一種時空混沌保密通信方法

2023-04-23 10:47:16 1

一種時空混沌保密通信方法
【專利摘要】本發明公開了一種時空混沌保密通信方法，步驟包括：步驟1、將發送端單向耦合映像格子系統的空間格子狀態分為奇數維和偶數維；步驟2、將明文幀與奇數維狀態向量進行N次移位映射迭代；步驟3、獲得傳輸信號；步驟4、計算發送端單向耦合映像格子系統的驅動信號；步驟5、接收端單向耦合映像格子系統的同步信號獲取；步驟6、解密移位映射迭代，得到了明文幀對應的解密幀，即成。本發明的方法，利用時空混沌對信號進行編解碼，將單向耦合映射格子系統的空間狀態值分組，並進行明文密鑰迭代混疊，獲得更好的保密性，易於微處理器實現和集成化。
【專利說明】一種時空混沌保密通信方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於保密通信【技術領域】，涉及一種時空混沌保密通信方法。
【背景技術】
[0002]計算機的出現和逐步普及使得時代日益信息化、社會日益網絡化，信息安全與保密問題顯得愈發重要。混沌由於其對初值的敏感性、內隨機性、寬帶功率譜等基本特徵使其在抗幹擾性、截獲率、信號隱蔽和保密性等方面具有潛在的優勢，成為保密通信領域中的研究熱點。隨著混沌通信成功運用於商用光纖信道，獲得了更高的傳輸速率，混沌通信的研究逐漸向實用化發展。同時，對現有混沌加密方法的安全性分析及攻擊技術的研究也受到廣泛關注，包括使用非線性預測(NLD)、回歸映射、短時過零率、譜分析、廣義同步、自適應鍵控識別等方法進行保密通信的破譯。現有的混沌保密通信方法，保密性能還不能夠滿足技術使用上的要求。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種時空混沌保密通信方法，通過單向耦合映射格子系統生成的混沌時間序列對明文信息進行加密，隱藏密鑰信號與明文信號的動力學特性和統計特性，增加破譯難度，使保密性能得到提升。
[0004]本發明所採用的技術方案是，一種時空混沌保密通信方法，將單向耦合映射格子系統產生的空間狀態分為奇、偶維狀態向量作為密鑰序列，密鑰和明文經過N次移位迭代得到密文信號，以此密文信號同時驅動發送端和接收端的單向耦合映像格子系統實現同步並調製下一時刻混沌系統狀態；加密後的信號經過公共信道被接收端接收，接收端單向耦合映像格子系統在與發送端格子系統相同的驅動作用下能夠完全同步；最後，採用同步後的狀態向量作為解密密鑰，經過N次對應的移位迭代映射，得到發送的明文幀，即成。
[0005]本發明的有益效果是，利用時空混沌對信號進行編解碼，將單向耦合映射格子系統的空間狀態值分組，並進行明文密鑰迭代混疊，實現加密和解密，特點包括:1)信道中傳輸信息不包含密鑰和明文的直接信息，能夠更好地抵抗相空間重構等方法的攻擊，獲得更好的保密性；2)加密過程算法相對簡單，易於微處理器實現和集成化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發明的時空混沌保密通信方法原理框圖；
[0007]圖2是本發明方法中的單向耦合映射格子系統的時空混沌狀態圖；
[0008]圖3是本發明方法中的兩個單向耦合映射格子系統在同一時間序列驅動下對應一個格子的狀態變化圖；
[0009]圖4是圖3中的兩個單向稱合映射格子系統在同一時間序列驅動下對應同一空間狀態的誤差變化圖；
[0010]圖5是本發明方法中的移位非線性映射圖；[0011]圖6是本發明方法中的正弦信號發送信號；
[0012]圖7是發送圖6中信號時的信道中傳輸的信號；
[0013]圖8是本發明方法中對應圖6發送信號的解密信號；
[0014]圖9是本發明方法中的同步過渡過程中的原始信號；
[0015]圖10是圖9中的同步過渡過程中的解密信號；
[0016]圖11是信道中包含噪聲時，圖6發送信號對應的解密信號波形；
[0017]圖12是本發明方法中所發送的語音信號；
[0018]圖13是發送圖12信號時信道中傳輸的具有噪聲的密文信號；
[0019]圖14是圖13的解密信號；
[0020]圖15是本發明方法中的在信 道含有噪聲時語音原始信號和解密語音信號的波形放大圖；
[0021]圖16是本發明方法中的DSP實驗框圖；
[0022]圖17是本發明方法中的DSP語音保密通信實驗中的密文信號；
[0023]圖18是圖17中的DSP語音保密通信實驗中的原始信號；
[0024]圖19是圖18中的DSP語音保密通信實驗中的解密信號。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0026]本發明的時空混沌保密通信方法整體工作過程是，將單向耦合映射格子系統產生的空間狀態分為奇、偶維狀態向量作為密鑰序列，密鑰和明文經過N次移位迭代得到密文信號，以此密文信號同時驅動發送端和接收端的單向耦合映像格子系統實現同步並調製下一時刻混沌系統狀態；加密後的信號經過公共信道被接收端接收，接收端單向耦合映像格子系統在與發送端格子系統相同的驅動作用下能夠完全同步；最後，採用同步後的狀態向量作為解密密鑰，經過N次對應的移位迭代映射，得到發送的明文幀。
[0027]如圖1，本發明的時空混沌保密通信方法依賴的模型構建是，信號發射端和信號接收端單向耦合映像格子系統各設置有一個m維耦合振子，分別記為OCOML-L和0C0ML-R，單向耦合映像格子系統(I)在驅動序列的作用下，得到時空混沌，每一時刻t，

