CN105553641B - 一种混沌保密通信方法及保密通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及保密通信领域，特别涉及一种基于混沌的保密通信方法以及保密通信系统。本发明提供一种混沌键控保密通信方法及其保密通信系统。保密通信控制器A和保密通信控制器B分别包含完全相同的器件及其连接关系，即包括高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器、元胞自动机、同步通讯器和控制器，所述高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器和元胞自动机依次顺序电连接，所述控制器分别电连接高频振荡器、采样量化器、元胞自动机和同步通讯器，所述控制器分别电连接数字信号波形发生器和n个混沌信号波形发生器，所述元胞自动机反馈连接高频环形振荡器，所述保密通信控制器A的同步通讯器和保密通信控制器B的同步通讯器保持有线或无线连接。

Description

一种混沌保密通信方法及保密通信系统

技术领域

本发明涉及保密通信领域，特别涉及一种基于混沌的保密通信方法以及保密通信系统。

背景技术

1990年以来，混沌通信成为国际、国内通信的一个研究热点。混沌同步控制理论的发展，为混沌在通信领域的应用奠定了理论基础。利用同步的混沌进行保密通信是当前国际上研究的一大热点。迄今提出和发展的同步混沌通信主要分为:混沌掩盖、混沌参数调制、混沌键控和混沌扩频。

利用混沌进行保密通信主要有四种方式：①混沌掩盖；②混沌键控；③混沌调制；④混沌扩频。它们都是以混沌同步为基础的。混沌掩盖的基本原理是把要传输的信息与混沌伪噪声加性调制，达到对信息进行隐藏的目的，属于模拟通信。后三种属于数字通信，混沌键控利用不同混沌信号代表二进制信息。混沌调制也称宽谱发射，基本思想是将一个信息信号注入到发射机，由此改变了原混沌系统的动态特性，因而信息信号被调制。它比混沌键控和混沌掩盖具有更好的抗破译能力。

自混沌系统可以实现同步之后，利用混沌和混沌同步实现保密通信已经成为近几年保密通信技术的研究热点。从根本上来看，混沌掩盖的基本原理是把要传输的信息与混沌伪噪声加性调制，达到对信息进行隐藏的目的，属于模拟通信。混沌键控是利用不同混沌信号代表二进制信息，虽然属于数字通信，但由于排列组合极易穷举，保密性非常低。混沌掩盖和混沌键控属于第一代混沌保密通信技术，安全性能非常低，实用性大大折扣，虽然说它们实现起来相对简单，但实际基本不用。

发明内容

为了克服现有技术中混沌通信保密性不好，保密通信系统结构复杂、保密效果差的问题，本发明提供一种混沌键控保密通信方法及其保密通信系统，具体技术方案如下：

一种混沌保密通信方法，其特征在于，该方法步骤包括：

步骤一、混沌保密通信系统的发射端和接收端第一次握手，确定通信协议，约定信号功率为P0；

步骤二、混沌保密通信系统的发射端和接收端第二次握手，确定发送端和接收端保密通信的工作模式；

步骤三、混沌保密通信系统的发射端和接收端第三次握手，确定发送端和接收端保密通信的工作模式的选择策略；

步骤四、发送端根据三次握手确定的通信协议、工作模式和选择策略对源信号进行保密编码，获得保密编码信号；

步骤五、发送端采用混沌掩盖技术，选用一个大功率的混沌掩盖信号C00，其功率记为PC00，保证混沌掩盖信号的功率大于混沌键控的功率10个dB以上，即，10*lg(PC00/P0)>10dB，然后通过发送端的射频设备发送至接收端；

步骤六、接收端通过双方通信前的握手协议事先获知用于混沌掩盖的混沌信号C00，首先去掉这个混沌掩盖信号C00，然后根据三次握手确定的通信协议、工作模式和选择策略进行反向同步操作，解码保密编码信号的波形，获得源信号的估计信号。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤二的工作模式包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号CA和CB分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号CA和CB分别表示数字信号0和1；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行2进制取余数运算，余数应该是0或1中的一个数字，如果余数是0则选择混沌键控工作模式1进行通信，如果余数是1则选择混沌键控工作模式2进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号CA1和CB1分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号CA2和CB2分别表示数字信号1和0，

