Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển hệ thống truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỮU LONG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
HỖN LOẠN SỬ DỤNG ĐA SÓNG MANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2017


Công trình được hoàn thành tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. VŨ VĂN YÊM

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường
tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi……..giờ, ngày……tháng…….năm………

Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


Mở đầu
Truyền thông sử dụng hỗn loạn
Truyền thông sử dụng hỗn loạn (Chaos-based Communications) đã nhận được sự
quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn thế giới trong hai thập kỷ
vừa qua. Các hàm hỗn loạn với sự nhạy cảm đặc biệt vào điều kiện khởi động có khả năng
phát ra vô hạn các tín hiệu trạng thái có độ tương quan rất thấp. Bên cạnh đó, với đặc tính
phổ băng rộng, các tín hiệu hỗn loạn đã chứng tỏ là phù hợp với truyền thông số đa truy
nhập dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp. Các hệ thống truyền thông hỗn loạn đã thể
hiện những ưu điểm so với các hệ thống sử dụng sóng mang điều hòa truyền thống, đó là
hạn chế fading biến đổi thời gian của kênh truyền, chống lại jamming với xác suất bị chặn
thấp, và đặc biệt tăng cường bảo mật lớp vật lý. Cho đến nay, nghiên cứu về các hệ thống
thông tin sử dụng kỹ thuật hỗn loạn tập trung vào hai hướng chính sau:
 Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ (Coherent systems), trong đó các tín hiệu
hỗn loạn được phát lại và đồng bộ chính xác với tín hiệu đến ở bên máy thu. Các
chuỗi đồng bộ này sau đó được sử dụng cho quá trình giải điều chế với các phương
pháp khác nhau để khôi phục thông tin.
 Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ (Non-coherent systems), trong đó
máy thu thực hiện giải điều chế dựa trên các đặc điểm của tín hiệu đến mà không cần
thông tin về trạng thái kênh hay yêu cầu phát lại và đồng bộ chuỗi hỗn loạn.
Hệ thống đồng bộ được nghiên cứu phát triển rộng rãi nhất là trải phổ chuỗi trực tiếp
hỗn loạn (CDSSS), trong đó các chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (PN) truyền thống được
thay thế bằng chuỗi hỗn loạn rời rạc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bởi vì độ phức tạp
tuyến tính thấp, các chuỗi PN có thể được khôi phục hoàn toàn bằng các phương pháp tấn
công hồi quy tuyến tính. Điểm yếu này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng chuỗi
hỗn loạn với biến đổi phi chu kỳ với vô hạn các trạng thái. Tuy nhiên, với các hệ thống
thông tin thực tế, việc đồng bộ tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền dẫn, đặc biệt là kênh vô
tuyến, có độ khả thi thấp. Hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER) qua kênh truyền thực tế kém là

nhược điểm chính vẫn đang còn là thách thức lớn cần giải quyết của các hệ thống thông tin
hỗn loạn đồng bộ.
Để tăng mức độ khả thi của việc áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin, các hệ
thống hỗn loạn không đồng bộ được đề xuất nghiên cứu, trong đó máy thu thực hiện giải
điều chế mà không yêu cầu phát lại hay đồng bộ hỗn loạn. Hệ thống điển hình nhất có thể
kể đến là Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK). Với khả năng hoạt động tốt trong kênh truyền
bị ảnh hưởng bởi nhiễu, fading và đa đường, hầu hết các hệ thống hỗn loạn được đề xuất
cho truyền thông vô tuyến đều dựa trên sự cải tiến hoặc mở rộng từ DCSK.
Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ
thống thông tin thực tế. Điều này bởi vì khả năng mạnh mẽ của điều chế đa sóng mang
trong việc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự (ISI) được tạo ra bởi truyền dẫn số tốc độ
cao qua kênh truyền fading đa đường với trải trễ. Kỹ thuật MCM chia băng thông truyền
dẫn thành nhiều băng con hẹp. Dòng bit tốc độ cao được chia nhỏ thành nhiều dòng bit tốc
độ thấp, được điều chế vào các sóng mang con và phát lên các băng con tương ứng. Việc
chia nhỏ băng thông làm cho kênh truyền fading lựa chọn tần số ứng với mỗi sóng mang
con lại có đặc tính fading phẳng. Do đó, loại bỏ được ảnh hưởng của ISI đến hiệu năng
BER, cải thiện chất lượng hệ thống. Về cơ bản, điều chế đa sóng mang dựa trên phương
pháp cơ bản là Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM). Kỹ thuật này sau đó được phát

1


triển để có thể thực thi dễ dàng hơn trên nền tảng xử lý số tín hiệu, tạo ra kỹ thuật Ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
Cho đến nay, ứng dụng điều chế đa sóng mang vào nâng cao chất lượng của các hệ
thống thông tin hỗn loạn chỉ mới được đề cập trong các nghiên cứu gần đây của Kaddoum.
Trong đó, tác giả đã nghiên cứu kết hợp đa sóng mang vào hệ thống DCSK truyền thống
để đề xuất ra hai hệ thống mới đó là khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang (MC-DCSK)
và khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang trực giao (OFDM-DCSK). Các kết quả đạt

được đã chỉ ra rằng, các hệ thống đa sóng mang này cải thiện chất lượng rõ rệt so với các
hệ thống thông tin không đồng bộ truyền thống qua kênh truyền fading với trải trễ đa
đường.
Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án
Động lực
 Ưu điểm của truyền thông hỗn loạn và điều chế đa sóng mang: truyền thông hỗn
loạn cũng đã thể hiện được những ưu điểm nổi bật như hỗ trợ đa truy nhập phân chia
theo mã, hoạt động tốt dưới ảnh hưởng của fading đa đường, tăng cường tính bảo
mật lớp vật lý với xác suất bị chặn thấp, và việc phát ra hỗn loạn có thể thực hiện
đơn giản bằng mạch tương tự cũng như trên nền tảng xử lý số tín hiệu. Mặt khác, kỹ
thuật điều chế đa sóng mang cũng đã chứng minh được khả năng nâng cao chất
lượng truyền thông qua các kênh truyền thực tế. Dó đó việc kết hợp giữa điều chế
hỗn loạn và đa sóng mang là một hướng nghiên tiềm năng và khả thi, hướng tới áp
dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin thực tế.
 Truyền thông hỗn loạn đa sóng mang một hướng nghiên cứu mở chỉ mới được khai
thác: các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang chỉ mới được
đưa ra gần đây. Hiện tại, chỉ có hai hệ thống không đồng bộ được đề xuất đó là MCDCSK và OFDM-DCSK. Những kết quả nghiên cứu này mới chỉ là mở đầu cho một
hướng nghiên cứu mới về truyền thông hỗn loạn đó là sự kết hợp với đa sóng mang,
do đó vẫn còn rất nhiều tài nguyên nghiên cứu để các nhà khoa học cùng nhau khám
phá.
Những đặc điểm kể trên là động lực mạnh mẽ thôi thúc nghiên cứu sinh chọn và thực
hiện nội dung nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đa sóng mang trong luận án tiến sĩ này.
Mục tiêu
 Đề xuất và thực hiện hệ thống đa sóng mang DCSK cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp
(RSS), gọi là hệ thống RSS-MC-DCSK. Hệ thống này nhằm cải tiến hiệu năng tỷ lệ lỗi
bit (BER) cũng như hiệu suất sử dụng băng thông cho hệ thống MC-DCSK truyền
thống.
 Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào xáo trộn các sóng mang con trực giao trong OFDM
nhằm tăng cường tính bảo mật, đồng thời đề xuất và thực hiện trải phổ chuỗi trực tiếp
hỗn loạn (CDSSS) trong hệ thống OFDM nhằm cải thiện hiệu năng tỷ lệ lỗi bit qua

kênh truyền fading.
Đối tượng
 Các hệ thống thông tin số sử dụng kỹ thuật hỗn loạn.
 Các hệ thống thông tin hỗn loạn sử dụng đa sóng mang và đa sóng mang trực giao.
Giới hạn
 Các hệ thống được thiêt kế và phân tích với đơn người sử dụng
 Hệ thống với đa người sử dụng và việc phân tích đánh giá chi tiết khả năng bảo mật là
hướng phát triển tiếp theo của luận án.

