CN114944875B - 一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法，包括：明文调制模块、非线性变换模块、超正交非线性变换模块、无线激光通信信道、混沌同步模块、模数转换模块、分段相关性解调模块。本发明通过在发送端产生安全抗噪的光混沌键控信号，主要包含两路非线性延时反馈环路；经过偏振控制后，激光器发出两路偏振态正交的光信号，将两路信号注入电光调制器进行调制，输出新的二维混沌光信号会随着明文信号加载以动态变化权重进行耦合；在接收端，设计基于超正交特性的鲁棒混沌键控信号同步解调策略，在低信噪比条件下也能实现高质量的安全光传输，从而有效抵抗针对混沌键控的返回映射攻击，为恶劣通信条件下的安全传输提供可能。

Description

一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法
技术领域
本发明涉及混沌保密技术领域，具体为一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法。
背景技术
光通信作为通信网络的核心骨干，在新基建助推下将迎来新一轮发展契机，同时也为我国的网络安全带来了全新的挑战。物理层作为整个OSI模型的最底层，能为整个光网络提供不可替代的高权重的安全性保障，混沌光信号具有类噪声、遍历性、非周期等特性，尤其具有连续宽频谱特性，探索和利用混沌光信号来实现物理层保密技术方兴未艾。混沌保密通信体制可分为三类：混沌掩盖、混沌参数调制和混沌键控。基于混沌掩盖体制的大容量长距离的混沌光纤保密通信已率先取得突破性进展。丰富的理论和实验研究成果充分表明，在较理想高信噪比条件下的光纤信道中，混沌掩盖体制可为高速骨干光纤传输提供有效的安全防护。
然而，光网络是由涵盖光纤传输、无线光传输、光与无线融合传输、水下光、传输等多种信道共同链接而成的光传输网络。不仅提供骨干大容量信息传输，还覆盖了多种通信场景，如光接入短距互联网以及自然灾害场景下的应急通信等面向这些复杂通信场景下的安全光传输需求，需考虑更为严苛的通信约束，包括强噪声、强衰减，混沌掩盖体制难以兼顾安全性与抗噪声性能。混沌掩盖发射端将明文信号与混沌载波直接叠加进行调制，明文信号平均振幅需小于等于混沌载波平均振幅的1％，以抵抗能量检测等攻击。在强噪声通信场景下，能量微弱的明文信号易被噪声淹没而难以恢复相较于混沌掩盖和混沌参数调制，混沌键控的抗噪性能更优。混沌键控将低频信息弥散到整个宽带混沌载波上，天然具有扩频通信的特征，可有效提高系统抗噪容限。光混沌信号不仅具有扩频信号所需的良好自互相关特性，还具有突出的连续宽频谱特性，基于光混沌的键控体制具有独特优势：克服电子瓶颈、增大信号带宽、以提升抗噪容限，同时可继承模拟混沌信号的类随机、不可预测性以保证安全性。
为此，建立光混沌键控保密通信体制有望为强噪声通信场景下的安全光传输提供可行途径，与光纤混沌保密技术合力构建安全光网络防护体系。根据通信接收端是否需要恢复混沌载波，混沌键控保密体制主要分为：非相干混沌键控和相干混沌键控，二者各具特点，亦存在不足。从安全角度出发，基于混沌载波恢复的相干混沌键控通信体制具有更高的安全性。从可靠性出发，无需混沌载波恢复的非相干键控规避了混沌系统的参数敏感性，具有更好的抗噪性能。通过以上分析可知，相干/非相干混沌键控的高安全与高可靠性难以兼顾。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法。
本发明是这样实现的，一种超正交电光混沌保密通信系统，包括：明文调制模块、非线性变换模块、超正交非线性变换模块、无线激光通信信道、混沌同步模块、模数转换模块、分段相关性解调模块；
所述明文调制模块的输出端连接非线性变换模块和超正交非线性变换模块的输入端，用于将模拟明文信号m(t)和它的正交信号1-m(t)分别控制两个非线性变换模块中激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文信号规律发生强弱变化；
所述非线性变换模块的输入端连接明文调制模块和超正交非线性变换模块的输出端，所述非线性变换模块的输出端连接超正交非线性变换模块和无线激光通信信道的输入端，用于对激光器输出的连续光信号进行偏振控制、双驱动电光调制和延时反馈等一系列非线性变换处理，使输出后的第一混沌光信号s1(t)具有混沌特性；
所述超正交非线性变换模块的其输入端连接明文调制模块和非线性变换模块的输出端，所述超正交非线性变换模块的输出端连接非线性变换模块和无线激光通信信道的输入端，用于对激光器输出的连续光信号进行偏振控制、反向双驱动电光调制和不同延时反馈等一系列非线性变换处理，使输出后的第二混沌光信号s2(t)具有混沌特性，经过偏振控制后，激光器发出的光信号与非线性变换模块中激光器发出的光信号呈现偏振态正交的状态；
所述无线激光通信信道的输入端连接非线性变换模块和超正交非线性变换模块的输出端，所述无线激光通信信道的输出端连接混沌同步模块的输入端，用于将第一混沌光信号s1(t)和它的超正交信号第二混沌光信号s2(t)进行耦合，输出新的二维混沌光信号即为加密的光混沌键控信号，并对其进行长距离无线传输；