3)混沌键控工作模式i是用混沌信号CAi和CBi分别表示数字信号1和0，其中i＝1,2,…,n；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行n进制取余数运算，余数应该是0至n-1中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号C1和C2分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号C2和C3分别表示数字信号1和0，

3)混沌键控工作模式i是用混沌信号Ci和C(i+1)分别表示数字信号1和0，其中i＝1,2,…,n-1，

4)混沌键控工作模式n是用混沌信号Cn和C1分别表示数字信号1和0；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行n进制取余数运算，余数应该是0至n-1中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式，采用混沌信号波形CA和CB来代表数字信号0和1；

2)混沌掩盖工作模式1，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C1分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖；

3)混沌掩盖工作模式0，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C0分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行3进制取余数运算，余数应该是0至2中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,3)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行3进制取余数运算，余数应该是0至2中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,3)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)工作模式1，混沌键控方式，分别采用混沌信号波形CB和CA来代表数字信号1和0；

2)工作模式2，第1组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C0分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S0+C0＝CA；

3)工作模式3，第1组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C1分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S1+C1＝CB；

4)工作模式4，第2组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S3和S2来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C2分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S2+C2＝CA；

5)工作模式5，第2组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S3和S2来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C3分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S3+C3＝CB；

6)如表7所述，依次类推；

7)工作模式2n，第n组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S(2n-1)和S(2n-2)来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C(2n-2)分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S(2n-2)+C(2n-2)＝CA；

8)工作模式2n，第n组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S(2n-1)和S(2n-2)来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C(2n-1)分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S(2n-1)+C(2n-1)＝CB；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行2n+1进制取余数运算，余数应该是0至2n中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行2n进制取余数运算，余数应该是0至2n中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

一种上述所述的混沌保密通信方法的保密通信系统，其特征在于：包括发送端子系统和接收端子系统，所述发送端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、发送电路、保密通信调制电路和保密通信控制器A，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接发送电路；

所述接收端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、接收电路、保密通信解调电路和保密通信控制器B，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接接收电路；

所述保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步。特别的，本发明进一步的改进，其特征在于：所述保密通信控制器A和保密通信控制器B分别包含完全相同的器件及其连接关系，即包括高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器、元胞自动机、同步通讯器和控制器，所述高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器和元胞自动机依次顺序电连接，所述控制器分别电连接高频振荡器、采样量化器、元胞自动机和同步通讯器，所述控制器分别电连接数字信号波形发生器和n个混沌信号波形发生器，所述元胞自动机反馈连接高频环形振荡器，所述保密通信控制器A的同步通讯器和保密通信控制器B的同步通讯器保持有线或无线连接。

有益效果：

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)在不增加设备成本的前提下提高保密通信效果，成本低，易于实现，可靠性高；

(2)采用元胞自动机生成随机选择系数，随机性强，可靠性高，保密效果好；

(3)采用简单的顺序依次选择策略，不采用复杂的随机选择策略，不增加额外的设备成本，同样可以达到很好的保密通信效果；

(4)把混沌掩盖(CM)和混沌键控(CSK)结合起来，保密性能将大大提高，而且实现起来相对简单，实用性高；

(5)S0加上混沌掩盖C0后表现的波形CB和时隙1中的波形CB一致，但是在时隙1和时隙3中所代表的数字波形恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式(时隙1是混沌键控，时隙3是混沌掩盖)，

(6)不同时隙中，信号波形前后可能表现一致，但是其代表的数字信号却恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式这对给敌方破译带来极大的干扰和混淆，使得敌方不可能在短时间破译，极大的增加了通信的保密性能。

