nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn

Dựa trên nền tảng này, các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá ứng dụng của hỗn loạn trong các hệ thống thông tin, với những đóng góp đáng chú ý từ Pecora và Carroll về việc đồng bộ hóa các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ ANH ĐÀO

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã ngành: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN XUÂN QUYỀN

HÀ NỘI - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền Vũ Anh Đào

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận án này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn khoa học, PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền đã tận tình chỉ bảo về mặt chuyên môn, đồng thời giúp đỡ động viên tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành luận án tiến sĩ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật truyền thông, Trường Điện - Điện tử và Ban Đào tạo Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm Luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật điện tử 1, đặc biệt là PGS.TS Trương Cao Dũng và ThS Trần Thị Thanh Thủy, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh Sự dạy bảo, động viên và khích lệ của họ là động lực giúp tôi vượt qua khó khăn thử thách để hoàn thành các nội dung nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đầy yêu thương đến gia đình tôi Họ luôn là chỗ dựa vững chắc, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để tôi hoàn thành Luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Nghiên cứu sinh

Vũ Anh Đào

1.2.2 Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin 7

1.2.3 Hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn 10

1.3 Các dạng điều chế đa mức trong thông tin 15

1.3.1 Vai trò của điều chế đa mức trong các hệ thống thông tin 15

1.5 Lựa chọn tham số mô phỏng 31

1.6 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu và công cụ mô phỏng 34

2.2.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 43

2.3 Hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến số sử dụng hỗn loạn truyền qua sợi quang 49

2.3.1 Mô hình của hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến hỗn loạn 49

2.3.2 Kết quả mô phỏng số và phân tích hiệu năng 50

2.4 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 59

KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG ĐA KÊNH VỚI CÁC ĐIỀU CHẾ KHÁC NHAU 59

3.1 Giới thiệu 59

3.2 Hệ thống thông tin quang hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM 61

3.2.1 Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM61 3.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 66

3.3 Hệ thống thông tin quang sợi đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK 70 3.3.1 Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế QPSK và DP-16 PSK 70

3.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận đánh giá hiệu năng 74

3.4 Hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế DP-16QAM 78

3.4.1 Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 16QAM 78

DP-3.4.2 Các kết quả mô phỏng số và thảo luận 82

3.5 Nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế DP-16QAM bằng mô hình học sâu 85

3.5.1 Yêu cầu giải quyết 85

3.5.2 Giải pháp DeepChaos+ 87

3.5.3 Mô phỏng 93

3.5.4 Kết luận 98

3.6 Kết luận chương 3 99

Kết luận và hướng phát triển 101

1 Các đóng góp khoa học và kết quả đạt được của luận án 101

2 Hướng phát triển 102

Danh mục các công trình đã công bố của luận án 103

Tài liệu tham khảo 104

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

sợi quang

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Correction

Detection

Điều chế quang biên độ và tách sóng trực tiếp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Equation

Frequency-Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

RSA

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TLS Transport Layer Security Bảo mật lớp truyền tải

STM Synchronous Transport

Module Module truyền dẫn đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Định nghĩa dạng sóng BPSK 18 Bảng 1.2 Tham số của sợi quang theo khuyến nghị ITU-T 32 Bảng 2.1 Tham số của hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao 42 Bảng 2.2 Tham số của hệ thống thông tin số đa kênh vô tuyến hỗn loạn truyền qua sợi quang 51 Bảng 3.1 Tham số của hệ thống thông tin quang sợi đa kênh COC sử dụng điều chế 4-PAM 63 Bảng 3.2 Bảng các tham số hệ thống thông tin quang sợi đa kênh sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK 74 Bảng 3.3 Bảng các tham số của các kênh COC và CFOC trong hệ thống thông tin WDM quang đường dài sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM 80 Bảng 3.4 Tham số cho mô hình học tăng cường 94 Bảng 3.5 So sánh thời gian suy luận của Deepchaos+ với các mô hình khác trên các tập huấn luyện khác nhau là 20%, 40%, 60% và 80% 97

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Hệ thống tạo mặt nạ hỗn loạn xvi

Hình 1.1 Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ hỗn loạn Lorenz 5

Hình 1.2 Quỹ đạo pha của hệ hỗn loạn Lorenz 6

Hình 1.3 Chuỗi hỗn loạn Logistic map với hai điều kiện đầu sai khác Δx = 0,000001 6

Hình 1.4 Hệ thống thông tin quang dựa trên điều chế hỗn loạn 12

Hình 1.5 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4-PAM 16

Hình 1.6 (a) Bộ điều chế và (b) bộ giải điều chế BPSK 18

Hình 1.7 (a) Bộ điều chế và (b) Bộ giải điều chế DPSK 20

Hình 1.8 (a) Bộ điều chế và (b) Giải điều chế QPSK 21

Hình 1.9 Chòm sao của tín hiệu điều chế QPSK 21

Hình 1.10 Sơ đồ bộ điều chế DP-QPSK 22

Hình 1.11 (a) Bộ điều chế và (b) Giải điều chế 16-QAM 24

Hình 1.12 Mô hình bộ mã hóa tự động 26

Hình 1.13 Cấu trúc của mô hình VAE (a) và AE (b) 27

Hình 2.1 Hệ thống RoF tương tự (a) và số (b) sử dụng điều chế mặt nạ hỗn loạn 38

Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống thông tin không dây 39

Hình 2.3 Sơ đồ thiết lập mô phỏng số cho hệ thống RoF 41

Hình 2.4 Giản đồ mắt cho hai kênh thông tin với hai kiểu điều chế cao cấp DPSK và CPFSK: (a,b) cho điều chế DPSK với kênh CH1 và CH2, (c,d) cho điều chế CPFSK với kênh CH1 và CH2 45

Hình 2.5 Hiệu năng BER là hàm của tốc độ bit 46

Hình 2.6 Hiệu năng BER là hàm số của mức công suất phát của laser tại tốc độ bit Gb/s tại khoảng cách 20 km 47

Hình 2.7 Mô hình đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF hai kênh dựa trên hỗn loạn 50

Hình 2.8 Mô phỏng hệ thống RoF hai kênh dựa trên hỗn loạn sử dụng điều chế ASK 53

Hình 2.9 Giản đồ mắt của hai kênh tần số vô tuyến (kênh 1 được ký hiệu bằng chữ mà đỏ, kênh 2 được ký hiệu bằng chữ màu xanh) ở một số khoảng cách truyền dẫn tương ứng với 70km (a, a'), 120km (b,b') và 170km (c,c') 54

Hình 2.10 Hiệu năng BER là hàm của khoảng cách truyền L 55

Hình 2.11 Hiệu năng BER là hàm của tốc độ dữ liệu R 56

Hình 2.12 Hiệu năng BER là hàm của hệ số tán sắc D 56

Hình 2.13 Hiệu năng BER là hàm của 57

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền dẫn cáp quang sử dụng sơ đồ điều chế PAM: (a) kênh CFOC và (b) kênh COC 62

4-Hình 3.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn cáp quang sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM cho kênh COC trên phần mềm mô phỏng Optisystem 65

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 3.3 Đo phổ tín hiệu quang cho cả kênh COC và kênh CFOC ở phía phát và thu: (a,b)

đối với kênh CFOC và (c,d) đối với kênh COC 66

Hình 3.4 Khảo sát hiệu năng BER phụ thuộc vào chiều dài sợi quang cho kênh COC và CFOC điều chế 4-PAM 67

Hình 3.5 Khảo sát hiệu năng BER dưới dạng hàm của tốc độ bit của kênh COC và CFOC 68

Hình 3.6 Khảo sát hiệu năng BER là hàm của hệ số tán sắc cho kênh COC và CFOC 69

Hình 3.7 Khảo sát giản đồ mắt phụ thuộc vào chiều dài sợi quang cho kênh COC và CFOC sử dụng điều chế 4-PAM 69

Hình 3.8 Mô hình hệ thống truyền dẫn đường dài ghép kênh của kênh COC và CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép 71

Hình 3.9 Mô phỏng kênh COC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép trên Optisystem 73

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER vào chiều dài sợi quang 75

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER vào tốc độ bit 76

Hình 3.12 Giản đồ chòm sao của kênh CFOC và kênh COC với điều chế QPSK với (a) 20km, (b) 50km, (c) 80km 77

Hình 3.13 Giản đồ chòm sao của kênh CFOC và kênh COC với điều chế 16-PSK với (a) 20km, (b) 50km, (c) 80km 78

Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống các kênh COC và CFOC trong hệ thống thông tin WDM quang sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM 79

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống kênh COC trong hệ thống thông tin WDM quang sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM trên phần mềm Optisystem 81

