3.2.1.2 So sánh hệ thống OFDM với hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s
Mục đích của việc xây dựng hệ thống đơn sóng mang với tốc độ dữ liệu bằng chính tốc độ dữ liệu của hệ thống OFDM truyền trên cùng một sợi quang nhằm cho ta cái nhìn định tính về sự so sánh giữa hai hệ thống đơn và đa sóng mang trực giao. Các tham số thiết kế của hệ thống đơn sóng mang về cơ bản là giống các tham số đã thiết kế trong hệ thống CO - OFDM. Tất nhiên so với hệ thống CO - OFDM thì hệ thống đơn sóng mang khơng cịn các khối điều chế tín hiệu OFDM. Dữ liệu sau khi được ánh xạ chịm sao sẽ được chuyển sang tín hiệu tương tự và sau đó điều chế sang tín hiệu ở miền quang để truyền đi.
Hình 3.14 là kết quả cho ta thấy sự so sánh về chất lượng giữa hệ thống CO-OFDM và hệ thống dùng kỹ thuật đơn sóng mang thay đổi theo độ lệch chiều dài của sợi DCF với sợi SMF. Mục đích ta giảm dần chiều dài sợi DCF là để tăng độ tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Ta thấy, khi độ lệch này dưới 7 km thì chất lượng của cả hai hệ thống đều chấp nhận được (CO-OFDM khoảng 9.39E-37, hệ thống đơn sóng mang khoảng 6.23E-09). Nhưng khi độ lệch này lớn hơn 7 km thì chất lượng hệ thống đơn sóng mang đã khơng cịn duy trì. Cụ thể, khi độ lệch giữa DCF và SMF là 8 km thì BER hệ thống đơn sóng mang là 2.77E-07 trong khi hệ thống CO-
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 71
OFDM vẫn đạt mức 1.66E-09 khi độ lệch chiều dài là 19 km. Qua đó ta thấy, CO- OFDM có khả năng chống lại tán sắc tốt hơn so với kỹ thuật đơn sóng mang.
Hình 3.14 Sự phụ thuộc BER của hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF
Nhận xét: khi truyền cùng một tốc độ bit như nhau giữa hai hệ thống đơn sóng mang so sánh với đa sóng mang trực giao trên cùng một sợi quang thì ta thấy ảnh hưởng của sợi quang lên hệ thống đơn sóng mang là đáng kể. Hệ thống CO-OFDM do có sử dụng kỹ thuật OFDM nên thời gian mỗi kí tự sẽ được kéo dài hơn 256 lần so với hệ thống đơn sóng mang. Do đó, ảnh hưởng bởi tán sắc do sợi quang gây ra được giảm tối thiểu.
Đối với hệ thống hoạt động với tốc độ cao (khoảng > 40 Gb/s) thì kỹ thuật OFDM tỏ rõ thế mạnh của nó so với kỹ thuật đơn sóng mang trong cùng một điều kiện truyền dẫn như nhau. Với CO-OFDM, ta có thể truyền dẫn với cự ly gần 20 km mà không cần đến sợi DCF để bù trong khi đó, với kỹ thuật đơn sóng mang thì khoảng cách này chỉ khoảng 5 km. Hình 6.4 là kết quả BER đo đạc được của hai hệ thống CO-OFDM và đơn sóng mang khi khơng sử dụng sợi bù tán sắc DCF. Nhìn vào Hình 3.15 ta cũng thấy, đối với hệ thống đa sóng mang OFDM thì khoảng cách truyền dẫn có thể đạt được là 19 km với BER khoảng 1.37E-09 (sợi SFM có hệ số tán sắc D = 17 ps/nm.km) mà không cần bất cứ một kỹ thuật bù tán sắc nào. Trong
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 72
khi đó, đối với hệ thống đơn sóng mang thì khoảng cách này đạt được là khoảng 7 km với BER khoảng 3.22E-09.
Hình 3.15: BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang
3.3.2 Mơ phỏng hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn
Trong phần này, các mô phỏng để so sánh giữa hệ thống OFDM đề xuất và hệ thống OFDM truyền thống với lý thuyết.
Các tham số của hệ thống: Giả sử ta điều chế OFDM sử dụng BPSK ở điều chế băng tần cơ sở, số sóng mang con là 64 và áp dụng DBM vào các sóng mang con, khoảng bảo vệ bằng một phần tư thời gian symbol. Tín hiệu được truyền qua kênh có nhiễu Gauss. Ở lần mơ phỏng tiếp theo điều chế băng tần cơ sở sử dụng QPSK. Sốsóng mang con là 64 và cũng được áp dụng DBM, khoảng bảo vệ bằng một phần tư chu kỳ của symbol.