(7)在发生信号上叠加大能量的混沌掩盖的方法，可以重复使用，多次叠加，保密效果更好

(8)不用一直同步；

(9)自主选择改变通信协议。

附图说明

图1保密通信系统工作原理图。

图2保密通信控制器A/B。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

混沌键控是利用不同混沌信号代表二进制信息，如果我们仅仅使用2组混沌信号(CA和CB)来表示二进制中1和0，比如说用CA代表1，用CB代表0(如表1所示)。那么在对方获知我方采用的是混沌键控的情况下，通信被破译的可能是50％。那是因为空中只有两种混沌信号，不是0就是1，敌方利用超级计算机是很有可能在较短时间内完成破译工作。

表1

	数字信号1	数字信号0
			混沌键控信号	CA	CB

实施例一：

为解决空中只有两种混沌信号，不是1就是0，敌方容易破译的问题，我们提出一种改进的混沌键控方法，具体来说，为不增加系统成本，仍然是2个混沌信号发生器，我们选用2组相反的混沌键控策略来代表数字信号1和0(如表2所示)，然后通过一种简单的选择策略来实现2组混沌键控策略的选择，从而实现更加保密的通信。

表2

	数字信号1	数字信号0
			混沌键控工作模式1	CA	CB
混沌键控工作模式2	CB	CA

虽然空中仍然只有两种混沌信号，但是由于我们采用2种完全相反的策略进行通信，举例来说，混沌信号CA一会代表数字信号1，一会代表数字信号0，即使敌方能够破译一些数据，但是仍然获得不了全部信息，在不提高设备成本上极大的极高了通信的保密性。

所述的混沌键控策略的选择可以是按照顺序依次进行选择，为增加选择策略的随机性，增加保密效果。

特别的，我们可以采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化。运算结果取整数，然后进行2进制取余数运算，余数应该是0或1中的一个数字，如果余数是0则选择混沌键控策略1；如果余数是1则选择混沌键控策略2。因为我们是基于一个混沌信号发生器的特殊运算来选择混沌键控策略，由于混沌信号本身就具有随机性，因此，该方案能使的保密通信的效果大大提高。

实施例二：

实施例一可以在不增加设备成本的前提下提高保密通信效果，然而相对于设备成本，保密效果更为重要。

为解决空中只有两种混沌信号，敌方仍然存在使用超级计算机进行破译的可能，我们提出一种改进的混沌键控方法，具体来说，我们选用n组混沌信号(对应n个混沌键控工作模式)来代表数字信号1和0。

我们可以通过一种简单的选择策略(比如说，按照顺序依次进行选择，如表3所示)。来对下面表3中的n个混沌键控工作模式进行选择，接收方和发送方提前握手，达成共识，按照同一选择策略进行编解码，从而保障通信顺利实现。敌方由于不知道n组混沌键控信号的选择策略，对他们而言，空中会出现2n个混沌信号，使得破译难度和速度增大n倍。

表3

为了进一步提高保密通信的效果，我们可以采用一种随机选择策略来代替表3中的简单顺序选择策略。所述的随机选择策略实际上是每个时隙随机的给出一个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，i表示选中第n个混沌键控工作模式，即是说，用CAi表示数字信号1，用CBi表示数字信号0。

特别的，我们可以采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化。运算结果取整数，然后进行n进制取余数运算，余数应该是0至n-1中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)。我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，在该时隙下选择第n个混沌键控工作模式进行通信。

特别的，我们也可以采用设置好规则的元胞自动机选择特定时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)。

实施例三：

实施例二的按照顺序依次进行选择策略非常简单，但是空中总会出现两种不同的混沌信号，敌方比较容易识别出是二进制数字信号，自然也就比较容易破解。因此实施例二增加了一个随机选择策略，用来随机选择n个混沌键控工作模式中的一个，增加了破译难度，但是也相应的增加的设备成本，比如说，若用混沌信号发生器T0进行随机策略的选择，必须增加一台混沌信号发生器。

