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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỮU LONG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG HỖN
LOẠN SỬ DỤNG ĐA SĨNG MANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2017


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

NGUYỄN HỮU LONG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG HỖN
LOẠN SỬ DỤNG ĐA SĨNG MANG

Chun ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Văn Yêm

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các nội dung được trình bày trong luận án này là thành quả
nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự chỉ bảo của
người hướng dẫn khoa học. Các kết quả đạt được là không trùng lặp và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác trước đây. Các kết quả số liệu đạt được là chính
xác và trung thực. Mọi thơng tin trích dẫn đều được liệt kê rõ ràng đầy đủ trong các tài liệu
tham khảo. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung cũng như các kết quả luận án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Long


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học, PGS. TS. Vũ Văn
m, đã tận tình chỉ bảo về mặt chun mơn, đồng thời giúp đỡ động viên tôi rất nhiều để
tôi có thể hồn thành bản luận án. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn
Xuân Quyền, người đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô và các bạn nghiên cứu sinh đã giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu tại Viện Điện tử-Viễn thông và Viện
Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Sự dạy bảo, động viên và khích
lệ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn thử thách để hồn thành các nội
dung nghiên cứu.
Cuối cùng nhưng cũng là nguồn động lực to lớn nhất, đó là sự yêu thương, quan tâm
chia sẻ của bố mẹ, anh chị và đặc biệt là vợ và hai con của tơi. Gia đình chính là chỗ dựa

vững chắc cho tơi trong suốt q trình làm nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Long


MỤC LỤC

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................ 1
Danh mục các thuật ngữ viết tắt .................................................................... 4
Danh mục các hình .......................................................................................... 7
Danh mục các bảng ......................................................................................... 9
Mở đầu............................................................................................................ 10
Truyền thông sử dụng hỗn loạn ................................................................................... 10
Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn .......................... 11
Động lực, mục tiêu, đối tƣợng, giới hạn và phƣơng pháp nghiên cứu của luận án . 12
Động lực nghiên cứu ................................................................................................... 12
Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 13
Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 13
Giới hạn nghiên cứu .................................................................................................... 13
Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 14

Tổ chức nội dung của luận án ...................................................................................... 14

Chƣơng 1 ........................................................................................................ 16
Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn ............................................ 16
1.1.

Giới thiệu ............................................................................................................ 16

1.2.

Hỗn loạn và các đặc điểm.................................................................................. 16

1.3.

Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu .................................................................. 19

1.3.1.
1.3.2.
1.4.

Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn ................................................................................. 22

1.4.1.
1.4.2.
1.5.

Các hệ thống tương tự ................................................................................. 24
Các hệ thống số ........................................................................................... 24

Các hệ thống thông tin hỗn loạn khơng đồng bộ ............................................ 27

1.6.1.
1.6.2.
1.7.

Đồng bộ đặc tính động hỗn loạn.................................................................. 22
Đồng bộ hỗn loạn ứng dụng trong truyền thông ......................................... 23

Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ ........................................................ 23

1.5.1.
1.5.2.
1.6.

Thực thi các hàm hỗn loạn .......................................................................... 19
Lọc nhiễu cho tín hiệu hỗn loạn .................................................................. 21

Các hệ thống tương tự ................................................................................. 28
Các hệ thống số ........................................................................................... 28

Các hệ thống thơng tin hỗn loạn đa sóng mang .............................................. 31

1.7.1.

DCSK đa sóng mang (MC-DCSK) ............................................................. 31


2

MỤC LỤC

1.7.2.
1.8.

DCSK ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM-DCSK).................... 33

Kết luận .............................................................................................................. 35

Chƣơng 2 ........................................................................................................ 36
Hệ thống khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang với chuỗi trải phổ lặp
......................................................................................................................... 36
2.1.

Giới thiệu ............................................................................................................ 36

2.2.

Hạn chế của hệ thống truyền thống và ý tƣởng đề xuất ................................ 36

2.3.

Thiết kế hệ thống RSS-MC-DCSK .................................................................. 37

2.3.1.

Máy phát ...................................................................................................... 37

2.3.2.

Máy thu ........................................................................................................ 40

2.4.

Phân tích hiệu năng tỷ lệ lỗi bit ........................................................................ 42

2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.

Năng lượng bit trung bình ........................................................................... 42
Biểu thức BER ............................................................................................. 43
Tích phân số ................................................................................................ 45

2.5.

Hiệu suất năng lƣợng và băng thông ............................................................... 48

2.6.

Mô phỏng số và so sánh hiệu năng ................................................................... 50

2.7.

Kết luận .............................................................................................................. 54

Chƣơng 3 ........................................................................................................ 55
Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn.................................. 55
3.1.

Giới thiệu ............................................................................................................ 55

3.2.

Hệ thống OFDM xáo trộn sóng mang con hỗn loạn ....................................... 56

3.2.1.
Ánh xạ Baker ............................................................................................... 56
3.2.2.
Sơ đồ hệ thống đề xuất ................................................................................ 58
3.2.3. Hiệu năng lỗi bit của hệ thống ........................................................................... 59
3.2.4. Phân tích hệ số tương quan ................................................................................ 63
ệ thống M-PSK/OFDM sử dụng trải phổ trực tiếp hỗn loạn ..................... 64

3.3.
3.3.1.
3.3.2.
3.3.3.
3.4.

