Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tố độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THỊ THƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BẢO MẬT TỐC ĐỘ CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS VŨ VĂN YÊM Hà Nội – Năm 2014 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỖN LOẠN 1.1 Tổng quan 1.1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.1.2 Một số khái niệm: 1.1.3 Ứng dụng hỗn loạn điện tử viễn thông: 15 1.2 Hệ thống thông tin hỗn loạn 16 1.2.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin 16 1.2.2 Các mơ hình điều chế, giải điều chế 17 1.2.3 Đồng truyền thông hỗn loạn 30 1.2.4 Ánh xạ Baker 32 1.2.4 Kết luận chương 34 CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ OFDM 36 2.1 Các nguyên lý OFDM 36 2.1.1 Đơn sóng mang (Single Carrier) 39 2.1.2 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 40 2.1.3 Sự trực giao (Orthogonal) 41 2.2 Biểu thức tốn tín hiệu OFDM 43 2.3 Biến đổi Fourier rời rạc OFDM 44 2.4 Chuỗi bảo vệ cho OFDM 46 2.5 Các kỹ thuật điều chế OFDM 48 2.5.1 BPSK 49 2.5.2.QPSK 50 2.5.3 16-QAM 52 2.6 Kết luận chương 53 Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM VÀ KỸ THUẬT HỖN LOẠN 54 3.1 Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OFDM 54 3.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin quang COHERRENT 54 3.1.2 Nguyên lý điều chế giải điều chế tín hiệu OFDM miền điện 55 3.1.3 Bộ phát quang 56 3.1.4 Bộ thu quang 57 3.1.5 Hệ thống COHERRENT OFDM (CO-OFDM) 58 3.1.6 Tỉ số bit lỗi BER hệ thống CO-OFDM 62 3.2 Hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn 63 3.2.1.Áp dụng cho luồng liệu 63 3.2.2 Áp dụng cho sóng mang 64 3.2.3 Sử dụng khóa vịng lặp 67 3.3 Mô 68 3.3.1 Mô hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng kỹ thuật OFDM 68 3.3.2 Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn 72 3.3.3 Phân tích hệ số tương quan thể tính bảo mật tốt sử dụng kỹ thuật hỗn loạn 75 3.4 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ đầy đủ ACSK Antipodal Chaos-Shift-Keying ADC Analog Digital Converter AWGN Additive White Gaussian Noise BPSK Binary Phase-Shift Keying CDSK Correlation-Delay-Shift-Keying CNN Cellular Newral Network COOK Chaotic On-Off Keying CP Cycle Prefix CSK Chaos Shift Keying DCSK Differential Chaos-Shift-Keying DBM Discretized Baker Map DFT Discrete Fourier Transform GI Guard Interval ICI Inter-Symbol Interference IDFT Inverse DFT ISI Inter-Carrier Interference MAN Metropolitan Area Network MCM Multicarrier Modulation OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PN PseudoNoise QAM Quadrature Amplitude Modulation QCSK Quature Chaos Shift Keying QPSK Quature Phase-Shift Keying Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao SNR Signal-to-Noise Ratio SSB Single Side Band UWB Ultra Wide Band VSB Vestigial Side Band Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Điểm cố định[1] 10 Hình 1.2: Biểu đồ Logistic với vài giá trị ρ[17] 12 Hình 1.3: Biểu đồ phân nhánh Logistic map[17] .13 Hình 1.4: Thiết bị truyền thơng hỗn loạn UWB Nga[23] 16 Hình 1.5:Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền thông số 17 Hình 1.6: Mơ hình điều chế ACSK 18 Hình 1.7: Mơ hình điều chế COOK 19 Hình 1.8: Sơ đồ điều chế CSK với hai dao động chaos .20 Hình 1.9: Giải điều chế sử dụng lỗi đồng 21 Hình 1.10: Giải điều chế loại dùng tương quan 22 Hình 1.11: Sơ đồ điều chế DCSK .24 Hình 1.12:Sơ đồ điều chế FM-DCSK 26 Hình 1.13: Sơ đồ điều chế