本实施例中，我们选用n个混沌信号发生器，记产生的混沌信号分别为C1,C2,…,Cn,采用简单的顺序依次选择策略也可以得到n组混沌键控信号以供选择，如表4所示，不用采用复杂的随机选择策略，也不用增加额外的设备成本，同样可以达到很好的保密通信效果。

表4

由表4中我们发现，由于相邻两组混沌键控信号的特殊设置，采用简单的顺序依次选择策略后，每相邻的时间周期内仅改变一个混沌键控信号，剩下没有改变的混沌键控信号转而代表相发的数字信号。通俗来说，针对破译方而言，一个混沌信号一会代表0一会代表1，很难掌握破译规律，因此，该方法简单可行，并且保密通信效果好。

实施例一至三都是利用的混沌键控方法来实现保密的数字通信，然后混沌键控有一个不可避免的问题就是不敢怎么改进，从根本上来讲，混沌键控是利用有限的一些混沌信号来代表数字信号1和0，一旦被侦测出采用的是混沌键控通信方式，如果利用超级计算机，是有可能在短时间内完成破译。

因此，如果能够不让敌方侦测出我们采用的是混沌键控通信方式，那会更大程度的增加保密效果。

实施例四：

混沌掩盖的基本原理是把要传输的信息与混沌伪噪声加性调制，达到对信息进行隐藏的目的，属于模拟通信。混沌键控是利用不同混沌信号代表二进制信息，虽然属于数字通信，但由于排列组合极易穷举，保密性非常低。但是，如果把混沌掩盖(CM)和混沌键控(CSK)结合起来，保密性能将大大提高，而且实现起来相对简单，实用性高。

混沌键控是利用有限的一些混沌信号来代表数字信号1和0，一旦被侦测出采用的是混沌键控通信方式，保密性能就很难保证。从阻止敌方侦测出混沌键控通信方式入手，我们采用如下方案。

首先通信双方约定混沌键控的发送功率，记为P0，正常情况下无线信道会有噪声，但是一般来说噪声会比信号小10dB以上，因此接收方很容易不受干扰的进行解码。我们换个思路，采用混沌掩盖技术，选用一个大功率的混沌掩盖信号C00，其功率记为PC00，保证混沌掩盖信号的功率大于混沌键控的功率10个dB以上，即，10*lg(PC00/P0)>10dB。这样的话，混沌键控的信号会被当做噪声掩盖在大功率的混沌掩盖信号中，尽管混沌键控会有一些信号波形的差异来代表数字信号1和0，但是由于被混沌信号掩盖，对外表现出是无规律、杂乱的混沌信号，破译无从下手，保密性能非常好。

接收方通过双方通信前的握手协议事先获知用于混沌掩盖的混沌信号，只要在接收端去掉这个混沌掩盖信号，然后就非常顺利的可以获得混沌键控信号，从而解码得到原始信号。

特别的，实施例四中的方法可以与其它实施例相互结合，效果更好。

实施例五：

进一步的改进，我们选择2个特殊的信号波形S1和S0，同时选择4个特殊的混沌信号C1、C0、CA和CB，满足条件S1+C1＝CA，S0+C0＝CB。

如表5所示，我们采用混沌键控和混沌掩盖的三种工作模式：

1)混沌键控工作模式，我们采用混沌信号波形CA和CB来代表数字信号0和1；

2)混沌掩盖工作模式1，我们采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C1分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖；

3)混沌掩盖工作模式0，我们采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C0分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖；

表5

	数字信号1	数字信号0
				混沌键控工作模式	CB	CA	时隙1
混沌掩盖工作模式1	S1+C1	S0+C1	时隙2
				混沌掩盖工作模式0	S1+C0	S0+C0	时隙3
…	…	…	…