[mf{ μ?/ \( fit f / -f-1 ^ ^
丁+1 ,I； 丁+ 2 ,-,Pl中m/2個明文的加密，
jimt、Mmt)^

(m1、 {m1、f ff I ? I + 01
得到密文幀Vei=++，計算得到發送端單向耦


I 觀2 廣樹, \
合映像格子系統下一時刻的驅動信號為= + =+ 用於
驅動發送端單向耦合映像格子系統，經過信道傳輸後接收到的密文幀為，計算得到
~(nit I
==作為下一時刻系統的驅動信號驅動接收端單向耦
合映像格子系統實現同步，並利用同步後的格子狀態經過與發送端相反的過程解密出發送信號P, °
[0028]本發明時空混沌保密通信方法，利用上述的模型，按照以下步驟具體實施:
[0029]步驟1、將發送端單向耦合映像格子系統的空間格子狀態分為奇數維和偶數維
[0030]加密端m維(設m為偶數)單向耦合映射格子系統OCOML-L的表達式如式⑴:
[0031]x0 (i) = init(i)
[0032]xt(O) = d (t)
[0033]xt+1(i) = (1-ε i)f[xt(i)]+ε Jftxt(1-1)] J(I)
[0034]i = I, 2..., m
[0035]將t (t≤O)時刻OCOML-L的m個空間狀態分為奇數維和偶數維兩組，每組為長度m/2的向量,表示為:
[0036]奇數維狀態向量:v2t= [axt (I), axt (3),..., axt (m-1)],
[0037]偶數維狀態向量:vlt= [axt (2)，axt (4)，...，axt (m)],
[0038]其中，xt⑴為發送端第i個空間位置在t時刻的狀態，增益a為一小於I的常數，
[0039]利用式⑴產生時空混沛,本發明實施例中f(x)取為Logistic映射，即:f (x)=4x(l-x),稱合強度ε j = 0.85(i = I, 2,...,m);選取單向I禹合振子數量m=10,其初值inii^=[0.3，0.6，0.2，0.9，0.6，0.8，0.1, 0.3，0.4，0.2]，當驅動序列 Xt (O)為選擇為服從均勻分布的隨機序列時，得到單向耦合映像格子系統的時空混沌狀態圖(見圖2)，圖2中的坐標i為空間維數，t為離散時間，xt(i)為狀態幅值。
[0040]設發送端OCOML-L模型為式(2):
[0041]xt+1(i) = (1-ε i)f[xt(i)]+ε Jftxt(1-1)]⑵
[0042]接收端OCOML-R模型為式(3):
[0043]yt+1(i) = (1-ε i)f[yt(i)]+ε Jftyt(1-1)]⑶
[0044]上述的OCOML-L中的參數與OCOML-R中參數的定義完全一致；
[0045]當I禹合強度ε i = 0.85(i = 1，2，...，m)時,貝U兩系統在相同O位時間序列(xt(0)=yt(0))的驅動下能夠達到同步，為了證明這點，上述實施例設發送端單向耦合振子初值為 initL = [0.3，0.6，0.2，0.9，0.6，0.8，0.1, 0.3，0.4，0.2]，同時設接收端單向耦合振子初值為 initE = [0.1, 0.4，0.8，0.6，0.3，0.9，0.2，0.7，0.5，0.8]，若驅動序列選擇為服從均勻分布的隨機序列，能夠實現兩個單向耦合映射格子系統的同步。
[0046]圖3為兩個單向耦合映射格子系統的第十個空間狀態隨時間變化圖，圖4為這兩個對應空間狀態的同步誤差。從圖3和圖4中可以看出，在相同驅動序列的作用下，經過很短的時間後兩個系統對應空間狀態能夠完全同步。