所述混沌同步模块的输入端连接无线激光通信信道的输出端，所述混沌同步模块的输出端连接模数转换模块的输入端，用于对接收到的加密光混沌键控信号s(t)进行两路不同延时的混沌同步，产生的第一同步信号s’1(t)、第二同步信号s’2(t)和加密信号一起为进一步混沌解调奠定基础；
所述模数转换模块的输入端连接混沌同步模块，所述模数转换模块的输出端连接分段相关性解调模块，用于将三路混沌同步信号转换为并行数字信号；
所述分段相关性解调模块的输入端连接模数转换模块的输出端，用于分别对第一同步信号s’1(t)和第二同步信号s’2(t)与光混沌键控信号s(t)进行分段相似度量，将两个相似度进行大小对比，解调恢复01比特信息。
作为本发明的一种优选技术方案，所述明文调制模块包括模拟明文信号和正交明文电信号，所述模拟明文信号的输出端连接非线性变换模块的输入端，用于控制激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文规律发生强弱变化，所述正交明文电信号的输出端连接超正交非线性变换模块的输入端，用于将正交的明文信息信号控制本支路激光器的电流驱动，使输出光强发生相反的强弱变化。
作为本发明的一种优选技术方案，所述非线性变换模块包括第一电光延时反馈回路和第一电开关，所述超正交非线性变换模块包括第二电光延时反馈回路和第二电开关，所述第一电光延时反馈回路的输入端连接第一电开关和第二电开关的输出端，所述第一电光延时反馈回路的输出端连接第一电开关的输入端，用于对连续偏振光信号进行非线性变换处理，将迭代输出后的第一混沌电信号x1(t)作为电光调制的电驱动之一；所述第一电开关的输入端连接第一电光延时反馈回路的输出端，所述第一电开关的输出端连接第一电光延时反馈回路和第二电光延时反馈回路的输入端，用于将第一电光延时反馈回路输出的第一混沌电信号x1(t)分成等价的两路信号，分别驱动两个非线性变化模块的电光调制；所述第二电光延时反馈回路的输入端连接第一电开关和第二电开关的输出端，所述第二电光延时反馈回路的输出端连接第二电开关的输入端，用于对连续偏振光信号进行非线性变换处理，将迭代输出后的第二混沌电信号x2(t)作为电光调制另一端的电驱动；所述第二电开关的输入端连接第二电光延时反馈回路的输出端，所述第二电开关的输出端连接第一电光延时反馈回路和第二电光延时反馈回路的输入端，用于将第二电光延时反馈回路输出的第二混沌电信号x2(t)分成等价的两路信号，分别驱动两个非线性变化模块的电光调制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述无线激光通信信道包括大气信道，用于进行短距离传输混沌光信号。
作为本发明的一种优选技术方案，所述混沌同步模块包括第一同步模块、第二同步模块和参考信号同步模块，所述第一同步模块的输入端连接无线激光通信信道的输出端，所述第一同步模块的输出端连接模数转换模块的输入端，用于对接收信号进行与非线性变换模块延时同步的非线性处理，实现与发送端的混沌同步，产生的第一同步信号s’1(t)为进一步混沌解调奠定基础，所述第二同步模块的输入端连接无线激光通信信道的输出端，所述第二同步模块的输出端连接模数转换模块的输入端，用于对接收信号进行与超正交非线性变换模块延时同步的非线性处理，实现与发送端的混沌同步，产生的第二同步信号s’2(t)为进一步混沌解调奠定基础，所述参考信号同步模块的输入端连接无线激光通信信道的输出端，所述参考信号同步模块的输出端连接模数转换模块的输入端，用于对光混沌键控信号s(t)进行光电转换，为数字信号处理过程做准备。
作为本发明的一种优选技术方案，所述模数转换模块包括时钟控制器、模数转换器、缓存器，所述时钟控制器的输出端连接模数转换器和缓存器，所述模数转换器第一路输入端连接时钟控制器的输出端；第二路输入端连接第一同步模块的输出端，第三路输入端连接第二同步模块的输出端，第四路输入端连接参考信号同步模块的输出端；所述缓存器的输入端连接时钟控制器和模数转换器的输出端，所述缓存器的输出端连接分段相关性解调模块的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述分段相关性解调模块包括第一相关性解调模块、第二相关性解调模块和相关性大小对比模块，所述第一相关性解调模块的输入端连接模数转换模块的输出端，用于将第一同步信号s’1(t)与光混沌键控信号s(t)进行相关系数计算，输出相关性大小C1，所述第二相关性解调模块的输入端连接模数转换模块的输出端，用于将第二同步信号s’2(t)与光混沌键控信号s(t)进行相关系数计算，输出相关性大小C2，所述相关性大小对比模块的输入端连接第一相关性解调模块和第二相关性解调模块的输出端，用于将相关性大小C1和C2进行对比，解调出相应的明文信息。
本发明的另一目的在于提供一种超正交电光混沌保密通信方法，包括以下步骤：
步骤一，发送端包含两路非线性延时反馈环路，一路明文信息信号控制激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文规律发生强弱变化，另一路用正交的明文信息信号控制本支路激光器的电流驱动，使输出光强发生相反的强弱变化；
步骤二，经过偏振控制后，激光器发出两路偏振态正交的光信号，将两路信号注入电光调制器进行调制，输出新的二维混沌光信号互为超正交，且会随着明文信号加载以动态变化权重进行耦合，耦合信号即为加密的光混沌键控信号；
