /> <br /> Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường<br /> tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.<br /> Vào hồi……..giờ, ngày……tháng…….năm………<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> Mở đầu<br /> Truyền thông sử dụng hỗn loạn<br /> Truyền thông sử dụng hỗn loạn (Chaos-based Communications) đã nhận được sự<br /> quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn thế giới trong hai thập kỷ<br /> vừa qua. Các hàm hỗn loạn với sự nhạy cảm đặc biệt vào điều kiện khởi động có khả năng<br /> phát ra vô hạn các tín hiệu trạng thái có độ tương quan rất thấp. Bên cạnh đó, với đặc tính<br /> phổ băng rộng, các tín hiệu hỗn loạn đã chứng tỏ là phù hợp với truyền thông số đa truy<br /> nhập dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp. Các hệ thống truyền thông hỗn loạn đã thể<br /> hiện những ưu điểm so với các hệ thống sử dụng sóng mang điều hòa truyền thống, đó là<br /> hạn chế fading biến đổi thời gian của kênh truyền, chống lại jamming với xác suất bị chặn<br /> thấp, và đặc biệt tăng cường bảo mật lớp vật lý. Cho đến nay, nghiên cứu về các hệ thống<br /> thông tin sử dụng kỹ thuật hỗn loạn tập trung vào hai hướng chính sau:<br />  Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ (Coherent systems), trong đó các tín hiệu<br /> hỗn loạn được phát lại và đồng bộ chính xác với tín hiệu đến ở bên máy thu. Các<br /> chuỗi đồng bộ này sau đó được sử dụng cho quá trình giải điều chế với các phương<br /> pháp khác nhau để khôi phục thông tin.<br />  Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ (Non-coherent systems), trong đó<br /> máy thu thực hiện giải điều chế dựa trên các đặc điểm của tín hiệu đến mà không cần<br /> thông tin về trạng thái kênh hay yêu cầu phát lại và đồng bộ chuỗi hỗn loạn.<br /> Hệ thống đồng bộ được nghiên cứu phát triển rộng rãi nhất là trải phổ chuỗi trực tiếp<br /> hỗn loạn (CDSSS), trong đó các chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (PN) truyền thống được<br /> thay thế bằng chuỗi hỗn loạn rời rạc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bởi vì độ phức tạp<br /> tuyến tính thấp, các chuỗi PN có thể được khôi phục hoàn toàn bằng các phương pháp tấn<br /> công hồi quy tuyến tính. Điểm yếu này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng chuỗi<br /> hỗn loạn với biến đổi phi chu kỳ với vô hạn các trạng thái. Tuy nhiên, với các hệ thống<br /> thông tin thực tế, việc đồng bộ tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền dẫn, đặc biệt là kênh vô<br /> tuyến, có độ khả thi thấp. Hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER) qua kênh truyền thực tế kém là<br /> nhược điểm chính vẫn đang còn là thách thức lớn cần giải quyết của các hệ thống thông tin<br /> hỗn loạn đồng bộ.<br /> Để tăng mức độ khả thi của việc áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin, các hệ<br /> thống hỗn loạn không đồng bộ được đề xuất nghiên cứu, trong đó máy thu thực hiện giải<br /> điều chế mà không yêu cầu phát lại hay đồng bộ hỗn loạn. Hệ thống điển hình nhất có thể<br /> kể đến là Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK). Với khả năng hoạt động tốt trong kênh truyền<br /> bị ảnh hưởng bởi nhiễu, fading và đa đường, hầu hết các hệ thống hỗn loạn được đề xuất<br /> cho truyền thông vô tuyến đều dựa trên sự cải tiến hoặc mở rộng từ DCSK.