Máy phát và máy thu ................................................................................... 64
Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 67
Đặc điểm bảo mật ........................................................................................ 72

Kết luận .............................................................................................................. 74

Kết luận và hƣớng phát triển ....................................................................... 76
Nội dung và các kết quả đạt đƣợc ................................................................................ 76
Đóng góp mới ................................................................................................................. 77

MỤC LỤC

3

ƣớng phát triển ........................................................................................................... 78

Danh mục các cơng trình đã công bố của luận án ..................................... 79
Bài báo tạp chí và hội nghị............................................................................................ 79
Đề tài nghiên cứu tham gia ........................................................................................... 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 81
TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT .............................................................................. 81
TÀI LIỆU TIẾNG ANH ............................................................................... 81


4

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

Danh mục các thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt

Cụm từ tiếng Anh

Cụm từ tiếng Việt

4G

Fourth Generation

Mạng di động thế hệ thứ tư

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gausian trắng cộng

BE

Bandwidth Efficiency

Hiệu suất băng thông

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BW

Bandwidth

Băng thông

CDSCDMA

Chaotic Direct Sequence-Code
Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
hỗn loạn trực tiếp

CDSK

Correlation Delay Shift Keying

Khóa dịch trễ tương quan

CDSSS

Chaotic Direct-Sequence/Spread \
Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng
chuỗi hỗn loạn

CEF

Complementary Error Function

Hàm lỗi bù

CM-DCSK

Continuous Mobility DCSK

Khóa dịch hỗn loạn vi sai động liên
tục

COOK

Chaotic On/Off Keying

Khóa tắt/mở hỗn loạn

CPF
CPF
CPM

Chebyshev Polynomial Function
Chebyshev Polynomial Function
Chaotic Parameter Modulation

Hàm đa thức Chebyshev
Hàm đa thức Chebyshev
Điều chế thông số hỗn loạn

CPPG

Chaotic Pulse Position Generator

Khối phát vị trí xung hỗn loạn

CPPM

Chaotic Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung hỗn loạn

CPWPM

Chaotic Pulse Width-Position
Modulation

Điều chế vị trí-độ rộng xung hỗn
loạn

CSD

Chaotic Symbolic Dynamics

Động kí tự hỗn loạn

CSK

Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn

DBM

Discretized Baker Map

Ánh xạ Baker rời rạc

DCSK

Differential Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai

DCSK/S

Simplest Version of Enhanced DCSK

DCSK tăng cường phiên bản đơn
giản nhất

DCSK-WC

Differential Chaos
Shift Keying-Walsh Codes

Khóa dịch hỗn loạn vi sai-mã
Walsh

DDCSKWC

Differentially DCSK-Walsh Codes

Khóa dịch hỗn loạn vi sai mã
Walsh

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DSSS

Direct-Sequence Spread-Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB-T

Digital Video Broadcasting-

Truyền hình số quảng bá mặt đất


Danh mục các thuật ngữ viết tắt

5

Terrestrial
DWSCS

Discrete Wheel-Switching Chaotic
System

Hệ thống hỗn loạn chuyển mạchvòng rời rạc

EE

Energy Efficiency

Hiệu suất năng lượng

FM-DCSK

Frequency Modulated-Differential
Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều tần

FPGAs

Field Programmable Gate Arrays

Mảng cổng logic khả trình trường

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần số

HE-DCSK

High Efficiency-Differential Chaos

Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai-hiệu
năng cao

I-DCSK

Improved-Differential Chaos Shift

Khóa dịch hỗn loạn vi sai cải tiến

Keying
ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên kí tự

LPI

Low Probability of Intercept

Xác suất bị chặn thấp

MA

Multiple Access

Đa truy nhập

MC-DCSK

Multi Carrier-Differential Chaos
Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai đa sóng
mang

MCM

Multi-carrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

NR-DCSK

Noise reduction DCSK

Khóa dịch hỗn loạn vi sai giảm
nhiễu

NRZ

Non Return to Zero

Khơng trở về khơng

OFDMDCSK

Orthogonal Frequency Division

Multiplex- Differential Chaos
Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai ghép
kênh phân chia theo tần số trực
giao

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

Tỷ số cơng suất đỉnh trên trung
bình

P/S

Parallel/Series

Song song/nối tiếp

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PG

Processing Gain

Độ lợi xử lý

PN

Pseudo-random Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

PRBS

Pilot Random Binary Sequence

Chuỗi nhị phân ngẫu nhiên hoa tiêu

PS-DCSK

Phase Separated Differential
Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai chia pha

PTM

Pulse Time Modulation

Điều chế thời gian xung

PWL

Piece Wise Linear

Tuyến tính từng đoạn

RBE

Ration of Bandwidth Efficiency

Tỷ lệ hiệu suất băng thông

RBF

Radial Basis Function

Hàm cơ bản xuyên tâm

REE

Ratio of Energy Efficiency

Tỷ lệ hiệu suất năng lượng


6
RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

RM-DCSK

Reference Modulated-Differential
Chaos Shift Keying

Khóa dịch hỗn loạn vi sai điều chế
tham chiếu

RSS

Repeated Spreading Sequence

Chuỗi trải phổ lặp

RSS-MCDCSK

Repeated Spreading SequenceMulticarrier-DCSK

DCSK đa sóng mang với chuỗi trải
phổ lặp

S/P

Series/Parallel

Nối tiếp/Song song

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SNR

Signal Noise Rate

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SR-DCSK

Short Reference DCSK

Khóa dịch hỗn loạn vi sai tham
chiếu ngắn

SRRS

Square-Root-Raised Cosine

Cosin nâng căn bậc hai

WLAN

Wireless Local Access Network

Mạng truy nhập nôi bộ không dây

WPAN

Wireless Personal Access Network

Mạng truy nhập cá nhân không dây


Danh mục các hình

7

Danh mục các hình
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 ............................................... 17
Hình 1.2. Các đặc tính điển hình của tín hiệu hỗn loạn: (a) hàm tự tương quan, (b) hàm
tương quan chéo, và (c) phổ tần số ...................................................................................... 18
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống CDSSS: (a) máy phát, (b) máy thu ..................................... 25
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống CDS-CDMA với

