混沌保密通信应用研究的进展

第 20卷 第 1期 2002勺 3月 广西师范大学学报f自然科学版 JOURNAL OF GUANGXI NORMAL UNIVERSITY Vo【2O No．1 March 2002 混沌保密通信应用研究的进展 方锦清 ，赵 耿 ，罗晓曙 tI 中国蟓 r能科学研究院 ，北京 1024I 3；2 广西师范大学 街理 与电子科学系．广西 桂林 541 004) 摘 要 ：通 汛技 术被称为世 界经济和军事的生命线 ，而通 讯中的保密技术则是核心技术之 ．任何这方面的新 发现虽其高科技的进展都必然引起世界各国的关注和重视 由于混沌控制和混沌同步在 20世纪 90年代取得 了突破性进展，迄今利用混沌进行秘密通讯成为国际 卜的一个热 ．现在混沌保密通信大致分为三太类：第 类是直接利用混沌进行秘密通信；第二类是利用同步的混沌进行秘密通信；第三类是混沌数字编码的异步通 信 混沌保密通信为国际高新技术的发展提供了一个新的生长 ．目前已经提出了同步混沌通信三大保密技 术：很沌遮掩 混沌调制和混沌开羌技术 现着莆综述近几年来混沌同步一大保密植术的主要进展，比较可能 实现的 卜几种保密通信 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ．分析题目的优缺点置其应用研究概况．最后，给出混沌保密通信研究中保密技术 的廊用展望 关键词：混沌；}日j步混沌；保崭通信；混沌遮掩；混沌调制；混沌开关 中国分 类号 ：05．45．TN241 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001 6600(2002)01 0006 1 3 l 990年是馄沌发展史上不平凡的一年，这一年混沌同步和混沌控制同时取得了突破性进展 ，一 是美国海军实验室的Pecora Carro首次用电子线路实现了混沌同步，二是美国马里兰大学的Ott，Grebo 和 Yorke三位教授提出了混沌控制 的新 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 0 ，立 即犹如 一阵旋风席卷全球 ，国内外掀起 了第二次 混沌研究的高潮，利用混沌和混沌同步实现秘密通信已经成为近年来竞争最为激烈的混沌应用研究领域． 美国．俄罗斯、英同、德国、意_人利、日本、加拿大、瑞士等国家的科学家都参与了激烈的竞争，而我国学者也 相当关注，各 自研究新的混沌系统，发展有效的信号处理和信息保密等通信技术． 迄今利用混沌进行秘密通讯初步结出了硕果，大致分为三大类：第一类是直接利用混沌进行秘密通 信：第二类是利用同步的混沌进行秘密通信；第 类是混沌数字编码的异步通信．美国陆军实验室率先与 马里兰大学合作 ．研究 r第 一类混沌的通信，据此，Hayes W S，Grebogt E 0，Ott E Mark A利用小扰 动混沌控制技术控制二进制编码混沌信 号同步 。 ．这就是预测控制技术．第二类的混沌同步通信是当 前国际上研究的 一大热点，正在成为高新技术的 一个新领域，迄今已经提出和发展了同步混沌通信三大保 密技术；混沌遮掩、混沌调制和混沌开关技术．Oppe rtheim 及Kocarev0。等 l992年提出了混沌遮掩通 信技术．1)edieu Bel’skii和 Dmitriev⋯，Parlitz 等 1 993年提 出了．混沌开关通信 技术．Halle ， Hasler ：1993年提出了混沌调制通信技术．这是目前混沌保密通信研究中竞争最为激烈的、迅速发展中 的三项新技术．值得一提的是，近年来也提出 r无需同步的混沌遮掩、混沌开关、混沌调制技术． 通讯技术被称为世界经济和军事的生命线，而通讯中的保密技术则是核心技术之一 。。。．面对“时代 日益信息化，社会日益网络化 ．一场信息化的风暴震撼全球，信息战将成为未来各国、各个集团较量的主 要战场．准掌握了信息．谁就拥有决定性的主动权和制胜权．因此，通信保密问题特别重要-任何这方面的 新发现及其高科技的进展都必然 『起世界各国的关注．这就不难理解混沌保密通信为何成为国际上竞争 的一个热点．信息技术领域主要研究信息的获取、传递、处理、存储和显示等，包括通信技术、微电子技术、 计算机技术、计算机软件、高清晰度电视技术等．我国国家“863”高科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的信息技术领域也包括了信息 收稿 日期 ：2001 09【7 基金项 H：国家 自然科学基金资助项 目(19875080，7007】刚7) 作者简介：方锦清t1 939一)，男、福建浦}}i^ ．