Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN SỐ SỬ DỤNG ĐẶC TÍNH HỖN LOẠN VÀ ĐỘNG HỌC PHI TUYẾN
1.4. Truyền thông vô tuyến dựa trên động học phi tuyến và hỗn loạn
1.4.2. Điều chế vị trí xung hỗn loạn vô tuyến
Một hệ thống truyền dẫn sử dụng các xung hẹp thực hiện điều chế thông tin vào khoảng cách giữa các xung có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống đã đề cập ở trên.
Trong các hệ thống truyền dẫn ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn, méo của bộ lọc và méo kênh làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới khả năng đồng bộ giữa các hệ thống hỗn loạn.
Các ảnh hưởng này có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng một tín hiệu truyền đi có dạng dạng xung hẹp.
Cách tiếp cận với hệ thống truyền thông xung cơ bản là sử dụng các chuỗi xung thời gian hỗn loạn mà không sử dụng dạng sóng hỗn loạn liên tục. Các xung có dạng giống nhau, nhưng khoảng thời gian trễ giữa các xung thay đổi một cách hỗn loạn. Bởi vì thông tin về trạng thái của hệ thống hỗn loạn thể hiện qua khoảng thời gian giữa các xung, méo dạng của các xung sẽ không gây ảnh hưởng tới bộ tạo xung.
Hệ thống này tương tự với hệ thống vô tuyến băng thông siêu rộng, và nó rất có triển vọng là nền tảng truyền thông, đặc biệt trong môi trường nhiễu đa đường hoặc nơi yêu cầu cùng tồn tại hoạt động với các hệ thống radio khác. Sựthay đổi một cách hỗn loạn khoảng cách giữa các xung hẹp làm tăng cường các đặc tính phổ của hệ thống bằng cách xóa bỏ tính tuần hoàn của tín hiệu được phát. Do đặc tính phổ tần số không còn tập trung ở một tần số nữa, các xung có vị trí rất hỗn loạn tạo ra những khó khăn để có thể giám sát và tách sóng. Do đó thu phát dựa trên chuỗi xung hỗn loạn tạo ra xác suất khả năng can thiệp rất thấp vào tín hiệu được truyền. Khả năng bảo mật còn cao hơn nữa nếu như sử dụng một trong các cơ chế mã hóa dùng kỹ thuật hỗn loạn.
Phương pháp mã hóa hỗn loạn cụ thể là điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM- Chaotic Pulse Position Modulation) dùng phương pháp điều chế hồi tiếp động. Cơ chế truyền thông được xây dựng xung quanh một bộ tái tạo xung hỗn loạn (CPRG-Chaotic
39
Pulse Regenerator), được cho trong hình 1.7. Với một chuỗi xung với khoảng giữa các xung Tn, CPRG tạo ra một chuỗi xung với khoảng giữa các xung Tn + ΔTntrong đó ΔT phụ thuộc vào chuỗi đầu vào: ΔTn = F(Tn , … Tn-k ); trong đó hàm F(●) thỏa mãn nếu không có tín hiệu vào và có vòng phản hồi kín thì bộ phát tạo ra một chuỗi xung với khoảng giữa các xung hỗn loạn.
Thông tin dưới dạng nhịphân được đưa vào chuỗi xung đi ra từ CPRG bằng cách thêm vào một khối trong vòng phản hồi. Khối này không làm thay đổi vị trí xung nếu bit “0” được phát, hoặc làm trễ xung một thời gian cốđịnh nào đó nếu bit “1” được phát.
Dãy xung sau khi được điều chế sẽ là tín hiệu được phát. Bởi vì bộ thu trái phép không có thông tin về khoảng cách giữa các xung đi ra từ CPRG, nó không thểxác định được liệu một xung nào đó nhận được có bị làm trễ hay không, và do vậy không thể nhận ra bit “0” hay “1” được truyền đi. Tại phía thu tín hiệu được đưa vào một CPRG giống như bên phát.
Các đầu ra từ CPRG bên phía phát và phía thu là giống nhau. Do đó tín hiệu tại đầu ra của CPRG ở bộ thu giống với tín hiệu của kênh, ngoại trừ một số xung trong tín hiệu được phát bị trễ. Bằng cách đánh giá thời gian tương đối giữa các xung trong tín hiệu thu và tín hiệu tại đầu ra của CPRG, bộ thu có thể giải mã và tách thông tin. Khi các CPRG có sựkhác nhau xác định nào đó sẽ dẫn tới lỗi bit. Như vậy có thể coi thông số của các CPRG như là khóa mật mã.
Hình 1.7. Minh họa cơ bản phương pháp CPPM [2; tr.18].