user ..................................................... 26

Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống DCSK truyền thống: (a) máy phát, (b) cấu trúc khung dữ
liệu, (c) máy thu ................................................................................................................... 29
Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống MC-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu[44] ........................ 31
Hình 1.7. Hiệu năng BER của hệ thống MC-DCSK trong: (a) kênh AWGN, (b) kênh
fading đa đường [44] ........................................................................................................... 32
Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống OFDM-DCSK: (a) máy phát, (b) máy thu [41].................. 33
Hình 1.9. Hiệu năng BER của hệ thống OFDM-DCSK trong: (a) kênh AWGN, (b) kênh
fading đa đường [41] ........................................................................................................... 34
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống RSS-MC-DCSK: (a) máy phát và (b) máy thu .................. 38
Hình 2.2. Minh họa của (a) các tín hiệu băng cơ sở trong máy phát và (b) dạng phổ của tín
hiệu được phát lên kênh truyền. .......................................................................................... 39
Hình 2.3. Biểu đồ phân bố giá trị của biến với: (a) Kênh truyền AWGN, (b) Kênh

Rayleigh fading ................................................................................................................... 46
Hình 2.4. So sánh hiệu suất năng lượng (EE), tỷ lệ hiệu suất năng lượng (REE) và tỷ lệ
hiệu suất băng thơng (RBE) giữa RSS-MC-DSCK, MC-DCSK, và DCSK ....................... 50
Hình 2.5. Hiệu năng BER của hệ thống RSS-MC-DCSK dưới kênh truyền: (a) AWGN, và
(b) Rayleigh fading .............................................................................................................. 51
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 ............................................. 52
Hình 3.1. Ánh xạ Baker hai chiều ....................................................................................... 56
Hình 3.2. Ánh xạ Baker rời rạc (DBM) ............................................................................... 57
Hình 3.3. Hệ thống OFDM đề xuất: (a) phía phát, (b) phía thu .......................................... 58
Hình 3.4. Điều chế kí tự vào sóng mang con trước và sau xáo trộn:(a) phía phát, (b) phía
thu ........................................................................................................................................ 59
Hình 3.5. BER theo lý thuyết và mơ phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề
xuất sử dụng điều chế BPSK qua kênh AWGN .................................................................. 61
Hình 3.6. BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề
xuất sử dụng điều chế QPSK qua kênh AWGN .................................................................. 61
Hình 3.7. BER theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống OFDM truyền thống và đề
xuất sử dụng điều chế QPSK qua kênh Rayleigh fading ..................................................... 62


8

Danh mục các hình

Hình 3.8. BER theo lý thuyết và mô phỏng hệ thống OFDM đề xuất sử dụng điều chế
QPSK qua kênh Rayleigh fading với số lượng sóng mang con khác nhau ......................... 62
Hình 3.9. BER theo lý thuyết và mô phỏng của hệ thống OFDM đề xuất qua kênh Rayleigh
fading với các phương thức điều chế khác nhau ................................................................. 63
Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ............................................................................... 65
Hình 3.11. Kết quả mơ phỏng ch m sao của các tín hiệu tại đầu ra các khối: (a) điều chế

QPSK,

; (b) trải phổ hỗn loạn CDSSS,

truyền AWGN và Fading tương ứng,
AWGN và Fading tương ứng,
và Fading tương ứng,

; điều chế OFDM,

; (d) và (e) các kênh

; (f) và (g) giải điều chế OFDM với kênh truyền

; (h) và (i) giải trải phổ CDSDS với kênh truyền AWGN

; và (j) giải điều chế QPSK. ...................................................... 68

Hình 3.12. Hiệu năng BER qua kênh AWGN với M

2,4,8,16 và

Hình 3.13. Hiệu năng BER qua kênh AWGN với
Hình 3.14. Hiệu năng BER qua kênh Rayleigh Fading với M

..................... 69
và M = 4 ..................... 70

2,4,8,16 và

........ 70

Hình 3.15. Hiệu năng BER qua Rayleigh Fading với
và M = 4 ............... 71
Hình 3.16. So sánh hiệu năng BER của hệ thống đề xuất với hệ thống thơng thường trong
trường hợp

và M = 4.............................................................................................. 71

Hình 3.17. So sánh hiệu năng BER với các chuỗi hỗn loạn khác nhau trong trường hợp
và M = 4 ................................................................................................................. 72
Hình 3.18. Ch m sao của tín hiệu tại đầu ra giải trải phổ ở bên máy thu trong các trường
hợp: (a), (b) khơng có sai khác thơng số qua kênh AWGN và Fading; (c), (d) với sai khác
điều kiện khởi động
Hình 3.19. Hiệu năng BER với

qua kênh AWGN và Fading. ........................................ 72
và M

4 qua kênh AWGN trong trường hợp

khơng có và có sai khác điều kiện khởi động ...................................................................... 73
Hình 3.20. Hiệu năng BER với
và M 4 qua kênh Rayleigh Fading trong trường
hợp khơng có và có sai khác điều kiện khởi động ............................................................... 74