中国佩于能科学研究院研究员．博士后导师 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 方锦清等：混沌保密通信应用研究的进展 获取与处理技术和通信技术等主题．混沌保密通讯技术为该领域高科技提供了新的生长点． 目前利用混沌达到保密通信和信息技术革命有 4种主要途径：一是计算机网络；二是 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 系统：三是 激光系统；四是神经网络系统；其中以电路系统研究得最多和比较成熟．由于混沌通讯具有许多优点：①保 密性强，因为具有宽带特性，特别是利用时空混沌增强抗破译、抗干扰(鲁棒性)能力 ；②具有高容量的动态 存储能力；③具有低功率和低观察性；④设备低成本等．因此，混沌通信和信息加密新技术正是适应未来信 息战的需要，是一个在 21世纪太有发展前景的极富挑战性的高新科技领域． 本文着重综述近 3年来混沌同步在利用电路相关系统的三太保密技术的主要进展，包括理论、设计思 想、目前的研究热点、可能实现的又有一定实用价值的十几种保密通信方案 ，包括我们在该领域所取得的 研究成果．如数字混沌同步的混沌遮掩实验方案、利用混合的混沌信号驱动连续系统的混沌同步的通信方 案和利用不同混沌信号随机驱动的混沌同步的通信方案等．限于篇幅，本文分别精选出几种典型的混沌遮 掩、混沌开关及混沌调制．分析各种方案的优缺点和应用研究概况．最后，对混沌保密通信的美好应用前景 作了展望． 1 现代通信与混沌通信的比较 首先．让我们列表(表 1)比较现代通信与混沌通信的主要差异点 表 l 通常现代通信与混沌通信的比较 从表 l可见：混沌保密通信比现代通信具有诱人的优越性，它已经显示出强大的生命力一具有很大的应用 潜力和美好的发展前景．但是．目前混沌保密通信技术尚处在幼年时期，急需深入解决保密通信中的一系 列技术问题．例如，衡量 一个通信系统的保密性优劣，涉及到现代秘密攻击方法的复杂性问题，它大致有三 种：一是数据复杂性，表示用作攻击输A所需的数据量；二是处理复杂性，指完成攻击输A所需的时间；三 是存储需求，即进行攻击输入所需的存储量．惺沌保密通信也必须解决可靠的秘密攻击方法的复杂性问 题，以及如何解决现代保密通信系统存在的主要安全问题，如何产生不可预测的和不可压缩的非周期序 列，使混沌通信系统有效抵抗种种攻击，等等．目前这方面的研究还远未解决． 下面我们就三大混沌保密通信的主要进展进行综述． 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西师范大学学报(自然科学版) 第 20卷 2 混沌遮掩 混沌遮掩又称混沌掩盖或混沌隐藏 ，这是最早研究的一种混沌秘密通信技术．基本思想是利用混沌信 号作为一种载体来隐藏信号或遮掩所要传送的信息．由于混沌信号的宽带类噪声特点，将信息信号隐藏或 叠加到混沌信号上发送后，一般人以为是噪声信号．而关注者也很难以从中窃取信息信号．由此达到保密 的效果．Oppenheim等人基于改进的Lorenz电路对此方法作了详细的描述 0． 2．1 离散耦台驱动的 PCM 编码混沌遮掩 研究离散动力学系统发现，当驱动周期小于某一闽值时，系统的渐近稳定性与连续流时间驱动系统的 稳定性相同 。 ．离散耦台驱动的 PCM 编码混沌通信 系统是在连续流时问驱动的基础上提出的新 的混 沌数字保密通信方案 ．由于采用了离散时间驱动，保留丁混沌载波的类噪声特性，因而仍可很好地掩盖 信息信号的频谱 ．因为所包含的动力学特征因离散化而大大减少 ．从而有效地防止 了基于预测法的攻击． 图 1中．混沌信号用 Lorenz系统的电路 0来实现 ，其一般形式为： 一 [ ( 2 5'5】)．wI ： 20 J 3．j 】 ： 6上 j (1) 简化为： —L( ) (2 J 相应的离散耦台驱动系统为 ： jt=L( )+ Lo， ( )·( 一y： )_0一’ (3】 受迫子系统 =[ 的虽大 Lyapunov指数为 4．2．因而是渐近稳定的，必然存在一个l’ 使得7’0．它相对于网络的输 出而言很小 ，“0”被发送时 一0．如果在 一 200步后，网络的输出不发生变化，则意味着“o”被发送．任何二进制信息词可发进，神经网络混沌遮掩 仿真信号图见文献728]．