Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "Nghiên cứu hệ thống thông tin quang sử dụng điều chế đa mức dựa trên hỗn loạn" là 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; 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;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Nguyễn Hữu Long 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
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. 1
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 2
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 3
số đa mức sẽ được tổng hợp. Cuối cùng là các kỹ thuật trong mô hình học sâu để xử lý và nhận dạng tín hiệu. Chương 2. Kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống quang thu phát vô tuyến: Đề xuất hệ thống thông tin số sử dụng công nghệ RoF và giao diện fronthaul cho hai kênh tín hiệu vô tuyến ở dải tần số VHF sử dụng điều chế DPSK và CPFSK để nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố truyền dẫn đến chất lượng BER của hệ thống thông tin quang. Hệ thống này là nền tảng cho hệ thống thông tin số hai kênh dựa trên hỗn loạn sử dụng điều chế ASK trong đề xuất tiếp theo. Mô phỏng số và các kết quả đạt được dùng để đánh giá BER của hệ thống phụ thuộc vào một số tham số của hệ thống. Chương 3. Kỹ thuật hỗn loạn trong hệ thống truyền dẫn quang đa kênh với các điều chế khác nhau: Chương này đề xuất hệ thống thông tin quang đa kênh với các phương pháp điều chế đa mức như 4-PAM, QPSK, DP- 16PSK, DP–16QAM ghép kênh phân chia theo bước sóng sử dụng điều chế hỗn loạn. Các kết quả mô phỏng số như biểu đồ chòm sao, BER phụ thuộc vào các tham số đường truyền giúp ước lượng định tính và định lượng BER của hệ thống. Bên cạnh đó, hệ thống sử dụng mô hình Informer kết hợp kỹ thuật VAE để xử lý tín hiệu số kênh hỗn loạn ở phía thu nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống và rút ngắn thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống cũng được đề xuất. Kết luận và hướng phát triển: Kết luận với các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung, các đóng góp khoa học của luận án cũng như hướng phát triển nghiên cứu trong thời gian tới. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ ĐA MỨC DỰA TRÊN HỖN LOẠN 1.1. Cơ sở của lý thuyết hỗn loạn 1.1.1. Định nghĩa và các tính chất hỗn loạn Hỗn loạn thể hiện trạng thái hỗn độn và thiếu trật tự của các hiện tượng tự nhiên nhưng chúng lại tuân theo một quy luật hoặc nguyên tắc nào đó, và được biểu diễn bằng các phương trình hoặc hệ phương trình. Chúng có đặc điểm chính là (i) phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện ban đầu, (ii) chuyển động không có quy tắc trong mặt phẳng pha và (iii) là hệ thống xác định. Nếu căn cứ vào số biến trạng thái, hệ hỗn loạn có thể phân loại thành hệ một chiều, hai chiều, ba chiều. Nếu căn cứ vào tính chất của trạng thái, hệ hỗn loạn có thể phân loại thành hệ liên tục hoặc hệ rời rạc. Hệ động học Logistic map rời rạc một chiều có luật truy hồi: xn1  r  xn  1  xn  , x0   0,1 (1. 