混沌通信技术研究及其进展

混沌通信技术研究及其进展马义德，袁 敏，刘 勍，张新国兰州大学信息科学与工程学院，甘肃 兰州 （730000）email:ydma@摘要: 二十世纪九十年代以来国际和国内兴起了一种新的通信技术——混沌通信技术，目前该技术已逐渐进入实施应用阶段。

本文针对混沌通信技术中的混沌掩盖、混沌键控、混沌参数调制和混沌扩频等四大类混沌通信的研究现状、特点进行了全面地分析，并指出了混沌通信技术的最新研究方案及进展，最后对混沌通信技术进一步迈向实用及其发展趋势做了展望。

关键词：混沌通信，混沌键控，混沌掩盖，混沌扩频，混沌参数调制，混沌同步0 引言混沌是一种普遍的自然现象，它是确定性系统中由于内禀随机性而产生的外在复杂表现，是一种貌似随机的非随机运动。

混沌由于其独特的对初值敏感性、类随机性、不可预测性使其应用于保密通信中，能有效地提高通信系统的安全性。

1990年以来，混沌通信和混沌同步技术成为国际、国内通信领域的一个研究热点，它在保密通信中具有广阔的应用前景。

利用混沌进行保密通信就是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分析给不同波形赋以不同的信息序列，在接收端利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。

混沌保密通信系统所发送的是复杂的混沌信号，因而具有很好的保密性。

混沌通信技术可分为混沌模拟通信技术和混沌数字通信技术，主要划分为四类：（1）混沌扩频；（2）混沌键控；（3）混沌参数调制；（4）混沌掩盖。

前三类属于混沌数字通信，后一类属于混沌模拟通信。

在这四类混沌通信体制中，CSK 等一大类混沌键控占有重要的地位，具有较大发展前景与应用价值。

目前，如何围绕这四类混沌通信体制进行理论分析、仿真和实验研究已成为信息科学界关注的热点之一。

1 混沌掩盖技术混沌掩盖通信是利用具有近似于高斯白噪声统计特性的混沌信号对有用的信息进行混沌掩盖，形成混沌掩盖信号在信道中传送。

在接收端则利用混沌同步信号进行去掩盖，除去混沌信号，从而恢复出有用信息s。

这种通信方式的实现依赖于混沌系统同步的实现程度，要求传输信号的幅值一般都较小，不至于使混沌信号偏离原有的混沌轨)(t x )(t s )(t s x )(ˆt 1迹。

由于传输信号的幅值较小，因而该方案容易受到信道噪声的干扰。

文献[1,2,3]先后提出了几种混沌掩盖通信的实现原理与方法。

混沌掩盖方式不外乎有以下几种方式：（1）相乘： ；（2）相加： )()()(t x t s t s x =)()()(t x t s t s x +=；（3）加乘结合：s 。

)()](1[)(t x t ks t x +=)(t s ))(t x )(1t )()()(2t s t x t )(ˆt )(t s +=−)(t s x 在收端用同步后的混沌信号进行相应的逆运算则可恢复出有用的信息。

用混沌信号对有用信号实现加减运算(即掩盖和去掩盖)的电路框图如图1所示。

混沌掩盖通信的特点是：用混沌信号s 去驱动响应系统，只要s 的功率比x 的功率小得多(例如两者之比为1：100)，则驱动系统与响应系统仍将维持同步，s可以从响应系统中近似地恢复出来，即：)(t (ˆs)]()([)21t x t x s t x ≈−=对安全通信来说，系统必须满足两个要求：一是保真度，接收端恢复的信号应和发端传送的有用信号相一致，使恢复信号的失真尽量小；二是安全度，使非法接收者难以从截获的信号中解调出发端信号。

然而，如图1所示的单级混沌掩盖通信系统信噪比低、保密性差、易破译且失真度大，不能很好地满足通信要求，为了提高此类通信系统的安全度，目前在单级的基础上已提出了多级混沌掩盖技术或多级调制系统[4]，即系统的发送端与接收端均有两级混沌系统，对其性能进行改进。

实验表明，这种方案能有效地改善混沌掩盖通信的保真度，但又会导致系统的安全性能指标有所下降，同步的鲁棒性更差，且电路复杂度增加。

总之，现有的混沌掩盖通信方案存在着对信道噪声敏感、线路带宽限制及保密性低的缺点，还不能提供高质量的通信服务，难于构造混沌保密通信的实际系统，有待于进一步探索研究。

2 混沌键控技术混沌键控技术的实现主要是利用所发送的数字信号调制发送端混沌系统的参数，使其在两个值中切换，信息便被编码在两个混沌吸引子中，接收端由两个相同类型的混沌系统构成，其参数分别固定为这两个值之一，在每个信息发送间隔内，通过检测各混沌系统的同步误差，以判决出所发送信息。

在该技术中，解调一般是通过对误差信号的判别来实现的，而要得到最优的判决门限比较困难，但通过研究发现混沌系统在实现同步同相的同时还可以实现反相同步，以及实现奇异非混沌吸引子的同步，这些成果对于混沌键控方式的实现是很有意义的。