该混沌遮掩技术，对绝大多数的离散混沌系统都适用，网络训练好后．计算量小． 因而很容易用于高速硬件和用于生物神经电路系统．但该类系统的信号的幅值也不能太大．且仅适合数字 编码的通信系统． 2．4 时钟一间隔脉冲驱动同步数字混沌遮掩 采用数字混沌系统进行保密通信，比连续流混沌系统更易于实现．而且具有较高的保密性，同时还便 于控制和产生，据此，我们研究并实现了如下双向 Logislic映射数字混沌遮掩的保密通信系统，电路框图 如图 4所示． (t J 图 4 职向数字混沌遮掩通信方案(主叫方或被叫力原理框图j r“．(幻 f(／-~j (^)(1 2(^)))+ ( )+d．(k／N) 主叫方 ‘ (f】=“ 。( ) ( L(^)(1 Y ( )))一( · z(K／N) (81 l“ 20)= !( )+ !(f) “ (f) ，( _、r．(^)(1一y ．(^)))+ ( )+c ：(^／N) 被叫方{ ‘．( )：“ ( ) fO,y ( )(1一Y ( )))一 ．( ) (9) 10)一 【 )+ I“) 其中 (f】， (￡)为双方混沌载波信号，5 (z)， ( )为双方原始语音信号， ( )，s (f)为双方解遮掩语音信 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 方锦清等：混沌保密通信应用研究的进展 号，“，(f)．“。(f)为双方信道传输的包含信息的混沌信号(包含信道噪声 ，( ) ：(f))． ( )， ．c )分别为 主叫方接收混沌产生器和参考模型发送混沌产生器的数字迭代输出． ( )． 。，( )为被叫方接收混沌产 生器和参考模型发送混沌产生器的数字迭代输出，d (k／N)． ( ， )为双工通信的同步间隔脉冲函数．C 为电路常数．有 占． 喜I— h “ 矗 Ⅳ一 ， ∈， 一 一譬 川 U--1．2) (1o) - V— l 0 else k为迭代次，迭代 Ⅳ次后产生同步脉冲．这样只要各个用户的3个混沌产生器 样．它由3个高速单片计 算机完成迭代运算．其中参考模型和接收混沌产生器．经高分辨率 D／"A转换和低通平滑滤波输出类似连 续流混沌的信号．发送混沌产生器仅产生发送同步脉冲和虚拟 Logislic映射输出．这足因为发送方和接收 方，总存在 一些参数控制和判断的区别，从而程序会有稍许不同，即使仅有 个命令的差别．都将会导致同 步累计误差(高保密性)．最终使解遮掩的信号淹没在混沌海中．因而混沌输出载波改由一个模型参考的混 沌产生器来代替发送混沌产生器．它与接收信号端的接收混沌产生器有 模 样的结构和程序．如果双方 时钟一样．且由每Ⅳ 次迭代间隔发送的脉冲同步信号去驱动对力，收发方系统将立即同步．且具有较高的 信噪比．从(8j式有： 。 】(f)=，(， 。!( )(1 ‘!(^ )))+ ( )一 1( ／N)+，j1(f) 厂( 韭(^)f L— (矗))) 1(k／N) 一 ，(g( ，(矗)))一，(g( (点)))+S ( j—n】(f) 因 g(y ：( ))是 ( ( j)的参考模型，因而 S ( )zS10j1_n】( ) (1]j 我们的实测表明：时钟 间隔脉冲驱动同步通信系统不受小信息信号的限制．语音信号强度可较大． 具有较高的信噪比；连续流混沌产生器同步的输出保留了原混沌系统动力学的所有特征．而数字混沌产生 器的同步仍保留 原混沌系统宽带类噪声特性．却大大减少原混沌系统的动力学特征．这也使得传统的对 混沌遮掩通信的攻击方法难以奏效，从而保密性增强；对系统参数及初始条件相等要求很高；传统同步的 混沌产生器对初始条件、系统参数的可控性不强 ，用于多用户系统时， 致性难以保证 ，l们数字混沌产生器 很容易改变系统参数及初始条件 ，由相同的软件得到 致性 ．这不仅进 步增强 r保 密 ．而且还具有可 控性强、灵活性好 的优点．但是 电路相对复杂 些． 2．5 无同步的混沌遮掩 上面的混沌遮掩技术都利用了同步．有些学者也研究 了无同步的混沌遮掩技术 ．其摹本思想 是基于在相空间中代表混沌轨迹基本特征的任何的 个奇怪吸引子是由微分方程的特定形式的完全复 制啡 ．如：非自治系统： dZ．x-_厂f ．鲁：一f(t)．正是因为这种复制结果的存在．使得如果知道 非线性函数 ， 一，，d五：g 和一个混沌解 ． f )，就能够重建子系统的混沌响应： )一 ／cj- f，)， 专 】．