Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống truyền thông hỗn loạn sử dụng đa sóng mang

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. 6 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 (FDM). Hình 1.2 chỉ ra sơ đồ khối hệ thống sử dụng sóng mang con với ( ). Bên máy phát, dòng bit dữ liệu tốc độ cao đầu vào được chia thành dòng tốc độ thấp và 7 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. Dữ liệu vào Phát hỗn loạn 1,M Us  1,Us 1,1s 1,1Ms  S1,u,1 SM-1,u,1 xu,1(t) f0 f1 fM-1 e(t) S/P (a) Bộ lọc phối hợp Bộ lọc phối hợp Bộ lọc phối hợp Ma trận O Ma trận G Sign(O·G’) P/S Dữ liệu ra r(t) f0 f1 fM-1 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 8 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. Phát hỗn loạn S/P Dữ liệu I F F T P/S CP User 1 User p User P Tín hiệu tham chiếu Tín hiệu mang tin e(t) (a) S/P F F T Xóa CP R Y Giải điều chế DCSK Tín hiệu tham chiếu r(t) Dữ liệu (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 CDS- CDMA 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 MC- DCSK. 9 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. Khối phát hỗn loạn Mod Mod Mod S/P Dữ liệu vào . . . . . . . . . f1 f2 fM x(t) Trễ β c(t) e(t) MC-Mod. b2(t) bM(t) d1(t) d2(t) dM(t) b1(t) b(t) (a) Demod Demod Demod . . . . . . f1 f2 fM Σ Σ Σ 2βTc βTc βTc . . . PS Dữ liệu ra Trễ β r(t) MC-Demod. g1(t) g2(t) gM(t) 1 β 1 β 1 β pk,l,1 pk,l,M (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 tốc độ thấp, kí hiệu ( ) với , 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: { ( ) 10 trong đó, * + là giá trị nhị phân của bit thứ trong chuỗi bit ( ); là giá trị chip thứ của bit thứ trong nửa thời gian tham chiếu; là phiên bản trễ xung nhịp lấy mẫu chip của ; và là tỷ số giữa độ rộng bit và động rộng chip, , được xem như là hệ số trải phổ của hệ thống. 1st Ref.1st Data(l/2+½)th Ref.(l/2+½)th Data . . .. . . 1st Ref.2st Ref.lst Ref.(l+1)st Ref. . . .. . . 1st Data.2st Datalst Data(l+1)st Data . . .. . . 1st Data2st Datalst Data(l+1)st Data . . .. . . . . . copy copy Tin hiệu điều chế DCSK được phát bởi sóng mang con f1 Chuỗi trải phổ lặp Tín hiệu trải phổ mang thông tin được phát bởi sóng mang con f2 Tín hiệu trải phổ mang thông tin được phát bởi sóng mang con fM (a) f1f2fM . . . f B=(1+α)/Tc BΣ =M(1+α)/Tc B=(1+α)/Tc (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 phổ lặp ( ) trong khoảng thời gian của bit thứ của chuỗi bit ( ) có thể được xác định bởi { ( ) Các chuỗi bit song song, ( ) với , được nhân trực tiếp với chuỗi trải phổ lặp ( ) để tạo ra các tín hiệu trải phổ mang tin ( ) được xác định bởi ( ) Tất cả các tín hiệu đạt được ( ) sau đó được đưa vào các bộ điều chế sóng mang con 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. 11 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 có thể biểu diễn bởi ( ) với ∑ ( ) ∑ ( ) ( ) 12 ∑ ( ) 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: ∑ (( . / ( . / ) + ) . / ( ) 13 trong đó là số điểm (hay số khoảng) giá trị của biểu đồ và . / là xác suất để có năng lượng rơi vào giá trị trung của mỗi khoảng. (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. 14 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 MC- DCSK với số sóng mang con có hiệu năng BER tương đương với hệ thống DCSK 15 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. 16 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 17 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: ( ) ( ) ( ) ( ) S/P Ánh xạ kí tự IDFT - DBM Chèn khoảng bảo vệ Dữ liệu Tín hiệu phát s(t) . . . . . . (a) Xóa khoảng bảo vệ DFT - DBM . . . Ánh xạ ngược kí tự . . . S/P Dữ liệu Tín hiệu thu r(t) (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 18 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. (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 (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 OF