1) Khi tham số điều khiển 3  r  4 , hệ Logistic map rơi vào trạng thái hoạt động hỗn loạn. Hình 1.1 minh họa tính vận động không có chu kỳ và nhạy cảm với điều kiện đầu của hệ Logistic map khi điều kiện đầu sai khác 0.000001. Hình 1.1. Hệ Logistic map với điều kiện đầu sai khác 0.000001 1.1.2. Đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin Đồng bộ có thể xảy ra khi ghép hai hoặc nhiều dao động hỗn loạn hoặc khi một dao động hỗn loạn lái một dao động hỗn loạn khác. Nếu hệ hỗn loạn (A) được gọi là hệ thống chủ động, và hệ hỗn loạn được điều khiển (B) được gọi là hệ thống thụ động thì đồng bộ hoàn toàn là kiểm soát đầu ra của hệ thống thụ động (B) sao cho nó theo sát đầu ra của hệ thống chủ động một cách tiệm cận. Nghiên cứu được khởi xướng bởi Pecora và Carroll năm 1990 đã 5
chứng minh rằng hai hệ thống hỗn loạn có cùng một tập các giá trị tham số có thể được đồng bộ với nhau. Ngoài Pecora và Carroll, nhiều phương pháp đồng bộ hóa đã được đề xuất. Chất lượng của quá trình đồng bộ có thể được đánh giá qua lỗi đồng bộ hoặc hệ số tương quan chéo. 1.1.3. Hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn Nguyên lý hoạt động của các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn được mô tả như Hình 1.2. Hệ thống thường sử dụng laser bán dẫn để phát tín hiệu hỗn loạn. Dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác bằng cách chuyển đổi chuỗi bit thành các ký hiệu, và chuyển đổi các ký hiệu thành hàm mẫu, là các đoạn của các dạng sóng hỗn loạn. Hàm này cho một ký hiệu cụ thể là không tuần hoàn và khác nhau giữa các ký hiệu. Ưu điểm chính của các hệ thống thông tin quang dựa trên hỗn loạn là tốc độ cao, tăng cường tính bảo mật và tương thích với cơ sở hạ tầng mạng đã được cài đặt. Hình 1.2. Hệ thống thông tin quang dựa trên mã hóa hỗn loạn 1.2. Các dạng điều chế đa mức trong thông tin Điều chế là đem thông tin dưới dạng tín hiệu thấp tần tác động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo thông tin. Sóng được điều chế nhằm hai mục đích là (i) thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc và (ii) tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường. Điều chế không làm ảnh hưởng quá trình đồng bộ nhưng bản tin được điều chế luôn ngoài mong muốn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống được đồng bộ. Các dạng điều chế đa mức tiên tiến là các phương pháp điều chế tín hiệu mà không chỉ truyền một bit thông tin trong mỗi ký hiệu của tín hiệu, thay vào đó, mỗi ký hiệu có thể mang nhiều bit thông tin. Các phương pháp điều chế đa mức trình bày trong luận án là PAM, BPSK, QPSK, DPSK, QAM. 6