Danh mục các bảng

9

Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ ........................................................... 24
Bảng 1.2. Các hệ thống thông tin hỗn loạn không đồng bộ ................................................ 28
Bảng 3.1. Hệ số tương quan giữa hai kí tự liền kề trong một kí tự OFDM......................... 64
Bảng 3.2. Tham số cho hệ thống mô phỏng ........................................................................ 66


Mở đầu

10

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 vài thập kỷ vừa qua
[1, 2]. Hỗn loạn trong truyền thông được đề cập lần đầu tiên trong cơng trình nghiên cứu
của Shannon vào năm 1947 [97]. Nghiên cứu này sau đó được xác nhận bởi thực nghiệm
của Chua vào năm 1980 thông qua các mạch điện tử hỗn loạn thực tế [12]. Về lý thuyết,
các hàm hỗn loạn với sự nhạy cảm đặc biệt vào điều kiện khởi động có khả năng phát ra
chuỗi 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 [8, 58, 59, 96, 107, 108]. Tiềm năng của ứng dụng hỗn
loạn trong truyền thông đã được khẳng định trong nghiên cứu [28, 42, 59], theo đó các hệ
thống truyền thơng hỗn loạn đã thể hiện những ưu điểm so với các hệ thống sử dụng sóng
mang điều hịa truyền thống, đó là hạn chế fading biến đổi thời gian của kênh truyền [115],
chống lại jamming với xác suất bị chặn thấp (LPI) [120], và đặc biệt tăng cường bảo mật
lớp vật lý [68]. Nhiều nghiên cứu về giảm thiểu nhiễu giao thoa đa truy nhập (MAI) và tỷ
lệ cơng suất đỉnh-trên-trung bình (PAPR) đã chỉ ra rằng các chuỗi trải phổ hỗn loạn có hiệu
năng tốt hơn chuỗi Gold truyền thống trong các hệ thống thông tin trải phổ đa người sử

dụng [71, 111].
Cho đến nay, nghiên cứu về các truyền thông sử dụng kỹ thuật hỗn loạn tập trung vào
hai hướng chính sau:
(i) 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 [16, 53, 79].
(ii) 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 [49,
50].
Các hệ thống thơng tin hỗn loạn đồng bộ điển hình có thể kể đến là khóa dịch hỗn loạn
(CSK), trải phổ chuỗi trực tiếp hỗn loạn (CDSSS), đa truy nhập phân chia theo mã hỗn
loạn (CDS-CDMA), và điều chế động biểu tượng hỗn loạn (CSD) [30, 31, 59, 73, 90, 96].
Bên máy phát, tín hiệu hỗn loạn được sử dụng như sóng mang thơng tin, trong khi đó q
trình giải điều chế bên máy thu dựa trên sóng mang phát lại đã được đồng bộ [39, 45, 72].
Hệ thống đồng bộ được nghiên cứu phát triển rộng rãi nhất là CDSSS, trong đó các chuỗi
trải phổ giả ngẫu nhiên (PN) truyền thống được thay thế bằng chuỗi hỗn loạn rời rạc [30,
31]. Như chúng ta đã biết, các chuỗi PN đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống


Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thông hỗn loạn

11

CDMA truyền thống. Bên cạnh ưu điểm về đặc tính tương quan tốt, chúng cũng bộc lộ
điểm yếu đó là giới hạn về khả năng bảo mật. Các nghiên cứu [10, 81] đã chỉ ra rằng, bởi
vì độ phức tạp tuyến tính thấp, các chuỗi PN có thể hồn tồn được khơi phục bằng các
phương pháp tấn cơng 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 số các trạng thái [105]. 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 vơ tuyến, có độ khả thi thấp [59]. Hiệu năng tỷ lệ lỗi bit (BER) qua kênh
truyền thực tế kém là nhược điểm chính vẫn đang c n là thách thức lớn cần giải quyết của
các hệ thống thông tin hỗn loạn đồng bộ [59].
Để tăng mức độ khả thi của việc áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin, các hệ
thống hỗn loạn khơng 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 [59]. Các hệ thống điển hình có
thể kể đến là Khóa dịch hỗn loạn vi sai (DCSK), Khóa tắt-mở hỗn loạn (COOK), Khóa
dịch trễ tương quan (CDSK), trong đó hệ thống DCSK được nghiên cứu và phát triển phổ
biến nhất [54]. 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 [42].

Điều chế đa sóng mang và ứng dụng trong truyền thơng hỗn loạn
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ
thống thông tin thực tế như mạng LAN không dây (WLAN), mạng truy nhập cá nhân
khơng dây (WPAN), truyền hình số mặt đất (DVB-T), mạng di động 4G [26, 111]. 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 [111]. 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 hẹp 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 [27]. 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) [121]. Kỹ thuật này sau đó được phát 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) [76].
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

[41, 42, 44]. 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.
Với MC-DCSK, chuỗi trải phổ tham chiếu được phát trên một sóng mang con mặc định,


