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1、,方锦清 中国原子能科学研究院 2010、7、26,混沌通信研究的若干进展,报告提纲,保密通信简介,通信是国家的生命线，网络时代更需要保密通信,标志之三 国内外多次出版混沌通信专刊和专著各种混沌应用专利遍及众多领域。我国有些项目获得国家省部级奖励,标志之一 国际上积极推进了一系列混沌保密通信的重大研究计划，并取得了长足进展和丰硕的成果。,标志之二 1998年研究几何与混沌的麦克马伦获菲尔兹奖。各国混沌成果奖.,历史 回顾,20年来稳健发展的重要标志,网络中心战： 美军网络战司令部,混沌保密通信和 密码学正在迈进 实用化,我国面临网络 信息战的空前挑战,研究 概况,实验有效验证混沌系统的基本特性
2、：宽谱性、对初值和系统参数的敏感性、有界性、遍历性、内随机性、分维性、标度性、普适性和统计特征等，这些宝贵的特性与密码需求相一致，引起密码学界的高度关注和重视。 实际上，早在1984年就提出了混沌加密思想，以后混沌和密码学结合使混沌加密的研究不断深入。迄今，不仅了建立数字化混沌通信，并将混沌密码应用于信息安全与保密通信领域。 随着大规模集成电路的高速发展，计算机及可编程逻辑电路计算精度与运算速度的不断提高，已使混沌特性退化程度大为减弱，混沌保密通信正在走进实用化，虽然军事保密需要，估计即将接近实际应用的阶段。,影响混沌通信实用化的原因,随着通信服务业的迅速发展（用户量, 宽带数据、视频和声音服
3、务，以及更高的信息安全要求等），许多尖锐的矛盾日益显露，如爆炸性增长的通信用户量与现有系统只有有限用户量，保密性与可拦截性等问题。现有的无线通信系统，由于它们自身固有的系统缺陷，并不能从根本上 解决上述矛盾。 现已证实，基于混沌的宽带通信提供了一个有意义的途径，它具有解决现有通信系统诸多矛盾和缺陷的发展潜力。尽管目前国内外已提出多种基于混沌的通信理论与技术，但还没有一个可用在有多径传输、畸变和时变衰落环境的实用系统。 当前，影响混沌通信向实用化迈进的主要原因： 对于相干检测，由于信道干扰和系统参数不匹配，致导难以实现混沌同步。通信信道的负效应，特别是无线通信信道的干扰，严重地蜕化了已提出的混沌
4、通信系统的实现。 对于非相干检测，两个因素影响了系统的实际实现：限幅器的阈值是噪声功率的函数；比特能量的方差也随着噪声功率的增加而增加。,近年来，经常发生网络通信安全问题，在传输、存储、处理过程中的数据信息丢失、泄露或被非法篡改将对国家、国防、社会和经济等造成严重的影响 例如，GSM网络的SIM卡被克隆和通信内容被窃听，IEEE802.11标准中的WEP算法被破解，盗用他人账号上网等。鉴于国际上日益激烈的网络安全形势，今年我国工信部专门出台了通信网络安全防护管理办法，从2010年3月1日起执行。这说明解决通信系统信息安全性问题对国家具有长远的战略意义。,网络加密是保护信息安全的行之有效的手段,
5、1998年美军提出了 “网络中心战”，2009年美国总统奥巴马刚上台就于5月29日批准公布了国家网络安全评估报告，指出来自网络空间的威胁已成为美国面临的最严重的经济和军事威胁之一，保护网络基础设施将是维护美国国家安全的第一任务，并提出了制定网络安全事件应急计划和筹备美军网络司令部等重大决策。 6月美国国防部马上创建了世界上第一个网络战司令部，它成为与空军作战司令部、太空司令部平级的单位，麾下多达541个子司令部、65个空军中队、预备役和国民警卫队、4个空军网络战联队和陆、海军网络战部队，如此大规模的网络部队完全是美军十多年来发展的必然产物。,特别关注：网络中心战美军成立了网络战司令部,“网络中