步骤三，接收端收到的加密信号被分为三路，一路信号作为参考信号直接进行预处理，另外两路信号分别通过不同的延时环路，稳定同步恢复二维扩频同步信号；
步骤四，将参考信号和二维同步信号分别进行分段相关性计算，相关性差值的值域上下限决定了解调的抗噪容限；
步骤五，重复步骤一至步骤四，实现超正交电光混沌保密通信。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二具体包括：
步骤(2.1)经过偏振控制后，第一路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第一混沌电信号x1(t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器；
步骤(2.2)第二路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第二混沌电信号x2(t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器的另一个驱动端口；
步骤(2.3)两路电光调制的输出光信号随着明文动态变化权重进行耦合，将耦合后的模拟混沌光信号作为加密信号，同时反馈到两路电光延时反馈回路；
步骤(2.4)发送光混沌键控加密信号，实现编码调制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三具体包括：
步骤(3.1)接收信号分为三路，第一路直接进行光电转换预处理操作，作为解调过程中的参考信号；
步骤(3.2)另外两路由与发送端设置相同的激光器驱动，经过与发送端相同的延时和电光调制后，在密文对称驱动下，可稳定同步恢复二维扩频信号；
步骤(3.3)将三路同步信号进行模数转换预处理，为相关系数对比计算做准备。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述超正交电光混沌保密通信方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述超正交电光混沌保密通信方法。
本发明的有益效果：本发明通过提供的超正交电光混沌保密通信方法，提出了可抗返回映射攻击及延时密钥破译的安全光混沌键控信号产生方法，针对键控切换引起的扩频信号振幅抖动会泄露明文信息及光混沌源固有非线性延时函数映射关系会导致安全性漏洞两个问题，设计密文延时反馈闭环结构，提出共驱二维光混沌扩频信号产生策略，在相同信号驱动下，产生振幅信息无偏差的二维扩频信号，经过不同的延时处理后，对应数字信息0和1进行信息调制，可有效抵抗返回映射攻击；提出基于超正交特性的鲁棒混沌键控信号同步解调策略，研究高可靠混沌键控解调机制，在接收端设计密文对称驱动下的开环同步结构，在对称信号诱导下，可同步恢复两路光扩频信号，无需进行同步与非同步的交替判决，从根本上规避切换所导致的同步干扰问题，进一步设计基于相关性检测对比的同步解调算法，从而最大化基于相关性检测解扩的抗噪容限，提高系统的抗噪性能。
附图说明
图1为本发明混沌保密通信系统原理图；
图2为本发明混沌保密通信系统结构图；
图3为本发明通信性能波形图的1Gb/s数字消息传输示意图；
图4为本发明发送端传输信号s(t)波形示意图；
图5为本发明传输信号的对应频谱示意图；
图6为本发明消息恢复示意图；
图7为本发明安全性分析中ACF分析结果图；
图8为本发明安全性分析中DMI分析结果图；
图9为本发明安全性分析中延时提取分析结果图；
图10为本发明安全性分析中返回映射轨迹图；
图11为本发明对2Gbit/s比特信息进行加密解密，误码率随传输速率和信噪比变化的轨迹图。
图中：1、明文调制模块；11、模拟明文信号；12、正交明文电信号；2、非线性变换模块；21、第一电光延时反馈回路；22、第一电开关；3、超正交非线性变换模块；31、第二电光延时反馈回路；32、第二电开关；4、无线激光通信信道；5、混沌同步模块；51、第一同步模块；52、第二同步模块；53、参考信号同步模块；6、模数转换模块；7、分段相关性解调模块；71、第一相关性解调模块；72、第二相关性解调模块；73、相关性大小对比模块。
具体实施方式
实施例1
如图1至图11所示，针对现有技术存在的问题，本发明公开了一种超正交电光混沌保密通信系统和通信方法。
本发明实施例提供的超正交电光混沌保密通信系统包括：明文调制模块1、非线性变换模块2、超正交非线性变换模块3、无线激光通信信道4、混沌同步模块5、模数转换模块6、分段相关性解调模块7；
所述明文调制模块1的输出端连接非线性变换模块2和超正交非线性变换模块3的输入端，用于将模拟明文信号m(t)和它的正交信号1-m(t)分别控制两个非线性变换模块中激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文信号规律发生强弱变化；
所述非线性变换模块2的输入端连接明文调制模块1和超正交非线性变换模块3的输出端，所述非线性变换模块2的输出端连接超正交非线性变换模块3和无线激光通信信道4的输入端，用于对激光器输出的连续光信号进行偏振控制、双驱动电光调制和延时反馈等一系列非线性变换处理，使输出后的第一混沌光信号s1(t)具有混沌特性；