Hình 3.16 Giản đồ chòm sao của sơ đồ điều chế 16-QAM cho hệ thống WDM hai kênh CFOC và COC ở khoảng cách truyền khác nhau, (a) 20km, (b) 60km và (c) 100km 82

Hình 3.17 Khảo sát BER vào sự thay đổi chiều dài sợi quang 83

Hình 3.18 Khảo sát BER vào sự thay đổi tốc độ bit của kênh truyền 84

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU

Truyền thông sử dụng hỗn loạn

Nhìn lại suốt chiều dài lịch sử văn minh nhân loại, bảo mật thông tin không chỉ là vấn đề của thời hiện đại Trong liên lạc quân sự, đặc biệt là khi tác chiến trên chiến trường, việc bảo mật thông tin đóng một vai trò cực kỳ quan trọng Các phương tiện truyền thông bí mật như mạng liên lạc tác chiến, tin tình báo hay truyền tin giữa các chỉ huy phụ thuộc vào các phương pháp bảo mật thông tin để ngăn chặn nguy cơ bị gián điệp xem lén và đột nhập từ bên ngoài Những thông tin có giá trị cao hoặc tối mật nếu bị rò rỉ hay bị đột nhập trái phép sẽ gây nguy hại khôn lường Trong thời đại của sự kết nối liên tục và sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, bảo mật thông tin trở thành một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng của cá nhân, các cơ quan tổ chức, quốc gia, và cả nền kinh tế toàn cầu Tại mỗi bước tiến mới của công nghệ, mối đe dọa về việc xâm nhập thông tin trái phép cũng ngày càng gia tăng Trong bối cảnh này, vai trò của bảo mật thông tin trở nên vô cùng quan trọng, đóng vai trò là một "cánh tay vững chắc" bảo vệ sự toàn vẹn của dữ liệu Phạm vi bảo mật không chỉ ở máy tính cá nhân mà cả các kết nối máy tính trên phạm vi toàn cầu, trong nhiều phân loại mạng và đường truyền khác nhau như mạng internet, mạng di động, mạng thông tin vệ tinh [1-2]

Các phương pháp bảo mật thông tin vô tuyến, hữu tuyến và cáp sợi quang đã phát triển qua nhiều giai đoạn, từ các kỹ thuật mã hóa cơ bản đến các phương pháp phức tạp như chữ ký số, mã hóa đối xứng và không đối xứng, giao thức bảo mật lớp ứng dụng như SSL/TLS [3] Nghiên cứu của Rivest, Shamir và Adleman về hệ mật mã RSA [4], hay công trình của Diffie và Hellman về giao thức trao đổi khóa [5] đều là những ví dụ điển hình về những đóng góp quan trọng trong lịch sử của bảo mật thông tin Ưu điểm của các phương pháp này bao gồm: (i) Sử dụng các thuật toán mã hóa mạnh như RSA, Diffie-Hellman, AES, và ECC cho mức bảo mật cao, bởi vì những thuật toán này cung cấp một cơ chế đáng tin cậy để bảo vệ dữ liệu khỏi việc truy nhập trái phép và đột nhập từ bên ngoài; (ii) Có khả năng linh hoạt để điều chỉnh cấp độ bảo mật theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng và môi trường; (iii) Mặc dù các phương pháp mã hóa và giải mã có thể yêu cầu xử lý phức tạp, nhưng các thuật toán hiện đại thường được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao mà không làm giảm tốc độ xử lý dữ liệu quá nhiều [6-9] Tuy nhiên, cũng cần phải nhấn mạnh một số nhược điểm và thách thức khi ứng dụng các phương pháp bảo mật như đã đề cập ở trên là: (i) Đòi hỏi nhiều tài nguyên, chẳng hạn, một số phương pháp bảo mật thông tin như mã hóa đối xứng và không đối xứng có thể yêu cầu tài

Truyền thông sử dụng hỗn loạn nguyên máy tính và băng thông mạng cao để thực hiện các phép tính mã hóa và giải mã, đặc biệt là khi xử lý lượng dữ liệu lớn; (ii) Thiết lập và duy trì các hệ thống mã hóa và giải mã phức tạp, có thể tốn kém về mặt tài chính và nhân lực; (iii) Mặc dù sử dụng các thuật toán mã hóa tiên tiến nhưng vẫn có khả năng bị tấn công, ví dụ như các máy tính hiệu năng cao chạy các thuật toán vét cạn có thể giải mã được các thuật toán mã hóa phức tạp Vậy nên, việc duy trì tính an toàn cho hệ thống yêu cầu sự cập nhật liên tục và đầu tư trong nghiên cứu bảo mật [9]

Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, việc khám phá các hệ thống thông tin hỗn loạn đã thu hút sự chú ý đáng kể vì khả năng của chúng trong việc nâng cao tính bảo mật, tính toàn vẹn và tính hiệu quả của việc truyền dữ liệu Luận án này nhằm cung cấp một cái nhìn toàn diện về những đóng góp nghiên cứu mang tính bước ngoặt trong lĩnh vực truyền thông hỗn loạn, nhấn mạnh vào những tiến bộ quan trọng, thách thức và hướng phát triển trong tương lai

Nguồn gốc của các hệ thống thông tin hỗn loạn xuất phát từ các công trình tiên phong trong lĩnh vực động lực học phi tuyến và lý thuyết hỗn loạn Công trình nghiên cứu đầu tiên của Lorenz năm 1963 về hỗn loạn với “hiệu ứng cánh bướm” đã đặt nền móng lý thuyết để hiểu sự phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện đầu, một đặc trưng của các hệ thống hỗn loạn [10-11] Dựa trên nền tảng này, các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá ứng dụng của hỗn loạn trong các hệ thống thông tin, với những đóng góp đáng chú ý từ Pecora và Carroll về việc đồng bộ hóa các hệ thống hỗn loạn [12] và những tác động của chúng đối với truyền thông bảo mật [13-14]

Việc sử dụng các hệ thống thông tin hỗn loạn trong nhiều lĩnh vực khác nhau [15] thể hiện tính đa dạng và hiệu quả của chúng trong việc giải quyết các thách thức Nhiều công trình nghiên cứu bước ngoặt đã đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông hỗn loạn, mở đường cho các giải pháp đổi mới và các phát hiện đột phá Shouliang Bu và Bing-Hong Wang [16] đã đề xuất một phương pháp có thể ngăn chặn khả năng tái tạo không gian pha bằng cách điều chế tín hiệu mang với một tín hiệu vô hướng được lựa chọn thích hợp Phương pháp này không chỉ bảo vệ được thông tin truyền đi mà còn tăng cường độ bảo mật bằng cách thêm các tham số ẩn vào hệ thống Nir Lahav và các cộng sự [17] đã giới thiệu một phương pháp đồng bộ hỗn loạn mới cho các hệ thống thông tin, đồng bộ ở cấp độ tô-pô thay vì cấp độ biến Đồng bộ tô-pô xem xét sự tương đồng về hình dạng và cấu trúc của vùng hút Quỹ đạo của các hệ thống hỗn loạn có thể không trùng khớp hoàn toàn, nhưng chúng cần phải có hình dạng và cấu trúc tương tự nhau khi di chuyển Các hệ thống thông tin bảo mật hỗn loạn trải phổ cũng được đề xuất sử dụng và đã chứng minh tính hiệu quả của bảo mật trong các môi trường thông tin khác nhau [18-21]

Truyền thông sử dụng hỗn loạn Rahul Ekhande và các cộng sự [22] đã đề xuất một phương pháp truyền thông an toàn dựa trên điều chế hỗn loạn kết hợp kỹ thuật mặt nạ để chứng minh sự đồng bộ Lorenz trong việc khôi phục thông tin ở phía thu Qua việc phân tích và mô phỏng số, các tác giả đã chứng minh tính hiệu quả và đáng tin cậy của các hệ thống thông tin hỗn loạn về việc đảm bảo truyền dữ liệu an toàn trong các môi trường truyền dẫn

Trong truyền thông không dây, các kỹ thuật điều chế hỗn loạn đóng vai trò là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các tác động từ kênh truyền và chống lại các cuộc đột nhập trái phép, do đó đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu [23-26] Bằng cách khai thác tính bất định của tín hiệu hỗn loạn, các kỹ thuật điều chế này cung cấp giải pháp hữu ích cho việc truyền thông an toàn trong môi trường bị ảnh hưởng bởi tạp âm, can nhiễu và sự tấn công Thêm vào đó, các phương pháp mã hóa hỗn loạn đã trở thành một nền tảng trong lĩnh vực mã hóa hình ảnh, sử dụng tính nhạy cảm vào điều kiện đầu và các tham số điều khiển để cung cấp một giải pháp mạnh cho việc bảo mật nội dung đa phương tiện [27] Thông qua việc tích hợp động học hỗn loạn vào các giao thức mật mã, các nhà nghiên cứu đã chứng minh sự cải thiện đáng kể trong việc nâng cao tính bảo mật hình ảnh [28] Trong lĩnh vực mật mã tài chính, các hệ thống thông tin hỗn loạn đã làm thay đổi cách thiết kế các giao thức mật mã cho các giao dịch an toàn và giao dịch thị trường thông qua ảnh mã hóa [29] Hơn nữa, việc tích hợp động học hỗn loạn vào các hệ thống tài chính cho phép phát hiện và ngăn chặn các hoạt động gian lận, từ đó nâng cao độ tin cậy của các giao dịch số

