Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử "Nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn" được thực hiện nghiên cứu nhằm tìm hiểu tổng quan về thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn; kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống quang thu phát vô tuyến; kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống truyền dẫn quang đa kênh với các điều chế khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ANH ĐÀO NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ANH ĐÀO NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã ngành: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN XUÂN QUYỀN HÀ NỘI - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Giảng viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Xuân Quyền Vũ Anh Đào
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn khoa học, PGS.TS. Nguyễn Xuân Quyền đã tận tình chỉ bảo về mặt chuyên môn, đồng thời giúp đỡ động viên tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành luận án tiến sĩ. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật truyền thông, Trường Điện - Điện tử và Ban Đào tạo Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm Luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật điện tử 1, đặc biệt là PGS.TS. Trương Cao Dũng và ThS. Trần Thị Thanh Thủy, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh. Sự dạy bảo, động viên và khích lệ của họ là động lực giúp tôi vượt qua khó khăn thử thách để hoàn thành các nội dung nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đầy yêu thương đến gia đình tôi. Họ luôn là chỗ dựa vững chắc, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để tôi hoàn thành Luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Nghiên cứu sinh Vũ Anh Đào
MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH........................................................................................... ix DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC .................................................................................. xi MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. xii CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN .......................................................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ......................................................................................................................... 1 1.2. Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn .......................................................................................... 1 1.2.1. Định nghĩa và các tính chất hỗn loạn ........................................................................... 1 1.2.2. Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin ..................................................... 7 1.2.3. Hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn .............................................................. 10 1.3. Các dạng điều chế đa mức trong thông tin ................................................................. 15 1.3.1. Vai trò của điều chế đa mức trong các hệ thống thông tin ......................................... 15 1.3.2. Các dạng điều chế đa mức .......................................................................................... 16 1.4. Tổng quan về học sâu ................................................................................................... 25 1.4.1. Bộ mã hóa tự động ..................................................................................................... 25 1.4.2. Kỹ thuật VAE ............................................................................................................. 26 1.4.3. Mô hình Informer ....................................................................................................... 28 1.5. Lựa chọn tham số mô phỏng ........................................................................................ 31 1.6. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu và công cụ mô phỏng ................ 34 1.7. Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 35 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 37 KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG QUANG THU PHÁT VÔ TUYẾN...... 37 2.1. Giới thiệu ....................................................................................................................... 