Mở đầu

12

trong khi các chuỗi trải phổ mang thông tin được phát trên các luồng sóng mang con cịn
lại [44]. Để giảm thiểu băng thông chiếm giữ, hệ thống OFDM-DCSK sử dụng các sóng
mang con trực giao trên miền tần số để phát đi các tín hiệu trải phổ hỗn loạn [41]. Các kết
quả đạt được đã chỉ ra rằng, các hệ thống đa sóng mang này cải thiện rõ rệt chất lượng 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 nghiên cứu
(i) Ưu điểm của truyền thông hỗn loạn và điều chế đa sóng mang:
Tín hiệu hỗn loạn với biến đổi phi chu kỳ giống nhiễu và phổ băng rộng được
chứng minh là phù hợp với truyền thông số trải phổ. 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, đồng thời 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 ưu điểm nổi bật trong nâng cao chất lượng
truyền thơng qua các kênh truyền thực tế. Dó đó, việc kết hợp giữa kỹ thuật hỗn loạn
và điều chế đa sóng mang là một hướng nghiên cứu tiềm năng và khả thi, hướng tới áp

dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin thực tế.
(ii) Truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang một hướng nghiên cứu mở chỉ mới
được đề xuất:
Các nghiên cứu về truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang chỉ mới được đưa
ra gần đây bởi tác giả Kaddoum. Hiện tại, chỉ có hai hệ thống không đồng bộ hỗn loạn
được đề xuất đó là MC-DCSK và OFDM-DCSK. Những kết quả nghiên cứu này mở
đầu cho một hướng nghiên cứu mới về truyền thơng hỗn loạn đó là sự kết hợp với đa
sóng mang. Do đó, vẫn cịn rất nhiều chủ đề nghiên cứu để các nhà khoa học cùng
nhau khám phá. Bên cạnh đó, có thể thấy rằng các hệ thống thơng tin hỗn loạn đa sóng
mang được đề xuất chủ yếu dựa trên phương pháp không đồng bộ DCSK. Bản thân
việc áp dụng đa sóng mang vào hệ thống DCSK là một hướng mở cần cải tiến hoặc
điều chỉnh để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ thống. Bên cạnh đó, hướng nghiên
cứu áp dụng hỗn loạn vào hệ thống OFDM cũng như ứng dụng OFDM vào truyền
thông hỗn loạn đồng bộ chưa được thực hiện. Đây cũng là một chủ đề nghiên cứu đầy
hứa hẹn nhưng cũng chứa đựng nhiều thách thức cần giải quyết.
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 của
mình. Bên cạnh việc phát triển cải tiến nâng cao chất lượng cho hệ thống không đồng bộ


Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án

13

sử dụng đa sóng mang (MC-DCSK) đã được đưa ra, luận án nghiên cứu còn nghiên cứu đề
xuất ứng dụng hỗn loạn vào kỹ thuật OFDM cũng như áp dụng OFDM vào hệ thống hỗn
loạn đồng bộ mà điển hình là hệ thống trải phổ chuỗi hỗn loạn trực tiếp (CDSSS). Những
nội dung và kết quả đạt được hy vọng sẽ góp phần phát triển và hồn thiện hướng nghiên
cứu về truyền thơng hỗn loạn đa sóng mang, hướng tới ứng dụng vào các hệ thống thông
tin thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu
Xuất phát từ những động lực nghiên cứu ở trên, luận án sẽ tập trung thực hiện hai nội
dung khoa học chính như sau:
(i) Đề xuất 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 performance) cũng như hiệu suất sử dụng băng thông cho hệ thống MCDCSK truyền thống.
(ii) 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 trải phổ chuỗi trực tiếp
hỗn loạn (CDSSS) trong hệ thống OFDM nhằm cải thiện hiệu năng tỷ lệ lỗi bit
(BER) qua kênh truyền fading.
Đối tượng nghiên cứu
(i) Các hệ thống thông tin số sử dụng kỹ thuật hỗn loạn.
(ii) Các hệ thống thông tin hỗn loạn sử dụng đa sóng mang và đa sóng mang trực
giao.
(iii) Phương pháp nâng cao chất lượng các hệ thống thông tin hỗn loạn bằng cách kết
hợp với điều chế đa sóng mang.
Giới hạn nghiên cứu
Nghiên cứu đề xuất và thực thi các hệ thống thơng tin hỗn loạn đa sóng mang trong
giới hạn sau:
(i) Các hệ thống được thiêt kế và phân tích với đơn người sử dụng, trong đó chất
lượng truyền thông được đánh giá qua các thông số như hiệu suất năng lượng,
hiệu suất băng thông hoặc hiệu năng BER.
(ii) Mơ 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.
(iii) 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.


Mở đầu

14
Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu dựa trên phân tích lý thuyết và kiểm chứng thơng qua mơ
phỏng số. Trước hết mơ hình lý thuyết của các phương pháp đề xuất được đưa ra. Tín hiệu
đầu vào đầu ra của mỗi khâu xử lý của máy phát và máy thu sẽ được xác định biểu diễn
bằng các biểu thức toán học cụ thể. Sử dụng lý thuyết xác suất để xác định xấp xỉ và chính
xác hiệu năng BER của các hệ thống đề xuất qua kênh truyền dẫn. Các mơ hình sau đó
được xây dựng lại trên các phần mềm mơ phỏng số trên máy tính. Các kết quả mô phỏng
đạt được sẽ được so sánh với kết quả ước lượng lý thuyết để kiểm chứng độ chính xác và
tin cậy của mơ hình và phương pháp phân tích đưa ra.

