时空混沌双耦合驱动系统及其误码检测和处理方法

专利名称：时空混沌双耦合驱动系统及其误码检测和处理方法
技术领域：
本发明属于时空混沌技术耦合驱动系统领域，尤其是时空混沌系统双耦合驱 动系统及其误码检测和处理方法。
背景技术：
随着信息数量的飞速增长和信息传播方式的日益复杂，传统的线性方法已不 能满足实际通信系统的发展要求，因此非线性数学工具近年来得到越来越多的应 用。随着研究者对于非线性领域的认识逐渐加深，时空混沌系统的研究受到越来 越多的重视，也得到了非常广泛的应用。混沌系统的初值敏感性和内在类随机性， 使得混沌系统产生的序列具有良好的伪随机性质和较高的保密性，因此混沌系统 在诸如扩频通信和保密通信等系统中具有很强的应用潜力。时空混沌是时间方向 和空间方向都呈现混沌态的系统，是无穷维的动力学系统，比低维混沌系统具有 更高的复杂度。多项研究已经证实，时空混沌系统不但具有良好伪随机性、高保 密性，而且具有高计算效率，因此被世界各国学者广泛关注。随着时空混沌系统 驱动同步技术的发展，时空混沌系统不断向实用化迈进。但是，传统的时空混沌应用系统研究主要是从理论的角度来考虑的，缺乏对 真实通信环境的考虑。为了设计实用化的时空混沌应用系统，尤其是在与通信有 关的应用环境中，需要考虑信道误码对系统工作的影响。由于时空混沌系统具有 误码扩散特性，如果驱动序列在传输过程中发生误码，在接收端会引起严重的失 同步现象，影响系统的性能甚至导致系统不能正常工作。由上面的分析可见，将时空混沌系统用于实际场景时，不能忽略驱动序列误 码的影响。开发一种时空混沌系统双耦合驱动方法，使得时空混沌系统达到实用 化水平一直是人们研究的工作重点。发明内容针对时空混沌系统对驱动信号错误抵抗能力较差的现状，在分析总结已有研 究和技术的基础上，本发明提供时空混沌双耦合驱动系统，该系统可以提高时空混沌系统抵抗驱动信号错误的能力。同时，本发明还提供时空混沌系统双耦合驱动系统的误码检测和处理方法。 技术方案是时空混沌双耦合驱动系统，其特征是由发送端时空混沌驱动系 统和接收端混沌驱动系统组成，其中，发送端混沌驱动系统包含两个相互线性耦 合的混沌系统，系统函数分别为；^/;(x)和j^/2(x)，分别输出序列fc("》、 ^2(^}，将第二个混沌系统的输出序列^2(")}作为发送端时空混沌系统的驱动序 列；接收端混沌驱动系统，包含两个相互独立的混沌系统，系统函数分别为>^=/;("和少=/2(^，分别与发送端混沌系统的系统函数相同，接收端的两个混纯系统分别与序列k("》、fe("》经过信道传输后的序列即^("l &2(")}相 耦合，分别输出序列(x'、("》、{x"2(")}。在发送端，按照生成序列>2(")}的公式为(1):<formula>formula see original document page 5</formula> ( 1 )发送到接收端序列为k丌n》、{x'2&)}，则满足如下关系式(2);<formula>formula see original document page 5</formula> (2)其中，fc("》、^"w》为两个码元序列，分别表示信道对两个发送序列的改 变作用，(2)式中的④号为逐位异或运算，若《(")某bit为l，则x、(")与x、(")相应bit不同；若《(")某bit为0，则X、(")与X、 (W)相应bit相同；在接收端，利用(X',("》、(X'2("》按照(l，)式生成<formula>formula see original document page 5</formula>一种时空混沌双耦合驱动系统的误码检测和处理方法，其特征是包括下列步 骤在时空混沌双耦合驱动系统的接收端，根据序列^("》、tc'2("》、(X'、("》、 {x"2 (w》的信息进行误码检测和误码处理，并将经过处理的{x'2 (w》作为接收端时空混沌系统的驱动序列。