淺談混沌同步在保密通信中的實現(xiàn)

淺談混沌同步在保密通信中的實現(xiàn)

由于發(fā)現(xiàn)了混合同步現(xiàn)象，混合同步現(xiàn)象在多個領(lǐng)域，尤其是在保密通信中發(fā)揮著潛在的作用，引起了人們的廣泛研究興趣。由于混沌信號具有非周期、連續(xù)寬頻帶、似噪聲的特點,所以特別適用于保密通信、擴頻通信等領(lǐng)域,故利用混沌同步實現(xiàn)信息通信是近年來混沌應(yīng)用領(lǐng)域中最為重要的課題之一。本文在介紹混沌同步的目的和方法的基礎(chǔ)上,歸納了混沌同步在保密通信中的實現(xiàn)方案,分析各方案的原理和特點以及具體實現(xiàn)方法。雖然目前此方面的研究已取得了豐碩的成果,但也必須注意到要想使得混沌保密通信真正走向?qū)嵱没?還需解決的深入問題。1常用的同步方法所謂混沌同步是指一個系統(tǒng)的混沌動力學(xué)軌道收斂于另一個系統(tǒng)的混沌動力學(xué)軌道,以致兩個系統(tǒng)在以后的時間里始終保持步調(diào)的一致,其中分為強度的混沌同步和位相的混沌同步?；煦缤降哪康木褪窃谝粋€相同的具有任意初始條件的“響應(yīng)”系統(tǒng)中,從一個“驅(qū)動”系統(tǒng)中恢復(fù)給定的混沌軌跡。用于保密通信時在傳輸前用混沌的擬周期性來隱藏消息,并且通過同步在接收端抽取該隱藏的消息。由于混沌信號的功率譜是典型的寬帶譜,信號在時域和頻域上一般難以探測。目前常用的混沌同步方法主要有以下幾種:(1)驅(qū)動——響應(yīng)同步及串聯(lián)同步。這是美國海軍實驗室的Pecora和Carroll提出的一種混沌同步的方法。該方法的基本思想是:將混沌系統(tǒng)分解為一個穩(wěn)定的子系統(tǒng)和一個不穩(wěn)定的子系統(tǒng),對不穩(wěn)定的子系統(tǒng)復(fù)制一個響應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)響應(yīng)系統(tǒng)的條件,李亞普諾夫指數(shù)均為負值時,驅(qū)動和響應(yīng)系統(tǒng)才能同步。(2)主動——被動的同步方法?？紤]到上述方法可解性的限制,1995年Kocarev和Parlitoz提出了該方法。假設(shè)一個自治的非線性動力學(xué)系統(tǒng)為Z=F(Z)?？梢詫⑺鼘懽鞣亲灾蜗到y(tǒng)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)為所選的某種驅(qū)動變量。構(gòu)造誤差狀態(tài)方程為: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。在小值下應(yīng)用線性化穩(wěn)定性分析或李亞普諾夫函數(shù)方法,證明和達到穩(wěn)定同步。在很多情況下,s(t)可以是一般函數(shù),它不僅依賴于系統(tǒng)的狀態(tài),而且可以與信息信號i(t)有關(guān)。這個特點使之更適用于保密通信。(3)互耦合混沌同步法?；ヱ詈贤絾栴}起源于非線性振蕩器理論,這個問題研究的較早,但直到PC同步法出現(xiàn)以后才引起重視。由于相互耦合是非線性系統(tǒng)的廣泛作用形式,這種類型的混沌同步涉及的領(lǐng)域十分廣泛。在互耦合的情形下,總體系統(tǒng)不區(qū)分驅(qū)動和響應(yīng)關(guān)系,所以這種同步方法適合于研究無法實現(xiàn)子系統(tǒng)分解的實際系統(tǒng)。決定混沌同步的關(guān)鍵是耦合的強度。KaPitaniak和Chua′s對線性耦合情形作了分析,他們在理論上證明了系統(tǒng)之間只有足夠強的耦合,才能實現(xiàn)混沌同步。(4)自適應(yīng)同步方法。Huberman和Lumer于1990年提出用自適應(yīng)原理控制混沌的方法。John和Amriker受到這一思想的啟迪,對原方法做了改進后,用來控制混沌系統(tǒng)的相空間軌跡與所期望的不穩(wěn)定軌道達到同步,并用此方法研究了Lorenz和Rossler系統(tǒng),證明該方法是有效的。自適應(yīng)同步方法就是利用自適應(yīng)控制技術(shù)來自動調(diào)整系統(tǒng)的某些參數(shù)以此達到混沌同步的目的。