Ở lần mô phỏng OFDM sử dụng BPSK: theo (3.26)-(3.28) ta thấy BER chỉ phụ thuộc vào điều chế ở băng tần cơ sở, số sóng mang con được dùng mang tin và khoảng thời gian bảo vệ. Kết quả mơ phỏng được chỉ ra ở hình 3.16.
Với hệ thống OFDM sử dụng QPSK kết quả mô phỏng được chỉ ra ở hình 3.17. Nó cho ta thấy rằng việc áp dụng DBM vào sóng mang con trong hệ thống OFDM không gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 73 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/N0[dB] BER theory Conventional OFDM
OFDM with chaotic subcarriers
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/N0 [dB] BER theoretical BER
OFDM with chaotic subcarriers Conventional OFDM
Hình 3.16: BER theo lý thuyết và BER của hệ thống OFDM truyền thống và của hệ thống đề xuất điều chế BPSK ởbăng tần cơ sở
Hình 3.17: BER theo lý thuyết và BER của hệ thống OFDM truyền thống và của hệ thống đề xuất điều chế QPSK ở băng tần cơ sở.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 74 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-4 10-3 10-2 10-1 100 BER Eb/N0[dB]
OFDM with chaotic bit data OFDM with chaotic subcarriers
Trong những mô phỏng này, BER của hệ thống OFDM truyền thống và của hệ thống OFDM đề xuất giống như lý thuyết. Tuy nhiên, sự xáo trộn một cách hỗn loạn các sóng mang con tăng thêm độ bảo mật cho hệ thống.
Ở bên thu, khi giải điều chếnhưng không giải điều chếđúng các sóng mang con đã được áp dụng DBM thì BER thu được trong khoảng 10-0.3(tức là tỉ lệ lỗi là 50%) mặc dù đạt giá trị vượt quá 8dB. Với BER cao thể hiện độ bảo mật của hệ thống được tăng thêm. Thực tế, trong xử lý ảnh, tỉ lệ lỗi thu được khi ở đầu thu giải điều chế sai có thể lên đến hơn 90% nên các kỹ thuật ánh xạ một cách hỗn độn được xử dụng rất rộng rãi để tăng tính bảo mật trong xử lý ảnh.
Trong lần mô phỏng tiếp theo, thực hiện so sánh BER của hệ thống OFDM sử dụng DBM ở dòng bit đầu vào và DBM cho các sóng mang con. Với cùng số sóng mang con là 64 và điều chế băng tần cơ sở sử dụng QPSK, khoảng bảo vệ bằng một phần tư thời gian symbol. Kết quả mô phỏng được chỉ ra ở hình 3.18.
Hình 3.18: BER của hệ thống OFDM sử dụng DBM cho chuỗi bit data và cho sóng mang con.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 75
3.3.3. Phân tích hệ số tương quan thể hiện tính bảo mật tốt hơn khi sử dụng kỹ thuật hỗn loạn thuật hỗn loạn
Việc hỗn độn các sóng mang con theo DBM nghĩa là các symbol sau QPSK được hỗn loạn như thế. Nếu như số sóng mang con là 64, số symbol của một OFDM symbol cũng là 64. Các symbol này được ánh xạtheo DBM và được xem như một mảng 8x8. Bây giờ chúng ta xét sựtương quan giữa hai symbol liền kề. Các phương trình dưới đây được dùng để tính hệ sốtương quan này :
∑ = = N i i x N x E 1 1 ) ( (3.29) ∑ = = N i i y N y E 1 1 ) ( (3.30) ∑ = − = N i i E x x N x D 1 2 )) ( ( 1 ) ( (3.31) ∑ = − = N i i E y y N y D 1 2 )) ( ( 1 ) ( (3.32) )) ( ))( ( ( 1 ) , cov( 1 y E y x E x N y x i N i i − − = ∑ = (3.33) ) ( ) ( ) , cov( y D x D y x xy = γ (3.34) Bảng 3.1: Hệ sốtương quan giữa hai symbol liền kề trong một OFDM symbol.
