混沌保密通信的基本思想是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分析賦予不同的波形以不同的信息序列,在接收端利用混沌的屬性或同步特性解調出所傳輸的信息。因此收發雙方的混沌同步是整個系統實現的關鍵。同步的前提是雙方的混沌序列發生器需要有相同的初始值以及參數的情況下而產生同樣的混沌序列。
基本介紹
- 中文名：混沌通信
- 外文名：chaos communication
- 保密技術：掩蓋技術，混沌參數調製技術等
- 相關：混沌現象
- 又稱：混沌保密通信
簡介,技術,混沌掩蓋技術,混沌參數調製技術,混沌鍵控技術,套用展望,
簡介
混沌現象是非線性系統中出現的確定性的、類隨機的過程。它是非周期的、有界的、但不收斂的過程，並對初始條件極為敏感。根據混沌序列對初始條件的敏感性，可用於多址通信；它的類噪聲特性可提高通信系統的保密性；它的可以準確再生，可以用於混沌掩蓋和信號恢復。
同步混沌通信三大保密技術可以分為：混沌掩蓋技術，混沌參數調製技術和混沌鍵控技術。混沌掩蓋技術屬於混沌模擬通信，混沌參數調製和混沌鍵控技術屬於混沌數字通信技術。
技術
混沌掩蓋技術
混沌掩蓋又稱混沌遮掩或混沌隱藏，是最早提出的一種混沌保密通信方式。基本思想是：在傳送端利用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，在接受端則利用同步後的混沌信號進行去掩蓋，從而恢復出有用信息。在混沌掩蓋技術中的掩蓋方式主要有相乘、相加或加乘結合這幾種方式，這種通信方式的實現程度完全依賴於混沌系統同步的實現程度。
對於混沌掩蓋保密通信來說，傳輸信號的幅值一般都較小，這樣才可以保證混沌信號不偏離原有的混沌軌跡，但是這導致信號容易受到信道噪聲的干擾，因而它存在著對信道噪聲敏感、線路頻寬限制及保密性低的缺點，在實用中存在困難。這種方案只適用於慢變信號，對快變信號和時變信號還不能很好地處理。
混沌參數調製技術
混沌參數調製技術的基本思想是：利用傳送端所傳輸的信號來調製混沌系統的參數，在接收端利用混沌同步信號提取出相應的混沌系統參數，進而恢復出所傳輸的信號。這種方案將傳送的信息隱藏在系統參數內，故其保密性能要好於混沌掩蓋技術。這種方案的關鍵在於混沌系統參數的恢復程度。但是它對外界的干擾比較敏感，從而降低了通信的效率。
為了解決這個問題，可以在一個混沌系統中採用多個參數進行調製的方案。多參數調製方案雖然拓寬了混沌參數調製方式的套用範圍，但是隨著參數數目的增多，各個參數間的相互影響又不容忽視，而雷射光纖混沌調製通信能較好地克服這些缺陷，因而更具發展前景。這種方案的適用範圍與混沌掩蓋相同。
混沌鍵控技術
混沌鍵控技術的實現主要分兩類，一種是混沌開關鍵控，利用所傳送的數位訊號調製傳送端混沌系統的參數，使其在兩個值中切換，信息便被編碼在兩個混沌吸引子中，接收端由兩個相同類型的混沌系統構成，其參數分別固定為這兩個值之一。
信息傳送間隔內，通過檢測各混沌系統的同步誤差，以判決出所傳送信息；另一種是差分混沌鍵控，它將發射的每一個信息比特的時間間隔分成兩段：第一段傳送參考信號，第二段傳輸數位訊號。該參考信息取決於所傳送的數位訊號，然後利用該信號實現相關解調，從而在接收端恢復出所傳輸的信號。
在差分混沌鍵控技術中，由於混沌信號是非周期的，即“1”碼與“0”碼攜帶的能量並不完全一致，所以即便是在沒有噪聲干擾的情況下，相關估計的結果也存在偏差，因此會對系統的誤碼性能產生影響。將調頻技術、混沌多相序列引入到其中，可以有效地解決這一問題。
但它同樣存在著信道頻寬的限制，因而許多學者將注意力轉向了高維混沌系統，如套用混沌的光纖通信系統。用高維混沌系統實現保密通信比一般混沌具有更好的保密性、更大的存儲容量和信息處理能力，具有更強的魯棒性等優點。
因此它將是今後混沌理論和套用中最重要的研究方向，其最近研究的進展表現.在積分混沌移頻鍵控、調頻微分混沌移頻鍵控技術方面。
套用展望
1）基於混沌的調製技術
到現在為止所有的文獻中已經提出的幾種基於混沌的調製技術，通訊噪聲和頻寬限制等問題都已經被考慮；頻率調製也已經拓廣， 套用了動力學系統的狀態軌跡作為載波。
（2）基於混沌相干通訊的系統
國際上有幾個研究小組在過去10年中為了混沌通訊目的一直很重視混沌系統的自同步性質的開發。 例如，研究在相干混沌通訊中可逆系統及其穩定性理論等。Carrol 證明一個自混沌同步的通訊系統中甚至在信噪比很低時也能產生同步。