[0047]假設在O至t-Ι時刻在相同驅動序列的驅動下，發射端與接收端單向耦合映像格子系統已經實現同步，將t(t≤O)時刻OCOML-L的m個空間狀態分為奇數維和偶數維兩組，每組為長度m/2的向量,表示為:
[0048]奇數維狀態向量:v2t= [axt (I), axt (3),..., axt (m-1)]
[0049]偶數維狀態向量:vlt= [axt(2), axt ⑷，...，axt(m)]
[0050]其中，xt⑴為發送端第i個空間位置在t時刻的狀態，增益a為一小於I的常數；
[0051]上述實施例中，設a = 0.4, t時刻加密端m(m=10)個空間狀態構成的向量為Xt =[O, 0.858，0.912，0.598，0.45，0.912，0.598，0.432，0.858，0.912]，則奇數維和偶數維分別為:奇數維狀態向量:v2t = [O, 0.3648，0.18，0.2392，0.3432]，
[0052]偶數維狀態向量:vlt= [0.3432，0.2392，0.3648，0.1728，0.3648]；
[0053]步驟2、將明文幀與奇數維狀態向量進行N次移位映射迭代
[0054]依次取出m/2個明文作為t時刻待加密的明文幀，表達式為:
[0055]P, = 4了+ ?χ了+ 2J，..」/^ '2 7J，下標t與單向耦合映射格子系統的
離散時間一致，
[0056]將明文幀中m/2個元素與t時刻奇數維狀態向量中對應做如下操作:
[0057]e (pt，v2t)，其中，每對元素計算函數e (Zl，Z2)如式⑷:
[0058]
e ^Zj5 Z2 ) —{Zj 5 z, ), Z2), z2)(4)
[0059]^(Z1, Z2)是如下非線性函數式(5):

?(.Ζ| + s,) + 2Λ, —2Ji 5(2, + Z7 J —h
(^+Z2), -/?<(r, +z,)</i (5)

(z, + z2) — 2h, h < (z, + z2) < 2h
[0061]如圖5所示，進行移位映射，e(Zl，z2)為N次迭代加密函數f1; N為任意正整數，選擇適當的閾值h使Z1和Z2的值域範圍在(_h, h)內，則有:
f Z- >h Zi =A
[0062]* * 1 = 1,2 (6)
[Zi < -A Zj = -η
[0063]對於上述實施例，首先假設發送信號為幅值0.2周期2 π的正弦信號，採樣周期為IOOHz，即明文信號為:
[0064]P= [O,0.0126, 0.0251,0.0375,0.0 49 7, 0.0618,0.0736, 0.0852，0.0964，0.1072,..., 0.2, 0.1996，.…]依次取出m/2個明文構成明文幀
(mt Λ (mi ^'I (m(i + I)']、 、，
P, = pl —+I ,p — + 2 I,...,p —-—， 假設t時刻的明文中貞為Pt =
J \} 、 μ J
[O, 0.0126, 0.0251, 0.0375, 0.0497]，將具有m/2個元素的明文幀與t時刻奇數維狀態向量中 m/2 個元素對應按照式(4)操作，取 h=0.7，N=30，得到 e(pt，v2t) = [O, -0.2434，-0.1749，0.2135，0.545]；
[0065]步驟3、獲得傳輸信號
[0066]信道中傳輸的密文幀為:

J
[0067]νκ,=-(ν?^φ|?￥1<) + 1?)(7)
[0068]其中，t對應離散時間，b為一小於I的常數，傳輸的密文幀同樣包括m/2個元素
(；.；；/ 、 ( mi \ ( /-- (/ -f I M
Va= ^hr+1hr + 2，…，~，至此，利用OCOML-L在t時刻的m個空間狀
L V ** J \ ** J \ - J態值完成了對一幀(
【權利要求】
1.一種時空混沌保密通信方法，其特徵在於，將單向耦合映射格子系統產生的空間狀態分為奇、偶維狀態向量作為密鑰序列，密鑰和明文經過N次移位迭代得到密文信號，以此密文信號同時驅動發送端和接收端的單向耦合映像格子系統實現同步並調製下一時刻混沌系統狀態；加密後的信號經過公共信道被接收端接收，接收端單向耦合映像格子系統在與發送端格子系統相同的驅動作用下能夠完全同步；最後，採用同步後的狀態向量作為解密密鑰，經過N次對應的移位迭代映射，得到發送的明文幀。
2.根據權利要求1所述的時空混沌保密通信方法，其特徵在於，具體實施過程是，先採用一種單向耦合映射格子系統模型，如式(I):
x0 (i) = init(i)
xt(0) = d(t)
xt+i (i) = (1- ε i)f [xt(i)]+ ε ^ [xt(1-l)]J (I)
i = 1，2…，m 其中，t代表離散時間，m為單向耦合映射格子系統的空間維數，init(i)為空間i維格子初值，ε j為稱合強度並滿足O < ε i < 1，xt(0) = d(t)為位置O格子的驅動序列，t=0,.1,2..., f(x)為非線性混沌映射算子， 發送端和接收端的單向耦合映射格子系統OCOML-L和OCOML-R分別表示為: xt+i (i) = (1- ε i)f [xt(i)]+ ε ^ [xt(1-l)],(2) yt+i (i) = (1-ε DfEytQ)]+ε i:f[yt(1-l)]，(3) 式(3)中的參數與式(2)中參數的定義完全一致，當耦合強度ε i相同時，式(2)和式(3)所示的兩系統在相同O位時間序列(xt (O) = yt(0))的驅動下達到同步，此時間序列稱為驅動序列， 基於上述的模型結構，該時空混沌保密通信方法，按照以下步驟實施: 步驟1、將發送端單向耦合映射格子系統的空間狀態分為奇數維和偶數維加密端m維單向耦合映射格子系統OCOML-L如式(I)所示，設m為偶數，將t時刻.OCOML-L的m個格子狀態分為奇數維和偶數維兩組，時刻t大於等於0，每組為長度m/2的向量，表示為:
奇數維狀態向量:v2t = [axt(l), axt (3),...，axt(m_l)],
偶數維狀態向量:vlt = [axt(2), axt (4),...，axt (m)], 其中，xt (i)為發送端第i個空間位置在t時刻的狀態，增益a為小於I的常數； 步驟2、將明文幀與奇數維狀態向量進行N次移位映射迭代 依次取出m/2個明文作為t時刻待加密的明文幀，表達式為:
3.根據權利要求2所述的時空混沌保密通信方法，其特徵在於:所述的式(I)中，f(x)取為 Logistic 映射，即:f (X) = 4χ(1-χ),稱合強度 ε 屍0.85, i=l, 2,..., m。
【文檔編號】H04L9/00GK103580849SQ201310511398
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】任海鵬, 白超 申請人:西安理工大學