针对3种工作模式的切换，我们选择简单的顺序依次选择策略。时隙1，选择混沌键控工作模式，使用混沌信号CB和CA分别表示数字信号1和0；时隙2，选择混沌掩盖工作模式1，信号波形S1和S0分别表示数字信号1和0，采用混沌信号C1对信号波形进行混沌掩盖，注意到S1+C1＝CA，而S1此时表示的是数字信号1，但S1加上混沌掩盖C1后表现的波形CA和时隙1中的波形CA一致，但是在时隙1和时隙2中所代表的数字波形恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式(时隙1是混沌键控，时隙2是混沌掩盖)，这对给敌方破译带来极大的干扰和混淆，使得敌方不可能在短时间破译，极大的增加了通信的保密性能。同样的，时隙3中，选择混沌掩盖工作模式0，信号波形S1和S0分别表示数字信号1和0，采用混沌信号C0对信号波形进行混沌掩盖，注意到S0+C0＝CB，而S0此时表示的是数字信号0，但S0加上混沌掩盖C0后表现的波形CB和时隙1中的波形CB一致，但是在时隙1和时隙3中所代表的数字波形恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式(时隙1是混沌键控，时隙3是混沌掩盖)，这对给敌方破译带来极大的干扰和混淆，使得敌方不可能在短时间破译，极大的增加了通信的保密性能。

实施例六：

实施例五选择的一个简单的顺序依次选择工作模式的策略，为了进一步增加通信的保密性能，我们可以提出一种随机选择策略，通过随机选择系数i(i＝1,2,3)来选择工作模式，如表6所示。

表6

	数字信号1	数字信号0	工作模式选择
				混沌键控工作模式	CB	CA	i＝1
混沌掩盖工作模式1	S1+C1	S0+C1	i＝2
				混沌掩盖工作模式0	S1+C0	S0+C0	i＝3

所述的随机选择策略实际上是每个时隙随机的给出一个随机选择系数i(i＝1,2,3)，i表示选中第i种工作模式，例如，i＝1表示选择混沌键控工作模式；i＝2表示选择混沌掩盖工作模式1；i＝3表示选择混沌掩盖工作模式0。

特别的，我们可以采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化。运算结果取整数，然后进行3进制取余数运算，余数应该是0至2中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)。我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,3)，在该时隙下选择第i种工作模式进行通信。

特别的，我们也可以采用设置好规则的元胞自动机选择特定时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)。

实施例七：

实施例五和实施例六采用的是一种混沌键控工作模式和两种混沌掩盖工作模式的混合，在设备成本可控的情况下可以获得非常好的保密效果。

更进一步的改进，为了进一步提高保密通信的效果，我们可以给出1种混沌键控工作模式和2n种混沌掩盖工作模式，共计2n+1种工作模式，利用简单的顺序依次选择策略进行工作模式的选择。其中混沌键控工作模式下

如表7所示。

表7

针对表7中2n+1种工作模式的切换，我们可以选择简单的顺序依次选择策略。时隙1，选择工作模式1，混沌键控方式，使用混沌信号CB和CA分别表示数字信号1和0；

时隙2和时隙3选择的是第1组混沌掩盖工作方式，其中，时隙2选择工作模式1，混沌掩盖信号波形S1和S0分别表示数字信号1和0，采用混沌信号C0对信号波形进行混沌掩盖，注意到S0+C0＝CA，而S1此时表示的是数字信号1，但S1加上混沌掩盖C0后表现的波形CA和时隙1中的波形CA一致，但是在时隙1和时隙2中所代表的数字波形恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式(时隙1是混沌键控，时隙2是混沌掩盖)，这对给敌方破译带来极大的干扰和混淆，使得敌方不可能在短时间破译，极大的增加了通信的保密性能；

同样的，时隙3中，时隙2选择工作模式3，信号波形S1和S0分别表示数字信号1和0，采用混沌信号C1对信号波形进行混沌掩盖，注意到S1+C1＝CB，而S1此时表示的是数字信号1，但S1加上混沌掩盖C1后表现的波形CB和时隙1中的波形CB一致，但是在时隙1和时隙3中所代表的数字波形恰恰相反，而且根本采用的是两种不同的通信方式(时隙1是混沌键控，时隙3是混沌掩盖)，这对给敌方破译带来极大的干扰和混淆，使得敌方不可能在短时间破译，极大的增加了通信的保密性能。