2


 Mô hình hóa và phân tích hệ thống ở băng cơ sở, băng cao tần (RF) với đa sóng mang
được xem như là phương tiện truyền dẫn tín hiệu hỗn loạn qua kênh truyền.
Phương pháp
Phương pháp nghiên cứu dựa trên phân tích lý thuyết và kiểm chứng thông qua mô
phỏng số.
Tổ chức nội dung của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương như sau:
 Chương 1. Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn: chương này tổng hợp một
cách hệ thống về hỗn loạn và ứng dụng hỗn loạn trong kỹ thuật truyền thông. Trạng
thái động và tín hiệu của hệ thống động phi tuyến hỗn loạn với các đặc điểm điển hình
sẽ được tóm tắt. Ứng dụng tín hiệu hỗn loạn vào các hệ thống thông tin và các kết quả
đã đạt được trong gần hai thập kỷ vừa qua được tổng hợp. Nguyên lý thực hiện, sơ đồ
cụ thể cho các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ nói chung và các
hệ thống sử dụng đa sóng mang nói riêng sẽ được mô tả và phân tích.
 Chương 2. Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp:
chương này đề xuất và thực hiện hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang
với chuỗi trải phổ lặp nhằm cải thiện chất lượng so với hệ thống truyền thống. Sơ đồ
máy phát và máy thu được thiết kế và tính toán. Mô hình ước lượng lý thuyết BER qua

các kênh nhiễu và fading được mô tả và phân tích. Sự cải thiện về hiệu suất năng
lượng và hiệu suất băng thông được chứng minh. Mô phỏng số và các kết quả được chỉ
ra để kiểm tra lại các kết quả lý thuyết đạt được.
 Chương 3. Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn: hai hướng tiếp cận sử
dụng hỗn loạn trong các hệ thống OFDM được đề xuất. Thứ nhất, áp dụng hàm Baker
để xáo trộn hỗn loạn sóng mang con trong OFDM nhằm nâng cao tính bảo mật hệ
thống. Thứ hai, áp dụng trải phổ chuỗi hỗn loạn-NRZ vào hệ thống OFDM nhằm cải
thiện hiệu năng qua kênh truyền. Sơ đồ và hoạt động của các hệ thống đề xuất được
đưa ra và phân tích chi tiết. Hiệu năng BER qua các kênh truyền AWGN và Rayleigh
fading được đánh giá thông qua mô phỏng số.

Chương 1
Tổng quan về hỗn loạn và kỹ thuật thông tin số hỗn loạn
1.1. Hỗn loạn và các đặc điểm
Hai đặc điểm quan trọng để một quá trình hoặc một hệ thống động được xem là hỗn
loạn như sau: (i) các trạng thái tương lai của quá trình hoặc hệ thống được xác định chính
xác nếu điều kiện khởi động được biết trước; (ii) các trạng thái tương lai của quá trình
hoặc hệ thống là không thể dự đoán được nếu điều kiện đầu không được xác định.
Các hệ thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau:
( ) ( )
 Dạng liên tục của thời gian: ⁄
, trong đó ( ) là biến trạng
thái một hoặc nhiều chiều, và
là thời điểm và giá trị khởi động.
( ) ( ), với
(
)
 Dạng rời rạc của thời gian:
là giá trị khởi động,
là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều ở bước lặp thứ .

Hình 1.1(a) chỉ ra dạng sóng biến đổi hỗn loạn liên tục theo thời gian của biến trong
hệ thống động Lorenz với hai tập điều kiện đầu sai khác nhau rất nhỏ. Chúng ta có thể thấy
rằng các tín hiệu ban đầu xuất phát gần như cùng một điểm, nhưng sau đó chúng tách biệt
nhanh chóng và trở nên khác nhau hoàn toàn. Dạng sóng của tín hiệu hỗn loạn rời rạc được

3


phát ra bởi hàm Logistic được đưa ra trong Hình 1.1(b). Biên độ tín hiệu biến đổi hỗn loạn
trong khi khoảng cách thời gian giữa hai giá trị hỗn loạn liên tiếp là không đổi.
Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin được mở ra sau công trình
công bố của Pecora và Carroll về khả năng đồng bộ của hệ hỗn loạn. Các nghiên cứu sau
đó chỉ ra rằng các tín hiệu hỗn loạn có đặc tính tương tự như chuỗi giả ngẫu nhiên trong
truyền thông trải phổ. Dựa vào các đặc điểm này, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như các
sóng mang băng rộng thay thế cho sóng mang điều hòa hoặc là chuỗi giả ngẫu nhiên trong
các hệ thống thông tin truyền thống.

(a)

(b)
Hình 1.1. Dạng sóng thời gian của biến trạng thái trong: (a) hệ Lorenz liên tục với điều kiện khởi
động khác nhau, (b) trong hệ logistic map rời rạc

1.2. Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu
Các mạch điện tử có thể phát ra cả tín hiệu hỗn loạn liên tục lẫn rời rạc. Ví dụ điển
hình nhất của phát tín hiệu hỗn loạn liên tục là mạch Chua và mạch dao động Colpitts. Tuy
nhiên bởi vì thời gian duy trì trạng thái tín hiệu là không xác định và không điều khiển
được, các tín hiệu hỗn loạn liên tục không được đề xuất sử dụng trong thông tin số trải
phổ. Thay vào đó, các tín hiệu hỗn loạn rời rạc với thời gian trạng thái xác định bằng bước
lặp tính toán được ứng dụng phổ biến. Nhiều phương pháp thực thi hệ thống động hỗn

loạn đã được đề xuất trên nền tảng mạch số như FPGA, DSP hay máy tính, nhằm cải thiện
tính chất lượng cũng như đảm bảo tính giả ngẫu nhiên và bảo mật của tín hiệu hỗn loạn
được phát ra.

4


Tín hiệu hỗn loạn sau khi qua kênh truyền chịu sự tác động của nhiễu cộng, do đó để
cải thiện chất lượng của các hệ thống thông tin hỗn loạn, tỷ lệ SNR phải được nâng cao.
Bởi vì tín hiệu hỗn loạn có đặc tính giống nhiễu ngẫu nhiên, do đó các bộ lọc tuyến tính
không có tác dụng trong việc lọc tách nhiễu ra khỏi tín hiệu trộn tổng hợp. Dựa trên hiểu
biết tiên nghiệm của các hệ thống động hỗn loạn, nhiều hướng tiếp cận đã được đề xuất để
giảm hoặc loại bỏ sự hiện diện của nhiễu trong các tín hiệu phi tuyến.
1.3. Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn
Đồng bộ là quá trình bắt buộc để thiết kế các hệ thống hỗn loạn đồng bộ. Đã có nhiều
phương pháp đồng bộ được đề xuất cho các hệ thống thông tin hỗn loạn. Về cơ bản, các
phương pháp đồng bộ có thể được chia thành hai nhóm chính như sau: (i) các kỹ thuật
đồng bộ đặc tính hỗn loạn; (ii) các hướng tiếp cận đồng bộ truyền thống được ứng dụng
cho truyền thông hỗn loạn. Trong nhóm thứ nhất, các hệ thống chủ động và thụ động được
sử dụng cho đồng bộ, trong đó một tín hiệu hỗn loạn liên kết được phát từ hệ chủ động
được sử dụng để lái hệ thụ động, bắt buộc hệ thụ động phát ra một bản sao chính xác được
đồng bộ của tín hiệu liên kết. Nhóm thứ hai phát triển các phương pháp đồng bộ trong các
hệ thống thông tin truyền thống như là đồng bộ pha và lấy mẫu cho ứng dụng trong các hệ
thống thông tin hỗn loạn đồng bộ. Trong nhóm phương pháp này, các bộ phát hỗn loạn ở
máy thu phải có cùng điều kiện khởi động như ở hệ thống ở phía phát. Mục đích của các
kỹ thuật đồng bộ này là loại bỏ sai lệch đồng hồ bên máy thu nhằm phát ra chuỗi hỗn loạn
được đồng bộ chính xác về mặt thời gian.
1.4. Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ
Truyền thông sử dụng hỗn loạn có thể được phân thành hai nhóm chính tùy thuộc vào
phương pháp giải điều chế bên phía thu đó là: đồng bộ và không đồng bộ. Bảng 1.1 liệt kê

các hệ thống thông tin số hỗn loạn đồng bộ điển hình đã được đề xuất, bao gồm cả hệ
thống tương tự và số.
Bảng 1.1. Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ
Hệ thống tương tự

