CN107248898B - 基于多卷波信号的多路信息混沌加密方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多卷波信号的多路信息混沌加密、解密方法及其装置，利用三维多卷波信号发生器产生三维多卷波信号；求出所述三维多卷波信号的平衡点坐标，以所述平衡点坐标为中心求出三维体积V_i；将信息s_i调制到所述三维多卷波信号中得到信息p_i；将三维体积V_i与信息p_i一对一关联；根据三维多卷波信号位于所述三维体积V_i的范围输出相关联的信息p_i；将输出的信息p_i合成为信息H。还有相应的加密装置、解密方法及其装置。

Description

基于多卷波信号的多路信息混沌加密方法及其装置

技术领域

本发明涉及混沌保密通信技术领域，特别涉及一种基于多卷波信号的多路信息混沌加密、解密方法及其装置。

背景技术

在现有的混沌加密系统中，人们通常是对一路信息加密而言的。在2005年国家知识产权局公开了一种“多路信息加密混沌通信系统”，公开号为：CN1645781A的发明专利，该发明公开的系统包括混沌产生器、信道、多路信息混沌加密器和多路信息混沌解密器四部分相互连接组成；其中发送端的混沌加密器通过混沌产生器同时对三路信息S1、S2、S3进行加密，产生三路混沌加密信号SC1、SC2、 SC3；接收端的混沌解密器则通过自同步后的混沌信号，可在三个减法器B1、B2、B3中解密出原三路信息；只用一个混沌产生器可同时实现多路混沌保密通信。

用单方向多卷波信号实现对三路信息进行加密目前已经取得了一系列成果，但是对于采用多方向网格状多卷波信号进行三路以上的多路信息加密和解密仍然是一个值得深入研究的问题。

发明内容

本发明的目的是一种基于多方向网格状的多卷波信号的多路信息混沌加密、解密的方法及其相对应的装置，该方法或装置可实现复杂的加密或解密，还能实现对多路信息同时加密或解密。

一方面，本发明解决其技术问题的方案是：基于多卷波信号的多路信息混沌加密方法，其特征在于：利用三维多卷波信号发生器产生三维多卷波信号；求出所述三维多卷波信号的平衡点坐标，以所述平衡点坐标为中心求出三维体积V_i；将信息s_i调制到所述三维多卷波信号中得到信息p_i；将三维体积V_i与信息p_i一对一关联；根据三维多卷波信号位于所述三维体积V_i的范围输出相关联的信息p_i；将输出的信息p_i合成为信息H。

对所述加密方法的进一步，所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1，sgn(·)为符号函数。

另一方面，还提供了所述加密方法相对应的解密方法：基于多卷波信号的多路信息混沌解密方法，信息H根据三维体积V_i得到信息 p_i；所述信息p_i根据三维多卷波信号得到信息s_i。

对所述解密方法的进一步，所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1，sgn(·)为符号函数。

另一方面，提供了所述加密方法对应的加密装置：基于多卷波信号的多路信息混沌加密装置，包括三维多卷波信号发生器、加密器、三路电压信号控制型开关、合成器，所述三维多卷波信号发生器用于产生三维多卷波信号，所述加密器用于将信息s_i调制到所述三维多卷波信号中得到信息p_i，所述三路电压信号控制型开关根据所述三维多卷波信号将信息p_i输送给合成器，所述合成器将接收到的信息 p_i合成为信息H。

对所述加密装置的进一步，所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1，sgn(·)为符号函数。

另一方面，提供了所述解密方法对应的解密装置：基于多卷波信号的多路信息混沌解密装置，包括三维多卷波解密信号发生器、解密器、三路电压信号控制型开关，所述三维多卷波解密信号发生器用于根据信息H并产生解密用的三维多卷波信号，所述解密器用于将信息p_i解调为信息s_i，所述三路电压信号控制型开关根据所述三维多卷波信号将信息s_i从信息H中分离出来。

所述解密装置的进一步，所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1，sgn(·)为符号函数。

本发明的有益效果是：本发明的加密方法及其加密装置，采用两次加密的方式，第一次为将待加密信息调制到三维多卷波信号中，实现第一次加密；在多路第一次加密后信息进行合成的过程中，由于多路加密后信息的合成排列再次受到所述三维多卷波信号的调制，从而对多路第一次加密后信息在合成排列过程中进行了第二次加密。通过两次加密，使得加密后信息更难破解，信息在传输的过程中更加安全，同时也实现了多路信息的加密。

