不僅了建立數字化混沌通信課件

方錦清中國原子能科學研究院2010、7、26混沌通信研究的若干進展

方錦清混沌通信研究的若干進展報告提綱一.歷史回顧及研究概況三.展望：研究方向與發(fā)展前景二.若干主要課題和關鍵技術(10)報告提綱一.歷史回顧及研究概況三.展望：研究方向與發(fā)展前景保密通信簡介

通信是國家的生命線，網絡時代更需要保密通信保密通信簡介通信是國家的生命線，網絡時代更需要保密通信3標志之三國內外多次出版混沌通信?？蛯Ｖ鞣N混沌應用專利遍及眾多領域。我國有些項目獲得國家省部級獎勵標志之一國際上積極推進了一系列混沌保密通信的重大研究計劃，并取得了長足進展和豐碩的成果。標志之二1998年研究幾何與混沌的麥克·馬倫獲菲爾茲獎。各國混沌成果獎.歷史回顧20年來穩(wěn)健發(fā)展的重要標志標志之三標志之一標志之二歷史20年來穩(wěn)健發(fā)展的重要標志

1998年美國國防部部資助3個大學交叉聯(lián)合項目（簡稱MURI,三家大學是UCSD/UCLA/Stanford），其課題有“基于非線性動力學的數字通信裝置”，以及“利用混沌通信的基礎理論課題”，“混沌通信系統(tǒng)的基礎性課題”等;1999年美國陸軍研究處、美國海軍研究實驗室與空軍科研處共同資助斯坦福大學和加州大學合作研究混沌通信計劃：“基于半導體激光器在自由空間的混沌通信”，等等，都取得了突出成果。其中，N.F.Rulkov小組提出的混沌脈沖定位調制(CPPM)進行數字通信的方案，克服了通信通道中對噪聲的敏感性和崎變性，具有良好的通信性能。1990年是非線性/混沌科學非凡的一年,混沌控制(OGY)與同步(Pecorra,Carroll)取得了突破性進展,同時拉開了國際上混沌保密通信技術及其應用的序幕，歐盟第五屆科技框架計劃于2001年9月1日至2004年8月31日設立了OCCULT計劃，重點研究利用半導體激光器實現混沌光通信。

2005年9月，參與OCCULT項目的意大利研究者Annovazzi-Lodi等人實現了電視視頻信號在1.2km短距離光纖中的混沌保密通信。同年11月，歐洲OCCULT項目的研究小組在希臘雅典城借用總長為120km的商用光通信網絡實現了數據傳輸速率為1Gb/s、誤碼率為10-7的混沌保密通信，激起了世人不小的反響和關注，窺見了混沌通信的曙光。2006年10月1日至2009年9月30日歐盟第六屆科技框架計劃啟動了PICASSO計劃，重點對混沌通信系統(tǒng)中的有源和無源器件進行研制，旨在提供可實現波分復用的混沌通信系統(tǒng)。1998年美國國防部部資助3個大學交叉聯(lián)合項目我國從90年代以來一直跟蹤國外該領域的研究，每年國家自然科學基金資助一些混沌通信的面上基金、青年基金和一個重點項目，以及信息產業(yè)部科技發(fā)展計劃項目。這些與國外相比，我國重視不夠，支持力度遠不如國外，迄今缺乏國家級的重大研究項目。即使如此，我國在該領域也取得了與國家上可以媲美的進展。歐盟科技第七框架計劃（2007-2013）投資501.82億歐元，國家合作領域的10個主題中第③是信息通訊技術，繼續(xù)網絡信息安全課題密切相關。

2008年，參與PICASSO計劃小組研制出能夠產生寬帶混沌的光子集成器件，作為實用的混沌發(fā)射機。歐盟科技第七框架計劃（2007-2013）投資501.82億歐元，國家合作領域的10個主題中第③是信息通訊技術，繼續(xù)網絡信息安全課題密切相關。我國從90年代以來一直跟蹤國外該領域的研究，每年國家自然科學1998年研究幾何與混沌的柯蒂斯·麥克·馬倫(CurtisTMcMullen)獲菲爾茲數學獎，雄辯地說明了混沌科學理論的重要地位?；煦绾头中卫碚撁懿豢煞?，混沌、分形理論、計算機理論和現代通信理論的結合在混沌保密通信中發(fā)揮了重大作用，應用前景巨大?？碌偎埂溈恕ゑR倫，美國人，哈佛大學數學系教授。在1998年德國柏林獲得菲爾茲數學獎。/~ctm/混沌應用穩(wěn)健發(fā)展的第二個標志1998年研究幾何與混沌的柯蒂斯·麥克·馬倫(Curtis 2000年五位專家L.Kocarev,G.M.Maggio,M.Ogorzalek,L.Pecora和K.Yao共同主編了“在現代通信系統(tǒng)中混沌的應用”?？?該?？耙浴敝芯俚馗爬ê驮u論了該領域的最新研究成果，指出:“現在國際上基于混沌的通信系統(tǒng)的發(fā)展已經處于成熟狀態(tài),已認同幾種可行的通信方案頗具特色”,這更加增強了人們的信心,看到了混沌通信美好的發(fā)展前景。國際上著名的“IEEE電路和系統(tǒng)學報（I）:基本理論和應用”,從2000年開始出版了系列混沌通信應用研究的進展?？?，迄今先后出版了四期混沌方面的專輯，IEEE出版了混沌學在電子與通信工程中應用的會議專輯，國內也出版了?？?這些都充分顯示了混沌通信研究的突出進展和廣闊的應用前景。2005年12月，希臘、法國、意大利等15個國家的學者在Nature雜志上聯(lián)合發(fā)表關于商用混沌光纖通信系統(tǒng)的快報無疑為混沌通信技術實用注入了強心劑。 2000年五位專家L.Kocarev,G.M.Mag混沌通信及其加保密線路設備相關的專利數量增加，僅我國混沌混沌應用專利約200多項，其中混沌保密通信相關專利60多項，占混沌應用專利總數的三分之一。我國有些混沌項目獲得國家與省部級獎勵1993獲獎國家自然科學二等獎：名稱:實用符號動力學及其在耗散系統(tǒng)混沌研究中的應用.（郝柏林等6人2008年度國家科學技術進步獎二等獎：混沌反控制與廣義Lorenz系統(tǒng)族的理論及其應用（陳關榮、呂金虎、陸君安等）2008年江蘇省科技進步獎一等獎：