Mặt nạ hỗn loạn
Điều chế hỗn loạn
Khóa dịch hỗn loạn (CSK)
Điều chế vị trí xung hỗn loạn (CPPM)
Hệ thống số
Trải phổ chuỗi hỗn loạn trực tiếp (CDSSS)
Đa truy nhập phân chia theo mã hỗn loạn (CDS-CDMA)
Một trong những hệ thống được nghiên cứu phổ biến là trải phổ chuỗi hỗn loạn trực
tiếp (CDSSS) dựa trên sơ đồ trải phổ trực tiếp truyền thống sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên,
trong đó chuỗi PN được thay thế bởi chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát ra bởi các hàm lặp
hỗn loạn. Trong máy phát, quá trình trải phổ được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp dữ
liệu nhị phân vào với chuỗi hỗn loạn. Một trong những thông số quan trọng của hệ thống
CDSSS là hệ số trải phổ (SF), là tỷ số giữa độ rộng bit của chuỗi dữ liệu và độ rộng chip
(khoảng cách bước lặp) của chuỗi hỗn loạn. Thông số này quyết định hiệu năng hệ thống
qua kênh truyền. Bên máy thu, chuỗi hỗn loạn rời rạc được phát lại và đồng bộ với tín hiệu
thu. Quá trình đồng bộ được thực hiện theo nguyên lý đồng bộ chuỗi PN truyền thống, bao
gồm hai bước bắt và bám. Quá trình giải trải phổ sau đó dựa trên việc tính tương quan giữa
tín hiệu nhận được và chuỗi hỗn loạn được đồng bộ. Giá trị tương quan đầu ra được lấy
mẫu với chu kỳ bằng độ rộng bit. Các giá trị mẫu thu được được so sánh với mức ngưỡng
không để khôi phục dữ liệu ở đầu ra.

5


Với việc sử dụng đồng bộ chuỗi rời rạc như trải phổ truyền thống, hiệu năng của hệ

thống CDSSS qua kênh truyền bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo tốt hơn, do đó tính khả thi
cho việc ứng dụng CDSSS vào các hệ thống thông tin thực tế được tăng lên. Đây cũng là
lý do hầu hết các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn đồng bộ gần đây đều tập trung vào
nghiên cứu hiệu năng của CDSSS trong các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã hỗn
loạn (CDS-CDMA).
1.5. Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ
Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ được đề xuất và trở thành hướng
nghiên cứu phổ biến được đầu tư mạnh mẽ trong suốt một thập kỷ qua. Với việc giải điều
chế không yêu cầu đồng bộ, máy thu trở nên đơn giản và hoạt động tin cậy hơn qua kênh
truyền thực tế. Bảng 1.2 tổng kết các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ đã được
đề xuất, trong đó chỉ có hai hệ thống tương tự, còn lại là các hệ thống số là mở rộng và cải
tiến của phương pháp cơ bản DCSK.
Bảng 1.2. Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ
Hệ thống tương tự Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK)
Điều chế thông số hỗn loạn (CPM)
Hệ thống số
Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK)
Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần (FM-DCSK)
Khóa dịch trễ tương quan (CDSK)
DCSK hiệu năng cao (HE-DCSK)
DCSK điều chế tham chiếu (RM-DCSK)
DCSK mã Walsh đa truy nhập (DCSK-WC)
DCSK cải tiến (I-DCSK)
Các hệ thống khác: DCSK/S, DCSK/AV, NR-DCSK,
DDCSK-WC, SR-DCSK, PS-DCSK, CM-DCSK
Hệ thống số không đồng bộ cơ bản và phổ biến nhất đó là khóa dịch hỗn loạn vi sai
(DCSK). Mỗi độ rộng bit được chia thành hai khe thời gian bằng nhau. Khe thứ nhất phát
đi tín hiệu hỗn loạn rời rạc tham chiếu, trong khi đó khe thứ hai phụ thuộc vào giá trị nhị
phân bit dữ liệu là “1” hay “0”, tín hiệu tham chiếu hay bản đảo ngược của nó sẽ được
truyền đi tương ứng. Bên phía thu thực hiện tính toán tương quan giữa tín hiệu đến với

phiên bản trễ của nó trong mỗi khoảng thời gian bit để khôi phục dữ liệu. Với mục đích cải
thiện và nâng cao các thông số của hệ thống DCSK như tốc độ dữ liệu, hiệu năng BER,
hiệu suất phổ, hiệu suất năng lượng, độ bảo mật, hay độ phức tạp, qua các kênh truyền
khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, các hệ thống được phát triển hoặc mở rộng khác dựa
trên DCSK đã được đề xuất như FM-DCSK, CDSK, HE-DCSK, RM-DCSK, I-DCSK,
CM-DCSK, vv.
1.6. Các hệ thống thông tin hỗn loạn đa sóng mang
Bởi vì những ưu điểm của điều chế đa sóng mang và phương pháp DCSK, các hệ
thống dựa trên sự kết hợp giữa chúng đã được đề xuất nghiên cứu gần đây cho thông tin vô
tuyến. Cho đến nay, mới chỉ có hai hệ thống được đề xuất bởi Kaddoum và các cộng sự đó
là DCSK đa sóng mang (MC-DCSK) và DCSK đa sóng mang trực giao (OFDM-DCSK).
1.6.1. Hệ thống MC-DCSK
Hệ thống MC-DCSK kết hợp DCSK với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số
). Bên
(FDM). Hình 1.2 chỉ ra sơ đồ khối hệ thống sử dụng sóng mang con với (
máy phát, dòng bit dữ liệu tốc độ cao đầu vào được chia thành
dòng tốc độ thấp và

6


sau đó được nhân với cùng một tín hiệu hỗn loạn tham chiếu. Một sóng mang con được
mặc định sử dụng để phát tín hiệu hỗn loạn tham chiếu, trong khi tất cả các sóng mang còn
lại được sử dụng để phát tín hiệu mang dữ liệu. Do đó, một tín hiệu tham chiếu được dùng
để phát chung cho
bit, điều này làm tăng tốc độ dữ liệu đồng thời tăng hiệu suất
năng lượng của hệ thống. Bên phía thu, sau khi giải điều chế để loại bỏ sóng mang con và
tối đa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm bằng cách sử dụng các bộ lọc phối hợp (Matched filter),
quá trình giải điều chế tương quan song song được thực hiện để khôi phục đồng thời
chuỗi bit con. Các chuỗi này sau đó được ghép lại để khôi phục dòng bit tốc độ cao

ở đầu ra.
Phát hỗn
loạn

f0

xu,1(t)

S/P

s1,U

S1,u,1

f1

s1,1

e(t)

Dữ liệu
vào

fM-1

SM-1,u,1

sM 1,1

sM 1,U

(a)
f0
Bộ lọc phối
hợp

Ma trận O

f1
Bộ lọc phối
hợp

r(t)

Sign(O·G’)
Ma
trận
G

fM-1
Bộ lọc phối
hợp

P/S
Dữ liệu ra

kTc

(b)
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống MC-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu

Các kết quả đạt được chỉ ra rằng hiệu năng BER của MC-DCSK với số sóng mang con
là tương đương với DCSK. Tuy nhiên khi số sóng mang tăng lên, với cùng một hệ
số trải phổ và cùng điều kiện kênh truyền, hiệu năng BER của MC-DCSK được cải thiện
rõ rệt so với DCSK.
1.6.2. Hệ thống OFDM-DCSK
Hệ thống kết hợp giữa DCSK và OFDM được đề xuất nhằm mục đích giảm độ phức
tạp, hoạt động tốt trong kênh fading đa đường và cho phép thực hiện đa truy nhập đa người
dùng. Sơ đồ hệ thống được đưa ra như trong Hình 1.3. Hệ thống sử dụng tổng cộng
sóng mang con và hỗ trợ đa truy nhập cho user, trong đó mỗi user sử dụng
sóng
mang con riêng và
sóng mang con chung với các user khác. Điều này có nghĩa là
. Các sóng mang con riêng được sử dụng để phát các tín hiệu tham chiếu
của mỗi user, trong khi các sóng mang chung được dùng để mang dữ liệu. Để tiết kiệm
năng lượng phát,
tín hiệu tham chiếu hỗn loạn được dùng để phát bit với
thay vì dùng tín hiệu tham chiếu như trong hệ thống DCSK truyền thống. Bên phía máy

7


thu, chuyển đổi nối tiếp - song song và giải điều chế đa sóng mang chuyển về băng cơ bản
được thực hiện. Tín hiệu tham chiếu được khôi phục và được sử dụng để giải trải phổ
tương quan như trong hệ thống DCSK.
Kết quả chỉ ra sự cải thiện rõ rệt hiệu năng của hệ thống OFDM-DCSK so với các hệ
thống DCSK và MC-DCSK trong các kênh truyền AWGN và fading đa đường.
User 1

Phát hỗn
loạn

Tín hiệu mang tin
Dữ
liệu

Tín hiệu tham chiếu
S/P

I
F
F
T

e(t)
P/S

CP

User p
User P

(a)
r(t)

Xóa
CP

S/P

F
F

T

R

Y

Giải điều
chế DCSK

Dữ
liệu

Tín hiệu tham chiếu

(b)
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu
1.7. Kết luận
Chương 1 đã trình bày tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn. Có thể thấy từ các
nội dung đã trình bày rằng: (i) hai hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và không đồng bộ
được nghiên cứu phổ biến và rộng rãi nhất tương ứng là CDSSS ứng dụng trong CDSCDMA và DCSK với các biện pháp mở rộng; (ii) điều chế đa sóng mang chỉ mới được kết
hợp với hệ thống DCSK để tạo ra hai hệ thống không đồng bộ mới là MC-DCSK và
OFDM-DCSK. Các hệ thống này đã chứng minh được ưu điểm của chúng trong việc nâng
cao chất lượng truyền thông qua kênh truyền ảnh hưởng bởi nhiễu và méo do fading đa
đường.

Chương 2
Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp
2.1. Hạn chế của hệ thống truyền thống và ý tưởng đề xuất
Trong hệ thống MC-DCSK truyền thống đã được mô tả ở Mục 1.6.1, việc sử dụng một
sóng mang con riêng biệt để mang tín hiệu tham chiếu (tín hiệu này không mang thông tin)

sẽ làm cho hiệu suất băng thông và hiệu suất năng lượng của MC-DCSK bị hạn chế, đặc
biệt là khi số lượng sóng mang con thấp. Hơn nữa, các máy thu đánh cắp thông tin sẽ dễ
dàng quan sát và khôi phục lại tín hiệu hỗn loạn tham chiếu này và sử dụng nó cho việc
giải trải phổ và giải mã thông tin. Dó đó tính bảo mật thấp cũng là một hạn chế của MCDCSK.

8


Để khắc phục những nhược điểm ở trên, trong chương này, một hệ thống MC-DCSK
cải tiến sẽ được đề xuất và thực hiện. Trong đó thay vì gửi đi tín hiệu tham chiếu, một tín
hiệu được điều chế DCSK sẽ được gửi đi trên sóng mang con mặc định. Tất cả các sóng
mang con còn lại vẫn dùng để phát tín hiệu trải phổ mang thông tin. Một chuỗi trải phổ lặp
(RSS) sẽ được tạo ra bằng cách copy tín hiệu tham chiếu trong khe thời gian thứ nhất và
khe thứ hai của cùng một khung truyền. Tín hiệu này sau đó sẽ được nhân đồng thời với tất
cả các chuỗi bit con song song tốc độ thấp. Các tín hiệu trải phổ mang thông tin đầu ra sẽ
được gửi đi trên các sóng mang con tương ứng. Do đó hệ thống cải tiến đề xuất được đặt
tên là DCSK đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp (RSS-MC-DCSK).
2.2. Thiết kế hệ thống RSS-MC-DCSK
Sơ đồ cho máy phát và máy thu của hệ thống RDS-MC-DCSK được thiết kế và đưa ra
trong Hình 2.1(a) và (b) tương ứng.
MC-Mod.
d1(t)

Trễ β
Khối
phát hỗn
x(t)
loạn
Dữ liệu
vào

b(t)

c(t)
b1(t)

f1

d2(t)

e(t)

Mod
.
.
. f2
.
dM(t) .
.
Mod

b.2(t)
.
.

S/P

Mod

bM(t)

fM

(a)
MC-Demod.
Demod

Trễ β
pk,l,1
Σ 1β
2βTc
Σ 1β
. βTc
.
. pk,l,M
Σ 1β

g1(t)

f1
r(t)

Demod
.
. f2
.
Demod

g2(t)

gM(t)

.
.
.

PS

Dữ
liệu ra

βTc

fM

(b)
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống RSS-MC-DCSK: (a) máy phát và (b) máy thu
2.2.1. Máy phát
Dòng dữ liệu nhị phân tốc độ cao đầu vào được chia thành
chuỗi dữ liệu song song
( ) với
tốc độ thấp, kí hiệu
, trong đó tốc độ bit của chuỗi thứ nhất
( ) bằng một nửa tốc độ bit của các chuỗi còn lại. Chuỗi thứ nhất ( ) được điều chế
bởi phương pháp DCSK truyền thống. Tín hiệu DCSK đầu ra trong thời gian khung thứ
có thể được biểu diễn như sau:
{

(

9

)


trong đó,
* + là giá trị nhị phân của bit thứ trong chuỗi bit ( );
chip thứ của bit thứ trong nửa thời gian tham chiếu;
là phiên bản trễ
lấy mẫu chip của
; và là tỷ số giữa độ rộng bit và động rộng chip,
xem như là hệ số trải phổ của hệ thống.

là giá trị
xung nhịp
, được

Tin hiệu điều chế DCSK được phát bởi sóng mang con f1
...

(l/2+½)th Data

...

st

(l+1) Ref.

...

(l+1)st Data

(l/2+½)th Ref.

...

1st Data

copy

Chuỗi trải phổ lặp
...
l Ref.
2st Ref.
st

1st Ref.
copy
1st Ref.

Tín hiệu trải phổ mang thông tin được phát bởi sóng mang con f2
lst Data

...

2st Data

1st Data.

.

.
.
Tín hiệu trải phổ mang thông tin được phát bởi sóng mang con fM
...
(l+1)st Data
lst Data
2st Data
1st Data

...

(a)
BΣ =M(1+α)/Tc

.
.
.

B=(1+α)/Tc

fM

f2

B=(1+α)/Tc f
1

f

(b)

Hình 2.2. Minh họa của (a) các tín hiệu băng cơ sở trong máy phát và (b)mật độ phổ
công suất của tín hiệu được phát lên kênh truyền.
Một chuỗi trải phổ lặp ( ) được tạo ra bằng cách copy tín hiệu tham chiếu trong khoảng
thời gian thứ nhất của tín hiệu DCSK vào khoảng thứ hai của cùng một khung. Chuỗi trải
( ) có thể được xác định
phổ lặp ( ) trong khoảng thời gian của bit thứ của chuỗi bit
bởi
{

(

( ) với
Các chuỗi bit song song,
lặp ( ) để tạo ra các tín hiệu trải phổ mang tin

)

, được nhân trực tiếp với chuỗi trải phổ
( ) được xác định bởi
( )
( ) sau đó được đưa vào các bộ điều chế sóng mang con
Tất cả các tín hiệu đạt được
cao tần (MC-Mod. block), trong đó phổ của các tín hiệu đầu vào được giới hạn tới một
băng thông xác định thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist,
(
) , bằng cách sử dụng các
bộ lọc cosin nâng căn bậc hai với hệ số roll-off là α. Các tín hiệu sau lọc có băng thông
giới hạn được điều chế với
sóng mang cao tần tương ứng,
. Tín hiệu ghép

phổ ( ) được cũng chính là tín hiệu đầu ra của máy phát và được phát trên kênh truyền
dẫn.

