[科普中国]-混沌通信

混沌保密通信的基本思想是利用混沌信号作为载波,将传输信号隐藏在混沌载波之中,或者通过符号动力学分析赋予不同的波形以不同的信息序列,在接收端利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。因此收发双方的混沌同步是整个系统实现的关键。同步的前提是双方的混沌序列发生器需要有相同的初始值。

简介混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程。它是非周期的、有界的、但不收敛的过程，并对初始条件极为敏感。根据混沌序列对初始条件的敏感性，可用于多址通信；它的类噪声特性可提高通信系统的保密性；它的可以准确再生，可以用于混沌掩盖和信号恢复。

同步混沌通信三大保密技术可以分为：混沌掩盖技术，混沌参数调制技术和混沌键控技术。混沌掩盖技术属于混沌模拟通信，混沌参数调制和混沌键控技术属于混沌数字通信技术。

技术混沌掩盖技术混沌掩盖又称混沌遮掩或混沌隐藏，是最早提出的一种混沌保密通信方式。基本思想是：在发送端利用混沌信号作为一种载体来隐藏信号或遮掩所要传送的信息，在接受端则利用同步后的混沌信号进行去掩盖，从而恢复出有用信息。在混沌掩盖技术中的掩盖方式主要有相乘、相加或加乘结合这几种方式，这种通信方式的实现程度完全依赖于混沌系统同步的实现程度。

对于混沌掩盖保密通信来说，传输信号的幅值一般都较小，这样才可以保证混沌信号不偏离原有的混沌轨迹，但是这导致信号容易受到信道噪声的干扰，因而它存在着对信道噪声敏感、线路带宽限制及保密性低的缺点，在实用中存在困难。这种方案只适用于慢变信号，对快变信号和时变信号还不能很好地处理。

混沌参数调制技术混沌参数调制技术的基本思想是：利用发送端所传输的信号来调制混沌系统的参数，在接收端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢复出所传输的信号。这种方案将发送的信息隐藏在系统参数内，故其保密性能要好于混沌掩盖技术。这种方案的关键在于混沌系统参数的恢复程度。但是它对外界的干扰比较敏感，从而降低了通信的效率。

为了解决这个问题，可以在一个混沌系统中采用多个参数进行调制的方案。多参数调制方案虽然拓宽了混沌参数调制方式的应用范围，但是随着参数数目的增多，各个参数间的相互影响又不容忽视，而激光光纤混沌调制通信能较好地克服这些缺陷，因而更具发展前景。这种方案的适用范围与混沌掩盖相同。

混沌键控技术混沌键控技术的实现主要分两类，一种是混沌开关键控，利用所发送的数字信号调制发送端混沌系统的参数，使其在两个值中切换，信息便被编码在两个混沌吸引子中，接收端由两个相同类型的混沌系统构成，其参数分别固定为这两个值之一。

信息发送间隔内，通过检测各混沌系统的同步误差，以判决出所发送信息；另一种是差分混沌键控，它将发射的每一个信息比特的时间间隔分成两段：第一段传送参考信号，第二段传输数字信号。该参考信息取决于所发送的数字信号，然后利用该信号实现相关解调，从而在接收端恢复出所传输的信号。

在差分混沌键控技术中，由于混沌信号是非周期的，即“1”码与“0”码携带的能量并不完全一致，所以即便是在没有噪声干扰的情况下，相关估计的结果也存在偏差，因此会对系统的误码性能产生影响。将调频技术、混沌多相序列引入到其中，可以有效地解决这一问题。

但它同样存在着信道带宽的限制，因而许多学者将注意力转向了高维混沌系统，如应用混沌的光纤通信系统。用高维混沌系统实现保密通信比一般混沌具有更好的保密性、更大的存储容量和信息处理能力，具有更强的鲁棒性等优点。

因此它将是今后混沌理论和应用中最重要的研究方向，其最近研究的进展表现.在积分混沌移频键控、调频微分混沌移频键控技术方面。

应用展望1）基于混沌的调制技术

到现在为止所有的文献中已经提出的几种基于混沌的调制技术，通讯噪声和带宽限制等问题都已经被考虑；频率调制也已经拓广， 应用了动力学系统的状态轨迹作为载波。

（2）基于混沌相干通讯的系统

国际上有几个研究小组在过去10年中为了混沌通讯目的一直很重视混沌系统的自同步性质的开发。 例如，研究在相干混沌通讯中可逆系统及其稳定性理论等。Carrol 证明一个自混沌同步的通讯系统中甚至在信噪比很低时也能产生同步。