使得在 Asint 图 5 无同步的混沌遮掩方案 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西师范大学学 报(自然科 学椒) 第 20卷 所有时候．即便初始使条件不同时也成立，这个特性可用于保密通信 ．以摆动方程为例．无同步的混沌 遮掩如图 j所示．其中应用了一个非 自治的摆动动力学方程所建立的无同步的混沌遮掩方案．这是一个研 究颇多且易于控制的模型，在 ( )是强扰的’情况下，也能保持其稳定性．其中 为摆的相位． 一 2为自 然频率， 一0．5，A及n为外部激励的幅值及频率． ( )为信息信号、发送端采用双通道发送，发送信息分 别为芋和sinx．恢复了s(t)一basin( + ．)信号．然后通过一个低通滤波器滤除激励信号Asin(m+垂．)。 从而恢复信息信号 (f)． 非同步的混沌遮掩是一个好方案，它的优点是：①不需要同步；②在某些系统中．信息信号幅值可以相 当大．这意昧着具有较好的保密性；⑧能精确恢复信息信 ，且不依赖于原始信息信号强度；①接收机只是 一 个非线性滤波器．其稳定性不依籁于噪声和信息信号的强度．但是上述方案使用了 2个信道．增加了额 外负担；使用自治系统时，虽可能不占用额外信道．但对信道噪声敏感；在大多数的系统中信息信号强度要 受到限制．尽管大的信息信号强度打破原奇怪吸引子后，并不影响通信，但降低 r保密性；另外，如果是电 路实现，双方电路的精度要求很高． 3 混沌开关(CSK，混沌偏移键控) 混沌开关又称混沌参数 阕制．因为最早提出该技术是参数词制的混沌开关．它是把混沌系统用于密码 发射的最简单技术．其基本思想是 ：根据在不同的系统参数下具有不同的吸引子来编制二进制信息代码 ( ．如用⋯1表示参数 下所对应的一个吸弓 Al，用“0”表示 下所对应的另 一个混沌吸引子 A ，混 沌系统的行为在 与 A，之间转换．应用欧氏空间距离来检测重构的混沌吸引子和接收到的混沌吸引子 的差别．由参数变化来调制系统的响应时间．Oppenheim儿卜 及 Parlitz ：等人分别从实验上证明 了该法 的有用性．用于秘密通信的可能性较大．目前一些不同的混沌开关技术的区别主要表现在所选择的混沌系 统 ．是同步开关还是非同步开关，是相关检测还是非相关检测． 3．1 非线性时延反馈同步的光纤传输混沌开关 连续流混沌 系统以微分方程的形式出现得到各个领域学者们的研究 ．在时延反馈系统 中研究离散动 力学方程的学者也不少，假设如图 6所示的光纤时延系统具有如下特征．时延 比电子反馈部件的时间常 数还大 ．这个假设极具重要性 ，意味着能用一个时延差分方程代替一个具有信号扰动的微分方程 ，这个微 分方程的解的动力学特征能用离散差分方程来描述 基于此 ．可建立一个时延反馈系统 的离散近似差分方 程的基本模块 ．将 2个这样的基本模块进行耦合以产生混沌．并考虑分解耦合的模块以满足 Pecora Carrol的同步要求 】．这个耦合的系统相似于二维映射的Ikeda函数． 1J『I (a)实验原理 昂 (b)结构框 图 6 非线 胜时延系统组成框 图6中巧妙地使用了一个时延微分方程 ． ) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 方锦清等：徂沌保密通信应 研究的进展 I 3 N7％一 ( ) Ⅱ，(』．』(f～r)J (12) 其中 』． ( ))是 ×(d， )一(Ⅱ，b)的 个映射．H，b∈R．其中lkeda函数 ，(』 】_』-1 sin~-1，使用 了 ·个称之为Mach Zetmder(MZ)的集成光纤调制器，其传输特性是 ，．． 一 (， ．KV )／2．从而使得上述 微分方程系统的输出特别适台在光纤上传输．因而r 考虑噪声和信道衰减造成的影响．因为输入信号 』 ---1是常量．所以这是一个 自治的系统 ．因而可以模型化为 ．．(¨ 一 ，(』 ( )，KV 一( ))理 V ．(，)一 GI ( ) 其巾 ，( ．．．(，)，KV ( ))一』 (1 】(KV ( )))，G二=2ix~／K，V ．( —r)一V ，( )，K 是集成光纤 嘲制器非线 -)一 ， ， l生动力学系统 参数的 个函数 一 ， 是 【_r凋节的增益．(1 3)式中忽略下标并用 r一矗r，r—l替 换 ，碍离散动力学方程 ： l— F r(V ) < (1 4 J ’ (V)一G，f』 ，K ／2 因此如果设定 _一KV，r》T，(1 d)式能很好地逼近(1 2)式 。 ．当 G ≈1 9．