CN110149201A

CN110149201A - 基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法

Info

Publication number: CN110149201A
Application number: CN201910604986.6A
Authority: CN
Inventors: 马照瑞; 巩晓赟; 李萍; 徐明明; 麦世奎; 杨彩; 李霞; 郭启萌; 雷军委
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: CN110149201B

Abstract

本发明是关于一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，属于通信技术领域，该方法包括以下步骤：发送端构建驱动混沌系统，利用所述驱动混沌系统中的第一个参数对待加密信息进行加密得到已加密信息；送端利用驱动混沌系统中的第二个参数以及第三个参数对加密信息进行掩盖叠加得到混沌信号，并将混沌信号发送至接收端；接收端构造响应混沌系统，并根据所述发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号以及同步规律；接收端对同步规律进行调整，以使所述误差信号趋近于零；并在所述误差信号趋近于零时，根据所述响应混沌系统的第一个参数以及所述混沌信号中包括的加密信息，得到解密信息。该方法可以提高数据传输过程中的安全性。

Description

基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法。

背景技术

混沌系统由于对初值的敏感性,很小的初值误差就能被系统放大,因此,系统的长期性是不可预测的；又因为混沌序列具有很好的统计特性,所以它可以产生随机数列,这些特性很适合于加密技术。目前已有的混沌加密技术有混沌掩盖、混沌键控、混沌调制、混沌同步加密等。其中，现有的混沌同步加密是通过构造发送端与接收端混沌系统的完全同步实现信号的解密恢复。

但是，该方法在数据的传输过程中还是存在容易被破解的安全隐患，因此如何更进一步的提高数据在传输过程中的安全性成了亟需解决的问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的数据传输过程中安全性较低的问题。

本发明提供了一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，包括以下步骤：

步骤S10，发送端构建驱动混沌系统，利用所述驱动混沌系统中的第一个参数对待加密信息进行加密得到已加密信息；

步骤S20，发送端利用驱动混沌系统中的第二个参数以及第三个参数对加密信息进行掩盖叠加得到混沌信号，并将混沌信号发送至接收端；

步骤S30，接收端构造响应混沌系统，并根据所述发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号以及同步规律；

步骤S40，接收端对同步规律进行调整，以使所述误差信号趋近于零；并在所述误差信号趋近于零时，根据所述响应混沌系统的第一个参数以及所述混沌信号中包括的加密信息，得到解密信息。

进一步的，发送端构建驱动混沌系统包括：

其中，x₁、x₂与x₃为驱动混沌系统状态，与分别为x₁、x₂与x₃的导数；d₄为常参数。

进一步的，构造响应混沌系统包括：

其中，y₁、y₂、y₃为响应混沌系统的状态，分别为y₁、y₂、y₃的导数；d₄为常参数；u₁以及u₃为接收端混沌系统的同步规律。

进一步的，根据所述发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号以及同步规律包括：

e₁＝y₁-x_1a；

e₂＝y₂-x₂；

e₃＝y₃-x₃；

并且有：

u₁＝-u_1a；

u₃＝-u_3a-u_3b；

u_3b＝-y₁y₂+x₁x₂+d₄(y₁-x₁)；

其中，e₁、e₂、e₃为误差信号；k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈以及k₉为常参数，d₄为常参数。

进一步的，根据所述响应混沌系统的第一个参数以及所述混沌信号中包括的加密信息，得到解密信息包括：

s_a＝x_1a-y₁；

其中，s_a为解密信息，x_1a为已加密信息。

本发明提供的，一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，一方面，本发明由于采用幅值大的混沌信号，掩盖叠加幅值小的有用信号，因此有用信号完全淹没在混沌信号中，窃密方难以从时域进行分离破解，增加了数据传输过程中的安全性。同时，由于混沌信号具有丰富的频率特性，因此破解方采用频域方法也很难以将其分解。并且，而本发明和传统直接掩盖的区别在于，同步信号并没有完全实现，但正是通过不完全同步，相当于将信息隐藏在误差信号中，通过脉冲整形才能得到真实信号。因此如果窃密方通过破解得到失真的信号，也难以恢复得到有用信号。而如果窃密方采用传统的完全同步方法试图解密，则会完全破坏误差信号，从而完全损失有用信息而无法恢复与破解。

另一方面，信息通过混沌信号的掩盖叠加后，发散给接受端，而且接受端的解密需要对没有完全同步的误差信号进行调制，因此信息相当于隐藏在误差信号中，因此传统的同步方案是完全精确同步后解密出有用信息，而本方案则是为完全同步状态，但又是一种稳定的状态。因此加密与解密更加隐蔽。而采用传统的完全同步方法解密，则会完全破坏误差信息，从而完全损失有用信息而得不到有用信息。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1是本发明提供的一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法的流程图。

