一种基于时滞忆阻混沌神经网络的保密通信方法与流程

本发明涉及混沌神经网络和保密通信领域，具体地说是一种基于时滞忆阻混沌神经网络的保密通信方法。
背景技术：
：近年来，混沌神经网络的研究与应用一直是计算机与模式识别、神经生理学和控制理论等相关专业的热点。由于其混沌特性是表面上的非周期性背后隐含着有序性，所以混沌神经网络在图像处理、联想记忆、模式识别和保密通信方面有着巨大的潜力。1971年，加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系教授LeonO.Chua预测了第四种基本电子元件-忆阻器的存在性。Hewlett-Packard实验室于2008年研发出该忆阻器。这种器件是纳米级的无源两端器件，是一种功耗很小的电子元件。随后，开始有学者尝试将忆阻应用在神经网络设计中，由于忆阻具有记忆的特性，采用忆阻构造的时滞混沌神经网络与一般的混沌神经网络相比，除了有不同的动力学特性外，时滞忆阻混沌神经网络的混沌行为也更加复杂，比普通的神经网络的混沌路径更难预测，这使得在保密通信中有独特的优势。目前，在已有的神经网络保密通信的方案中，但这些方案主要是神经网络的权值是确定的，因为对于保密通信中的信号的安全性较低；除此之外，通过实际的模拟电路实现时，产生的能量消耗也较大。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述传统的混沌神经网络在保密通信中的不足，基于时滞忆阻混沌神经网络提出一种单路传送信号的保密通信方法，从而可以明显提高保密通信性能。本发明所采用的技术方案包含以下步骤：(1)两维时滞忆阻混沌神经网络的描述a.建立时滞忆阻混沌神经网络驱动系统；b.建立时滞忆阻混沌神经网络响应系统；(2)神经网络同步控制器的设计a.构造误差信号；b.设计同步控制器；(3)保密通信方案的实现：a.发送端：将明文信号与自适应控制信号引入时滞忆阻混沌神经网络驱动系统，并产生混沌信号，将混沌信号与明文信号叠加产生加密的发 送信号传输给接收端。b.接收端：将接收到的发送信号引入时滞忆阻混沌神经网络响应系统产生相应的混沌信号，然后联合该混沌信号和接收到的发送信号获得解密的明文信号。本发明提供了一种基于时滞忆阻混沌神经网络系统的保密通信方法，使得在提高信号传输保密性的同时只需通过单路进行传输，与现有技术相比存在以下优点：(1)本发明采用可通过模拟电路实现的两维时滞忆阻混沌神经网络来设计保密通信方案，而且网路能量消耗更小，具有实际意义。(2)本发明所采用的混沌保密通信方案更加复杂，更难破解。(3)本发明所提出的方案传输过程中只需要一个传输信号即可实现，物理实现更方便。(4)本发明所提出的方案可应用到声音、文字、图像、视频等信号的传输中，具有普适性。附图说明图1是基于本发明方法的总体结构框图。图2是本发明实施例中明文信号r(t)的时间响应曲线。图3是本发明实施例中发送端加密后的发送信号s(t)的时间响应曲线。图4是本发明实施例中明文信号r(t)和接收端恢复的明文信号r′(t)之间的误差曲线。具体实施方式为了更好地理解本发明的技术方案，以下对实施方式作进一步的详细描述，并结合一个应用实例来说明具体实施方式，但不限于此。设计待加密的明文信号为r(t)，其中t表示时间。本发明方法的总体结构框图如图1所示，具体实施方式可以分为以下几步：(1)两维时滞忆阻混沌神经网络的描述a.建立时滞忆阻混沌神经网络驱动系统选取时滞忆阻混沌神经网络为x·1(t)=-x1(t)+a11(x1(t))f1(x1(t))+a12(x1(t))f2(x2(t))+b11(x1(t))g1(x1(t-τ))+b12(x1(t))g2(x2(t-τ))x·2(t)=-x2(t)+a21(x2(t))f1(x1(t))+a22(x2(t))f2(x2(t))+b21(x2(t))g1(x1(t-τ))+b22(x2(t))g2(x2(t-τ))]]>其中：x1，x2为驱动系统状态变量，fi(xi)＝gi(xi)＝tanh(xi)，i，j＝1，2.是时滞忆阻混 沌神经网络激活函数，为网络的时滞，aij，bij(i，j＝1，2)为网络权值，且随着x1(t)和x2(t)的状态变化而变化，取值为a11(x1(t))=2,|x1(t)|<1,1.95,|x1(t)|≥1,a12(x1(t))=-0.1,|x1(t)|<1,-0.09,|x1(t)|≥1,]]>b11(x1(t))=-1.48,|x1(t)|<1,-1.5,|x1(t)|≥1,b12(x1(t))=-0.1,|x1(t)|<1,-0.09,|x1(t)|≥1,]]>a21(x2(t))=-4.9,|x2(t)|<1,-5,|x2(t)|≥1,a22(x2(t))=3,|x2(t)|<1,2.5,|x2(t)|≥1,]]>a21(x2(t))=-0.2,|x2(t)|<1,-0.15,|x2(t)|≥1,b22(x2(t))=-2.49,|x2(t)|<1,-2.5,|x2(t)|≥1,]]>b.