1.3. Các giải thuật và mô hình trí tuệ nhân tạo cho xử lý tín hiệu trong các hệ thống thông tin Hiện nay trong học sâu thì vấn đề dữ liệu có vai trò rất quan trọng, do đó cần dùng kỹ thuật tăng cường và nội suy dữ liệu để phục vụ cho các ứng dụng có ít dữ liệu. 1.3.1. Kỹ thuật VAE cho xử lý tín hiệu VAE giúp tự động lựa chọn đặc trưng một cách chính xác thông qua quá trình học không giám sát. VAE là một công cụ trong lĩnh vực học máy được sử dụng để khôi phục thông tin từ một tín hiệu đã bị mất hoặc hỏng bằng cách biến đổi tín hiệu đầu vào thành một đặc trưng phù hợp cho việc tái tạo. VAE bao gồm hai thành phần chính là bộ mã hóa và bộ giải mã. Bộ mã hóa nhận tín hiệu đầu vào và ánh xạ nó vào một không gian ẩn có số chiều thấp hơn. Bộ giải mã nhận các vector trong không gian ẩn và cố gắng tái tạo lại tín hiệu gốc. 1.3.2. Kỹ thuật Informer Transformer cho phép các node truyền truyền trực tiếp giữa các lớp mà không cần quá trình truyền tuần tự trên một lớp được hoàn thành nhưng vẫn đảm bảo mối tương quan giữa các từ được truyền đi nhờ cơ chế tập trung. Transformer gồm hai thành phần chính là bộ mã hóa và bộ giải mã với các khối tập trung đa đầu, mã hóa vị trí, cộng và chuẩn hóa, mạng truyền xuôi theo vị trí và Softmax. Informer là một biến thể của mô hình Transformer, được thiết kế đặc biệt để dự đoán chuỗi thời gian dài. Informer sử dụng các tầng chưng cất tri thức để tóm tắt và giảm chiều dữ liệu, giúp giảm thiểu khối lượng tính toán trong quá trình huấn luyện và suy luận; áp dụng cơ chế tập trung theo cách phân cấp để xác định các phần quan trọng của dữ liệu ở nhiều mức khác nhau, giúp cải thiện hiệu quả dự đoán cho chuỗi dài. 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày cơ sở của lý thuyết hỗn loạn bao gồm các đặc điểm chính của hỗn loạn, đồng bộ tín hiệu hỗn loạn trong hệ thống thông tin, mô hình hệ thống thông tin quang sử dụng tín hiệu hỗn loạn. Chương 1 cũng trình bày các phương pháp điều chế đa mức và các giải thuật trong học sâu để xử lý tín hiệu trong các hệ thống thông tin. Những kiến thức này là nền tảng và động lực cho các đề xuất nghiên cứu trong các chương tiếp theo của luận án. 7
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG QUANG THU PHÁT VÔ TUYẾN 2.1. Giới thiệu Sơ đồ hệ RoF tương tự và số cơ bản được minh họa như hình 2.1. Hình 2.1. Hệ thống RoF tương tự (a) và số (b) sử dụng điều chế mặt nạ hỗn loạn Với hệ thống tương tự, tín hiệu RF được hạ tần thành tín hiệu IF, được điều chế hỗn loạn bằng phương pháp tạo mặt nạ hỗn loạn, được chuyển đổi thành tín hiệu quang rồi truyền qua sợi quang. Phía thu, sử dụng photodiode để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi trừ đi tín hiệu hỗn loạn đồng bộ với phía phát để khôi phục tín hiệu IF tương tự. Tín hiệu IF sau đó được chuyển đổi lại thành tín hiệu RF, khuếch đại và truyền qua anten. Với hệ thống số, tín hiệu IF trước tiên được rời rạc hóa bằng bộ chuyển đổi A/D với tốc độ lấy mẫu thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist, sau đó được chuyển từ song song sang nối tiếp, được điều chế mặt nạ hỗn loạn và quá trình tương tự như trên. Công nghệ RoF cung cấp nền tảng thiết yếu để xây dựng mạng truy nhập vô tuyến đám mây hay mạng truy nhập vô tuyến tập trung (C-RAN), có thể kiểm soát các đơn vị băng tần cơ sở tập trung (BBU) đến từ nhiều trạm gốc (BS) và các đầu vô tuyến từ xa (RRHs). Khả năng kết nối giữa các BBU này với RRH là khả thi về mặt kinh tế với mạng lưới phân bố được gọi là 'fronthaul'. 8