37 2.2. Thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C- RAN tốc độ cao........................................................................................................................... 40 2.2.1. Mô hình hệ thống cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao ............................... 40 2.2.2. Tiến trình mô phỏng ...................................................................................................... 42 2.2.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng...................................................................... 43 2.3. Hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến số sử dụng hỗn loạn truyền qua sợi quang .. 49 2.3.1. Mô hình của hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến hỗn loạn .......................................... 49 2.3.2. Kết quả mô phỏng số và phân tích hiệu năng ................................................................ 50 2.4. Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 57 i
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 59 KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG ĐA KÊNH VỚI CÁC ĐIỀU CHẾ KHÁC NHAU ................................................................................ 59 3.1. Giới thiệu ....................................................................................................................... 59 3.2. Hệ thống thông tin quang hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM ........................ 61 3.2.1. Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM61 3.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng .................................................................. 66 3.3. Hệ thống thông tin quang sợi đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK 70 3.3.1. Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế QPSK và DP-16 PSK .............................................................................................................................. 70 3.3.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận đánh giá hiệu năng ................................................... 74 3.4. Hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế DP-16QAM ........... 78 3.4.1. Mô hình hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế DP- 16QAM .................................................................................................................................... 78 3.4.2. Các kết quả mô phỏng số và thảo luận ....................................................................... 82 3.5. Nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế DP-16QAM bằng mô hình học sâu ........................................................................................... 85 3.5.1. Yêu cầu giải quyết ...................................................................................................... 85 3.5.2. Giải pháp DeepChaos+ .................................................................................................. 87 3.5.3. Mô phỏng....................................................................................................................... 93 3.5.4. Kết luận.......................................................................................................................... 98 3.6. Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 99 Kết luận và hướng phát triển ............................................................................................. 101 1. Các đóng góp khoa học và kết quả đạt được của luận án ....................................... 101 2. Hướng phát triển ........................................................................................................ 102 Danh mục các công trình đã công bố của luận án ............................................................. 103 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 104 ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ thứ năm AE Auto-Encoder Bộ mã hóa tự động Advanced Encryption AES Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến Standard AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo Truyền tải tín hiệu radio tương tự qua A-RoF Analog - Radio over Fiber sợi quang ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ Additive White Gaussian AWGN Tạp âm Gau-xơ trắng cộng Noise BBU BaseBand Unit Đơn vị băng cơ sở BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit Bidirectional Long Short- BiLSTM Bộ nhớ dài hạn – ngắn hạn hai chiều Term Memory BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân Back Propagation Through BPTT Truyền ngược qua thời gian Time BS