Nguyễn Hữu Long
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 số: 9520203
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Xuân Quyền
Phản biện 1: ………………………………………..
Phản biện 2: ………………………………………..
Phản biện 3: ………………………………………..
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Truyền thông sử dụng hỗn loạn
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. Ưu điểm của các phương pháp
này bao gồm: (i) Cung cấp một cơ chế đáng tin cậy để bảo vệ dữ liệu khỏi việc
truy nhập trái phép từ bên ngoài; (ii) Linh hoạt để điều chỉnh cấp độ bảo mật
theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng và môi trường; (iii) Tối ưu hóa để đảm
bảo hiệu suất cao mà không làm giảm đi tốc độ xử lý dữ liệu quá nhiều. Tuy
nhiên, nhược điểm và thách thức khi ứng dụng các phương pháp bảo mật này
là: (i) đòi hỏi nhiều tài nguyên; (ii) Tốn kém về tài chính và nhân lực; (iii) có
thể bị tấn công bởi thuật toán vét cạn nhờ sự trợ giúp của các siêu máy tính.
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, hệ mật mã RSA hay giao thức trao đổi khóa v.v. Ưu
điểm của các phương pháp này bao gồm: (i) 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) Linh hoạt để điều chỉnh cấp độ bảo mật
theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng và môi trường; (iii) Tối ưu
hóa để đảm bảo hiệu suất cao mà không làm giảm tốc độ xử lý dữ
liệu quá nhiều. Tuy nhiên, nhược điểm và thách thức khi ứng dụng
các phương pháp bảo mật này như: (i) Đòi hỏi nhiều tài nguyên;
(ii) Tốn kém về mặt tài chính và nhân lực; (iii) Có thể bị tấn công bởi
thuật toán vét cạn nhờ sự trợ giúp của các siêu máy tính.
Công bố đầu tiên của Lorenz năm 1963 về hỗn loạn với “hiệu ứng cánh
bướm” đã đặt nền móng cho việc sử dụng hỗn loạn trong các hệ thống truyền
tin. Việc sử dụng các hệ thống truyền thông hỗn loạn trong nhiều lĩnh vực
khác nhau thể hiện tính đa dạng và hiệu quả của chúng trong việc giải quyết
các thách thức. Trong truyền thông không dây, các kỹ thuật điều chế hỗn loạn
là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các tác động từ kênh truyền và chống
lại các cuộc tấn công trái phép, bảo vệ tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu.
2
Những năm gần đây, lý thuyết hỗn loạn đã được sử dụng trong các hệ thống
truyền thông qua sợi quang, tận dụng các tính chất đặc biệt của sợi quang để
đạt được việc truyền dữ liệu tốc độ cao và khoảng cách lớn.
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. 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 trong miền điện, đơn giản trong thiết kế mà vẫn đảm bảo
được hiệu quả của nó đối với hệ thống 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.
Động lực và mục tiêu 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.
Quá trình này 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. Cơ chế tạo
mặt nạ hỗn loạn được thực hiện bằng cách cộng hoặc nhân chuỗi bit mang
thông tin với chuỗi hỗn loạn Logistic được tạo ra từ các hàm hỗn loạn. Tín
hiệu đã được tạo mặt nạ hỗn loạn được đưa đến các máy phát laser bán dẫn để
chuyển đổi điện-quang theo cơ chế điều chế quang theo biên độ và tách sóng
trực tiếp rồi truyền qua sợi quang. Ở phía thu, sử dụng các bộ tách sóng quang
để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, quá trình được thực hiện theo
3
trật tự ngược lại. Phương pháp như vậy sẽ dễ dàng thực hiện ở các cơ cấu
mạch điện tử mà không yêu cầu các phương pháp kiểm soát đồng bộ laser
phức tạp, tốn kém, khó khăn so với phương pháp đồng bộ laser của cơ chế chủ
- tớ của các hướng tiếp cận nghiên cứu gần đây. Hệ thống đề xuất được đánh
giá chất lượng qua hệ số BER theo các tham số của hệ thống.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án có hai mục tiêu nghiên cứu lớn như sau:
(i) Đề xuất hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang đa kênh được
điều chế số tiên tiến và điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ rồi
ghép kênh để đưa lên kênh truyền cự ly xa.
(ii) Đề xuất các hệ thống thông tin số toàn quang, đa kênh kết hợp với
các phương pháp điều chế số đa mức cho chuỗi bit mang thông tin, sau đó
được điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ trong các hệ thống ghép
kênh phân chia theo bước sóng. Hiệu năng BER, chòm sao (constellation) qua
kênh truyền quang được đánh giá thông qua một số tham số đặc trưng của hệ
thống. Việc sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu số ở phía thu thông qua
kỹ thuật VAE và Informer trong mô hình học sâu để nâng cao chất lượng tín
hiệu được tái tạo cũng được đề xuất.
Phương pháp nghiên cứu
Hệ thống nghiên cứu là sự kết hợp của nhiều hệ thống con khác nhau như
điều chế mặt nạ hỗn loạn, hệ thống điều chế đa mức để tăng tốc độ truyền dẫn,
hệ thống truyền qua sợi quang hoặc quang kết hợp vô tuyến. Như vậy, đây là
hệ thống tổng hợp và có độ phức tạp cao nên việc tìm ra mô hình lý thuyết
chính xác cho hệ thống không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án và
sẽ nằm trong phần nghiên cứu tương lai của luận án. Trong khuôn khổ của
luận án, nghiên cứu sinh chỉ đưa ra sơ đồ khối của hệ thống và đánh giá chất
lượng hệ thống thông qua phần mềm mô phỏng Optisystem V.14.
Tổ chức nội dung của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong ba chương. Nền tảng về lý
thuyết hỗn loạn và ứng dụng được trình bày trong Chương 1. Các nội dung
được đề xuất và thực hiện trong Chương 2 và Chương 3 thể hiện toàn bộ đóng
góp khoa học của luận án.
Chương 1. Tổng quan về thông tin quang sử dụng điều chế đa mức
dựa trên hỗn loạn: Trình bày đặc điểm và các tính chất quan trọng của hỗn
loạn. Cấu trúc của một hệ thống thông tin quang hỗn loạn, các dạng điều chế