2.2. Thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao 2.2.1. Mô hình hệ thống cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao Hình 2.2 mô tả hệ thống thông tin RoF hai kênh vô tuyến có tần số tương ứng là 𝑓 𝑐1 = 250 GHz (CH1) và 𝑓 𝑐2 = 255 GHz (CH2). Hai kiểu điều chế khóa dịch pha được sử dụng là khóa dịch pha vi sai DPSK cho tín hiệu điện và điều chế dịch tần pha liên tục CPFSK. Kiểu điều chế này giúp loại trừ tín hiệu tham chiếu kết hợp tại bộ thu bởi đây là kiểu điều chế không liên kết. Hình 2.2. Sơ đồ thiết lập mô phỏng số cho hệ thống RoF Tại mỗi kênh, tín hiệu sau khi điều chế được đưa qua một bộ lọc BPF Bessel để lọc ra dải tần mong muốn. Hai tín hiệu RF được đưa đến bộ kết hợp để ghép kênh ở hai phổ RF tương ứng với hai tần số cao tần 𝑓 𝑐1 và 𝑓 𝑐2. Tại phía thu, bộ Splitter chia đôi đường quang một cách đối xứng hoặc dịch pha là bội số của 2π. Bộ khuếch đại quang truyền tín hiệu quang qua bộ lọc OBPF với tần số trung tâm là 193,1 THz để lọc băng thông phía trên của tín hiệu quang. Tín hiệu này sau đó được đưa qua bộ lọc BPF để lọc đúng tần số mà kênh yêu cầu rồi được chuyển thành tín hiệu điện qua bộ photodiode PIN. Bộ lọc LPF được sử dụng để loại bỏ các thành phần tần số cao và chuyển tín hiệu về dải tần cơ sở. Tín hiệu đầu ra được đưa đến bộ 3R Regenerator để tái tạo tín hiệu, đồng bộ lại và định hình lại. Chất lượng tín hiệu có thể đánh giá thông qua hiệu năng BER và phân tích giản đồ mắt. 2.2.2. Tiến trình mô phỏng Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Optisystem V.14 gồm: 9
Bước 1: Thiết kế máy phát ; Bước 2: Thiết kế đường truyền; Bước 3: Thiết kế máy thu; Bước 4: Chạy toàn hệ thống; Bước 5: Xem kết quả và tối ưu các tham số bằng cách quét các tham số, sau đó chọn tham số tối ưu; Bước 6: Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ đồ thị; Bước 7: Phân tích kết quả của hệ thống. Tham số của hệ thống được xác định theo các khuyến nghị của ITU-T. 2.2.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng Hình 2.3 (a) và (b) lần lượt minh họa giản đồ mắt cho kênh CH1 và CH2 với kiểu điều chế số DPSK ở tốc độ bit 𝑅 𝑏 = 1 Gb/s. Kênh CH1 đạt 𝑄 tốt nhất tại 9,78, trong khi kênh CH2 đạt 𝑄 cực đại tại 9,61. Hình 2.3 (c) và (d) tương ứng là giản đồ mắt cho kênh CH1 và CH2 với kiểu điều chế số CPFSK. 𝑄 mức 1 biến đổi từ 11 đến 13, 𝑄 mức 0 biến đổi từ 2,5 đến 4 trong cả hai kênh CH1 và CH2, chênh lệch giữa hai mức luôn đảm bảo lớn hơn 7,5 dB. Quan hệ giữa BER và tham số chất lượng 𝑄 có thể xấp xỉ theo hàm bù lỗi như sau: 1 BER  erfc  2   Q  exp Q / 2   (2. 1) 2  2 Q 2 Hình 2.3. Giản đồ mắt cho hai kênh với hai kiểu điều chế 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 Hình 2.4 minh họa sự biến đổi của BER theo tốc độ bit 𝑅 𝑏 khi giữ công suất phát của laser 𝑃 = 0 dBm. Để đảm bảo mức yêu cầu BER tối thiểu 10−9 , tốc độ dữ liệu phải nhỏ hơn 2,8 Gb/s. Hình 2.4 (b) thể hiện BER là hàm của Rb cho cả hai kênh đối với kiểu điều chế CPFSK. Khi 1 ≤ 𝑅 𝑏 ≤ 2,3 Gb/s thì 10