<br /> Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn<br /> Kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ<br /> thống thông tin thực tế. Điều này bởi vì khả năng mạnh mẽ của điều chế đa sóng mang<br /> trong việc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự (ISI) được tạo ra bởi truyền dẫn số tốc độ<br /> cao qua kênh truyền fading đa đường với trải trễ. Kỹ thuật MCM chia băng thông truyền<br /> dẫn thành nhiều băng con hẹp. Dòng bit tốc độ cao được chia nhỏ thành nhiều dòng bit tốc<br /> độ thấp, được điều chế vào các sóng mang con và phát lên các băng con tương ứng. Việc<br /> chia nhỏ băng thông làm cho kênh truyền fading lựa chọn tần số ứng với mỗi sóng mang<br /> con lại có đặc tính fading phẳng. Do đó, loại bỏ được ảnh hưởng của ISI đến hiệu năng<br /> BER, cải thiện chất lượng hệ thống. Về cơ bản, điều chế đa sóng mang dựa trên phương<br /> pháp cơ bản là Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM). Kỹ thuật này sau đó được phát<br /> <br /> 1<br /> <br /> triển để có thể thực thi dễ dàng hơn trên nền tảng xử lý số tín hiệu, tạo ra kỹ thuật Ghép<br /> kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).<br /> Cho đến nay, ứng dụng điều chế đa sóng mang vào nâng cao chất lượng của các hệ<br /> thống thông tin hỗn loạn chỉ mới được đề cập trong các nghiên cứu gần đây của Kaddoum.<br /> Trong đó, tác giả đã nghiên cứu kết hợp đa sóng mang vào hệ thống DCSK truyền thống<br /> để đề xuất ra hai hệ thống mới đó là khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang (MC-DCSK)<br /> và khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang trực giao (OFDM-DCSK). Các kết quả đạt<br /> được đã chỉ ra rằng, các hệ thống đa sóng mang này cải thiện chất lượng rõ rệt so với các<br /> hệ thống thông tin không đồng bộ truyền thống qua kênh truyền fading với trải trễ đa<br /> đường.<br /> Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án<br /> Động lực<br />  Ưu điểm của truyền thông hỗn loạn và điều chế đa sóng mang: truyền thông hỗn<br /> loạn cũng đã thể hiện được những ưu điểm nổi bật như hỗ trợ đa truy nhập phân chia<br /> theo mã, hoạt động tốt dưới ảnh hưởng của fading đa đường, tăng cường tính bảo<br /> mật lớp vật lý với xác suất bị chặn thấp, và việc phát ra hỗn loạn có thể thực hiện<br /> đơn giản bằng mạch tương tự cũng như trên nền tảng xử lý số tín hiệu. Mặt khác, kỹ<br /> thuật điều chế đa sóng mang cũng đã chứng minh được khả năng nâng cao chất<br /> lượng truyền thông qua các kênh truyền thực tế. Dó đó việc kết hợp giữa điều chế<br /> hỗn loạn và đa sóng mang là một hướng nghiên tiềm năng và khả thi, hướng tới áp<br /> dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin thực tế.<br />  Truyền thông hỗn loạn đa sóng mang một hướng nghiên cứu mở chỉ mới được khai<br /> thác: các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang chỉ mới được<br /> đưa ra gần đây. Hiện tại, chỉ có hai hệ thống không đồng bộ được đề xuất đó là MCDCSK và OFDM-DCSK. Những kết quả nghiên cứu này mới chỉ là mở đầu cho một<br /> hướng nghiên cứu mới về truyền thông hỗn loạn đó là sự kết hợp với đa sóng mang,<br /> do đó vẫn còn rất nhiều tài nguyên nghiên cứu để các nhà khoa học cùng nhau khám<br /> phá.<br /> Những đặc điểm kể trên là động lực mạnh mẽ thôi thúc nghiên cứu sinh chọn và thực<br /> hiện nội dung nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đa sóng mang trong luận án tiến sĩ này.<br /> Mục tiêu<br />  Đề xuất và thực hiện hệ thống đa sóng mang DCSK cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp<br /> (RSS), gọi là hệ thống RSS-MC-DCSK. Hệ thống này nhằm cải tiến hiệu năng tỷ lệ lỗi<br /> bit (BER) cũng như hiệu suất sử dụng băng thông cho hệ thống MC-DCSK truyền<br /> thống.<br />  Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào xáo trộn các sóng mang con trực giao trong OFDM<br /> nhằm tăng cường tính bảo mật, đồng thời đề xuất và thực hiện trải phổ chuỗi trực tiếp<br /> hỗn loạn (CDSSS) trong hệ thống OFDM nhằm cải thiện hiệu năng tỷ lệ lỗi bit qua<br /> kênh truyền fading.<br /> Đối tượng<br />  Các hệ thống thông tin số sử dụng kỹ thuật hỗn loạn.<br />  Các hệ thống thông tin hỗn loạn sử dụng đa sóng mang và đa sóng mang trực giao.