一种基于忆阻混沌系统的保密通信方法与流程

本发明涉及混沌系统和保密通信领域，具体地说是一种基于忆阻混沌系统的保密通信方法。
背景技术：
：混沌现象是确定性系统中貌似不规则的运动，混沌特性的系统具有复杂的动力学特性，其产生的混沌信号不可重复、不可预测性。混沌现象在物理、化学、信息科学、气象学等学科中已经得到广泛的研究，而混沌系统应用保密通信的巨大前景，吸引了越来越多学者的关注。1971年，加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠从理论上预测出第四种基本电子元件-忆阻器，该器件描述了电荷和磁通量关系的器件，由于当时现实条件的限制，没有能够制造出忆阻这种器件。2008年，惠普公司的实验室研制出了忆阻器，之后众多学者开始将忆阻应用于各种电路设计中。有学者采用不同类型的忆阻器代替蔡氏混沌系统中的蔡氏二极管，构成新类型的四维忆阻混沌系统，由于忆阻器本身就是一个非线性的两端电子元件，所以由忆阻器构成的忆阻混沌系统能够表现出复杂的混沌特性，这种特性适合应用于保密通信。目前，有许多利用不同混沌系统实现保密通信的方案，但这些方案主要是基于二维混沌系统或三维混沌系统，并且已有学者给出相应的破解保密通信方法，在安全性方面难以保证，容易受到攻击。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述三维混沌系统在保密通信中的不足，基于忆阻混沌系统提出一种单路传送信号的保密通信方案，从而可以明显提高保密通信性能。本发明采用的技术方案包含如下步骤：(1)四维忆阻混沌系统的描述a.建立忆阻混沌驱动系统；b.建立忆阻混沌响应系统；(2)同步控制器的设计a.构建误差系统；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跟踪信号引入忆阻混沌驱动系统，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忆阻混沌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。本发明首次提供了一种基于忆阻混沌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线进行传输，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四维混沌忆阻系统来设计保密通信方案，具有实际意义。(2)本发明利用的混沌忆阻系统维数较高，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m(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m(t)和接收端恢复的明文信号m′(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m(t)＝3sin(0.1πt)+2cos(0.8πt)，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)四维忆阻混沌系统的描述a.建立忆阻混沌驱动系统选取忆阻混沌驱动系统为x·1=10(x2+1.2x1-W(x4)x1)x·2=x1-x2+x3x·3=-14x2-0.1x3x·4=x1---(1)]]>其中：x1，x2，x3，x4为驱动系统状态变量，W(·)为忆导函数：a＞0，b＞0，这里取a＝b＝1。化简后可得x·1=2x1+10x2-30x1x42x·2=x1-x2+x3x·3=-14x2-0.1x3x·4=x1---(2)]]>b.建立忆阻混沌响应系统根据式(2)确定忆阻混沌响应系统为y·1=2y1+10y2-30y1y42+uy·2=y1-y2+y3y·3=-14y2-0.1y3y·4=y1---(3)]]>其中：y1，y2，y3，y4为响应系统状态变量，u为待设计的同步控制器变量。(2)同步控制器的设计a.构建误差系统定义同步误差ei＝xi-αyi，其中i＝1，2，3，4，α为比例因子，可以任意取值。联合(2)和(3)可得误差系统为e·1=2e1+10e2-30(x1x42-αy1y42)+αue·2=e1-e2+e3e·3=-14e2-0.1e3e·4=e1]]>b.设计同步控制器；取同步控制器为u=30y1y42(1-α2)+30α(s(t)-αy1-c2)]]>其中：s(t)为待确定的传输通信中传送信号，c2为接收端的自适应控制信号。(3)保密通信方案的实现a.发送端：将明文信号m(t)与自适应跟踪信号c1引入忆阻混沌驱动系统组成发送端的忆阻混沌驱动系统的状态方程x·1=2x1+10x2-30x1x42+30(m(t)-c1)x·2=x1-x2+x3x·3=-14x2-0.1x3x·4=x1c·1=10(m(t)-c1)]]>并产生混沌信号x1(t)，将混沌信号x1(t)与明文信号m(t)叠加产生加密的发送信号s(t)＝x1(t)+m(t)传输给接收端。b.接收端：将接收到的发送信号s(t)＝x1(t)+m(t)引入忆阻混沌响应系统组成接收端的忆阻混沌驱动系统的状态方程y·1=2y1+10y2-30y1y42+uy·2=y1-y2+y3y·3=-14y2-0.1y3y·4=y1c·2=10(s-αy1-c2)]]>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)+m(t)获得解密的明文信号m′(t)＝s(t)-y1(t)。(4)仿真验证本实施中，取α＝-0.5，驱动系统(2)和响应系统(2)的状态初始值分别选取为x(0)＝[-0.5，1，0，0]，y(0)＝[0，0，0，0]，自适应控制信号c1和c2的初始值为c1(0)＝c2(0)＝0。图2给出了本发明实施例中明文信号m(t)的时间响应曲线，其中横坐标为时间t，纵坐标m(t)；该明文信号通过发送端忆阻混沌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m′(t)的时间响应曲线如图4所示，其中横坐标为时间t，纵坐标m′(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2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