CN113595716A - 一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法 - Google Patents

一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，在发送端，原始发送的数据首先利用产生的x序列进行异或加密，然后经过QPSK映射，映射后的数据利用y和z序列进行置乱加密和利用w和t序列进行插值加密之后，通过RRC滤波器以及HPA后送入卫星信道；在接收端，首先对接收到的信号进行补偿，然后再进行解插值和解置乱，再通过QPSK解调之后通过异或操作，恢复出未加密的信号。本发明通过使用五维的整数域混沌系统进行卫星系统的安全通信，在具有较低复杂度的同时解决了传统的混沌系统由于计算机精度有限导致的混沌动力学退化的短周期现象。

Description

一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法。
背景技术
由于无线信道的开放性，卫星通信容易受到安全威胁，保障卫星通信安全极为重要。
由于混沌序列具有初值敏感性、不可预测性以及伪随机性的特点，将其应用在卫星通信系统的物理层加密上可以有效的实现安全通信。采用混沌系统的初值作为密钥，利用混沌序列的状态值实现物理层上的加密。
例如，文献1(Zhang,X.,G.Zhu and S.Ma,Remote-sensing image encryption inhybrid domains.Optics Communications,2012.285(7):p.1736-1743)提出了一种新的混合域图像加密算法，对经过IDWT重构后的图像进行二维Logistic映射扩散和空间异或运算。文献2(Usama,M.,et al.,Chaos-based secure satellite imagerycryptosystem.Computers&Mathematics with Applications,2010.60(2):p.326-337)利用Logistic、Henon、Tent、Cubic、Sine和Chebyshev等多种混沌映射来增强卫星图像的密钥空间、鲁棒性和安全性。然而，当混沌系统在计算精度有限的硬件设备中实现时，不可避免的会出现混沌动力学的退化问题。
为了解决混沌动力学退化的问题，文献3(Zhongyun,Hua,Yicong,&Zhou.(2017).One-dimensional nonlinear model for producing chaos.IEEE Transactions onCircuits&Systems I Regular Papers.)将两个现有的一维混沌映射为新的混沌系统。文献4(Nagaraj N,Shastry M C,Vaidya P G.Increasing Average Period Lengths bySwitching of Robust Chaos Maps in Finite Precision[J].European PhysicalJournal Special Topics,2008,165(1):73-83)提出再多个相同或不同的混沌系统中不断切换来增大混沌序列平均周期长度。文献5(CN104022863B一种整数域混沌电路)实现了整数域混沌系统的电路。
现有的解决混沌动力学退化问题的方案，均是通过级联多个混沌系统、增大计算精度的方式进行。这样不仅会增加成本，级联多个混沌系统的方案也提高了周期的循环长度和计算复杂度，同时引入了输出序列分布不均匀的问题。可见，他们都没有从根本上解决混沌动力学退化的问题。
因此，如何消除混沌动力学的退化，同时不会引入其他问题是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，实现对卫星通信系统的安全传输，同时，相较于上述的方案，能够从根本上解决混沌动力学退化的问题，而且，计算复杂度较低，不会引入其他的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，所述的五维整数域混沌系统迭代方程表示为：
Figure BDA0003191566110000021
Figure BDA0003191566110000022
Figure BDA0003191566110000023
Figure BDA0003191566110000024
Figure BDA0003191566110000025
其中，x、y、z、w和t是五个维度的混沌状态值，取值为0～2N-1，N为二进制数表示的位数，Sn、Un、Vn、Ln及Mn是单边无穷随机序列，取值为0～2N-1；
卫星安全传输方法的传输过程为：
在发送端，原始发送的数据首先利用产生的x序列进行异或加密，然后经过QPSK映射，映射后的数据利用y和z序列进行置乱加密和利用w和t序列进行插值加密之后，通过RRC滤波器以及HPA后送入卫星信道；在接收端，首先对接收到的信号进行补偿，然后再进行解插值和解置乱，再通过QPSK解调之后通过异或操作，恢复出未加密的信号。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，异或加密方程表示为：
Figure BDA0003191566110000031
其中，Data是原始未加密的输入数据，x_sequence是产生的混沌序列。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，置乱加密的方法为：
将数据进行分组，分为N个组，每组数据有256个点，取产生的y序列作为置乱的组数，取产生的z序列作为每组中置乱的数据的位置，然后进行置乱，其中，N＝M/256，M是数据的个数，不能被256整除的N先在后面添加0，然后再整除。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，插值加密的方法为：
取w序列的值作为在Data_scramble中插入数据的位置，取t序列的值作为在Data_scramble中取出插入数据的位置，然后将取出的数据插入到w序列表示的位置上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，与传统的AES等的加密方式相比，本发明的计算复杂度大大降低，同时，由于本发明的混沌系统在整数域上进行迭代，精度确定，不会出现混沌动力学退化的问题，大大提高了混沌加密系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法流程图。
