CN115174259A - 一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，属于信息加密传输领域，发送端将文件内容进行分包组帧，RS编码，与混沌序列进行扩频加密，扩频后的基带信号经过GMSK调制，数模转换，通过设备发送到无线信道中，形成高频混沌扩频信号。接收端接收到高频混沌扩频信号，通过模数转换，GMSK解调得到数字基带混沌扩频信号，通过解扩解密、RS译码、分帧组包得到原始文件有效信息。本发明提升了数据传输的复杂性和保密性，使用的混沌序列不仅有近似理想的自相关性和互相关性，另外有易产生、数量多、保密性好的优点，多进制扩频通信抗干扰强、隐蔽性好、可实现码分多址，具有实际应用意义。

Description

一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法
技术领域
本发明属于信息加密传输领域，具体涉及一种基于混沌序列的多进制扩频的安全通信方法。
背景技术
随着网络时代的快速发展，计算机网络的发展已经涉及到生活的各个方面，信息的安全问题显得尤为重要，为了保证信息的安全，提出多进制扩频通信。扩频通信因为信号带宽增加，在通信时信号不容易被发现，抗截获性很强，且不同的伪随机码可以分配给不同用户区分不同用户的信号，实现码分多址，提高资源利用率。伪随机码的性能直接影响到系统的性能，因此选用的伪随机码是多进制扩频通信的关键，对比于m序列，本发明使用chebyshev混沌序列有三个优势，一是易于产生，二是数量众多，三是保密性好，如果不知道混沌模型以及相关的参数，破译几乎是不可能的。
混沌现象是指非线性动态系统中出现的类随机而又确定的特殊过程。这种现象隶属于确定系统却又不可预测，隐含于复杂系统但又不可分解，看似混沌无序，却具有类似白噪声的特性，对于它产生的序号难以破译，且对于初值参数非常敏感，略微的变化将会产生截然不同的序列，可通过混沌模型产生大量互不相关的混沌序列。具有非周期性、非相关性、敏感性、数量众多且有界等特性，现已被大量应用于信息安全和保密通信等领域。混沌序列拥有近似理想的自相关性和互相关性，其良好的平衡特性和游程特性进一步保证了其相关性。另外，混沌序列还拥有高复杂性和保密性，提高了传输过程中的安全性，窃听者即使分析了大量序列可能的合集，仍旧无法分析其中的关联性。现有的加密技术例如AES，RSA，SM4等采用的加密技术均为公认的通用算法，保密性不强，易被第三方截获。
发明内容
为了克服现有加密技术的不足，本发明提出了一种基于混沌序列和多进制扩频的安全传输方法，提供了一种高效、抗多径干扰、抗截获性强、资源利用率高的加密方法。设计的方法采用chebyshev混沌函数更改初值参数动态生成混沌序列作为伪随机码，并将其做一定转换生成扩频序列和数据映射表，降低硬件成本，提高信息转化速率；将需要传输的文件分包、组帧、采用循环码移位键控(CCSK)对待扩频数据进行分组扩频，并对扩频信息序列加同步头，提高频谱利用率、解扩的准确性和通信的可靠性。支持更改初值参数生成不同的扩频伪随机码，提高通信的保密性。
本发明为解决上述技术问题提供了如下技术方案：
一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，发送端将需要发送的文件信息进行分包，组帧，RS(Reed SolomonCodes)编码、用生成的混沌序列做扩频码，进行循环码移位键控扩频、加入同步头，处理后的混沌扩频传输序列进行GMSK调制、数模转换，形成高频混沌扩频信号，通过设备传输到无线信道中；
接收端接收到高频混沌扩频信号，先进行模数转换、GMSK解调，识别信号同步头提取混沌扩频传输序列，然后通过循环码移位键控解扩运算、RS解码、分帧，将数据包重组得到原始信息。
进一步，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将文件进行分包，将分好的数据包进行组帧，并进行RS编码；
步骤二：选定混沌序列类型与其映射方程，并且确定映射方程的初值，以及迭代次数，产生所需的扩频码；
步骤三：收发两端通过扩频码生成数据映射表；
步骤四：对帧内数据进行分组扩频，加入同步头通过调制发送；
步骤五：接收端经过识别进行解扩；
步骤六：数据重组得到原始文件。
更进一步，所述步骤一的过程如下：
(1.1)假设文件大小为mbytes，每n bytes为一组，则共有m/n组数据包；
(1.2)将数据包进行组帧，在数据头部加入同步头(3bytes)、数据类型(1bytes)、长度(1bytes)，数据尾部加入CRC-16(2bytes)校验位，即最后的数据帧长度为(n+3+1+1+2)bytes；
