Trong bài báo này, để nâng cao khả năng chống thu chặn của hệ thống vô tuyến, chúng tôi đề xuất một giải pháp mới trong đó tín hiệu phát được dịch vòng trên cả hai miền không gian và thời gian nhờ kết hợp CCSK với điều chế không gian (SM: Spatial Modulation). Hệ thống đề xuất cũng cho phép nâng cao phẩm chất hệ thống nhờ thu được đồng thời cả độ lợi phân tập không gian và độ lợi xử lý trải phổ.
Nghiên cứu khoa học công nghệ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO MẬT CỦA THÔNG TIN VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT KHĨA DỊCH KHƠNG GIAN - THỜI GIAN Nguyễn Thị Thu*, Trần Xn Nam Tóm tắt: Các hệ thống thơng tin vô tuyến thường dễ bị thu chặn đối phương nên yêu cầu cần phải có giải pháp chống thu chặn bảo mật cao Khóa dịch mã tuần hoàn (CCSK: Cyclic Code Shift Keying) chứng minh có xác suất thu chặn thấp có khả ứng dụng hệ thống thông tin cấp chiến thuật (JTIDS: Joint Tactical Information Distribution System) Mỹ Giải pháp CCSK thực dịch tổ hợp symbol phát chuỗi ngẫu nhiên dịch vòng theo thời gian Trong báo này, để nâng cao khả chống thu chặn hệ thống vô tuyến, đề xuất giải pháp tín hiệu phát dịch vòng hai miền khơng gian thời gian nhờ kết hợp CCSK với điều chế không gian (SM: Spatial Modulation) Hệ thống đề xuất cho phép nâng cao phẩm chất hệ thống nhờ thu đồng thời độ lợi phân tập không gian độ lợi xử lý trải phổ Từ khóa: Khóa dịch không gian-thời gian, STSK, Điều chế không gian, CCSK, MIMO MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến ngày phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi phải có giải pháp tiên tiến đáp ứng đồng thời yêu cầu tốc độ truy nhập, chất lượng tín hiệu mức độ bảo mật liệu Trong thập niên vừa qua, có loạt giải pháp nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu Để đáp ứng yêu cầu tốc độ truy nhập chất lượng tín hiệu, giải pháp sử dụng đa ăng-ten thông qua kỹ thuật truyền dẫn MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) [1], [2] biết đến giải pháp đột phá cho thông tin vô tuyến Đặc biệt kỹ thuật điều chế không gian (SM: Spatial Modulation) [3]−[5], sử dụng ăng-ten phát miền tín hiệu để thực điều chế phát tín hiệu, cho phép giảm yêu cầu ngặt nghèo nhiễu đồng kênh (ICI: Inter-Channel Interference) đồng ăng-ten hệ thống MIMO truyền thống lại cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ hệ thống theo hàm logarit số ăng-ten phát Việc sử dụng phân tập ăng-ten cho phép nâng cao chất lượng tín hiệu thu nhờ độ lợi phân tập không gian Đối với giải pháp nâng cao độ bảo mật thơng tin giải pháp đơn giản chứng minh có hiệu chống thu chặn cao kỹ thuật khóa dịch mã tuần hồn (CCSK: Cyclic Code Shift Keying) giới thiệu [6] [7] Nhóm tác giả có đánh giá CCSK cho kênh pha-đinh Rayleigh [8] sử dụng kết hợp với mã cyclic cục [9] Nguyên tắc hệ thống CCSK không truyền trực tiếp chuỗi symbol tín hiệu mà ánh xạ tổ hợp symbol thành chuỗi giả ngẫu nhiên dịch vòng theo liệu Vì vậy, tín hiệu phát không gian chuỗi chip ngẫu nhiên tương tự hệ thống CDMA lại biến đổi theo liệu cần truyền Đặc tính làm cho CCSK có xác suất thu chặn thấp [6] Thực tế CCSK lựa chọn giải pháp Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 27 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử điều chế băng gốc [7] cho hệ thống phân phối thông tin cấp chiến thuật kết hợp (JTIDS: Joint Tactical Information Distribution System) Mỹ Trong báo này, dựa kết nghiên cứu trước SM CCSK, đề xuất hệ thống thông tin vô tuyến kết hợp hai kỹ thuật Hệ thống đề xuất lợi dụng tính chất dịch khơng gian SM miền không gian ăng-ten dịch thời gian CCSK miền chuỗi trải nên chúng tơi đặt tên hệ thống khóa dịch khơng gianthời gian (STSK: Space-Time Shift Keying) Hệ thống có ưu điểm sau đây: - Nhờ tính chất dịch hai chiều