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã mở rộng ứng dụng của lý thuyết hỗn loạn vào các hệ thống thông tin quang, sử dụng các tính chất đặc biệt của sợi quang để đạt được việc truyền dữ liệu tốc độ cao [30-31] và khoảng cách lớn [31-32], điển hình là hệ thống thông tin quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM [33] Bằng cách điều chế độ cường độ hoặc pha của tín hiệu quang theo sóng hỗn loạn, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất truyền dẫn như tăng tốc độ dữ liệu, giảm suy hao tín hiệu và tăng cường bảo mật chống lại các cuộc xâm nhập trái phép Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu gần đây đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của truyền thông hỗn loạn trong các mạng sợi quang Apostolos Argyris và các cộng sự [34] đã chứng minh bằng thực nghiệm hệ thống truyền dẫn quang với tốc độ 10 Gb/s qua một chip quang tử được điều chế hỗn loạn sóng mang theo kiểu điều chế laser trực tiếp cho thông tin bảo mật với tỉ lệ lỗi bit (BER – Bit Error Rate) nhỏ hơn 1012 Một hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn khoảng cách lên đến 25 km và tốc độ 10 Gb/s đã được chứng minh

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án bằng thực nghiệm Hệ thống được thực hiện thông qua việc đồng bộ hỗn loạn nhờ một laser thứ cấp truyền tín hiệu hỗn loạn giống laser sơ cấp phát tín hiệu thông tin

hỗn loạn của laser bán dẫn cũng được thực hiện qua mạng phân cụm với các luồng thông tin quang tốc độ lên đến 10 Gb/s [36] hoặc giữa hai nguồn laser được đồng bộ tương quan [37] thể hiện tiềm năng của các kỹ thuật điều chế dựa trên hỗn loạn trong các hệ thống thông tin

Tuy là cách tiếp cận rất mới, hiện đại, cho phép thông tin được truyền đi với tốc độ cao và hiệu quả sử dụng băng thông cao nhưng cần cơ cấu điện tử, quang tử và laser rất phức tạp Đặc biệt là việc xử lý bảo mật ở miền quang yêu cầu chi phí lớn và khó thực hiện [34-37] Do đó, luận án này đã đề xuất hướng nghiên cứu bảo mật ở miền điện Thay vì sử dụng tín hiệu hỗn loạn quang được phát bởi laser diode, các hệ thống được trình bày trong luận án sử dụng tín hiệu hỗn loạn Logistic map trong miền điện, đơn giản trong thiết kế mà vẫn đảm bảo được hiệu quả của nó đối với hệ thống thông tin Tín hiệu hỗn loạn sẽ được cộng hoặc nhân với tín hiệu cao tần để tạo mặt nạ hỗn loạn, được điều chế đa mức để tăng tốc độ và chuyển thành tín hiệu quang trước khi truyền qua sợi quang nhưng vẫn đảm bảo BER cho phép

Việc nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin đã nhận được sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà khoa học trên thế giới trong gần ba thập kỷ vừa qua, trong đó tập trung vào các hướng nghiên cứu chính như sau:

(i) Khai thác đặc tính động của hỗn loạn để tăng cường khả năng bảo mật của các hệ thống

(ii) Giải quyết bài toán đồng bộ hỗn loạn giữa phía phát và phía thu: đồng bộ có tương quan (coherent) và không tương quan (non-coherent)

(iii) Kiến trúc các hệ thống thu phát dựa trên hỗn loạn qua các môi trường và kênh truyền dẫn khác nhau như vô tuyến, sợi quang, dây điện, v.v

Nội dung mà luận án hướng tới nằm trong hướng nghiên cứu (iii), cụ thể là sơ đồ kiến trúc thu phát của các hệ thống thông tin quang – vô tuyến (RoF) hoặc toàn quang kết hợp với điều chế đa mức tốc độ cao sử dụng kỹ thuật mặt nạ hỗn loạn được đề xuất và đánh giá hiệu năng của hệ thống bằng cách sử dụng phần mềm Optisystem

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên

cứu của luận án

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

Động lực nghiên cứu

Sự nhạy cảm của động học hỗn loạn đối với các tham số hệ thống và các yếu tố môi trường đặt ra nhiều thách thức trong việc duy trì sự đồng bộ trong hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn Mặc dù vậy, tính phức tạp và không dự đoán được cùng phổ tần rộng của tín hiệu hỗn loạn mang lại những lợi ích độc đáo về bảo mật và khả năng chống lại các cuộc tấn công mật mã phổ biến như tấn công vét cạn, tấn công phân tích phổ hay tấn công theo kiểu dự đoán tham số, khiến cho các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các mạng quang học thế hệ tiếp theo Hướng tiếp cận để giải quyết của luận án là triển khai các bước điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ trên các các tín hiệu thông tin số đã được điều chế qua các định dạng điều chế đa mức như QPSK, DP-16PSK, 16QAM, 4-PAM Đánh giá hiệu năng của hệ thống đề xuất qua BER theo các tham số của hệ thống như khoảng cách truyền, tốc độ truyền, độ tán sắc, biểu đồ mắt hoặc giản đồ chòm sao

Quá trình tạo mặt nạ hỗn loạn (chaotic masking) [38-39] được thực hiện bởi một bộ phát tín hiệu số hỗn loạn kết hợp một mạch điện tử tạo xung giống như bộ tạo xung nhị phân trong Hình 1

Hình 1 Hệ thống tạo mặt nạ hỗn loạn

Cơ chế tạo mặt nạ hỗn loạn được thực hiện bằng cách cộng hoặc nhân chuỗi bit mang thông tin m nT  với chuỗi Logistic map xn1 được tạo ra từ các hàm hỗn loạn Để tạo mặt nạ hỗn loạn thì mức công suất của m nT  phải thấp hơn đáng kể so với xn1 [40] Tín hiệu đã được điều chế hỗn loạn s nT m nT xn1 được đưa đến các máy phát laser bán dẫn chuyển đổi điện - quang theo cơ chế điều chế quang theo biên độ và tách sóng trực tiếp (IM-DD- Intensity Modulation - Direct Detection) Ở phía thu, sử dụng các bộ tách sóng quang (photodetector) để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, quá trình được thực hiện theo trật tự ngược lại Nếu bộ thu đồng bộ với bộ phát, và tín hiệu s nT  như phía phát thì khi

1 ' 1

x  x  , m nT  được khôi phục theo công thức m nTˆ s nT x'n1.Phương pháp như vậy sẽ dễ dàng thực hiện bằng các cơ cấu mạch điện tử mà không

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án yêu cầu các phương pháp kiểm soát đồng bộ laser phức tạp, tốn kém, khó khăn so với phương pháp đồng bộ laser của cơ chế chủ - tớ (master-slave) trong các hướng tiếp cận nghiên cứu gần đây Đây cũng chính là những tiềm năng và động lực nghiên cứu cho luận án này

Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những động lực trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu nhằm đạt được những kết quả có ý nghĩa khoa học và phương pháp luận cho sự phát triển của ngành thông tin bảo mật Hai mục tiêu nghiên cứu là:

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án (i) Đề xuất hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang đa kênh được điều

chế số tiên tiến và điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ rồi ghép kênh để đưa lên kênh truyền cự ly xa Hệ thống đề xuất được khảo sát hiệu năng BER theo các tham số của hệ thống như tốc độ luồng bit của kênh, khoảng cách truyền dẫn, mức công suất phát hay hệ số tán sắc của sợi quang để so sánh giữa kênh quang hỗn loạn (COC - Chaotic secure Optical Communication) và kênh quang truyền thống (CFOC - Common Fiber - Optic Communication)

(ii) Đề xuất các hệ thống thông tin số toàn sợi quang, đa kênh kết hợp với các phương pháp điều chế số đa mức cho chuỗi bit mang thông tin, sau đó được điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng Hiệu năng BER, chòm sao (constellation) qua kênh truyền quang được đánh giá thông qua một số tham số đặc trưng của hệ thống Việc sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu số ở phía thu (post DSP - Digital Signal Processing) thông qua kỹ thuật VAE (Variational AutoEncoder - bộ tự mã hóa biến thể) và Informer trong mô hình học sâu (deep learning) để nâng cao chất lượng tín hiệu được tái tạo cũng được đề xuất