6、心战”的全面实现要经历2030年左右的时间，在2015年建成全球信息网格，2020年能实行较成熟的网络中心战。美国防部报告强调指出：“网络中心作战 可能是美国政府历史上最复杂的任务,可与第二次世界大战及对前苏联的冷战相比,是长期、困难、高费用和高风险的任务。”“这一任务岂止是非常复杂, 所需的知识甚至还不存在。这类似当年美国的曼哈顿原子弹工程、阿波罗登月工程, 需要长期的、动员全国力量的创新”。,若 干 重 要 课 题,1. 数字化混沌通信(DDCC),一直是混沌保密通信的一个最重要的研究方向. 并已被大量实验证实是最具有实用前景. 数字通信系统的特点是具有抗干扰能力强、易于加密和易于大规模集
7、成等，它比较模拟混沌系统具有结构简单、易于实现和保密性能高等优势，因此它必然将取代模拟通信在通信行业中占主要地位. 数-数通信仍能保存原混沌系统的许多特征，诸如：对初始值的高度敏感性、混沌序列的类似随机性等，并且还有符合密码学需要的特征，初始密钥空间无限大、混沌系统唯一确定性等，并混沌更易运算、大量非线性运算和同步通信，使数字化混沌和加密理论结合构成信息安全与保密通信系统。,必须深入研究数字化的混沌特性,由于数-数混沌系统时域值受到有限精度和离散化限制，只要提高运算精度，则可减小平均量化误差。需要设计混沌序列密码核，使之产生输出良好的伪随机序列，并对该序列进行预测，构造出可估计的数字化混沌序列
8、密码的基本模型，在有限资源下，有效调配系统参数、精度和初始值，使输出序列符合密码序列要求，可作为密钥序列发生器或参与密码运算，并能应用于加密系统和保密通信中，所以进一步深入研究数字化混沌序列密码理论模型及其信息加密系统仍然极具有挑战性。,DDCC的关键问题之一 ：探索混沌序列密码模型,混沌密码研究包括 利用单个或多个混沌系统产生伪随机序列作为密钥序列，实现对原文的加密； 用明文或密钥作为混沌系统的初始条件或结构参数，通过混沌系统合适的迭代次数产生密文。 第一种方式对应于流密码，第二种方式对应于分组加密。由于混沌序列是复杂的伪随机序列，它在构造复杂流密码极具大优势，且在保密通信中应用这种非线性序
9、列，结构复杂，难以分析和预测，可以满足网络上数据安全传输和数字保密通信等领域的广泛需求. 目前，探讨混沌序列密码的创新模型及其应用将成为实现DDCC的关键问题之一 。,若干需要解决问题,为了真正推进混沌在工程实际中的应用，需要解决的若干问题: 首先，深入研究数字化后混沌特性的变异、短周期、退化的轨道分布和非理想的相关特性，这是真正应用面临难题之一。 第二，需要研究评估混沌加密系统的安全性、复杂性和可靠性的一套标准，目前国际上尚缺乏统一标准。 第三，探讨数字化后混沌序列特性的测度问题，根据加密需要选择不同级别加密算法。,2. 高维时空超混沌通信,这一直是混沌通信的另一个重要的研究方向，迄今发展了
10、许多时空混沌系统，仅举一例说明。 高于3阶细胞神经网络(CNN)的超混沌通信研究 可应用于空间多目标信号处理中，在国防领域里拟解决多目标测控及通信问题：设置在卫星、无人机、飞艇等天基载体上的基站等各种天基目标中的空中基站与地面基站、基站及目标之间。 由于时空超混沌系统的混沌动力学特性具有更复杂的随机性和不可预测性，必将深刻地影响超混沌保密通信和多址通信。如具有多个正的lyapunov指数和更多的可控参数，超混沌的加密信号比较一般低维的破译方法很难破译（如相空间重构、回归映象和非线性预测等）。因此，利用时空超混沌通信可提高通信系统的抗攻击和抗干扰能力。又因CNN特有的局域连接的结构，使其硬件容于
11、实现，这样利用CNN的超混沌特性进行保密通信具有重要的理论价值和实用意义。,CNN在理论和应用方面研究,理论上主要是研究CNN动态特性及各种变形CNN的结构及特性，更接近真实电路实现的延迟CNN和离散CNN等。 应用上主要研究CNN实用算法与设计,如图像处理和模式识别等,以及CNN硬件实现的研究,涉及基于光学、光电、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经取得了一批科研成果，提出了一族一维四阶CNN产生复杂的超混沌现象，其结构比传统的二维CNN更简单和更易实现。 时空超混沌系统的同步研究比较一般混沌研究更为困难。Grassi等人提出和研究了超混沌系统的同步