OFDM truyền thống OFDM đề xuất
phương ngang 0.1442 0.0703
phương đứng 0.0959 0.0736
Bảng 3.1 thể hiện giá trị hệ số tương quan của hai symbol liền kề theo phương ngang và phương đứng của 128 bits thơng tin đầu tiền. Sự phân tích về sự tương quan cho thấy rằng hệ thống OFDM đề xuất đạt được những ưu điểm vì tất cả các giá trị đều có xu hướng về giá trị không. Hệ sốtương quan càng nhỏ cho ta độ bảo mật thông tin càng lớn.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 76 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 A B C D
gia tri symbol thu x[i+1]
gi a t ri s y m bol t hu x [i ]
he so tuong quan giua hai symbol canh nhau theo phuong ngang
Hình 3.19: Tương quan giữa hai symbol cạnh nhau theo hàng ngang.
Hình 3.19 thể hiện sựtương quan giữa các symbol cạnh nhau theo hàng ngang, với các vị trí A và D thể hiện các symbol giống nhau còn B và C là các symbol khác nhau. Giả sử có số symbol là 512 tức là 512 sóng mang con, và sử dụng điều chế QPSK ở băng tần cơ sở. Các bit vào được tạo ra một cách random. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tổng số bit tại A và D, tức các symbol cạnh nhau có giá trị giống nhau chiếm hơn 25% khi điều chế OFDM truyền thống, và 20% khi sử dụng điều chế OFDM ứng dụng hỗn loạn. Điều này kết hơp với các công thức 3.29-3.34 chứng tỏ rằng hệ số tương quan thu được khi sử dụng OFDM hỗn loạn nhỏ hơn (gần giá trí khơng hơn) so với hệ số tương quan của hệ thống OFDM truyền thống (như bảng 3.1).
3.4 Kết luận chương 3
Chương 3 đã đề xuât một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OFDM và và hỗn loạn trong dịng bit vào cũng như cho các sóng mang con dựa vào DBM để tăng sự bảo mật của thông tin OFDM. Hệ thống đề xuất được thể hiện qua cả lý thuyết và mô phỏng. Các kết quả đã chỉ ra ưu điểm của hệ thống là truyền dẫn tốc độcao mà không làm tăng tỉ số lỗi bit nhờ sử dụng OFDM và tăng tính bảo mật nhờ sử dụng hỗn loạn. Đặc biệt, với việc áp dụng cho các sóng mang con thì sẽ khơng gây ra trễ cho hệ thống như áp dụng vào các bit vào. Hơn nữa, chất lượng của tín hiệu khơng bịảnh hưởng và PAPR có thểđược giảm đi.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 77
KẾT LUẬN
Như vậy, chúng ta đã đi nghiên cứu những kiến thức tổng quan, ứng dụng và mô phỏng về hệ thống thông tin quang sử dụng OFDM và hỗn loạn. Trong suốt quá trình nghiên cứu tìm hiểu luận vănthu được những kết quảnhư sau:
- Nghiên cứu về lý thuyết hỗn loạn, hệ tạo tín hiệu hỗn loạn và ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn trong truyền thông.
- Nghiên cứu tổng quan và mơ hình hệ thống OFDM. - Nghiên cứu về mơ hình hệ thống thơng tin quang OFDM
- Tìm hiểu vềcách đưa kỹ thuật hỗn loạn vào hệ thống thông tin quang OFDM - Sử dụng các công cụ trong Matlab để mô phỏng hệ thống thông tin quang sử dụng OFDM và kỹ thuật ánh xạ hỗn loạn Baker rời rạc.
Do đây là lần đầu tiên em nghiên cứu về hệ thống thông tin quang OFDM sử dụng kỹ thuật hỗn loạn, một lĩnh vực mới mẻ và rất khó, kiến thức nền cịn yếu nên cách tiếp cận và nghiên cứu chưa được hoàn thiện và cịn hạn chế. Các kết quả mơ phỏng chỉđưa ra trong mơ hình kênh AWGN.
Em nhận thấy đây là một đề tài rất hay có nhiều hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai. Em mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cơ và sự góp ý của mọi người để đề tài được hoàn thiện tốt hơn. Đồng thời mở rộng hướng nghiên cứu về các thành phần của hỗn loạn như đồng bộ, điều chế, vấn đề ước lượng và cân bằng kênh trong truyền thông, và ứng dụng của hỗn loạn trong DSCDMA, xử lý tín hiệu, xử lý ảnh , radar, thông tin quang,…..