自適應(yīng)要求目標系統(tǒng)具有可控參數(shù),參數(shù)的控制量是兩個系統(tǒng)變量之差或它們的函數(shù),其控制形式?jīng)Q定了同步效果。(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身就是非線性系統(tǒng),而在某些參數(shù)空間內(nèi)能產(chǎn)生混沌特性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步的基本思想是:對于兩個離散的混沌系統(tǒng)A,B,在接收方復(fù)制B的預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),利用這個B的復(fù)制系統(tǒng)及反饋控制常數(shù)來修正同步的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及狀態(tài)。此外,混沌同步的方法還包括D-B方法、基于相互耦合的同步方法、外部噪聲法和脈沖同步法等。關(guān)于混沌同步的方法一直被不斷更新,但絕大多數(shù)仍處于理論分析、實驗研究階段,涉及系統(tǒng)的實際應(yīng)用和硬件實現(xiàn)還有待進一步完善。2混沌同步解調(diào)混沌同步在保密通信中的應(yīng)用,其基本思路是:當(dāng)通信雙方具有某種通信系統(tǒng)和一定的同步控制約定時,發(fā)送端可利用混沌信號作為載波,將傳輸信號隱藏在混沌載波之中,或者通過符號動力學(xué)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屬性或混沌特性解調(diào)出所傳輸?shù)男畔?從而實現(xiàn)信息從發(fā)送端的編碼到接收端的解碼的全過程。收發(fā)雙方的混沌同步是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。由于混沌信號的寬帶類似噪聲的特點,將信息信號隱藏或疊加到混沌信號上發(fā)送后,一般會以為是噪聲信號,而竊聽者也很難從中竊取到有用信號,只有通過混沌同步解調(diào),才可以得到發(fā)送的有用信號,由此達到保密的效果。對于利用混沌同步進行保密通信,目前已經(jīng)提出和發(fā)展了幾大主要保密技術(shù),其中包括:混沌掩蓋、混沌調(diào)制、混沌鍵控和擴頻通信。2.1混沌遮蔽通信其基本思想是:利用具有逼近與高斯白噪聲統(tǒng)計特性的混沌信號作為一種載體來隱藏信號或遮掩所要傳送的信息,在接收端利用同步的混沌信號進行掩蓋,從而恢復(fù)出有用信息。遮掩方式主要有相乘、相加或加乘結(jié)合等幾種方式。圖1便是一個混沌遮掩保密通信的原理圖,是1993年Cuomo和Oppenheim利用Lorenz系統(tǒng)構(gòu)造的混沌遮掩保密通信系統(tǒng)。其中,混沌信號u(t)的信號強度大于被加密信號m(t)的信號強度是保證實現(xiàn)混沌同步的必要條件之一。混沌遮掩通信方案主要應(yīng)用了驅(qū)動-響應(yīng)耦合混沌系統(tǒng)漸近同步的設(shè)計思想。混沌遮掩通信存在著對信道噪聲敏感、線路帶寬限制及保密性低的缺點,在實用中存在困難。這種方案只適用于慢變信號,對快變信號和時變信號還不能很好地處理。一些利用混沌遮掩的方法有:離散耦合驅(qū)動PCM編碼混沌遮掩、混合混沌信號驅(qū)動遮掩技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步的混沌遮掩、時鐘一間隔脈沖驅(qū)動同步數(shù)字混沌遮掩、無同步的混沌遮掩等。2.2混沌信號同步誤差混沌參數(shù)調(diào)制方式是混沌保密通信系統(tǒng)中的一種主要通信方式。它是針對數(shù)字信號的通信方案,有用信號一般為二進制比特流。其基本思想是:利用所傳輸?shù)臄?shù)字信號來調(diào)制混沌系統(tǒng)中的一個或多個參數(shù),并且確保這個參數(shù)在混沌域中。利用混沌吸引子對數(shù)字信號進行“包裝”,此時混沌系統(tǒng)輸出的混沌信號作為驅(qū)動信號。由于發(fā)送系統(tǒng)的參數(shù)在調(diào)整,接收端將產(chǎn)生同步誤差,即驅(qū)動信號和接收系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號存在誤差,通過這個同步誤差來判斷傳輸?shù)臄?shù)字信息。