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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 27 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 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.T. Thu, T.X. Nam, “Nâng cao chất lượng khóa dịch không gian – thời gian.” 28 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, nếu bố trí hai ăng- ten phát cách nhau ở các vị trí đủ xa (ví dụ, vài trăm mét) thì tín hiệu phát từ hai ăng-ten sẽ tương đương với hai nguồn độc lập làm cho đối phương dù thu chặn được tín hiệu từ mỗi ăng-ten cũng khó có khả năng tách được dữ liệu phát. Ba bit còn lại bk = [b2, b3, b4] sẽ được ánh xạ thành một chuỗi giả ngẫu nhiên có độ dài bằng = 23 = 8 chip. Tùy theo tổ hợp 3 bit dữ liệu mà chuỗi chip truyền đi sẽ là một phiên bản dịch vòng của chuỗi chip cơ sở. Đây chính là phương pháp điều chế khóa dịch vòng tuần hoàn (CCSK: Cyclic Code Shiff Keying). Việc chuỗi trải được dịch vòng tuần hoàn theo chuỗi dữ liệu đầu vào đã được chứng minh có xác suất thu bị chặn thấp [6]. Như vậy, rõ ràng là việc dịch đồng thời trên miền không gian (các ăng-ten) và miền thời gian (chuỗi chip) sẽ làm giảm hơn nữa Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 29 khả năng thu chặn của đối phương, tức là tăng mức độ bảo mật của hệ thống. Hoạt động trên sơ đồ khối được mô tả dưới đây. k Y , k k H N k b 1 0 m l    1 0 m l    1 0 m l    k V 1 bˆ ˆ k b n c l c n c n c - 1n m c -1n c k s 1ˆ s 0ˆ s -1mˆ s  ˆ ˆmaxk ls s 1 2 3 4 b b b b    b bˆ Hình 1. Sơ đồ hệ thống STSK trường hợp 2, 4 t r N N  . Tại phía phát chuỗi bit dữ liệu đầu vào được được chia thành các tổ hợp Nb bít trong đó log2 Nt bít đầu được sử dụng để lựa chọn ăng-ten phát. Chuỗi Nb − log2 Nt bít dữ liệu còn lại được ánh xạ lên ăng-ten phát được ánh xạ thành các số nguyên sk, tương ứng với các ký tự (symbol) có độ rộng Ts. Các ký tự số sk sau đó được sử dụng để dịch chuyển chuỗi chip cơ sở cn thành chuỗi tuần hoàn cl tương ứng. Một ví dụ về ánh xạ chuỗi chip thành chuỗi dịch vòng cho trường hợp nhóm 3 bít dữ liệu thành tổ hợp chuỗi dịch vòng m = 8 chip được biểu diễn trên Bảng 1. Mỗi chip có độ rộng Tc với Tc = Ts/m. Băng thông của chuỗi chip được định nghĩa là Wc = 1/Tc sao cho WcTc = 1. Do m = 8 nên có tất cả 256 tổ hợp chuỗi chip, tuy nhiên chỉ do hệ thống đề xuất là hệ thống đơn người và chuỗi Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.T. Thu, T.X. Nam, “Nâng cao chất lượng khóa dịch không gian – thời gian.” 30 chip sử dụng sẽ đóng vai trò như một chữ ký người dùng nên tương tự như hệ thống trải phổ chỉ có tổ hợp có hệ số tự tương quan tốt nhất được lựa chọn để làm chuỗi cơ sở. Trong trường hợp hệ thống được mở rộng để hỗ trợ đa người dùng thì các chuỗi chip còn lại sẽ được lựa chọn để phân phối cho các người dùng khác nhau. Bảng 1. Ánh xạ SM-CCSK trường hợp khối dữ liệu đầu vào 4 bít. 2 t N  0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 0 1 1 1 1 0. 0 0 Các chuỗi chip sau khi đi qua bộ lọc phát sẽ đến kênh truyền chịu ảnh hưởng của pha- đinh Rayleigh phân bố đồng nhất và không tương quan, được đặc trưng bởi ma trận kênh H ä C× với các phần tử hmn được mô phỏng sử dụng các biến ngẫu nhiên Gauss phức với kỳ vọng bằng không và phương sai đơn vị. Kênh pha-đinh cũng được giả thiết biến đổi chậm, sao cho giá trị kênh truyền không thay đổi trong thời gian một khung dữ liệu. Giả thiết ma trận tín hiệu phát từ các ăng-ten là Vk ä R ×, ma trận tín hiệu thu tại các ăng-ten thu được cho bởi: Yk = HkVk + Nk . Để thực hiện tách tín hiệu phát mong muốn, giả thiết máy thu biết thông tin hoặc ước lượng chính xác được thông tin về kênh truyền. Dựa