theo hai miền không gian thời gian nên hệ thống cho phép nâng cao mức độ bảo mật, tức làm cho xác suất thu chặn thấp so với hệ thống CCSK truyền thống - Nhờ sử dụng kết hợp với SM nên hệ thống cho phép nâng cao hiệu sử dụng phổ so với hệ thống CCSK truyền thống - Nhờ sử dụng phân tập phát thông qua ăng-ten điều chế nên cho phép nâng cao chất lượng tín hiệu thu Bài báo có cấu trúc gồm phần sau Sau phần mở đầu, chúng tơi trình bày mơ hình hệ thống STSK mục Kết mô đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế STSK trình bày mục Cuối tóm tắt, kết luận đề xuất hướng nghiên cứu rút mục MÔ HÌNH HỆ THỐNG STSK Mơ hình hệ thống STSK mơ tả Hình Ngun lý hoạt động hệ thống thực dịch chuỗi bit liệu cần truyền thành chuỗi chip giả ngẫu nhiên lên ăng-ten phát khác Để đơn giản cho giải thích khơng tính tổng qt, giả thiết hệ thống sử dụng ăng-ten phát chuỗi bit cần truyền gồm bit =[b1 , b2 ,b3 , b4 ]T Độ dài chuỗi bit Nb lựa chọn dựa số ăng-ten phát Nt độ dài chuỗi chip m sử dụng, cụ thể Nb = log2 Nt + log2 m Trong số bit cần truyền bit b1 sử dụng để thực lựa chọn (dịch) ăng-ten phát, ví dụ b1 = kích hoạt phát qua ăng-ten 1, b1 = kích hoạt ăng-ten Việc dịch ăng-ten theo liệu nhân đơi lợi ích: (i) thứ nhất, vị trí ăng-ten mang thơng tin nên hiệu suất sử dụng phổ tăng lên Với Nt ăng-ten phát hiệu suất sử dụng phổ tăng thêm log2 Nt , với Nt số nguyên lũy thừa số 2; (ii) thứ hai, hai ăng-ten kích hoạt theo liệu ngẫu nhiên đầu vào nên khả phát ăng-ten phát để thu chặn khó khăn so với trường hợp dùng ăng-ten thông thường Trong trường hợp thông tin quân sự, bố trí hai ăngten phát cách vị trí đủ xa (ví dụ, vài trăm mét) tín hiệu phát từ hai ăng-ten tương đương với hai nguồn độc lập làm cho đối phương dù thu chặn tín hiệu từ ăng-ten khó có khả tách liệu phát Ba bit lại bk = [b2 , b3 , b4 ] ánh xạ thành chuỗi giả ngẫu nhiên có độ dài = 23 = chip Tùy theo tổ hợp bit liệu mà chuỗi chip truyền phiên dịch vòng chuỗi chip sở Đây phương pháp điều chế khóa dịch vòng tuần hồn (CCSK: Cyclic Code Shiff Keying) Việc chuỗi trải dịch vòng tuần hồn theo chuỗi liệu đầu vào chứng minh có xác suất thu bị chặn thấp [6] Như vậy, rõ ràng việc dịch đồng thời miền không gian (các ăng-ten) miền thời gian (chuỗi chip) làm giảm 28 N.T Thu, T.X Nam, “Nâng cao chất lượng… khóa dịch không gian – thời gian.” Nghiên cứu khoa học công nghệ khả thu chặn đối phương, tức tăng mức độ bảo mật hệ thống Hoạt động sơ đồ khối mô tả b sk b b b b cl cn bk bˆ bˆ1 Yk Hk , Nk Vk bˆk m 1 l 0 cn -m1 sˆm -1 m 1 sˆ1 sˆk max sˆl sˆ0 l 0 cn -1 m 1 l 0 cn cn Hình Sơ đồ hệ thống STSK trường hợp N t 2, N r Tại phía phát chuỗi bit liệu đầu vào được chia thành tổ hợp Nb bít log2 Nt bít đầu sử dụng để lựa chọn ăng-ten phát Chuỗi Nb − log2 Nt bít liệu lại ánh xạ lên ăng-ten phát ánh xạ thành số nguyên sk , tương ứng với ký tự (symbol) có độ rộng Ts Các ký tự số sk sau sử dụng để dịch chuyển chuỗi chip sở cn thành chuỗi tuần hồn cl tương ứng Một ví dụ ánh xạ chuỗi chip thành chuỗi dịch vòng cho trường hợp nhóm bít liệu thành tổ hợp chuỗi dịch vòng m = chip biểu diễn Bảng Mỗi chip có độ rộng Tc với Tc = Ts /m Băng thông chuỗi chip định nghĩa Wc = 1/Tc cho Wc Tc = Do m = nên có tất 256 tổ hợp chuỗi chip, nhiên hệ thống đề xuất hệ thống đơn người chuỗi Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 29 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử chip sử dụng đóng vai trò chữ ký người dùng nên tương tự hệ thống trải phổ có tổ hợp có hệ số tự tương quan tốt lựa chọn để làm chuỗi sở Trong trường hợp hệ thống mở rộng để hỗ trợ đa người dùng chuỗi chip lại lựa chọn để phân phối cho người dùng khác Bảng Ánh xạ SM-CCSK trường hợp khối liệu đầu vào bít Nt 0000 0001 0010 0011 0100 1 1 0… 0 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 