建立时滞忆阻混沌神经网络响应系统确定时滞忆阻混沌神经网络响应系统为y·1(t)=-y1(t)+a11(y1(t))f1(y1(t))+a12(y1(t))f2(y2(t))+b11(y1(t))g1(y1(t-τ))+b12(y1(t))g2(y2(t-τ))+uy·2(t)=-y2(t)+a21(y2(t))f1(y1(t))+a22(y2(t))f2(y2(t))+b21(y2(t))g1(y1(t-τ))+b22(y2(t))g2(y2(t-τ))]]>其中：y1，y2为响应系统状态变量，u为待设计的同步控制器变量。aij，bij(i，j＝1，2)为网络权值，随着y1(t)和y2(t)的变化而变化，取值为a11(y1(t))=2,|y1(t)|<1,1.95,|y1(t)|≥1,a12(y1(t))=-0.1,|y1(t)|<1,-0.09,|y1(t)|≥1,]]>b11(y1(t))=-1.48,|y1(t)|<1,-1.5,|y1(t)|≥1,b12(y1(t))=-0.1,|y1(t)|<1,-0.09,|y1(t)|≥1,]]>a21(y2(t))=-4.9,|y2(t)|<1,-5,|y2(t)|≥1,a22(y2(t))=3,|y2(t)|<1,2.5,|y2(t)|≥1,]]>a21(y2(t))=-0.2,|y2(t)|<1,-0.15,|y2(t)|≥1,b22(y2(t))=-2.49,|y2(t)|<1,-2.5,|y2(t)|≥1,]]>(2)神经网络同步控制器的设计a.构造误差信号定义同步误差ei(t)＝yi(t)-xi(t)，其中i＝1，2。b.设计同步控制器；取同步控制器为u＝-6e1(t)+k(s(t)-y1(t)-w2(t))其中：s(t)为待确定的传输通信中传送信号，w2(t)为接收端的自适应控制信号，k为反馈增益。(3)保密通信方案的实现a.发送端：将明文信号r(t)与自适应控制信号w1(t)引入时滞忆阻混沌神经网络驱动系统组成发送端的时滞忆阻混沌神经网络的状态方程x·1(t)=-x1(t)+a11(x1(t))f1(x1(t))+a12(x1(t))f2(x2(t))+b11(x1(t))g1(x1(t-τ))+b12(x1(t))g2(x2(t-τ))+k(r(t)-w1(t))x·2(t)=-x2(t)+a21(x2(t))f1(x1(t))+a22(x2(t))f2(x2(t))+b21(x2(t))g1(x1(t-τ))+b22(x2(t))g2(x2(t-τ))w·1(t)=10(r(t)-w1(t))]]>并产生混沌信号x1(t)，将混沌信号x1(t)与明文信号r(t)叠加产生加密的发送信号s(t)＝x1(t)+r(t)传送给接收端。b.接收端：将接收到的发送信号s(t)＝x1(t)+r(t)引入时滞忆阻混沌神经网络响应系统组成接收端的时滞忆阻混沌神经网络驱动系统的状态方程y·1(t)=-y1(t)+a11(y1(t))f1(y1(t))+a12(y1(t))f2(y2(t))+b11(y1(t))g1(y1(t-τ))+b12(y1(t))g2(y2(t-τ))+uy·2(t)=-y2(t)+a21(y2(t))f1(y1(t))+a22(y2(t))f2(y2(t))+b21(y2(t))g1(y1(t-τ))+b22(y2(t))g2(y2(t-τ))w·2(t)=10(s(t)-y1(t)-w2(t))]]>产生相应的混沌信号y1(t)，然后联合该混沌信号y1(t)和接收到的发送信号s(t)＝x1(t)+r(t)获得解密的明文信号r′(t)＝s(t)-y1(t)。(4)仿真验证本实施中，取k＝-0.01，驱动系统(1)和响应系统(2)的状态初始值分别选取为x(0)＝[1.00.9]，y(0)＝[-0.50.7]，自适应控制信号w1(t)和w2(t)的初始值为w1(0)＝w2(0)＝0。图2给出了本发明实施例中明文信号r(t)的时间响应曲线，其中横坐标为时间t，纵坐标r(t)；该明文信号通过发送端忆阻时滞混沌神经网络驱动系统产生加密的发送信号s(t)如图3所示，其中横坐标为时间t，纵坐标s(t)；恢复的明文信号r′(t)和原始明文信号r(t)之间的误差曲线如图4所示，其中横坐标为时间t，纵坐标r(t)-r′(t)。通过比较效果可见，传输信道中的信号为混沌状态，起到了保密作用；而接收端恢复的明文信号在约5秒后能完全与原始明文信号保持同步，从而有效地恢复了信号。当前第1页1 2 3