图2是本发明实施例所提供方法的发送端混沌系统状态自由运动曲线。

图3是本发明实施例所提供方法的发送端接收端系统同步误差e₁曲线。

图4是本发明实施例所提供方法的发送端接收端系统同步误差e₂曲线。

图5是本发明实施例所提供方法的发送端接收端系统系统同步误差e₃曲线。

图6是本发明实施例所提供方法的解密后的失真信息s_a。

图7是本发明实施例所提供方法的发送端发送信息与接收端解密信息对比图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本发明发明了一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，将有用信息信号直接掩藏在混沌系统的混沌状态中，然后在发送端仅发送混沌状态信息，而在接收端构造接收混沌系统，利用发送端的混沌状态信息与接收端混沌系统自身的信息相减得到误差信号，同时根据该误差信号设计同步控制器实现发送端与接收端混沌系统的同步；通过对比同步后的状态与原状态，提取出失真的有用信息，然后进行脉冲整形，消除信号失真，得到和发送端一致的有用信息。

本发明由于采用幅值大的混沌信号，掩盖叠加幅值小的有用信号，因此有用信号完全淹没在混沌信号中，窃密方难以从时域进行分离破解。同时由于混沌信号具有丰富的频率特性，因此破解方采用频域方法也很难以将其分解。而本发明和传统直接掩盖的区别在于，同步信号并没有完全实现，但正是通过不完全同步，相当于将信息隐藏在误差信号中，通过脉冲整形才能得到真实信号。因此如果窃密方通过破解得到失真的信号，也难以恢复得到有用信号。而如果窃密方采用传统的完全同步方法试图解密，则会完全破坏误差信号，从而完全损失有用信息而无法恢复与破解。

本发明提出一种利用发送端与接收端的不完全同步，通过误差信号解密恢复原信号的方法。由于发送端混沌系统的参数可以随意变动，而且发送信号并不包含原混沌信号，而仅发送掩盖了有用信息的混沌信号，这样大大提高了通信的安全形，但也使得接受端混沌系统的完全同步是难以实现的，从而使得采用完全同步实现信号的破解是非常困难的。因此本发明提出了一种依靠不完全同步的误差信号掩盖有用信号与并利用混沌同步与脉冲滤波整形处理恢复原有用信号的方法，和现有算法有较大区别，也有很高的实用价值。

下面，将结合附图对发明示例实施例涉及的一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法进行解释以及说明。参考图1所示，该基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法可以包括以下步骤：

步骤S10，发送端构建驱动混沌系统，利用所述驱动混沌系统中的第一个参数对待加密信息进行加密得到已加密信息。

具体的，首先，通过计算机，按照如下微分方程生成含参数混沌系统的混沌信号：

并将上述系统作为保密通信发送端驱动混沌系统，其中，x₁、x₂与x₃为驱动混沌系统状态，与分别为x₁、x₂与x₃的导数。d₄为常参数，具体的设置见后文案例实施，混沌系统的初始状态可以任意设置，也可参见案例实施。

然后，将待加密传送的信号调制为高低电平信号s，掩盖在发送端混沌系统生成的第一个状态参数x₁中，使得

x_1a＝x₁+s；

其中，x_1a为已加密信息；s的详细选取见后文实施案例。注意，此时高低电平信号幅值尽量调制较小，以便于隐藏在混沌信号中。进一步的，将已加密信息x_1a与混沌系统的剩余两个状态x₂与x₃后，发送给接收端。

步骤S20，发送端利用驱动混沌系统中的第二个参数以及第三个参数对加密信息进行掩盖叠加得到混沌信号，并将混沌信号发送至接收端。

具体的，发送端将已加密信息x_1a与混沌系统的剩余两个状态x₂与x₃后，发送给接收端。

步骤S30，接收端构造响应混沌系统，并根据所述发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号以及同步规律。

具体的，首先，按照如下微分方程构造接收端的响应混沌系统：

其中，y₁、y₂、y₃为响应混沌系统的状态，分别为y₁、y₂、y₃的导数；d₄为常参数；u₁以及u₃为接收端混沌系统的同步规律；

然后，根据发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号：

e₁＝y₁-x_1a；

e₂＝y₂-x₂；

e₃＝y₃-x₃；

并且有：

u₁＝-u_1a；

u₃＝-u_3a-u_3b；

u_3b＝-y₁y₂+x₁x₂+d₄(y₁-x₁)；

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈以及k₉为常参数，d₄为常参数。

具体的，可以根据接收端混沌系统的状态信号y₁与未脱密的信号x_1a，采用减法处理得到失真的脱密信号s_a，其脱密算法为：

s_a＝x_1a-y₁；

然后，再通过脉冲整形处理，即可得到有用信号的估计值其中：

其中，脉冲整形处理函数f的逻辑为在按照最小信号周期T的半周期其中n为整数，n＝0,1,2,…，检测信号s_a，如果满足且|s_a|≥s_f，则有其中，s_f与F为小正数，其设置详见后文案例实施。