(1.3)组帧后的数据进行RS编码，用于纠正突发差错，帧后加入23位的RS校验码，即生成(n+7+23)的初始扩频数据。
所述步骤二的过程如下：
(2.1)选定chebyshev混沌序列类型，其映射方程为：
Figure BDA0003773543280000033
其中
Figure BDA0003773543280000031
；
(2.2)初值
Figure BDA0003773543280000032
为32，x1＝0.8,迭代次数为N；
(2.3)产生的N位xk进行量化，转化为二进制，大于0为1，小于0为1；
(2.4)产生N位扩频码。
所述步骤三的步骤如下：
(3.1)N位混沌扩频码存储在索引为0的数组中；
(3.2)混沌扩频码循环移位，规定为向左移，生成不同的扩频序列，存储在对应移位量的索引数组中；
(3.3)数据映射表的映射规则为：数组的索引值->该索引下存储的扩频序列。
所述步骤四的步骤如下：
(4.1)将帧内数据进行分组，每组长度为：M＝log2N(N为混沌扩频码长度)，按照分组长度M，分成多个数据组；
(4.2)将分好的数据组进行扩频：将二进制的数据组转化为一个十进制数Y，,Y作为索引，取数据映射表中存储在此处混沌扩频序列；其中二进制数组转化为十进制的原理为：起始位对应20，从左往右一次提高2的次数，最后展开求和。
(4.3)在混沌扩频序列前加入同步头，得到传输序列，用于接收端解扩识别有用信息，然后将传输序列进行GMSK调制，数模转化等发送到无线信道中。
所述步骤五的步骤如下：
(5.1)接收端接收到信号，进行模数转化，GMSK解调，得到传输序列；
(5.2)识别到同步头，提取同步头后的混沌扩频序列，进行解扩；
(5.3)提取到N位长度的混沌扩频序列，将该序列和序列数组中的每一个扩频序列进行相关运算，并计算相关值；
(5.4)记录相关值最大值的扩频序列并记录其索引y，将十进制y根据扩频模块中的二进制->十进制原则转化为二进制序列，此序列就是(4.2)中的原始数据。
(5.5)将所有的数据组都解扩完成。
所述步骤六的步骤如下：
(6.1)得到所有帧内长度为M的数据组，将数据组重组，得到数据；
(6.2)进行RS译码，纠正突发错误；
(6.3)检验数据CRC-16值，无误后，判断数据帧类型，得到数据帧内原始数据。
(6.4)将所有数据帧恢复，按照数据帧序号进行排序，最后得到(1.1)中的文件。
本发明的技术构思为：首先在发送端将文件进行分包，分包的目的是为了防止数据在传输过程中发生粘包现象，导致缓冲区溢出，组帧使得传输的数据是带结构的数据，方便检验数据包是否正确接收以及重组。发送端和接收端设定相同的参数，选用同模型的chebyshev混沌函数生成序列，并对其做迭代生成符合要求长度的扩频伪随机码。并且两端利用伪随机码生成数据映射表来提高信息转换速率。发送端对待传输数据进行分组扩频，并在扩频后的扩频序列前加入同步头，以便于接收端识别。接收端接收到经过转换的二进制信息序列后，首先进行同步头识别，识别到同步头后提取同步头后的扩频序列进行解扩，解扩后的数据进行分帧包重组，恢复文件内容。实现了基于混沌序列和多进制扩频的安全传输。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全传输方法，设计的方法依靠chebyshev混沌函数产生混沌序列，具有的平衡性、游程特性、相关性满足了扩频序列的要求，且进一步具有数量多、保密性好、易于产生等优点，具有较大的应用潜力；采用多进制扩频对待输数据进行编码扩频，提高频谱利用率，增大带宽使得抗干扰性强，误码率低，隐蔽性高，并且扩频伪随机码的选择多样性使得通信系统具有码分多址功能，利用优良的自相关特性和互相关性使得不同用户的码型可以区分不同用户的信号，使得许多对用户可以同时通话且互不干扰。
附图说明
图1为基于混沌序列和多进制扩频的流程示意图；
图2为数据包组帧格式图；
图3为混沌伪随机序列产生示意图；
图4为扩频序列与数据的映射表；
图5为待传输数据混沌扩频总体流程图；
图6为接收传输数据混沌解扩总体流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图6，一种基于混沌序列和多进制扩频的安全传输方法，包括如下步骤：
步骤一：发送端将传输文件分包，按帧格式组帧
步骤一通过以下几个步骤来具体实现：
(1.1)发送端将文件进行分包处理，对数据包分组发送，本发明将文件以216字节为单位进行分包，不足的部分padding补齐；