Tổ chức nội dung của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương. Tổng quan về truyền thơng sử
dụng hỗn loạn được trình bày trong Chương 1. Chương 2 đề xuất và thực hiện hệ thống
khóa dịch hỗn loạn vi sai - đa sóng mang (MC-DCSK) cải tiến sử dụng chuỗi trải phổ lặp.
Việc áp dụng hỗn loạn để xáo trộn sóng mang con trong OFDM và ứng dụng trải phổ trực
tiếp hỗn loạn CDSSS trong hệ thống OFDM được đề xuất và thực hiện trong Chương 3.
Các nội dung và kết quả đạt được trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện các đóng góp
khoa học chính của luận án. Bố cục luận án cụ thể như sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về truyền thơng sử dụng hỗn loạn
Chương này trình bày và 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 về dạng phổ, dạng sóng, và tính tương quan 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 khơng đồng bộ nói chung và các hệ thống sử dụng đa
sóng mang nói riêng sẽ được mơ tả và phân tích.
Chƣơng 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 tốn. Mơ hình ước lượng lý thuyết BER qua các kênh
nhiễu và fading được mơ 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.


Tổ chức nội dung của luận án

15

Chƣơng 3. Hệ thống đa sóng mang trực giao sử dụng hỗn loạn
Trong chương này, 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 loạnNRZ 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. Cuối cùng, tác
giả đưa ra một số thảo luận về tính bảo mật của các hệ thống đề xuất.


16

Chương 1

Chương 1
Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn
1.1. Giới thiệu
Chương này trình bày một cách hệ thống về truyền thông sử dụng hỗn loạn, nhằm tổng
kết những kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu trong Chương 2 và Chương 3

của luận án. Trong Mục 1.2, khái niệm và các đặc điểm cơ bản nhất của hiện tượng hỗn
loạn trong các hệ thống động phi tuyến sẽ được giới thiệu. Các phương pháp thực thi hệ
thống động để phát ra tín hiệu hỗn loạn cũng như việc xử lý lọc nhiễu cho tín hiệu hỗn loạn
trên các mạch điện tử tương tự hoặc trên nền xử lý số tín hiệu sẽ được đề cập trong Mục
1.3. Mục 1.4 liệt kê các phương pháp đồng bộ đã được đề xuất cho các hệ thống thông tin
hỗn loạn, bao gồm cả đồng bộ dựa trên đặc tính động hỗn loạn và đồng bộ dựa trên nguyên
lý đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên truyền thống. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của một số hệ
thống thông tin hỗn loạn đồng bộ và khơng đồng bộ điển hình được đưa ra và mô tả lần
lượt trong các Mục 1.5 và Mục 1.6. Trong đó, hai hệ thống được nghiên cứu rộng rãi nhất
cho mỗi loại đó là Trải phổ trực tiếp chuỗi hỗn loạn (CDSSS) và Khóa dịch hỗn loạn vi sai
(DCSK). Mục 1.7 đưa ra và phân tích hai hệ thống thơng tin hỗn loạn đa sóng mang đã
được nghiên cứu gần đây là MC-DCSK là OFDM-DCSK. Những ưu điểm của các phương
pháp này trong cải thiện chất lượng truyền thông cũng được chỉ rõ. Kết luận đáng chú ý
được đưa ra trong Mục 1.8.

1.2. Hỗn loạn và các đặc điểm
Hỗn loạn là một trạng thái đặc biệt của các hệ thống động phi tuyến với sự nhạy cảm
đặc biệt vào các điều kiện khởi động và các tham số của hệ thống [18]. Thực nghiệm đầu
tiên chứng minh được sự tồn tại của hỗn loạn được thực hiện bởi Faraday vào năm 1831.
Thực nghiệm này sau đó được thực hiện lại và được cơng bố bởi Lord Rayleigh với nghiên
cứu về lý thuyết âm thanh vào năm 1877 [4]. Năm 1981, thực nghiệm của Faraday được
tiến hành với các thiết bị hiện đại. Các kết quả đạt được cho thấy các thành phần hài được
chia nhỏ cho đến khi đầu ra được biến đổi đến một trạng thái giống nhiễu với phổ tần số
liên tục. Các ví dụ khác về hỗn loạn xảy ra trong tự nhiên cũng được tìm thấy như hình
dạng lá cây, trạng thái đám mây và thời tiết, … [4].
Thuật ngữ “hỗn loạn” (Chaos) nhằm diễn tả một hiện tượng giống ngẫu nhiên được
xuất hiện lần đầu tiên trong giả thiết của Boltzmann về hỗn loạn phân tử trong thiết lập
định lý H (H-theorem). Thuật ngữ này sau đó được sử dụng rộng rãi trong các tạp chí tốn
học bắt đầu từ năm 1975. Cho đến nay chưa có một định nghĩa chính thức nào về “hỗn
loạn” được chấp nhận tồn cầu. Trong khuôn khổ luận án này, tác giả nêu ra hai đặc điểm

quan trọng để một quá trình hoặc một hệ thống động được xem là hỗn loạn như sau [101]:


Hỗn loạn và các đặc điểm

17

(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
khơng thể dự đốn được nếu điều kiện đầu khơng được xác định.