Base Station Trạm gốc Code Division Multiple CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã Access Common Fiber - Optic CFOC Truyền thông sợi quang thông thường Communication CH Channel Kênh iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh CMS Chaos Masking Sequence Chuỗi mặt nạ hỗn loạn Convolutional Neural CNN Mạng nơ-ron tích chập Networks Chaotic secure Optical COC Truyền thông quang bảo mật hỗn loạn Communication Continuous Phase Frequency CPFSK Khóa dịch tần số pha liên tục Shift Keying CV Computer Vision Thị giác máy tính CW laser Continuous Wave laser Laser phát ra ánh sáng liên tục Direct Chaotic DCC Truyền thông hỗn loạn trực tiếp Communication Dispersion Compensation DCF Sợi bù tán sắc Fiber DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu DEMUX De-mutiplexer Bộ phân kênh DML Directly Modulated Laser Laser được điều chế trực tiếp DP Dual Polarization Phân cực kép Differential Phase Shift DPSK Khóa dịch pha vi sai Keying D-RoF Digital - Radio over Fiber Radio số qua sợi quang DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM Multiplexing mật độ cao ECC Elliptic Curve Cryptography Mã hóa đường cong Elliptic Erbium-Doped Fiber Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp EDFA Amplifier Erbium EFEC Enhanced Forward Error Sửa lỗi trước tăng cường iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Correction ELBO Evidence Lower Bound Giới hạn dưới bằng chứng FEC Forward error correction Mã sửa lỗi trước Field Programmable Gate FPGA Mảng cổng logic khả trình trường Array FSO Free Space Optics Truyền thông quang không gian tự do FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn bước sóng GRU Gated Recurrent Unit Nút hồi tiếp có cổng Hard Decision Forward Error HD-FEC Sửa lỗi trước – quyết định cứng Correction Intensity Modulation-Direct Điều chế quang biên độ và tách sóng IM-DD Detection trực tiếp ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí tự ISO ISolator Optical Bộ cách ly quang KLD Kullback-Leibler Divergence Độ phân kỳ Kullback-Leibler LAN Local Access Network Mạng truy nhập cục bộ LDR Laser Diode Receiver Bộ thu diode laser LDT Laser Diode Tramsitter Bộ phát diode laser LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LOS Light of Sight Ánh sáng tầm nhìn thẳng LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp LSTM Long Short-Term Memory Bộ nhớ dài hạn – ngắn hạn Maximum Likelihood MLE Ước lượng khả năng tối đa Estimation MZI Mach-Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach-Zehnder MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder NLP Natural Language Proccesing Xử lý ngôn ngữ tự nhiên NLSE Nonlinear Schrödinger Phương trình Schrödinger phi tuyến v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Equation NN Neural network Mạng nơ-ron NRZ Non Return to Zero Mã không trở về không Non-Zero Dispersion Shifted NZ-DSF Sợi dịch tán sắc khác không Fiber OBPF Optical Band Pass Filter Bộ lọc thông dải quang Orthogonal Frequency- Ghép kênh phân chia theo tần số trực OFDM Division Multiplexing giao OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ lệ giữa tín hiệu và tạp âm quang Optical Wireless OWC Truyền thông quang không dây Communication PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất PAM Pulse Amplitute Modulation Điều chế biên độ xung PD Photodiode Tách sóng quang PRBS PseudoRandom Bit Sequence Chuỗi bit giả ngẫu nhiên PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Quadrature Amplitude QAM Điều chế biên độ cầu phương Modulation QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RNN Recurrent Neural Network Mạng nơ-ron hồi quy RoF Radio over Fiber Radio qua sợi quang RRH Remote Radio Head Đầu vô tuyến từ xa SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha Thuật toán mã hóa khóa công khai RSA Rivest–Shamir–Adleman RSA SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ giữa tín hiệu và tạp âm vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SSL Secure Socket Layer Lớp socket bảo mật TLS Transport Layer Security Bảo mật lớp truyền tải Synchronous Transport STM Module truyền dẫn đồng bộ Module VAE Variational Autoencoder Bộ tự mã hóa biến thể VHF Very High Frequency Tần số rất cao Wavelength Division WDM Ghép kênh phân chia theo bước sóng Multiplexing Wireless Local Access WLAN Mạng truy nhập nội bộ vô tuyến Network Wireless Personal Access WPAN Mạng truy nhập cá nhân vô tuyến Network vii
DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Định nghĩa dạng sóng BPSK .............................................................................. 18 Bảng 1.2. Tham số của sợi quang theo khuyến nghị ITU-T ............................................... 32 Bảng 2.1. Tham số của hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao ......................................................................................................... 42 Bảng 2.2. Tham số của hệ thống thông tin số đa kênh vô tuyến hỗn loạn truyền qua sợi quang ................................................................................................................................... 51 Bảng 3.1. Tham số của hệ thống thông tin quang sợi đa kênh COC sử dụng điều chế 4- PAM .................................................................................................................................... 63 Bảng 3.2. Bảng các tham số hệ thống thông tin quang sợi đa kênh sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK...................................................................................................................... 74 Bảng 3.3. Bảng các tham số của các kênh COC và CFOC trong hệ thống thông tin WDM quang đường dài sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM........................................................ 80 Bảng 3.4. Tham số cho mô hình học tăng cường ................................................................ 94 Bảng 3.5. So sánh thời gian suy luận của Deepchaos+ với các mô hình khác trên các tập huấn luyện khác nhau là 20%, 40%, 60% và 80%. ............................................................. 97 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. Hệ thống tạo mặt nạ hỗn loạn ................................................................................ xvi Hình 1.1. Biến đổi theo thời gian của các biến trạng thái trong hệ hỗn loạn Lorenz ............ 5 Hình 1.2. Quỹ đạo pha của hệ hỗn loạn Lorenz .................................................................... 6 Hình 1.3. Chuỗi hỗn loạn Logistic map với hai điều kiện đầu sai khác Δx = 0,000001 ....... 6 Hình 1.4. Hệ thống thông tin quang dựa trên điều chế hỗn loạn ......................................... 12 Hình 1.5. Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4-PAM ................................................... 16 Hình 1.6. (a) Bộ điều chế và (b) bộ giải điều chế BPSK ..................................................... 18 Hình 1.7. (a) Bộ điều chế và (b) Bộ giải điều chế DPSK .................................................... 20 Hình 1.8. (a) Bộ điều chế và (b) Giải điều chế QPSK......................................................... 21 Hình 1.9. Chòm sao của tín hiệu điều chế QPSK ................................................................ 21 Hình 1.10. Sơ đồ bộ điều chế DP-QPSK ............................................................................. 22 Hình 1.11. (a) Bộ điều chế và (b) Giải điều chế 16-QAM ................................................. 24 Hình 1.12. Mô hình bộ mã hóa tự động............................................................................... 26 Hình 1.13. Cấu trúc của mô hình VAE (a) và AE (b) ......................................................... 27 Hình 2.1. Hệ thống RoF tương tự (a) và số (b) sử dụng điều chế mặt nạ hỗn loạn............. 38 Hình 2.2. Mô hình hóa hệ thống thông tin không dây ......................................................... 39 Hình 2.3. Sơ đồ thiết lập mô phỏng số cho hệ thống RoF .................................................. 41 Hình 2.4. Giản đồ mắt cho hai kênh thông tin với hai kiểu điều chế cao cấp DPSK và CPFSK: (a,b) cho điều chế DPSK với kênh CH1 và CH2, (c,d) cho điều chế CPFSK với kênh CH1 và CH2 ............................................................................................................... 45 Hình 2.5. Hiệu năng BER là hàm của tốc độ bit ............................................................ 46 Hình 2.6. Hiệu năng BER là hàm số của mức công suất phát của laser tại tốc độ bit Gb/s tại khoảng cách 20 km ................................................................................... 47 Hình 2.7. Mô hình đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF hai kênh dựa trên hỗn loạn........ 50 Hình 2.8. Mô phỏng hệ thống RoF hai kênh dựa trên hỗn loạn sử dụng điều chế ASK ..... 53 Hình 2.9. Giản đồ mắt của hai kênh tần số vô tuyến (kênh 1 được ký hiệu bằng chữ mà đỏ, kênh 2 được ký hiệu bằng chữ màu xanh) ở một số khoảng cách truyền dẫn tương ứng với 70km (a, a'), 120km (b,b') và 170km (c,c'). ......................................................................... 