激光混沌及應用研究（江蘇長天智遠交通科技有限公司）1998年國防科技進步二等獎：非線性系統(tǒng)的混沌同步與控制2000、2002、2005、2008等二等獎（方錦清，羅曉曙，趙耿等）混沌通信及其加保密線路設備相關的專利數量增加，僅我國混沌混沌網絡中心戰(zhàn)：美軍網絡戰(zhàn)司令部混沌保密通信和密碼學正在邁進實用化我國面臨網絡信息戰(zhàn)的空前挑戰(zhàn)研究概況網絡中心戰(zhàn)：混沌保密通信和我國面臨網絡研究實驗有效驗證混沌系統(tǒng)的基本特性：寬譜性、對初值和系統(tǒng)參數的敏感性、有界性、遍歷性、內隨機性、分維性、標度性、普適性和統(tǒng)計特征等，這些寶貴的特性與密碼需求相一致，引起密碼學界的高度關注和重視。實際上，早在1984年就提出了混沌加密思想，以后混沌和密碼學結合使混沌加密的研究不斷深入。迄今，不僅了建立數字化混沌通信，并將混沌密碼應用于信息安全與保密通信領域。隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，計算機及可編程邏輯電路計算精度與運算速度的不斷提高，已使混沌特性退化程度大為減弱，混沌保密通信正在走進實用化，雖然軍事保密需要，估計即將接近實際應用的階段?；煦绫Ｃ芡ㄐ藕兔艽a學正在邁進實用化實驗有效驗證混沌系統(tǒng)的基本特性：寬譜性、對初值和系統(tǒng)參數的敏影響混沌通信實用化的原因隨著通信服務業(yè)的迅速發(fā)展（用戶量,寬帶數據、視頻和聲音服務，以及更高的信息安全要求等），許多尖銳的矛盾日益顯露，如爆炸性增長的通信用戶量與現有系統(tǒng)只有有限用戶量，保密性與可攔截性等問題?，F有的無線通信系統(tǒng)，由于它們自身固有的系統(tǒng)缺陷，并不能從根本上解決上述矛盾?，F已證實，基于混沌的寬帶通信提供了一個有意義的途徑，它具有解決現有通信系統(tǒng)諸多矛盾和缺陷的發(fā)展?jié)摿Α１M管目前國內外已提出多種基于混沌的通信理論與技術，但還沒有一個可用在有多徑傳輸、畸變和時變衰落環(huán)境的實用系統(tǒng)。當前，影響混沌通信向實用化邁進的主要原因：對于相干檢測，由于信道干擾和系統(tǒng)參數不匹配，致導難以實現混沌同步。通信信道的負效應，特別是無線通信信道的干擾，嚴重地蛻化了已提出的混沌通信系統(tǒng)的實現。對于非相干檢測，兩個因素影響了系統(tǒng)的實際實現：限幅器的閾值是噪聲功率的函數；比特能量的方差也隨著噪聲功率的增加而增加。影響混沌通信實用化的原因隨著通信服務業(yè)的迅速發(fā)展（用戶量,近年來，經常發(fā)生網絡通信安全問題，在傳輸、存儲、處理過程中的數據信息丟失、泄露或被非法篡改將對國家、國防、社會和經濟等造成嚴重的影響例如，GSM網絡的SIM卡被克隆和通信內容被竊聽，IEEE802.11標準中的WEP算法被破解，盜用他人賬號上網等。鑒于國際上日益激烈的網絡安全形勢，今年我國工信部專門出臺了《通信網絡安全防護管理辦法》，從2010年3月1日起執(zhí)行。這說明解決通信系統(tǒng)信息安全性問題對國家具有長遠的戰(zhàn)略意義。我國面臨網絡信息戰(zhàn)的空前挑戰(zhàn)近年來，經常發(fā)生網絡通信安全問題，在傳輸、存儲、處理過程中的網絡加密是保護信息安全的行之有效的手段網絡加密是保護信息安全的行之有效的手段141998年美軍提出了“網絡中心戰(zhàn)”，2009年美國總統(tǒng)奧巴馬剛上臺就于5月29日批準公布了國家網絡安全評估報告，指出來自網絡空間的威脅已成為美國面臨的最嚴重的經濟和軍事威脅之一，保護網絡基礎設施將是維護美國國家安全的第一任務，并提出了制定網絡安全事件應急計劃和籌備美軍網絡司令部等重大決策。6月美國國防部馬上創(chuàng)建了世界上第一個網絡戰(zhàn)司令部，它成為與空軍作戰(zhàn)司令部、太空司令部平級的單位，麾下多達541個子司令部、65個空軍中隊、預備役和國民警衛(wèi)隊、4個空軍網絡戰(zhàn)聯(lián)隊和陸、海軍網絡戰(zhàn)部隊，如此大規(guī)模的網絡部隊完全是美軍十多年來發(fā)展的必然產物。特別關注：網絡中心戰(zhàn)