根据序列(X'、("》、tc"2("》的信息对^("》、(X'2("》中的码元按照时间下标升序进行检测，对每个码元的检测包括三个步骤(1)对码元x'"^进行检测时，考察时刻n以及之前^-l时间内的码元序列t^(")l和A为检测操作一的观测时间长度，如果其中对应码元取值有差别，则x、(")属于误码集合一，对于X'"")进行检测时，考察(x'""》和(X""M》中的码元，由于对连续两个码元X、(")和X"" + 1)进行检测操作时，需要考察的A个码元对中只需要更新一对，即将x、(w-A+l)、 x'、(w-A+l)更新为(2)对码元x、(")进行检测时，考察时刻"之前和之后丄2时间内的码元序 歹lJtc、("》和tc'、("》，丄2为检测操作二的观测时间长度，如果这段时间内存在对 应码元有差别的情况，连续不相同的码元个数不超过丄2，且将x、(")包含在内， 则x',(w)属于误码集合二，对于x'"")进行检测时，考察(x'""》和^'""》中的 码元，由于对码元x、(n)进行检测操作二时，可以检测出一段连续误码(3)对码元x、(w)进行检测时，如果x、(w)与x'、(^有差别，考察时刻"之 后的丄3时间内的码元序列{x'2 ("》和{x"2 (")}，如果这段时间内所有对应码元完全 不同，丄3为检测操作三的观测时间长度，则x、(w)属于误码集合三，对于x、 ^进行检测时，考察{x、 (")}和、 (")}中的码元；对fx、("》、(x、(w》中的码元进行以上三个检测操作后，得到三个误码集合 五fr^ 、 ￡rror2 、 ￡>tot3 ， 最后得到的误码集合是 ￡/tw = n(￡m^2 U^>ror3)，属于这个集合的码元判定为误码。经过误码检测得到误码集合^&ror ，设x、 (w)e五nw ，跟据检测结果的不同， 有三个误码处理步骤(1) :考察时刻n之前的A时间内的码元序列(x'""》和(x'、(w》，如果 x'2 (" _ = x"2 (" —/t = O,l,.. ,丄,_ 1 ，且;c', (" _ 1) g ￡>ror ，贝U令x'2 (") = x"2 (");(2) :在不满足处理步骤一条件的情况下，考察时刻W之前i^时间内的码元 序列{x、 (")} 、 {x' 、 (")} 、 {jc'2 (")}禾n {x''2 (")}，若35 e ["—丄4 ， " -1]，满足 Ax, 2^ - /) = 0, / = 0,1,…,A -1 ，则设这些A中最大者为A腿。将;c'、 2⑦脆)代入(l') 式，并用x、(/Uj代替x'wfe^)，迭代计算出x'、(m)，最后令jc、("卜x、(^。(3) :在不满足上述纠错处理步骤二条件的情况下，根据对系统效率和可靠 性的权衡，选择忽略误码或要求发送端重传。按照上述方法依照"的升序对tc'2 五nw"l纠错。本发明的效果是本发明技术包括三个核心部分——双耦合驱动模型、双耦合驱动误码检测、双耦合驱动误码处理，能够提高时空混沌系统抵抗驱动信号错 误的能力。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。、(w + l)、 ；^'!(" + 1);


图1是本发明时空混沌双耦合驱动系统的原理图； 图2是本发明误码检测程序流程框图； 图3是本发明误码处理程序流程框图。
具体实施方式
图1为双耦合驱动模型双耦合驱动模型。作为收、发两端时空混沌系统的 驱动系统，在发送端和接收端的模型结构略有不同。双耦合驱动模型的发送端部分，包含两个相互线性耦合的混沌系统，系统函数分别为^ = y;(x;^[^ = /2(x) (y;和力可以相同或不同)，分别输出序列fc("》、 &2(")}，并将第二个混沌系统的输出序列^2(")}作为发送端时空混沌系统的驱动 序列。双耦合驱动模型的接收端部分，包含两个相互独立的混沌系统，系统函数分 别为y二/iOO和y二/2(x)(分别与发送端的两个混沌系统相同)，/;、 /2混沌系统分别与经过信道传输的{&(")}、 {x2(")}(记为(x、("))、 {x'2(")})相耦合，分别输出(X'、("))、 {X"2(")}。