(1.2)分割好的数据包按图2的帧格式进行组帧，是为了在出错时只需要重发出错的帧，也为了接收方能检查并重新组合。其中，帧头部加上3字节的同步位，来定位帧的开始；1字节的类型位，分辨是数据内容、文件名称还是需要重发的内容；1字节的长度位，来标明帧内字符数，接收到长度位后就知道后面跟随的字节数，从而可以确定帧结束的位置；2字节的CRC-16校验位，接收到数据内容后，经过校验确保内容的正确性。
(1.3)组帧结束后，对帧进行RS编码，产生23字节的校验码，在接收端正确的接收足够点后，可以恢复原来的数据，用于纠正一些突发差错。
步骤二：收发两端选定混沌模型，设置初始参数，生成相同的扩频伪随机码；
步骤二通过以下步骤来具体实现：
(2.1)选定混沌模型为：
Figure BDA0003773543280000074
其中
Figure BDA0003773543280000072
，
(2.2)初值参数设定为
Figure BDA0003773543280000073
，x0＝0.8，迭代次数N＝32，生成32位的混沌序列，函数的参数相当于加密算法中的密钥，不同的参数可以生成不相关的序列，但是又不是完全不可控的，相同的初值经过迭代后会再次产生相同的结果。
(2.3)将产生的混沌实值采用二值量化生成二进制序列，即扩频伪随机序列，量化方法为：
Figure BDA0003773543280000071
图3为混沌扩频伪随机码的生成示意图，扩频通信中要求扩频伪随机码拥有良好的自相关和互相关性，不同码元的数目平等，具有平衡性。目前，大多数的扩频序列采用m序列，因为其具有良好的自互相关性，但是m序列的多项式是已知的，保密性差，且可用的码数组很少，而混沌序列在m序列的基础上更进一步具有平衡性，保密性，多样性等优势，符合安全通信的要求。
步骤三：通过扩频码生成相应的数据映射表；
步骤三通过以下几个步骤来实现：
(3.1)创建一个长度为N的初始数组array_N用于存放所有扩频序列，混沌伪随机序列放在数组中索引为0的位置，
(3.2)伪随机序列进行循环移位，规定为左移来生成不同的扩频序列，存放在数组array_N，存储规定：扩频序列存储在索引对应伪随机序列移位量的位置。例如伪随机序列左移2位，则此扩频序列存储在索引为2的位置。
(3.3)规定数据映射规则：
如图4所示，数据映射表是索引集和伪随机序列集的映射表，映射规则为：数组array_N的行索引值->该索引下存储的扩频序列。
步骤四：发送端对待传输数据进行扩频；
步骤四通过以下几个步骤来具体实现：
(4.1)将帧内数据进行分组，分组长度为M＝log2N(N为步骤三种设置好的扩频进制)，本方案用的是5进制扩频为32位，即M＝5，N＝32；
(4.2)对分组好的数据进行扩频：首先计算索引，方法为从左往右的顺序依次加权，最左边为20，最右边为24，然后按权展开求和，例如00001的索引为0+0+0+0+24＝16，然后根据索引找到对应的扩频序列，将00001进行替换为索引为16的32位扩频序列；
(4.3)扩频序列替换后，在头部加入4字节的同步头，为了接收端对扩频后的信号能够实现准确检测，然后将整个完整的传输扩频序列进行GMSK调制，数模转换，通过设备发送到无线信道中；
图5为为待传输数据混沌扩频总体流程图。
步骤五：接收端接收到传输信号进行解扩；
步骤五通过以下几个步骤来具体实现：
(5.1)接收端接收到信号后，识别到同步头，提取同步头后的扩频序列；
(5.2)将提取出来的扩频序列存储于数组value，与数据映射表中扩频序列做相关运算，当与索引为k的序列得到的相关值最大时，将十进制数k转换为二进制序列，该序列就是(4.2)中的信源数据，如图6所示。
其中的相关运算公式为：
Figure BDA0003773543280000091
其中m为移位量，当m>0时，需将y(n)向左移m位，当m<0时，需将y(n)向右移动|m|位。解扩时仅计算m＝0的相关值。当x＝y时
Figure BDA0003773543280000092
计算得到的相关值会取得最大值，即可视为匹配成功。
(5.3)在完成解扩的序列的下一位继续持续识别同步头。
(5.4)将(5.2)得到的所有信源数据信息按照解扩的顺序进行合并，得到完整的帧内数据信息。
步骤六：接收端将解扩后的数据按帧格式分帧，重新组包恢复文件；
步骤六通过以下几个步骤来具体实现：
(6.1)接收端将解扩后的数据，先进行RS译码，核对RS校验码，纠正一些突发差错，恢复原来的数据，得到帧内容；
(6.2)按照帧格式，进行分帧，核对CRC-16值，判读无误后，证明此帧内容正确，若有错误，丢掉此帧，发送端重传此帧；根据类型位以及长度位，提取到数据包数据内容；
(6.3)所有帧接收完毕后，接收端按照帧的编号重组数据内容，恢复“文件名称+文件内容”。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，