<br /> Giới hạn<br />  Các hệ thống được thiêt kế và phân tích với đơn người sử dụng<br />  Hệ thống với đa người sử dụng và việc phân tích đánh giá chi tiết khả năng bảo mật là<br /> hướng phát triển tiếp theo của luận án.<br /> <br /> 2<br /> <br />  Mô hình hóa và phân tích hệ thống ở băng cơ sở, băng cao tần (RF) với đa sóng mang<br /> được xem như là phương tiện truyền dẫn tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền.<br /> Phương pháp<br /> Phương pháp nghiên cứu dựa trên phân tích lý thuyết và kiểm chứng thông qua mô<br /> phỏng số.<br /> Tổ chức nội dung của luận án<br /> Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương như sau:<br />  Chương 1. Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn: chương này tổng hợp một<br /> cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng hỗn loạn trong kỹ thuật truyền thông. Trạng<br /> thái động và tín hiệu của hệ thống động phi tuyến hỗn loạn với các đặc điểm điển hình<br /> sẽ được tóm tắt. Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào các hệ thống thông tin và các kết quả<br /> đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua được tổng hợp. Nguyên lý thực hiện, sơ đồ<br /> cụ thể cho các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ nói chung và các<br /> hệ thống sử dụng đa sóng mang nói riêng sẽ được mô tả và phân tích.<br />  Chương 2. Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp:<br /> chương này đề xuất và thực hiện hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang<br /> với chuỗi trải phổ lặp nhằm cải thiện chất lượng so với hệ thống truyền thống. Sơ đồ<br /> máy phát và máy thu được thiết kế và tính toán. Mô hình ước lượng lý thuyết BER qua<br /> các kênh nhiễu và fading được mô tả và phân tích. Sự cải thiện về hiệu suất năng<br /> lượng và hiệu suất băng thông được chứng minh. Mô phỏng số và các kết quả được chỉ<br /> ra để kiểm tra lại các kết quả lý thuyết đạt được.<br />  Chương 3. Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn: hai hướng tiếp cận sử<br /> dụng hỗn loạn trong các hệ thống OFDM được đề xuất. Thứ nhất, áp dụng hàm Baker<br /> để xáo trộn hỗn loạn sóng mang con trong OFDM nhằm nâng cao tính bảo mật hệ<br /> thống. Thứ hai, áp dụng trải phổ chuỗi hỗn loạn-NRZ vào hệ thống OFDM nhằm cải<br /> thiện hiệu năng qua kênh truyền. Sơ đồ và hoạt động của các hệ thống đề xuất được<br /> đưa ra và phân tích chi tiết. Hiệu năng BER qua các kênh truyền AWGN và Rayleigh<br /> fading được đánh giá thông qua mô phỏng số.<br /> <br /> Chương 1<br /> Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn<br /> 1.1. Hỗn loạn và các đặc điểm<br /> Hai đặc điểm quan trọng để một quá trình hoặc một hệ thống động được xem là hỗn<br /> loạn như sau: (i) các trạng thái tương lai của quá trình hoặc hệ thống được xác định chính<br /> xác nếu điều kiện khởi động được biết trước; (ii) các trạng thái tương lai của quá trình<br /> hoặc hệ thống là không thể dự đoán được nếu điều kiện đầu không được xác định.<br /> Các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau:<br /> ( ) ( )<br />  Dạng liên tục của thời gian: ⁄<br /> , trong đó ( ) là biến trạng<br /> thái một hoặc nhiều chiều, và<br /> là thời điểm và giá trị khởi động.<br /> ( ) ( ), với<br /> (<br /> )<br />  Dạng rời rạc của thời gian:<br /> là giá trị khởi động,<br /> là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều ở bước lặp thứ .<br /> Hình 1.1(a) chỉ ra dạng sóng biến đổi hỗn loạn liên tục theo thời gian của biến trong<br /> hệ thống động Lorenz với hai tập điều kiện đầu sai khác nhau rất nhỏ. Chúng ta có thể thấy<br /> rằng các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như cùng một điểm, nhưng sau đó chúng tách biệt<br /> nhanh chóng và trở nên khác nhau hoàn toàn. Dạng sóng của tín hiệu hỗn loạn rời rạc được<br /> <br /> 3<br /> <br />