54 Hình 2.10. Hiệu năng BER là hàm của khoảng cách truyền L .......................................... 55 Hình 2.11. Hiệu năng BER là hàm của tốc độ dữ liệu R ................................................... 56 Hình 2.12. Hiệu năng BER là hàm của hệ số tán sắc D .................................................... 56 Hình 2.13. Hiệu năng BER là hàm của .................................................................... 57 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền dẫn cáp quang sử dụng sơ đồ điều chế 4- PAM: (a) kênh CFOC và (b) kênh COC. ............................................................................ 62 Hình 3.2. Mô hình hệ thống truyền dẫn cáp quang sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM cho kênh COC trên phần mềm mô phỏng Optisystem ........................................................................ 65 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 3.3. Đo phổ tín hiệu quang cho cả kênh COC và kênh CFOC ở phía phát và thu: (a,b) đối với kênh CFOC và (c,d) đối với kênh COC. ................................................................. 66 Hình 3.4. Khảo sát hiệu năng BER phụ thuộc vào chiều dài sợi quang cho kênh COC và CFOC điều chế 4-PAM ................................................................................ 67 Hình 3.5. Khảo sát hiệu năng BER dưới dạng hàm của tốc độ bit của kênh COC và CFOC ................................................................................................................................... 68 Hình 3.6. Khảo sát hiệu năng BER là hàm của hệ số tán sắc cho kênh COC và CFOC. .................................................................................................................................. 69 Hình 3.7. Khảo sát giản đồ mắt phụ thuộc vào chiều dài sợi quang cho kênh COC và CFOC sử dụng điều chế 4-PAM............................................................................ 69 Hình 3.8. Mô hình hệ thống truyền dẫn đường dài ghép kênh của kênh COC và CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép ..................................................................................... 71 Hình 3.9. Mô phỏng kênh COC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép trên Optisystem .. 73 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER vào chiều dài sợi quang . 75 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BER vào tốc độ bit ................................ 76 Hình 3.12. Giản đồ chòm sao của kênh CFOC và kênh COC với điều chế QPSK với (a) 20km, (b) 50km, (c) 80km ................................................................................................... 77 Hình 3.13. Giản đồ chòm sao của kênh CFOC và kênh COC với điều chế 16-PSK với (a) 20km, (b) 50km, (c) 80km ................................................................................................... 78 Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống các kênh COC và CFOC trong hệ thống thông tin WDM quang sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM.................................................................................... 79 Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống kênh COC trong hệ thống thông tin WDM quang sử dụng sơ đồ điều chế DP-16QAM trên phần mềm Optisystem ............................................................... 81 Hình 3.16. Giản đồ chòm sao của sơ đồ điều chế 16-QAM cho hệ thống WDM hai kênh CFOC và COC ở khoảng cách truyền khác nhau, (a) 20km, (b) 60km và (c) 100km. ....... 82 Hình 3.17. Khảo sát BER vào sự thay đổi chiều dài sợi quang ...................... 83 Hình 3.18. Khảo sát BER vào sự thay đổi tốc độ bit của kênh truyền .......................... 84 Hình 3.19. Sơ đồ hệ thống DeepChaos+. ............................................................................ 89 Hình 3.20. (a) Hiệu suất huấn luyện của DeepChaos+ trên tập dữ liệu 60% và (b) Hiệu suất học của mô hình “Sinh viên” được mô tả cho các kích thước khác nhau ........................... 96 Hình 3.21. Độ chính xác và tỉ lệ BER của các mô hình Deepchaos+, BiLSTM, GRU-D và TdiS ..................................................................................................................................... 98 x
