混沌保密通信的研究

混沌保密通信的研究[摘要]：文章简要讨论了基于混沌的保密通信的几种方法的特点及其发展状况，介绍了混沌保密通信的理论依据，对混沌保密通信走向实用化存在的关键问题进行了讨论。

[关键字]：混沌保密通信超混沌混沌现象是非线性动力系统中一种确定的、类似随机的过程。

由于混沌动力系统对初始条件的极端敏感性，而能产生大量的非周期、连续宽带频谱、似噪声且确定可再生的混沌信号，因而特别适用于保密通信领域。

现在的混沌保密通信大致分为三大类：第一类是直接利用混沌进行保密通信；第二类是利用同步的混沌进行保密通信；第三类是混沌数字编码的异步通信。

另外，由于混沌信号具有宽带、类噪声、难以预测的特点，并且对初始状态十分敏感，能产生性能良好的扩频序列，因而在混沌扩频通信领域中有着广阔的应用前景。

1、混沌保密通信的基本思想要实现保密通信，必须解决以下三方面的问题。

（1）制造出鲁棒性强的同步信号；（2）信号的调制和解调；（3）信号的可靠传输。

同步混沌保密通信系统的基本模型如图所示：在发送端，驱动混沌电路产生2个混沌信号U和V，V用于加密明文信息M，得到密文C，混沌信号U可视作一个密钥，他和密文C一起被传送出去；在接收端，同步混沌电路利用接收到的驱动信号U，产生出混沌信号V’，再用信号V ’去解密收到的密文C，从而恢复消息M（见图）。

同步混沌保密通信系统的基本模型2、混沌保密通信的理论依据混沌保密通信作为保密通信的一个新的发展方向,向人们展示了诱人的应用前景。

混沌信号的隐蔽性,不可预测性,高度复杂性,对初始条件的极端敏感性是混沌用于保密通信的重要的理论依据。

3、混沌保密通信的方法按照目前国际国内水平，混沌保密通信分为模拟通信和数字通信。

混沌模拟通信通常通过非线性电路系统来实现，对电路系统的设计制作精度要求较高，同步较难实现。

混沌数字通信对电路元件要求不高，易于硬件实现，便于计算机处理，传输中信息损失少，通用性强，应用范围广，备受研究者的关注。

由于混沌系统的内随机性、连续宽频谱和对初值的极端敏感等特点，使其特别适合用于保密通信,而混沌同步是混沌保密通信中的一个关键技术。

目前各种混沌保密通信的方案可归结如下几种：3.1混沌掩盖混沌掩盖方案可传送模拟和数字信息，思想是以混沌同步为基础，把小的信号叠加在混沌信号上，利用混沌信号的伪随机特点，把信息信号隐藏在看似杂乱的混沌信号中，在接收端用一个同步的混沌信号解调出信号信息，以此达到保密。

混沌掩盖直接把模拟信号发送出去，实现简单，但它严格依赖于发送端、接收端混沌系统的同步且信息信号的功率要远低于混沌掩盖信号的功率，否则，保密通信的安全性将大大降低。

1993年，Cuomo和Oppenteim构造了基于Lorenze吸引子的混沌掩盖通信系统，完成了模拟电路实验。

他们将两个响应子系统合成一个完整的响应系统，使其结构和驱动系统相同，在发送器混沌信号的驱动下，接收器能复制发送器的所有状态，达到两者的同步。

1996年Mianovic V和Zaghlou M E在上述混沌掩盖方案的基础上提出了改进方案,Yu和Lookman 进一步完善了这一方案,对Lorenze系统的发送器引入合成信号的反馈,来实现接收器和发送器之间的更完满的同步，若发送器和接收器的初始状态不同,经过短暂的瞬态过程,就可以达到同步,模拟电路的实验研究表明,改进方案的信号恢复精度较高。

考虑到高维混沌系统的保密性优于低维混沌系统,1996年，Lu Hongtao等提出了由单变量时延微分方程描述的无限维系统,该系统的动力学行为包括稳定平衡态、周期态、混沌和超混沌。

1999年匡锦瑜提出了“多级混沌掩盖通信系统”该系统的发送端与接收端均有两级混沌系统，从而使系统具有较好的保真度和安全性能。

2002年，李建芬等提出了一种新的蔡氏混沌掩盖通信方法，将信息信号直接加在被发射的混沌信号中，在接收端采用一个自适应线性神经元来维持收发系统的同步，并通过逆系统恢复出信息信号，提高了混沌掩盖方法的安全性。

上述的混沌掩盖技术都利用了同步，近年来，“无需同步的混沌掩盖技术”开始出现，降低了对于同步的严格要求，具有较强的实用性。

3.2混沌参数调制混沌切换是混沌参数调制方案中最简单的方案，它是针对数字信号的通信方案，信息信号一般为二进制比特流。

基本思想是：通过调整发射端系统的一个或多个参数，利用混沌吸引子对数字信号进行“包装”，同时发送混沌驱动信息。

由于发送系统的参数在调整，接收端将产生同步误差，即驱动信号和接收器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。