另一方面，本发明也公开了与所述加密方法相对应的解密方法及其装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1(a)是混沌吸引子的x-y相图；

图1(b)是混沌吸引子y-z相图；

图2是加密装置用三维多卷波信号实现多路信息加密的示意图；

图3是解密装置用三维多卷波信号实现多路信息解密的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，基于多卷波信号的多路信息混沌加密、解密方法及其装置，其中i的取值范围为(1≤i≤n)，n为信息的路数。实施例1 介绍对9路信息(n＝9)进行加密、解密的方法及其相应的装置。

首先本发明选用的三维多卷波信号的状态方程为：

式中α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列。

在(1)式中，f₁(x,ξ)和f₂(y)的数学表达式为

式中A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1，sgn(·)为符号函数。

利用(1)式和(2)式，产生(2N+1)×(2M+1)×(2N+1)个多卷波信号，这些多卷波信号在相空间中呈现出三个方向的网格状分布。

选取A₁＝A₂＝0.25，ξ＝0.5，N＝1，M＝1，根据(1)式和(2)式，得三方向分布网格状3×3×3多卷波混沌吸引子，如图1(a)、图1(b) 所示。

根据(1)式和(2)式，得各个多卷波信号的平衡点坐标的数学表达式为：

根据(3)式，得到图1(a)、图1(b)中的多卷波信号的平衡点的坐标E_i(x_i,y_i,z_i)(1≤i≤9)分别为E₁(-1,-0.5,0.5)，E₂(0,-0.5,-0.5)， E₃(1,-0.5,-1.5)，E₄(-1,0,1)，E₅(0,0,0)，E₆(1,0,-1)， E₇(-1,0.5,1.5)，E₈(0,0.5,0.5)，E₉(1,0.5,-0.5)。

根据所有这些多卷波信号的平衡点坐标，得x方向平衡点之间的间隔为1，y方向平衡点之间的间隔为0.5，z方向平衡点之间的间隔为1。在此基础上，进一步选取以多卷波信号的平衡点为中心的9个三维体积V_i(1≤i≤9)分别为

V_i{x,y,z|x_i-0.5≤x≤x_i+0.5,y_i-0.25≤y≤y_i+0.25,z_i-0.5≤z≤z_i+0.5}

式中x_i,y_i,z_i(1≤i≤9)为多卷波信号的平衡点坐标。设S_i(1≤i≤9)为待加密的信息，待加密的信息S_i(1≤i≤9)调制到三维多卷波信号，得到的加密方程为：

标识为公式(4)；

式中p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)。

参考图2，加密装置实现多路信息加密的具体实施方式：

(a1)加密器的一路输入为三维多卷波信号产生的混沌信号x^(s)，另一路输入为待加密的信息si，得加密器的输出为 p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)；

(a2)用三维多卷波信号发生器产生的多卷波信号 (x^(s),y^(s),z^(s))控制三路电压信号控制型开关K_i的接通与断开，实现对多路信息的时分复用和混沌加密，三路电压信号控制型开关K_i配置为：根据收到的多卷波信号计算出对应的三维体积V_i，并导通相对应的开关K_i；具体如下：

b1)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₁中时，对应的三路电压信号控制型开关K₁接通，输出为p₁＝x^(s)+s₁，K₂～K₉断开，输出为0。

b2)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₂中时，对应的三路电压信号控制型开关K₂接通，输出为p₂＝x^(s)+s₂，K₁、K₃～K₉断开，输出为0。

b3)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₃中时，对应的三路电压信号控制型开关K₃接通，输出为p₃＝x^(s)+s₃，K₁～K₂、 K₄～K₉断开，输出为0。

b4)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₄中时，对应的三路电压信号控制型开关K₄接通，输出为p₄＝x^(s)+s₄，K₁～K₃、 K₅～K₉断开，输出为0。

b5)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₅中时，对应的三路电压信号控制型开关K₅接通，输出为p₅＝x^(s)+s₅，K₁～K₄、 K₆～K₉断开，输出为0。

b6)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₆中时，对应的三路电压信号控制型开关K₆接通，输出为p₆＝x^(s)+s₆，K₁～K₅、 K₇～K₉断开，输出为0。

b7)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₇中时，对应的三路电压信号控制型开关K₇接通，输出为p₇＝x^(s)+s₇，K₁～K₆、 K₈～K₉断开，输出为0。

b8)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₈中时，对应的三路电压信号控制型开关K₈接通，输出为p₈＝x^(s)+s₈，K₁～K₇、 K₉断开，输出为0。

b9)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₉中时，对应的三路电压信号控制型开关K₉接通，输出为p₉＝x^(s)+s₉，K₁～K₈断开，输出为0。