CDSK .27 Hình 1.14: Sơ đồ khối mơ hình điều chế/ giải điều chế QCSK 29 Hình 1.15: Hai hệ thống đồng 31 Hình 1.16: Ánh xạ Baker chuẩn hai chiều 32 Hình 1.17: Baker tổng quát .33 Hình 1.18: Ánh xạ Baker với khóa (2,2,4) 34 Hình 1.19: Ánh xạ Baker với khóa (3,5) 34 Hình 2.1: Kỹ thuật sóng mang khơng chồng sóng mang có chồng 36 Hình 2.2:Sơ đồ hệ thống OFDM .37 Hình 2.3: Phổ sóng mang OFDM [10] 39 Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn .39 Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang .40 Hình 2.6: Các sóng mang trực giao[10] .42 Hình 2.7:Sơ đồ khối điều chế đa sóng mang 43 Hình 2.8: Sơ đồ khối phát thu OFDM .46 Hình 2.9: tín hiệu OFDM hoàn thiện 48 Hình 3.10: BPSK .50 Hình 2.11: QPSK 52 Hình 2.12: 16-QAM [25] .53 Hình Mơ hình điều chế tín hiệu OFDM miền điện đầu phát 55 Hình Mơ hình giải điều chế tín hiệu OFDM miền điện đầu thu 56 Hình 3 Mơ hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM 57 Hình 3.4 Mơ hình thu quang kết hợp 58 Hình Mơ hình hệ thống CO-OFDM 59 Hình 3.7: Ánh xạ Baker dịng bit đầu vào .63 Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng DBM cho luồng liệu bit đầu vào .64 Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao Hình3.9: Ánh xạ sóng mang 65 Hình 3.10: Hệ thống OFDM đề xuất .66 Hình 3.11: Tạo khóa vịng lặp cho ánh xạ Baker 67 Hình 3.12 Giản đồ chòm thu 69 Hình 3.13 Giản đồ mắt thu 70 Hình 3.14 Sự phụ thuộc BER hệ thống CO-OFDM hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài sợi DCF với sợi SMF 71 Hình 3.15: BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc hai hệ thống CO-OFDM hệ thống đơn sóng mang 72 Hình 3.16: BER theo lý thuyết BER hệ thống OFDM truyền thống hệ thống đề xuất điều chế BPSK băng tần sở 73 Hình 3.17: BER theo lý thuyết BER hệ thống OFDM truyền thống hệ thống đề xuất điều chế QPSK băng tần sở 73 Hình 3.18: BER hệ thống OFDM sử dụng DBM cho chuỗi bit data cho sóng mang 74 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1:Sự thay đổi so với điều kiện đầu biểu đồ logistic với ρ=4 14 Bảng 2.1: Các dạng điều chế .49 Bảng 2.2: Cặp bit điều chế QPSK .51 Bảng 3.1: Hệ số tương quan hai symbol liền kề OFDM symbol 75 Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao MỞ ĐẦU Trong hệ thống truyền thơng hệ thống thơng tin quang chiếm ưu rõ ràng Kể từ thời điểm bắt đầu đưa vào khai thác hệ thống thông tin quang bước phát triển ngày cải tiến mặt phải kể đến tốc độ Sự vượt trội hẳn hệ thống khác hệ thống thơng tin quang nhờ vào tốc độ truyền liệu cao ổn định Tuy nhiên hệ thống khác kèm với tốc độ cao thường vấn đề liên quan đến nhiễu khả bảo mật Một đề xuất gần để cải thiện tính bảo mật hệ thống sử dụng kỹ thuật hỗn loạn kết hợp với kỹ thuật điều chế đa song mang trực giao OFDM vừa nâng cao tốc độ vừa cải thiện tính bảo mật Bắt nguồn từ điều luận văn tìm hiểu hệ thống thơng tin quang có sử dụng kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật hỗn loạn để vừa cố tốc độ cao vừa có tính bảo mật tốt Luận văn bao gồm ba chương với nội dung sau: • Chương 1: Giới thiệu chung lý thuyết hỗn loạn bao gồm lịch sử đời, tính chất, khái niệm chung cần biết ứng dụng ngành khoa học nói chung điện tử viễn thơng nói riêng Giới thiệu hệ thống truyền thông sử dụng hỗn loạn, phương pháp điều chế giải điều chế thường gặp Đi sâu vào tìm hiểu, phân tích thuật tốn ánh xạ hỗn loạn Baker ánh xạ Baker rời rạc • Chương 2: Giới thiệu qua OFDM, sở tốn học, đặc điểm, tính trực giao sóng mang con, khoảng bảo vệ Các phương