tóm tắt: Nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn

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

Nguyễn Hữu Long

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 số: 9520203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN XUÂN QUYỀN

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Ngọc Mỹ

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Cảnh Minh

Phản biện 3: PGS.TS Phạm Thanh Hiệp

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Truyền thông sử dụng hỗn loạn

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 v.v Ưu điểm của các phương pháp này bao gồm: (i) Cung cấp một cơ chế đáng tin cậy để bảo vệ dữ liệu khỏi việc truy nhập trái phép từ bên ngoài; (ii) Linh hoạt để điều chỉnh cấp độ bảo mật theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng và môi trường; (iii) Tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao mà không làm giảm đi tốc độ xử lý dữ liệu quá nhiều Tuy nhiên, nhược điểm và thách thức khi ứng dụng các phương pháp bảo mật này là: (i) đòi hỏi nhiều tài nguyên; (ii) Tốn kém về tài chính và nhân lực; (iii) có thể bị tấn công bởi thuật toán vét cạn nhờ sự trợ giúp của các siêu máy tính

Công bố đầu tiên của Lorenz năm 1963 về hỗn loạn với “hiệu ứng cánh bướm” đã đặt nền móng cho việc sử dụng hỗn loạn trong các hệ thống truyền tin Việc sử dụng các hệ thống truyền thông hỗn loạn trong nhiều lĩnh vực khác nhau thể hiện tính đa dạng và hiệu quả của chúng trong việc giải quyết các thách thức Trong truyền thông không dây, các kỹ thuật điều chế hỗn loạn

là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các tác động từ kênh truyền và chống lại các cuộc tấn công trái phép, bảo vệ tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu Những năm gần đây, lý thuyết hỗn loạn đã được sử dụng trong các hệ thống truyền thông qua sợi quang, tận dụng các tính chất đặc biệt của sợi quang để đạt được việc truyền dữ liệu tốc độ cao và khoảng cách lớn

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 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 trong miền điện, đơn giản trong thiết kế mà vẫn đảm bảo được hiệu quả của nó đối với hệ thống 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

Ý nghĩa bảo mật của hệ thống hỗn loạn và các phương pháp đồng bộ hỗn loạn đã được đề xuất và chứng minh qua nhiều công bố ở trên Nội dung mà luận án hướng tới nằm trong hướng nghiên cứu (iii), cụ thể là sơ đồ kiến trúc thu phát của các truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF - Radio over Fiber) hoặc truyền dẫn 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 Các hệ thống này hoàn toàn có thể đưa ra áp dụng vì điều chế điện và hàm Logistic map có thể thực hiện được bằng mạch điện tử ở băng cơ sở, sau đó điều chế sang miền quang và truyền qua sợi quang

Động lực và mục tiêu 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 Điều này 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, ASK, 16QAM, 4-PAM

Quá trình này 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 Cơ chế tạo mặt nạ hỗn loạn được thực hiện bằng cách cộng hoặc nhân chuỗi bit mang thông tin với chuỗi hỗn loạn Logistic được tạo ra từ các hàm hỗn loạn Tín hiệu đã được tạo mặt nạ hỗn loạn được đưa đến các máy phát laser bán dẫn để chuyển đổi điện-quang theo cơ chế điều chế quang theo biên độ và tách sóng trực tiếp rồi truyền qua sợi quang Ở phía thu, sử dụng các bộ tách sóng quang

để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, quá trình được thực hiện theo trật tự ngược lại Phương pháp như vậy sẽ dễ dàng thực hiện ở các cơ cấu mạch điện tử mà không 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 trong các hướng tiếp cận nghiên cứu gần đây Hệ thống đề xuất được đánh giá chất lượng qua hệ số BER theo các tham số của hệ thống

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án có hai mục tiêu nghiên cứu lớn như sau:

(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

(ii) Đề xuất các hệ thống thông tin số toàn 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 Hệ số 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 thông qua kỹ thuật VAE và Informer trong mô hình học sâu để nâng cao chất lượng tín hiệu được tái tạo cũng được đề xuất

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 Nền tảng về lý thuyết hỗn loạn và ứng dụng được trình bày trong Chương 1 Các nội dung được đề xuất và thực hiện trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện toàn bộ đóng góp khoa học của luận án