(a3)用合成器对多路的信息p_i进行合成得到信息H，采用 TCP协议，通过以太网传输，将信息H传输到接收端。

参考图3，解密装置实现多路信息解密的具体实施方式：

三维多卷波解密信号发生器接收同步后的信息H并输出解密用的三维多卷波信号，所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

式中p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)。

(c1)将接收到的加密信息p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)送至解密器中解密，注意到由于(4)式和(5)式实现了自同步，在混沌参数匹配的条件下，满足x^(r)＝x^(s)，得解密器解密后的输出为

当混沌参数不匹配时，x^(r)≠x^(s)，解密器不能正确地解密出信号s_i。

(c2)用三维多卷波解密信号发生器产生的多卷波信号 (x^(r),y^(r),z^(r))控制三路电压信号控制型开关K_i的接通与断开分离信号H，所述三路电压信号控制型开关K_i配置为：根据收到的多卷波信号计算出对应的三维体积V_i，并导通相对应的开关K_i；具体地：

d1)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₁中时，对应的三路电压信号控制型开关K₁接通，输出为K₂～K₉断开，输出为0。

d2)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₂中时，对应的三路电压信号控制型开关K₂接通，输出为K₁、K₃～K₉断开，输出为0。

d3)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₃中时，对应的三路电压信号控制型开关K₃接通，输出为K₁～K₂、K₄～K₉断开，输出为0。

d4)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₄中时，对应的三路电压信号控制型开关K₄接通，输出为K₁～K₃、K₅～K₉断开，输出为0。

d5)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₅中时，对应的三路电压信号控制型开关K₅接通，输出为K₁～K₄、K₆～K₉断开，输出为0。

d6)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₆中时，对应的三路电压信号控制型开关K₆接通，输出为K₁～K₅、K₇～K₉断开，输出为0。

d7)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₇中时，对应的三路电压信号控制型开关K₇接通，输出为K₁～K₆、K₈～K₉断开，输出为0。

d8)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V₈中时，对应的三路电压信号控制型开关K₈接通，输出为K₁～K₇、K₉断开，输出为0。

d9)当三维多卷波信号(x^(r),y^(r),z^(r))的范围位于V9中时，对应的三路电压信号控制型开关K₉接通，输出为K₁～K₈断开，输出为0。

(c3)解密后的信息通过低通滤波后输出。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.基于多卷波信号的多路信息混沌加密方法，其特征在于：

加密器的一路输入为三维多卷波信号发生器产生的混沌信号x^(s)，另一路输入为待加密的信息s_i，得加密器的输出为p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)；

用三维多卷波信号发生器产生的多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))控制三路电压信号控制型开关K_i的接通与断开，实现对多路信息的时分复用和混沌加密，三路电压信号控制型开关K_i配置为：根据收到的多卷波信号计算出对应的三维体积V_i，并导通相对应的开关K_i；

具体如下：

b1)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₁中时，对应的三路电压信号控制型开关K₁接通，输出为p₁＝x^(s)+s₁，K₂～K₉断开，输出为0；

b2)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₂中时，对应的三路电压信号控制型开关K₂接通，输出为p₂＝x^(s)+s₂，K₁、K₃～K₉断开，输出为0；

b3)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₃中时，对应的三路电压信号控制型开关K₃接通，输出为p₃＝x^(s)+s₃，K₁～K₂、K₄～K₉断开，输出为0；

b4)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₄中时，对应的三路电压信号控制型开关K₄接通，输出为p₄＝x^(s)+s₄，K₁～K₃、K₅～K₉断开，输出为0；

b5)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₅中时，对应的三路电压信号控制型开关K₅接通，输出为p₅＝x^(s)+s₅，K₁～K₄、K₆～K₉断开，输出为0；

b6)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₆中时，对应的三路电压信号控制型开关K₆接通，输出为p₆＝x^(s)+s₆，K₁～K₅、K₇～K₉断开，输出为0；

b7)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₇中时，对应的三路电压信号控制型开关K₇接通，输出为p₇＝x^(s)+s₇，K₁～K₆、K₈～K₉断开，输出为0；

b8)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₈中时，对应的三路电压信号控制型开关K₈接通，输出为p₈＝x^(s)+s₈，K₁～K₇、K₉断开，输出为0；

b9)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₉中时，对应的三路电压信号控制型开关K₉接通，输出为p₉＝x^(s)+s₉，K₁～K₈断开，输出为0；

