浅谈混沌同步在保密通信中的实现

浅谈混沌同步在保密通信中的实现

由于发现了混合同步现象，混合同步现象在多个领域，尤其是在保密通信中发挥着潜在的作用，引起了人们的广泛研究兴趣。由于混沌信号具有非周期、连续宽频带、似噪声的特点,所以特别适用于保密通信、扩频通信等领域,故利用混沌同步实现信息通信是近年来混沌应用领域中最为重要的课题之一。本文在介绍混沌同步的目的和方法的基础上,归纳了混沌同步在保密通信中的实现方案,分析各方案的原理和特点以及具体实现方法。虽然目前此方面的研究已取得了丰硕的成果,但也必须注意到要想使得混沌保密通信真正走向实用化,还需解决的深入问题。1常用的同步方法所谓混沌同步是指一个系统的混沌动力学轨道收敛于另一个系统的混沌动力学轨道,以致两个系统在以后的时间里始终保持步调的一致,其中分为强度的混沌同步和位相的混沌同步。混沌同步的目的就是在一个相同的具有任意初始条件的“响应”系统中,从一个“驱动”系统中恢复给定的混沌轨迹。用于保密通信时在传输前用混沌的拟周期性来隐藏消息,并且通过同步在接收端抽取该隐藏的消息。由于混沌信号的功率谱是典型的宽带谱,信号在时域和频域上一般难以探测。目前常用的混沌同步方法主要有以下几种:(1)驱动——响应同步及串联同步。这是美国海军实验室的Pecora和Carroll提出的一种混沌同步的方法。该方法的基本思想是:将混沌系统分解为一个稳定的子系统和一个不稳定的子系统,对不稳定的子系统复制一个响应系统。当响应系统的条件,李亚普诺夫指数均为负值时,驱动和响应系统才能同步。(2)主动——被动的同步方法。考虑到上述方法可解性的限制,1995年Kocarev和Parlitoz提出了该方法。假设一个自治的非线性动力学系统为Z=F(Z)。可以将它写作非自治系统形式:x˙=f(x,s(t))x˙=f(x,s(t))和y˙=f(y,s(t))y˙=f(y,s(t))式中:s(t)为所选的某种驱动变量。构造误差状态方程为:e˙=f(x,s(t))−f(x−e,s(t))e˙=f(x,s(t))-f(x-e,s(t))式中:e=x-y。在小值下应用线性化稳定性分析或李亚普诺夫函数方法,证明和达到稳定同步。在很多情况下,s(t)可以是一般函数,它不仅依赖于系统的状态,而且可以与信息信号i(t)有关。这个特点使之更适用于保密通信。(3)互耦合混沌同步法。互耦合同步问题起源于非线性振荡器理论,这个问题研究的较早,但直到PC同步法出现以后才引起重视。由于相互耦合是非线性系统的广泛作用形式,这种类型的混沌同步涉及的领域十分广泛。在互耦合的情形下,总体系统不区分驱动和响应关系,所以这种同步方法适合于研究无法实现子系统分解的实际系统。决定混沌同步的关键是耦合的强度。KaPitaniak和Chua′s对线性耦合情形作了分析,他们在理论上证明了系统之间只有足够强的耦合,才能实现混沌同步。(4)自适应同步方法。Huberman和Lumer于1990年提出用自适应原理控制混沌的方法。John和Amriker受到这一思想的启迪,对原方法做了改进后,用来控制混沌系统的相空间轨迹与所期望的不稳定轨道达到同步,并用此方法研究了Lorenz和Rossler系统,证明该方法是有效的。自适应同步方法就是利用自适应控制技术来自动调整系统的某些参数以此达到混沌同步的目的。自适应要求目标系统具有可控参数,参数的控制量是两个系统变量之差或它们的函数,其控制形式决定了同步效果。(5)神经网络同步方法。神经网络本身就是非线性系统,而在某些参数空间内能产生混沌特性。神经网络同步的基本思想是:对于两个离散的混沌系统A,B,在接收方复制B的预测神经网络,利用这个B的复制系统及反馈控制常数来修正同步的神经网络系统及状态。此外,混沌同步的方法还包括D-B方法、基于相互耦合的同步方法、外部噪声法和脉冲同步法等。关于混沌同步的方法一直被不断更新,但绝大多数仍处于理论分析、实验研究阶段,涉及系统的实际应用和硬件实现还有待进一步完善。2混沌同步解调混沌同步在保密通信中的应用,其基本思路是:当通信双方具有某种通信系统和一定的同步控制约定时,发送端可利用混沌信号作为载波,将传输信号隐藏在混沌载波之中,或者通过符号动力学用不同的波形代表不同的信息序列,而在接收端利用混沌的属性或混沌特性解调出所传输的信息,从而实现信息从发送端的编码到接收端的解码的全过程。收发双方的混沌同步是整个系统实现的关键。由于混沌信号的宽带类似噪声的特点,将信息信号隐藏或叠加到混沌信号上发送后,一般会以为是噪声信号,而窃听者也很难从中窃取到有用信号,只有通过混沌同步解调,才可以得到发送的有用信号,由此达到保密的效果。对于利用混沌同步进行保密通信,目前已经提出和发展了几大主要保密技术,其中包括:混沌掩盖、混沌调制、混沌键控和扩频通信。