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Eb Mức năng lượng bit LE Số mũ Lyapunov Exponent  Lỗi đồng bộ  Hệ số tương quan chéo P Công suất . giá trị trung bình theo thời gian c Tần số sóng mang Tb Khoảng độ rộng bit p Hàm mật độ phân bố xác suất Rb Tốc độ bit  Bước sóng d Khoảng cách  Suy hao W Băng thông S Độ nhạy bộ thu G Hệ số khuếch đại L Chiều dài D Hệ số tán sắc Pe Xác suất lỗi  Diện tích hiệu dụng sợi xi
MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Truyền thông sử dụng hỗn loạn Nhìn lại suốt chiều dài lịch sử văn minh nhân loại, bảo mật thông tin không chỉ là vấn đề của thời hiện đại. Trong liên lạc quân sự, đặc biệt là khi tác chiến trên chiến trường, việc bảo mật thông tin đóng một vai trò cực kỳ quan trọng. Các phương tiện truyền thông bí mật như mạng liên lạc tác chiến, tin tình báo hay truyền tin giữa các chỉ huy phụ thuộc vào các phương pháp bảo mật thông tin để ngăn chặn nguy cơ bị gián điệp xem lén và đột nhập từ bên ngoài. Những thông tin có giá trị cao hoặc tối mật nếu bị rò rỉ hay bị đột nhập trái phép sẽ gây nguy hại khôn lường. Trong thời đại của sự kết nối liên tục và sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, bảo mật thông tin trở thành một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng của cá nhân, các cơ quan tổ chức, quốc gia, và cả nền kinh tế toàn cầu. Tại mỗi bước tiến mới của công nghệ, mối đe dọa về việc xâm nhập thông tin trái phép cũng ngày càng gia tăng. Trong bối cảnh này, vai trò của bảo mật thông tin trở nên vô cùng quan trọng, đóng vai trò là một "cánh tay vững chắc" bảo vệ sự toàn vẹn của dữ liệu. Phạm vi bảo mật không chỉ ở máy tính cá nhân mà cả các kết nối máy tính trên phạm vi toàn cầu, trong nhiều phân loại mạng và đường truyền khác nhau như mạng internet, mạng di động, mạng thông tin vệ tinh [1-2]. Các phương pháp bảo mật thông tin vô tuyến, hữu tuyến và cáp sợi quang đã phát triển qua nhiều giai đoạn, từ các kỹ thuật mã hóa cơ bản đến các phương pháp phức tạp như chữ ký số, mã hóa đối xứng và không đối xứng, giao thức bảo mật lớp ứng dụng như SSL/TLS [3]. Nghiên cứu của Rivest, Shamir và Adleman về hệ mật mã RSA [4], hay công trình của Diffie và Hellman về giao thức trao đổi khóa [5] đều là những ví dụ điển hình về những đóng góp quan trọng trong lịch sử của bảo mật thông tin. Ưu điểm của các phương pháp này bao gồm: (i) Sử dụng các thuật toán mã hóa mạnh như RSA, Diffie-Hellman, AES, và ECC cho mức bảo mật cao, bởi vì những thuật toán này cung cấp một cơ chế đáng tin cậy để bảo vệ dữ liệu khỏi việc truy nhập trái phép và đột nhập từ bên ngoài; (ii) Có khả năng linh hoạt để điều chỉnh cấp độ bảo mật theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng và môi trường; (iii) Mặc dù các phương pháp mã hóa và giải mã có thể yêu cầu xử lý phức tạp, nhưng các thuật toán hiện đại thường được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao mà không làm giảm tốc độ xử lý dữ liệu quá nhiều [6-9]. Tuy nhiên, cũng cần phải nhấn mạnh một số nhược điểm và thách thức khi ứng dụng các phương pháp bảo mật như đã đề cập ở trên là: (i) Đòi hỏi nhiều tài nguyên, chẳng hạn, một số phương pháp bảo mật thông tin như mã hóa đối xứng và không đối xứng có thể yêu cầu tài xii
Truyền thông sử dụng hỗn loạn nguyên máy tính và băng thông mạng cao để thực hiện các phép tính mã hóa và giải mã, đặc biệt là khi xử lý lượng dữ liệu lớn; (ii) Thiết lập và duy trì các hệ thống mã hóa và giải mã phức tạp, có thể tốn kém về mặt tài chính và nhân lực; (iii) Mặc dù sử dụng các thuật toán mã hóa tiên tiến nhưng vẫn có khả năng bị tấn công, ví dụ như các máy tính hiệu năng cao chạy các thuật toán vét cạn có thể giải mã được các thuật toán mã hóa phức tạp. Vậy nên, việc duy trì tính an toàn cho hệ thống yêu cầu sự cập nhật liên tục và đầu tư trong nghiên cứu bảo mật [9]. Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, việc khám phá các hệ thống thông tin hỗn loạn đã thu hút sự chú ý đáng kể vì khả năng của chúng trong việc nâng cao tính bảo mật, tính toàn vẹn và tính hiệu quả của việc truyền dữ liệu. Luận án này nhằm cung cấp một cái nhìn toàn diện về những đóng góp nghiên cứu mang tính bước ngoặt trong lĩnh vực truyền thông hỗn loạn, nhấn mạnh vào những tiến bộ quan trọng, thách thức và hướng phát triển trong tương lai. Nguồn gốc của các hệ thống thông tin hỗn loạn xuất phát từ các công trình tiên phong trong lĩnh vực động lực học phi tuyến và lý thuyết hỗn loạn. Công trình nghiên cứu đầu tiên của Lorenz năm 1963 về hỗn loạn với “hiệu ứng cánh bướm” đã đặt nền móng lý thuyết để hiểu sự phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện đầu, một đặc trưng của các