美軍成立了網絡戰(zhàn)司令部1998年美軍提出了“網絡中心戰(zhàn)”，2009年美國總統(tǒng)奧巴“網絡中心戰(zhàn)”的全面實現要經歷20～30年左右的時間，在2015年建成全球信息網格，2020年能實行較成熟的網絡中心戰(zhàn)。美國防部報告強調指出：“網絡中心作戰(zhàn)可能是美國政府歷史上最復雜的任務,可與第二次世界大戰(zhàn)及對前蘇聯(lián)的冷戰(zhàn)相比,是長期、困難、高費用和高風險的任務。”“這一任務豈止是非常復雜,所需的知識甚至還不存在。這類似當年美國的曼哈頓‘原子彈工程’、‘阿波羅’登月工程,需要長期的、動員全國力量的創(chuàng)新”?！熬W絡中心戰(zhàn)”的全面實現要經歷20～30年左右的時1數字化混沌通信2時空超混沌通信3頻分復用混沌光通信4混沌通信中的噪聲影響5混沌分形與高性能混沌流密碼6寬帶無線混沌通信系統(tǒng)7OFDM調制的寬帶無線通信8超寬帶高速全光混沌通信9混沌鍵控的超寬帶通信10專利發(fā)展若干重要課題1數字化混沌通信2時空超混沌通信3頻分復用混沌光通信4混沌通1.數字化混沌通信(DDCC)一直是混沌保密通信的一個最重要的研究方向.并已被大量實驗證實是最具有實用前景.數字通信系統(tǒng)的特點是具有抗干擾能力強、易于加密和易于大規(guī)模集成等，它比較模擬混沌系統(tǒng)具有結構簡單、易于實現和保密性能高等優(yōu)勢，因此它必然將取代模擬通信在通信行業(yè)中占主要地位.數-數通信仍能保存原混沌系統(tǒng)的許多特征，諸如：對初始值的高度敏感性、混沌序列的類似隨機性等，并且還有符合密碼學需要的特征，初始密鑰空間無限大、混沌系統(tǒng)唯一確定性等，并混沌更易運算、大量非線性運算和同步通信，使數字化混沌和加密理論結合構成信息安全與保密通信系統(tǒng)。1.數字化混沌通信(DDCC)一直是混沌保密通信的一個最重必須深入研究數字化的混沌特性由于數-數混沌系統(tǒng)時域值受到有限精度和離散化限制，只要提高運算精度，則可減小平均量化誤差。需要設計混沌序列密碼核，使之產生輸出良好的偽隨機序列，并對該序列進行預測，構造出可估計的數字化混沌序列密碼的基本模型，在有限資源下，有效調配系統(tǒng)參數、精度和初始值，使輸出序列符合密碼序列要求，可作為密鑰序列發(fā)生器或參與密碼運算，并能應用于加密系統(tǒng)和保密通信中，所以進一步深入研究數字化混沌序列密碼理論模型及其信息加密系統(tǒng)仍然極具有挑戰(zhàn)性。必須深入研究數字化的混沌特性由于數-數混沌系統(tǒng)時域值受到DDCC的關鍵問題之一：

探索混沌序列密碼模型混沌密碼研究包括利用單個或多個混沌系統(tǒng)產生偽隨機序列作為密鑰序列，實現對原文的加密；用明文或密鑰作為混沌系統(tǒng)的初始條件或結構參數，通過混沌系統(tǒng)合適的迭代次數產生密文。第一種方式對應于流密碼，第二種方式對應于分組加密。由于混沌序列是復雜的偽隨機序列，它在構造復雜流密碼極具大優(yōu)勢，且在保密通信中應用這種非線性序列，結構復雜，難以分析和預測，可以滿足網絡上數據安全傳輸和數字保密通信等領域的廣泛需求.目前，探討混沌序列密碼的創(chuàng)新模型及其應用將成為實現DDCC的關鍵問題之一。DDCC的關鍵問題之一：