Công bố các kết quả nghiên cứu, các kỹ thuật áp dụng, các đóng góp nghiên cứu chính dưới dạng các công trình khoa học chất lượng đóng góp tri thức mới cho lĩnh vực thông tin quang sử dụng hỗn loạn Từ đó, tạo nền tảng cho cộng đồng nghiên cứu về thông tin quang được bảo mật thông qua các mặt nạ hỗn loạn để nâng cao mức độ an toàn, bảo mật thông tin, tránh các khả năng đột nhập thông tin trái phép

Đối tượng nghiên cứu

bước sóng, môi trường truyền dẫn là toàn sợi quang hoặc kết hợp truyền qua sợi quang và vô tuyến

bằng cách sử dụng các phương pháp điều chế tiên tiến đa mức, sử dụng các bộ bù suy hao do sợi quang và suy hao do tán sắc

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

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất và thực thi các hệ thống thông tin quang số hỗn loạn trong giới hạn sau:

(i) Các hệ thống được thiết kế và phân tích chỉ thực hiện với đơn người

dùng trên hai kênh COC và CFOC, trong đó chất lượng hệ thống được đánh giá qua biểu đồ chòm sao, hoặc hiệu năng BER theo các tham số của hệ thống

hợp với các phương pháp điều chế tiên tiến đa mức được xem như là một phương pháp tăng tính bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống thông tin số hỗn loạn

(iii) Hệ thống với đa người dùng, thực hiện ghép nhiều kênh hơn và các

phương pháp điều chế tiên tiến đa mức phức tạp hơn để phân tích đánh giá chi tiết khả năng bảo mật là hướng phát triển tiếp theo của luận án

Phương pháp nghiên cứu

Hệ thống nghiên cứu là sự kết hợp của nhiều hệ thống con khác nhau như điều chế mặt nạ hỗn loạn, hệ thống điều chế đa mức để tăng tốc độ truyền dẫn, hệ thống truyền qua sợi quang hoặc quang kết hợp vô tuyến Như vậy, đây là hệ thống tổng hợp và có độ phức tạp cao nên việc tìm ra mô hình lý thuyết chính xác cho hệ thống không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án và sẽ nằm trong phần nghiên cứu tương lai của luận án Trong khuôn khổ của luận án, nghiên cứu sinh chỉ đưa ra sơ đồ khối của hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống thông qua phần mềm mô phỏng Optisystem V.14

Tổ chức nội dung của luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương Cơ sở về kỹ thuật hỗn loạn và ứng dụng trong truyền tin cùng các phương pháp điều chế đa mức và tổng quan về học sâu được trình bày trong Chương 1 Chương 2 đề xuất và thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao, đây là cơ sở cho hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến số sử dụng hỗn loạn truyền qua sợi quang Các hệ thống thông tin quang đa kênh với các phương pháp điều chế số đa mức sử dụng hỗn loạn được đề xuất và thực hiện trong Chương 3

Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án 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 thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn

Chương này cung cấp các kiến thức nền tảng, là cơ sở cho các đề xuất của luận án Đặc điểm và các tính chất quan trọng của hỗn loạn sẽ được trình bày tóm tắt Đồng bộ trong hệ thống thông tin hỗn loạn, cấu trúc của một hệ thống thông tin quang hỗn loạn và ứng dụng sẽ được tổng hợp Các dạng điều chế số đa mức và đặc điểm của chúng sẽ được giới thiệu Tổng quan về học sâu như bộ mã hóa tự động, kỹ thuật VAE và mô hình Informer cho xử lý tín hiệu chuỗi thời gian được phân tích trong phần tiếp theo Phần cuối của chương trình bày cách lựa chọn tham số mô phỏng và đánh giá độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu

Chương 2 Kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống quang thu phát vô tuyến

Chương này đề xuất hệ thống thông tin số sử dụng công nghệ RoF và giao diện mạng truy cập cho hai kênh tín hiệu vô tuyến ở dải tần số VHF sử dụng điều chế DPSK và CPFSK để nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố truyền dẫn đến hiệu năng BER của hệ thống thông tin quang Hệ thống này là nền tảng cho hệ thống thông tin số hai kênh dựa trên hỗn loạn sử dụng điều chế ASK trong đề xuất tiếp theo Mô phỏng số và các kết quả đạt được dùng để đánh giá hiệu năng BER của hệ thống phụ thuộc vào một số tham số của hệ thống

Chương 3 Kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống truyền dẫn quang đa kênh với các điều chế khác nhau

Chương này đề xuất hệ thống thông tin quang đa kênh với các phương pháp điều chế đa mức như 4-PAM, QPSK, DP-16PSK, DP–16QAM ghép kênh phân chia theo bước sóng sử dụng điều chế hỗn loạn Các kết quả mô phỏng số như biểu đồ chòm sao, BER phụ thuộc vào các tham số đường truyền giúp ước lượng định tính và định lượng BER của hệ thống So sánh hiệu năng BER của kênh COC và CFOC cũng được thể hiện qua các kết quả mô phỏng để từ đó có sự so sánh và đưa ra các khuyến nghị Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh đề xuất hệ thống sử dụng mô hình Informer kết hợp kỹ thuật VAE để xử lý tín hiệu số kênh COC ở phía thu trong mô hình đã đề xuất nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống và rút ngắn thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống

Kết luận và hướng phát triển: Kết luận với các điểm đáng chú ý về toàn bộ

nội dung, các đóng góp khoa học của luận án cũng như hướng phát triển nghiên cứu trong thời gian tới

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN

1.1 Giới thiệu

Chương này cung cấp các kiến thức nền tảng, là cơ sở cho các đề xuất của luận án Mục 1.2 giới thiệu về định nghĩa và các tính chất quan trọng của hỗn loạn như phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện đầu, chuyển động không có nguyên tắc trong mặt phẳng pha và là một hệ thống xác định Mục này cũng trình bày về đồng bộ trong hệ thống thông tin dựa trên tín hiệu hỗn loạn và ứng dụng của hỗn loạn trong bảo mật Mục 1.3 giới thiệu về các dạng điều chế đa mức và vai trò của chúng được sử dụng trong các hệ thống thông tin trong các đề xuất ở các chương sau như điều chế 4-PAM, M-ary gồm QPSK, 16-QAM, 16-PSK và DP 16-QAM Mục 1.4 giới thiệu tổng quan về học sâu bao gồm bộ mã hóa tự động, kỹ thuật VAE và mô hình Informer cho xử lý tín hiệu trong hệ thống thông tin được đề xuất ở chương 3 của luận án nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống

Hiện tượng hỗn loạn đã được biết đến từ những năm cuối của thế kỷ 19 Poincaré là nhà khoa học đầu tiên đã quan sát và đưa ra thông báo quan trọng liên quan đến tình trạng hỗn loạn trong các hệ thống động phi tuyến Bản chất nhạy cảm của các hệ thống hỗn loạn thường được gọi là hiệu ứng cánh bướm - một hiện tượng được tìm thấy bởi Edward Lorenz [10-11] Hệ thống hỗn loạn thường biểu hiện sự phức tạp và không dự đoán trước được trong chuyển động

1.2.1 Định nghĩa và các tính chất hỗn loạn

Hỗn loạn là một hiện tượng được tìm thấy trong tự nhiên như thời tiết, khí hậu, và trong phòng thí nghiệm như mạch điện, laser, phản ứng hóa học, động học chất lỏng v.v Hành vi hỗn loạn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật điện, viễn thông, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y học Hỗn loạn thể hiện trạng thái hỗn độn và thiếu trật tự của các hiện tượng tự nhiên nhưng chúng lại tuân theo một quy luật hoặc nguyên tắc nhất định, và được biểu diễn bằng các phương trình hoặc hệ phương trình [41]

Ba đặc điểm chính của tín hiệu hỗn loạn là:

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

(i) Sự phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện đầu: chỉ một thay đổi nhỏ trong giá

trị đầu sẽ dẫn đến thay đổi rất lớn, không dự đoán được của quỹ đạo hoặc đường đi của tín hiệu hỗn loạn

Số mũ Lyapunov (LE - Lyapunov Exponent) là một đại lượng được sử dụng để đo lường mức độ nhạy cảm của một hệ động học đối với thay đổi trong điều kiện đầu [42-43] Khi hai giá trị đầu khác nhau rất nhỏ được áp dụng vào cùng một hệ hỗn loạn, các quỹ đạo mà chúng tạo ra sẽ tách biệt một cách nhanh chóng theo cấp số nhân theo thời gian LE là một công cụ được sử dụng để minh họa hiện tượng này [44] Nếu giả định rằng Xn1F X n là ánh xạ một chiều, LE có thể được mô tả bằng công thức sau:

 1

i

F Xn

ánh xạ F tại điểm ban đầu được chọn ngẫu nhiên trong mặt phẳng pha Nếu , nó cho thấy hệ thống có tính chất hỗn loạn vì các quỹ đạo gần nhau sẽ phân kỳ theo thời gian Nếu , hệ thống được coi là ổn định, các quỹ đạo gần nhau sẽ hội tụ Hệ thống là hỗn loạn khi có ít nhất một giá trị LE dương Ngoài ra, giá trị LE càng lớn, đặc điểm hỗn loạn càng rõ ràng hơn Hệ thống có x chiều sẽ có x giá trị LE Trong hệ thống ngẫu nhiên, LE dương cho thấy rằng các quỹ đạo gần nhau sẽ phân kỳ theo thời gian, tương tự như trong hệ thống hỗn loạn Tuy nhiên, sự phân kỳ này trong hệ thống ngẫu nhiên là do ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên chứ không phải do các đặc tính động học quyết định như trong hệ thống hỗn loạn

(ii) Chuyển động không có quy tắc trong mặt phẳng pha: Quỹ đạo di chuyển

của hệ thống trong mặt phẳng pha không đi vào bất kỳ điểm cố định hay quỹ đạo có chu kỳ nào trong suốt quá trình hoạt động Vận động bất thường trong hệ thống hỗn loạn được tạo ra do tính phi tuyến bên trong nó chứ không phải do nhiễu Sự vận động này luôn không thể dự đoán được

(iii) Hệ thống xác định: Trong quá trình ngẫu nhiên, sự biến đổi thường được

mô tả bằng các phân bố xác suất, trong khi hệ thống hỗn loạn thường không sử dụng phân bố xác suất để mô tả hành vi của hệ Đây là điểm khác nhau cơ bản giữa hệ thống hỗn loạn và hệ thống ngẫu nhiên Hành vi của hệ thống hỗn loạn hoàn toàn được xác định bởi điều kiện đầu và

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

các quy tắc biến đổi của hệ thống, trong khi hành vi của hệ thống ngẫu nhiên bị chi phối bởi các yếu tố ngẫu nhiên Sự khó dự đoán của hệ thống ngẫu nhiên đến từ tính ngẫu nhiên vốn có của hệ thống chứ không phải từ sự nhạy cảm với điều kiện đầu

Hệ hỗn loạn đầu tiên được tìm thấy bởi Lorenz năm 1963 Sau đó, nhiều hệ hỗn loạn khác cũng đã được tìm thấy như hệ Rössler [45], hệ Shimizu-Morioka [46], hệ Sprott [47], hệ Lü-Chen [48], hệ Hénon [49], hệ Newton-Leipnik [50], hệ Pehlivan-Moroz-Vaidyanathan [51], Logistic map [52] v.v

Việc phân loại hệ thống hỗn loạn có thể khác nhau, phụ thuộc vào tiêu chí phân loại

Theo số chiều, hệ hỗn loạn được phân loại thành [27]:

+ Hệ hỗn loạn một chiều: là hệ có một biến trạng thái, ví dụ như hệ Logistic map, Skew Tent, Tent, Chebyshev, Sine, Sawtooth

+ Hệ hỗn loạn hai chiều: là hệ có hai biến trạng thái, ví dụ như hệ Cat, Baker, Hénon, Lozi, Standard

+ Hệ hỗn loạn ba chiều: là hệ có ba biến trạng thái, ví dụ như mô hình cánh bướm của Lozen, hệ Rössler, Chen

Theo tính chất của tín hiệu, hệ hỗn loạn được phân loại thành:

+ Hệ hỗn loạn liên tục theo thời gian: là hệ thống mà trạng thái của nó biến đổi liên tục theo thời gian, các phương trình động học thường là phương trình vi phân:

   ,00

dxfxx txdt  ( 1.2) trong đó x t là biến trạng thái, có thể một hoặc nhiều chiều;   t0 và x0 lần lượt là thời điểm và giá trị đầu của hệ thống Biến trạng thái thường là các đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ thống đang nghiên cứu như áp suất, nhiệt độ, vị trí, vận tốc… Hệ hỗn loạn liên tục là hệ động học thể hiện hành vi phức tạp và không thể dự đoán theo thời gian, nhưng nhược điểm là yêu cầu hiệu suất tính toán cao hơn và mô hình toán học phức tạp hơn so với hệ hỗn loạn rời rạc, nhiều khi cần phải rời rạc hóa để phù hợp với các ứng dụng thực tế [27], ví dụ như hệ Lorenz, Rössler, Chua, Lü-Chen, Sprott…

+ Hệ hỗn loạn rời rạc theo thời gian: là hệ thống mà trạng thái của nó biến đổi rời rạc theo thời gian và phương trình động học của nó thường là một phương trình hồi quy:

  1  0

nn

x n  f x   fx (1.3)

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn trong đó x0 là giá trị đầu, xn là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều của hệ thống ở

tin, mã hóa ảnh… Ưu điểm của hệ hỗn loạn rời rạc là mô hình toán học tương đối đơn giản, dễ triển khai và tính toán; tuy nhiên, nhược điểm là phạm vi tham số thường không đủ lớn và việc chọn sai tham số có thể làm cho các đặc tính động của

Arnold Cat map… Xét hệ động học Lorenz liên tục ba chiều được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân sau [10]:

dxa yxdt

dyx bzydt

dzxyczdt





Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

Hình 1.1 Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ hỗn loạn Lorenz

Hình 1.1 (a), (b) và (c) hiển thị kết quả mô phỏng sử dụng Matlab sự biến đổi của các biến trạng thái theo thời gian của hệ thống Lorenz với bộ tham số như trên, trục hoành là thời gian thực hiện mô phỏng, tính theo giây (s) Tính vận động không có chu kỳ của hệ thống có thể nhận thấy thông qua sự biến đổi có biên độ không dự đoán được của các biến trạng thái theo thời gian Quỹ đạo di chuyển theo thời gian của các biến trong không gian pha được gọi là vùng hút (attractor) Hình 1.2 (a), (b), (c) và (d) lần lượt chỉ ra kết quả mô phỏng vùng hút của hệ thống Lorenz với bộ tham số trên trong không gian pha ( ) và các mặt phẳng pha ( ) ( ) ( ) Hình 1.2 cho thấy hệ thống vận động không có chu kỳ Khi thời gian vận động tiến tới vô cùng, đường biễu diễn trong không gian pha không đi vào bất kỳ điểm cố định nào Một đặc điểm nữa là quỹ đạo này luôn nằm trong một miền giới hạn xác định của không gian pha và không bao giờ di chuyển ra khỏi vùng này

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

Hình 1.2 Quỹ đạo pha của hệ hỗn loạn Lorenz

Hệ Lorenz mặc dù vận động không có chu kỳ nhưng nó không phải là quá trình ngẫu nhiên, nó có thể được xác định hoàn toàn nếu biết các thông số và điều kiện ban đầu [53]

Xét hệ động học Logistic map rời rạc một chiều được định nghĩa như sau [52]:

Hình 1.3biểu diễn đầu ra của hệ hỗn loạn Logistic map với r3,9 và các điều kiện đầu sai khác 0,000001 Có thể nhận thấy trong 20 bước tính đầu, đầu ra của hệ giống nhau, nhưng khi số bước tính tăng lên, sự sai khác trong quỹ đạo càng gia tăng Điều này có nghĩa là hệ phụ thuộc rất nhạy cảm vào điều kiện đầu, đường di chuyển xuất phát từ các điều kiện đầu khác nhau rất nhỏ (gần như bằng 0) sẽ phân tách rất nhanh, tạo ra các quỹ đạo hoàn toàn khác nhau

Hình 1.3 Chuỗi hỗn loạn Logistic map với hai điều kiện đầu sai khác Δx = 0,000001

Frederick H và cộng sự [54] đã mở rộng không gian của bản đồ Logistic thành hỗn loạn không gian-thời gian bằng cách phân tích xác suất các điểm trong không

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

gian pha của hệ thống di chuyển ra khỏi một khu vực cụ thể để tiến gần tới vô cực kết hợp phân tích phổ Lyapunov, và thấy rằng các vùng hút chính của bản đồ Logistic không gian là ổn định Bản đồ Logistic không gian được sử dụng để chứng minh rằng khi thay đổi mức độ tương tác giữa các điểm trong hệ thống bằng cách điều chỉnh phạm vi kết nối, tức là cách các điểm liên kết với nhau, thông qua việc chuẩn hóa lại, có thể quan sát được sự thay đổi tuyến tính của chu kỳ không gian, hay bước sóng Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách mà hệ thống phản ứng khi môi trường của nó thay đổi