BER của CH1 nhỏ hơn CH2. Ngược lại, khi 2,3 ≤ 𝑅 𝑏 ≤ 5 Gb/s, BER của CH2 nhỏ hơn CH1 nhưng chênh lệch rất nhỏ. Hình 2.4. BER là hàm số của tốc độ bit Hình 2.5. BER là hàm số của mức 𝑅𝑏 công suất phát của laser 𝑃 Hình 2.5 minh họa BER của các kênh theo mức công suất phát 𝑃 của laser trước khi điều chế bên ngoài khi cố định tốc độ bit 𝑅 𝑏 = 1 Gb/s cho kênh cơ sở. Với DPSK, mức phát lý tưởng là 1 dBm, trong khi đó, với CPFSK thì mức phát lý tưởng là 0 dBm. 2.3. Hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến số sử dụng hỗn loạn truyền qua sợi quang 2.3.1. Mô hình của hệ thống thông tin đa kênh vô tuyến hỗn loạn Hình 2.6. Mô hình đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF hỗn loạn hai kênh Sơ đồ đề xuất cho hệ thống truyền dẫn RoF được thể hiện trên Hình 2.6. Dữ liệu thông tin từ hai nguồn độc lập khác nhau được mã hóa dưới dạng NRZ để tạo ra phổ tín hiệu số phù hợp hơn cho kênh truyền số. Sử dụng một kênh riêng mang tín hiệu đồng bộ hỗn loạn để thực hiện quá trình phát hiện và khôi 11
phục dữ liệu ở phía thu. Từ hai kênh độc lập ở phía phát, tín hiệu của hai nguồn được điều chế khóa dịch biên độ ASK theo tần số vô tuyến 𝑓1 và 𝑓2. Tín hiệu của hai kênh vô tuyến được kết hợp rồi nhân với tín hiệu hỗn loạn Logistic map. Các tín hiệu điều chế được truyền qua sợi NZ-DSF sau khi được truyền đến miền quang bằng cách điều chế bên ngoài bằng bộ điều chế MZM. 2.4.2. Kết quả mô phỏng số và phân tích hiệu năng Hình 2.7 là giản đồ mắt của hai kênh vô tuyến ở khoảng cách truyền tương ứng là 70 km, 120 km và 170 km. Ở khoảng cách dưới 120 km, mắt mở to nên BER nhỏ. Ở khoảng cách 170 km, mắt của hai kênh vô tuyến gần như không mở, BER lớn. Theo lý thuyết, BER được xác định theo công thức: N 0  Pe 0  N1  Pe1 BER  Pe  N 0  N1 (2.1) (2.1) tính trung bình trọng số của xác suất lỗi đối với hai ký hiệu 0 và 1 dựa trên số lượng mẫu của mỗi mức logic Hình 2.7. Giản đồ mắt của hai kênh tần số vô tuyến Công thức xác định xác suất lỗi bit tổng bằng cách kết hợp xác suất lỗi của từng ký hiệu với tần suất xuất hiện của chúng: 1  S  0  1  S  Pe 0  erfc   , Pe1  erfc  1 2  2  2  2  (2. 2)  0   1  Hình 2.8 và 2.9 và minh họa đánh giá BER theo khoảng cách truyền 𝐿 và tốc độ dữ liệu 𝑅 𝑏 của hai kênh vô tuyến. Khi khoảng cách truyền vượt quá 130 km và tốc độ lớn hơn 1.5 Gbps thì cả hai kênh sẽ có BER lớn hơn rất xấu. Hình 2.8, ở khoảng cách 70 km và BER của kênh 1 và 2 lần lượt là 1,7 × 12