在接收端，根据W"))、 (JC'2("))、 (X'、("))、 {X"2(")}的信息进行误码检测和误码处理(分别在(二)(三)中具体描述)，并将经过处理的{x'2 ("》作为接收端时空混沌系统的驱动序列。双耦合驱动模型中出现了六个码元序列，依次为{x2(")}、 {x',(")}、 {x'2(")}、 {x'、(")}、 {x"2(")}，其中每个码元由M个bit表示。产生方法如下1) 在发送端，按照(l)式生成序列fc("》、{X2(")}，用&("》作为发送端驱动序列<formula>formula see original document page 7</formula> (1 )2) 将fc("》、&2(^}通过信道发送到接收端，这时两个序列都可能受到信 道噪声的影响而产生误码。设接收到的序列为(x',0^、 {x'2("》，则满足(2)式关 系；x'12(") = x12(w) 《2(w) (2)其中，fe("》、fe""》为两个码元序列，分别表示信道对两个发送序列的改 变作用。(2)式中的十号为逐位异或运算，若《(M)某bit为1，则JC'"")与X"一相 应bit不同；若《(")某bit为0，则X"")与X、W相应bit相同；《(")同理。3)在接收端，利用(x、("》、&2(")}按照(1，)式生成{((")}、 {x"2(")}:X'', 2 (") = (1 - C)/(X' 、 2 (" - 1))+ , (" — l)) ( 1 ，)图2为双耦合驱动误码检测程序流程图。双耦合驱动误码检测在接收端进行，根据(X')("》、(X"2("))的信息对k("))、 (X'2("》中的码元按照时间下标升序进行检测，对每个码元的检测包括三个操作1) 检测操作一对码元x、(")进行检测时，考察时刻"以及之前Z, -1时间内(A为检测操作一的观测时间长度)的码元序列k(")i和k如果其中对应码元出现不同的取值，则A(")属于误码集合一。用数学语言表示为如果3/e
使得 A (/7 - 0 # X: (W - /)，则X、 (") e五/TW,。对于X'2 W进行检测时，与X、 W原理相同，但要考察^'20^和{,2( 》中的码元。由于对连续两个码元jc"";)和x',(w + l)进行检测操作一时，需要考察的丄,个码元对中只需要更新一对(将 x、(n-丄,+l)、 x'、("-L,+1)更新为^(" + 1)、 x'、(" + l))，因此用上述方法进行检测的效率很高。2) 检测操作二对码元x、(")进行检测时，考察时刻"之前和之后丄2时间内(丄2为检测操作 二的观测时间长度)的码元序列(x、(^l和(x'""》，如果这段时间内存在对应码 元不相同的情况，连续不相同的码元个数不超过丄2，且将x"")包含在内，则 x、(")属于误码集合二。用数学语言表示为如果e
， p + g +1 S2 ， 使得x、 (n_p — l)= x'、 ("_/ —1) ， x、+ x'、 (w + A;), A: = w — ; ,…,w +《，进行检测时，与x、(w)原理相同，但要考察^(")l和tc'、(w》中的码元。由于对 码元x、 (n)进行检测操作二时，可以检测出 一 段连续误码 x、 (" + ￡^^2, & = 对这些误码进行存储，就可以避免重复检测，提高检测效率。3) 检测操作三对码元;c、(^进行检测时，如果x'"^与x'、0O不同，考察时刻"之后的^时 间内(丄3为检测操作三的观测时间长度)的码元序列^'2("》和^'2("卄，如果这段时间内所有对应码元完全不同，则X、("属于误码集合三。用数学语言表示为如果x、(w)-x'、(")， VA:e[l,丄3]， x'2 (" + A:) - x"2 (" + A:)，贝U x、 (") e ￡>rw3 。对 于x'2(")进行检测时，与jc、(")原理相同，但要考察^(^和(x'、("》中的码元。 