同理，如表7所示，时隙4和时隙5选择的是第2组混沌掩盖工作方式，依次类推，时隙2n和时隙2n+1选择的是第n组混沌掩盖工作方式，采用这种大范围的混沌掩盖和混沌键控混合的工作方式，实质上一种模拟通信和数字通信的混合，尽管采取简单的顺序依次选择策略，但破译方无从得知，而且破译的复杂度随着n的增加成指数级增长，具有极佳的保密通信效果。

实施例八：

实施例七选择的一个简单的顺序依次选择工作模式的策略，为了进一步增加通信的保密性能，我们可以提出一种随机选择策略，通过随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)来选择工作模式，如表8所示。

表8

	数字信号1	数字信号0	混沌掩盖信号	工作模式选择
					工作模式1	CB	CA		i＝1
工作模式2	S1	S0	C0	i＝2
					工作模式3	S1	S0	C1	i＝3
工作模式4	S2	S3	C2	i＝4
					工作模式5	S2	S3	C3	i＝5
…	…	…	…	…
					工作模式2n	S(2n-1)	S(2n-2)	C(2n-2)	i＝2n
工作模式2n+1	S(2n-1)	S(2n-2)	C(2n-1)	i＝2n+1

所述的随机选择策略实际上是每个时隙随机的给出一个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，i表示选中第i种工作模式，例如，i＝1表示选择工作模式1；i＝2表示选择工作模式2；i＝2n+1表示选择工作模式2n+1。

特别的，我们可以采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化。运算结果取整数，然后进行2n+1进制取余数运算，余数应该是0至2n中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)。我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，在该时隙下选择第i种工作模式进行通信。

特别的，我们也可以采用设置好规则的元胞自动机选择特定时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)。

实施例九：

实施例四至实施例八都是混沌掩盖和混沌键控的混合使用，为了进一步提高保密通信的效果，我们可以在最终发射的信号波形上再次叠加大能量的混沌掩盖，从而把真正的信号波形当做掩藏在大能量的混沌信号中去，让破译方无从下手。

特别的，在发生信号上叠加大能量的混沌掩盖的方法，可以重复使用，多次叠加，效果更好。

实施例十：

此外，为了实现上述九个实施例的保密通信方法，我们设计了一种保密通信系统。

一种保密通信系统，包括发送端子系统和接收端子系统，所述发送端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、发送电路、保密通信调制电路和保密通信控制器A，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接发送电路；

所述接收端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、接收电路、保密通信解调电路和保密通信控制器B，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接接收电路；

所述保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步。

保密通信系统的具体通信流程如下：

在发送之前，发送端和接收端通过握手确定通信协议和随机选择策略，并且在通信过程中，保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步。

在发送端，源信号首先进入保密通信控制器A，利用事先确定好的随机选择策略来选择工作模式，保密通信控制器A根据工作模式来控制发送端子系统的数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器和保密通信调制电路。具体来说，保密通信控制器A根据工作模式来进而发出控制信号，控制数字信号波形发生器和n个混沌信号波形发生器的输出信号波形，同时控制保密通信调制电路的参数配置，在发送端子系统的数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器和保密通信调制电路的共同配合下，最终保密通信调制电路输出特定工作模式下的调制信号，以供发送电路发送。

在接收端，接收电路收到调制信号后输出给保密通信解调电路，因为保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步，所以保密通信控制器B很清楚发送端所选择的工作模式以及相应的参数配置，保密通信控制器B发出控制信号给接收端子系统的数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、接收电路和保密通信解调电路，接收端子系统的数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、接收电路和保密通信解调电路三者协调工作对信号进行解调，最终保密通信解调电路输出解调信号。

实施例十一：

在实施例十中，在发送之前，发送端和接收端通过握手确定通信协议和随机选择策略，并且在通信过程中，保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步。

因为在通信过程中需要一直保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步状态，一方面增加了通信成本，另一方面由于一直有同步通信信号的存在，也增加破译的可能性。针对这两个缺点我们有如下改进方案。