10−13 và 1,8 × 10−13 . Ở khoảng cách 100 km, BER của kênh 1 và 2 lần lượt là 3,8 × 10−11 và 7,3 × 10−11 . Hình 2.8. BER là hàm của khoảng Hình 2.9. BER là hàm của tốc độ cách truyền 𝐿 dữ liệu 𝑅 Hình 2.10. BER là hàm của hệ số tán sắc 𝐷 Hình 2.11. BER là hàm của 𝑂𝑆𝑁𝑅 Hình 2.9, để BER nhỏ hơn 10−9 thì tốc độ truyền không được vượt quá 1,15 Gb/s và 1,05 Gb/s tương ứng cho kênh 1 và kênh 2. Hình 2.10 và 2.11 cho thấy sự phụ thuộc của BER và hệ số tán sắc và tỉ số OSNR. Với 𝐷 = 17 ps/(nm.km), hệ thống có BER tốt nhất do bù đủ tán sắc, tương ứng với mức BER là 3,8 × 10−11 và 7,3 × 10−11 cho kênh 1 và kênh 2. Khi OSNR lớn hơn 12 dB, chất lượng hệ thống đạt yêu cầu theo tiêu chí BER nhỏ hơn 10−9 . 2.5. Kết luận chương 2 Với hệ thống thông tin vô tuyến số qua sợi quang cho kết nối Fronthaul của C-RAN tốc độ cao, sử dụng điều chế số tiên tiến DPSK và CPFSK không cần mã sửa lỗi trước trong khoảng cách lên đến 20 km thì hệ thống đạt tốc độ lên đến 2.8 Gb/s khi giữ mức công suất phát laser bán dẫn ở mức 0 dBm. Sử dụng điều chế ASK, để duy trì BER ở mức quy định tối đa 10−9 thì khoảng cách truyền không được vượt quá 110 km khi hoạt động ở tốc độ bit cao lên tới 1 Gb/s. Kết quả này tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối liền mạch các kênh vô tuyến băng thông rộng và tốc độ cao được truyền qua sợi quang, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao an toàn, đặc biệt là trong các hệ thống con truyền dẫn trực tiếp của mạng C-RAN. 13
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT HỖN LOẠN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG ĐA KÊNH VỚI CÁC ĐIỀU CHẾ KHÁC NHAU 3.1. Giới thiệu Trong chương này, tác giả đề xuất các hệ thống thông tin toàn quang đa kênh sử dụng hỗn loạn với các phương pháp điều chế đa mức khác nhau như 4-PAM, QPSK, 16PSK, DP-16QAM. Mô hình học sâu sử dụng kỹ thuật Informer để cải thiện hiệu năng của hệ thống sử dụng điều chế 16QAM cũng được đề xuất và cho kết quả khả quan. 3.2. Hệ thống thông tin quang hỗn loạn sử dụng sơ đồ điều chế 4-PAM 3.2.1. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế 4-PAM Sơ đồ hệ thống đề xuất như Hình 3.1. Ở phía phát, dữ liệu được tốc độ 10 Gbps, được điều chế băng gốc bằng 4-PAM. Tín hiệu hỗn loạn sử dụng trong hệ thống là Logistic map rời rạc một chiều. Hệ sử dụng sợi quang NZ- DZF để bù suy hao và sợi DCF 5 km để bù tán sắc. Mối quan hệ tán sắc: D  DNZ  DSF  LNZ  DSF  DDCF  LDCF (3. 1) Hệ số BER được xác định theo công thức: 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏𝑖𝑡 𝑙ỗ𝑖 BER = 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏𝑖𝑡 𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 (3. 2) 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. 14
