Nâng cao chất lượng và bảo mật của thông tin vô tuyến bằng kỹ thuật khóa dịch không gian – thời gian

Trong bài báo này, để nâng cao khả năng chống thu chặn của hệ thống vô tuyến, chúng tôi đề xuất một giải pháp mới trong đó tín hiệu phát được dịch vòng trên cả hai miền không gian và thời gian nhờ kết hợp CCSK với điều chế không gian (SM: Spatial Modulation). Hệ thống đề xuất cũng cho phép nâng cao phẩm chất hệ thống nhờ thu được đồng thời cả độ lợi phân tập không gian và độ lợi xử lý trải phổ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao chất lượng và bảo mật của thông tin vô tuyến bằng kỹ thuật khóa dịch không gian – thời gian Nghiên cứu khoa học công nghệ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO MẬT CỦA THÔNG TIN VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT KHÓA DỊCH KHÔNG GIAN - THỜI GIAN Nguyễn Thị Thu*, Trần Xuân Nam Tóm tắt: Các hệ thống thông tin vô tuyến thường dễ bị thu chặn bởi đối phương nên yêu cầu cần phải có các giải pháp chống thu chặn và bảo mật cao. Khóa dịch mã tuần hoàn (CCSK: Cyclic Code Shift Keying) đã được chứng minh có xác suất thu chặn thấp và có khả năng ứng dụng trong các hệ thống thông tin cấp chiến thuật (JTIDS: Joint Tactical Information Distribution System) của Mỹ. Giải pháp CCSK thực hiện dịch một tổ hợp symbol phát bằng một chuỗi ngẫu nhiên dịch vòng theo thời gian. Trong bài báo này, để nâng cao khả năng chống thu chặn của hệ thống vô tuyến, chúng tôi đề xuất một giải pháp mới trong đó tín hiệu phát được dịch vòng trên cả hai miền không gian và thời gian nhờ kết hợp CCSK với điều chế không gian (SM: Spatial Modulation). Hệ thống đề xuất cũng cho phép nâng cao phẩm chất hệ thống nhờ thu được đồng thời cả độ lợi phân tập không gian và độ lợi xử lý trải phổ. Từ khóa: Khóa dịch không gian-thời gian, STSK, Điều chế không gian, CCSK, MIMO. 1. MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến đang ngày càng phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi phải có các giải pháp tiên tiến đáp ứng đồng thời các yêu cầu về tốc độ truy nhập, chất lượng tín hiệu và mức độ bảo mật dữ liệu. Trong những thập niên vừa qua, đã có một loạt giải pháp được nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu này. Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ truy nhập và chất lượng tín hiệu, giải pháp sử dụng đa ăng-ten thông qua kỹ thuật truyền dẫn MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) [1], [2] đã được biết đến như một giải pháp đột phá cho thông tin vô tuyến. Đặc biệt kỹ thuật điều chế không gian (SM: Spatial Modulation) [3]−[5], sử dụng các ăng-ten phát như một miền tín hiệu để thực hiện điều chế và phát tín hiệu, cho phép giảm được các yêu cầu ngặt nghèo về nhiễu đồng kênh (ICI: Inter-Channel Interference) và đồng bộ giữa các ăng-ten của các hệ thống MIMO truyền thống trong khi lại cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ của hệ thống theo hàm logarit của số ăng-ten phát. Việc sử dụng phân tập ăng-ten cũng cho phép nâng cao chất lượng tín hiệu thu nhờ độ lợi phân tập không gian. Đối với giải pháp nâng cao độ bảo mật thông tin thì một giải pháp đơn giản nhưng đã được chứng minh có hiệu quả chống thu chặn cao là kỹ thuật khóa dịch mã tuần hoàn (CCSK: Cyclic Code Shift