所述超正交非线性变换模块3的输入端连接明文调制模块1和非线性变换模块2的输出端，所述超正交非线性变换模块3的输出端连接非线性变换模块2和无线激光通信信道4的输入端，用于对激光器输出的连续光信号进行偏振控制、反向双驱动电光调制和不同延时反馈等一系列非线性变换处理，使输出后的第二混沌光信号s2(t)具有混沌特性，经过偏振控制后，激光器发出的光信号与非线性变换模块2中激光器发出的光信号呈现偏振态正交的状态；
所述无线激光通信信道4的输入端连接非线性变换模块2和超正交非线性变换模块3的输出端，所述无线激光通信信道4的输出端连接混沌同步模块5的输入端，用于将第一混沌光信号s1(t)和它的超正交信号第二混沌光信号s2(t)进行耦合，输出新的二维混沌光信号即为加密的光混沌键控信号，并对其进行长距离无线传输；
所述混沌同步模块5的输入端连接无线激光通信信道4的输出端，所述混沌同步模块5的输出端连接模数转换模块6的输入端，用于对接收到的加密光混沌键控信号s(t)进行两路不同延时的混沌同步，产生的第一同步信号s’1(t)、第二同步信号s’2(t)和加密信号一起为进一步混沌解调奠定基础；
所述模数转换模块6的输入端连接混沌同步模块5，所述模数转换模块6的输出端连接分段相关性解调模块7，用于将三路混沌同步信号转换为并行数字信号；
所述分段相关性解调模块7的输入端连接模数转换模块6的输出端，用于分别对第一同步信号s’1(t)和第二同步信号s’2(t)与光混沌键控信号s(t)进行分段相似度量，将两个相似度进行大小对比，解调恢复01比特信息，所述分段相关性解调模块7不限于采用计算相关系数的方法进行相关性测量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述明文调制模块1包括模拟明文信号11和正交明文电信号12，所述模拟明文信号11的输出端连接非线性变换模块2的输入端，用于控制激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文规律发生强弱变化，所述正交明文电信号12的输出端连接超正交非线性变换模块3的输入端，用于将正交的明文信息信号控制本支路激光器的电流驱动，使输出光强发生相反的强弱变化。
作为本发明的一种优选技术方案，所述非线性变换模块2包括第一电光延时反馈回路21和第一电开关22，所述超正交非线性变换模块3包括第二电光延时反馈回路31和第二电开关32，所述第一电光延时反馈回路21的输入端连接第一电开关22和第二电开关32的输出端，所述第一电光延时反馈回路21的输出端连接第一电开关22的输入端，用于对连续偏振光信号进行非线性变换处理，将迭代输出后的第一混沌电信号x1(t)作为电光调制的电驱动之一；所述第一电开关22的输入端连接第一电光延时反馈回路21的输出端，所述第一电开关22的输出端连接第一电光延时反馈回路21和第二电光延时反馈回路31的输入端，用于将第一电光延时反馈回路21输出的第一混沌电信号x1(t)分成等价的两路信号，分别驱动两个非线性变化模块的电光调制；所述第二电光延时反馈回路31的输入端连接第一电开关22和第二电开关32的输出端，所述第二电光延时反馈回路31的输出端连接第二电开关32的输入端，用于对连续偏振光信号进行非线性变换处理，将迭代输出后的第二混沌电信号x2(t)作为电光调制另一端的电驱动；所述第二电开关32的输入端连接第二电光延时反馈回路31的输出端，所述第二电开关32的输出端连接第一电光延时反馈回路21和第二电光延时反馈回路31的输入端，用于将第二电光延时反馈回路31输出的第二混沌电信号x2(t)分成等价的两路信号，分别驱动两个非线性变化模块的电光调制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述无线激光通信信道4包括大气信道41，用于进行短距离传输混沌光信号。
作为本发明的一种优选技术方案，所述混沌同步模块5包括第一同步模块51、第二同步模块52和参考信号同步模块53，所述第一同步模块51的输入端连接无线激光通信信道4的输出端，所述第一同步模块51的输出端连接模数转换模块6的输入端，用于对接收信号进行与非线性变换模块2延时同步的非线性处理，实现与发送端的混沌同步，产生的第一同步信号s’1(t)为进一步混沌解调奠定基础，所述第二同步模块52的输入端连接无线激光通信信道4的输出端，所述第二同步模块52的输出端连接模数转换模块6的输入端，用于对接收信号进行与超正交非线性变换模块3延时同步的非线性处理，实现与发送端的混沌同步，产生的第二同步信号s’2(t)为进一步混沌解调奠定基础，所述参考信号同步模块53的输入端连接无线激光通信信道4的输出端，所述参考信号同步模块53的输出端连接模数转换模块6的输入端，用于对光混沌键控信号s(t)进行光电转换，为数字信号处理过程做准备。
作为本发明的一种优选技术方案，所述模数转换模块6包括时钟控制器61、模数转换器62、缓存器63，所述时钟控制器61的输出端连接模数转换器62和缓存器63，用于提供时钟信号，使所控制的数字器件正常工作；所述模数转换器62第一路输入端连接时钟控制器61的输出端，第二路输入端连接第一同步模块51的输出端，第三路输入端连接第二同步模块52的输出端，第四路输入端连接参考信号同步模块53的输出端，用于在时钟信号的驱动下将三路连续模拟电信号转换为三路并行数字信号；所述缓存器63的输入端连接时钟控制器61和模数转换器62的输出端，所述缓存器63的输出端连接分段相关性解调模块7的输入端，用于临时存储模数转换器62输出的三路并行数字信号s(t)、s’1(t)和s’2(t)。