Mô tả động học trong mô hình truyền sóng giữa bộ phát và bộ thu của hệ thống dựa trên phương trình Lang-Kobayashi:  G  N (t )  N   (1  i )   dET , R (t ) 1 0  T ,R  ET , R (t ) dt 2  1   ET , R (t )  2 (3. 3)    kT , R ET , R (t   )exp(-i )+kinj Eext (t ) dNT , R (t ) IT , R 1 G  NT , R (t )  N 0    2   NT , R (t )  ET , R (t ) (3. 4) dt qV n 1   ET , R (t ) 2 trong đó 𝐸 và 𝑁 tương ứng là sự thay đổi của biên độ điện trường và mật độ sóng mang của laser; T và R là bộ phát và bộ thu,  là tần số góc của laser dao động tự do;  là thời gian trễ phát sinh trong một chu kỳ; Eext là biên độ điện trường bên ngoài tại đầu vào của bộ thu. Hình 3.2. 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. Hình 3.2 minh họa phổ tín hiệu ở bộ phát và bộ thu của kênh CFOC và COC khi khoảng cách truyền được giả định là 100 km. Các thành phần bù khuếch đại và tán sắc đã được thực hiện ở khoảng cách 100 km nên độ rộng xung và công suất của hai hệ thống trước và sau khi truyền gần như không thay đổi. Kênh CFOC có một vài đỉnh phổ nhỏ ở hai bên, nhưng kênh COC chỉ có phổ chính tại tần số 193,1 THz. 15
3.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng Hình 3.3, với kênh CFOC, ở khoảng cách 50 km và 60 km, do bù đủ suy hao và tán sắc nên không có bit lỗi, đường màu đỏ bị mất khoảng cách ở 50 km và 60 km; ở khoảng cách 70 km đến 100 km, BER đạt 7,6 × 10−6 ; ở khoảng cách 110 km, BER đạt 1,5 × 10−5, ở khoảng cách 140 km, BER đạt 3,8 × 10−5). Với kênh COC, ở khoảng cách 50 km, BER đạt 1,9 × 10−4. Khi tăng khoảng cách trên 100 km thì BER của cả hai kênh tăng rất nhanh, tức là chất lượng hệ thống rất xấu. Hình 3.3. Khảo sát BER phụ thuộc vào Hình 3.4. Khảo sát BER dưới dạng chiều dài sợi quang 𝐿 𝑁𝑍−𝐷𝑆𝐹 hàm của tốc độ bit 𝑅 𝑏 Hình 3.4 minh họa BER theo tốc độ bit 𝑅 𝑏 của kênh COC và CFOC. Với cùng chiều dài đường truyền, tốc độ bit càng cao thì BER càng lớn. BER cho cả kênh COC và kênh thông thường trở nên rất xấu khi tốc độ bit 𝑅 𝑏 lớn hơn 12,5 Gb/s. Tuy nhiên, khi tốc độ bit 𝑅 𝑏 nhỏ hơn 12,5 Gb/s, giá trị BER của hai kênh COC và CFOC nhỏ hơn 10−4. Hình 3.5. Khảo sát giản đồ mắt phụ thuộc vào chiều dài sợi quang 𝐿 𝑁𝑍−𝐷𝑆𝐹 16
Khi tốc độ 𝑅 lớn hơn 30 dBm, BER tăng đến giá trị 0,5 và giữ nguyên ở mức cao này, chất lượng của hệ thống rất xấu, chính tỏ tốc độ này nằm ngoài khả năng cho phép của hệ thống. Điều này là do các hệ thống có tốc độ bit cao như vậy có thể dẫn đến chu kỳ xung nhỏ và khiến thời gian kích hoạt laser lớn hơn chu kỳ xung, do đó cần phải thay đổi tần số hoặc bước sóng của ánh sáng laser theo thời gian để thay đổi hình dạng xung. Hình 3.5 thể hiện giản đồ mắt ở một số điểm trên đường truyền của sợi NZ-DSF. Ở chiều dài 100 km do bù tán sắc tốt nên hệ số BER có chất lượng tốt. Ngược lại, biểu đồ mắt trở nên mờ đục ở chiều dài 150 km và 200 km nên không phân biệt được các mức của điều chế 4-PAM. Điều này làm cho BER rất xấu ở chiều dài được khảo sát. 3.3. Hệ thống thông tin quang sợi đa kênh hỗn loạn sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK 3.3.1. Mô hình hệ thống sử dụng điều chế QPSK và DP-16 PSK Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh của kênh COC và CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép với tín hiệu hỗn loạn là hàm Logistic được minh họa như Hình 3.6. Khi phân cực kép, dung lượng của kênh sẽ tăng gấp đôi và BER của kênh quang cũng bị suy giảm như