基于非线性滤波同步之混沌保密通信方法研究

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1、基于非线性滤波同步之混沌保密通信方法研究第1章绪论1.1论文研究的背景和意义随着有线通信、电磁波、卫星等通信手段的广泛应用，各种非法截获、查看、甚至蓄意篡改和破坏手段也在不断发展。一些传统的密码体制，如美国数据加密标准DES（DataEncryptionStandard）、加密算法RSA（RivestShamirAdleman）等逐渐暴露出缺陷。国外某些势力窃取我国的政治、军事、经济、科学技术等方面的秘密情报时有发生，私人邮件信息和银行信息等被盗的事件更是频频不断。目前我国信息安全与网络防御能力还很薄弱，大到国家机密，小到百姓生活都需要充分的保密

2、措施。保证信息保密最可行的办法就是对信息进行加密，并且需要不断地改进通信加密手段。混沌研究所取得的成果为保密通信领域注入了新的活力，混沌信号具有的对初值和系统参数的敏感性、伪随机性、连续功率谱等宝贵的特性与保密通信的需求是一致的。混沌保密通信已经成为信息时代研究中的一个热点问题，研究者对这一领域投入了极大的热情。混沌保密通信从解密的角度来说可以分为同步解密和非同步解密，其中同步解密方法需要在接收端产生与发送端相同的混沌信号，即收发两端的混沌同步。基于混沌同步的保密通信是一种动态加密行为，其处理速度和密钥长度无关，在实时信号处理中效率很高，具有更好

3、的带宽利用率。这类混沌保密通信系统一般由三部分组成：发射端以混沌信号为载波调制目标信号，起到保密的效果。调制后的信号通过通信信道到达接收端，利用混沌同步方法进行解调，从而恢复出目标信号以达到保密通信的目的。可见要想达到混沌保密通讯的目的，同步是基础也是关键。基于混沌同步的混沌保密通信的研究目前尚处在实验阶段，但是随着混沌同步技术的日益完善应该有很好的应用前景。1.2混沌保密通信的研究现状1.2.1混沌的发展混沌一词原意是指宇宙形成之前一片混乱的状态，现代科学意义上的混沌指的是一种确定的动力学系统产生的不确定行为，一方面产生混沌的动力学方程是确定；

4、另一方面它又表现出类似随机过程的无规则运动。混沌的起源可以追索到20世纪初，法国数学家、物理学家庞加莱在分析三体问题时，发现简单的三个物体在引力相互作用下，从差别非常小的初始位置开始运动时，他们的轨迹却表现得极为不同。这其实是保守系统中的混沌现象，可惜这一发现并没能引起科学界的广泛关注。1963年美国气象学家洛伦兹在文章决定性非周期流中阐述了Lorenz系统对初值的敏感性，并得到第一个奇怪吸引子，从而得出天气在本质上不可预测的重要结论。洛伦兹因为在混沌研究上的开创性工作而被誉为混沌之父。此后混沌研究日益兴起。1964年，Henon发现了一个二维离

5、散的不可积哈密尔顿系统中的混沌现象，即Henon映射，并利用Henon吸引子解释了太阳系的稳定性问题。1971年，物理学家Ruell和数学家Takens为耗散系统引入奇怪吸引子，并由此提出一种新的解释湍流发生机制。1975年，李天岩和York发表文章周期3蕴含混沌，深刻揭示了系统从有序到混沌的演化过程，并首次给出混沌的科学定义，混沌一词由此正式沿用下来。1976年，May在《自然》上发表文章具有复杂的动力学的简单数学模型，即著名的Logistic映射。第2章基本概念和基本理论2.1混沌的定义和基本特征混沌系统具有奇怪吸引子。研究表明这种奇怪吸引子

6、是相空间中无穷多个点的集合，具有无限嵌套层次的自相似几何结构。混沌运动是各态历经的，它的运动轨迹说可以到达吸引子内部每一个状态点，并且同时不会逃出吸引子的界限。图2.1是Lorenz混沌系统的吸引子：从图2.2可以看出：①这两条混沌系统的时间序列都很不规则，说明混沌信号具有伪随机性和长期不可预测的特点；②尽管初始条件只在变量y上有0.0001的差异，经过一段时间后，同一个状态变量的运动轨线却相差甚远，说明混沌系统还对初始条件极其敏感。从图2.3可以看到白噪声的自相关图除零点外为水平的一条直线，这是因为白噪声是不相关的；而混沌信号的自相关图在小范围

7、波动，说明混沌信号具有弱相关性，虽然长期不可预测，但是短期是可预测的。混沌还有分维性、标度性、普适性、正的李雅普诺夫指数、连续功率谱等特征，他们都从不同角度刻画混沌的独特特征。2.2混沌系统的分类同步是指两个或两个以上的系统变量在变化过程中保持一定的对应关系。自然界中存在大量的同步现象，最早观察到物理同步现象的是17世纪荷兰物理学家、摆钟的发明者惠更斯，他偶然间看到两个并排的摆钟的震荡居然达到了完全同步，并正确地指出这是因为它们同在一个横梁上。一开始大家普遍认为重构出同步的混沌系统是不可能实现的，因为混沌运动对初始条件敏感依赖。直到1990年Pe

8、rora和Carroll在电子电路的设计实验中成功观察到了混沌系统的同步，混沌同步的研究才引起重视。混沌信号非常适合于保密通信，一方面混