基于超混沌LC振子的全双工通信系统的研究

基于超混沌LC振子的全双工通信系统的研究 基于超混沌LC振子的全双工通信系统的研 究 2005年第4期 文章编号:1006-2475(2005)04-0031.03 计算机与现代化 JIsIfAN?YUXIAND删A总第116期 基于超混沌LC振子的全双工通信系统的研究 倪问尹,王玲 (湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082) 摘要:应用反馈同步技术,在超混沌电路上实现信号的全双工混沌保密通信.在理 论上简要地讨论了双方的同步原理, 从实验的角度验证了此通信系统的可行性,并给出了实验结果. 关键词:保密通信;同步;超混沌:全双工 中图分类号:TN918文献标识码:A ResearchonFullDuplexCommunicationSystemBasedonHyperchaosLCoscmat0r NIWen—y,WANGLing (CollegeofElectricandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China) A】 bsact:Utilizingfeedbacksynchronizationtechnology,afullduplexsecurecommunicationsystembasedOnhyperehaosisdemonstrat— ed.Thepfineipieofsync}wonizationisanalyzedbetweentransmitterandreceiver.Thefeasib ilityofthissystemisapprovedinexperiment andexperimentresultsarepresented. Key,)-.0rds:~uI'ecommunication;synchronization;hyperchaos;fullduplex 0引言 混沌作为一种普遍存在的非线性现象,由于它的 内随机性,连续宽谱和对初值的极端敏感等特点,使 其在保密通讯领域有着广泛的应用.由于超混沌系 统具有更复杂的动力学行为,采用常规的相空间重 构,回归映像和非线性预测等方法很难破译利用超混 沌加密的信号,因而超混沌同步更有实际意义.目前 人们已提出了有关实现超混沌电路的若干方法,其中 有四阶蔡氏电路[,变型蔡氏电路[?]以及用蔡氏电 路之间的相互耦合实现高维的超混沌系统J,Rossler 超混沌系统[,复数洛仑兹一哈肯(CLHE)超混沌系 统[]等.近年来利用超混沌同步进行保密通信引起 了越来越多学者的兴趣,并在这方面做了很多工作, 成为了人们正在研究的热点问题之一[9l.到目前 为止,大多数混沌通信的研究集中在信息单向传输 上,文献[10]讨论了蔡氏电路的同步保密通信系统及 实现单工双向通信的可行性,而有关全双工混沌通信 的研究相对较少.文献[11]提出一种基于间隙耦合 的混沌通信方式,其主要思想是将同步和信息传输分 开,结合信息的参数调制策略和参数辨识技术,实现 一 种安全性能高的全双工通信方式,并给出了保证信 息解调质量和安全性能的条件.本文应用超混沌反 馈同步技术,采用超}昆沌掩盖通信,将同步和信 息混合传输,实现了超混沌全双工通信系统的保密通 信. 1LC超混沌振荡模型 文献[11]提出的一个简单的四维Lc超混沌振荡 系统,其原理如图1所示. R4 I 图1IJc超混沌振荡模型 其动力学方程为: 收稿日期:2004-09.20 作者简介:倪问尹(19'77.),男,湖南益阳人,湖南大学电气与信息工程学院硕士研究 生,研究方向:混沌通信技术;王玲 (1962.),女,湖南长沙人,教授,研究方向:现代通信技术. ,‰堍,驺=?焉w叭!C?上黾_-L? 32计算机与现代化 C:鲁l—一一 虮 Vcl . Vel一 警=I一H(Vc2一V0) 其无量纲方程为: =ax—V—Z 一 ,, (2) z=c(x—v) 当a=O.7,b=10,c:e=3时,该系统的李雅谱 诺夫指数(O.123,0.067,0.000,一9.75),由于该系统 有两个李雅谱诺夫指数大于零,故是超混沌系统[12]. 2全双工通信系统 全双工方式(叫duplex)是指当通信双方数据的 发送和接收分别由两根不同的传送s}Hl接收It2ll 输线分流传送时,通信双方都能I—IL—I 在同一时刻进行发送和接收信号——I 的传送方式,如图2所示.图2全双工制 在全双工方式下,通信系统的每一端都设置了发 送器和接收器,因此,能控制数据同时在两个方向上 传送.全双工方式无需进行方向的切换,因此,没有 切换操作所产生的时间延迟,这对那些不能有时问延 误的交互式应用(例如远程监测和控制系统)十分有 利.这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器,同 时需要2根数据线传送数据信号(可能还需要控制线 和状态线,以及地线). 本文研究的通信系统的原理框图如图3所示. 