là sự đánh đổi không thể tránh khỏi. Trong mỗi kênh, dữ liệu được chia thành hai hướng đưa vào hai bộ điều chế QPSK, tín hiệu sẽ thay đổi thành tần số sóng mang 𝜆 𝑐 . Đối với kênh COC, tín hiệu theo định dạng QPSK được cộng thêm với tín hiệu hỗn loạn trước khi truyền qua sợi quang qua bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Channel 1 Chaos Power Meter Channel 1 Chaos Rx1 PBS 90° EO Chaos QPSK. QPSK MZ Power Demod Meter Hybrid Laser1 CW Tx1 data1 Chaos data1 S/P PBC PBS LO1 QPSK MZ 90° EO Chaos QPSK. Demod PBS Hybrid Chaos NZ-DSF DCF DMUX MUX Channel 2 QPSK MZ Channel 2 EDFA QPSK. Laser2 CW PBS 90° EO Demod Hybrid data2 S/P Power PBC Meter data2 PBS Rx2 QPSK MZ Power Meter LO2 Tx2 90° EO QPSK. Demod PBS Hybrid Hình 3.6. Mô hình hệ thống truyền dẫn đường dài ghép kênh của kênh COC và CFOC sử dụng điều chế QPSK phân cực kép 17
3.3.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận đánh giá hiệu năng Hệ thống được mô phỏng trên nền tảng của phần mềm Optisystem với các bước mô phỏng như mục 2.2.2 cho hệ thống thông tin quang và các mã nguồn của tín hiệu hỗn loạn từ công cụ mô phỏng Matlab, BER được xác định theo công thức 3.2. Hình 3.7 khảo sát BER theo chiều dài sợi quang ở khoảng cách từ 20 đến 80 km với hệ số khuếch đại G = 20 dB để bù đủ suy hao sợi quang. Với QPSK, BER gần như bằng 0 ở khoảng cách từ 20 km đến 40 km, BER tăng khi khoảng cách tăng lên (đối với kênh COC), khoảng cách càng xa thì hệ số BER của hệ thống càng lớn. Từ khoảng cách 80 km trở lên, chất lượng kênh COC rất xấu, BER lớn hơn 10−3, số lượng bit sai nhiều. Với kênh CFOC thì chất lượng tốt hơn rất nhiều, hầu như không có sai số khi khoảng cách đường truyền tăng lên. Điều này chứng tỏ khi thêm bộ tạo hỗn loạn vào hệ thống thì hệ số BER của hệ thống tăng đáng kể khoảng cách tăng. Với 16PSK, hệ số BER rất lớn và hầu như không phụ thuộc vào chiều dài đường truyền, dù là kênh COC hay CFOC. Hình 3.8 khảo sát BER theo tốc độ bit 𝑅 𝑏 , tốc độ bit càng cao thì hệ số BER càng lớn. QPSK và 16QPSK đều là những dạng điều chế đơn giản nên trong phần này, hệ thống chỉ được khảo sát ở tốc độ dưới 60 Gb/s. Với QPSK, khi tốc độ bit lớn hơn 44 Gb/s thì sự khác nhau này càng rõ ràng. Kênh COC có BER cao như vậy là do tốc độ bit cao thì chu kỳ xung nhỏ, mà laser cần thời gian khởi động, nếu như thời gian khởi động của laser lớn hơn chu kỳ xung thì sẽ dẫn đến hiện tượng chirp. Thêm vào đó, hỗn loạn gây biến đổi dạng xung. Kênh CFOC thì hầu như không có sai số, BER xấp xỉ bằng 0 trong suốt chiều dài đường truyền. Với 16PSK, cũng giống như BER theo chiều dài, BER rất lớn và hầu như không phụ thuộc tốc độ truyền. Thậm chí, với kênh COC, BER lên tới 0,5. Có hỗn loạn, QPSK Không hỗn loạn, QPSK Có hỗn loạn, 16PSK Không hỗn loạn, 16PSK Có hỗn loạn, 16PSK Không hỗn loạn, 16PSK Có hỗn loạn, QPSK Không hỗn loạn, QPSK Hình 3.7. BER phụ thuộc vào chiều Hình 3.8. BER phụ thuộc vào tốc dài sợi quang 𝐿 𝑁𝑍−𝐷𝑆𝐹 18 độ bit 𝑅 𝑏