由于对码元^(m)进行检测操作三时，需要考察的丄3个码元对中只需要更新一对(将x、(" + 1)、 x'、(" + l)更新为J^(" +丄3+1)、 x'、(" + A+1))，因此用上述方 法进行检测的效率很高。对(x""》、"'2(")}中的码元进行以上三个检测操作后，得到三个误码集合 五/tw,、 五m^ 、 五m^ ， 最后得到的误码集合是 ^vw = ^&tw, n(￡>rw2 U￡/rw3)，属于这个集合的码元判定为误码。图3为双耦合驱动误码处理流程图。经过误码检测得到误码集合^ror，设 x'2&)e&rar，跟据检测结果的不同，有三个误码处理步骤1) 处理步骤一考察时刻"之前的A时间内的码元序列tc、(")l和tc、("》， 如果x'2(" —A:)-x"2("-A:),A^0，l，…，A—1 ， 且x、("-l)"證，则令x'2 (")= x"22) 处理步骤二在不满足处理步骤一条件的情况下，考察时刻n之前^时 间内的码元序列(x、("》、(x'、(")〉、 (x'2("》和(x"2("》，若Me[w-丄4，"一1]， 满足2 ^ - /) = 0, / = 0,1,…,A -1 ，则设这些A中最大者为A隨。将x'、 2 (Amax )代 入(1，)式，并用x'、2U代替x'口U，迭代计算出A(")，最后令X'2 (")= X，'2 (")。3) 处理步骤三在不满足上述纠错处理步骤二条件的情况下，根据对系统 效率和可靠性的权衡，选择忽略误码或要求发送端重传。按照上述方法依照"的升序对fx、 (")e ￡厅04纠错。 4.双耦合驱动方法举例双耦合驱动方法独立于时空混沌系统的应用场景，即任何使用时空混沌的系 统都可以利用双耦合驱动方法提高抗误码能力。下面我们用双耦合驱动方法在时 空混沌流密码系统中应用的一个实例，说明双耦合驱动方法的工作原理。系统参 数为/(x)=l —2-;c2 ， ￡ = 0.999， ^ = 2 ，丄2=12，丄3=12，丄4= 19。1)发送端随机选择初值A(O)和A(O)，根据以下两个迭代方程生成fe("》和x,(")"l-fXl-2.A("-l))+s(l-2.x2("-1)) x2(w)=(l-eXu'A("-i)) + s(l-2;("-l》系统先处于过渡阶段，经过100步迭代后达到广义混沌同步，此后的k("》 和^2( )}与初值无关，系统进入流加密工作状态。发送端用^^》驱动时空混沌 系统，生成会话密钥用于流加密，同时将&2( 》通过信道传输到接收端。接收端随机选择初值x'、 (O)和x"2 (0)，根据以下两个迭代方程生成("》和(x"2(")卜x'、 ( ) = (i — "I -2. x'、 (w -1))+ s(l _ 2.x'2 (" -1)) jc"2 (") = (1 _f X1 _ 2. V2 (" -1))+ s(l _2. jc、 (w -1))上面两式中，t^(n》和tc、("》是接收到的序列，其中与^(n》、&2("》不 同的符号对应着信道误码。与发送端相同，系统先处于过渡阶段，经过100步迭 代后达到广义混沌同步，此后的^''1(^}和^''2(")}与初值无关，系统进入流解密 工作状态。2) 对(x', (w》和{x'2 ("》的每个符号依次进行误码检测。 下面两个长度为40的序列片段分别是a) A(")与:c'、(")比较的结果("=101，...，140); b) x',(")与x",(")比较的结果("=101,-.,140)。相同的符号 用0表示，不同的符号用l表示。a) O,O，O，O，O，O,O,O，O,O,l，O,O，O，l,O,l,1,1,l，l,1,l,O，l，l,1,1,1,1,1,1,l,l,l，l,1,0,0,0b) O，O，O，O，O，O,O,O,O,O，O， 1,1,1,1 ， 1 ， 1,1,1,1,1,0,0， 1 ,O，O,O,O,0,1,1 ,o,o，o,o,o，o,o,o,o以^(120)为例检测操作一、二、三并行进行。检测操作一考察x',(119)与x",(119)的比较结果、x、(120)与x",(120)的比 较结果，在a)中发现均为l，因此x、(120)e五m^。