N K Pareek và V Patidar [35] đề xuất một phương pháp mã hóa hình ảnh dựa trên các bản đồ Logistic Các tác giả sử dụng hai bản đồ Logistic trong thuật toán đó Bản đồ đầu tiên được sử dụng để tạo ra các số từ 1 đến 24 dùng làm điều kiện đầu cho bản đồ Logistic thứ hai Một khóa bí mật ngoại vi 80 bit và tám phép toán khác nhau được sử dụng để mã hóa các pixel của một hình ảnh, và thao tác nào được sử dụng cho một pixel cụ thể được quyết định bởi kết quả của bản đồ Logistic Ngoài ra, lý thuyết hỗn loạn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng nơ-ron nhân tạo [55], bộ tạo dao động [56], rô-bốt [57], bảo mật [58-59]

1.2.2 Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin

Đồng bộ có thể xảy ra khi ghép hai hoặc nhiều dao động hỗn loạn hoặc khi một dao động hỗn loạn dẫn động một dao động hỗn loạn khác Nếu hệ hỗn loạn (A) được gọi là hệ thống chủ động, và hệ hỗn loạn được điều khiển (B) được gọi là hệ thống thụ động thì đồng bộ hoàn toàn là kiểm soát đầu ra của hệ thống thụ động (B) sao cho nó theo sát đầu ra của hệ thống chủ động (A) một cách tiệm cận [60-61]

Một nghiên cứu được khởi xướng bởi Pecora và Carroll năm 1990 đã chứng minh rằng hai hệ thống hỗn loạn có cùng một tập các giá trị tham số có thể đồng bộ với nhau [12] Kết quả này có ý nghĩa quan trọng đối với việc thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn vào công nghệ thông tin Do sự nhạy cảm với điều kiện đầu của hệ thống hỗn loạn nên hai hệ thống sẽ không thể giống nhau hoàn toàn, sự hội tụ của chúng cũng sẽ hiếm khi xảy ra

Ngoài Pecora và Carroll, nhiều phương pháp đồng bộ hóa đã được đề xuất như năm 1989, Aranson và Rul’kov đã công bố một bài báo phân tích các vùng đồng bộ hóa trong các hệ thống động học đa chiều [62]; Volkovskii và Rul’kov năm 1989 công bố nghiên cứu sự phân nhánh dẫn đến khóa nhiễu trong các hệ thống dao động tự ghép nối, gồm hai hoặc nhiều hệ thống dao động riêng lẻ được kết nối với nhau [63]; V S Afraimovich và các cộng sự đã công bố một bài báo nổi tiếng vào năm 1986 về sự đồng bộ tương hỗ của hai dao động thời gian không tự chủ, hỗn loạn

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn [64] Hai hệ thống ảnh hưởng lẫn nhau để đạt được trạng thái đồng bộ v.v Cho đến nay, đồng bộ hóa hỗn loạn đã được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như điều khiển [65], vật lý [66], sinh học [67]

Có hai phương pháp đồng bộ chính:

 Đồng bộ điều khiển phản hồi trạng thái: điển hình là mô hình Peroca – Carroll [12] Ý tưởng cơ bản là một hệ thống hỗn loạn tự đồng bộ nếu nó có thể phân tách thành các hệ thống con ổn định Các hệ thống con đồng bộ khi được kết nối với tín hiệu điều khiển chung, đồng bộ xảy ra nếu tất cả các số mũ Lyapunov của các hệ thống con đều âm

được bằng cách tác động tín hiệu điều khiển tại các điểm thời gian cụ thể Những tác động này được thực hiện một cách có chủ đích để điều chỉnh quỹ đạo của các hệ thống hỗn loạn sao cho chúng đồng bộ với nhau Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh chính xác tại các khoảng thời gian rời rạc để duy trì sự đồng bộ

Các tham số phổ biến nhất để đánh giá chất lượng đồng bộ của một hệ hỗn loạn là lỗi đồng bộ  và hệ số tương quan chéo  Lỗi đồng bộ là thước đo độ lệch giữa các tín hiệu đầu ra của bộ phát và bộ thu trong hệ thống đồng bộ hóa, được xác định theo công thức [70-71]:

    

x ty tx t

   ( 1 6) trong đó x t  và y t lần lượt là biên độ sóng đầu ra của bộ phát và bộ thu; 〈 〉 biểu thị giá trị trung bình theo thời gian Trong hệ thống thông tin quang, lỗi đồng bộ còn có thể được xác định theo công thức [72-73]:

   

t

P tP tP t

   ( 1 7) trong đó P tt  và P tr  tương ứng là công suất quang đầu ra của bộ phát và bộ thu Lỗi đồng bộ được xác định ở trên là một phép đo chất lượng đồng bộ của hệ thống, giá trị  nhỏ nghĩa là lỗi đồng bộ thấp, tức là chất lượng đồng bộ cao Trong hệ thống thông tin hỗn loạn, lỗi đồng bộ chủ yếu do nhiễu gây ra, bao gồm nhiễu kênh, nhiễu của bộ phát và bộ thu, và do quá trình mã hóa thông tin

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn Hệ số tương quan chéo là thước đo mức độ tương quan giữa các tín hiệu đầu ra của bộ phát và bộ thu trong hệ thống đồng bộ hóa Hệ số tương quan chéo được xác định theo công thức:

       2    2

x tx ty ty tx tx ty ty t

       2    2

P tP tP tP tP tP tP tP t

Tín hiệu hỗn loạn sử dụng trong luận án này là Logistic map, là tín hiệu rời rạc một chiều được định nghĩa như công thức (1.5) Mặc dù đơn giản nhưng Logistic map mang đầy đủ các đặc điểm đặc trưng của một hệ hỗn loạn, từ điểm ổn định, tính xác định, điểm phân nhánh của các chu kỳ ổn định đến các biến động giả ngẫu nhiên

Giả sử hệ thống điều khiển (ở bộ phát) và hệ thống phản hồi (ở bộ thu) của phương pháp phản hồi trạng thái có nhiễu chung Mục đích là đồng bộ tín hiệu hỗn loạn Logistic map ( ) ở phía phát và bản sao của nó

lặp, , tham số điều khiển của hàm hỗn loạn được chọn bằng 4 Hàm phản hồi có tính chất phi tuyến, được sử dụng để điều chỉnh hành vi của hệ thống phản hồi Hàm phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của cả hệ thống điều khiển và hệ thống phản hồi Mục tiêu của hệ thống là phải chọn được hàm sao cho với điều

   Trong phương pháp phản hồi trạng thái, việc lựa chọn hàm không phải là duy nhất, có nhiều hàm khác nhau có thể được sử dụng để đạt được đồng bộ hóa Việc

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn lựa chọn phụ thuộc vào một số yếu tố như hệ thống cụ thể đang được đồng bộ hóa, các thuộc tính đồng bộ hóa mong muốn và đặc điểm nhiễu của môi trường

K Pyragas [76] đưa ra hai cách lựa chọn hàm phản hồi Cách thứ nhất là sử dụng hàm phản hồi kết hợp tín hiệu tham chiếu từ một dao động tử bên ngoài:

( ) ( ) ( ) (1 10)

trong đó và là các tham số kiểm soát độ mạnh của các tín hiệu phản hồi; là tín hiệu tham chiếu từ một dao động tử bên ngoài Hàm phản hồi này có tác dụng điều khiển hệ thống tới quỹ đạo tuần hoàn mong muốn và giảm thiểu tác động của nhiễu Cách thứ hai là sử dụng hàm phản hồi tự kiểm soát trễ Hàm phản hồi được xác định theo công thức:

( ) ( ) (1 11) trong đó là tham số kiểm soát độ mạnh của tín hiệu phản hồi; là thời gian trễ Hàm phản hồi này có tác dụng điều khiển hệ thống tới quỹ đạo tuần hoàn mong muốn bằng cách sử dụng thông tin về trạng thái của hệ thống ở bước thời gian trước đó

Trong cả hai cách này, việc lựa chọn các tham số và rất quan trọng để đạt được đồng bộ hóa Giá trị của các tham số này cần được chọn sao cho các hàm phản hồi đủ mạnh để điều khiển hệ thống tới quỹ đạo tuần hoàn mong muốn nhưng không quá mạnh đến mức khiến hệ thống trở nên không ổn định

