模数混合电光混沌系统及其在保密通信中的应用研究

论文摘要

随着通信技术的大量应用,光纤网络信息安全问题也日渐凸显。传统信息安全技术建立在特定数学问题的计算困难假设上,其安全性随着软硬件技术的快速进步正变得难以保证。光纤混沌保密通信使用混沌同步现象来加解密信号,具有实现信息论安全的潜力,可以应对传统信息安全技术正面临的挑战,近年来得到了越来越多的关注。性能优良的激光混沌系统及鲁棒的混沌同步机制是光纤混沌保密通信的关键。由于现有激光混沌系统大多是纯模拟的,光纤链路中不可避免的信道损伤限制了光纤混沌保密通信的传输距离。此外,纯模拟激光混沌系统中普遍存在的延时签名问题也对其安全性造成了不良影响。模数混合混沌系统同时集合了模拟和数字混沌系统的优点,兼容数字同步策略,并避免了纯模拟激光混沌系统中的延时签名问题。首先提出两种混沌特性优良、鲁棒性好的模数混合电光混沌系统。随后,探索了所设计的混沌系统在保密通信中的应用。研究对于进一步提高光纤混沌保密通信技术的实用性、满足社会日益增长的保密通信需求具有显著的价值与意义。取得的主要研究成果如下:(1)针对现有混沌系统结构复杂、同步距离受限等问题,提出了一种基于外部调制的模数混合电光混沌系统。系统由非线性变换、采样量化和数字反馈构成。通过使用通用器件构建的等效过程,系统简化了非线性变换的实现。分析表明系统可以输出高动力学复杂度宽带光混沌信号。此外,系统兼容数字同步策略。借助成熟的数字信号光传输技术,大幅度降低了信道损伤对混沌同步的影响。系统同时保证了其鲁棒性,克服了模拟混沌系统的延时签名问题与数字混沌系统的特性退化问题。(2)为进一步降低模数混合电光混沌系统的实现复杂度及成本,提出了一种基于半导体激光器的模数混合电光混沌系统。使用外部光注入时延半导体激光器的结构来实现非线性变换,克服了现有方案需要复杂光电光信号变换过程的问题。与外调制系统相比,该方案产生的混沌信号带宽相对受限,适用于对速率要求相对较低的应用场景。(3)使用鲁棒的长距离数字同步策略,设计了基于模数混合电光混沌系统的“一次一密”保密传输方案。方案应用混沌系统的同步模拟输出信号来产生同步随机数序列,进而以异或的方式进行数据加解密操作。提出了基于模拟延迟差分、数字高阶微分的后处理算法来保证产生序列的随机性,使用双阈值量化协商方式来提高产生序列的同步性。以图像数据为例,论证了方案实现Gb/s量级通信速率的高速长距“一次一密”保密传输的能力。(4)针对混沌信号带宽受限条件下如何实现尽可能高的保密传输速率的问题,应用高阶调制技术,提出了基于模数混合电光混沌系统的OFDM保密传输方案。方案将同步模数混合电光混沌系统的模拟输出信号转换到数字域,进而对子载波进行相位掩盖与解掩盖来完成数据加解密操作。展示了模数混合电光混沌系统对应用高阶调制格式的光纤混沌保密传输方案的适用性。论证了方案在有效缓解系统计算速度压力的同时可以提升保密传输的安全性。(5)针对现有混沌密钥分发系统分发距离受限的问题,使用鲁棒的长距离数字同步策略,提出了基于模数混合电光混沌系统的密钥分发方案。方案通过交换混沌系统的随机控制参数来确定高质量混沌同步的时间间隙,进而基于同步模拟混沌信号产生密钥。设计了对模拟混沌信号进行延迟差分的后处理方法,获得无偏模拟混沌信号的同时增强了系统的安全性。该方案具有在长距离数字通信网络中安全高速鲁棒地分发密钥的能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 选题的目的与意义
•   1.3 国内外研究现状
•   1.4 主要工作及内容安排
• 2 模数混合电光混沌系统与光纤混沌保密通信的理论基础
•   2.1 混沌系统简介
•   2.2 模数混合电光混沌系统的理论基础
•   2.3 光纤混沌保密通信的理论基础
•   2.4 本章小结
• 3 模数混合电光混沌系统
•   3.1 模数混合电光混沌系统研究背景
•   3.2 基于外部调制的模数混合电光混沌系统的研究
•   3.3 基于半导体激光器的模数混合电光混沌系统的研究
•   3.4 本章小结
• 4 基于模数混合电光混沌系统的“一次一密”高速保密传输
•   4.1 “一次一密”保密传输简介
•   4.2 “一次一密”保密传输系统的总体结构
•   4.3 同步真随机序列产生
•   4.4 “一次一密”加密
•   4.5 其它具体实现问题
•   4.6 本章小结
• 5 基于模数混合电光混沌系统的OFDM保密传输
•   5.1 OFDM技术简介
•   5.2 原理和数学模型
•   5.3 仿真与结果分析
•   5.4 本章小结
• 6 基于模数混合电光混沌系统的密钥分发
•   6.1 混沌密钥分发简介
•   6.2 方案原理
•   6.3 仿真与结果分析
•   6.4 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 工作总结
•   7.2 思考与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵泽希

导师: 刘德明

关键词: 信息安全,混沌同步,激光混沌,保密传输,信息论安全

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 华中科技大学

分类号: TN918;O415.5

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000219

总页数: 115

文件大小: 3511K

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