特别的，所述保密通信控制器A和保密通信控制器B分别包含完全相同的器件及其连接关系，即包括高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器、元胞自动机、同步通讯器和控制器，所述高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器和元胞自动机依次顺序电连接，所述控制器分别电连接高频振荡器、采样量化器、元胞自动机和同步通讯器，所述控制器分别电连接数字信号波形发生器和n个混沌信号波形发生器，所述元胞自动机反馈连接高频环形振荡器，所述保密通信控制器A的同步通讯器和保密通信控制器B的同步通讯器保持有线或无线连接。

具体工作流程如下：

首先，发送端和接收端通过握手确定通信协议和随机选择策略，并且在通信过程中，保密通信控制器A的同步通讯器发一次同步控制信号给保密通信控制器B的通讯器。因为本次保密通信仅仅是在通信开始时进行握手并交换同步控制信号，不用在通信过程中反复交换数据，既节约了通信成本，又提高了保密通信效果。

发送端的控制器初始化元胞自动机，同时控制高频环形振荡器和采样器生成随机数种子存储在随机数种子寄存器，随机数种子寄存器将随机数种子发送给元胞自动机作为初始条件，元胞自动机根据相应规则和初始条件生成随机数用以决定选择何种工作模式。

接收端先接收发送端产生的随机数种子，然后存储在随机数种子寄存器中，随机数种子寄存器将随机数种子发送给发送端的元胞自动机作为初始条件，发送端的元胞自动机根据相应规则和初始条件生成随机数用以决定选择何种工作模式。

由于发送端和接收端的元胞自动机的规则相同，随机数种子也相同，因此，发送端的元胞自动机根据相应规则和初始条件生成随机数用以决定的工作模式相同，可以实现顺利的解码。

特别的，为了进一步增加保密通信效果，发送端和接收端可以随时自主改变保密通信的协议，具体来说，只要发送端和接收端主动发出控制信号使得高频环形振荡器产生新的随机数种子，然后再把新的随机数种子通过同步通讯器发送给对方，下一时刻，发送端和接收端按照新的随机数种子来使元胞自动机选择工作模式。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混沌保密通信方法，其特征在于，该方法步骤包括：

步骤一、混沌保密通信系统的发射端和接收端第一次握手，确定通信协议，约定信号功率为P0；

步骤二、混沌保密通信系统的发射端和接收端第二次握手，确定发送端和接收端保密通信的工作模式；

步骤三、混沌保密通信系统的发射端和接收端第三次握手，确定发送端和接收端保密通信的工作模式的选择策略；

步骤四、发送端根据三次握手确定的通信协议、工作模式和选择策略对源信号进行保密编码，获得保密编码信号；

步骤五、发送端采用混沌掩盖技术，选用一个大功率的混沌掩盖信号C00，其功率记为PC00，保证混沌掩盖信号的功率大于混沌键控的功率10个dB以上，即，10*lg(PC00/P0)>10dB，然后通过发送端的射频设备发送至接收端；

步骤六、接收端通过双方通信前的握手协议事先获知用于混沌掩盖的混沌信号C00，首先去掉这个混沌掩盖信号C00，然后根据三次握手确定的通信协议、工作模式和选择策略进行反向同步操作，解码保密编码信号的波形，获得源信号的估计信号。

2.根据权利要求1所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤二的工作模式包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号CA和CB分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号CA和CB分别表示数字信号0和1；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行2进制取余数运算，余数应该是0或1中的一个数字，如果余数是0则选择混沌键控工作模式1进行通信，如果余数是1则选择混沌键控工作模式2进行通信。

3.根据权利要求1所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号CA1和CB1分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号CA2和CB2分别表示数字信号1和0，

3)混沌键控工作模式i是用混沌信号CAi和CBi分别表示数字信号1和0，其中i＝1,2,…,n；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行n进制取余数运算，余数应该是0至n-1中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

4.根据权利要求1所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式1是用混沌信号C1和C2分别表示数字信号1和0，