（3）基于混沌的非相干通讯系统

2000年“IEEE电路和系统学报”编辑了关于非相干混沌通讯专刊。 非相干混沌通讯系统已经从一些基本方案，诸如COOK（chnotic on-of fkeying）和CSK(chaos-shift keying)演变到DCSK(不同的CSK)的更复杂的不同相干检测和现代的FM-DCSK(frequency modulation DCSK)。已经提出DCSK的改进方案，它基于产生正交混沌信号，其特征是比通常通讯方案加信发送数据速率。

（4）混沌脉冲定位调制技术

最近几年超宽带(UWB)脉冲无线(IR)通讯系统的兴趣快速增长。 因为它们简化了复杂性，而具有低功率消耗和探测/ 窃听的概率小等优点。把多路传播和多用户容量相结合， 对于短程无线通讯有特别好的应用前景。 应用这些概念从符号动力学到发展一种创新的UWB 脉冲无线调制方案，已经进行了详细的性能分析。 利用混沌脉冲定位调制的数学通讯方案已取得了最新进展（包括为二进制信息发送而设计的混沌自同步通讯方案）。

（5）利用混沌的宽谱通讯

近年来一直在应用混沌理论设计宽谱序列以增强DS-CDMA(direct sequencecodo-division multiple acass)系统的性能,从理论和实验两方面都验证了基于混沌的DS-CDMA方法。提出的频率选择方法和非频率选择通道的方法都具有极大的优越性。

（6）混沌信号滤波

在通讯系统方面确定伦系统中混沌信号的噪声过滤一直被感兴趣，它已经提出了一些不同的滤波技术，它们取决于对现有动力学系统方面知识的掌握程度，已经提出应用嵌套空间中的局域投影来减少信号的噪声，并取得了进展。

（7）基于混沌通讯的非线性电路

混沌通讯系统的未来应用将大大地依赖于发展可靠的非线性电路的硬件性能， 以可靠地产生和处理混沌信号。 特别是，研制有效的和可靠性好的混沌发生器是一项根本的任务。 已经提出混合信号映象集成混沌发生器用于混沌通讯的方案，该方案适合于硅集成电路。

（8）研发混沌的光通讯技术

应用激光混沌是实现混沌通讯和混沌信息技术的一条极为重要的途径，从最近进展来看，大有发展前景。一是因为激光混沌具有宽带谱能够加密数据；二是因为光子很难被窜改，所以保密性强；三是激光器便宜；光纤作为发射器和通信通道价格也低廉； 四是激光具有最小色散。 因此，它适合于研究信息的获取、传递、处理、存储和显示等，对信息技术领域很有吸引力，特别对通信技术和高速信息公路。 因此， 激光混沌及其通讯技术成为该领域高科技一个新的生长点。 最近世界各国的一些研究小组一直力图开发混沌的光通讯技术， 例如， 应用半导体激光来达到混沌光通讯。 从数值研究到实验工作都在加紧进行。近年来，美国加利福尼亚大学两所分校和斯坦福大学组成的混沌通信“大学研究联合体”（MURI）在利用激光通信演示装置的研制中,已经取得了很好的进展,主要表现在三个方面:一是建立了CPPM系统,利用混沌调制实现了自由空间激光通信的演示;二是改善了非线性混沌系统的分析技术; 三是解决了通信应用的符号动力学的分析方法或技术。应用光注入单模半导体激光器和具有延时光反馈的单模半导体激光器来编码和解码信息。 已经采用带有外部环形光反馈的单模半导体激光器产生混沌进行混沌同步通讯实验。 也提出了应用激光的时空混沌进行并行通讯的方案。 美国MURI在利用频率调制通信中也取得了很好的进展。

（9）混沌和密码学

确定论混沌系统最具吸引力的是混沌信号具有高度不可预测性和伪随机特性，它可以在最新的工程方面得到应用。 混沌和密码学具有一些共同特点， 最主要特性就是对变量和参数的变化的敏感性。 混沌与密码学之间的一个重要区别就是在混沌所用的系统都只界定在实数上，而密码学处理具有有限整数的系统。 将实数集上的实数映射成一个有限集上的整数的可行方法，这是实现混沌密码编码算法的一个重要环节。

尽管混沌保密通信和混沌信息技术还有上述一系列理论问题和关键技术有待进一步深入研究和解决，但是作为一种高新科技的生长点，将可能在未来的信息战中具有战略意义，和其他高新技术一样，既有创新性、战略性、带动性，但是也带有风险性。 由于初步显示了应用潜力和发展前景，因此，特别引起了发达国家的高度关注和重视，他们正在加紧研究这一新兴通讯技术，以适应21 世纪的信息技术的迫切需要。

应当指出，利用超混沌和时空混沌实现保密通信比一般混沌通信具有更好的保密性、更大的存储容量和信息处理能力， 具有更强的鲁棒性等优点，因此它将是今后混沌理论和混沌通信应用中最重要的研究方向之一1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所