該方法有兩個優(yōu)點:首先它把混沌信號譜的整個范圍都用來隱藏信息;其次它增加了對參數(shù)變化的敏感性,從而增強了保密性。對該方法的研究有:數(shù)字混沌調(diào)制的有線CD2MA通信、脈沖同步的混沌調(diào)制、無同步的脈沖無線發(fā)送的混沌調(diào)制等。2.3不同種類混沌波的信號轉(zhuǎn)換當(dāng)輸入信號為數(shù)字信號時,采用混沌鍵控方式可以很好地利用混沌的特性?；煦珂I控保密通信的一般原理是:發(fā)送端由多個混沌系統(tǒng)組成,不同的系統(tǒng)在特定的參數(shù)下生成的混沌波互不相同,傳輸數(shù)字信息時,“0”和“1”用不同種類的混沌波表示,反送到信道上傳輸,在接收端,相同的混沌系統(tǒng)在驅(qū)動信號作用下與發(fā)送端同步,從而解調(diào)出加密信息?；煦珂I控是研究較多的一大類鍵控式數(shù)字通信方案,現(xiàn)已提出的通信制式包括混沌開關(guān)鍵控、混沌移位鍵控、差分混沌鍵控、調(diào)頻-差分混沌鍵控等。已提出的具體實現(xiàn)方法,例如:非線性時延反饋同步的光纖傳輸混沌開關(guān)、非同步的相關(guān)解調(diào)混沌開關(guān)。2.4帶的擴展系統(tǒng)擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式,最早應(yīng)用于軍事通信中,它的特點是:信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn),與輸入的信息數(shù)據(jù)無關(guān):在接收端則用相同的碼進行相關(guān)同步接收、解擴、恢復(fù)所傳的信息數(shù)據(jù)。按照擴展頻譜的方式不同,現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可分為:直接序列擴頻系統(tǒng)、跳頻擴頻系統(tǒng)和跳時擴頻系統(tǒng)。擴頻通信技術(shù)利用了混沌序列無限長、無限多、性能優(yōu)良和易于產(chǎn)生的優(yōu)點,是混沌通信中最有發(fā)展前途的一種通信方式。3相關(guān)研究的提出短短十幾年時間,混沌保密通信隨著混沌同步理論的建立和快速發(fā)展而得到廣泛研究。這方面的研究在理論和實驗上都取得了豐碩的成果,并提出了很多方案。但要使混沌保密通信真正走向?qū)嵱没?還要解決很多理論和技術(shù)上的問題。(1)混信號的選擇目前所做的研究主要集中在理想信道范圍內(nèi)進行,但在實際測量或傳輸過程中,混沌信號不可避免地受到各種干擾,而混信號具有高度的初值敏感性,微小的“干擾”很快“放大”,這對系統(tǒng)同步性能將產(chǎn)生直接的影響,很可能造成同步中斷,而目前的大多數(shù)混沌保密通信方案無論是采用何種電路和方式,關(guān)鍵都在于“同步”問題,因此,從實用角度看,需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档突蛳邮盏降男盘栔械脑肼暢煞?以有效地解決噪聲對同步的干擾。(2)信號先驗知識目前,幾乎所有對混沌同步方法的研究中都假設(shè)傳輸信道是理想的,而當(dāng)混沌信號通過實際傳輸信道時必定會因為種種因素而發(fā)生畸變。雖然現(xiàn)已普遍使用一些信道的均衡技術(shù)(如一般的自適應(yīng)均衡等),但它們都是以已知信號的某些先驗知識為前提。對混沌信號而言,要得到這些先驗知識是很困難的。因此必須尋找新的方法來有效地消除信道失真。(3)不同信號頻率下的保密通信目前報道的混沌電路所產(chǎn)生的混沌信號的頻率較低,研究表明,當(dāng)信息信號的頻率低于混沌信號的主頻帶時,保密通信的效果較好;而當(dāng)信息信號的頻率高于混沌信號的主頻帶時,保密通信的效果較差。如何利用典型的小型化、集成化混沌電路,提高混沌信號的頻率,使系統(tǒng)能對高頻信號進行加密,是混沌保密通信走向?qū)嵱没仨毧紤]的。(4)混沌同步及在保密通信中的應(yīng)用前景展望目前,混沌同步主要集中在低維時間混沌系統(tǒng),對于高維的超混沌和時空混沌系統(tǒng),其控制與同步更加困難,所以研究得比較少,但其在混沌通信和擴頻信息