pháp điều chế băng tần sở BPSK, QPSK • Chương 3: Xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin quang sử dụng điều chế OFDM kỹ thuật hỗn loạn mơ tính chất truyền dẫn bảo mật tốc độ cao Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỖN LOẠN 1.1 Tổng quan 1.1.1 Lịch sử nghiên cứu Những khái niệm toán học hỗn loạn phát vào năm 1880 Henri Poincaré nhiên thời gian dài lý thuyết khơng có bước đột phá lớn Cho đến năm 1980, nhóm nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực như: vật lý, tốn học, sinh học… có nhiều phát lớn đưa “chaos” hay tiếng Việt “hỗn loạn” trở thành lĩnh vực khoa học [11].Ngay sau đó, nghiên cứu hỗn loạn gây nên tác động lớn lên nhiều lĩnh vực khác nhau, đến mức dự đốn cách mạng khoa học Rất nhiều lĩnh vực liên quan phát triển cách bùng nổ: nhà khóa học, kỹ sư, nhà kinh tế học, triết học… tham gia nghiên cứu hỗn loạn Đến cuối kỷ, hỗn loạn trở thành chủ đề nghiên cứu phổ biến báo tạp chí khoa học.Những năm 1990, giới khoa học bắt đầu gần hơn, thực dụng thành tiềm hỗn loạn.Các lý thuyết bắt đầu dần đi, tập trung vào ứng dụng khả sử dụng khoa học để trả lời vấn đề thực tiễn Hỗn loạn gì?Thực tế khơng có định nghĩa xác, chấp nhận rộng rãi hỗn loạn khoa học cho hỗn loạn Khái niệm hỗn loạn định nghĩa khác theo cách tiếp cận khác Thuật ngữ “hỗn loạn” giới thiệu toán học hai nhà toán học Li York [12].Kể từ có nhiều định nghĩa khác đưa ra, nhiên số định nghĩa Davaney phổ biến [13].Mặc dù khơng có định nghĩa xác mặt tốn học hỗn loạn đặc điểm hỗn loạn nhận hầu hết trường hợp Đó tính chất đặc biệt nhạy với điều kiện ban đầu Các tính chất khác kể đến như: hỗn loạn bao gồm tập dày đặc gồm nhiều quỹ đạo không ổn định strange attrator (vùng hút lạ), có giá trị hệ số mũ Lyapunov dương, có phổ cơng suất liên tục giống nhiễu trắng… Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao Hỗn loạn có mặt khắp nơi [14], chúng tìm thấy iterated maps là: logistic map, Gaussian map, Hénon map…; hệ thống vật lý giao động Duffing, giao động van der Pol, mơ hình hệ thống Lorenz Rossler Chúng tìm thấy hệ thống điện, điện tử mạch Chua’s hệ thống điện công suất, lọc, laser, plasmas, trạng thái rắn, học lượng tử, quang học, phản ứng hóa học, mạng nơron, hệ thống logic mờ, kinh tế, tài chính, sinh học… Hỗn loạn tượng đối tượng nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu hệ động phi tuyến (nonlinear dynamical systems) Có nhiều lý cần thiết cho việc nghiên cứu hỗn loạn Đầu tiên, nhiều trường hợp hệ hỗn loạn mang thơng tin hữu ích mong muốn.Hỗn loạn đưa hệ thống vào tình xấu chí dẫn đến sụp đổ.Trong trường hợp cần loại bỏ hỗn loạn hết mức có thể.Tuy nhiên ngược lại, nghiên cứu gần lại cho nhiều tiềm hỗn loạn số trường hợp cụ thể Ví dụ điện tử viễn thơng, tín hiệu hỗn loạn có phổ liên tục miền tần số, chúng sử dụng hệ thống truyền thông băng rộng [15] Do hỗn loạn xảy hệ phi tuyến, nghiên cứu cụ thể hỗn loạn cần phải sử dụng lượng tính tốn tương đối nhiều nên phải phải sử dụng đến hỗ trợ máy tính Do dù tồn hỗn loạn biết đến từ lâu, đến gần người áp dụng lý thuyết hỗn loạn để giải vấn đề hỗn loạn nhiều ngành khoa học nói chung thiết kế thiết bị cao tần nói riêng Sự hoạt động thiết bị cao tần thường dựa tương tác electrons trường điện từ Trong phần lớn trường hợp, trình tương tác phi tuyến số lượng biến pha trạng thái đủ lớn để diễn hỗn loạn Do cần phải nghiên cứu tiến trình tương tác sử dụng khái niệm hỗn loạn 1.1.2 Một số khái niệm: a Điểm cố định Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao sm = c1e j 2πf1 ( m−1)Ts 64 + c2 e j 2πf ( m−1)Ts 64 + + c64e j 2πf 64 ( m−1)Ts 64 (3.20) Áp dụng DBM vào sóng mang ta có: tần số f1 ánh xạ đến tần số f13, tần số f2 ánh xạ đến f5…, f64 ánh xạ đến f34 (sự ánh xạ trình bày phần DBM) Chúng ta có hệ thống OFDM phương trình (3.20) trở thành: sm = c1e j 2πf13 ( m−1)Ts 64 + c2 e j 2πf5 ( m−1)Ts 64 + + c64e j 2πf34 ( m−1)Ts 64 (3.21) Phương trình (3.20) (3.21) thể tín hiệu đầu phát hình 3.9a, đầu thu giải điều chế cách cấp sóng mang hình 3.9b exp(j2πf1t) exp(j2πf13t) C1 C1 exp(j2πf2t) exp(j2πf5t) Baker C2 C2 exp(j2πf64t) exp(j2πf34t) C64 C64 a) Sóng mang đầu phát hệ thống OFDM truyền thống hệ thống OFDM đề xuất exp(-j2πf1t) exp(-j2πf13t) C1’ exp(-j2πf2t) C1’ Baker exp(-j2πf5t) C2’ C2’ exp(-j2πf64t) exp(-j2πf34t) C’64 C’64 b) Sóng mang đầu phát hệ thống OFDM truyền thống hệ thống OFDM đề xuất Hình3.9: Ánh xạ sóng mang Trang 65 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao Hệ thống OFDM đề xuất miêu tả hình Data symbol mapping S/P Data IDFT with DBM Guard interval insertion transmitted signal s(t) a) Bên phát received signal r(t) Guard interval removal DFT with DBM Data symbol decision P/S Data b) Bên thu Hình 3.10: Hệ thống OFDM đề xuất Khối “IDFT with DBM” “DFT with DBM” khối cấp phát sóng mang theo DBM thể hình 3.9 Nếu số sóng mang lớn 64 (128,256,…) chia thành nhóm nhỏ, nhóm 64 sóng mang sau thực việc xáo trộn nhóm Trong việc truyền tin OFDM, biết tiền tố tuần hồn khơng mang thông tin dư thừa kênh nhiễu Gauss Năng lượng tín hiệu trải thời gian lượng bit trải theo ES.(Td + TCP) = Eb.Td (3.22) Suy ra: ES = Td.Eb/(Td + TCP) (3.23) Trong việc truyền tin OFDM, tất sóng mang từ DFT dùng để mang thơng tin Thơng thường, vài sóng mang phía ngồi trừ lại để đảm bảo phổ không bị chồng lấn Giả sử có N sóng mang số sóng mang sử dụng n Ta có: ES = n.Eb/N (3.24) Kết hợp hai khía cạnh trên, mối quan hệ gữa lượng symbol lượng bit theo công thức sau: Trang 66 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao ES/N0 = Eb.Td.n/[N0.(Td + TCP).N] (3.25) Từ ta có: ES/N0[dB] = Eb/N0[dB] + 10log[Td/(Td + TCP)] + 10log(n/N) (3.26) Khi đó: SNR[dB] = ES/N0[dB] – 10log(n/N) (3.27) BER theo lý thuyết: Pe = 2Q.(ES/N0) (3.28) Từ phương trình (3.26) (3.28) thấy BER OFDM không phụ thuộc vào thứ tự symbol hay sóng mang mà phụ thuộc vào điều chế băng tần sở, số sóng mang mang tin khoảng thời gian bảo vệ Khi sử dụng điều chế BPSK sóng mang tương ứng với bit đầu vào Như thực việc xáo trộn cách hỗn loạn sóng mang tương tự việc xáo trộn bit thông tin đầu vào theo DBM Kết thu giống với hệ thống phần 3.2.1 rõ ràng không cần sử dụng đệm nên khơng gây trễ 3.2.3 Sử dụng khóa vịng lặp Nếu thực Baker tối đa số lần Baker 420 bit lại đảo vị trí cũ nên cần bits để tạo key, ghép lần Baker thành key có key có chiều dài 18 bits Hình 3.11: Tạo khóa vịng lặp cho ánh xạ Baker Với việc ánh xạ cho sóng mang con, cần bit để tạo thành key cho việc ánh xạ Như chiều dài khóa 27 bit Trang 67 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao 3.3 Mơ Để đánh giá tính bảo mật khả truyền dẫn tốc độ cao ta tiến hành mô công cụ Matlab simulink Khả truyền dẫn tốc độ cao nhờ sử dụng kỹ thuật truyền dẫn đa song mang OFDM trước hết ta mô hệ thống thông tin quang sử dụng OFDM so sánh với hệ thống không sử dụng OFDM tốc độ Tính bảo mật hệ thống ó nhờ sử dụng kỹ thuật hỗn loạn phần thứ hai ta mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn so sánh với hệ thống không sử dụng kỹ thuật hỗn loạn 3.3.1 Mô hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng kỹ thuật OFDM 3.3.1.