Keying) đã được giới thiệu ở [6] và [7]. Nhóm tác giả cũng đã có các đánh giá CCSK cho kênh pha-đinh Rayleigh ở [8] và sử dụng kết hợp với mã cyclic cục bộ trong [9]. Nguyên tắc của hệ thống CCSK là không truyền trực tiếp chuỗi symbol tín hiệu mà ánh xạ một tổ hợp các symbol thành một chuỗi giả ngẫu nhiên được dịch vòng theo dữ liệu. Vì vậy, tín hiệu phát trên không gian là các chuỗi chip ngẫu nhiên tương tự như trong các hệ thống CDMA nhưng lại biến đổi theo dữ liệu cần truyền. Đặc tính này làm cho CCSK có xác suất thu chặn thấp [6]. Thực tế CCSK đã được lựa chọn là giải pháp Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 27  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử điều chế băng gốc [7] cho hệ thống phân phối thông tin cấp chiến thuật kết hợp (JTIDS: Joint Tactical Information Distribution System) của Mỹ. Trong bài báo này, dựa trên các kết quả nghiên cứu trước về SM và CCSK, chúng tôi đề xuất một hệ thống thông tin vô tuyến mới kết hợp hai kỹ thuật này. Hệ thống đề xuất lợi dụng tính chất dịch không gian của SM trên miền không gian ăng-ten và dịch thời gian của CCSK trên miền chuỗi trải nên được chúng tôi đặt tên là hệ thống khóa dịch không gian- thời gian (STSK: Space-Time Shift Keying). Hệ thống này có các ưu điểm sau đây: - Nhờ tính chất dịch hai chiều theo cả hai miền không gian và thời gian nên hệ thống cho phép nâng cao mức độ bảo mật, tức là làm cho xác suất thu chặn thấp hơn so với hệ thống CCSK truyền thống. - Nhờ sử dụng kết hợp với SM nên hệ thống cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng phổ so với hệ thống CCSK truyền thống. - Nhờ sử dụng phân tập phát thông qua các ăng-ten điều chế nên cho phép nâng cao chất lượng tín hiệu thu. Bài báo có cấu trúc gồm 4 phần như sau. Sau phần mở đầu, chúng tôi sẽ trình bày mô hình hệ thống STSK trong mục 2. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả kỹ thuật điều chế STSK sẽ được trình bày ở mục 3. Cuối cùng là các tóm tắt, kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo được rút ra ở mục 4. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG STSK Mô hình hệ thống STSK được mô tả trên Hình 1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống là thực hiện dịch một chuỗi bit dữ liệu cần truyền thành một chuỗi chip giả ngẫu nhiên lên các ăng-ten phát khác nhau. Để đơn giản cho giải thích và không mất tính tổng quát, giả thiết là hệ thống sử dụng 2 ăng-ten phát và chuỗi bit cần truyền gồm 4 bit =[b1 , b2 ,b3 , b4 ]T . Độ dài của chuỗi bit Nb được lựa chọn dựa trên số ăng-ten phát Nt và độ dài chuỗi chip m sử dụng, cụ thể Nb = log2 Nt + log2 m. Trong số 4 bit cần truyền bit b1 được sử dụng để thực hiện lựa chọn (dịch) ăng-ten phát, ví dụ b1 = 0 kích hoạt phát qua ăng-ten 1, b1 = 1 kích hoạt ăng-ten 2. Việc dịch ăng-ten theo dữ liệu sẽ nhân đôi lợi ích: (i) thứ nhất, do vị trí ăng-ten mang thông tin nên hiệu suất sử dụng phổ được tăng lên. Với Nt ăng-ten phát thì hiệu suất sử dụng phổ tăng thêm là log2 Nt , với Nt là một số nguyên lũy thừa cơ số 2; (ii) thứ hai, do hai ăng-ten được kích hoạt theo dữ liệu ngẫu nhiên đầu vào nên khả năng phát hiện ăng-ten phát để thu chặn sẽ khó khăn hơn so với trường hợp dùng một ăng-ten thông thường. Trong trường hợp thông tin quân sự, ...