Chương 1 Tổng quan về thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn: Trình bày đặc điểm và các tính chất quan trọng của hỗn

loạn Cấu trúc của một hệ thống thông tin quang hỗn loạn, các dạng điều chế

số đa mức sẽ được tổng hợp Cuối cùng là các kỹ thuật trong mô hình học sâu

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 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, 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 Bên cạnh đó, hệ thống sử dụng mô hình Informer kết hợp kỹ thuật VAE để xử lý tín hiệu số kênh hỗn loạn ở phía thu nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống và rút ngắn thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống cũng được đề xuất

DP-Kết luận và hướng phát triển: DP-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 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC

DỰA TRÊN HỖN LOẠN 1.1 Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn

1.1.1 Định nghĩa và các tính chất hỗn loạn

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 nào đó, và được biểu diễn bằng các phương trình hoặc hệ phương trình Chúng có đặc

điểm chính là (i) phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện ban đầu, (ii) chuyển động không có quy tắc trong mặt phẳng pha và (iii) là hệ thống xác định Nếu căn

cứ vào số biến trạng thái, hệ hỗn loạn có thể phân loại thành hệ một chiều, hai chiều, ba chiều Nếu căn cứ vào tính chất của trạng thái, hệ hỗn loạn có thể phân loại thành hệ liên tục hoặc hệ rời rạc

Hệ động học Logistic map rời rạc một chiều có luật truy hồi:

Hình 1.1 Hệ Logistic map với điều kiện đầu sai khác 0.000001

1.1.2 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 lái 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 một cách tiệm cận 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 được đồng bộ với nhau Ngoài Pecora và Carroll, nhiều phương pháp đồng

bộ hóa đã được đề xuất Chất lượng của quá trình đồng bộ có thể được đánh giá qua lỗi đồng bộ hoặc hệ số tương quan chéo

1.1.3 Hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn

Nguyên lý hoạt động của các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn được mô tả như Hình 1.2 Hệ thống thường sử dụng laser bán dẫn để phát tín hiệu hỗn loạn Dữ liệu được truyền 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, 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 Ưu điểm chính của các

hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn là tốc độ cao, tăng cường tính bảo mật và tương thích với cơ sở hạ tầng mạng đã được cài đặt

Hình 1.2 Hệ thống thông tin quang dựa trên mã hóa hỗn loạn

1.2 Các dạng điều chế đa mức trong thông tin

Điều chế là đem thông tin dưới dạng tín hiệu thấp tần tác động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo thông tin Sóng được điều chế nhằm hai mục đích là (i) thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc và (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

Các dạng điều chế đa mức tiên tiến là các phương pháp điều chế tín hiệu

mà không chỉ truyền một bit thông tin trong mỗi ký hiệu của tín hiệu, thay vào

đó, mỗi ký hiệu có thể mang nhiều bit thông tin Các phương pháp điều chế

đa mức trình bày trong luận án là PAM, BPSK, QPSK, DPSK, ASK, QAM

1.3 Các giải thuật và mô hình trí tuệ nhân tạo cho xử lý tín hiệu

trong các hệ thống thông tin

Hiện nay, trong học sâu, vấn đề dữ liệu có vai trò rất quan trọng, do đó cần dùng kỹ thuật tăng cường và nội suy dữ liệu để phục vụ cho các ứng dụng

có ít dữ liệu

1.3.1 Kỹ thuật VAE cho xử lý tín hiệu

VAE giúp tự động lựa chọn đặc trưng một cách chính xác thông qua quá trình học không giám sát VAE là một công cụ trong lĩnh vực học máy được

sử dụng để khôi phục thông tin từ một tín hiệu đã bị mất hoặc hỏng bằng cách biến đổi tín hiệu đầu vào thành một đặc trưng phù hợp cho việc tái tạo VAE bao gồm hai thành phần chính là bộ mã hóa và bộ giải mã Bộ mã hóa nhận tín hiệu đầu vào và ánh xạ nó vào một không gian ẩn có số chiều thấp hơn Bộ giải mã nhận các vector trong không gian ẩn và cố gắng tái tạo lại tín hiệu gốc