hệ thống hỗn loạn [10-11]. Dựa trên nền tảng này, các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá ứng dụng của hỗn loạn trong các hệ thống thông tin, với những đóng góp đáng chú ý từ Pecora và Carroll về việc đồng bộ hóa các hệ thống hỗn loạn [12] và những tác động của chúng đối với truyền thông bảo mật [13-14]. Việc sử dụng các hệ thống thông tin hỗn loạn trong nhiều lĩnh vực khác nhau [15] thể hiện tính đa dạng và hiệu quả của chúng trong việc giải quyết các thách thức. Nhiều công trình nghiên cứu bước ngoặt đã đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông hỗn loạn, mở đường cho các giải pháp đổi mới và các phát hiện đột phá. Shouliang Bu và Bing-Hong Wang [16] đã đề xuất một phương pháp có thể ngăn chặn khả năng tái tạo không gian pha bằng cách điều chế tín hiệu mang với một tín hiệu vô hướng được lựa chọn thích hợp. Phương pháp này không chỉ bảo vệ được thông tin truyền đi mà còn tăng cường độ bảo mật bằng cách thêm các tham số ẩn vào hệ thống. Nir Lahav và các cộng sự [17] đã giới thiệu một phương pháp đồng bộ hỗn loạn mới cho các hệ thống thông tin, đồng bộ ở cấp độ tô-pô thay vì cấp độ biến. Đồng bộ tô-pô xem xét sự tương đồng về hình dạng và cấu trúc của vùng hút. Quỹ đạo của các hệ thống hỗn loạn có thể không trùng khớp hoàn toàn, nhưng chúng cần phải có hình dạng và cấu trúc tương tự nhau khi di chuyển. Các hệ thống thông tin bảo mật hỗn loạn trải phổ cũng được đề xuất sử dụng và đã chứng minh tính hiệu quả của bảo mật trong các môi trường thông tin khác nhau [18-21]. xiii
Truyền thông sử dụng hỗn loạn Rahul Ekhande và các cộng sự [22] đã đề xuất một phương pháp truyền thông an toàn dựa trên điều chế hỗn loạn kết hợp kỹ thuật mặt nạ để chứng minh sự đồng bộ Lorenz trong việc khôi phục thông tin ở phía thu. Qua việc phân tích và mô phỏng số, các tác giả đã chứng minh tính hiệu quả và đáng tin cậy của các hệ thống thông tin hỗn loạn về việc đảm bảo truyền dữ liệu an toàn trong các môi trường truyền dẫn. Trong truyền thông không dây, các kỹ thuật điều chế hỗn loạn đóng vai trò là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các tác động từ kênh truyền và chống lại các cuộc đột nhập trái phép, do đó đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu [23- 26]. Bằng cách khai thác tính bất định của tín hiệu hỗn loạn, các kỹ thuật điều chế này cung cấp giải pháp hữu ích cho việc truyền thông an toàn trong môi trường bị ảnh hưởng bởi tạp âm, can nhiễu và sự tấn công. Thêm vào đó, các phương pháp mã hóa hỗn loạn đã trở thành một nền tảng trong lĩnh vực mã hóa hình ảnh, sử dụng tính nhạy cảm vào điều kiện đầu và các tham số điều khiển để cung cấp một giải pháp mạnh cho việc bảo mật nội dung đa phương tiện [27]. Thông qua việc tích hợp động học hỗn loạn vào các giao thức mật mã, các nhà nghiên cứu đã chứng minh sự cải thiện đáng kể trong việc nâng cao tính bảo mật hình ảnh [28]. Trong lĩnh vực mật mã tài chính, các hệ thống thông tin hỗn loạn đã làm thay đổi cách thiết kế các giao thức mật mã cho các giao dịch an toàn và giao dịch thị trường thông qua ảnh mã hóa [29]. Hơn nữa, việc tích hợp động học hỗn loạn vào các hệ thống tài chính cho phép phát hiện và ngăn chặn các hoạt động gian lận, từ đó nâng cao độ tin cậy của các giao dịch số. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã mở rộng ứng dụng của lý thuyết hỗn loạn vào các hệ thống thông tin quang, sử dụng các tính chất đặc biệt của sợi quang để đạt được việc truyền dữ liệu tốc độ cao [30-31] và khoảng cách lớn [31-32], điển hình là hệ thống thông tin quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM [33]. Bằng cách điều chế độ cường độ hoặc pha của tín hiệu quang theo sóng hỗn loạn, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất truyền dẫn như tăng tốc độ dữ liệu, giảm suy hao tín hiệu và tăng cường bảo mật chống lại các cuộc xâm nhập trái phép. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu gần đây đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của truyền thông hỗn loạn trong các mạng sợi quang. Apostolos Argyris và các cộng sự [34] đã chứng minh bằng thực nghiệm hệ thống truyền dẫn quang với tốc độ 10 Gb/s qua một chip quang tử được điều chế hỗn loạn sóng mang theo kiểu điều chế laser trực tiếp cho thông tin bảo 12 mật với tỉ lệ lỗi bit (BER – Bit Error Rate) nhỏ hơn 10 . Một hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn khoảng cách lên đến 25 km và tốc độ 10 Gb/s đã được chứng minh xiv
Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án bằng thực nghiệm. Hệ thống được thực hiện thông qua việc đồng bộ hỗn loạn nhờ một laser thứ cấp truyền tín hiệu hỗn loạn giống laser sơ cấp phát tín hiệu thông tin 9 bởi cơ chế phản hồi từ xa, cho phép đạt được BER nhỏ hơn 10 [35]. Sự đồng bộ hỗn loạn của laser bán dẫn cũng được thực hiện qua mạng phân cụm với các luồng thông tin quang tốc độ lên đến 10 Gb/s [36] hoặc giữa hai nguồn laser được đồng bộ tương quan [37] thể hiện tiềm năng của các kỹ thuật điều chế dựa trên hỗn loạn trong các hệ thống thông tin. Tuy là cách tiếp cận rất mới, hiện đại, cho phép thông tin được truyền đi với tốc độ cao và hiệu quả sử dụng băng thông cao nhưng cần cơ cấu điện tử, quang tử và laser rất phức tạp. Đặc biệt là việc xử lý bảo mật ở miền quang yêu cầu chi phí lớn và khó thực hiện [34-37]. Do đó, luận án này đã đề xuất hướng nghiên cứu bảo mật ở miền điện. Thay vì sử dụng tín hiệu hỗn loạn quang được phát bởi laser diode, các hệ thống được trình bày trong luận án sử dụng tín hiệu hỗn loạn Logistic map trong miền điện, đơn giản trong thiết kế mà vẫn đảm bảo được hiệu quả của nó đối với hệ thống thông tin. Tín hiệu hỗn loạn sẽ được cộng hoặc nhân với tín hiệu cao tần để tạo mặt nạ hỗn loạn, được điều chế đa mức để tăng tốc độ và chuyển thành tín hiệu quang trước khi truyền qua sợi quang nhưng vẫn đảm bảo BER cho phép. Việc nghiên cứu ứng dụng hỗn loạn vào các hệ thống thông tin đã nhận được sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà khoa học trên thế giới trong gần ba thập kỷ vừa qua, trong đó tập trung vào các hướng nghiên cứu chính như sau: (i) Khai thác đặc tính động của hỗn loạn để tăng cường khả năng bảo mật của các hệ thống. (ii) Giải quyết bài toán đồng bộ hỗn loạn giữa phía phát và phía thu: đồng bộ có tương quan (coherent) và không tương quan (non-coherent). (iii) Kiến trúc các hệ thống thu phát dựa trên hỗn loạn qua các môi trường và kênh truyền dẫn khác nhau như vô tuyến, sợi quang, dây điện, v.v. Nội dung mà luận án hướng tới nằm trong hướng nghiên cứu (iii), cụ thể là sơ đồ kiến trúc thu phát của các hệ thống thông tin quang – vô tuyến (RoF) hoặc toàn quang kết hợp với điều chế đa mức tốc độ cao sử dụng kỹ thuật mặt nạ hỗn loạn được đề xuất và đánh giá hiệu năng của hệ thống bằng cách sử dụng phần mềm Optisystem. Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án xv
Động lực, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của luận án Động lực nghiên cứu Sự nhạy cảm của động học hỗn loạn đối với các tham số hệ thống và các yếu tố môi trường đặt ra nhiều thách thức trong việc duy trì sự đồng bộ trong hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn. Mặc dù vậy, tính phức tạp và không dự đoán được cùng phổ tần rộng của tín hiệu hỗn loạn mang lại những lợi ích độc đáo về bảo mật và khả năng chống lại các cuộc tấn công mật mã phổ biến như tấn công vét cạn, tấn công phân tích phổ hay tấn công theo kiểu dự đoán tham số, khiến cho các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các mạng quang học thế hệ tiếp theo. Hướng tiếp cận để giải quyết của luận án là triển khai các bước điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ trên các các tín hiệu thông tin số đã được điều chế qua các định dạng điều chế đa mức như QPSK, DP- 16PSK, 16QAM, 4-PAM. Đánh giá hiệu năng của hệ thống đề xuất qua BER theo các tham số của hệ thống như khoảng cách truyền, tốc độ truyền, độ tán sắc, biểu đồ mắt hoặc giản đồ chòm sao. Quá trình tạo mặt nạ hỗn loạn (chaotic masking) [38-39] được thực hiện bởi một bộ phát tín hiệu số hỗn loạn kết hợp một mạch điện tử tạo xung giống như bộ tạo xung nhị phân trong Hình 1. Hình 1. Hệ thống tạo mặt nạ hỗn loạn Cơ chế tạo mặt nạ hỗn loạn được thực hiện bằng cách cộng hoặc nhân chuỗi bit mang thông tin m  nT  với chuỗi Logistic map xn1 được tạo ra từ các hàm hỗn loạn. Để tạo mặt nạ hỗn loạn thì mức công suất của m  nT  phải thấp hơn đáng kể so với xn1 [40]. Tín hiệu đã được điều chế hỗn loạn s  nT   m  nT   xn1 được đưa đến các máy phát laser bán dẫn chuyển đổi điện - quang theo cơ chế điều chế quang theo biên độ và tách sóng trực tiếp (IM-DD- Intensity Modulation - Direct Detection). Ở phía thu, sử dụng các bộ tách sóng quang (photodetector) để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, quá trình được thực hiện theo trật tự ngược lại. Nếu bộ thu đồng bộ với bộ phát, và tín hiệu s  nT  như phía phát thì khi xn1  x 'n1 , m  nT  được khôi phục theo công thức m  nT   s  nT   x 'n1 . ˆ Phương pháp như vậy sẽ dễ dàng thực hiện bằng các cơ cấu mạch điện tử mà không xvi