[科普中國]-混沌通信

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(xué)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(diào)出所傳輸?shù)男畔ⅰＲ虼耸瞻l(fā)雙方的混沌同步是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。同步的前提是雙方的混沌序列發(fā)生器需要有相同的初始值。

簡介混沌現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)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，并對初始條件極為敏感。根據(jù)混沌序列對初始條件的敏感性，可用于多址通信；它的類噪聲特性可提高通信系統(tǒng)的保密性；它的可以準(zhǔn)確再生，可以用于混沌掩蓋和信號恢復(fù)。

同步混沌通信三大保密技術(shù)可以分為：混沌掩蓋技術(shù)，混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)和混沌鍵控技術(shù)?；煦缪谏w技術(shù)屬于混沌模擬通信，混沌參數(shù)調(diào)制和混沌鍵控技術(shù)屬于混沌數(shù)字通信技術(shù)。

技術(shù)混沌掩蓋技術(shù)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?；舅枷胧牵涸诎l(fā)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后的混沌信號進行去掩蓋，從而恢復(fù)出有用信息。在混沌掩蓋技術(shù)中的掩蓋方式主要有相乘、相加或加乘結(jié)合這幾種方式，這種通信方式的實現(xiàn)程度完全依賴于混沌系統(tǒng)同步的實現(xiàn)程度。

對于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(dǎo)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。

混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)的基本思想是：利用發(fā)送端所傳輸?shù)男盘杹碚{(diào)制混沌系統(tǒng)的參數(shù)，在接收端利用混沌同步信號提取出相應(yīng)的混沌系統(tǒng)參數(shù)，進而恢復(fù)出所傳輸?shù)男盘?。這種方案將發(fā)送的信息隱藏在系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)，故其保密性能要好于混沌掩蓋技術(shù)。這種方案的關(guān)鍵在于混沌系統(tǒng)參數(shù)的恢復(fù)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(tǒng)中采用多個參數(shù)進行調(diào)制的方案。多參數(shù)調(diào)制方案雖然拓寬了混沌參數(shù)調(diào)制方式的應(yīng)用范圍，但是隨著參數(shù)數(shù)目的增多，各個參數(shù)間的相互影響又不容忽視，而激光光纖混沌調(diào)制通信能較好地克服這些缺陷，因而更具發(fā)展前景。這種方案的適用范圍與混沌掩蓋相同。

混沌鍵控技術(shù)混沌鍵控技術(shù)的實現(xiàn)主要分兩類，一種是混沌開關(guān)鍵控，利用所發(fā)送的數(shù)字信號調(diào)制發(fā)送端混沌系統(tǒng)的參數(shù)，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(tǒng)構(gòu)成，其參數(shù)分別固定為這兩個值之一。

信息發(fā)送間隔內(nèi)，通過檢測各混沌系統(tǒng)的同步誤差，以判決出所發(fā)送信息；另一種是差分混沌鍵控，它將發(fā)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(shù)字信號。該參考信息取決于所發(fā)送的數(shù)字信號，然后利用該信號實現(xiàn)相關(guān)解調(diào)，從而在接收端恢復(fù)出所傳輸?shù)男盘枴?/p>

在差分混沌鍵控技術(shù)中，由于混沌信號是非周期的，即“1”碼與“0”碼攜帶的能量并不完全一致，所以即便是在沒有噪聲干擾的情況下，相關(guān)估計的結(jié)果也存在偏差，因此會對系統(tǒng)的誤碼性能產(chǎn)生影響。將調(diào)頻技術(shù)、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帶寬的限制，因而許多學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)向了高維混沌系統(tǒng)，如應(yīng)用混沌的光纖通信系統(tǒng)。用高維混沌系統(tǒng)實現(xiàn)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(yōu)點。

因此它將是今后混沌理論和應(yīng)用中最重要的研究方向，其最近研究的進展表現(xiàn).在積分混沌移頻鍵控、調(diào)頻微分混沌移頻鍵控技術(shù)方面。

應(yīng)用展望1）基于混沌的調(diào)制技術(shù)

到現(xiàn)在為止所有的文獻中已經(jīng)提出的幾種基于混沌的調(diào)制技術(shù)，通訊噪聲和帶寬限制等問題都已經(jīng)被考慮；頻率調(diào)制也已經(jīng)拓廣， 應(yīng)用了動力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡作為載波。

（2）基于混沌相干通訊的系統(tǒng)

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(tǒng)的自同步性質(zhì)的開發(fā)。 例如，研究在相干混沌通訊中可逆系統(tǒng)及其穩(wěn)定性理論等。Carrol 證明一個自混沌同步的通訊系統(tǒng)中甚至在信噪比很低時也能產(chǎn)生同步。

（3）基于混沌的非相干通訊系統(tǒng)

2000年“IEEE電路和系統(tǒng)學(xué)報”編輯了關(guān)于非相干混沌通訊?？?非相干混沌通訊系統(tǒng)已經(jīng)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)的更復(fù)雜的不同相干檢測和現(xiàn)代的FM-DCSK(frequency modulation DCSK)。已經(jīng)提出DCSK的改進方案，它基于產(chǎn)生正交混沌信號，其特征是比通常通訊方案加信發(fā)送數(shù)據(jù)速率。

（4）混沌脈沖定位調(diào)制技術(shù)