作为本发明的一种优选技术方案，所述分段相关性解调模块7包括第一相关性解调模块71、第二相关性解调模块72和相关性大小对比模块73，所述第一相关性解调模块71的输入端连接模数转换模块6的输出端，用于将第一同步信号s’1(t)与光混沌键控信号s(t)进行相关系数计算，输出相关性大小C1；
Figure BDA0003630675550000111
所述第二相关性解调模块72的输入端连接模数转换模块6的输出端，用于将第二同步信号s’2(t)与光混沌键控信号s(t)进行相关系数计算，输出相关性大小C2；
Figure BDA0003630675550000121
所述相关性大小对比模块73的输入端连接第一相关性解调模块71和第二相关性解调模块72的输出端，用于将相关性大小C1和C2进行对比，解调出相应的明文信息。
另一方面，本发明提供一种超正交电光混沌保密通信方法，包括以下步骤：
步骤一，发送端包含两路非线性延时反馈环路，一路明文信息信号控制激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文规律发生强弱变化，另一路用正交的明文信息信号控制本支路激光器的电流驱动，使输出光强发生相反的强弱变化；
步骤二，经过偏振控制后，激光器发出两路偏振态正交的光信号，将两路信号注入电光调制器进行调制，输出新的二维混沌光信号互为超正交，且会随着明文信号加载以动态变化权重进行耦合，耦合信号即为加密的光混沌键控信号；
步骤三，接收端收到的加密信号被分为三路，一路信号作为参考信号直接进行预处理，另外两路信号分别通过不同的延时环路，稳定同步恢复二维扩频同步信号；
步骤四，将参考信号和二维同步信号分别进行分段相关性计算，相关性差值的值域上下限决定了解调的抗噪容限；
步骤五，重复步骤一至步骤四，实现超正交电光混沌保密通信。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二具体包括：
步骤(2.1)经过偏振控制后，第一路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第一混沌电信号x1(t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器；
步骤(2.2)第二路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第二混沌电信号x2(t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器的另一个驱动端口；
步骤(2.3)两路电光调制的输出光信号随着明文动态变化权重进行耦合，将耦合后的模拟混沌光信号作为加密信号，同时反馈到两路电光延时反馈回路；
步骤(2.4)发送光混沌键控加密信号，实现编码调制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三具体包括：
步骤(3.1)接收信号分为三路，第一路直接进行光电转换预处理操作，作为解调过程中的参考信号；
步骤(3.2)另外两路由与发送端设置相同的激光器驱动，经过与发送端相同的延时和电光调制后，在密文对称驱动下，可稳定同步恢复二维扩频信号；
步骤(3.3)将三路同步信号进行模数转换预处理，为相关系数对比计算做准备。
另一方面，本发明提供一种信息数据处理终端，用于实现所述超正交电光混沌保密通信方法。
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述超正交电光混沌保密通信方法。
下面结合实验数据与仿真结果对本发明的积极效果作进一步描述。
在上述思路指导下，使用MATLAB R2018b仿真环境对方案有效性进行了验证，延时微分方程的求解使用四阶龙格库塔算法。仿真采样率设置为60-GS/s，仿真结果见图3至图6。传输1Gb/s消息信号的波形如图3所示，图4所示为传输信息混沌信号s(t)。二进制数字信号的功率扩展到约20GHz带宽，如图5所示。结果表明，在时域和频域均没有明显的特征。通过计算接收端C1-C2相关比较，在信噪比为10dB时，无错解密结果如图6所示。结果表明，该通信系统具有良好的安全性和抗噪声性能。
进而对系统的安全性进行了详细的评价。我们考虑以下两种攻击场景：加密密钥TDS的提取和通过提取密文的统计属性来解码消息，如自相关函数(ACF)和延迟互信息(DMI)。ACF和DMI对噪声具有鲁棒性，对于时间序列x(t)，定义如下：
Figure BDA0003630675550000141
Figure BDA0003630675550000142