10


Minh họa các tín hiệu băng cơ sở trong máy phát được đưa ra trong Hình 2.2(a). Hình
2.2(b) minh họa mật độ phổ công suất của tín hiệu ( ) với tổng băng thông chiếm giữ trên
kênh truyền là
.
2.2.2. Máy thu
Tín hiệu đầu ra kênh truyền cũng chính là tín hiệu nhận được ở đầu vào máy thu có được
biểu diễn bởi
( )
( )
( )
( )
trong đó, ( ) là nhiễu Gau-xơ trắng cộng (AWGN) và là hệ số fading biến đổi ngẫu
nhiên theo phân bố Rayleigh như sau
(
)
( )
( )
với là thông số tỷ lệ của phân bố.
Tín hiệu nhận được trước hết được đưa vào bộ giải điều chế đa sóng mang (MC-Demod.
block) bao gồm một tập các bộ giải điều chế cao tần tương ứng. Các tín hiệu cao tần đầu
vào sẽ được chuyển xuống cùng băng tần cơ bản và sau đó được giải điều chế bằng một
tập các bộ lọc phối hợp tương ứng. Máy thu sẽ thực hiện quá trình tái tạo chuỗi trải phổ lặp
từ tín hiệu được khôi phục ( ) từ sóng mang mặc định. Phương pháp tái tạo hoàn toàn
tương tự như cách tạo ra nó ở phía phát.

Một tập gồm
bộ tính tương quan tương ứng được sử dụng để tính toán giá trị tương
quan trong mỗi thời gian bit
giữa các tín hiệu sau giải điều chế đa sóng mang
và
chuỗi trải phổ lặp được tái tạo. Những giá trị tương quan này được lấy mẫu ở cuối thời
gian mỗi bit. Giá trị mẫu ở đầu ra bộ tương quan thứ nhất được tính bởi
∑
∑
(
)(
) ( )
trong khi các giá trị mẫu ở đầu ra các bộ tương quan còn lại được xác định bởi
∑
∑ (
).
/
( )
với
và
là giá trị của mẫu AWGN.
Dựa vào các giá trị mẫu đạt được, các dòng bit con song song sẽ được khôi phục bằng
cách so sánh với mức ngưỡng không. Các chuỗi bit con song song được kết hợp lại theo
đúng quy luật phía phát để khôi phục lại dòng dữ liệu gốc tốc độ cao thông qua bộ chuyển
đổi song song - nối tiếp (P/S).
2.3. Phân tích hiệu năng BER
2.3.1. Năng lượng bit trung bình
Trong khoảng thời gian của bit thứ , một khe tín hiệu tham chiếu được chia sẻ với
(
) bit được phát đi, trong khi đó trong khoảng thời gian của bit thứ

,
bit
được phát đi mà không phát khe tham chiếu nào. Năng lượng bit trung bình trong khoảng
thời gian của các bit thứ và
được xác định bởi
∑
( )
⁄

2.3.2. Biểu thức BER
Một ngưỡng quyết định chung cho tất cả các trường hợp
bởi

có thể biểu diễn
(

)

với
∑
∑

(

11

)

(

)

(

)


∑
(
)
Trước hết ta xác định giá trị trung bình, trung bình bình phương và phương sai của các
biến
trong trường hợp bit “1” được phát đi. Dựa vào các kết quả đạt được, giá trị
trung bình và phương sai của biến quyết định
được xác định như sau:
,
,

|

|

-

, |

-

, |

-

, |

-

-

, |

, |
-

⁄

, |

(

)

⁄

-

(2.14)
Tương tự như trên, giá trị trung bình và phương sai của ngưỡng quyết định cho trường
hợp bit “-1” được phát đi được xác định bởi, , | , | - và
, | , | -.
Bởi vì các thành phần

là không tương quan, bên cạnh đó các mẫu giá trị nhiễu
trắng cộng và hệ số fading là độc lập, do đó theo lý thuyết giới hạn trung tâm (CLT) biến
quyết định
được xấp xỉ là một biến ngẫu nhiên có phân bố Gau-xơ. Tỷ lệ lỗi bit của bit
thứ trong chuỗi dữ liệu con thứ có thể được xấp xỉ bởi biểu thức sau:
(
|
)
(
|
)
-)

|

( ,

-

|

,

((

) )

(

((

(
(

)

-

|

,
|

( ,

-)

) )

) ,
(

(

)

)

(
)

2.3.3. Tích phân số
Trong quá trình thông tin, bởi vì hệ số fading biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố
Rayleigh, đồng thời năng lượng bit
biến đổi theo trạng thái hỗn loạn của chuỗi trải phổ
sử dụng, do đó công thức xác định BER trong (2.15) cũng biến đổi đồng thời theo hai đại
lượng này. Sử dụng phương pháp tích phân số, BER của hệ thống RSS-MC-DCSK khi xét
đến cả ảnh hưởng của biến đổi do fading và hỗn loạn được xác định như sau:

với

∫

((

∫

((

.

(

/

.

.

(

/

) + ) .

/

.

/

/ .

/

(

)

) + ) ( ) ( )

và ( ) là hàm mật độ xác suất (PDF) của biến

. Việc xác định lý

thuyết PDF được thay thế bằng phương pháp tích phân số. Theo đó, biểu đồ phân bố xác
suất của biến
được xác định thông qua tính toán bằng công cụ số. Biểu đồ này có thể
được xem như là một cách ước lượng xấp xỉ của PDF. Sử dụng biểu đồ phân bố, BER của
hệ thống được xấp xỉ bởi:
∑

((

.

/

12

(

.

/

) + ) .

/

(

)


trong đó là số điểm (hay số khoảng) giá trị của biểu đồ và
năng lượng rơi vào giá trị trung
của mỗi khoảng.

.

/ là xác suất để có

(a)
(b)
Hình 2.3. Biểu đồ phân bố giá trị của biến với: (a) Kênh truyền AWGN, (b) Kênh
Rayleigh fading
Biểu đồ phân bố của biến trong hai trường hợp của kênh truyền là AWGN và Fading
cho các cặp giá trị khác nhau của số lượng sóng mang và hệ số trải phổ là ,
,
-,
-,
-,
-, được vẽ lên bởi
khoảng giá trị được đưa ra như
trong Hình 2.3(a) and 2.3(b) tương ứng. Hàm hỗn loạn rời rạc được sử dụng là hàm đa
thức Chebysev bậc 2 được biểu diễn bởi
(
)
Các biểu đồ phân bố này sẽ được sử dụng để xác định hiệu năng BER của hệ thống đề xuất
theo công thức (2.17).
2.4. Hiệu suất năng lượng và băng thông
Hiệu suất năng lượng (EE) được đánh giá bằng tỷ lệ năng lượng dữ liệu được phát trên
năng lượng bit được phát, trong khi đó hiệu suất băng thông (BE) được xác định bằng tỷ số
giữa tốc độ bit (BR) và băng thông (BW) chiếm giữ trên kênh truyền. Bởi vì hệ thống đề
xuất sử dụng một tham chiếu để chia sẻ cho (
) bit trong mỗi thời gian bit ,
trong khi đó băng thông tổng chiếm giữ vẫn như hệ thống MC-DCSK, do đó hiệu suất
năng lượng và băng thông được tính như sau:
(
)

(

) (
(

)

)

(

)
(

)

(

)

Hình 2.4 cho thấy sự cải thiện hiệu suất năng lượng của MC-DCSK và RSS-MC-DCSK
so với DCSK và của RSS-MC-DCSK so với MC-DCSK, đặc biệt với các trường hợp có số
sóng mang con thấp. Khi số lượng sóng mang con tăng lên và tiến tới vô cùng, hiệu suất
năng lượng của RSS-MC-DCSK và MC-DCSK tiến đến gần nhau và tiến đến . Tỷ lệ hiệu
suất năng lượng và hiệu suất băng thông của RSS-MC-DCSK và DCSK là như nhau và
luôn lớn hơn
. Khi tăng số lượng sóng mang con, các tỷ lệ này cũng tăng lên và tiến
đến . Mặt khác, các tỷ lệ này đối với RSS-MC-DCSK và MC-DCSK là luôn lớn hơn .
Những tỷ lệ này giảm dần đến 1 khi số lượng sóng mang con tăng dần đến vô cùng.