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s Đây hệ thống mà đề tài mơ Mơ hình hệ thống tổng qt hóa xây dựng gồm phát, tạo tín hiệu OFDM kênh truyền quang Các tham số thiết kế: - Bộ phát: tốc độ liệu 24 Gb/s, sử dụng phép điều chế QAM ánh xạ chòm => tốc độ hệ thống 48 Gb/s - Bộ tạo tín hiệu OFDM: số sóng mang 256 (số điểm lấy FFT) bao gồm 192 liệu có ích, pilot, 57 “zero” hai đầu “zero” Chiều dài khoảng CP = 1/4 chiều dài symbol OFDM sau FFT tức (256)/4 = 64 Vậy chiều dài tổng cộng Symbol OFDM 320 điểm rời rạc - Kênh truyền quang: Tất mơ hình đề tài sử dụng kênh truyền quang mơ hình hóa dựa tính chất sợi đơn mode chuẩn SMF Các tham số: dz = 0.1 km, SMFLength = 80 km, DCFlength = 80 km DSMF = 17 ps/nm.km; DDCF = -17 ps/nm.km Pthreshold = 10 mW α = 0.2 dB/km nNL = 2.6e-20 m2/W Aeff = 76 μm2 Trang 68 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao Hình 3.12 Hình 3.13 giản đồ chịm giản đồ mắt đầu thu Ta nhận xét chưa sử dụng thuật toán sửa lỗi, thuật toán cân kênh truyền phức tạp (nội suy bậc cao, thuật toán LSM…) tỉ số bit lỗi BER thấp hệ thống CO - OFDM BER đạt thấp kỹ thuật cân tiên tiến có kèm thêm kỹ thuật sửa lỗi Hình 3.12 Giản đồ chịm thu Trang 69 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao Hình 3.13 Giản đồ mắt thu 3.2.1.2 So sánh hệ thống OFDM với hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s Mục đích việc xây dựng hệ thống đơn sóng mang với tốc độ liệu tốc độ liệu hệ thống OFDM truyền sợi quang nhằm cho ta nhìn định tính so sánh hai hệ thống đơn đa sóng mang trực giao Các tham số thiết kế hệ thống đơn sóng mang giống tham số thiết kế hệ thống CO - OFDM Tất nhiên so với hệ thống CO - OFDM hệ thống đơn sóng mang khơng cịn khối điều chế tín hiệu OFDM Dữ liệu sau ánh xạ chịm chuyển sang tín hiệu tương tự sau điều chế sang tín hiệu miền quang để truyền Hình 3.14 kết cho ta thấy so sánh chất lượng hệ thống CO-OFDM hệ thống dùng kỹ thuật đơn sóng mang thay đổi theo độ lệch chiều dài sợi DCF với sợi SMF Mục đích ta giảm dần chiều dài sợi DCF để tăng độ tán sắc kênh truyền sợi quang gây Ta thấy, độ lệch km chất lượng hai hệ thống chấp nhận (CO-OFDM khoảng 9.39E-37, hệ thống đơn sóng mang khoảng 6.23E-09) Nhưng độ lệch lớn km chất lượng hệ thống đơn sóng mang khơng cịn trì Cụ thể, độ lệch DCF SMF km BER hệ thống đơn sóng mang 2.77E-07 hệ thống COTrang 70 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao OFDM đạt mức 1.66E-09 độ lệch chiều dài 19 km Qua ta thấy, COOFDM có khả chống lại tán sắc tốt so với kỹ thuật đơn sóng mang Hình 3.14 Sự phụ thuộc BER hệ thống CO-OFDM hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài sợi DCF với sợi SMF Nhận xét: truyền tốc độ bit hai hệ thống đơn sóng mang so sánh với đa sóng mang trực giao sợi quang ta thấy ảnh hưởng sợi quang lên hệ thống đơn sóng mang đáng kể Hệ thống CO-OFDM có sử dụng kỹ thuật OFDM nên thời gian kí tự kéo dài 256 lần so với hệ thống đơn sóng mang Do đó, ảnh hưởng tán sắc sợi quang gây giảm tối thiểu Đối với hệ thống hoạt động với tốc độ cao (khoảng > 40 Gb/s) kỹ thuật OFDM tỏ rõ mạnh so với kỹ thuật đơn sóng mang điều kiện truyền dẫn Với CO-OFDM, ta truyền dẫn với cự ly gần 20 km mà không cần đến sợi DCF để bù đó, với kỹ thuật đơn sóng mang khoảng cách khoảng km Hình 6.4 kết BER đo đạc hai hệ thống CO-OFDM đơn sóng mang khơng sử dụng sợi bù tán sắc DCF Nhìn vào Hình 3.15 