2)混沌键控工作模式2是用混沌信号C2和C3分别表示数字信号1和0，

3)混沌键控工作模式i是用混沌信号Ci和C(i+1)分别表示数字信号1和0，其中i＝1,2,…,n-1，

4)混沌键控工作模式n是用混沌信号Cn和C1分别表示数字信号1和0；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行n进制取余数运算，余数应该是0至n-1中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,n)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

5.根据权利要求1所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)混沌键控工作模式，采用混沌信号波形CA和CB来代表数字信号0和1；

2)混沌掩盖工作模式1，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C1分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖,满足S1+C1＝CA；

3)混沌掩盖工作模式0，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C0分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，满足S0+C0＝CB；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行3进制取余数运算，余数应该是0至2中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,3)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

6.根据权利要求5所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行3进制取余数运算，余数应该是0至2中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,3)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,3)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

7.根据权利要求1所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤二中所述通信方案包括：

1)工作模式1，混沌键控方式，分别采用混沌信号波形CB和CA来代表数字信号1和0；

2)工作模式2，第1组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C0分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S0+C0＝CA；

3)工作模式3，第1组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S1和S0来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C1分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S1+C1＝CB；

4)工作模式4，第2组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S3和S2来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C2分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S2+C2＝CA；

5)工作模式5，第2组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S3和S2来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C3分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S3+C3＝CB；

6)如表7所述，依次类推；

7)工作模式2n，第n组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S(2n-1)和S(2n-2)来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C(2n-2)分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S(2n-2)+C(2n-2)＝CA；

8)工作模式2n，第n组混沌掩盖工作方式，采用信号波形S(2n-1)和S(2n-2)来代表数字信号1和0，同时用混沌信号C(2n-1)分别对信号波形S1和S0进行混沌掩盖，工作条件满足S(2n-1)+C(2n-1)＝CB；

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用简单的顺序依次选择策略以供选择工作模式，对时隙数i进行2n+1进制取余数运算，余数应该是0至2n中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

8.根据权利要求7所述的混沌保密通信方法，其特征在于：

所述步骤三的保密通信的工作模式的选择策略是采用一个混沌信号发生器T0，每个时隙对混沌信号发生器T0的输出进行特定运算，所述特定运算可以是求和，也可以是卷积，或者直接是采样量化，运算结果取整数，然后进行2n进制取余数运算，余数应该是0至2n中的数字，最后对余数加1运算，得到该时隙下的随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，我们利用这个随机选择系数i(i＝1,2,…,2n+1)，在该时隙下选择第i组混沌键控信号进行通信。

9.一种实现权利要求1-8任意一项所述的混沌保密通信方法的保密通信系统，其特征在于：包括发送端子系统和接收端子系统：

所述发送端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、发送电路、保密通信调制电路和保密通信控制器A，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器A和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接发送电路；

所述接收端子系统包括：数字信号波形发生器、n个混沌信号波形发生器、接收电路、保密通信解调电路和保密通信控制器B，所述数字信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，所述n个混沌信号波形发生器分别电连接保密通信控制器B和保密通信调制电路，保密通信调制电路电连接接收电路；

控制器B，所述保密通信解调电路分别电连接接收电路和保密通信控制器B；

所述保密通信控制器A和保密通信控制器B在通信过程中一直保持同步。

10.根据权利要求9所述的保密通信系统，其特征在于：所述保密通信控制器A和保密通信控制器B分别包含完全相同的器件及其连接关系，即包括高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器、元胞自动机、同步通讯器和控制器，所述高频环形振荡器、采样量化器、种子寄存器和元胞自动机依次顺序电连接，所述控制器分别电连接高频振荡器、采样量化器、元胞自动机和同步通讯器，所述控制器分别电连接保密通信调制电路、数字信号波形发生器和n个混沌信号波形发生器，所述元胞自动机反馈连接高频环形振荡器，所述保密通信控制器A的同步通讯器和保密通信控制器B的同步通讯器保持有线或无线连接。