其通信原理为:当双方进行通信时,信号源sl(t)(或 s2(t))通过调制和加密后,即发送信号send(t)=f(s (t),vc2(t)),一方面在发送端将发送信号反馈回发送 端子系统,另一方面送到接收端进行解调,从而使得 发送端系统和接收端系统具有完全相同的驱动信号, 实现发送端和接收端混沌系统的完全同步,因此发送 信号通过相干解调后恢复原始的信息,即解调后的信 号St(t)=f'(send(t),Vc~(t)).当同时通信时,由于双 方都进行了反馈调制,这种方式进一步加强了双方的 同步,从而使双方进行和谐的通信.函数f(*)示 信号的调制过程(可采用加法器来实现),而函数f (*)表示信号的解调过程(相应的可用减法器来实 现).经分析该系统的无量纲方程为: (x1一x4) [x3一b* f(x4,S1)一x1] 1)*H(xI一1 虚线下方系统的无量纲方程为: 『l=a*Yl—y2一y3+[fly,,)一y1]+[f(x4,s1)一y1] Y2yli.*(yl— y4)' l:e*[y3一b*(y4—1)*H(y4—1)] 图3全双工通信系统 设Y=[Yly2y3y4]T,X=[Xlx2x3)(4]T,E=Y一 为两系统的误差信号,取a=0.7,b=10,c=3,e=3, 计算它的Jaceobi矩阵的特征值=一29.6980,=一 0.2639+2.0031i,=一0.2639—2.0031i,=一 0.0742;由于四个特征值实部均为负值,误差信号逐 渐稳定,即y—x,通信双方渐进同步,因此信号都能 解调出来.. L.?L?u. f_- r, L_??【. fT1--r1III『 - I,LI n _ 1 始语音信号(b) l ? k,t 一JL_l— I.? 【 (a)图5解调后语音信号(b) 为了进一步验证此全双工通信系统的可行性,我 们还进行了语音信号实验.Sl信号源为单词'c0tn- munieation'的声音,其波形如图4(a)所示;而S2为单 词'China'的声音,其波形如图4(b)所示.在图5中 一 期一 4一 第一一 年一 一+ 2005年第4期~f*-I尹等:基于超混沌LC振子的全双工通信系统的研究33 示出了通信双方电路参数匹配较好的情况下的实验 结果,而且将解调放大后的语音信号输入扬声器,能 还原出非常清晰而逼真的语音信号.当通信双方的 对应参数有5%的误差,如(4)式中a或b或c或e有 5%的误差时,实验结果显示,恢复出来的语声信号有 误差,听感明显变差,接收系统和发射系统不能同步, 无法从传送信号中提取语声信号. 3结束语 本文提出了一种采用超混沌信号对语音信号进 行加密的全双工通信系统,实验表明了此方案的可行 性.本方案具有优良的同步性,即使是通信过程中突 然失步,通过双反馈方式也能使双方马上达到同步. 从安全性方面来看,由于采用超混沌信号对信息进行 加密,加之混沌的参数敏感性高,使破译难度增加. 对非法截取信息的人来说,在事先不知道发端电路参 数的情况下,要想破译有用信号有一定的难度.从电 路的结构来讲,此电路的实现并不复杂,因此具有实 用性. 参考文献: [1]MmsumotoT,ChuaL0.Hyperelmos?Laboratoryexperiment andnumericalconfirmation[J]…IEEETr'.nsCAS一1.,1986, 33(11):1143—1147. [2]YinYZ.Synchronizationofchao6inamodifiedChua'scircuit usingcontinuouscontrol[J].h1.J.Bif,.trc.ChaG6,1996,6 (11):2101.2117. 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(4)UDP封装.UDP封装是整个的关键部分,它将原 IPSEC包完全封装在一个UDP包里,其原理如图3所示.UDP 封装协议将IPSEC荷载统一封装在UDP端口500上. 图3UDP封装原理 (5)UDP拆装.UDP拆装的过程和UDP封装的过程正好 相反,它将IPSEC数据包从UDP封装包分拆出来. 5结束语 IPSEC和NAT是两个使用非常广泛的技术,但是 由于NAT修改了IPSEC数据包的地址或端口号, 破坏了IPSEC数据包的完整性,NAT的使用破坏了 IPSEC的AH,ESP和IKE协议的正常使用,存在很多 不兼容性.现在已经有一些方案来解决IPSEC和 NAT的兼容性问题,其中UDP方案由于不需要修改 NAT设备的优点而得到广泛应用. 参考文献: [1]NaganandDoraswamy.?一新一代因特网安全标准 [M].北京:机械工业出版社,2000. [2]RFC2401,SecurityArchitecturefortheInternetProtocol[S]. [3]RFC2663,IPNetworkAddressTranslator(NAT)Terminology andConsideration[S]. [4]RFC3022,TraditionalIPNetworkAddressTranslator(Tradi— tionalNAT)[S].