探索混沌序列密碼模型混沌密碼研究若干需要解決問題為了真正推進混沌在工程實際中的應用，需要解決的若干問題:首先，深入研究數字化后混沌特性的變異、短周期、退化的軌道分布和非理想的相關特性，這是真正應用面臨難題之一。第二，需要研究評估混沌加密系統(tǒng)的安全性、復雜性和可靠性的一套標準，目前國際上尚缺乏統(tǒng)一標準。第三，探討數字化后混沌序列特性的測度問題，根據加密需要選擇不同級別加密算法。若干需要解決問題為了真正推進混沌在工程實際中的應用，需要解決2.高維時空超混沌通信這一直是混沌通信的另一個重要的研究方向，迄今發(fā)展了許多時空混沌系統(tǒng)，僅舉一例說明。高于3階細胞神經網絡(CNN)的超混沌通信研究可應用于空間多目標信號處理中，在國防領域里擬解決多目標測控及通信問題：設置在衛(wèi)星、無人機、飛艇等天基載體上的基站等各種天基目標中的空中基站與地面基站、基站及目標之間。由于時空超混沌系統(tǒng)的混沌動力學特性具有更復雜的隨機性和不可預測性，必將深刻地影響超混沌保密通信和多址通信。如具有多個正的lyapunov指數和更多的可控參數，超混沌的加密信號比較一般低維的破譯方法很難破譯（如相空間重構、回歸映象和非線性預測等）。因此，利用時空超混沌通信可提高通信系統(tǒng)的抗攻擊和抗干擾能力。又因CNN特有的局域連接的結構，使其硬件容于實現，這樣利用CNN的超混沌特性進行保密通信具有重要的理論價值和實用意義。2.高維時空超混沌通信這一直是混沌通信的另一個重要的研究方CNN在理論和應用方面研究理論上主要是研究CNN動態(tài)特性及各種變形CNN的結構及特性，更接近真實電路實現的延遲CNN和離散CNN等。應用上主要研究CNN實用算法與設計,如圖像處理和模式識別等,以及CNN硬件實現的研究,涉及基于光學、光電、VLSI、FPGA以及硬件加速板研制等。在CNN超混沌特性及混沌同步方面已經取得了一批科研成果，提出了一族一維四階CNN產生復雜的超混沌現象，其結構比傳統(tǒng)的二維CNN更簡單和更易實現。時空超混沌系統(tǒng)的同步研究比較一般混沌研究更為困難。Grassi等人提出和研究了超混沌系統(tǒng)的同步，已成功應用于一個8階的延遲CNN以及一個包含5個Chua's電路構成的環(huán)路。探索基于超混沌的空間多目標通信與測控系統(tǒng)，采用CDMA體制和結合的擴頻通信技術，利用CNN超混沌特性進行通信。CNN在理論和應用方面研究理論上主要是研究CNN動態(tài)特性及各國內研究特點（1)主要研究了各種參數條件下網絡穩(wěn)定性和各種變形CNN的結構及特性，同時開展了CNN的復雜動力學現象(例如，極限環(huán)、混沌、分岔等)研究。（2)對于CNN超混沌動力學特性及混沌同步的研究都集中在四階CNN方面。（3)開始探討和深入研究非整數階和整數階CNN的超混沌特性及同步問題，尋找電路結構簡單、易于實現、性能更優(yōu)良的超混沌序列，實現超混沌系統(tǒng)的同步，包括CNN的次最優(yōu)多用戶檢測模型用于空間多目標的通信與測控體制，以滿足信息加密和多址通信的需求。（4）研究在多址和多徑環(huán)境下，將CNN超混沌系統(tǒng)用于空間多目標通信及信號處理問題，這些研究對未來空間通信技術的發(fā)展至關重要。國內研究特點（1)主要研究了各種參數條件下網絡穩(wěn)定性和各種變3.頻分復用混沌光通信各國都面臨著信息安全問題挑戰(zhàn)。為了滿足當今社會對信息量不斷增加及保密越來越高的要求，采用波分復用、時分復用和頻分復用技術相結合技術可極大地提高了通信容量。目前實現通信保密的主要手段是數字混沌加密技術，混沌通信的實現是基于收發(fā)兩端的硬件參數可作為混沌保密通信的密鑰?；煦缤ㄐ攀且环N硬件加密或軟硬結合加密，適用于長距離、低誤碼率傳輸。國內在半導體激光器實現混沌光的產生、同步及通信方面已取得了進展，實驗實現了混沌串聯(lián)、并聯(lián)同步以及雙信道混沌光通信，光電雙延時反饋混沌系統(tǒng)在高速光保密通信中的應用等。國外重點研究為不同形式光反饋半導體激光器實現混沌光產生、同步和混沌通信理論分析，對于外光反饋半導體激光器實現的混沌光源研究相對較多。3.頻分復用混沌光通信各國都面臨著信息安全問題挑戰(zhàn)。為了滿存在兩個問題第一，從理論上講，混沌系統(tǒng)對參數匹配精度要求越高，保密程度也就越高。但實際應用時要制作兩個或多個參數精確匹配的系統(tǒng)難以達到，為此可利用混沌產生器來作密鑰，使其滿足對偽隨機發(fā)生器要求。第二，外光反饋半導體激光器產生的混沌信號呈現一種弱周期性，這種弱周期性通過產生的混沌光進行自相關后即可觀察到?；煦缧盘栂嚓P后頻分復用混沌光通信隱含的光反饋延遲信息將易于提取出來。在2009年雅典混沌模型和理論國際會議，實驗已實現有外光反饋在長距離光延遲下混沌的自同步現象，其反饋延遲時間從實驗的自相關曲線可知。存在兩個問題第一，從理論上講，混沌系統(tǒng)對參數匹配精度要求越高解決方法和途徑第一個問題可通過增加外部密鑰來增強混沌通信系統(tǒng)的保密性。例如，反饋腔長、反饋強度等。目前該法只是數值仿真研究，且反饋腔長已被證明不能作為密鑰。第二個問題，多延遲反饋可有效地減少光反饋延遲時間信息，但并不能完全消除。因此，有必要提出一種基于副載波調制的頻分復用混沌光通信系統(tǒng)，通過多路反饋與副載波調制技術相結合構建混沌發(fā)射系統(tǒng)，減弱混沌載波的弱周期，提高其維度，將副載波頻率作為密鑰，從而提高混沌通信系統(tǒng)的保密性。采用發(fā)射系統(tǒng)相對應的多路輸出混沌接收系統(tǒng)，實現開環(huán)和閉環(huán)混沌同步，與調制技術相對的解調術進而提取傳輸信息，實現大容量混沌光通信系統(tǒng)，為實驗實現頻分復用混沌光通信的實用化提供證據和新途徑，使其實驗實現符合STM-16通信系統(tǒng)規(guī)范的2.5Gbit/s通信系統(tǒng)規(guī)范的傳輸速率的頻分復用混沌光通信，為在現有通信系統(tǒng)增設混沌保密通信通道及其在高速信號保密傳輸的實用化提供證據和新途徑。解決方法和途徑第一個問題可通過增加外部密鑰來增強混沌通信系統(tǒng)4.混沌通信中的噪聲影響在現代數字通信系統(tǒng)各個主要環(huán)節(jié)利用混沌的特性，涉及數字加-解密、信道編-解碼、信號調制-解調、多址接入等，包括：混沌遮掩、混沌開關、同步與非同步、相干與不相干方法。如果僅從噪聲性能考慮，基于混沌的通信系統(tǒng)的噪聲性能不如基于正弦載波的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)。4.混沌通信中的噪聲影響在現代數字通信系統(tǒng)各個主要環(huán)節(jié)利用通信研究的中心問題：抑制噪聲常規(guī)的處理方法，如濾波,它是利用信號與噪聲的頻譜的差別來分離它們或抑制噪聲。在大多數情況下，噪聲和信號共同分享一個頻段，只是噪聲的能量分布在較寬的頻帶內，信號的能量則集中在較窄的頻帶內。因此，利用一個能保持信號頻譜的濾波器，就能很好地抑制噪聲。但是，當信號與噪聲的能量都分布在完全相同的頻帶時，例如被高噪聲污染的混沌信號就屬于這種情況，常規(guī)的基于頻譜的處理方法不再適用，因而那些用于處理確定性信號的經典技術也就不再適用了，人們必須探索新的研究途徑與方法。通信研究的中心問題：抑制噪聲常規(guī)的處理方法，如濾波,它是利用