13


Hình 2.4. So sánh hiệu suất năng lượng (EE), tỷ lệ hiệu suất năng lượng (REE) và tỷ lệ
hiệu suất băng thông (RBE) giữa RSS-MC-DSCK, MC-DCSK, và DCSK

(a)
(b)
Hình 2.5. Hiệu năng BER của hệ thống RSS-MC-DCSK dưới kênh truyền: (a) AWGN, và
(b) Rayleigh fading
2.5. Mô phỏng và so sánh hiệu năng
Hiệu năng BER đạt được bằng phân tích và mô phỏng qua các kênh truyền AWGN và
Fading được chỉ ra lần lượt như trong các Hình 2.5(a) và (b). Có thể nhận thấy rằng hệ
thống đề xuất thực hiện tốt hơn khi tăng số lượng sóng mang con đồng thời giảm hệ số
trải phổ . Hiệu năng qua kênh AWGN tốt hơn rõ rệt so với hiệu năng qua kênh Fading.
Hình 2.6 (a) và (b) chỉ ra so sánh hiệu năng giữa hệ thống đề xuất và các hệ thống truyền
thống tương ứng với các kênh truyền AWGN và Fading cho các trường hợp khác nhau với
,
- ,
-,
-,
-. Chúng ta có thể quan sát được rằng hệ thống MCDCSK với số sóng mang con
có hiệu năng BER tương đương với hệ thống DCSK

14


truyền thống. Nhìn chung với tất cả các trường hợp, các kết quả mô phỏng là phù hợp và
tương đối chính xác so với các kết quả phân tích. Với miền các giá trị cao của
and

, sai khác giữa hiệu năng phân tích và lý thuyết cũng tăng lên. Hiệu năng BER của
hệ thống RSS-MC-DCSK đạt được tốt hơn so với hệ thống. Hiệu năng của hai hệ thống
này tiến tới gần nhau hơn khi số lượng sóng mang con tăng lên.

(a)
(b)
Hình 2.6. So sánh hiệu năng BER của các hệ thống RSS-MC-DCSK, MC-DCSK, và DCSK
dưới kênh truyền: (a) AWGN và (b) Rayleigh fading
2.6. Kết luận
Chương 2 đã đề xuất và thực hiện hệ thống Khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng mang
với chuỗi trải phổ lặp (RSS-MC-DCSK). Có thể thấy từ các kết quả đạt được các điểm
đáng chú ý sau: (i) Các cải tiến giúp hệ thống đề xuất đạt được các thông số là hiệu suất
năng lượng, hiệu suất băng thông, và hiệu năng BER tốt hơn so với MC-DCSK, đặc biệt là
với số lượng sóng mang con thấp. Khi số lượng sóng mang con tăng lên, các thông số này
cũng được cải thiện, lúc này giá trị các thông số của hệ thống MC-DCSK tiến gần tới giá
trị của RSS-MC-DCSK; (ii) Yếu điểm của hệ thống đề xuất so với MC-DCSK đó là sự
phức tạp hơn về thực hiện do thêm chuyển mạch cả bên máy phát và máy thu. Tuy nhiên
chuyển mạch này chỉ dùng ở băng cơ bản với tốc độ chậm. Thêm vào đó, với công nghệ
mạch tích hợp (IC) phát triển nhanh chóng như ngày này, các sơ đồ phát thu này hoàn toàn
có thể được thực hiên trên nền tảng xử lý số tín hiệu với các nền tảng phần cứng mạnh như
FPGA, DSP, vv. Do đó, sự phức tạp phần cứng tăng lên không phải là vấn đề; (iii) Việc
phát đi tín hiệu điều chế DCSK trên sóng mang con mặc định cũng góp phần cải thiện tính
bảo mật của hệ thống so với MC-DCSK. Vì các khe thời gian tham chiếu và mang tin xen
kẽ nhau, các máy thu lén sẽ khó khăn hơn trong việc tách tín hiệu hỗn loạn tham chiếu ra
khỏi tín hiệu DCSK. Do đó quá trình khôi phục chuỗi trải phổ để thực hiện quá trình khôi
phục dữ liệu sẽ phức tạp hơn.

15

Chương 3
Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn
3.1. Ý tưởng đề xuất
Hai phương pháp tiếp cận mới cho việc áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống OFDM
nhằm tăng cường hiệu năng và tính bảo mật hệ thống, cụ thể như sau: (i) Áp dụng đặc tính
động hỗn loạn của hàm Baker rời rạc để xáo trộn các sóng mang con trong OFDM. Việc
xáo trộn này nhằm mục đích giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PARP),
đồng thời tăng cường bảo mật thông tin lớp vật lý; (ii) Áp dụng trải phổ trực tiếp hỗn loạn
(CDSSS) vào hệ thống điều chế dịch pha đa mức (M-PSK) sử dụng OFDM. Các kí tự sau
điều chế M-PSK được trải phổ trực tiếp sử dụng chuỗi hỗn loạn NRZ. Tín hiệu trải phổ sau
đó được gửi đi trên các sóng mang con của OFDM. Vì bên phía thu cần phát lại và đồng
bộ chuỗi trải phổ để tiến hành giải điều chế, nên hệ thống đề xuất có thể xem như là đồng
bộ.
3.2. Hệ thống OFDM xáo trộn sóng mang con hỗn loạn
3.2.1. Ánh xạ Baker
Ánh xạ Baker rời rạc (Discretized Baker Map - DBM) được minh họa như Hình 3.1, là ánh
xạ hai chiều chia hình vuông kích thước
điểm ảnh thành hình chữ nhật theo
phương thẳng đứng với chiều cao và độ rộng ,
(
), rồi sau đó ánh xạ
theo công thức sau:
(

)

(

(

)

(

*

*

(

)

trong
,
, với
và
. Có thể thấy rằng tập giá trị các thông số (
) được xem như là khóa của
ánh xạ. Bên phía mã hóa và giải mã phải có cùng giá trị khóa để có thể khôi phục đúng ảnh
gốc.

Hình 3.1. Ánh xạ Baker rời rạc

16


3.2.2. Sơ đồ hệ thống
Với một hệ thống OFDM với số sóng mang con là
là kí hiệu (symbol) thông tin,
là tần số sóng mang con,

chu kì mỗi kí tự và ( ) là tín hiệu OFDM. Mẫu thứ
,
-) của ( ) được xác định bằng
(
Khi

(

∑
, phương trình (3.4) trở thành:
(

)

(

)

(

)

(

)

)

( )
Áp dụng ánh xạ Baker rời rạc vào các sóng mang con giả sử ta có xáo trộn như sau: tần

số ánh xạ đến tần số , tần số ánh xạ đến
, …, và
ánh xạ đến
. Chúng ta có
một hệ thống OFDM mới và phương trình (3.5) trở thành:
(

Dữ liệu

S/P

)

(

Ánh xạ
kí tự

.
.

(

Chèn
khoảng
bảo vệ

IDFT DBM

.

.

.

)

)

(

)

Tín hiệu
phát s(t)

.