时间延迟设置为τ1＝20ns和τ2＝30ns，TDS提取结果如图7和图8所示，使用传输信号s(t)计算的ACF和DMI中没有明显的峰值，这意味着窃听者不能通过使用ACF和DMI提取TDS。然而，具有抗统计分析能力并不意味着对反向模型分析具有抵抗力，最近提出的一种基于深度学习的TDS提取方法，对时延混沌通信系统的安全提出了新的威胁。通过训练加密信号及其延迟变量之间的关系，可以得到一个模型集，利用它的预测能力识别TDS。图9所示的结果表明，在为τ1＝20ns和τ2＝30ns定义的区间没有明显的峰值，通信系统能够成功地克服时延恢复。
另一方面，返回映射是对混沌键控保密体制威胁最大的攻击方式。在传统的混沌键控通信系统中，信息信号用来调制(改变)混沌发射机的参数，使其工作在不同的混沌吸引子中。由于局部极大值和局部极小值可以揭示吸引子的振幅信息，因此基于极值统计特性的返回映射攻击于1995年被提出，其轨迹会随着发射机参数的改变而发生位移。假设Qn和Pn分别为混沌系统输出信号x(t)的第n个局部最大值及第n个局部最小值，则有如下变量：
Figure BDA0003630675550000143
以此可根据混沌系统的输出信号x(t)构建An-Bn平面内的返回映射轨迹，根据轨迹的平移来破解“1”或“0”比特信息。本发明所得返回映射轨迹如图10所示。可以看出，返回映射中的轨迹弥漫整个区间，无法从中提取有用信息。
最后，本发明分析了不同信息传输速率和不同的信噪比对解密误码率的影响。当信噪比为5，10，15db时，误码率与数据率的关系如图11所示。可以看出，随着比特率的增加和信噪比的降低，误码率性能越来越差。当数据传输速率达到2Gbit/s时，信噪比应达到SNR＝10dB，即可保持无误码传输。对于信噪比为5，10，15db，要达到BER＝3.8×10-3，数据速率应分别低于800Mbit/s、4Gbit/s和6Gbit/s。即使信噪比降低到5dB，数据速率也能达到800Mbit/s。这些结果表明，在强噪声信道下，我们的通信系统的误码率性能仍然可以满足通信标准的要求。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，包括：明文调制模块（1）、非线性变换模块（2）、超正交非线性变换模块（3）、无线激光通信信道（4）、混沌同步模块（5）、模数转换模块（6）、分段相关性解调模块（7）；
所述明文调制模块（1）的输出端连接非线性变换模块（2）和超正交非线性变换模块（3）的输入端；
所述非线性变换模块（2）的输入端连接明文调制模块（1）和超正交非线性变换模块（3）的输出端，所述非线性变换模块（2）的输出端连接超正交非线性变换模块（3）和无线激光通信信道（4）的输入端；
所述超正交非线性变换模块（3）的其输入端连接明文调制模块（1）和非线性变换模块（2）的输出端，所述超正交非线性变换模块（3）的输出端连接非线性变换模块（2）和无线激光通信信道（4）的输入端；
所述无线激光通信信道（4）的输入端连接非线性变换模块（2）和超正交非线性变换模块（3）的输出端，所述无线激光通信信道（4）的输出端连接混沌同步模块（5）的输入端；
所述混沌同步模块（5）的输入端连接无线激光通信信道（4）的输出端，所述混沌同步模块（5）的输出端连接模数转换模块（6）的输入端；
所述模数转换模块（6）的输入端连接混沌同步模块（5），所述模数转换模块（6）的输出端连接分段相关性解调模块（7）；
所述分段相关性解调模块（7）的输入端连接模数转换模块（6）的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，所述明文调制模块（1）包括模拟明文信号（11）和正交明文电信号（12），所述模拟明文信号（11）的输出端连接非线性变换模块（2）的输入端，所述正交明文电信号（12）的输出端连接超正交非线性变换模块（3）的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，所述非线性变换模块（2）包括第一电光延时反馈回路（21）和第一电开关（22），所述超正交非线性变换模块（3）包括第二电光延时反馈回路（31）和第二电开关（32），所述第一电光延时反馈回路（21）的输入端连接第一电开关（22）和第二电开关（32）的输出端，所述第一电光延时反馈回路（21）的输出端连接第一电开关（22）的输入端；所述第一电开关（22）的输入端连接第一电光延时反馈回路（21）的输出端，所述第一电开关（22）的输出端连接第一电光延时反馈回路（21）和第二电光延时反馈回路（31）的输入端；所述第二电光延时反馈回路（31）的输入端连接第一电开关（22）和第二电开关（32）的输出端，所述第二电光延时反馈回路（31）的输出端连接第二电开关（32）的输入端；所述第二电开关（32）的输入端连接第二电光延时反馈回路（31）的输出端，所述第二电开关（32）的输出端连接第一电光延时反馈回路（21）和第二电光延时反馈回路（31）的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，所述无线激光通信信道（4）包括大气信道（41），所述混沌同步模块（5）包括第一同步模块（51）、第二同步模块（52）和参考信号同步模块（53），所述第一同步模块（51）的输入端连接无线激光通信信道（4）的输出端，所述第一同步模块（51）的输出端连接模数转换模块（6）的输入端，所述第二同步模块（52）的输入端连接无线激光通信信道（4）的输出端，所述第二同步模块（52）的输出端连接模数转换模块（6）的输入端，所述参考信号同步模块（53）的输入端连接无线激光通信信道（4）的输出端，所述参考信号同步模块（53）的输出端连接模数转换模块（6）的输入端。