Ngoài ra, còn nhiều lựa chọn khác cho hàm phản hồi M.K Ali [77] lựa chọn

mô phỏng số thấy rằng, với hai sự lựa chọn này thì tính chất đồng bộ không thay đổi khi hệ thống điều khiển và hệ thống phản hồi có nhiễu chung Ömer Morgül

bất kỳ thỏa mãn điều kiện Không có lựa chọn "tốt nhất" duy nhất cho tất cả các hệ thống hỗn loạn và tất cả các môi trường nhiễu, cần phải thử nghiệm với các hàm khác nhau để tìm ra hàm

bộ Tín hiệu phản hồi mạnh hơn thường làm quá trình đồng bộ nhanh hơn, nhưng nó cũng có thể khiến hệ thống nhạy cảm hơn dưới tác động của nhiễu

1.2.3 Hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn

Trong những năm gần đây, việc sử dụng các kỹ thuật hỗn loạn để tăng tính bảo mật cho hệ thống truyền tin đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Với yêu cầu BER rất thấp, hiệu quả băng thông cao và truyền tin an toàn thì rất khó thực hiện đối với các hệ thống thông tin truyền thống Từ khi Carroll and

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn Pecora chứng minh được rằng có thể đồng bộ hai hệ thống hỗn loạn thì hầu hết các hệ thống thông tin dựa trên hỗn loạn (gọi tắt là hệ thống hỗn loạn) đều sử dụng kỹ thuật đồng bộ hỗn loạn Sau khi đồng bộ, bản tin gốc có thể được khôi phục theo nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào phương thức và thuật toán điều chế Thông tin bảo mật dựa trên hỗn loạn có thể được chia làm bốn hướng chính [1] là (i) mặt nạ hỗn loạn (Chaotic masking) (Lj Kocarev và các cộng sự, 1992) [38], (ii) khóa dịch hỗn loạn (CSK –Chaos Shift Keing) (H Dedieu và các cộng sự, 1993) [79], iii) điều chế hỗn loạn (Géza Kolum và các cộng sự, 1998 [80]; A R Volkovskii và các cộng sự, 2005, [20]), (iv) phương pháp đảo ngược hệ thống (Feldmanne và các cộng sự, 1996) [81] Nhiều công bố đã chứng minh rằng tín hiệu hỗn loạn sẽ làm tăng tính bảo mật cho hệ thống truyền tin [27,82]

Các hệ thống cung cấp bảo mật thông tin và truyền thông an toàn đòi hỏi các đặc điểm như tính chất ngẫu nhiên nội bộ và sự phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện đầu, cả hai đặc điểm này đều dễ dàng đạt được bởi các hệ thống hỗn loạn Mạch hỗn loạn và ứng dụng của chúng trong truyền thông an toàn đã nhận được sự chú ý lớn từ sau công bố về phương pháp đồng bộ hỗn loạn của Pecora và Carroll vào năm 1990 Kể từ đó, các nghiên cứu trong lĩnh vực sử dụng tín hiệu hỗn loạn trong truyền thông sợi quang đã tăng mạnh

Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã công bố các kết quả lý thuyết và thực nghiệm, chủ yếu liên quan đến đồng bộ hóa của các hệ động học quang phi tuyến, đặc biệt là các hệ thống dùng diode laser Cho đến gần đây, tính ứng dụng của các hệ thống thông tin quang hỗn loạn đã được chứng minh thông qua việc điều chế và khôi phục dữ liệu lên đến vài Pb/s [30] Những công trình này cung cấp các phương pháp sử dụng hỗn loạn phù hợp cho việc điều chế dữ liệu với tốc độ bit cao, nhưng không phải là một giải pháp tích hợp và chi phí thấp Khả năng triển khai thực tế của mạng với các tính năng bảo mật nâng cao dựa trên điều chế hỗn loạn có quan hệ chặt chẽ với sự có sẵn của các thành phần tích hợp quang điện tử hoặc photon Đây cũng chính là xu hướng thiết kế trong thời gian tới để có thể sản xuất ra các thành phần phù hợp cho các hệ thống thông tin hỗn loạn hiệu quả và an toàn, từ đó cho phép thu nhỏ và giảm chi phí [72]

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

Hình 1.4 Hệ thống thông tin quang dựa trên điều chế hỗn loạn

Nguyên lý hoạt động của các hệ thống COC được mô tả như Hình 1.4 [72] Trong hệ thống CFOC, bộ dao động quang, thường là một diode laser để tạo ra tín hiệu quang có hiệu suất cao và tiêu hao năng lượng thấp Dựa vào đó, thông tin sẽ được điều chế bằng một trong nhiều phương pháp khác nhau Ngược lại, trong hệ thống COC, bộ phát bao gồm bộ dao động hoạt động trong trạng thái hỗn loạn, ví dụ như bằng cách áp dụng phản hồi quang học bên ngoài Nhờ vậy có thể tạo ra một tín hiệu mang quang có phổ rất rộng (thường là hàng chục GHz), phụ thuộc vào phương thức truyền dẫn

Các hệ thống CFOC truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác bằng cách chuyển đổi chuỗi bit thành các ký hiệu, và chuyển đổi các ký hiệu thành hàm mẫu Các hàm mẫu đi qua kênh là tổng trọng số của các sóng hình sin Trong các hệ thống COC, các hàm mẫu là các đoạn của các dạng sóng hỗn loạn Hàm này cho một ký hiệu cụ thể là không tuần hoàn và khác nhau giữa các ký hiệu, thể hiện sự khác biệt giữa tín hiệu mang hỗn loạn và tín hiệu mang chu kỳ truyền thống Như vậy, tín hiệu gốc sau khi điều chế hỗn loạn sẽ được đưa lên kênh truyền sợi quang Trên đường truyền có thể đặt các bộ bù tán sắc và bù suy hao ở các khoảng cách phù hợp để không bị mất mát dữ liệu Khi đến bộ thu, tín hiệu nhận được sẽ trừ đi tín hiệu hỗn loạn đã đồng bộ với bên phía phát để nhận được dữ liệu gốc ban đầu Như vậy, độ chính xác của dữ liệu khôi phục phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng đồng bộ của tín hiệu hỗn loạn

Trong các phương pháp điều chế sóng mang truyền thống, nếu sử dụng tín hiệu mang hình sin ( ) ( ), trong đó là biên độ và là tần số của sóng mang (tần số trung gian), thì khi điều chế tín hiệu lên sóng mang, năng lượng của tín hiệu tập trung xung quanh tần số trung gian Do đó, công suất truyền tín hiệu tập trung trong băng tần hẹp xung quanh tần số này Vì mật độ phổ công suất truyền tín

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

hiệu cao nên khả năng bị chặn trong băng tần hẹp là cao và gây ảnh hưởng lớn đến các kênh truyền khác Nếu sử dụng truyền thông phổ rộng, sử dụng các chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên sẽ khắc phục được các vấn đề này Nhược điểm của các chuỗi này là không thể đạt được đồng bộ hóa trong điều kiện truyền sóng kém Ngoài ra, các chuỗi giả ngẫu nhiên này yêu cầu mạch bổ sung trong quá trình trải phổ và giải trải phổ Những khó khăn này được giải quyết bằng cách sử dụng tín hiệu hỗn loạn có đặc điểm là tín hiệu dải rộng và có thể được tạo ra bằng mạch đơn giản [80,83]

Những ý tưởng này đã được áp dụng vào một số hệ thống nổi tiếng (ví dụ như hệ Lorenz và ̈ ) và xác định tập tham số cho mạch đồng bộ hỗn loạn

số cho truyền thông an toàn, sử dụng một bộ lọc số phi tuyến với độ chính xác hữu hạn (8 bit) kết hợp với bộ lọc nghịch để thực hiện điều chế và giải điều chế tương ứng Jaijin L và Douglas W [85] đã nghiên cứu một phương pháp truyền thông an toàn sử dụng hệ thống hỗn loạn với phương pháp giảm nhiễu để giảm thiểu lỗi động học Ưu điểm của hệ thống này là không đòi hỏi đồng bộ hóa giữa phía phát và phía thu, ổn định đối với tạp âm do kênh gây ra

Apostolos Argyris và các cộng sự [86] đã thực hiện truyền xa ở tốc độ cao dựa trên đồng bộ hóa hỗn loạn qua một kênh quang sợi thương mại Sóng mang quang được tạo ra bởi một laser hỗn loạn được sử dụng để mã hóa bản tin và truyền qua 120 km sợi quang trong mạng khu vực đô thị của Athens, Hy Lạp Bản tin được giải mã bằng cách sử dụng một laser thích hợp ở phía thu, đồng bộ hóa với sóng mang quang hỗn loạn để cho phép phân tách sóng mang và bản tin gốc, thực hiện truyền dữ liệu ở tốc độ cỡ Gb/s với BER dưới Hệ thống này sử dụng các cặp laser bán dẫn kết hợp, đóng vai trò như các bộ phát và thu hỗn loạn Kết quả cho thấy thông tin có thể được truyền với tốc độ bit cao bằng cách sử dụng hỗn loạn dưới ảnh hưởng của các biến động và nhiễu kênh, là điều không thể tránh khỏi ở điều kiện thực tế