Khi được đồng bộ, bộ thu sẽ “biết” quãng thời gian hay cửa sổ tại vị trí đó và có thểước đoán xung tương ứng là “0” hay “1”. Điều đó cho phép tín hiệu vào bị chặn ở tất cả các thời điểm khác trừ thời điểm xung được mong đợi. Các quãng thời gian khi tín hiệu vào bị chặn bởi một bộ thu cụ thể có thểđược sử dụng bởi bộthu khác. Để giải mã một bit thông tin cần phải xác định có hay không một xung từ bộ phát rơi vào cửa sổtương ứng với “0” hay tương ứng với “1”, điều đó có thể được thực hiện bằng cách lấy tích phân tín hiệu đầu vào bên trong cửa sổxung quanh ví trí mong đợi của các xung ứng với “0” và “1”. Nếu tất cả các xung có cùng phân cực và đồng bộ hoàn hảo, CPPM hoạt động tương đương OOK - kém hơn 3dB so với BPSK.
Hình 1.8. Hiệu suất làm việc của các cơ chế điều chế PPM:PPM (cơ chế điều chế vị trí xung có đồng bộ) lệch 3 dB so với BPSK;CPPM lý tưởng bao gồm sự dịch chuyển phát sinh từ KSE [2; tr. 19].
Điều này được minh họa trong đường cong “PPM” của hình 1.8. Hiệu suất thu được với của sổ có kích thước đúng bằng độ rộng của xung. Trong trường hợp không đạt được đồng bộ, kích thước cửa sổ không thể quá hẹp. Tuy nhiên với kích thước cửa sổ lớn và sử dụng cùng một phương pháp khôi phục, hiệu năng sẽ bị giảm thêm 10logT/τ, trong đó T là kích thước cửa sổ và τlà độ rộng xung.
Có một yếu tố suy giảm khác trong các cơ chế truyền thông hỗn loạn. Hầu hết các cơ chế truyền thống được dựa trên các tín hiệu có chu kỳ với các hệ thống có sóng mang được tạo ra từ hệ thống ổn định. Tất cả các hệ thống đó được đặc tả bởi (KSE- Kolmogorov-Sinai Entropy) có giá trị bằng không. Hệ thống hỗn loạn có KSE dương và liên tục tạo ra thông tin. Thậm chí trong một môi trường lý tưởng, đểđồng bộ hoàn hảo hai hệ thống hỗn loạn, một lượng thông tin được truyền trong một đơn vị thời gian từ hệ thống Master sang hệ thống Slave bằng hoặc lớn hơn KSE. Xét hàm Tent với xn+1
= α|0,5 - |0,5 - xn|| với α= 1.3. KSE được sinh ra trong mỗi lần lặp của hàm này là EKS
= log2α = 0.38. Do đó đểđồng bộ hai hàm Tent với nhau và truyền đi một bit thông tin trên trong mỗi bước lặp thì cần phải thực sự gửi đi 1,38 bit trên mỗi lần lặp. Trong hình 2.8, sự hiệu chỉnh này làm dịch chuyển đường cong hiệu suất lý tưởng của cơ chế CPPM 1.39 dB về bên phải.
Một bộ thu tối ưu minh họa trong hình 1.9. Dựa trên trạng thái CPRG được đồng bộ, tất cảcác xung đầu vào đều bị chặn ngoại trừ khu vực cửa sổ xung quanh các vị trí mong đợi của đáp ứng xung “1” và “0”. Tín hiệu bên trong cửa sổđược đưa vào bộ tách sóng đỉnh (PD-Peak Detector). Dựa trên cửa sổ chứa các đỉnh cao nhất, giá trị bit “1”
41
hay “0” được quyết định và tín hiệu trong của sổ thời gian tương ứng được chuyển qua bộ thu CPRG.
Hinh 1.9. Sơ đồ khối của bộ thu CPPM tối ưu [2; tr. 20].
Mô hình hóa kênh truyền được mô tả với nhiễu trắng (WGN-White Gaussian Noise) cộng vào đầu ra của bộphát và sau đó được lọc thông thấp sử dụng bộ lọc FIR.
Đểđo giá trị SNR và Eb /N0 , sử dụng biểu thức theo: Eb /N0 = S /N (W/R), với S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu, W là độ rộng băng thông kênh và R là tốc độ bit.
Hình 1.8 biểu diễn đường cong tương ứng với các tham số này. Với kết quả mô phỏng ta có thể thấy rằng hệ thống CPPM có hiệu suất kém hơn 4dB so với hệ thống CPPM lý tưởng. Phần lớn sự khác biệt này là do đồng bộ không hoàn hảo trong bộ thu.
Mặc dù CPPM có vẻ làm việc kém hơn FSK không liên kết, tác giả có thể thấy một số đặc điểm: (i) hệ thống trải phổ này có khảnăng hạn chế việc nghe trộm và giấu thông tin với thiết kếđơn giản; (ii) hệ thống này làm việc đặc biệt rất tốt so với với các cơ chế truyền thông bảo mật khác; (iii) tồn tại một chiến lược ghép kênh có thể sử dụng với CPPM và (iv) hệ thống có thểđược cải thiện ở tốc độ bit thấp với băng thông hẹp hơn.
Tất cảcác đặc điểm này của hệ thống CPPM cho thấy khảnăng phát triển các hệ thống trải phổ bảo mật hỗn loạn [2; tr. 9-20].