5.根据权利要求1所述的一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，所述模数转换模块（6）包括时钟控制器（61）、模数转换器（62）、缓存器（63），所述时钟控制器（61）的输出端连接模数转换器（62）和缓存器（63），所述模数转换器（62）第一路输入端连接时钟控制器（61）的输出端；第二路输入端连接第一同步模块（51）的输出端，第三路输入端连接第二同步模块（52）的输出端，第四路输入端连接参考信号同步模块（53）的输出端；所述缓存器（63）的输入端连接时钟控制器（61）和模数转换器（62）的输出端，所述缓存器（63）的输出端连接分段相关性解调模块（7）的输入端。
6.根据权利要求1所述的一种超正交电光混沌保密通信系统，其特征在于，所述分段相关性解调模块（7）包括第一相关性解调模块（71）、第二相关性解调模块（72）和相关性大小对比模块（73），所述第一相关性解调模块（71）的输入端连接模数转换模块（6）的输出端，所述第二相关性解调模块（72）的输入端连接模数转换模块（6）的输出端，所述相关性大小对比模块（73）的输入端连接第一相关性解调模块（71）和第二相关性解调模块（72）的输出端。
7.一种超正交电光混沌保密通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，发送端包含两路非线性延时反馈环路，一路明文信息信号控制激光器的电流驱动，使激光器的输出光强随明文规律发生强弱变化，另一路用正交的明文信息信号控制本支路激光器的电流驱动，使输出光强发生相反的强弱变化；
步骤二，经过偏振控制后，激光器发出两路偏振态正交的光信号，将两路信号注入电光调制器进行调制，输出新的二维混沌光信号互为超正交，且会随着明文信号加载以动态变化权重进行耦合，耦合信号即为加密的光混沌键控信号；
步骤三，接收端收到的加密信号被分为三路，一路信号作为参考信号直接进行预处理，另外两路信号分别通过不同的延时环路，稳定同步恢复二维扩频同步信号；
步骤四，将参考信号和二维同步信号分别进行分段相关性计算，相关性差值的值域上下限决定了解调的抗噪容限；
步骤五，重复步骤一至步骤四，实现超正交电光混沌保密通信。
8.根据权利要求7所述的一种超正交电光混沌保密通信方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
步骤（2.1）经过偏振控制后，第一路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第一混沌电信号x 1 (t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器；
步骤（2.2）第二路偏振光经过延时反馈和光电调制后，将输出的第二混沌电信号x 2 (t)分成等价的两路信号，分别驱动两路电光调制器的另一个驱动端口；
步骤（2.3）两路电光调制的输出光信号随着明文动态变化权重进行耦合，将耦合后的模拟混沌光信号作为加密信号，同时反馈到两路电光延时反馈回路；
步骤（2.4）发送光混沌键控加密信号，实现编码调制；
所述步骤三具体包括：
步骤（3.1）接收信号分为三路，第一路直接进行光电转换预处理操作，作为解调过程中的参考信号；
步骤（3.2）另外两路由与发送端设置相同的激光器驱动，经过与发送端相同的延时和电光调制后，在密文对称驱动下，可稳定同步恢复二维扩频信号；
步骤（3.3）将三路同步信号进行模数转换预处理，为相关系数对比计算做准备。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求7~8任意一项所述的超正交电光混沌保密通信方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求7~9任意一项所述的超正交电光混沌保密通信方法。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002017536A1 (en) * 2000-08-02 2002-02-28 Adsecu Co., Ltd. Encryption system of digital signals using synchronization of chaos
JP2006237754A (ja) * 2005-02-22 2006-09-07 Gakushuin School Corp 量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置
CN102882608A (zh) * 2012-09-19 2013-01-16 大连理工大学 一种混沌正交复用保密光纤通信装置及方法
CN105187347A (zh) * 2015-09-30 2015-12-23 南京邮电大学 多元正交混沌移位键控调制解调方法
CN107689862A (zh) * 2016-08-03 2018-02-13 西南大学 一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置