1.3.2 Mô hình Informer

Transformer cho phép các node truyền truyền trực tiếp giữa các lớp mà không cần quá trình truyền tuần tự trên một lớp được hoàn thành nhưng vẫn đảm bảo mối tương quan giữa các từ được truyền đi nhờ cơ chế tập trung Transformer gồm hai thành phần chính là bộ mã hóa và bộ giải mã với các khối tập trung đa đầu, mã hóa vị trí, cộng và chuẩn hóa, mạng truyền xuôi theo

vị trí và Softmax Informer là một biến thể của mô hình Transformer, được thiết kế đặc biệt để dự đoán chuỗi thời gian dài Informer sử dụng các tầng chưng cất tri thức để tóm tắt và giảm chiều dữ liệu, giúp giảm thiểu khối lượng tính toán trong quá trình huấn luyện và suy luận; áp dụng cơ chế tự tập trung theo cách phân cấp để xác định các phần quan trọng của dữ liệu ở nhiều mức khác nhau, giúp cải thiện hiệu quả dự đoán cho chuỗi dài

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày cơ sở của lý thuyết hỗn loạn bao gồm các đặc điểm chính của hỗn loạn, đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin, mô hình hệ thống thông tin quang sử dụng tín hiệu hỗn loạn Chương 1 cũng trình bày các phương pháp điều chế đa mức và các giải thuật trong học sâu để xử lý tín hiệu trong các hệ thống thông tin Những kiến thức này là nền tảng và động lực cho các đề xuất nghiên cứu trong các chương tiếp theo của luận án

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG QUANG

THU PHÁT VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu

Sơ đồ hệ RoF tương tự và số cơ bản được minh họa như hình 2.1

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

Với hệ thống tương tự, tín hiệu RF được hạ tần thành tín hiệu IF, được điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ hỗn loạn, được chuyển đổi thành tín hiệu quang rồi truyền qua sợi quang Phía thu, sử dụng photodiode

để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi trừ đi tín hiệu hỗn loạn đồng

bộ với phía phát để khôi phục tín hiệu IF tương tự Tín hiệu IF sau đó được chuyển đổi lại thành tín hiệu RF, khuếch đại và truyền qua anten Với hệ thống

số, tín hiệu IF trước tiên được rời rạc hóa bằng bộ chuyển đổi A/D với tốc độ lấy mẫu thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist, sau đó được chuyển từ song song sang nối tiếp, được điều chế mặt nạ hỗn loạn và quá trình tương tự như trên Công nghệ RoF cung cấp nền tảng thiết yếu để xây dựng mạng truy nhập

vô tuyến đám mây hay mạng truy nhập vô tuyến tập trung (C-RAN), có thể kiểm soát các đơn vị băng tần cơ sở tập trung (BBU) đến từ nhiều trạm gốc (BS) và các đầu vô tuyến từ xa (RRHs) Khả năng kết nối giữa các BBU này với RRH là khả thi về mặt kinh tế với mạng lưới phân bố được gọi là 'fronthaul'

2.2 Thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao

2.2.1 Mô hình hệ thống cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao

Hình 2.2 mô tả hệ thống thông tin RoF hai kênh vô tuyến có tần số tương ứng là 𝑓𝑐1= 250 GHz (CH1) và 𝑓𝑐2= 255 GHz (CH2) Hai kiểu điều chế khóa dịch pha được sử dụng là khóa dịch pha vi sai DPSK và điều chế dịch tần pha liên tục CPFSK cho tín hiệu điện Kiểu điều chế này giúp loại trừ tín hiệu tham chiếu kết hợp tại bộ thu bởi đây là kiểu điều chế không liên kết

Hình 2.2 Sơ đồ thiết lập mô phỏng số cho hệ thống RoF

Tại mỗi kênh, tín hiệu sau khi điều chế được đưa qua một bộ lọc BPF Bessel để lọc ra dải tần mong muốn Hai tín hiệu RF được đưa đến bộ kết hợp