35时 ，(14)式足混沌的 为 此 已经组成 了驱 动 响应 同步 的混沌开关通信 系统．在系统参数 C 一1 9 63，( 一25．24， 一30．29． r／7、==10时．'吐明该法同步时间仅需要 4 00 nS，也就是说位传输速度 达 2．5 Mbs，提高传输速率可通过 更改 r／7’的比值．位恢复噪声误码率为 1 0‘． 在已有的通信方案中 一个难解的问题是信道噪声和滤波特性(衰减及有限带宽)．这可能破坏同步．而 集成光纤电路 I()c具有非常宽的带宽．最大可达 18 GHz．使用 SM 单模光纤电缆．损耗可忽略不计，对 1 550 hilt波长激光源平均损失仅为 0．2 dB．"km，SM 光纤中的干扰来自介质 线性和多通道 f扰，如果使 用每根光缆 为 个通道，在 50 km 以内．噪声儿乎 不存在，罔此该方案在实用通 信中具有很好的发展前 景． 3．2 非同步的相关解调混沌开关 在数字混沌通信中．恢复信息信号的技术a 分为两大粪 ，一娄是同步相关解调 ．一娄是同步非相关 解调 。．前者通过检测同步再生的f混沌或谐波)基函数 与所接收信 号的相关性，恢复原始信号，谐波函数 的相关解调固其窄带特性可通过锁相环解凋．通过窄带线性滤波器滤掉噪声 混沌同步系统 因其宽带特性 能使用锁相环和线性滤波器．最近的研究表明．在混沌同步系统中引^信道噪声和信道滤波特性后．再 通过窄带线性滤波器滤波，其效果比谐波同步系统差很多．非同步的非相关性检测依赖于对每一个位信息 能量的估H，确定一个阀值来决定所接收到的包含噪声和倍息信号的混沌载波巾的位信息．这种方案中抗 噪声最好的是 1 sK(微分混沌移位键控)及其变形和 FM I)CSK” (两频一微分混沌移位键控)，这里讨 论的是非 同步的相关解调混沌开关 ，非同步的相关解调也分为相关解调 I)CSK和 FM—DCSK．它的最大特 点是在发送端预先埘信息“0”和⋯1’采用了一种模拟编码方法．位信息⋯0’和“1”在发送时间段 卜被分成两 部分．在发送端如果信息⋯0在时间段 ．f l。)被发送．混沌信号由 r个离散 Bernoulli移位产生器产生一 时钟频率 10 MHz，1 6位分辨率．位周期 2 s，位信息被映射成长度为1 2的连续 ?段．在接收端，包含噪 声的信号 ( )被延迟半个位周期，相关器计算的是所接收的信号与其本身的延迟信号之间的相关性．由 于参考信号和承载信息的信 号通过同一个信道，因此非同步的相关解调混沌开关对信道扭曲不敏感，抗噪 声能力较强．如果信道参数在位周期l’时间内，保持不变，这种方案还可工作在时变信道上． 4 混沌调制 混沌调制也称宽谱发射．这是 Halle等人提出的解决秘密通信中复杂的问题的一种办法 ，基本思想 是将 一个信息信号注人到发送机，由此改变了原混沌系统的动态特性，因而信息信号被调制．他们用 2个 Chua’s线路作为发射机把电流信号 i ( )注入该线路中，从而修改了电容器c两端的电压．该电流信号取 ⋯ 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西 师范大学学报(自然科学版 第 2ll卷 决于所发射的输人信息 (f1及可逆的编码函数Ⅲ(f)一((s( 1)，通过S( )一C(“ (f”把测得的电流信 H进行解码．Halle等人的实验结果表明．利用自同步线路实现宽谱通信系统是可行的．该类型的混沌信号 调制比起混沌开关及混沌隐藏而言有几个优点．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． 信息信号可 以是由 lI进制信息调制的模拟信号．在混沌开关技术中．无论何时二进制信息信号改变了 值 ，由于双方初始条件 同 ，总会有 ·十同步等待时间．而在直接混沌调制 中．接收机连续跟踪发射机，2 个混沌系统状态肯定一样，比起混沌开关而言，可望获得更高的位传输速率 另外，随着混沌调制技术研究 的进一步深人，学者们把信息信号与馄沌信号相乘的直接混沌频谱扩展技术也作为混沌调制技术． 4．1 数字混沌调制的有线(CD) MA通信 电话线人阿难 以逾越的 56～64 kbps带宽的鸿沟 已阻碍了网络市场 的迅速发展 ，电缆电视系统已正 在从单一的传送模拟电视信号向既可传送模拟电视信号又u 传送数字网络信息过渡．由于这种概念 L的 变化 ．导致了一个新的品牌 w TV的问世．电缆电视网络的主要优点是能传送超宽带视频、音频信 号和 数据流，并能提供一些新的网络服务，如交互式 TV节 目、高速在线服务、可视电话等．