trên thông tin về kênh truyền có được, máy thu sử dụng một bộ tách tín hiệu hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood) kết hợp theo phương pháp do Mesleh và cộng sự đề xuất trong [3],[4] để tách lấy chỉ số ăng- ten phát và tách ra chuỗi symbol thu từ ăng-ten tương ứng. Chuỗi symbol thu này sau đó được giải điều chế và nhóm lại thành từng nhóm m chíp. Tổ hợp m chíp này sau đó được tính tương quan với các phiên bản dịch vòng của chuỗi chip cơ bản cn để quyết định chuỗi Nb − log2 Nt bít dữ liệu b k phát từ mỗi ăng-ten phát. Cuối cùng các bít dữ liệu này được ghép chung với log2 Nt bít dữ liệu điều chế không gian được mang bởi vị trí các ăng-ten phát thành chuỗi dữ liệu ước lượng được. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 31 Hình 2. Phẩm chất BER của hệ thống STSK đề xuất so với các giải pháp trước đây. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để làm rõ hiệu quả của giải pháp đề xuất kết hợp CCSK với SM, chúng tôi thực hiện mô phỏng Monte-Carlo sử dụng phần mềm Matlab. Mô phỏng được thực hiện với số ăng- ten phát là Nt = 2, số ăng-ten thu là Nr = 2 và Nr = 4. Điều chế sử dụng là BPSK. Số chip sử dụng cho CCSK là 8 chip/3 symbol và 32 chip/5 symbol. Kênh truyền được giả thiết là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng biến đổi chậm. Máy thu được giả thiết biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh. Hình 2 biểu diễn kết quả mô phỏng đặc tính BER cho hệ thống đề xuất 2 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu, viết tắt là (2,4). Để thấy rõ ưu điểm của hệ thống đề xuất, các kết quả mô phỏng cho các hệ thống chỉ sử dụng CCSK [8], chỉ sử dụng SM [3],[4] và hệ thống điều chế BPSK đơn giản cũng được đưa ra so sánh trên hình vẽ. Từ hình vẽ có thể nhận thấy hệ thống đề xuất cho phẩm chất BER vượt trội so với các hệ thống sử dụng CCSK và BPSK trong cả hai trường hợp sử dụng 8 chip/3 symbol và 32 chip/5 symbol. So với trường hợp sử dụng SM truyền thống, hệ thống có phẩm chất BER tốt hơn ở vùng Eb/N0 cao do đường đặc tính BER có độ dốc lớn hơn. Điều này là do hệ thống đề xuất cho phép thu được đồng thời cả hai độ lợi phân tập không gian do SM và độ lợi xử lý do phương pháp trải phổ CCSK mang lại. Với hệ số trải càng lớn, ví dụ 32 chip/5 symbol, thì độ lợi xử lý thu được càng cao, dẫn tới đường đặc tính BER có độ dốc càng lớn. Để ý là do các hệ thống thực tế thường đạt được Eb/N0>10 dB và ở vùng công tác này hệ thống đề xuất cho phẩm chất BER hoàn toàn vượt trội so với các hệ thống truyền thống khác. Hình 3 so sánh phẩm chất BER của giải pháp đề xuất STSK khi thay đổi số ăng-ten thu với hệ thống SM trong [3],[4]. Có thể thấy rõ ràng hiệu quả phân tập thu đạt được khi số Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.T. Thu, T.X. Nam, “Nâng cao chất lượng khóa dịch không gian – thời gian.” 32 ăng-ten thu tăng từ 1 lên 2. Kết hợp với nhận xét từ Hình 2 có thể thấy được hiệu quả hơn nữa khi số ăng-ten thu tăng lên 4. Từ các kết quả nhận xét ở trên có thể thấy hệ thống đề xuất thích hợp cho các hệ thống thông tin vô tuyến với số ăng-ten thu từ hai trở lên. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả về phẩm chất BER thì cần sử dụng số chip trải CCSK lớn. Tuy việc sử dụng chuỗi trải lớn cũng sẽ tăng cường khả năng chống thu chặn của đối phương nhưng lại yêu cầu độ phức tạp tính toán cao do phương pháp giải điều chế CCSK bằng cách tính tương quan ở phía thu. Vì vậy, tùy theo cấu hình thực tế với số ăng-ten có được, tài nguyên xử lý cho trước ở máy thu, và yêu cầu về mức độ bảo mật mà lựa chọn độ dài chuỗi trải cho phù hợp. Hình 3. Phẩm chất BER của các hệ thống STSK khi thay đổi số ăng-ten thu. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất giải pháp kết hợp kỹ thuật điều chế không gian (SM) với kỹ thuật khóa dịch mã tuần hoàn (CCSK), được gọi là hệ thống khóa dịch không gian thời gian (STSK), cho các hệ thống thông tin vô tuyến. Giải pháp đề xuất được chứng minh qua mô phỏng cho thấy có phẩm chất BER vượt trội so với các hệ thống SM và CCSK truyền thống do thu được đồng thời cả độ lợi phân tập không gian của SM và độ lợi xử lý của CCSK. Hệ thống đề xuất cũng cho phép nâng cao độ bảo mật của hệ thống do tín hiệu được trải đồng thời trên cả hai miền không gian và thời gian. Vì vậy, hệ thống STSK có khả năng ứng dụng tốt cho các hệ thống thông tin vô tuyến quân sự và cả dân dụng. Việc thiết kế hệ thống cần dựa trên yêu cầu về chất lượng tín hiệu thu, yêu cầu bảo mật chống thu chặn và độ phức tạp xử lý máy thu. Hệ thống đề xuất có thể mở rộng cho trường hợp đa người dùng trong các nghiên cứu tiếp theo. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. E. Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels”, European Trans. on Telecommun., vol. 10, no. 6, pp. 585–595, Nov. / Dec. 1999. [2]. G. J. Foschini, “Layered space-time Architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas”, Bell Labs Technical J., vol. 1, no. 2, pp. 41–59, 1996. [3]. R. Mesleh, H. Haas, C. W. Ahn, and S. Yun, “Spatial Modulation - A New Low Complexity Spectral Efficiency Enhancing Technique”, in Proc. Conf. Comm. and Networking in China, Oct. 2006. [4]. R. Mesleh, H. Haas, S. Sinanovic, C. W. Ahn, and S. Yun,“Spatial modulation”, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 57, no. 4, pp. 2228–2241, July 2008. [5]. J. Jeganathan, A. Ghrayeb, and L. Szczecinski, “Spatial modulation: optimal detection and performance analysis” , IEEE Commun. Lett., vol. 12, no. 8, pp. 545– 547, 2008. [6]. G. M. Dillard, et al., "Cyclic Code Shift Keying: A Low Probability of Intercept Communication Technique", IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Syst. 39(3), pp. 786-798, 2003. [7]. C. H. Kao, C. Robertson, and K. Lin (2008), “Performance analysis and simulation of cyclic code-shift keying”, The 2008 IEEE Military Communications Conference San Diego, USA, IEEE. [8]. T.Đ. Tấn và T.X. Nam, “Mô phỏng đánh giá phẩm chất hệ thống khóa dịch mã tuần hoàn CCSK trên kênh pha-đinh Rayleigh”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, tr. 59-63, số 15, tháng 10 năm 2011. [9]. T.Đ. Tấn và T.X. Nam, “Phân tích đánh giá phẩm chất mã cyclic cục bộ ứng dụng trong các hệ thống khóa dịch mã tuần hoàn”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, trang 62-71, số 18, tháng 4 năm 2012. ABSTRACT PERFORMANCE AND SECURITY IMPROVEMENT FOR WIRELESS COMMUNICATIONS USING SPATIO-TEMPORAL SHIFT KEYING In this paper, we proposed a spatio-temporal shift keying (STSK) system based on the conventional spatial modulation (SM) and cyclic code shift keying (CCSK). Compared with the convetional systems, the proposed STSK system achieves two- fold advatanges of spatial diversity due to SM and processing gain due to spectrum spreading of CCSK. Moreover, the proposed system allows increased security as the signal is spread over both space, i.e. over transmit antennas, and time domain. Therefore, it has potential applications in both civil and military wireless communication systems. Keywords: Space-time shift keying, STSK, Spatial modulation, Cyclic code shift keying, MIMO. Nhận bài ngày 10 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 2 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; *Email: thudtdl@yahoo.com