目前對混沌通信系統(tǒng)的研究更多地注意利用混沌內在的寬譜特性用于擴頻和多址接入，混沌通信在噪聲性能存在的問題是需要解決的一個重要課題。目前對混沌通信系統(tǒng)的研究更多地注意利用混沌內在的寬高噪聲污染的混沌信號辨識與檢測需要解決問題：混沌信號的自適應濾波、混沌信號的盲分離、混沌通信系統(tǒng)的調制與解調、信道均衡、基于混沌的網絡加密技術，等。高噪聲污染的混沌信號辨識與檢測需要解決問題：混沌信號的自適應需要考慮的問題結合混沌通信與傳統(tǒng)通信的相似性，借助成熟的數字通信技術提高混沌通信系統(tǒng)的性能.

已有工作：混沌理論用于信道編碼的問題，Turbo結構的混沌編解碼方法，基于網格編碼調制的混沌相移鍵控和基于混沌的低密度編碼。如果在通信中能夠利用由初值確定的混沌序列來攜帶傳輸信息，則將產生信息上的冗余，類似傳統(tǒng)通信中的信道編碼對冗余信息的利用，就可大幅度提高系統(tǒng)的噪聲性能。此外，改進相關解碼算法以適應混沌通信的要求。需要考慮的問題結合混沌通信與傳統(tǒng)通信的相似性，借助成熟的通信系統(tǒng)的性能主要取決于可靠性和有效性，提高通信的有效性和實用性是混沌通信中的根本問題。利用混沌通信與傳統(tǒng)通信的相似特性作為通信系統(tǒng)的共同特性，從而綜合利用各自的優(yōu)勢，建立混沌通信體制與傳統(tǒng)通信中的編碼調制之間的聯(lián)系，構建基于初值編碼的混沌通信體制的并行級聯(lián)編碼系統(tǒng)，以推進混沌通信體制的實用化，加速混沌通信融入現代通信系統(tǒng)的進程。目前國內外借鑒傳統(tǒng)通信技術的成果和經驗，進一步提高混沌體制的噪聲性能，使得混沌通信體制能早日走向實用化道路。通信系統(tǒng)的性能主要取決于可靠性和有效性，提高通信的有效性和實5.高性能混沌流密碼當前主要加密方法對稱分組密碼算法：DES和AES公鑰分組密碼算法：RSA序列密碼算法：流密碼，反饋移位寄存器LSFR或NLSFR單向散列算法：不可逆Hash函數，MD5和SHA-1、-2，用來身份識別或完整性鑒定。混沌加密是新的有效方法與傳統(tǒng)方法結合，妙用無窮！5.高性能混沌流密碼當前主要加密方法混沌的數據加密技術的特色完全滿足保密通信及密碼學的要求：確保通信可靠性符合擴散原則：初值敏感性符合混淆原則：混沌吸引子混合性達到難以破譯：不可預測性?；煦绲臄祿用芗夹g的特色完全滿足保密通信及密1976年美國學者提出的公鑰密碼體制克服了網絡信息系統(tǒng)密鑰管理的困難,同時解決了數字簽名問題,又可用于身份認證?；诨煦?分形的密碼理論的研究成為當前混沌通信研究的另一個重要課題。流密碼是單鑰加密體制中對應于分組密碼的一種重要加密技術，由于其軟硬件可實現性好、易于實現同步通信及加密速度快，從一開始提出便受到了廣泛的關注，并相繼制定了多種國際標準(

A5/2、RC4、MUG1、SEAL、SNOW及SOBER等).流密碼除具有普適的對稱加密應用外，目前廣泛應用于GSM移動通信、碼分多址通信(CDMA)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)等通信系統(tǒng)中。1976年美國學者提出的公鑰密碼體制克服了網絡信息系統(tǒng)密鑰管流密碼系統(tǒng)的核心設計部分是

偽隨機數發(fā)生器（PRNG）它決定了一個流密碼系統(tǒng)的安全性。流密碼強度完全依賴于PRNG所生成密鑰流的隨機性和不可預測性?；煦缋碚摰陌l(fā)展為流密碼加密提供了新思路，混沌是非線性確定性系統(tǒng)產生的內在隨機行為，在理想條件下時序具有無限大的周期，具有類似高斯白噪聲的統(tǒng)計特性。更重要的是，混沌系統(tǒng)具有對初始值和參數極端敏感，長期行為的不可預測性，可提供巨大的密鑰空間?；煦缬成涞奶攸c很好地滿足加密系統(tǒng)的要求。流密碼系統(tǒng)的核心設計部分是

偽隨機數發(fā)生器（PRNG）它構造高質量混沌PRNG

基本做法通過綜合利用數理統(tǒng)計、符號動力學及信息論等理論，引入高維混沌動力系統(tǒng)，深入研究高維系統(tǒng)時空（超）混沌動力特性，利用多維參數的特點擴展密鑰長度，利用非線性變換與基于混沌控制的矩陣變換提高混沌密鑰流的線性復雜度，建立混沌初始參數優(yōu)選算法，增強混沌密鑰流的統(tǒng)計性能，以此創(chuàng)建一種高可靠性的混沌流密碼方案，在有限計算精度下采用上述提高抗各種攻擊能力方法，克服傳統(tǒng)混沌加密系統(tǒng)的缺點，這將是具應用潛力的一個研究方向。構造高質量混沌PRNG