(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 [101]
Về mặt toán học, các hệ thống động ở trạng thái hỗn loạn có thể biểu diễn bằng các
phương trình vi phân liên tục theo thời gian hoặc các hàm lặp rời rạc [32]. Do đó, các hệ
thống động hỗn loạn được phân loại theo theo hai dạng sau: (i) dạng liên tục của thời gian
⁄
được biểu diễn bằng phương trình vi phân,
, trong đó
là
biến trạng thái có thể một hoặc nhiều chiều,

và

là thời điểm và giá trị khởi động của

hệ thống; (ii) dạng rời rạc của thời gian được biểu diễn bởi hàm lặp,

, với

là giá trị khởi động,

là biến trạng thái một hoặc nhiều chiều của hệ

thống ở bước lặp thứ . Một ví dụ điển hình về hỗn loạn liên tục là hệ thống động phản ánh
đối lưu nhiệt trong khí quyển được giới thiệu bởi Lorenz vào năm 1963 [64]. Hệ thống này
được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân ba chiều như sau:


Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn

Hàm tự tương quan chuẩn hóa

18

Trễ thời gian chuẩn hóa

Hàm tương quan chéo chuẩn hóa

(a)

Trễ thời gian chuẩn hóa

Mật độ phổ cơng suất

(b)

Tần số chuẩn hóa

(c)
Hình 1.2. Các đặc tính điển hình của tín hiệu hỗn loạn: (a) hàm tự tương quan, (b) hàm
tương quan chéo, và (c) phổ tần số [101]


Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu

trong đó

19

là các biến trạng thái và
là các tham số của hệ thống. Với bộ tham số
⁄ , hệ Lorenz rơi vào trạng thái hỗn loạn. Hình 1.1(a) chỉ ra dạng

sóng biến đổi hỗn loạn theo thời gian của biến 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 hồn tồn.
Đối với hỗn loạn rời rạc, hệ thống Logistic map được xem là một ví dụ điển hình và được
biểu diễn bởi hàm lặp sau:
,
với

(1.2)

là hệ số điều khiển trạng thái hỗn loạn [4]. Với giá trị

, giá trị đầu ra biến đổi

hỗn loạn trong khoảng (0, 1) như trong Hình 1.1(b).
Nghiên cứu áp dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin được mở ra sau cơng trình
cơng bố của Pecora và Carroll về khả năng đồng bộ của hệ hỗn loạn [80]. 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 thơng trải phổ. Hình 1.2(a), (b) và (c) minh họa hàm tự tương quan, hàm
tương quan chéo, và phổ băng rộng điển hình của một tín hiệu hỗn loạn [101]. 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 hịa hoặc là chuỗi giả ngẫu nhiên trong các hệ thống thông tin truyền
thống.

1.3. Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu
1.3.1. Thực thi các hàm hỗn loạn
Từ năm 1980, các hàm hỗn loạn điển hình như: hàm đa thức Chebyshev (CPF), hàm
tuyến tính từng đoạn (PWL), hàm Markov, hàm Tent, hàm Logistic, vv, đã được sử dụng
trong nhiều ứng dụng [98]. Những hệ thống được biểu diễn bởi các hàm này được gọi là
động vì khả năng lưu trữ trạng thái quá khứ, theo đó trạng thái đầu ra hiện tại là kết quả
của hàm lặp với đầu vào là trạng thái trước đó. Ví dụ như các hệ thống động rời rạc một
chiều được mô tả bởi hàm ánh xạ

(với

ký hiệu không gian trạng thái) được đánh

giá bởi một trường véc-tơ xác định và điều kiện khởi động

như sau:

,
trong đó

là biến trạng thái được lấy mẫu ở thời điểm thứ ,

tính động của hệ thống, và

(1.3)
là hàm lặp mơ tả đặc

là véc-tơ các thơng số xác định tính động của hệ thống. Sự

biểu diễn theo thời gian rời rạc của các hệ thống động đưa ra một cách tiếp cận đơn giản
cho việc thực thi và phát ra các tín hiệu hỗn loạn trong kỹ thuật điện tử, đó là thực thi trên


20

Tổng quan về truyền thông sử dụng hỗn loạn

nền tảng xử lý tín hiệu số. Thực tế thì 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
[13] và mạch dao động Colpitts [86]. Tuy nhiên bởi vì thời gian duy trì trạng thái tín hiệu
là khơng xác định và không điều khiển được [18, 40], các tín hiệu hỗn loạn liên tục khơng
được đề xuất sử dụng trong thơng 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 tốn được ứng dụng phổ biến.
Một số nghiên cứu gần đây về lý thuyết hỗn loạn đã chứng minh rằng đặc tính phi chu
kỳ biến đổi giống nhiễu của các hệ hỗn loạn khơng thể được đảm bảo hồn tồn nếu các
hàm hỗn loạn được thực thi trên nền tảng xử lý tín hiệu số, như trên DSP, FPGA, hoặc máy
tính. Nguyên nhân là bởi vì các giá trị trạng thái hỗn loạn rơi vào một số hữu hạn của các
thanh ghi tính toán, thường là 8, 16, 32, hoặc 64 bit [19]. Điều này dẫn tới quỹ đạo có chu
kỳ của hệ thống hay nói cách khác đặc tính hỗn loạn bị suy giảm. Để khắc phục nhược
điểm này, đã có nhiều phương pháp thực thi đã được đề xuất nhằm cải thiện chất lượng