để ghép kênh ở hai phổ RF tương ứng với hai tần số cao tần 𝑓𝑐1 và 𝑓𝑐2 Tại phía thu, bộ Splitter chia đôi đường quang một cách đối xứng hoặc dịch pha

là bội số của 2π Bộ khuếch đại quang truyền tín hiệu quang qua bộ lọc OBPF với tần số trung tâm là 193,1 THz để lọc băng thông phía trên của tín hiệu quang Tín hiệu này sau đó được đưa qua bộ lọc BPF để lọc đúng tần số mà kênh yêu cầu rồi được chuyển thành tín hiệu điện qua bộ photodiode PIN Bộ lọc LPF được sử dụng để loại bỏ các thành phần tần số cao và chuyển tín hiệu

về dải tần cơ sở Tín hiệu đầu ra được đưa đến bộ 3R Regenerator để tái tạo tín hiệu, đồng bộ lại và định hình lại Chất lượng tín hiệu có thể đánh giá thông qua hiệu năng BER và phân tích giản đồ mắt

2.2.2 Tiến trình mô phỏng

Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Optisystem V.14 gồm:

Bước 1: Thiết kế máy phát; Bước 2: Thiết kế đường truyền; Bước 3: Thiết

kế máy thu; Bước 4: Chạy toàn hệ thống; Bước 5: Xem kết quả và tối ưu các tham số bằng cách quét các tham số, sau đó chọn tham số tối ưu; Bước 6: Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ đồ thị; Bước 7: Phân tích kết quả của hệ thống Tham số của hệ thống được xác định theo các khuyến nghị của ITU-T

2.2.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Hình 2.3 (a) và (b) lần lượt minh họa giản đồ mắt cho kênh CH1 và CH2 với kiểu điều chế số DPSK ở tốc độ bit 𝑅𝑏= 1 Gb/s Kênh CH1 đạt 𝑄 tốt nhất tại 9,78, trong khi kênh CH2 đạt 𝑄 cực đại tại 9,61 Hình 2.3 (c) và (d) tương ứng là giản đồ mắt cho kênh CH1 và CH2 với kiểu điều chế số CPFSK 𝑄 mức 1 biến đổi từ 11 đến 13, 𝑄 mức 0 biến đổi từ 2,5 đến 4 trong cả hai kênh CH1 và CH2, chênh lệch giữa hai mức luôn đảm bảo lớn hơn 7,5 dB Quan hệ giữa BER và tham số chất lượng 𝑄 có thể xấp xỉ theo hàm bù lỗi như sau:

exp / 21

erfc

Q Q

thể hiện BER là hàm của R b cho cả hai kênh đối với kiểu điều chế CPFSK Khi 1 ≤ 𝑅𝑏 ≤ 2,3 Gb/s thì BER của CH1 nhỏ hơn CH2 Ngược lại, khi 2,3 ≤

𝑅 ≤ 5 Gb/s, BER của CH2 nhỏ hơn CH1 nhưng chênh lệch rất nhỏ

Hình 2.4 BER là hàm số của tốc độ bit

𝑅𝑏

Hình 2.5 BER là hàm số của mức công suất phát của laser 𝑃

Hình 2.5 minh họa BER của các kênh theo mức công suất phát 𝑃 của laser trước khi điều chế bên ngoài khi cố định tốc độ bit 𝑅𝑏 = 1 Gb/s cho kênh

cơ sở Với DPSK, mức phát lý tưởng là 1 dBm, trong khi đó, với CPFSK thì mức phát lý tưởng là 0 dBm

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

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

Hình 2.6 Mô hình đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF hỗn loạn hai kênh

Sơ đồ đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF được thể hiện trên Hình 2.6

Dữ liệu thông tin từ hai nguồn độc lập khác nhau được mã hóa dưới dạng NRZ

để tạo ra phổ tín hiệu số phù hợp hơn cho kênh truyền số Sử dụng một kênh riêng mang tín hiệu đồng bộ hỗn loạn để thực hiện quá trình phát hiện và khôi phục dữ liệu ở phía thu Từ hai kênh độc lập ở phía phát, tín hiệu của hai nguồn được điều chế khóa dịch biên độ ASK theo tần số vô tuyến 𝑓1 và 𝑓2 Tín hiệu của hai kênh vô tuyến được kết hợp rồi nhân với tín hiệu hỗn loạn Logistic