但耍改变现有 的电 缆网络 ，其代价足巨大的．如改用光纤电缆 。对一个小城市而言 ．仅铺设光纤电缆费用也高达 2千万美元左 右．一个解决方案就是优化利用现有网络的能力．方法之一就是 Ierayon的同步码分多址(S CDMA1．在 用户和阿络问提供 双向、高速数据链 ．而利用数字混沌的码分多址((CD1 1MA J技术，业 已 止明．能在无线 环境 F．戚倍提高 CDMA的容量． 使用 5．4 MHz带宽上的有线电视系统的主要问题是脉冲效应和窄带噪声．在无线系统中的多径折叠 在有线系统上不会出现 ．而且每一个链路 的延迟时间是可事先测量的，(CD)!_ⅥA在 5～d0 MHz这个充 满噪声的频带上能比时分多址( ['DMA)、频分多地(FDMA)及 Terayons的 S CDMA工作性能更好．因 此通过有线电视网进人 Internet服务的数字混沌橱制有线(CD) MA通信被提了出来．用混沌载波有限 带宽来替换线性载波．而且具有更好的保密肚． (CD J MA 系统的数 字馄沌 产生器 ，由一 个数 字混 沌 电路 阵列 组成 ．如一 个“混沌 ”细 胞 自生机 [Tof[oli．1 987]或者一个可逆的神经网络卜。。 。组成 ，每个用户的发射机具有相 同的电路．为确保在每个时 刻同 ·信道上各 ，r混沌载波是正交的，给每个发射机一个 ID号作为混沌发生器的初始条件，产生器的输 出经 D／A转换器送到 一个频率提升器上列不同的载波安排一个不同的频带．然后与数字信息进行相乘调 制．从有线网上发送出去 由中心控制器发出 十本地时钟来同步各个用户时钟．从而使中心控制器和用 户机同步．中间控制器的 目的是为 l『提取来 自第 i个用户的数字信 号．第 个用户 的时延已经预先测好． 故入一个查找表中．因而相应的用户混沌载波具有相应的时延．有线网所接收到的信息是一个包含来自其 他用户的噪声和干扰的信号．通过一个[O，7 ]积分器低通滤波、然后经限幅和采样t恢复信号井送往 Inter rteI网、采样时钟 由中心控制器的本地时钟 发生器提供 ，用户接 收端的逆向通信原 理和正向通信几乎相 同．在控制器向用户 发送载波时，事先补偿一个时延 ．因而用户 的接收机上只增加积分器 ．限幅采样电 路．上述方案是针剥多用户的 ((、，j)。MA与 S CDMA的正常方式和预备方式下信噪比和误码率关系的 比较表明：(CD) MA通信在相同误码率的情况 F．信噪比最小．即在相同信噪比下，误码率最小．另外．仿 真还表明在相同误码率的情况 F．(CD) MA通信比S CDMA通信速度快大约 1．5倍． 4．2 脉冲同步的混沌调制 近年来发展 lr一种新的同步方法——脉冲同步法0。” ’一 ，在该方案里，被称为同步脉冲的状态变 量采样序列被用来同步 2个混沌系统，比起连续同步，发送 同步信号的带宽和时间宽度大夫减少 ，它已被 多个保密通信方案所采用，并获得了好的性能．在保密通信中，基于脉冲同步所传送的信号由一系列时 群组成．每个时间序列由长度为7’s的2个区域组成．第 一个区为 Q s，组成同步脉冲区．在 Q s区包含 个传送的信息信号 ．因为 Q 比起 7’来说很小 ，可以忽略不 十 ．因而使信息信号传送的时问损失很 小．然而．实现脉冲同步的实验并不容易，因为①信道噪声不可避免的存在；②电路总会有参数失配和参数 漂移；③同步脉冲区时间0不能选择太小，因为信道噪声和参数失配的存在可能很快使 2个已同步的混 沌 系统先步，尤 其对超混沌系统．脉 冲同步的首次 通信实验 由 Panas在 1 998年使 用 Chua’s电路完成 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 】期 方锦清等：混沌保密通信应用研究的进展 的 ．紧接着 ltoh和 Yang T．Chua O在 l 999年完成了超混沌Chua’s电路脉冲同步的通信方案 ． 其中调制器可以实现混沌遮掩．也可实现混沌调制．在混沌调制中，信息信号乘以混沌载波信号，在接收机 中由接收信号除以混沌载波信号，开关由CD4066芯片完成，AD533完成乘法和除法功能．在输人信号的 负区 AD533无法完成除法工作 ，因而在解调器中事先将信号电平抬高，如果用 AD532．可望得到更好的 效果 对脉冲同步混沌调制通信的研究及实验表明 ～。．可通过调整脉冲频率和脉冲宽度，使得 2个系 统的同步对信道噪声和参数失配具有很强的鲁棒性．