最近幾年超寬帶(UWB)脈沖無線(IR)通訊系統(tǒng)的興趣快速增長。 因為它們簡化了復(fù)雜性，而具有低功率消耗和探測/ 竊聽的概率小等優(yōu)點。把多路傳播和多用戶容量相結(jié)合， 對于短程無線通訊有特別好的應(yīng)用前景。 應(yīng)用這些概念從符號動力學(xué)到發(fā)展一種創(chuàng)新的UWB 脈沖無線調(diào)制方案，已經(jīng)進行了詳細(xì)的性能分析。 利用混沌脈沖定位調(diào)制的數(shù)學(xué)通訊方案已取得了最新進展（包括為二進制信息發(fā)送而設(shè)計的混沌自同步通訊方案）。

（5）利用混沌的寬譜通訊

近年來一直在應(yīng)用混沌理論設(shè)計寬譜序列以增強DS-CDMA(direct sequencecodo-division multiple acass)系統(tǒng)的性能,從理論和實驗兩方面都驗證了基于混沌的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(yōu)越性。

（6）混沌信號濾波

在通訊系統(tǒng)方面確定倫系統(tǒng)中混沌信號的噪聲過濾一直被感興趣，它已經(jīng)提出了一些不同的濾波技術(shù)，它們?nèi)Q于對現(xiàn)有動力學(xué)系統(tǒng)方面知識的掌握程度，已經(jīng)提出應(yīng)用嵌套空間中的局域投影來減少信號的噪聲，并取得了進展。

（7）基于混沌通訊的非線性電路

混沌通訊系統(tǒng)的未來應(yīng)用將大大地依賴于發(fā)展可靠的非線性電路的硬件性能， 以可靠地產(chǎn)生和處理混沌信號。 特別是，研制有效的和可靠性好的混沌發(fā)生器是一項根本的任務(wù)。 已經(jīng)提出混合信號映象集成混沌發(fā)生器用于混沌通訊的方案，該方案適合于硅集成電路。

（8）研發(fā)混沌的光通訊技術(shù)

應(yīng)用激光混沌是實現(xiàn)混沌通訊和混沌信息技術(shù)的一條極為重要的途徑，從最近進展來看，大有發(fā)展前景。一是因為激光混沌具有寬帶譜能夠加密數(shù)據(jù)；二是因為光子很難被竄改，所以保密性強；三是激光器便宜；光纖作為發(fā)射器和通信通道價格也低廉； 四是激光具有最小色散。 因此，它適合于研究信息的獲取、傳遞、處理、存儲和顯示等，對信息技術(shù)領(lǐng)域很有吸引力，特別對通信技術(shù)和高速信息公路。 因此， 激光混沌及其通訊技術(shù)成為該領(lǐng)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(fā)混沌的光通訊技術(shù)， 例如， 應(yīng)用半導(dǎo)體激光來達到混沌光通訊。 從數(shù)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(xué)兩所分校和斯坦福大學(xué)組成的混沌通信“大學(xué)研究聯(lián)合體”（MURI）在利用激光通信演示裝置的研制中,已經(jīng)取得了很好的進展,主要表現(xiàn)在三個方面:一是建立了CPPM系統(tǒng),利用混沌調(diào)制實現(xiàn)了自由空間激光通信的演示;二是改善了非線性混沌系統(tǒng)的分析技術(shù); 三是解決了通信應(yīng)用的符號動力學(xué)的分析方法或技術(shù)。應(yīng)用光注入單模半導(dǎo)體激光器和具有延時光反饋的單模半導(dǎo)體激光器來編碼和解碼信息。 已經(jīng)采用帶有外部環(huán)形光反饋的單模半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌進行混沌同步通訊實驗。 也提出了應(yīng)用激光的時空混沌進行并行通訊的方案。 美國MURI在利用頻率調(diào)制通信中也取得了很好的進展。

（9）混沌和密碼學(xué)

確定論混沌系統(tǒng)最具吸引力的是混沌信號具有高度不可預(yù)測性和偽隨機特性，它可以在最新的工程方面得到應(yīng)用。 混沌和密碼學(xué)具有一些共同特點， 最主要特性就是對變量和參數(shù)的變化的敏感性。 混沌與密碼學(xué)之間的一個重要區(qū)別就是在混沌所用的系統(tǒng)都只界定在實數(shù)上，而密碼學(xué)處理具有有限整數(shù)的系統(tǒng)。 將實數(shù)集上的實數(shù)映射成一個有限集上的整數(shù)的可行方法，這是實現(xiàn)混沌密碼編碼算法的一個重要環(huán)節(jié)。

盡管混沌保密通信和混沌信息技術(shù)還有上述一系列理論問題和關(guān)鍵技術(shù)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(zhàn)中具有戰(zhàn)略意義，和其他高新技術(shù)一樣，既有創(chuàng)新性、戰(zhàn)略性、帶動性，但是也帶有風(fēng)險性。 由于初步顯示了應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，因此，特別引起了發(fā)達國家的高度關(guān)注和重視，他們正在加緊研究這一新興通訊技術(shù)，以適應(yīng)21 世紀(jì)的信息技術(shù)的迫切需要。

應(yīng)當(dāng)指出，利用超混沌和時空混沌實現(xiàn)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(yōu)點，因此它將是今后混沌理論和混沌通信應(yīng)用中最重要的研究方向之一1。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所