（3）基於混沌的非相干通訊系統
2000年“IEEE電路和系統學報”編輯了關於非相干混沌通訊專刊。 非相干混沌通訊系統已經從一些基本方案，諸如COOK（chnotic on-of fkeying）和CSK(chaos-shift keying)演變到DCSK(不同的CSK)的更複雜的不同相干檢測和現代的FM-DCSK(frequency modulation DCSK)。已經提出DCSK的改進方案，它基於產生正交混沌信號，其特徵是比通常通訊方案加信傳送數據速率。
（4）混沌脈衝定位調製技術
最近幾年超寬頻(UWB)脈衝無線(IR)通訊系統的興趣快速增長。 因為它們簡化了複雜性，而具有低功率消耗和探測/ 竊聽的機率小等優點。把多路傳播和多用戶容量相結合， 對於短程無線通訊有特別好的套用前景。 套用這些概念從符號動力學到發展一種創新的UWB 脈衝無線調製方案，已經進行了詳細的性能分析。 利用混沌脈衝定位調製的數學通訊方案已取得了最新進展（包括為二進制信息傳送而設計的混沌自同步通訊方案）。
（5）利用混沌的寬譜通訊
近年來一直在套用混沌理論設計寬譜序列以增強DS-CDMA(direct sequencecodo-division multiple acass)系統的性能,從理論和實驗兩方面都驗證了基於混沌的DS-CDMA方法。提出的頻率選擇方法和非頻率選擇通道的方法都具有極大的優越性。
（6）混沌信號濾波
在通訊系統方面確定倫系統中混沌信號的噪聲過濾一直被感興趣，它已經提出了一些不同的濾波技術，它們取決於對現有動力學系統方面知識的掌握程度，已經提出套用嵌套空間中的局域投影來減少信號的噪聲，並取得了進展。
（7）基於混沌通訊的非線性電路
混沌通訊系統的未來套用將大大地依賴於發展可靠的非線性電路的硬體性能， 以可靠地產生和處理混沌信號。 特別是，研製有效的和可靠性好的混沌發生器是一項根本的任務。 已經提出混合信號映象集成混沌發生器用於混沌通訊的方案，該方案適合於矽積體電路。
（8）研發混沌的光通訊技術
套用雷射混沌是實現混沌通訊和混沌信息技術的一條極為重要的途徑，從最近進展來看，大有發展前景。一是因為雷射混沌具有寬頻譜能夠加密數據；二是因為光子很難被竄改，所以保密性強；三是雷射器便宜；光纖作為發射器和通信通道價格也低廉； 四是雷射具有最小色散。 因此，它適合於研究信息的獲取、傳遞、處理、存儲和顯示等，對信息技術領域很有吸引力，特別對通信技術和高速信息公路。 因此， 雷射混沌及其通訊技術成為該領域高科技一個新的生長點。 最近世界各國的一些研究小組一直力圖開發混沌的光通訊技術， 例如， 套用半導體雷射來達到混沌光通訊。 從數值研究到實驗工作都在加緊進行。近年來，美國加利福尼亞大學兩所分校和史丹福大學組成的混沌通信“大學研究聯合體”（MURI）在利用雷射通信演示裝置的研製中,已經取得了很好的進展,主要表現在三個方面:一是建立了CPPM系統,利用混沌調製實現了自由空間雷射通信的演示;二是改善了非線性混沌系統的分析技術; 三是解決了通信套用的符號動力學的分析方法或技術。套用光注入單模半導體雷射器和具有延時光反饋的單模半導體雷射器來編碼和解碼信息。 已經採用帶有外部環形光反饋的單模半導體雷射器產生混沌進行混沌同步通訊實驗。 也提出了套用雷射的時空混沌進行並行通訊的方案。 美國MURI在利用頻率調製通信中也取得了很好的進展。
（9）混沌和密碼學
確定論混沌系統最具吸引力的是混沌信號具有高度不可預測性和偽隨機特性，它可以在最新的工程方面得到套用。 混沌和密碼學具有一些共同特點， 最主要特性就是對變數和參數的變化的敏感性。 混沌與密碼學之間的一個重要區別就是在混沌所用的系統都只界定在實數上，而密碼學處理具有有限整數的系統。 將實數集上的實數映射成一個有限集上的整數的可行方法，這是實現混沌密碼編碼算法的一個重要環節。
儘管混沌保密通信和混沌信息技術還有上述一系列理論問題和關鍵技術有待進一步深入研究和解決，但是作為一種高新科技的生長點，將可能在未來的信息戰中具有戰略意義，和其他高新技術一樣，既有創新性、戰略性、帶動性，但是也帶有風險性。 由於初步顯示了套用潛力和發展前景，因此，特別引起了已開發國家的高度關注和重視，他們正在加緊研究這一新興通訊技術，以適應21 世紀的信息技術的迫切需要。
應當指出，利用超混沌和時空混沌實現保密通信比一般混沌通信具有更好的保密性、更大的存儲容量和信息處理能力， 具有更強的魯棒性等優點，因此它將是今後混沌理論和混沌通信套用中最重要的研究方向之一。