Longsheng Wang [87] đề xuất hệ thống truyền tin qua sợi quang với tốc độ 10 Gb/s sử dụng bộ điều chế quang – điện, sử dụng bù tán sắc và bù suy hao sợi quang

định cứng (HD-FEC) nên việc giải mã trực tiếp của các cuộc đột nhập bất hợp pháp sẽ gặp khó khăn

Farhan Qamar và các cộng sự [88] đề xuất hệ thống quang sử dụng các dạng điều chế khác nhau là 4-QAM, ACM và CSK truyền với tốc độ lên đến 10 Gb/s trên độ dài đường truyền lên đến 80 km Kết quả cho thấy sử dụng điều chế 4-QAM sẽ cho kết quả tốt nhất, hệ thống có tốc độ cao và bảo mật thông tin

Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

JI Xingping và các cộng sự [89] đề xuất hệ thống ROF với việc ức chế các bên lẻ dựa trên bộ điều chế MZM (Mach-Zehnder Modulator)) Hệ thống sử dụng điều chế 8-PSK và 16-PSK cho tín hiệu có các tần số RF khác nhau, khoảng cách truyền 20 km cho sợi đơn mode Kết quả cho thấy so với tín hiệu 16PSK, tín hiệu 8PSK giảm tần số của tín hiệu điều chế, tiết kiệm tài nguyên phổ hơn, tăng dung lượng của tín hiệu truyền thông và độ ổn định

Các công bố trên cho thấy tính ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn Qua kết quả thực nghiệm, nhiều công bố đã đề xuất hệ thống không thực hiện đồng bộ hỗn loạn mà đồng thời truyền đi tín hiệu hỗn loạn và bản tin được điều chế hỗn loạn Tại phía thu, do đã có tín hiệu hỗn loạn nên chỉ cần giải điều chế hỗn loạn thì sẽ nhận được bản tin gốc Hệ thống này trong thực tế gặp một số vấn đề như yêu cầu công suất bản tin phải đủ lớn để tỉ số SNR lớn, và điều này không dễ thực hiện Nếu bản tin được điều chế hỗn loạn có công suất rất thấp sẽ làm giảm tỉ số SNR, và làm giảm chất lượng của hệ thống Vậy nên cần phải chọn được kỹ thuật điều chế phù hợp để đảm bảo chất lượng của hệ thống Đây cũng là mục tiêu nghiên cứu của luận án

Các ưu điểm chính [72] của các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn là:

 Tốc độ cao Ánh sáng có băng thông rộng hơn nhiều so với các tín hiệu điện

truyền thống, cho phép truyền tải lượng thông tin lớn hơn trong cùng một khoảng thời gian Điều này tạo tiềm năng cho tốc độ bit cao trong các hệ thống thông tin quang

 Tăng cường tính bảo mật Có hai lựa chọn để có được thông tin được điều

chế bằng hỗn loạn: i) Tái tạo lại vùng hút trong không gian pha bằng cách sử dụng các điểm tương quan mạnh được lấy mẫu mật độ cao theo thời gian Điều này giúp tái tạo dạng hình học của hệ hỗn loạn trong không gian đa chiều, được gọi là không gian pha, bằng cách phân tích một lượng lớn các điểm dữ liệu liên quan chặt chẽ với nhau và được thu thập ở các khoảng thời gian đều nhau Trong trường hợp này, số lượng mẫu cần thiết tăng lên theo cấp số nhân với chiều của hỗn loạn Xét đến chiều vùng hút của các tín hiệu mang quang hỗn loạn được tạo ra (phương pháp quang điện), và xét đến đặc điểm của các thiết bị điện tử hiện nay (tối đa 40 G mẫu/s và băng thông 15 GHz), giải pháp này dường như là không thể

ii) Xác định khóa để tái tạo chuỗi thời gian hỗn loạn Trong trường hợp điều chế hỗn loạn, khóa là phần cứng được sử dụng và tất cả các tham số hoạt động

Các dạng điều chế đa mức trong thông tin

 Tính tương thích với cơ sở hạ tầng mạng đã được cài đặt Khác với phương

pháp mật mã lượng tử, các hệ thống điều chế hỗn loạn đều có thể áp dụng trên cơ sở hạ tầng mạng quang đã được cài đặt Với việc bù hoàn toàn các ảnh hưởng của truyền dẫn sợi quang, quá trình giải điều chế sẽ dễ dàng thực hiện theo phương pháp đã trình bày ở trên

1.3 Các dạng điều chế đa mức trong thông tin

Điều chế là quá trình đưa thông tin dưới dạng tín hiệu thấp tần tác động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một tham số nào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo thông tin Trong trường hợp này, thông tin được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang thông tin được gọi là dao động cao tần đã điều chế Sóng được điều chế nhằm hai mục đích:

i) Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc

ii) Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường

Điều chế không làm ảnh hưởng quá trình đồng bộ nhưng bản tin được điều chế luôn ngoài mong muốn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống được đồng bộ

1.3.1 Vai trò của điều chế đa mức trong các hệ thống thông tin

Điều chế đa mức là các phương pháp điều chế tín hiệu mà mỗi ký hiệu có thể mang nhiều bit thông tin Điều này có nghĩa là có thể truyền nhiều thông tin hơn trong cùng một khoảng thời gian, giúp tăng tốc độ truyền dẫn Như vậy, điều chế đa mức giúp tăng hiệu suất truyền dẫn Các phương pháp này bao gồm việc biến đổi biên độ, tần số, pha của tín hiệu hoặc sử dụng nhiều tín hiệu con chồng lên nhau tại các tần số khác nhau Mỗi loại điều chế có những ưu điểm khác nhau Ví dụ như QAM có hiệu suất phổ cao hơn so với PAM, nghĩa là có thể truyền nhiều thông tin hơn trên cùng một băng tần Tuy nhiên, QAM nhạy cảm hơn với nhiễu và yêu cầu môi trường truyền dẫn có chất lượng cao, trong khi PAM ít nhạy cảm hơn với nhiễu pha

Các dạng điều chế đa mức [90-91] giới thiệu trong mục này bao gồm điều chế biên độ xung (PAM - Pulse Amplitute Modulation), khóa dịch pha nhị phân (BPSK - Binary Phase Shift Keying), khóa dịch pha cầu phương (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying), điều chế biên độ cầu phương (QAM - Quadrature Amplitude Modulation) cũng như các biến thể của chúng như 16-QAM, khóa dịch pha cầu

Các dạng điều chế đa mức trong thông tin phương phân cực kép (DP-QPSK - Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying) Các phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hiện đại để tối ưu hóa việc sử dụng tần số và tăng cường hiệu suất truyền dẫn

1.3.2 Các dạng điều chế đa mức

1.3.2.1 Điều chế biên độ xung

Điều chế biên độ xung (PAM) là kỹ thuật điều chế mà biên độ của các xung thay đổi theo giá trị của tín hiệu thông tin Mỗi xung đại diện cho một mức biên độ khác nhau, tương ứng với giá trị tức thời của tín hiệu gốc

Có hai cách điều chế biên độ xung:

i) Lấy mẫu tự nhiên: Sử dụng một chuyển mạch để chuyển tín hiệu từ tương tự

thành rời rạc, tạo ra một dãy xung rời rạc tuần hoàn có độ rộng bằng nhau, biên độ xung bằng giá trị của tín hiệu tương tự

ii) Lấy mẫu bằng: Sử dụng một bộ lấy mẫu và giữ mẫu, tín hiệu tương tự sẽ

chuyển thành dãy xung rời rạc tuần hoàn có độ rộng bằng nhau, biên độ xung bằng giá trị của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu và giữ nguyên như vậy trong suốt khoảng thời gian bằng với độ rộng của xung lấy mẫu

Nếu tần số lấy mẫu không thỏa mãn định lý lấy mẫu Shannon sẽ xảy ra hiện tượng chồng phổ hay mập mờ phổ, làm giảm chất lượng tín hiệu, tăng BER

Hình 1.5 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4-PAM

Hình 1.5 (a) là sơ đồ điều chế của bộ 4-PAM, nghĩa là sẽ truyền hai bit trong

hóa, theo giá trị của ký hiệu Mỗi khoảng độ rộng bit Tb, hai bit mới được đưa đến đầu vào, tạo ra chuỗi bit tuần tự Bộ DEMUX có tác dụng chuyển đổi chuỗi bit tuần tự sang dạng song song, lấy log2M log 42 2 bit này trong mỗi độ rộng ký hiệu