1 1 1 1 2 2 2 2 Các chuỗi chip sau qua lọc phát đến kênh truyền chịu ảnh hưởng phađinh Rayleigh phân bố đồng không tương quan, đặc trưng ma trận kênh H ä C × với phần tử hmn mô sử dụng biến ngẫu nhiên Gauss phức với kỳ vọng không phương sai đơn vị Kênh pha-đinh giả thiết biến đổi chậm, cho giá trị kênh truyền không thay đổi thời gian khung liệu Giả thiết ma trận tín hiệu phát từ ăng-ten Vk ä R × , ma trận tín hiệu thu ăng-ten thu cho bởi: Yk = Hk Vk + Nk Để thực tách tín hiệu phát mong muốn, giả thiết máy thu biết thông tin ước lượng xác thơng tin kênh truyền Dựa thơng tin kênh truyền có được, máy thu sử dụng tách tín hiệu hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood) kết hợp theo phương pháp Mesleh cộng đề xuất [3],[4] để tách lấy số ăngten phát tách chuỗi symbol thu từ ăng-ten tương ứng Chuỗi symbol thu sau giải điều chế nhóm lại thành nhóm m chíp Tổ hợp m chíp sau tính tương quan với phiên dịch vòng chuỗi chip cn để định chuỗi Nb − log2 Nt bít liệu bk phát từ ăng-ten phát Cuối bít liệu ghép chung với log2 Nt bít liệu điều chế không gian mang vị trí ăng-ten phát thành chuỗi liệu ước lượng 30 N.T Thu, T.X Nam, “Nâng cao chất lượng… khóa dịch khơng gian – thời gian.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Phẩm chất BER hệ thống STSK đề xuất so với giải pháp trước KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để làm rõ hiệu giải pháp đề xuất kết hợp CCSK với SM, thực mô Monte-Carlo sử dụng phần mềm Matlab Mô thực với số ăngten phát Nt = 2, số ăng-ten thu Nr = Nr = Điều chế sử dụng BPSK Số chip sử dụng cho CCSK chip/3 symbol 32 chip/5 symbol Kênh truyền giả thiết kênh pha-đinh Rayleigh phẳng biến đổi chậm Máy thu giả thiết biết đầy đủ thơng tin trạng thái kênh Hình biểu diễn kết mơ đặc tính BER cho hệ thống đề xuất ăng-ten phát ăng-ten thu, viết tắt (2,4) Để thấy rõ ưu điểm hệ thống đề xuất, kết mô cho hệ thống sử dụng CCSK [8], sử dụng SM [3],[4] hệ thống điều chế BPSK đơn giản đưa so sánh hình vẽ Từ hình vẽ nhận thấy hệ thống đề xuất cho phẩm chất BER vượt trội so với hệ thống sử dụng CCSK BPSK hai trường hợp sử dụng chip/3 symbol 32 chip/5 symbol So với trường hợp sử dụng SM truyền thống, hệ thống có phẩm chất BER tốt vùng Eb /N0 cao đường đặc tính BER có độ dốc lớn Điều hệ thống đề xuất cho phép thu đồng thời hai độ lợi phân tập không gian SM độ lợi xử lý phương pháp trải phổ CCSK mang lại Với hệ số trải lớn, ví dụ 32 chip/5 symbol, độ lợi xử lý thu cao, dẫn tới đường đặc tính BER có độ dốc lớn Để ý hệ thống thực tế thường đạt Eb /N0 >10 dB vùng công tác hệ thống đề xuất cho phẩm chất BER hoàn toàn vượt trội so với hệ thống truyền thống khác Hình so sánh phẩm chất BER giải pháp đề xuất STSK thay đổi số ăng-ten thu với hệ thống SM [3],[4] Có thể thấy rõ ràng hiệu phân tập thu đạt số Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 31 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ăng-ten thu tăng từ lên Kết hợp với nhận xét từ Hình thấy hiệu số ăng-ten thu tăng lên Từ kết nhận xét thấy hệ thống đề xuất thích hợp cho hệ thống thông tin vô tuyến với số ăng-ten thu từ hai trở lên Để nâng cao hiệu phẩm chất BER cần sử dụng số chip trải CCSK lớn Tuy việc sử dụng chuỗi trải lớn tăng cường khả chống thu chặn đối phương lại yêu cầu độ phức tạp tính tốn cao phương pháp giải điều chế CCSK cách tính tương quan phía thu Vì vậy, tùy theo cấu hình thực tế với số ăng-ten có được, tài nguyên xử lý cho trước máy thu, yêu cầu mức độ bảo mật mà lựa chọn độ dài chuỗi trải cho phù hợp Hình Phẩm chất BER hệ thống STSK thay đổi số ăng-ten thu KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất giải pháp kết hợp kỹ thuật điều chế không gian (SM) với kỹ thuật khóa dịch mã tuần hồn (CCSK), gọi hệ thống khóa dịch