基本做法通過綜合利用數理統(tǒng)計、符號6.寬帶無線混沌通信混沌無線通信的難度比有線通信大得多。我國無線混沌通信研究已有一定的發(fā)展，包括硬件實現語音無線通信等方案等。目前，無線通信網絡加快向數字化、寬帶化和智能化演進，實現了從單一傳輸內容到多媒體通信，數據傳輸速率從幾十千比特到幾十兆比特，通信網絡面臨的安全威脅日益多樣化，同時網絡攻擊和信息竊取等非傳統(tǒng)安全問題更加突出。正在研究寬帶無線通信系統(tǒng)，尤其研究基于正交頻分復用（OFDM）調制特點的物理層數據加密方法，以便獲得一種寬帶無線通信系統(tǒng)新的安全機制，用其代替或者復合傳統(tǒng)的在鏈路層的加密算法，以取得良好的安全效果。6.寬帶無線混沌通信混沌無線通信的難度比有線通信大得多。OFDM調制卻不同，它首先將待傳輸數據進行分組，然后做MQAM映射，從而將串行高速數據轉換為并行低速數據，將映射后的復數符號分別調制到一系列的正交載波上，形成OFDM符號，為了降低其信號的峰均比，也常常采用酉變換先對映射后復數數據進行變換，然后再調制，而OFDMA從純調制角度也和OFDM相同，其承載信息的星座點或者載波數高達1010個，且存在諸如映射和酉變換等環(huán)節(jié)較方便的引入數據安全機制，通過控制OFDMA的多址接入過程，方便地實現接入認證，其安全機制可在物理層完成，在信號并行傳輸過程中設置安全機制，不僅實現復雜度會大幅下降，為高性能的安全算法的應用創(chuàng)造條件，且會帶來比鏈路層傳統(tǒng)加密算法更高的安全性。OFDM調制卻不同，它首先將待傳輸數據進行分組，然后做MQA通過密鑰控制其調制過程與調制相結合的數據加密方法的過程和傳統(tǒng)加密方法有較大區(qū)別，傳統(tǒng)方法將數據加密以后其形式仍然是數據，而與調制相結合的方法對數據加密后的結果可能變成符號，不再是數據，而符號空間可大于數據空間又不增加冗余，這可使網絡的非授權用戶在無線接口中難以得到正確無線信號，保證數據的安全性，同時大幅度增加網絡授權用戶通過明文密文對攻擊算法的難度。這種不僅能保證傳輸信息的安全，而且也保證傳輸過程的安全。同時，如果在星座映射環(huán)節(jié)設置安全機制，其工作頻率不再是信息速率，而是符號速率，從而明顯降低了電路實現的難度，提高了實時性。通過密鑰控制其調制過程與調制相結合的數據加密方法的過程和傳統(tǒng)利用寬帶無線通信中OFDM調制特點的數據加密方法剛提出來，認為利用OFDM調制特點設置安全機制具有良好安全性、可實現性和現實意義，有望找到安全性更高的寬帶無線通信系統(tǒng)數據加密方法，以滿足固定和移動寬帶終端廣大用戶日益增長的信息安全需求。利用寬帶無線通信中OFDM調制特點的數據加密方法剛提出來，認7.寬帶無線通信與信息安全機制通信網絡正加快向數字化、寬帶化和智能化演進，實現從單一傳輸內容到多媒體通信，數據傳輸速率從幾十千比特到幾十兆比特，為人們的工作、學習、娛樂提供極大地方便和普及。由于移動通信和無線接入系統(tǒng)的數據安全卻一直沿用了傳統(tǒng)做法:對壓縮編碼后的數據先加密，再進行信道編碼，然后調制發(fā)射。該法在網絡中表現為在鏈路層將數據形式明文通過加密轉換為數據形式的密文，然后編碼調制。7.寬帶無線通信與信息安全機制通信網絡正加快向數字化、寬帶但由于移動通信和無線接入技術的網絡環(huán)境和服務性質，使得惡意攻擊者很容易得到大量的明文密文對，從而無論是流密碼還是分組密碼，攻擊者通過這些明文密文對可較容易找到加密算法的漏洞，實現對算法的破解，這時要實現數據的安全，只有不斷地改變加密算法，不斷地增加密鑰長度。典型例證是GSM網絡的SIM卡被克隆和通信內容被竊聽和IEEE802.11標準中的WEP算法被破解，而LTE和WiMax中的安全機制仍有待現實的檢驗。同時，對以OFDM調制為核心的寬帶無線通信系統(tǒng)，傳信率比現有的通信系統(tǒng)提高幾十倍，高達50Mbps-100Mbps,鏈路層實現數據加密的難度加大，成本上升，且對實時通信帶來較大影響。但由于移動通信和無線接入技術的網絡環(huán)境和服務性質，使得惡意攻8.超寬帶高速全光混沌通信美國國防部成立網絡戰(zhàn)司令部后，在世界范圍內引發(fā)了各國網絡安全激烈信息戰(zhàn)，隨后英國在6月25日出臺了首個國家《網絡安全戰(zhàn)略》。