CN108365945A (zh) * 2018-01-24 2018-08-03 南京邮电大学 基于两路索引调制的差分混沌移位键控调制解调器及方法
CN108833089A (zh) * 2018-05-24 2018-11-16 太原理工大学 基于混沌激光相干键控的高速密钥安全分发系统及方法
CN110266344A (zh) * 2018-03-12 2019-09-20 中国科学院声学研究所 一种混沌混合扩频保密水声通信方法
CN112713986A (zh) * 2020-12-24 2021-04-27 杭州电子科技大学 一种电光相位互调制混沌多通道单向保密通信系统
CN112929152A (zh) * 2021-02-02 2021-06-08 中国地质大学（武汉） 鲁棒混沌键控保密通信系统、通信方法、终端及存储介质
CN113193949A (zh) * 2021-05-11 2021-07-30 太原理工大学 一种基于混沌同步的长距离密钥分发系统
CN114362914A (zh) * 2021-12-07 2022-04-15 南京大学 一种基于时延双平衡探测结构的相位混沌激光通信系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100618389B1 (ko) * 2005-03-07 2006-09-01 삼성전자주식회사 광대역-ｄｃｓｋ 변조방법, 이를 적용한 송신장치, 광대역-ｄｃｓｋ 복조방법, 및 이를 적용한 수신장치
CN112350818B (zh) * 2020-11-04 2022-02-01 西南交通大学 一种基于相干检测的高速混沌保密传输方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002017536A1 (en) * 2000-08-02 2002-02-28 Adsecu Co., Ltd. Encryption system of digital signals using synchronization of chaos
JP2006237754A (ja) * 2005-02-22 2006-09-07 Gakushuin School Corp 量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置
CN102882608A (zh) * 2012-09-19 2013-01-16 大连理工大学 一种混沌正交复用保密光纤通信装置及方法
CN105187347A (zh) * 2015-09-30 2015-12-23 南京邮电大学 多元正交混沌移位键控调制解调方法
CN107689862A (zh) * 2016-08-03 2018-02-13 西南大学 一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置
CN108365945A (zh) * 2018-01-24 2018-08-03 南京邮电大学 基于两路索引调制的差分混沌移位键控调制解调器及方法
CN110266344A (zh) * 2018-03-12 2019-09-20 中国科学院声学研究所 一种混沌混合扩频保密水声通信方法
CN108833089A (zh) * 2018-05-24 2018-11-16 太原理工大学 基于混沌激光相干键控的高速密钥安全分发系统及方法
CN112713986A (zh) * 2020-12-24 2021-04-27 杭州电子科技大学 一种电光相位互调制混沌多通道单向保密通信系统
CN112929152A (zh) * 2021-02-02 2021-06-08 中国地质大学（武汉） 鲁棒混沌键控保密通信系统、通信方法、终端及存储介质
CN113193949A (zh) * 2021-05-11 2021-07-30 太原理工大学 一种基于混沌同步的长距离密钥分发系统
CN114362914A (zh) * 2021-12-07 2022-04-15 南京大学 一种基于时延双平衡探测结构的相位混沌激光通信系统

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An Enhanced Electro-Optic Chaos Secure Communication System Immune to Time Delay Signature Extraction;Huaxi Huang.etc;IEEE Photonics Journal;全文 *
使用深度学习的光学混沌系统的时间序列时间延迟估计;高邹杰;光学快车;全文 *
基于V C S E L的混沌系统中偏振及不可预测度特性研究;项水英;中国博士学位论文全文数据库(第10期);全文 *
电磁波随钻测量干扰信号消除算法研究;陈庆;仪器仪表学报;全文 *
非线性光电延时反馈混沌同步复用通信系统研究;胡菊菊;周小勇;马军山;;光子学报(01);全文 *

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