2.1混沌遮蔽通信其基本思想是:利用具有逼近与高斯白噪声统计特性的混沌信号作为一种载体来隐藏信号或遮掩所要传送的信息,在接收端利用同步的混沌信号进行掩盖,从而恢复出有用信息。遮掩方式主要有相乘、相加或加乘结合等几种方式。图1便是一个混沌遮掩保密通信的原理图,是1993年Cuomo和Oppenheim利用Lorenz系统构造的混沌遮掩保密通信系统。其中,混沌信号u(t)的信号强度大于被加密信号m(t)的信号强度是保证实现混沌同步的必要条件之一。混沌遮掩通信方案主要应用了驱动-响应耦合混沌系统渐近同步的设计思想。混沌遮掩通信存在着对信道噪声敏感、线路带宽限制及保密性低的缺点,在实用中存在困难。这种方案只适用于慢变信号,对快变信号和时变信号还不能很好地处理。一些利用混沌遮掩的方法有:离散耦合驱动PCM编码混沌遮掩、混合混沌信号驱动遮掩技术、神经网络同步的混沌遮掩、时钟一间隔脉冲驱动同步数字混沌遮掩、无同步的混沌遮掩等。2.2混沌信号同步误差混沌参数调制方式是混沌保密通信系统中的一种主要通信方式。它是针对数字信号的通信方案,有用信号一般为二进制比特流。其基本思想是:利用所传输的数字信号来调制混沌系统中的一个或多个参数,并且确保这个参数在混沌域中。利用混沌吸引子对数字信号进行“包装”,此时混沌系统输出的混沌信号作为驱动信号。由于发送系统的参数在调整,接收端将产生同步误差,即驱动信号和接收系统产生的混沌信号存在误差,通过这个同步误差来判断传输的数字信息。该方法有两个优点:首先它把混沌信号谱的整个范围都用来隐藏信息;其次它增加了对参数变化的敏感性,从而增强了保密性。对该方法的研究有:数字混沌调制的有线CD2MA通信、脉冲同步的混沌调制、无同步的脉冲无线发送的混沌调制等。2.3不同种类混沌波的信号转换当输入信号为数字信号时,采用混沌键控方式可以很好地利用混沌的特性。混沌键控保密通信的一般原理是:发送端由多个混沌系统组成,不同的系统在特定的参数下生成的混沌波互不相同,传输数字信息时,“0”和“1”用不同种类的混沌波表示,反送到信道上传输,在接收端,相同的混沌系统在驱动信号作用下与发送端同步,从而解调出加密信息。混沌键控是研究较多的一大类键控式数字通信方案,现已提出的通信制式包括混沌开关键控、混沌移位键控、差分混沌键控、调频-差分混沌键控等。已提出的具体实现方法,例如:非线性时延反馈同步的光纤传输混沌开关、非同步的相关解调混沌开关。2.4带的扩展系统扩频通信技术是一种信息传输方式,最早应用于军事通信中,它的特点是:信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的方法来实现,与输入的信息数据无关:在接收端则用相同的码进行相关同步接收、解扩、恢复所传的信息数据。按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可分为:直接序列扩频系统、跳频扩频系统和跳时扩频系统。扩频通信技术利用了混沌序列无限长、无限多、性能优良和易于产生的优点,是混沌通信中最有发展前途的一种通信方式。3相关研究的提出短短十几年时间,混沌保密通信随着混沌同步理论的建立和快速发展而得到广泛研究。这方面的研究在理论和实验上都取得了丰硕的成果,并提出了很多方案。但要使混沌保密通信真正走向实用化,还要解决很多理论和技术上的问题。(1)混信号的选择目前所做的研究主要集中在理想信道范围内进行,但在实际测量或传输过程中,混沌信号不可避免地受到各种干扰,而混信号具有高度的初值敏感性,微小的“干扰”很快“放大”,这对系统同步性能将产生直接的影响,很可能造成同步中断,而目前的大多数混沌保密通信方案无论是采用何种电路和方式,关键都在于“同步”问题,因此,从实用角度看,需要采取适当的措施来降低或消除接收到的信号中的噪声成份,以有效地解决噪声对同步的干扰。(2)信号先验知识目前,几乎所有对混沌同步方法的研究中都假设传输信道是理想的,而当混沌信号通过实际传输信道时必定会因为种种因素而发生畸变。虽然现已普遍使用一些信道的均衡技术(如一般的自适应均衡等),但它们都是以已知信号的某些先验知识为前提。对混沌信号而言,要得到这些先验知识是很困难的。因此必须寻找新的方法来有效地消除信道失真。(3)不同信号频率下的保密通信目前报道的混沌电路所产生的混沌信号的频率较低,研究表明,当信息信号的频率低于混沌信号的主频带时,保密通信的效果较好;而当信息信号的频率高于混沌信号的主频带时,保密通信的效果较差。如何利用典型的小型化、集成化混沌电路,提高混沌信号的频率,使系统能对高频信号进行加密,是混沌保密通信走向实用化所必须考虑的。(4)混沌同步及在保密通信中的应用前景展望目前,混沌同步主要集中在低维时间混沌系统,对于高维的超混沌和时空混沌系统,其控制与同步更加困难,所以研究得比较少,但其在混沌通信和扩频信息