ta thấy, hệ thống đa sóng mang OFDM khoảng cách truyền dẫn đạt 19 km với BER khoảng 1.37E-09 (sợi SFM có hệ số tán sắc D = 17 ps/nm.km) mà không cần kỹ thuật bù tán sắc Trong Trang 71 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao đó, hệ thống đơn sóng mang khoảng cách đạt khoảng km với BER khoảng 3.22E-09 Hình 3.15: BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc hai hệ thống CO-OFDM hệ thống đơn sóng mang 3.3.2 Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn Trong phần này, mô để so sánh hệ thống OFDM đề xuất hệ thống OFDM truyền thống với lý thuyết Các tham số hệ thống: Giả sử ta điều chế OFDM sử dụng BPSK điều chế băng tần sở, số sóng mang 64 áp dụng DBM vào sóng mang con, khoảng bảo vệ phần tư thời gian symbol Tín hiệu truyền qua kênh có nhiễu Gauss Ở lần mô điều chế băng tần sở sử dụng QPSK Số sóng mang 64 áp dụng DBM, khoảng bảo vệ phần tư chu kỳ symbol Ở lần mô OFDM sử dụng BPSK: theo (3.26)-(3.28) ta thấy BER phụ thuộc vào điều chế băng tần sở, số sóng mang dùng mang tin khoảng thời gian bảo vệ Kết mơ hình 3.16 Với hệ thống OFDM sử dụng QPSK kết mô hình 3.17 Nó cho ta thấy việc áp dụng DBM vào sóng mang hệ thống OFDM khơng gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Trang 72 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao 10 theory Conventional OFDM OFDM with chaotic subcarriers -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 -4 -6 -2 Eb/N0[dB] Hình 3.16: BER theo lý thuyết BER hệ thống OFDM truyền thống hệ thống đề xuất điều chế BPSK băng tần sở 10 theoretical BER OFDM with chaotic subcarriers Conventional OFDM -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 -6 -4 -2 Eb/N0 [dB] Hình 3.17: BER theo lý thuyết BER hệ thống OFDM truyền thống hệ thống đề xuất điều chế QPSK băng tần sở Trang 73 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao Trong mô này, BER hệ thống OFDM truyền thống hệ thống OFDM đề xuất giống lý thuyết Tuy nhiên, xáo trộn cách hỗn loạn sóng mang tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống Ở bên thu, giải điều chế khơng giải điều chế sóng mang áp dụng DBM BER thu khoảng 10-0.3(tức tỉ lệ lỗi 50%) đạt giá trị vượt 8dB Với BER cao thể độ bảo mật hệ thống tăng thêm Thực tế, xử lý ảnh, tỉ lệ lỗi thu đầu thu giải điều chế sai lên đến 90% nên kỹ thuật ánh xạ cách hỗn độn xử dụng rộng rãi để tăng tính bảo mật xử lý ảnh Trong lần mô tiếp theo, thực so sánh BER hệ thống OFDM sử dụng DBM dịng bit đầu vào DBM cho sóng mang Với số sóng mang 64 điều chế băng tần sở sử dụng QPSK, khoảng bảo vệ phần tư thời gian symbol Kết mơ hình 3.18 10 OFDM with chaotic bit data OFDM with chaotic subcarriers -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 -6 -4 -2 Eb/N0[dB] Hình 3.18: BER hệ thống OFDM sử dụng DBM cho chuỗi bit data cho sóng mang Trang 74 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao 3.3.3 Phân tích hệ số tương quan thể tính bảo mật tốt sử dụng kỹ thuật hỗn loạn Việc hỗn độn sóng mang theo DBM nghĩa symbol sau QPSK hỗn loạn Nếu số sóng mang 64, số symbol OFDM symbol 64 Các symbol ánh xạ theo DBM xem mảng 8x8 Bây xét tương quan hai symbol liền kề Các phương trình dùng để tính hệ số tương quan : E ( x) = E ( y) = D( x) = D( y ) = N N ∑x N ∑y N N i =1 N i =1 (3.30) i N ∑ (x i =1 i N ∑(y cov( x, y ) = γ xy = (3.29) i i =1 N i − E ( x)) (3.31) − E ( y )) (3.32) N ∑ (x i =1 i − E ( x))( y i − E ( y )) (3.33) cov( x, y ) (3.34) D( x) D( y ) Bảng 3.1: Hệ số tương quan hai symbol liền kề OFDM