因而在扩频保密通信中具有很好的应用前景． 4．3 无同步的脉冲无线发送的混沌调制 脉冲无线通信系统是一种超宽频带的扩频通信系统 ．基本原理是用极短周期的脉冲(10 s)去 调制信息信号，脉冲载波的能量分散在从 DC到 GHz的 ·个非常宽的范围之内．利用脉冲无线电的目的 在于减少其他窄带和工作在相同带宽的其他扩频通信系统的干扰．这种系统 中用了伪随机序列来调制脉 冲在脉冲轨道中位置．这样做以后，许多脉冲叮被用来发送一个数据符号 ．伪随机信号用来识别不同用户 ． 另外还具有 了保密的优点．若使用的是 ns周期的脉冲．还具有非常高的多经分辨率．但这带来了同步时间 增加的问题 ，网为接收机的相关器必须等待足够长的时间才能作 出抉择． 混沌脉冲无线系统是一个超宽带保密通信系统 “ ．它应用了 一个非常窄的基带脉冲作为载体．在 发送机方．信息信号被两种脉冲载体调制，首先频率调制将信息信号调制成一个子载体，其函数就是一个 混沌电路的时钟脉冲，这个时钟脉I申去驱动一个混沌电路输出脉冲定位序列 ，确定 了载波脉 冲的位置。这 个混沌电路保证 载波脉冲间隔是混沌的．这样载波脉冲的能量分布在整个带宽上．在接收机中．信息信 号分两个阶段，第一个阶段．!个紧接着的脉冲的问隔被恢复；第二个阶段．基于对混沌电路的已有知识． 计算内部时钟脉冲的位置．依此来解调信息信号．用混沌脉冲轨迹发生器来产生间隔时间的混沌脉冲轨 迹．在发送端用一个特殊设计的混沌发生器调制信息信号，在接收端解调是基于对发送器电路的已有知识 和一个只需利用所接收脉冲的问隔的简单解调算法，就可恢复信号，这样就避免了使用同步．并使发送机 和接收机系统简化． 混沌脉冲无线通信系统的保密性取决于电路的硬件参数及内部时钟．由于不需要『 步．因衙大大简化 了发送机和接收机的复杂度．另外一个特殊设 汁的混沌电路不仅作为伪随机信号发生器 ，同时也完成脉冲 位置调制功能．进一步简化了发送机的复杂度．这对无线保密通信有重要 的应用价值． 5 展望 混沌通信问题的应用研究刚刚 10年 ．目前还处在初期阶段，但是已引起了物理学 、信 息科学及交叉学 科各方面广泛关注和兴趣 ．发达国家军方部门都投人大量资金和不少人力加紧这方面的应用研究 ．特别是 美国甚至海陆空都在竞争，无论在实验还是在理论上都取得实质性的进展．已提出的方案就有几十种．目 前多数方案或多或少总存在一些缺点．所作的实验多数还处于理论验证阶段，大多数只作了仿真研究．离 实际应用和开发尚有一段距离．国内的研究多数仍处于起步阶段 ．许多的问题如同步问题 、抗干扰 问题 、抗 破译能力、实用化和与现有系统兼容性等，有待深入研究和解决． 在混沌遮掩通信中，采用数字混沌的通信方案具有较好的发展前景，如神经网络同步的混沌遮掩通 信、离散耦合驱动的PCM 编码通信、时钟一间隔脉冲强迫的混沌通信和混合混沌信号遮掩技术方案等． 这些方案均采用了数字化的同步方法，使通信变得易控和灵活，还易于实现，前二者已作了理论仿真．尚待 实验验证，后二者分别已用实验和计算机网络试验证实了其可行性，有待进一步研究和改进现有系统的兼 容性等问题． 在混沌开关通信中，光纤传输的混沌开关及无同步的相关检测混沌开关无疑极具发展潜力．相对而 言，两个方案都很好地解决了抵抗信道噪声的问题，前者巧妙地利用了现有的通信器件．后者由于不需要 同步．从而简化了系统结构 ．2个方案均可能实用化 在混沌调制通信中，数字混沌调制的有线(( D) MA通信、脉冲同步的混沌调制及无同步的脉冲无线 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西师范大学学报 (自然科 学版 第 20卷 混沌调制等可望在实际的通信系统中发展起来．(CD) MA通信不仅具有保密性，而且还解决了用户上网 速度慢的缺点．这应是上网者的福音．脉冲同步理论硬其对信道噪声和参数失配具有很强的鲁棒性．已为 初步实验所证实．1nJ且可能在超混沌 电路上 实现 ，冈而具有很好 的盘用前景 刚刚问世的无同步脉 冲无线 发送的混沌调制 ，其巧妙而简单的混沌电路和不需I司步的简单收发机结构．如果 旦为实验所证实．在甚 高频保密通信领域将具有重要的实用价值． 最后需要指出的是．利用超混沌和时空混沌实现秘密通信比较一般混沌具有更好的保密性、更大的存 储容量和信息处理能力、具有更强的鲁棒性等优点，因此它将是今后混沌理沦和应用中最重要的研究方 向．保密通信作为混沌学 用的一个重要分支．又身处一个信息时代．必将在人们的生活中．