2.1 CSK (Chaos Shift Keying)数字通信系统混沌键控(CSK)[5]的基本原理是用两个不同的混沌振荡电路的输出信号分别代表0和1，2通过要传输的二进制信息源来控制开关切换，决定其输出信号。

用开关切换，而开关由所要传输的信息源控制。

图2是CSK 调制器方框图，图中{ b i }为要传输的二进制信息源，{g i }为代表二进制信息的混沌信号。

1和E b2之间的差值可获得较好的抗噪声性能。

对CSK 解调有相干解调和非相干解调两种方法。

相干解调是用待发送的二进制(或多进制)数字信号对发端混振电路进行混沌键控，根据单向耦合同步法对收发两端的混振电路实现同步，在收端按相关接收解调出原信号。

CSK 系统在发端把不同的数字符号{b i }分别映射到不同的混沌吸引子中，这些吸引子是由具有不同参数的混振电路所产生混沌信号。

吸引子的个数等于信号集的大小。

当b i =1时，s i ( t)=g 1(t)；而b i =0时，s i (t)=g 2(t)。

在接收端则按相关接收原理判断其是属于哪一个混沌吸引子产生的信号。

相干解调的抗噪声性能优于非相干解调，但要求收发端混振电路严格同步；非相干解调是通过比较混沌信号的比特能量来判决混沌信号代表的信息，其优点是对收发端混振电路同步不作要求，但抗噪声性能差，增大两个混沌信号的比特能量E b 2.2 DCSK(Differential Chaos Shift Keying)数字通信系统差分混沌键控技术(DCSK)是在每个信号发送间隔内实际发送两段混沌信号，第一段混沌信号作为同步参考信号，该参考信号取决于所发送的数字信号，用于接收端进行相关解调。

第二段混沌信号代表所传输的数据，根据发送信号确定其是否与参考信号完全相同(或反相)。

如图3所示，图中T 为数据信息位{b i }的持续时间。

在接收端利用每个信息比特中的这两段混沌信号可以有效地解调出所传输的信号。

这种方案对抑制外界干扰是非常有效的，增强了系统的鲁棒性，降低了接收误差。

在差分混沌键控技术中，由于混沌信号是非周期的，因而相关输出的每个信息比特能量并不完全一致，即便是在没有噪声干扰的情况下，相关估计的结果也存在偏差，这会对系统的误码性能产生影响。

为了使每个信息比特的能量一致，Kolumban 等将调频技术引入到DCSK 中[9,10]（ FM －DCSK ），成功地解决了这一问题，但这是以实现电路的复杂化为代价的，即在FM －DCSK 的发送端增加了模拟锁相环(APLL)和FM 调制器来产生单位信息比特能量恒定的混沌信号。

同样，增强型DCSK 通信系统[11]虽然避免了估值误差干扰，但在接收端该系统要求有延时网络，并要求系统有良好的同步协调特性，文献[12]利用混沌多相序列(CPS-Chaotic Polyphase Sequence)具有良好的统计特性这一优点，采用CPS 产生单位比特能量恒定的混沌信号，解决了信号本身带来的估值误差干扰。

2.3 FM-DCSK 数字通信系统3CSK, COOK和DCSK系统都存在一个共同的不足之处：它只能用于较低速码率的混沌数字通信中。

为了解决这个问题，文献[9,10]提出了FM-DCSK系统，其调制器的方框图如图4所示。

一般的蔡氏混振电路只能产生低通混沌信号，而图中使用了APLL，则能产生带通混沌信号，再将此信号输入到FM调制器中。

在[0,T/2]上传输参考信号，在[T/2,T]上传输同相混沌调频信号(或其反相混沌调频信号)。

通过适当地设计APLL，可以在FM调制器的输出端得到具有均匀功率谱密度的带限混沌信号，从而使收端相关器的输出(比特能量)保持为常数，不受码元速率大小的限制，而FM-DCSK的抗噪声性能与DCSK相同。

3混沌参数调制技术在混沌通信中，可以利用发送端所传输的模拟或数字信号来调制混沌系统的参数，在接收端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢复出所传输的信号。

由于将所传输的信息隐藏在系统参数内，因而在保密性能上要优于混沌掩盖方式。

在混沌参数调制通信方式中，一般采用函数求逆法来对系统参数进行解调，因而对外界干扰也较为敏感。

为了提高通信效率，Elmirghani等[13]提出在一个混沌系统中同时对多个参数进行调制，这种多参数调制方式拓宽了混沌参数调制方式的应用范围，但调制参数数目对系统性能的影响还需进一步研究。

在以上这些通信方式中，所采用的解调方式只能处理慢变化信号，对快变化信号或时变信号还不能很好地处理。

先后出现了利用局部李雅普诺夫指数跟踪、利用最小相位空间体积技术来估计混沌系统参数等方案，但对于快变化信号或时变信号依然不是很理想。

从目前的实验结果看，利用自适应滤波技术可以有效解决这一问题[14]。

4混沌扩频扩频通信最早应用于军用通信中，它的特点是传输信息所用的带宽远远大于信息本身带宽，具有很强的抗干扰和抗多径干扰能力，隐蔽性好，可以实现码分多址。

扩频通信系统的性能与扩频序列有很大关系。

一般要求扩频序列具有以下理想特性：(1)易于产生；(2)序列平衡；(3)有足够多的序列数；(4)具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段去重建整个码序列；(5)扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以利于接收时的截获和跟踪以及多用户应用。

为了实现与解扩时的扩频序列同步，传统的扩频通信常采用伪随机序列（PN序列）作为扩频序列，目前应用最广的扩频序列是M序列、L序列、Gold序列和霍尔序列(孪生素数4序列)等。

扩频序列的性能好坏直接影响到扩频系统的抗噪声等性能。

PN序列虽然有较好的相关特性，但是这种序列具有周期性而且可用的正交PN序列扩频码个数不够多，这对于通信的保密、抗干扰以及码分多址复用系统用户数目等方面都是一个明显的不足。

因此，人们将研究的视线投到混沌扩频序列上来。

混沌扩频通信使用非线性映射的混沌序列代替扩频通信的伪随机序列。

从理论上讲，混沌序列是非周期序列，其概率统计特性和高斯白噪声相似，自相关函数为δ函数，互相关函数为0。