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y.Mao, G.Chen, S.Lian, “A novel fast image encryption scheme based on 3D chaotic Baker maps”, Int. J. Bifurcation Chaos, Vol. 14, No. 10 (2004) 3613-3624.
[2] E.M.El-Bakary, O.Zahran, S.A.El-Dolil, F.E.Abd El-Samie, “Chaotic Maps:
A tool to enhance the performance of OFDM Systems”, International
Journal of Communication Networks and Information Security, Vol. 1, No. 2, August 2009.
[3] F.Huang, Y.Feng, “Security analysis of image encryption based on two-
dimensional chaotic maps and improved algorithm”, Frontiers of
Electrical and Electronic Engineering in China, Volume 4, Issue 1, p.5-9. [4] D.Luengo, Ignacio Santamaría, “Secure Communications Using OFDM with
Chaotic Modulation in the Subcarriers”, Vehicular Technology
Conference, 2005. VTC 2005-Spring. 2005 IEEE 61st, p.1022-1026 Vol.2.
[5] M. P. Kennedy, R. Rovatti, and G. Setti, Eds, “Chaotic Electronics in
Telecommunications”, CRC Press, 2000.
[6] F.C.M.Lau and C.K.Tse, “Chaos-Based Digital Communication Systems” Berlin: Springer-Verlag, 2003.
[7] S.K.Kadari, B.S.B.Raju, N.X.Quyen, “Digital image encryption based on
chaotic behavior of a modified tent map”, ISAST transactions on
computer and intelligent system, No.1, Vol.4, 2012 (ISSN 1798-2448). [8] N.F. Soliman, A.A. Shaalan, S. El-Rabaie, and F.E. Abd El-samie, “Peak
power reduction of OFDM signals using chaotic Baker map”, In
proceedings IEEE International Conference on Computer Engineering & Systems, 2009. ICCES 2009, p.593-598.
[9] A.D. S. Jayalath and C. Tellambura, “The Use of Interleaving to Reduce
the Peak-to-Average Power Ratio of an OFDMSignal” In
Proceedings IEEE Global Telecommunications Conference, 2000, pp. 82-86, San Francisco, CA.
[10] W.Shieh, I.Djordjevic, “OFDM for optical communications”, Academic Press, 2009.
[11] Peter Stavroulakis, “Chaos Applications in Telecommunications”, CRC Press, 2006
[12] T. Y. Li and J. A. Yorke, “Period three implies chaos”, American Math. Monthly, vol. 82, pp. 481-485, 1975.
[13] R. L. Davaney, “An introduction to chaotic dynamical systems”, Addison- Wesley, 1987.
[14] G. Chen and X. Dong, “From chaos to order: Methodologies, perspectives,
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 79
[15] M. P. Kennedy “Communication with chaos: state of the art and engineering
challenges”, Proceeding of NDES’96, Seville, Spain. June, pp. 1-8, 1996.
[16] Juha Heikala, John Terry, Ph.D. “OFDM Wireless LANS: A Theoritical and
Practical Guide” ISBN:0672321572.
[17] Chance M. Glenn, Sr., “Synthesis of a Fully-Integrated Digital Signal Source
for Communications from Chaotic Dynamics-based Oscillations”, PhD
thesis, Johns Hopkins University, 2003.
[18] Francis C. Moon, “Chaotic Vibrations: An Introduction for Applied
Scientists and Engineers”, John Wiley & Sons, New York, 1987.
[19] J.M.T. Thompson and H.B. Stewart, “Nonlinear Dynamics and Chaos”, John Wiley & Sons, LTD, New York, 1991.
[20] Jianxin Zhang, “Investigation of chaos and nonlinear dynamical behaviour
in two different self-driven oscillators”, PhD thesis, University of
London, 2001
[21] G.D. Vanwiggeren and R. Roy, “Communication with Chaotic Lasers”, Science, vol. 279, 1998, pp. 10-12.
[22] A. Argyris, D. Syvridis, L. Larger, V. Annovazzi-lodi, P. Colet, I. Fischer, C.R. Mirasso, L. Pesquera, and K.A. Shore, "Chaos-based
communications at high bit rates using commercial fibre-optic links",
Nature, vol. 438, 2006, pp. 343-346. [23] http://www.cplire.ru/html/InformChaosLab/index.htmtruy cập cuối cùng ngày 25/05/2013. [24] http://www.dsplog.com/2008/06/10/ofdm-bpsk-bit-error/ truy cập lần cuối cùng ngày 25/05/2013.