发送端将需要发送的文件信息进行分包，组帧，RS编码、用生成的混沌序列做扩频码，进行循环码移位键控扩频、加入同步头，处理后的混沌扩频传输序列进行GMSK调制、数模转换，形成高频混沌扩频信号，通过设备传输到无线信道中；
接收端接收到高频混沌扩频信号，先进行模数转换、GMSK解调，识别信号同步头提取混沌扩频传输序列，然后通过循环码移位键控解扩运算、RS解码、分帧，将数据包重组得到原始信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将文件进行分包，将分好的数据包进行组帧，并进行RS编码；
步骤二：选定混沌序列类型与其映射方程，并且确定映射方程的初值，以及迭代次数，产生所需的扩频码；
步骤三：收发两端通过扩频码生成数据映射表；
步骤四：对帧内数据进行分组扩频，加入同步头通过调制发送；
步骤五：接收端经过识别进行解扩；
步骤六：数据重组得到原始文件。
3.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一的过程如下：
(1.1)假设文件大小为mbytes，每n bytes为一组，则共有m/n组数据包；
(1.2)将数据包进行组帧，在数据头部加入同步头(3bytes)、数据类型(1bytes)、长度(1bytes)，数据尾部加入CRC-16(2bytes)校验位，即最后的数据帧长度为(n+3+1+1+2)
bytes；
(1.3)组帧后的数据进行RS编码，用于纠正突发差错，帧后加入23位的RS校验码，即生成(n+7+23)的初始扩频数据。
4.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤二的过程如下：
(2.1)选定chebyshev混沌序列类型，其映射方程为：
Figure FDA0003773543270000021
Figure FDA0003773543270000022
其中
Figure FDA0003773543270000023
(2.2)初值
Figure FDA0003773543270000024
为32，x1＝0.8,迭代次数为N；
(2.3)产生的N位xk进行量化，转化为二进制，大于0为1，小于0为1；
(2.4)产生N位扩频码。
5.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤三的步骤如下：
(3.1)N位混沌扩频码存储在索引为0的数组中；
(3.2)混沌扩频码循环移位，规定为向左移，生成不同的扩频序列，存储在对应移位量的索引数组中；
(3.3)数据映射表的映射规则为：数组的索引值->该索引下存储的扩频序列。
6.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤四的步骤如下：
(4.1)将帧内数据进行分组，每组长度为：M＝log2N(N为混沌扩频码长度)，按照分组长度M，分成多个数据组；
(4.2)将分好的数据组进行扩频：将二进制的数据组转化为一个十进制数Y，,Y作为索引，取数据映射表中存储在此处混沌扩频序列；其中二进制数组转化为十进制的原理为：起始位对应20，从左往右一次提高2的次数，最后展开求和。
(4.3)在混沌扩频序列前加入同步头，得到传输序列，用于接收端解扩识别有用信息，然后将传输序列进行GMSK调制，数模转化等发送到无线信道中。
7.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤五的步骤如下：
(5.1)接收端接收到信号，进行模数转化，GMSK解调，得到传输序列；
(5.2)识别到同步头，提取同步头后的混沌扩频序列，进行解扩；
(5.3)提取到N位长度的混沌扩频序列，将该序列和序列数组中的每一个扩频序列进行相关运算，并计算相关值；
(5.4)记录相关值最大值的扩频序列并记录其索引y，将十进制y根据扩频模块中的二进制->十进制原则转化为二进制序列，此序列就是(4.2)中的原始数据。
(5.5)将所有的数据组都解扩完成。
8.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列和多进制扩频的安全通信方法，其特征在于，所述步骤六的步骤如下：
(6.1)得到所有帧内长度为M的数据组，将数据组重组，得到数据；
(6.2)进行RS译码，纠正突发错误；
(6.3)检验数据CRC-16值，无误后，判断数据帧类型，得到数据帧内原始数据。
(6.4)将所有数据帧恢复，按照数据帧序号进行排序，最后得到(1.1)中的文件。
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