检测操作二考察x、(")与x'、(";)的比较结果("=110,…,131)，在a)中发 现"-117,…，123对应的比较结果均为1。其中包含x、(200)，连续不同的符号个 数为7个，小于丄2=12，因此x、(120)e五^W2。检测操作三由于在a)中;c、(120pjc'、(120)，考察x'2(")与jc"2(")的比较结 果("=121，一,132)，在b)中发现比较结果不全为1，因此j^(120)g^7W3。综合检测操作一、二、三的结果，x、 (120)e五rrw 。用这种方法依次对&、("》 和&2 (w》的每个符号进行误码检测。3) 对(x'"w》的每个符号依次进行误码处理。以x'^120)为例依次判断是否符合处理步骤一、二、三的条件，选择适合 的方法进行误码处理。处理步骤一由于在a)中x、(119)^;c",(119)，因此不符合处理步骤一的条件， 跳过此步骤。处理步骤二考察x',(一与jc'、(")的比较结果("=101,…，119 )， x'2(")与x'、(")的比较结果("=101,...,119)，在a)、 b)中发现"-109，110对应的比较结 果均为O，符合处理步骤二的条件。因此根据处理步骤二，将x'、(110)和jc、(110) 代入(l，)式，分别代替A(llO)和A(llO)，迭代计算出x、(120)，最后令 x'2(120) = x"2(120)。处理步骤三由于巳在处理步骤二对X、(120)进行误码处理，因此跳过处理 步骤三。用这种方法依次对&2 ("》的每个符号进行误码处理，处理后的{x'2 G》作为 接收端时空混沌流密码系统的驱动序列。
权利要求
1、时空混沌双耦合驱动系统，其特征是由发送端时空混沌驱动系统和接收端混沌驱动系统组成，其中，发送端混沌驱动系统包含两个相互线性耦合的混沌系统，系统函数分别为y＝f1(x)和y＝f2(x)，分别输出序列{x1(n)}、{x2(n)}，将第二个混沌系统的输出序列{x2(n)}作为发送端时空混沌系统的驱动序列；接收端混沌驱动系统，包含两个相互独立的混沌系统，系统函数分别为y＝f1(x)和y＝f2(x)，分别与发送端混沌系统的系统函数相同，接收端的两个混沌系统分别与序列{x1(n)}、{x2(n)}经过信道传输后的序列即{x′1(n)}、{x′2(n)}相耦合，分别输出序列{x″1(n)}、{x″2(n)}。
2、 根据权利要求1所述的时空混沌双耦合驱动系统，其特征是在发送端，按照生成序列^(")}、 "2("》的公式为(1):X, 2 (") = (1 - f )/(X, 2 (" - l)) + #(X2j (" - l)) ( 1 )发送到接收端序列为tc、("》、{x'2("》，则满足如下关系式(2);x'12(")=x 《2(") (2)其中，fe("》、^2("》为两个码元序列，分别表示信道对两个发送序列的改 变作用，(2)式中的④号为逐位异或运算，若《(")某bit为l，则x、(")与;c、(")相应bit不同；若《G)某bit为0，则X、W与X、W相应bit相同；在接收端，利用(;c、("》、(x'2("》按照(l，)式生成{&(")}、 {AW}:x"u (") = (1 - *'、,2 (" -1))+《(x'21 (" -1)) (1，)。
3、 一种时空混沌双耦合驱动系统的误码检测和处理方法，其特征是包括下列步骤在时空混沌双耦合驱动系统的接收端，根据序列(X"W》、{x'2("》、 (X'""》、&'207》的信息进行误码检测和误码处理，并将经过处理的&2("》作为接收端时空混沌系统的驱动序列。