(a)
Tín hiệu
thu r(t)

Xóa
khoảng
bảo vệ

DFT DBM

.
.

Ánh xạ
ngược
kí tự

.

S/P

Dữ liệu

.

.

.

(b)
Hình 3.2. Hệ thống OFDM đề xuất: (a) phía phát, (b) phía thu
Sơ đồ khối hệ thống OFDM đề xuất được đưa ra như Hình 3.2, trong đó khối “IDFT
with DBM” và “DFT with DBM” là các khối cấp phát sóng mang con theo DBM. Nếu số
sóng mang con lớn hơn 64, ví dụ như 128, 256, …, hệ thống chia thành các nhóm nhỏ, mỗi
nhóm 64 sóng mang con sau đó thực hiện việc xáo trộn trong mỗi nhóm.
3.2.3. Hiệu năng lỗi bit của hệ thống
Hiệu năng BER của hệ thống OFDM đề xuất là tương đương với hệ thống truyền thống
và được xác định bằng công thức sau:
. /
( )
với
,

-

,

-

.

/

(

)

(

)

trong đó,
và
tương ứng là năng lượng kí tự và năng lượng bit,
là thời gian
mang dữ liệu,
thời gian tiền tố lặp, là tổng số sóng mang con và là số sóng mang
được sử dụng mang dữ liệu.
BER qua kênh AWGN của hệ thống OFDM đề xuất trong trường hợp số sóng mang con
là 64 và khoảng bảo vệ bằng một phần tư chu kỳ của kí tự sử dụng điều chế BPSK và
QPSK được chỉ ra như Hình 3.3(a) và (b) tương ứng. Kết quả chỉ ra rằng BER của BPSK

17

và QPSK là như nhau và việc áp dụng xáo trộn Baker vào sóng mang con trong hệ thống
OFDM không gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
0

0

10

10

theoretical BER
OFDM with chaotic subcarriers
Conventional OFDM

theoretical BER
OFDM with chaotic subcarriers
Conventional OFDM
-1

-1

10

BER

BER

10

-2

10

-3

-3

10

10

-4

10

-6

-2

10

-4

-4

-2

0

2

4

6

10

8

-6

-4

-2

0
2
Eb/N0 [dB]

Eb/N0

4

6

8

(a)

(b)
Hình 3.3. BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề
xuất qua kênh AWGN dụng sử (a) BPSK, (b) QPSK
0

0

10

10

Rayleigh fading analytic
64 chaotic subcarriers
128 chaotic subcarriers
256 chaotic subcarriers
512 chaotic subcarriers

-1

-1

10

-2

BER

BER

10

4QAM chaotic subcarriers
16QAM chaotic subcarriers
64QAM chaotic subcarriers
Theoritical 4QAM BER
Theoritical 16QAM BER
Theoritical 64QAM BER

10

-2

10

-3

10

-3

10

-4

10

0

5

10

15

20

25

30

Eb/N0[dB]

-4

10

0

5

10

15

Eb/N0[dB]

20

25

30

(a)
(b)
Hình 3.4. BER theo lý thuyết và mô phỏng hệ thống OFDM đề xuất sử dụng điều chế
QPSK qua kênh Rayleigh fading với: (a) số lượng sóng mang con khác nhau, (b) các
phương thức điều chế khác nhau.
Hình 3.4(a) chỉ ra BER của hệ thống khi truyền qua kênh Rayleigh fading khi thay đổi số
sóng mang con và không kể đến hiệu ứng Doppler. Có thể thấy rằng khi số lượng sóng
mang con thay đổi, không có nhiều thay đổi lớn về BER. Hình 3.4(b) hiển thị đường cong
BER qua kênh fading Rayleigh khi thay đổi phương thức điều chế khác nhau là 4-QAM,
16-QAM và 64-QAM. Kết quả mô phỏng ước lượng BER cho thấy khi tăng số mức điều
chế, tỷ lệ lỗi bit sẽ tăng lên. Các kết quả mô phỏng là phù hợp với kết quả lý thuyết.
3.2.4. Phân tích hệ số tương quan
Bảng 3.1. Hệ số tương quan giữa hai kí tự liền kề trong một kí tự OFDM
OFDM truyền thống OFDM đề xuất
Phương ngang
0,1442
0,0703

18


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 bit thông 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 số tương quan càng nhỏ cho độ bảo mật thông tin càng lớn.

3.3. ệ thống M-PSK/OFDM sử dụng trải phổ trực tiếp hỗn loạn
3.3.1. Máy phát và máy thu
Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống được trình bày trong Hình 3.5. Bên máy phát, trong
khối điều chế M-PSK, dữ liệu nhị phân b(t) đầu vào được chia thành các nhóm k-bit rồi
được ánh xạ tới kí tự tương ứng để xác định giá trị kí tự . Trong quá trình điều chế, độ
rộng thời gian kí tự là cố định và các giá trị kí tự thay đổi từ 0 đến M-1. Ở đây, k là số
lượng bit trên một kí tự, k =
và
là giá trị của kí tự thứ . Tín hiệu sau khi điều
chế M-PSK được biểu diễn như sau:
(
)
( )
∑
( )
∑
( )
(
)
trong đó,
kí hiệu tín hiệu của M-PSK trong thời gian của kí tự thứ ,
là góc pha
ban đầu và
góc pha được xác định bởi
.

Dữ liệu
vào

b(t)

S/P

k-bit Ánh xạ kí Sn
tự

Điều chế
PSK

CDSSS
p(t)

s(t)

S/P

c(t)

Điều chế M-PSK

Chèn hoa
tiêu,
khoảng
bảo vệ

IFFT

Thêm
tiền tố
lặp

e(t)
P/S

Điều chế OFDM

Sign
x(t)
Phát hỗn
loạn

Dữ liệu
khôi phục

k-bit
P/S

Sn Giải điều chế
Ánh xạ
ngược kí tự
PSK

Giải điều chế M-PSK

o(t)

Kênh
truyền

nβ

i(t)

Σ (·)

(n-1)β +1

P/S

c(t)

Xóa hoa
tiêu,
khoảng
bảo vệ

FFT

Xóa tiền
tố lặp

S/P

Giải điều chế OFDM

Sign
x(t)
CDSDS

Phát hỗn

loạn

Hình 3.5. Sơ đồ cấu tr c của hệ thống
Trong khối trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn (CDSSS), bằng cách sử dụng hàm hỗn loạn
với chu kì lặp là , chuỗi hỗn loạn ( ) được tạo ra. Chuỗi trải phổ hỗn loạn-NRZ ( )
⁄ là hệ số trải phổ của
đạt được từ chuỗi hỗn loạn ( ) thông qua hàm dấu. Tỷ số
hệ thống. Quá trình trải phổ sau đó được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu sau khi điều
chế M-PSK ( ) với chuỗi trải phổ ( ). Tín hiệu đầu ra ( ) được đưa vào khối điều chế
OFDM, trong đó, chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) cho các mẫu của tín hiệu ( ) để
tạo ra tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang con, sau đó tiến hành lần lượt việc ch n các
kí tự hoa tiêu (Pilot) và khoảng bảo vệ (Guard), chuyển đổi Fourier nhanh ngược (IFFT),
và chèn thêm tiền tố lặp (Cyclic prefix). Cuối cùng, các tín hiệu song song sau các công

19

r(t)


đoạn xử lý ở trên được ghép thành một tín hiệu nối tiếp ( ) ở đầu ra khối OFDM. Tín
hiệu ( ) cũng là tín hiệu đầu ra máy phát và được phát trên kênh truyền.
Bảng 3.2. Tham số cho hệ thống mô phỏng
Các khối chức năng Các thông số và giá trị cụ thể
Điều chế và giải điều Số lượng kí tự:
chế M-PSK
Pha ban đầu:
Trải phổ và giải trải
Các hàm hỗn loạn:
phổ
Logistic map:

(
)
|
||
Tent map:
|
(
)
Bernoulli map:
Hệ số trải phổ:
Điều chế và giải điều Số lượng sóng mang con: 64
chế OFDM
Số lượng sóng mang dữ liệu: 48
Số lượng sóng mang hoa tiêu: 4
Số lượng kí tự bảo vệ: 12
Kênh truyền
Kênh AWGN
Kênh Rayleigh fading
⁄
(
)
Dịch tần Doppler: 10Hz
Bên máy thu, tín hiệu nhận được từ kênh truyền ( ) được đưa vào khối giải điều chế
OFDM, trong đó tín hiệu đầu vào sẽ được chuyển thành các tín hiệu song song rồi sau đó
sẽ thực hiện các bước xử lý ngược lại với phía phát đó là: loại bỏ tiền tố, biến đổi Fourier
nhanh (FFT), xóa bỏ kí tự hoa tiêu và bảo vệ, và cuối cùng là chuyển từ song song sang
nối tiếp. Tín hiệu đầu ra của khối giải điều chế OFDM ( ) được đưa vào khối giải trải phổ
trực tiếp hỗn loạn (CDSDS). Trong đó, chuỗi trải phổ hỗn loạn-NRZ ( ) được phát lại
tương tự như bên phát và được đồng bộ với tín hiệu đến. Quá trình giải trải phổ trực tiếp
được thực hiện bằng cách nhân chuỗi trải phổ ( ) với tín hiệu ( ). Tín hiệu đầu ra của

khối CDSDS ( ) cho bởi công thức sau:
( )
∑
( )
∑
∑ ( )
( ) ( )
( )
với ( ), ( )
( ) là ký hiệu của các tín hiệu ( ) ( ) và ( ) trong khoảng của kí
tự thứ . Trong khối giải điều chế M-PSK, dựa vào giá trị đầu vào ( ), góc pha
được
tính toán và sau đó giá trị kí tự
của góc pha gần nhất trong chòm sao tín hiệu được xác
định. Cuối cùng, giá trị có được
sẽ được ánh xạ ngược vào nhóm k-bit tương ứng để
khôi phục dữ liệu nhị phân đầu ra.
3.3.2. Mô phỏng số
Các tham số cho hệ thống mô phỏng được đưa ra trong Bảng 3.2. Các Hình 3.6(a), 3.6(b)
và 3.7(a), 3.7(b) chỉ ra tương ứng hiệu năng BER trong các kênh AWGN và Rayleigh
Fading của hệ thống đề xuất trong hai trường hợp: (i) số lượng kí tự tăng dần,
, với hệ số trải phổ cố định
, và (ii) số lượng kí tự xác định
với
giá trị tăng dần hệ số trải phổ,
. Hàm hỗn loạn sử dụng cho tất cả kết quả
mô phỏng là hàm Logistic. Có thể thấy rằng khi tăng số lượng kí tự của điều chế thì hiệu
năng BER cũng trở nên xấu hơn. Ngược lại, việc tăng hệ số trải phổ làm cho giá trị tương
quan sau khi giải trải phổ bên máy thu trở nên rõ ràng hơn.
Trong tất các trường hợp trên, với cùng một tập giá trị các thông số mô phỏng và tỷ số

⁄ , hiệu năng BER hệ thống qua kênh AWGN là tốt hơn so qua kênh fading, đặc biệt

20


đường cong BER trong các trường hợp
và
là như nhau. Chúng ta có thể
thấy rằng bằng việc tăng hệ số trải phổ, hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể trong
kênh AWGN, trong khi đó với kênh Fading, hiệu năng được cải thiện rất ít.

(a)
(b)
Hình 3.6. Hiệu năng BER qua kênh AWGN trong trường hợp: (a) M = 2,4,8,16 và
(b)
và M = 4

(a)
(b)
Hình 3.7. Hiệu năng BER qua Rayleigh Fading trong hai trường hợp: (a) M = 2,4,8,16 và
, (b)
và M = 4.
So sánh giữa hiệu năng BER của hệ thống đề xuất với những hệ thống truyền thống
trong trường hợp
,
và sử dụng hàm Logistic được hiển thị trong Hình
3.8(a). Chúng ta có thể thấy rằng việc sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp làm cho
hiệu năng hệ thống đề xuất là tốt hơn so với hệ thống truyền thống BPSK-OFDM trong
kênh truyển AWGN. Với việc sử dụng kỹ thuật OFDM, hiệu năng BER của hệ thống đã
được cải thiện với hệ thống BPSK-DSSS trong kênh Fading. Hiệu năng mô phỏng của hệ

thống đề xuất với
và
với việc sử dụng các hàm hỗn loạn khác nhau là
Logistic, Tent và Bernouli được trình bày trong Hình 3.8(b). Chúng ta có thể quan sát
được rằng BER trong tất cả các trường hợp là gần như nhau trong cả hai kênh truyền
AWGN và Rayleigh Fading.

21


3.3.3. Đặc điểm bảo mật
Trong thực tế, việc sử dụng các hàm hỗn loạn để phát ra chuỗi hỗn loạn là đơn giản cho
bên máy phát và máy thu hợp lệ có đầy đủ thông tin về cấu trúc hệ thống và giá trị các
tham số. Tuy nhiên, trong hệ thống đề xuất, việc tách và phát lại chuỗi hỗn loạn từ tín hiệu
trên kênh truyền là rất khó khăn cho máy thu đánh cắp thông tin, bởi vì chuỗi hỗn loạn
được nhân với chuỗi dữ liệu NR và được mang bởi các sóng mang con của OFDM. Bởi
vì sự nhạy cảm đặc biệt của đặc tính hỗn loạn vào điều kiện khởi động và sai khác tham số,
một sai số rất nhỏ trong quá trình tách sóng cũng sẽ dẫn đến khác biệt hoàn toàn của chuỗi
phát lại.

(a)
(b)
Hình 3.8. So sánh hiệu năng BER của hệ thống đề xuất với hợp
và M = 4 trong
các trường hợp: (a) với hệ thống truyền thống, (b) với các chuỗi hỗn loạn khác nhau.

(a)
(b)
Hình 3.9. Hiệu năng BER với
và M 4 trong trường hợp không có và có sai khác

điều kiện khởi động: (a) kênh AWGN, (b) kênh Rayleigh Fading.
Hình 3.9(a)và 3.9(b) chỉ ra đường cong BER trong trường hợp sai khác thông số khởi
động trong các kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading. Có thể thấy rằng các đường cong
BER gần như nằm ngang và không đổi ở giá trị
. Đặc điểm này có nghĩa là với các
máy thu không hợp lệ cố tình đánh cắp thông tin, sai khác giá trị thông số là cho quá trình
dò, tách và khôi phục thông tin là thất bại. Do đó việc áp dụng trải phổ hỗn loạn làm tăng
khả năng bảo mật lớp vật lý của hệ thống.

22


3.4. Kết luận
Hệ thống OFDM với các sóng mang con được xáo trộn hỗn loạn theo đặc tính động
của hàm Baker rời rạc thể hiện được ưu điểm trong việc giảm tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình đồng thời tăng cường tính bảo mật cho hệ thống, trong khi đó vẫn giữ
được hiệu năng BER tương đương và kế thừa được những ưu điểm vốn có của hệ thống
OFDM truyền thống, đặc biệt là khả năng loại bỏ ảnh hưởng của fading đa đường đến chất
lượng truyền thông. Mặt khác, hệ thống M-PSK/OFDM sử dụng trải phổ chuỗi hỗn loạnNRZ trực tiếp không những kế thừa được các ưu điểm của hệ thống M-PSK/OFDM truyền
thống trong việc điều chỉnh tốc độ dữ liệu linh hoạt với điều chế M-PSK và nâng cao hiệu
năng BER trong kênh fading đa đường với kỹ thuật OFDM mà còn cải thiện hiệu năng
BER qua kênh nhiễu và khả năng bảo mật với việc sử dụng trải phổ hỗn loạn.
Những đặc điểm đề cập trên làm cho các hệ thống đề xuất trở nên khả thi để tiếp tục
nghiên cứu phát triển hướng tới ứng dụng vào các hệ thống thông tin số thực tế.

23