早在1992年，Oppenheim等报道了有关混沌开关和混沌加密调制的实际应用，特别在文章中说明了混沌同步应用于信息加密的方法。

混沌参数调制就是以信息信号源来作为混沌系统的状态变量，接收端则利用同步性能提取出相应的混沌系统状态变量。

近年来，混沌的控制理论与方法已趋成熟，但如何将已有的混沌控制理论和方法移植并应用于超混沌控制是一个十分重要的研究课题。

迄今大多数对混沌控制行之有效的方法并不适用于超混沌系统的控制，由于超混沌运动的高度不稳定性及其结构的复杂性，对其实现稳定控制颇为困难。

3.3混沌键控混沌键控是利用不同的混沌吸引子描述二进制信息中的0和1，选择差异明显的吸引子代表不同的二进制信息，可以减少误码率，增强抗噪性。

这种方法在混沌信号被截取的情况下没有任何的保密性，因此提高混沌信号的复杂度，使用超混沌信号做驱动来提高保密性成为近年来的热点。

在系统同步的基础上利用不同的超混沌信号切换调制实现数字保密通信的方案，但是增加了系统的复杂程度，加大了成本。

混沌键控常用的几种包括微分混沌频移键控、积分混沌频移键控。

混沌键控的技术仍然受到信道带宽的限制，混沌脉冲控制混沌脉冲开关键控在超宽带的脉冲通信系统中的应用引起了各领域的高度关注。

3.4混沌扩频通信由于混沌信号具有宽带,类噪声,难以预测的特点,并且对初始条件十分敏感,因而可以产生性能良好的扩频序列。

混沌系统对初始条件和参数十分敏感,是指当给一个混沌系统两个非常接近的初始条件或参数时,系统经过几次迭代后,输出的结果可以完全不相关。

也就是说,初始条件的微小变化,就能产生完全不相关的信号。

从而可以非常方便地产生大量的不相关信源。

另外,从序列的有限长度不可能导出系统的初始条件,从而起到了保密通信的作用。

同时混沌序列是非周期序列,具有逼近高斯白噪声的统计特性、理想的自相关特性、互相关特性、高保密性和强抗干扰特性,并且混沌序列数目众多,更适合于作扩频通信的扩频码。

实现扩频通信的关键在于有自相关函数接近δ函数的同步伪随机序列即PN 序列，常见的PN序列有m序列、Gold序列和Bent函数序列，但这些序列具有一定的周期，码数量有限，抗截获能力差。

混沌序列是非周期序列，具有逼近高斯白噪声的统计特性，且数目众多，不同系统的混沌序列或不同相位的同一混沌序列永不会重复，众多的混沌扩频用户可在同一时间共用同一频道，提高频率资源的利用率，采用混沌序列的最突出的优点是混沌序列的非二元性，除具有与伪随机二元序列类似的相关特性外，还具有更为优良的抗截获能力，因此混沌序列更适合用作扩频通信的扩频码。

混沌扩频通信研究的扩频方法主要有：直接序列扩频和跳频方式扩频。

混沌扩频频通信的特点就是其相关性好,鲁棒性强,安全性能高。

但在混沌扩频通信中应该注意混沌系统的同步问题。

由于混沌信号对初始条件十分敏感，所以要求在接收端和发送端具有相同的初始值,否则将无法正确恢复信息。

混沌扩频通信关键在于混沌扩频序列的选择。

混沌扩频要求的混沌序列是:确定性的, 易于实现，可用序列的数目多,同时有好的相关特性。

4、混沌保密通信实用化存在的关键问题在最近十年里，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实验上都取得了丰硕的成果，并提出了很多方案。

但每种方案或多或少总存在一些缺陷，所做的实验大都处于理论验证阶段，离实际应用和开发还有一段距离。

要使混沌保密通信走向实用化，还有很多理论上和技术上的问题需要解决。

（1）噪声干扰问题目前对混沌同步及保密通信的研究主要集中在理想信道范围内进行，但在实际传输中，混沌信号不可避免的要受到各种干扰，而混沌信号具有类似伪随机信号的特点，噪声对混沌信号的干扰程度会比较大，这对混沌同步将产生直接的影响，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，加入噪声研究很有必要。

（2）广义同步问题如上所述，目前大多数混沌通信保密方案都是基于发送、接收系统之间的完全精确同步基础之上，而这种同步只有在较理想的条件下才能实现，限制了混沌保密通信在工程中的应用，广义同步比常用的完全精确同步容易实现，基于广义同步或无同步的混沌保密通信方案可大大简化发送器和接收器的复杂度，但到目前为止，对它们的研究才处于开始阶段。

（3）信号频率问题目前文献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）有限长混沌扩频序列问题在扩频通信中，对混沌扩频序列的研究，大多集中在对某个特定的非线性映射生成的无限长混沌序列的分析上。

在理论上，这些无限长混沌序列具有理想的自相关和互相关特性，是扩频序列的理想选择。

但在实际的扩频通信系统中，采用有限精度的计算机、逻辑硬件、或DSP实现的混沌序列受有限字长的影响，不可能达到上述理想特性，对有限长的混沌扩频序列的研究对于提高实际通信系统质量有重要意义。

5、混沌保密通信技术应用的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入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—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.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论和应用中最重要的研究方向。