symbol OFDM truyền thống OFDM đề xuất phương ngang 0.1442 0.0703 phương đứng 0.0959 0.0736 Bảng 3.1 thể giá trị hệ số tương quan hai symbol liền kề theo phương ngang phương đứng 128 bits thơng tin đầu tiền Sự phân tích tương quan cho thấy hệ thống OFDM đề xuất đạt ưu điểm tất giá trị có xu hướng giá trị không Hệ số tương quan nhỏ cho ta độ bảo mật thông tin lớn Trang 75 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao he so tuong quan giua hai symbol canh theo phuong ngang 0.8 0.6 B D A C gia tri symbol thu x[i] 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 gia tri symbol thu x[i+1] 0.4 0.6 0.8 Hình 3.19: Tương quan hai symbol cạnh theo hàng ngang Hình 3.19 thể tương quan symbol cạnh theo hàng ngang, với vị trí A D thể symbol giống B C symbol khác Giả sử có số symbol 512 tức 512 sóng mang con, sử dụng điều chế QPSK băng tần sở Các bit vào tạo cách random Kết mô tổng số bit A D, tức symbol cạnh có giá trị giống chiếm 25% điều chế OFDM truyền thống, 20% sử dụng điều chế OFDM ứng dụng hỗn loạn Điều kết hơp với công thức 3.29-3.34 chứng tỏ hệ số tương quan thu sử dụng OFDM hỗn loạn nhỏ (gần giá trí không hơn) so với hệ số tương quan hệ thống OFDM truyền thống (như bảng 3.1) 3.4 Kết luận chương Chương đề xuât hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OFDM và hỗn loạn dòng bit vào cho sóng mang dựa vào DBM để tăng bảo mật thông tin OFDM Hệ thống đề xuất thể qua lý thuyết mô Các kết ưu điểm hệ thống truyền dẫn tốc độ cao mà không làm tăng tỉ số lỗi bit nhờ sử dụng OFDM tăng tính bảo mật nhờ sử dụng hỗn loạn Đặc biệt, với việc áp dụng cho sóng mang không gây trễ cho hệ thống áp dụng vào bit vào Hơn nữa, chất lượng tín hiệu khơng bị ảnh hưởng PAPR giảm Trang 76 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao KẾT LUẬN Như vậy, nghiên cứu kiến thức tổng quan, ứng dụng mô hệ thống thông tin quang sử dụng OFDM hỗn loạn Trong suốt trình nghiên cứu tìm hiểu luận văn thu kết sau: - Nghiên cứu lý thuyết hỗn loạn, hệ tạo tín hiệu hỗn loạn ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn truyền thông - Nghiên cứu tổng quan mơ hình hệ thống OFDM - Nghiên cứu mơ hình hệ thống thơng tin quang OFDM - Tìm hiểu cách đưa kỹ thuật hỗn loạn vào hệ thống thông tin quang OFDM - Sử dụng công cụ Matlab để mô hệ thống thông tin quang sử dụng OFDM kỹ thuật ánh xạ hỗn loạn Baker rời rạc Do lần em nghiên cứu hệ thống thông tin quang OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn, lĩnh vực mẻ khó, kiến thức yếu nên cách tiếp cận nghiên cứu chưa hồn thiện cịn hạn chế Các kết mơ đưa mơ hình kênh AWGN Em nhận thấy đề tài hay có nhiều hướng phát triển ứng dụng tương lai Em mong nhận dẫn thầy góp ý người để đề tài hoàn thiện tốt Đồng thời mở rộng hướng nghiên cứu thành phần hỗn loạn đồng bộ, điều chế, vấn đề ước lượng cân kênh truyền thông, ứng dụng hỗn loạn DSCDMA, xử lý tín hiệu, xử lý ảnh , radar, thông tin quang,… Trang 77 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.Mao, G.Chen, S.Lian, “A novel fast image encryption scheme based on 3D chaotic Baker maps”, Int J Bifurcation Chaos, Vol 14, No 10 (2004) 3613-3624 [2] E.M.El-Bakary, O.Zahran, S.A.El-Dolil, F.E.Abd El-Samie, “Chaotic Maps: A tool to enhance the performance of OFDM Systems”, International Journal of Communication Networks and Information Security, Vol 1, No 2, August 2009 [3] F.Huang, Y.Feng, “Security analysis of image encryption based on twodimensional chaotic maps and improved