保護網絡信息安全已成為維護各國國家安全的第一要務。注意到，隨機數在信息安全中扮演著極其重要的角色，不論是數據加密、密鑰管理、公鑰和私鑰的產生，還是安全協(xié)議、數字簽名和身份認證等，都需要隨機數。隨著計算機運算能力的增強，用在密碼技術中的隨機數必須有足夠強的隨機性，這是偽隨機序列所不能提供的。在信息安全系統(tǒng)中，對隨機數的性能提出很高的要求。8.超寬帶高速全光混沌通信美國國防部成立網絡戰(zhàn)司令部后，在產生隨機數的方法安全實用的隨機數應利用自然界的物理現象產生，典型的實現方法包括：（1）利用直接放大電路或電子元件的熱噪聲。目前大多數真的隨機數發(fā)生器產品都是以此工作原理，如2008年中科院研究生院研制出的數字物理噪聲源芯片，傳輸速率為20Mb/s。（2）利用振蕩器采樣的隨機數發(fā)生器。（3）基于量子力學基本量產生的完全隨機性。（4）利用放射性元素的衰變產生的隨機性。（5）利用單光子的路徑選擇和激光斑紋圖樣的空間分布等物理現象也可用作為隨機數熵源。（6）基于混沌電路產生隨機數，該法克服了振蕩器采樣所產生的隨機特性不理想的缺陷。產生隨機數的方法安全實用的隨機數應利用自然界的物理現象產生，隨著光纖通信WDM系統(tǒng)單信道速率已達10Gb/s，并向40Gb/s發(fā)展，要實現大容量高速光通信的無條件安全，需要采用“一次一密”的加密方式，這就要求實時大量地產生高速隨機數。半導體激光器在適當條件下可產生數GHz帶寬的混沌激光。近年先后提出用寬帶激光混沌替代電路產生的混沌，構建了混沌保密光通信系統(tǒng)和混沌激光雷達。2007年提出構造快速隨機數發(fā)生器的基本思想是，利用光反饋半導體激光器產生的混沌激光作為隨機數產生的物理源。2008年日本利用兩路不相關混沌激光，經過模數轉換和異或處理，實驗獲得了速率為1.7Gb/s的隨機數。隨著光纖通信WDM系統(tǒng)單信道速率已達10Gb/s，并向402009年以色列利用8位模數轉換器采樣，經過后續(xù)差分運算處理和多位串行輸出，基于混沌激光產生了速率高達12.5Gb/s的隨機數，不足的是，在目前所有基于混沌激光產生高速隨機數的所有技術方案中，都要將混沌激光先通過高速光電探測器轉換為電信號，任何用混沌電路產生隨機數的成熟技術，其模數轉換和邏輯處理仍然在電域中進行，這樣受電子器件帶寬限制，很難產生更高速率的隨機數，以滿足大容量光通信的安全需要。2009年以色列利用8位模數轉換器采樣，經過后續(xù)差分運算半導體光放大器（SOA）隨著SOA制作技術成熟，在全光信號處理技術領域，已陸續(xù)提出和實現了基于SOA本身的結構或是基于SOA輔助干涉儀結構設計，用于光信號處理的全光開關、全光觸發(fā)器、全光邏輯門等功能器件。提出了一種產生高速隨機數的全光實現方案。將寬帶混沌激光熵源和現有的全光信號處理技術相結合，突破現有技術中因含有電子器件而產生的隨機數速率低的技術瓶頸，并且所產生的全光隨機數與光通信系統(tǒng)中所傳輸的信息可直接編碼與加密，不再需要電光調制器將電域的隨機數轉變?yōu)楣庥颉０雽w光放大器（SOA）隨著SOA制作技術成熟，在全光信號處半導體光放大器（SOA）應用摻鉺光纖放大器實現終結了光通信系統(tǒng)中的光電中繼器，使光通信網絡的發(fā)展實現了一次大飛躍。因此，探索全光隨機數的產生方式與技術，使新一代高速全光隨機數發(fā)生器，以取代現有的隨機數產生方式與產品，必將促進高速保密通信及全光信號處理等相關學科的發(fā)展，為混沌全光通信做出貢獻。半導體光放大器（SOA）應用摻鉺光纖放大器實現終結了光通9.混沌鍵控的超寬帶通信首先超寬帶技術來源于雷達技術，目的是滿足軍事需求，其信號形式類似于雷達，它通過發(fā)送超短的沖激脈沖信號作為載波，在很寬的帶寬范圍內完成通信，也稱沖激無線電。隨著2002年美國FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)對超寬帶頻譜的開放，非常靈活給出了超寬帶系統(tǒng)的功率輻射譜和超寬帶的定義，只要系統(tǒng)絕對帶寬大于500MHz或者系統(tǒng)-10dB相對帶寬大于0.2，即為超寬帶系統(tǒng)。9.混沌鍵控的超寬帶通信首先超寬帶技術來源于雷達技術，目的