khơng gian thời gian (STSK), cho hệ thống thông tin vô tuyến Giải pháp đề xuất chứng minh qua mơ cho thấy có phẩm chất BER vượt trội so với hệ thống SM CCSK truyền thống thu đồng thời độ lợi phân tập không gian SM độ lợi xử lý CCSK Hệ thống đề xuất cho phép nâng cao độ bảo mật hệ thống tín hiệu trải đồng thời hai miền khơng gian thời gian Vì vậy, hệ thống STSK có khả ứng dụng tốt cho hệ thống thông tin vô tuyến quân dân dụng Việc thiết kế hệ thống cần dựa yêu cầu chất lượng tín hiệu thu, yêu cầu bảo mật chống thu chặn độ phức tạp xử lý máy thu Hệ thống đề xuất mở rộng cho trường hợp đa người dùng nghiên cứu 32 N.T Thu, T.X Nam, “Nâng cao chất lượng… khóa dịch khơng gian – thời gian.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels”, European Trans on Telecommun., vol 10, no 6, pp 585–595, Nov / Dec 1999 [2] G J Foschini, “Layered space-time Architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas”, Bell Labs Technical J., vol 1, no 2, pp 41–59, 1996 [3] R Mesleh, H Haas, C W Ahn, and S Yun, “Spatial Modulation - A New Low Complexity Spectral Efficiency Enhancing Technique”, in Proc Conf Comm and Networking in China, Oct 2006 [4] R Mesleh, H Haas, S Sinanovic, C W Ahn, and S Yun,“Spatial modulation”, IEEE Trans Veh Technol., vol 57, no 4, pp 2228–2241, July 2008 [5] J Jeganathan, A Ghrayeb, and L Szczecinski, “Spatial modulation: optimal detection and performance analysis” , IEEE Commun Lett., vol 12, no 8, pp 545– 547, 2008 [6] G M Dillard, et al., "Cyclic Code Shift Keying: A Low Probability of Intercept Communication Technique", IEEE Trans On Aerospace and Electronic Syst 39(3), pp 786-798, 2003 [7] C H Kao, C Robertson, and K Lin (2008), “Performance analysis and simulation of cyclic code-shift keying”, The 2008 IEEE Military Communications Conference San Diego, USA, IEEE [8] T.Đ Tấn T.X Nam, “Mô đánh giá phẩm chất hệ thống khóa dịch mã tuần hồn CCSK kênh pha-đinh Rayleigh”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, tr 59-63, số 15, tháng 10 năm 2011 [9] T.Đ Tấn T.X Nam, “Phân tích đánh giá phẩm chất mã cyclic cục ứng dụng hệ thống khóa dịch mã tuần hồn”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, trang 62-71, số 18, tháng năm 2012 ABSTRACT PERFORMANCE AND SECURITY IMPROVEMENT FOR WIRELESS COMMUNICATIONS USING SPATIO-TEMPORAL SHIFT KEYING In this paper, we proposed a spatio-temporal shift keying (STSK) system based on the conventional spatial modulation (SM) and cyclic code shift keying (CCSK) Compared with the convetional systems, the proposed STSK system achieves twofold advatanges of spatial diversity due to SM and processing gain due to spectrum spreading of CCSK Moreover, the proposed system allows increased security as the signal is spread over both space, i.e over transmit antennas, and time domain Therefore, it has potential applications in both civil and military wireless communication systems Keywords: Space-time shift keying, STSK, Spatial modulation, Cyclic code shift keying, MIMO Nhận ngày 10 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; * Email: thudtdl@yahoo.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 33 ... thống thông tin vô tuyến kết hợp hai kỹ thuật Hệ thống đề xuất lợi dụng tính chất dịch khơng gian SM miền không gian ăng-ten dịch thời gian CCSK miền chuỗi trải nên đặt tên hệ thống khóa dịch. .. Như vậy, rõ ràng việc dịch đồng thời miền không gian (các ăng-ten) miền thời gian (chuỗi chip) làm giảm 28 N.T Thu, T.X Nam, Nâng cao chất lượng khóa dịch khơng gian – thời gian. ” Nghiên cứu khoa... khơng gianthời gian (STSK: Space-Time Shift Keying) Hệ thống có ưu điểm sau đây: - Nhờ tính chất dịch hai chiều theo hai miền không gian thời gian nên hệ thống cho phép nâng cao mức độ bảo mật,