algorithm”, Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China, Volume 4, Issue 1, p.5-9 [4] D.Luengo, Ignacio Santamaría, “Secure Communications Using OFDM with Chaotic Modulation in the Subcarriers”, Vehicular Technology Conference, 2005 VTC 2005-Spring 2005 IEEE 61st, p.1022-1026 Vol.2 [5] M P Kennedy, R Rovatti, and G Setti, Eds, “Chaotic Electronics in Telecommunications”, CRC Press, 2000 [6] F.C.M.Lau and C.K.Tse, “Chaos-Based Digital Communication Systems” Berlin: Springer-Verlag, 2003 [7] S.K.Kadari, B.S.B.Raju, N.X.Quyen, “Digital image encryption based on chaotic behavior of a modified tent map”, ISAST transactions on computer and intelligent system, No.1, Vol.4, 2012 (ISSN 1798-2448) [8] N.F Soliman, A.A Shaalan, S El-Rabaie, and F.E Abd El-samie, “Peak power reduction of OFDM signals using chaotic Baker map”, In proceedings IEEE International Conference on Computer Engineering & Systems, 2009 ICCES 2009, p.593-598 [9] A.D S Jayalath and C Tellambura, “The Use of Interleaving to Reduce the Peak-to-Average Power Ratio of an OFDMSignal” In Proceedings IEEE Global Telecommunications Conference, 2000, pp 82-86, San Francisco, CA [10]W.Shieh, I.Djordjevic, “OFDM for optical communications”, Academic Press, 2009 [11]Peter Stavroulakis, “Chaos Applications in Telecommunications”, CRC Press, 2006 [12]T Y Li and J A Yorke, “Period three implies chaos”, American Math Monthly, vol 82, pp 481-485, 1975 [13]R L Davaney, “An introduction to chaotic dynamical systems”, AddisonWesley, 1987 [14]G Chen and X Dong, “From chaos to order: Methodologies, perspectives, and applications”, World Scientific, Singapore, 1998 Trang 78 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao [15]M P Kennedy “Communication with chaos: state of the art and engineering challenges”, Proceeding of NDES’96, Seville, Spain June, pp 1-8, 1996 [16]Juha Heikala, John Terry, Ph.D “OFDM Wireless LANS: A Theoritical and Practical Guide” ISBN:0672321572 [17]Chance M Glenn, Sr., “Synthesis of a Fully-Integrated Digital Signal Source for Communications from Chaotic Dynamics-based Oscillations”, PhD thesis, Johns Hopkins University, 2003 [18]Francis C Moon, “Chaotic Vibrations: An Introduction for Applied Scientists and Engineers”, John Wiley & Sons, New York, 1987 [19]J.M.T Thompson and H.B Stewart, “Nonlinear Dynamics and Chaos”, John Wiley & Sons, LTD, New York, 1991 [20]Jianxin Zhang, “Investigation of chaos and nonlinear dynamical behaviour in two different self-driven oscillators”, PhD thesis, University of London, 2001 [21]G.D Vanwiggeren and R Roy, “Communication with Chaotic Lasers”, Science, vol 279, 1998, pp 10-12 [22] A Argyris, D Syvridis, L Larger, V Annovazzi-lodi, P Colet, I Fischer, C.R Mirasso, L Pesquera, and K.A Shore, "Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links", Nature, vol 438, 2006, pp 343-346 [23]http://www.cplire.ru/html/InformChaosLab/index.htmtruy cập cuối ngày 25/05/2013 [24]http://www.dsplog.com/2008/06/10/ofdm-bpsk-bit-error/ truy cập lần cuối ngày 25/05/2013 [25]http://en.wikipedia.org/wiki/ Trang 79 ... 39 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao tạp Đây nguyên nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 2.1.2 Đa sóng mang. .. 53 Trang Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM VÀ KỸ THUẬT HỖN LOẠN ... đề tài bảo mật thông tin thu hút quan tâm kỹ thuật hỗn loạn cho thấy ưu điểm Trang 34 Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao Kỹ thuật hỗn