尤其是军事及 国家安垒和通信对抗中扮演重要的角色．它关系到为国防现代化及在未来信息战中一个国家的竞争力．同 时它将对今后我国社会和国民经济的发展起到促进作用．菝们相信它在 F世纪必将有十分诱人的发展应 用前景． 参 考 文 献 [1] 方锦清．驾驭混沌与发展高新技术LM ．北京：原子能出廿互社．2001． i：] Fang Jin qing．Aii M K Control and synch ronization of spatioternpo ra]chaos[A]Chert G R Control[ing chaos and befurcat Jon in enginee ring systems[Cj，USA·CRC Press．I 999 1 1 27 Laj 方锦清．非线性 系统 中混沌控制方浊、同步 理及其应川 前景 c )l1]物理学进展 ．1~96．I 6(I J：l 73 {j 方锦清．非线性系统巾混沌控制方法、同步原理成其庇，目前景(二)『l物理学进展．】994 f d(2，：f 3s 21】． 5『 赵 耻一酃德玲，方锦清．混沌保密通信的最新进展二J] 然杂志．2]lrl1．23(2)：97 l 06． 6] Special Issue Nnncohcrcnt chaotic c(]~]nlijnicatIon—J．1EEE l'ransatioils o【⋯Ci⋯ts_n『1d System 1：Fundalt-tenta] Theo ry a rid Appiications．200CI．11『1 2)：l 6Sl I 702 『?1 Pcccra 1 M．Carro][r I一 眦hr0n㈣【。n in chaolic systemsIJ J Phys Rcv 1 et[．1 99II．6'1：8Zl 821 l8 Ott E，G rebogi C．gorke 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方锦清等：混沌保密通信应用研究的进展 22] 23] [24] [ I ：26] ：27] t Jo[1,'rod Ch自∞ ．1 993．f31 489 477 Hasler M，Dedien H．Kennedy 3,i I ．et a1．Secure communication via chua’ ci rcuit[c：．Hawaii：Proc．NOI TA’93 W orkshops．1 99g．87 92 周 红．罗 杰t等．戈于数宁混沌系统保密通信的探讨二J]电f科学学刊．1997．1 9(2)：2(、2 鲫7． 下可人．薛 磊，盒 红．混沌 DS通信的 种实现方法J J I中国人 解放军电子工程学院学报．1 997，1 6(2)： 3 【9 Ryabov V B．Usik P V．Vairiv D bt Chaotic ma sking without syI1chm Lz l¨ J ．Int J of Bifurcation and Chaos． 】999．9[f )：I l8I 1 】87 罗晓曙．方锦清．等 用离散混沌信 驱动实现混沌同步二J]物理学报．1999．48：2 022 2 02g Ana Gucdes De oliveira A G．Jones A J sv『1ch 1 a rI。l1 of chaotic neural nelworks EJ：．|nt IBC I 9,c,8．8(1】)： 2 225 2 237 L2 8_ Aba rbanel H D I Gen(ralized synchronization of chaos in direcfionally coupled chaotic systems I J．Phys Rev E． 1 995． 1：98,3- 984． 29 ～ Ryabov V B．Usik P V．Vairiv I1 M Chaolic masking withodt v】”h r。．11 t1㈣ ]Int JBC．1 999．9(h)：1 1 81 【lb；7 30j Rulkov N I -Sushchik M M Experimental observation of synchronized chaos with frequency rauo 1：2[J：．Phys 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