用合成器对多路三路电压信号控制型开关K_i输出的信息p_i进行合成得到信息H，所述信息H为加密后的信息；其中，i为自然数。

2.根据权利要求1所述的基于多卷波信号的多路信息混沌加密方法，其特征在于所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.5为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂＝0.25，ξ＝0.5，N＝1，M＝1，i和j为自然数，sgn(·)为符号函数，x为三维多卷波信号x方向的信号，y表示为三维多卷波信号y方向的信号，z表示为三维多卷波信号z方向的信号，τ表示时间。

3.基于多卷波信号的多路信息混沌加密装置，其特征在于：包括三维多卷波信号发生器、加密器、三路电压信号控制型开关、合成器，所述三维多卷波信号发生器用于产生三维多卷波信号，所述加密器用于将信息s_i调制到所述三维多卷波信号中得到信息p_i，所述三路电压信号控制型开关K_i根据所述三维多卷波信号将信息p_i输送给合成器，所述合成器将接收到的信息p_i合成为信息H；

其中，加密器的一路输入为三维多卷波信号发生器产生的混沌信号x^(s)，另一路输入为待加密的信息s_i，得加密器的输出为

p_i＝x^(s)+s_i(1≤i≤9)；

用三维多卷波信号发生器产生的多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))控制三路电压信号控制型开关K_i的接通与断开，实现对多路信息的时分复用和混沌加密，三路电压信号控制型开关K_i配置为：根据收到的多卷波信号计算出对应的三维体积V_i，并导通相对应的开关K_i；

具体如下：

b1)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₁中时，对应的三路电压信号控制型开关K₁接通，输出为p₁＝x^(s)+s₁，K₂～K₉断开，输出为0；

b2)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₂中时，对应的三路电压信号控制型开关K₂接通，输出为p₂＝x^(s)+s₂，K₁、K₃～K₉断开，输出为0；

b3)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₃中时，对应的三路电压信号控制型开关K₃接通，输出为p₃＝x^(s)+s₃，K₁～K₂、K₄～K₉断开，输出为0；

b4)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₄中时，对应的三路电压信号控制型开关K₄接通，输出为p₄＝x^(s)+s₄，K₁～K₃、K₅～K₉断开，输出为0；

b5)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₅中时，对应的三路电压信号控制型开关K₅接通，输出为p₅＝x^(s)+s₅，K₁～K₄、K₆～K₉断开，输出为0；

b6)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₆中时，对应的三路电压信号控制型开关K₆接通，输出为p₆＝x^(s)+s₆，K₁～K₅、K₇～K₉断开，输出为0；

b7)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₇中时，对应的三路电压信号控制型开关K₇接通，输出为p₇＝x^(s)+s₇，K₁～K₆、K₈～K₉断开，输出为0；

b8)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₈中时，对应的三路电压信号控制型开关K₈接通，输出为p₈＝x^(s)+s₈，K₁～K₇、K₉断开，输出为0；

b9)当三维多卷波信号(x^(s),y^(s),z^(s))的范围位于V₉中时，对应的三路电压信号控制型开关K₉接通，输出为p₉＝x^(s)+s₉，K₁～K₈断开，输出为0；

用合成器对多路三路电压信号控制型开关K_i输出的信息p_i进行合成得到信息H，所述信息H为加密后的信息；其中，i为自然数。

4.根据权利要求3所述的基于多卷波信号的多路信息混沌加密装置，其特征在于：所述三维多卷波信号满足如下状态方程：

上式中α＝10，β＝16，ξ＝0.5为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)为阶梯波序列；

所述阶梯波序列f₁(x,ξ)和f₂(y)满足如下关系：

上式中A₁＝A₂＝0.25，ξ＝0.5，N＝1，M＝1，i和j为自然数，sgn(·)为符号函数，x为三维多卷波信号x方向的信号，y表示为三维多卷波信号y方向的信号，z表示为三维多卷波信号z方向的信号，τ表示时间。