cũng như đảm bảo tính ngẫu nhiên của tín hiệu hỗn loạn trên nền tảng số [6, 17, 24, 77, 78,
113, 114]. Một phương pháp sử dụng nhiều tầng biến đổi hỗn loạn nối tiếp được thực thi
trong [122]. Phương pháp này cho phép phát ra một số lượng rất lớn các chuỗi hỗn loạn
với không gian trạng thái lớn hơn và số vịng lặp có chu kỳ lớn hơn, làm tăng mức độ phức
tạp của toàn bộ hệ thống. Hai phương pháp thực thi khác cho các bộ phát số ngẫu nhiên
hiệu năng cao sử dụng một mạch hỗn loạn rời rạc được trình bày trong [78]. Đề xuất này
được phát triển từ thiết kế bộ chuyển đổi tương tự - số (DAC) vào ra song song tiêu chuẩn,
được điều chỉnh để hoạt động như một tập các hàm hỗn loạn tuyến tính từng phần. Các
phương pháp thực thi trên đã được chứng minh là đặc biệt phù hợp để nhúng vào các ứng
dụng mật mã.
Trong [24], việc thực thi một bộ phát hỗn loạn rời rạc đã được nghiên cứu và đánh giá.
Nghiên cứu này tập trung vào vấn đề tiêu thụ công suất, sử dụng tài nguyên phần cứng và
tốc độ tối đa có thể thực thi trên bo mạch FPGA. Trong [5], kỹ thuật hỗn loạn thời gian ngược được sử dụng để thực hiện các hệ thống hỗn loạn trên phần cứng, tạo ra các mạch
điện phát hỗn loạn tốc độ cao với độ phức tạp thấp. Một hướng tiếp cận khác để phát ra tín
hiệu hỗn loạn với đặc tính ngẫu nhiên tốt và độ phức tạp thấp được công bố trong các
nghiên cứu [77] và [6]. Trong đó, một hàm hỗn loạn có tên là hàm Zigzag với đặc tính hỗn
loạn gần với ngẫu nhiên lần đầu tiên được giới thiệu. Các kết quả chỉ ra rằng hàm Zigzag
đề xuất vượt qua được tất cả các phép thử theo tiêu chuẩn NIST800-22 về mức độ ngẫu
nhiên thống kê. Trong [114], một kỹ thuật hỗn loạn rời rạc được trình bày và thực thi trên
FPGA. Kỹ thuật này dựa trên sự thay đổi các chuỗi điều khiển của các chuyển mạch - quay
tròn (DWSCS), cho phép phát ra một số lớn các chuỗi hỗn loạn mới từ một tập các hàm
hỗn loạn sẵn có.


Phát tín hiệu hỗn loạn và lọc nhiễu

21

1.3.2. Lọc nhiễu cho tín hiệu hỗn loạn
Sau khi qua kênh truyền dẫn, tín hiệu hỗn loạn chịu sự tác động của nhiễu cộng, do đó

để cải thiện chất lượng của các hệ thống thơng tin hỗn loạn, tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu (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 khơng có tác dụng trong việc lọc tách nhiễu ra khỏi tín hiệu trộn tổng
hợp. Đây cũng là thách thức lớn đồng thời cũng đặt ra vấn đề nghiên cứu mở cho các nhà
khoa học cùng nhau nghiên cứu giải quyết. Về nguyên lý, bất kỳ một thuật tốn lọc nhiễu
nào cũng phụ thuộc vào lượng thơng tin biết trước sẵn có.
Dựa trên những thơng tin biết trước 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. Trong các công bố [66, 100, 112], một phương pháp thực hiện dựa trên lọc Kalman
thời gian - rời rạc được đưa ra để ước lượng trạng thái của các mẫu hỗn loạn - nhiễu. Trong
thực tế, lọc Kalman được biết đến như là bộ ước lượng không gian trạng thái cung cấp các
ước lượng sai số bình phương trung bình tối thiểu đệ qui cho các hệ thống tuyến tính dưới
tác động của nhiễu Gau-xơ. Phương pháp này không thể được sử dụng trực tiếp để ước
lượng đối với các mơ hình khơng gian trạng thái phi tuyến. Bởi vì lý do này, một giải pháp
xấp xỉ được yêu cầu cho phép sự mở rộng lọc Kalman cho các mô hình khơng gian trạng
thái phi tuyến, như đã được thực hiện trong [66] và [100]. Trong [66], một bộ thu cho hệ
thống trải phổ hỗn loạn được phát triển sử dụng hai bộ lọc Kalman mở rộng, thực hiện
đồng thời quá trình đồng bộ và giải mã. Bởi vì phương pháp lọc này dựa trên ước lượng
của tín hiệu có nhiễu gần nhất có thể với tín hiệu sạch khơng nhiễu trong cảm nhận sai số
bình phương trung bình [29], bộ lọc Wiener cũng có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề
lọc nhiễu. Phương pháp lọc này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu nhằm giảm nhiễu
trong các tín hiệu hỗn loạn [9, 100].
Với cùng một mục đích, các phương pháp xử lý tín hiệu thích nghi cũng được đề xuất
trong [34-37, 61] để giảm nhiễu và tăng cường chất lượng cho các hệ thống thông tin. Quá
trình lọc sử dụng các hàm hỗn loạn biết trước
bài tốn tối ưu, trong đó hàm chi phí
̂
được tối thiểu [61]. Hàm
điểm nhận được nhiễu,

̂

, được xem như là một

với

có dạng
̂

̂

(1.4)

đo lường sự tương đồng giữa điểm được ước lượng ̂ và

̂ là hàm áp đặt chỉ ra mức độ hợp lý của quỹ đạo ước lượng,

và là hàm trọng lượng. Lời giải tối ưu cho phương trình (1.4) đạt được bằng hai phương
pháp được đề xuất trong [61]. Dựa vào các nghiên cứu của Lee và cộng sự, Jákó đã chỉ ra
trong các công bố [35, 37] rằng cả hai phương pháp này có mối liên hệ mật thiết với
phương pháp gradient tiêu chuẩn. Những giải thuật giảm nhiễu này được khai thác ứng
dụng trong thiết kế bộ tách sóng khơng đồng bộ nhằm tăng cường chất lượng BER [34,
36].