4、 根据权利要求3所述的时空混沌双耦合驱动系统的误码检测和处理方法， 其特征是根据序列^' }、 ^'""》的信息对t^"》、(x'""》中的码元按照时间下标升序进行检测，对每个码元的检测包括三个步骤(1)对码元x、(w)进行检测时，考察时刻w以及之前Z^-l时间内的码元序列t^(")i和^'、("》，A为检测操作一的观测时间长度，如果其中对应码元取值有差别，则x、(^属于误码集合一，对于x'J^进行检测时，考察(x'""》和 tc"""》中的码元，由于对连续两个码元x、W和x'^ + l)进行检测操作时，需要考察的A个码元对中只需要更新一对，即将x、("-丄,+l)、 x'、("-A+l)更新为 X、(W + 1)、 X'、(" + l);(2) 对码元JC',(")进行检测时，考察时刻"之前和之后丄2时间内的码元序列k,("》和k、("》，A为检测操作二的观测时间长度，如果这段时间内存在对应码元有差别的情况，连续不相同的码元个数不超过丄2，且将x、(w)包含在内， 则x"")属于误码集合二，对于A(")进行检测时，考察^'2("》和^''2(")}中的 码元，由于对码元x',(n)进行检测操作二时，可以检测出一段连续误码(3) 对码元JC、W进行检测时，如果x',(")与x'、W有差别，考察时刻"之 后的丄3时间内的码元序列{x'2 (w》和{x"2 ("》，如果这段时间内所有对应码元完全 不同，丄3为检测操作三的观测时间长度，则x',(w)属于误码集合三，对于x',(")进行检测时，考察tc',("》和^'、("》中的码元；对(x""》、(x、0^中的码元进行以上三个检测操作后，得到三个误码集合 五/rc^ 、 ￡厅^2 、 ￡rror3 ， 最后得到的误码集合是 =五m^ n C&tw2 U五m^ )，属于这个集合的码元判定为误码。
5、根据权利要求3或4所述的时空混沌双耦合驱动系统的误码检测和处理 方法，其特征是经过误码检测得到误码集合五^w，设x、(")e^&rw，跟据检测 结果的不同，有三个误码处理步骤(1) :考察时刻n之前的A时间内的码元序列tc'2(M》和(x"2("》，如果<formula>formula see original document page 3</formula>(2) :在不满足处理步骤一条件的情况下，考察时刻"之前￡4时间内的码元 序列{x、 (")} 、 ^'、 (")} 、(")}禾口 (jc"2 (")}，若e ["-丄4, " -1]，满足<formula>formula see original document page 3</formula>，则设这些A中最大者为/5腿。将x: 2 (/5max )代入(r)式，并用^,2(/Lx)代替八2U，迭代计算出JC"2(")，最后令<formula>formula see original document page 3</formula>(3) :在不满足上述纠错处理步骤二条件的情况下，根据对系统效率和可靠 性的权衡，选择忽略误码或要求发送端重传。按照上述方法依照"的升序对<formula>formula see original document page 3</formula>纠错。
全文摘要
可以提高时空混沌系统抵抗驱动信号错误的能力的时空混沌双耦合驱动系统，技术方案是由发送端时空混沌驱动系统和接收端混沌驱动系统组成，其中，发送端混沌驱动系统包含两个相互线性耦合的混沌系统，系统函数分别为y＝f₁(x)和y＝f₂(x)，分别输出序列{x₁(n)}、{x₂(n)}，将第二个混沌系统的输出序列{x₂(n)}作为发送端时空混沌系统的驱动序列；接收端混沌驱动系统，包含两个相互独立的混沌系统，系统函数分别为y＝f₁(x)分别与发送端混沌系统的系统函数相同，接收端的两个混沌系统分别与序列{x₁(n)}、{x₂(n)}经过信道传输后的序列即{x′₁(n)}、{x′₂(n)}相耦合，分别输出序列{x″₁(n)}、{x″₂(n)}。同时本发明还提供时空混沌系统双耦合驱动系统的误码检测和处理方法。
文档编号H04L9/00GK101252416SQ20081010256
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月24日 优先权日2008年3月24日
发明者勇 任, 晶 郭 申请人:清华大学