图2-图6分别为本发明实施例提供的x、y、z、w、t五个维度产生的序列图。
图7为本发明实施例提供的未经位置置乱加密的序列图。
图8为本发明实施例提供的经过位置置乱加密的序列图。
图9为本发明实施例提供的未经插值加密的序列图。
图10为本发明实施例提供的经过插值加密的序列图。
图11为本发明实施例提供的仿真后的误码率结果曲线图。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
本发明提供了一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，所述的五维整数域混沌系统迭代方程表示为：
Figure BDA0003191566110000041
其中，x、y、z、w和t是五个维度的混沌状态值，取值为0～2N-1，N为二进制数表示的位数，Sn、Un、Vn、Ln及Mn是单边无穷随机序列，取值为0～2N-1；产生的序列图如1所示。
如图1所示，基于五维整数域混沌系统的安全传输方法的传输过程为：
在发送端，原始发送的数据首先利用产生的x序列进行异或加密，然后经过正交相移键控(QPSK)映射，映射后的数据利用y和z序列进行置乱加密和利用w和t序列进行插值加密之后，通过RRC滤波器以及高功率放大器(HPA)后送入卫星信道；在接收端，首先对接收到的信号进行补偿，然后再进行解插值和解置乱，再通过QPSK解调之后通过异或操作，恢复出未加密的信号。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，异或加密方程表示为：
Figure BDA0003191566110000051
其中，Data是原始未加密的输入数据，x_sequence是产生的混沌序列。将Data_xor进行QPSK映射之后再执行位置置乱加密和插值加密。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，置乱加密的方法为：
将数据进行分组，分为N个组，每组数据有256个点，取产生的y序列作为置乱的组数，取产生的z序列作为每组中置乱的数据的位置，然后进行置乱，其中，N＝M/256，M是数据的个数，不能被256整除的N先在后面添加0，然后再整除。
未经置乱加密的序列如图7所示，经过置乱加密的序列如图8所示，从图8可以看出，混沌序列随机控制置乱数据的位置，完成数据的置乱，该过程由混沌序列，具有无序性和不可预测性。
上述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法中，插值加密的方法为：
取w序列的值作为在Data_scramble中插入数据的位置，取t序列的值作为在Data_scramble中取出插入数据的位置，然后将取出的数据插入到w序列表示的位置上。未经过插值加密的序列如图9所示，经过插值加密的序列如图10所示，由于产生插值的位置以及取出插值数据的位置都是由混沌序列控制，同样具有无序性和不可预测性，因此产生的插值加密效果较好。
采用本发明的方法仿真后的误码率结果如图11所示，在接收端知道正确密钥的情况下，解的的误码率与原始QPSK系统的误码率相同，并且随着信噪比的升高，误码率逐渐趋近于0；在非法接收机端，不知道正确的密钥的情况下，误码率保持在0.744左右。从误码率曲线中可以看出，我们的混沌系统在未知正确密钥的情况下，误码率较高，非法接收者不能够正确解密出我们的传输信息，具有较高的安全性。
本发明通过使用五维的整数域混沌系统进行卫星系统的安全通信，在具有较低复杂度的同时解决了传统的混沌系统由于计算机精度有限导致的混沌动力学退化的短周期现象。
综上，本发明方法具有较好的安全性，同时，计算复杂度较低，不会引入其他的问题，能够从根本上解决混沌动力学退化的问题，可以应用在卫星通信系统进行信息的安全传输。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，其特征在于，所述的五维整数域混沌系统迭代方程表示为：
Figure FDA0003191566100000011
Figure FDA0003191566100000012
Figure FDA0003191566100000013
Figure FDA0003191566100000014
Figure FDA0003191566100000015
其中，x、y、z、w和t是五个维度的混沌状态值，取值为0～2N-1，N为二进制数表示的位数，Sn、Un、Vn、Ln及Mn是单边无穷随机序列，取值为0～2N-1；
安全传输方法的传输过程为：
在发送端，原始发送的数据首先利用产生的x序列进行异或加密，然后经过QPSK映射，映射后的数据利用y和z序列进行置乱加密和利用w和t序列进行插值加密之后，通过RRC滤波器以及HPA后送入卫星信道；在接收端，首先对接收到的信号进行补偿，然后再进行解插值和解置乱，再通过QPSK解调之后通过异或操作，恢复出未加密的信号。
2.根据权利要求1所述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，其特征在于，异或加密方程表示为：
Figure FDA0003191566100000016
其中，Data是原始未加密的输入数据，x_sequence是产生的混沌序列。
3.根据权利要求1所述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，其特征在于，置乱加密的方法为：
将数据进行分组，分为N个组，每组数据有256个点，取产生的y序列作为置乱的组数，取产生的z序列作为每组中置乱的数据的位置，然后进行置乱，其中，N＝M/256，M是数据的个数，不能被256整除的N先在后面添加0，然后再整除。
4.根据权利要求1所述的基于五维整数域混沌系统的安全传输方法，其特征在于，插值加密的方法为：
取w序列的值作为在Data_scramble中插入数据的位置，取t序列的值作为在Data_scramble中取出插入数据的位置，然后将取出的数据插入到w序列表示的位置上。
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