FCC對超寬帶頻譜開放具有雙重意義首先是頻譜重用，超寬帶系統(tǒng)可與其它無線系統(tǒng)占用相同的頻段，能夠利用超寬帶系統(tǒng)具有很寬的頻譜資源，并為感知無線電（CR）技術提供了一個良好的研究平臺；其次，傳輸信號格式的多樣化帶來了信號設計的靈活性，由于FCC僅僅從頻域給出了超寬帶系統(tǒng)的功率輻射要求，而對時域的信號波形并無具體規(guī)定，帶來了極大的設計靈活性，這樣在功率譜輻射約束下設計人員可以根據應用需求靈活實現系統(tǒng)的設計。

隨著網絡科學與技術迅猛發(fā)展，通信業(yè)務已由傳統(tǒng)的話音單一化向多樣化的個人通信業(yè)務發(fā)展，通信網絡必然向高速、移動、智能、感知等方向發(fā)展。為此目標，正在全球范圍內的大規(guī)模部署第三代移動通信系統(tǒng)，并積極建設面向第四代移動通信系統(tǒng)的研究和實驗網絡。隨著網絡科學與技術迅猛發(fā)展，通信業(yè)務已由傳統(tǒng)的話音單一化2002年隨著美國FCC對超寬帶頻譜的開放，為稀缺的無線頻譜重用提供了一種發(fā)展的空間。作為WPAN的重要接入技術的超寬帶(UWB)技術的研發(fā)有了長足發(fā)展，由于成本和功耗暫時限制了其大規(guī)模的應用。隨著進一步完善和推進該領域應用基礎理論及技術，UWB技術逐漸會成為構筑未來智能無線信息網絡的重要技術之一。我國對此戰(zhàn)略制高點相當高度重視，在國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）已經寫入傳感器網絡及智能信息研究內容，基于UWB物理層的WPAN應用勢必將滲透到經濟的各個領域。2002年隨著美國FCC對超寬帶頻譜的開放，為稀缺的無線頻譜對低速應用的UWB物理層技術的研究有兩大目標：低成本與低功耗。在FCC的規(guī)范下，UWB的信號設計自由度非常大。研究集中在兩方面：一是基于沖激脈沖的沖激無線電（IR）UWB，由軍用雷達技術演變二是基于載波形式的UWB混沌通信是基于混沌信號的載波通信技術。由于混沌信號具有非周期性、寬帶性等特點，混沌通信系統(tǒng)能很好的抗擊多徑衰落，使得混沌信號在保密通信和擴頻通信等領域具有良好的應用前景。對低速應用的UWB物理層技術的研究有兩大目標：低成本與低功耗UWB具有極大的信號傳輸帶寬，UWB是一種擴頻通信技術，這使得具有擴頻性質的混沌通信技術天然成為實現UWB的一種可選技術。由于混沌通信的低成本優(yōu)勢，使得其成為國內外關注的UWB候選技術之一。目前精確的混沌同步的實現還存在困難，相干混沌通信僅有理論上可行，因此基于非相干接收的混沌通信傳輸方式，如COOK、FM/-DCSK，調頻/差分混沌移位鍵控倍受關注。因此，圍繞差分混沌移位鍵控技術作為新型超寬帶通信系統(tǒng)調制研究解決的有關核心技術已經成為一個重要的研究課題。UWB具有極大的信號傳輸帶寬，UWB是一種擴頻通信技術，這使為了盡量降低功耗和復雜度，面向中、低速應用的UWB技術通常都采用非相干的接收技術，除了幅度檢測、非相干脈沖位臵調制（PPM）外，基于發(fā)送參考信息的傳輸－參考（TR-IR）信號設計方法尤其重要。FM/-DCSK具有與TR-IRUWB類似的信號結構，在接收機設計中它們都要共同面對超寬帶信號時延電路設計的挑戰(zhàn)，低成本、低功耗的接收機設計變得較困難。為了盡量降低功耗和復雜度，面向中、低速應用的UWB技術通常由于發(fā)送參考信息的傳輸－參考（TR-IR）UWB發(fā)送極短的脈沖來傳輸信息，具有較高的峰均功率比（PAPR），已知在低速脈沖傳輸區(qū)域IR-UWB是峰值功率受限，在峰值功率受限條件下，TR-IRUWB的傳輸距離將非常有限。相比于TR-IRUWB，FM/-DCSK是一種基于混沌載波的調制技術，通過調整混沌載波的持續(xù)時間，可改變比特能量Eb，從而增加信號的有效傳輸距離。因此，首先需解決的一個根本問題是消除FM/-DCSK中時延電路的FM/-DCSK替代結構；其次，如何改進FM/-DCSK信號波形的設計，以增強信號有效傳輸距離，這是今后需要努力解決的一個關鍵所在。由于發(fā)送參考信息的傳輸－參考（TR-IR）UWB發(fā)送極短的脈

國內外需要深入解決如何消除或者降低時延問題。在設計低功耗應用系統(tǒng)時，首要考慮的是,如何完成最小的功耗和成本代價系統(tǒng)的設計，其次，要兼顧系統(tǒng)性能，盡量做到復雜度與性能之間折中。國內外需要深入解決如何消除或者降低時延問題。在設計低功耗由于實現簡單且無需混沌載波同步的非相干混沌通信系統(tǒng)具有競爭力。基于非相干接收的混沌差分移位鍵控(DCSK)及其改進形式：頻率調制混沌差分移位鍵控（FM-DCSK）和混沌開關鍵控（COOK）、直接混沌通信（DCC）技術和FM-DCSK作為混沌超寬帶系統(tǒng)的調制方案受到了關注。盡管差分混沌移位鍵控（DCSK、FM-DCSK）是實現低成本、低功耗超寬帶通信系統(tǒng)具有應用潛力的方案之一.

提出CS-DCSK調制新方法能夠避免時延電路，為DCSK的UWB系統(tǒng)設計提供一種可行的簡化方案。由于實現簡單且無需混沌載波同步的非相干混沌通信系統(tǒng)具有競爭力總之，基于FM-/DCSK的自相關UWB傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的TR類似，其難點都在于時延線單元的實現，因為混沌信號的非周期性，FM-/DCSK系統(tǒng)在接收機和發(fā)射機都需要時延線單元。為此，需要進一步改進FM-/DCSK的結構，以尋求其它替代方案和消除時延單元。除了實現電路方面的成本優(yōu)勢外，與沖激脈沖UWB技術比較，混沌調制技術混沌UWB系統(tǒng)采用了載波發(fā)射方式，比沖激脈沖UWB具有更低的峰均功率比，在峰值輻射功率受限的低速率應用中具有更強的傳輸能力；在頻譜輻射方面，通過引入頻率調制，可靈活實現對頻譜控制。因此，實現低成本、低功耗WPAN的開發(fā)應用有發(fā)展前景?？傊?，基于FM-/DCSK的自相關UWB傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的T10.混沌應用的專利概況經過初步專利調查，我國在混沌應用的所有專利總數186項，混沌通信及其加保密方法、線路設備相關的專利有65項，約占三分之一以上?；煦绲钠渌麘梅浅V泛，遍及國防、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等諸多方面應用，例如：在雷達系統(tǒng)的應用，混沌信號雷達與混沌激光雷達汽車防撞系統(tǒng)及其方法，混沌交織器，混沌治療儀，混沌水體養(yǎng)殖法，多用途可調混沌磁脈沖、電場、聲場生物處理機，一種帶計算機接口的磁混沌擺，一種帶混沌效應的高爐冷卻裝置，基于混沌控制的車載蓄電池管理方法，一種腐蝕深度的混沌預測方法，混沌光時域反射儀及其測量方法，基于半導體激光器的混沌激光測距方法及裝置，混沌