Luận án 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 i 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 ii 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 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii 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 AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo A-RoF Analog - Radio over Fiber Truyền tải tín hiệu radio tương tự qua sợi quang ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gau-xơ trắng cộng BBU BaseBand Unit Đơn vị băng cơ sở BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BiLSTM Bidirectional Long Short- Term Memory Bộ nhớ dài hạn – ngắn hạn hai chiều BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BPTT Back Propagation Through Time Truyền ngược qua thời gian BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CFOC Common Fiber - Optic Communication Truyền thông sợi quang thông thường CH Channel Kênh DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh CMS Chaos Masking Sequence Chuỗi mặt nạ hỗn loạn CNN Convolutional Neural Networks Mạng nơ-ron tích chập COC Chaotic secure Optical Communication Truyền thông quang bảo mật hỗn loạn CPFSK Continuous Phase Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số pha liên tục CV Computer Vision Thị giác máy tính CW laser Continuous Wave laser Laser phát ra ánh sáng liên tục DCC Direct Chaotic Communication Truyền thông hỗn loạn trực tiếp DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc 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 DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai D-RoF Digital - Radio over Fiber Radio số qua sợi quang DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao ECC Elliptic Curve Cryptography Mã hóa đường cong Elliptic EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium EFEC Enhanced Forward Error Sửa lỗi trước tăng cường DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v Correction ELBO Evidence Lower Bound Giới hạn dưới bằng chứng FEC Forward error correction Mã sửa lỗi trước FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng logic khả trình trường 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 HD-FEC Hard Decision Forward Error Correction Sửa lỗi trước – quyết định cứng IM-DD Intensity Modulation-Direct Detection Điều chế quang biên độ và tách sóng 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 MLE Maximum Likelihood Estimation Ước lượng khả năng tối đa 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 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi Equation NN Neural network Mạng nơ-ron NRZ Non Return to Zero Mã không trở về không NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc khác không OBPF Optical Band Pass Filter Bộ lọc thông dải quang OFDM Orthogonal Frequency- Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ lệ giữa tín hiệu và tạp âm quang OWC Optical Wireless Communication Truyền thông quang không dây 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 QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương 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 RSA Rivest–Shamir–Adleman Thuật toán mã hóa khóa công khai RSA SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ giữa tín hiệu và tạp âm DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii SSL Secure Socket Layer Lớp socket bảo mật TLS Transport Layer Security Bảo mật lớp truyền tải STM Synchronous Transport Module Module truyền dẫn đồng bộ VAE Variational Autoencoder Bộ tự mã hóa biến thể VHF Very High Frequency Tần số rất cao WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WLAN Wireless Local Access Network Mạng truy nhập nội bộ vô tuyến WPAN Wireless Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân vô tuyến DANH MỤC CÁC BẢNG viii 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 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix 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