12、，已成功应用于一个8阶的延迟CNN以及一个包含5个Chuas电路构成的环路。探索基于超混沌的空间多目标通信与测控系统，采用CDMA体制和结合的扩频通信技术，利用CNN超混沌特性进行通信。,国内研究特点,（1)主要研究了各种参数条件下网络稳定性和各种变形CNN的结构及特性，同时开展了CNN的复杂动力学现象(例如，极限环、混沌、分岔等)研究。 （2)对于CNN超混沌动力学特性及混沌同步的研究都集中在四阶CNN方面。 （3)开始探讨和深入研究非整数阶和整数阶CNN的超混沌特性及同步问题，寻找电路结构简单、易于实现、性能更优良的超混沌序列，实现超混沌系统的同步，包括CNN的次最优多用户检测模型用于空间
13、多目标的通信与测控体制，以满足信息加密和多址通信的需求。 （4）研究在多址和多径环境下，将CNN超混沌系统用于空间多目标通信及信号处理问题，这些研究对未来空间通信技术的发展至关重要。,3. 频分复用混沌光通信,各国都面临着信息安全问题挑战。为了满足当今社会对信息量不断增加及保密越来越高的要求，采用波分复用、时分复用和频分复用技术相结合技术可极大地提高了通信容量。 目前实现通信保密的主要手段是数字混沌加密技术，混沌通信的实现是基于收发两端的硬件参数可作为混沌保密通信的密钥。混沌通信是一种硬件加密或软硬结合加密，适用于长距离、低误码率传输。 国内在半导体激光器实现混沌光的产生、同步及通信方面已取得
14、了进展 ，实验实现了混沌串联、并联同步以及双信道混沌光通信，光电双延时反馈混沌系统在高速光保密通信中的应用等。 国外重点研究为不同形式光反馈半导体激光器实现混沌光产生、同步和混沌通信理论分析，对于外光反馈半导体激光器实现的混沌光源研究相对较多。,存在两个问题,第一，从理论上讲，混沌系统对参数匹配精度要求越高，保密程度也就越高。但实际应用时要制作两个或多个参数精确匹配的系统难以达到，为此可利用混沌产生器来作密钥，使其满足对伪随机发生器要求。 第二，外光反馈半导体激光器产生的混沌信号呈现一种弱周期性，这种弱周期性通过产生的混沌光进行自相关后即可观察到。混沌信号相关后频分复用混沌光通信隐含的光反馈延
15、迟信息将易于提取出来。 在2009年雅典混沌模型和理论国际会议，实验已实现有外光反馈在长距离光延迟下混沌的自同步现象，其反馈延迟时间从实验的自相关曲线可知。,解决方法和途径,第一个问题可通过增加外部密钥来增强混沌通信系统的保密性。例如，反馈腔长、反馈强度等。目前该法只是数值仿真研究，且反馈腔长已被证明不能作为密钥。 第二个问题，多延迟反馈可有效地减少光反馈延迟时间信息，但并不能完全消除。因此，有必要提出一种基于副载波调制的频分复用混沌光通信系统，通过多路反馈与副载波调制技术相结合构建混沌发射系统，减弱混沌载波的弱周期，提高其维度，将副载波频率作为密钥，从而提高混沌通信系统的保密性。 采用发射系
16、统相对应的多路输出混沌接收系统，实现开环和闭环混沌同步，与调制技术相对的解调术进而提取传输信息，实现大容量混沌光通信系统，为实验实现频分复用混沌光通信的实用化提供证据和新途径，使其实验实现符合STM-16通信系统规范的2.5Gbit/s通信系统规范的传输速率的频分复用混沌光通信，为在现有通信系统增设混沌保密通信通道及其在高速信号保密传输的实用化提供证据和新途径。,4. 混沌通信中的噪声影响,在现代数字通信系统各个主要环节利用混沌的特性，涉及数字加-解密、信道编-解码、信号调制-解调、多址接入等，包括：混沌遮掩、混沌开关、同步与非同步、相干与不相干方法。 如果仅从噪声性能考虑，基于混沌的通信系统的噪声性能不如基于正弦载波的传统通信系统。,通信研究的中心问题：抑制噪声,常规的处理方法，如滤波,它是利用信号与噪声的频谱的差别来分离它们或抑制噪声。在大多数情况下，噪声和信号共同分享一个频段，只是噪声的能量分布在较宽的频带内，信号的能量则集中在较窄的频带内。 因此，利用一个能保持信号频谱的滤波