如果则保持上一时刻值即可。

通过后面案例实施可以看出，有用信号的估计值仅在第一个数值点上会出现误差，后续所有点上均能完全实现精确复现。第一个点出现误差是有于接受端混沌系统与发射端混沌系统没有稳定地同步工作而导致的，这不影响工程使用，我们可以在应用中，将第一个点发送无用的空信息即可。

通过上述步骤，即实现了本发明所提供的基于误差掩盖调制的混沌保密通信方案。

上述保密通信方案的主要优点在于，信息通过混沌信号的掩盖叠加后，发散给接受端，而且接受端的解密需要对没有完全同步的误差信号进行调制，因此信息相当于隐藏在误差信号中，因此传统的同步方案是完全精确同步后解密出有用信息，而本方案则是为完全同步状态，但又是一种稳定的状态。因此加密与解密更加隐蔽。而采用传统的完全同步方法解密，则会完全破坏误差信息，从而完全损失有用信息而得不到有用信息。

案例实施与计算机仿真模拟结果分析

首先，设定发送端混沌系统初始状态设为x₁(0)＝-3、x₂(0)＝3、x₃(0)＝0.5，d₄＝0.01。

按照上述设定后得到的混沌系统状态如图2所示。有图2可以看出发送端系统是完全混沌的，随机而无规则的，而且幅值比较大，因此便于下一步叠加掩盖有用信息。

进一步的，选取待发送的有用信号为标准的高低电平信号，在此选取随机类型为例，说明信息加密解密的过程。其它类型数字信号通过处理都可以转换为高低电平信号。在此不作介绍，因为相关信号转换处理的部分，教材等书籍已有发明的介绍，非本发明要保护的内容。其中带掩盖的有用信号s按照如下模式生成：

s＝0.2sign(sin2πt/T)*s_w；

其中，T为高低电平的最小周期。在此选取T＝0.5s。sign为符号函数，定义如下：

s_w为随机信号，在每个周期的起始点生成一次，后续保持不变。即s_w＝sign(rand-0.5)，其中rand为(0，1)之间的随机数。

更进一步的，设定接收端系统初始状态设为y₁(0)＝-3.2、x₂(0)＝-5.3、x₃(0)＝4。

并且，设定大增益滑模反馈的同步规律的参数如下：

k₁＝5,k₂＝0.2，k₃＝-60,k₄＝-10,k₅＝2.5，

k₆＝-3,k₇＝-0.2,k₈＝-3，k₉＝0.2；

最终同步控制规律能够保证接收端系统与发送端系统的状态同步，即所有误差逐步趋近于0，但又完全回到0，该状态有利于后面从误差信号恢复有用信息。其误差曲线图3、图4与图5所示。

最后，先采用s_a＝x_1a-y₁解算出信息s_a，如图6所示，再设定参数s_f＝0.1与F＝0.21，对s_a进行脉冲滤波处理，得到有用信息的估计信号其与原信息的对比如图7所示，由图7可以看出，绿色与蓝色所代表的高低电平信号，能够完全保持一致。其幅值上的差别0.01是为了便于分辨两者曲线而特意设置的，在实际使用中，设置F＝0.2则可使得解密后信号与原信号完全一致。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims

1.一种基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，其特征在于，发送端构建驱动混沌系统包括：

3.根据权利要求2所述的基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，其特征在于，构造响应混沌系统包括：

4.根据权利要求3所述的基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，其特征在于，根据所述发送端发送的混沌信号以及响应混沌系统构造误差信号以及同步规律包括：

e₁＝y₁-x_1a；

e₂＝y₂-x₂；

e₃＝y₃-x₃；

并且有：

u₁＝-u_1a；

u₃＝-u_3a-u_3b；

u_3b＝-y₁y₂+x₁x₂+d₄(y₁-x₁)；

5.根据权利要求4所述的基于误差掩盖与混沌同步的保密通信方法，其特征在于，根据所述响应混沌系统的第一个参数以及所述混沌信号中包括的加密信息，得到解密信息包括：

s_a＝x_1a-y₁；

其中，s_a为解密信息，x_1a为已加密信息。