[01333065]混沌系统的同步控制及其在保密通信中的应用

1、任务来源：　　本项目是唐山市科学技术研究与发展计划项目，课题编号为：07160203B-3。课题起止年限为：2007年10月至2009年6月。　　2、应用领域和技术原理：　　该研究主要应用于信息安全、保密通信领域。　　主要技术原理：　　(1) 根据Milanovic V和Zaghloul M.E提出的混沌掩盖改进方案，经理论分析、EWB仿真及实验，用模拟电子电路实现了信号的保密通信。　　(2) 提出基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列(FPGA)的混沌信号发生器设计与实现的一种改进方法。由于采用了基于数据选择器的面积优化方法，复用耗费逻辑资源较多的浮点运算模块，大大减少了混沌系统所占用的FPGA逻辑资源。　　(3) 提出一种以相交平面为分界面构造多涡卷分段线性混沌系统的新方法。实验结果验证了该方法的有效性。　　(4) 利用混沌序列的特性，对图像信息进行加密或嵌入数字水印，提高了信息的安全性。　　3、主要研究结果：　　(1) 根据Milanovic V和Zaghloul M.E提出的混沌掩盖改进方案，用模拟电子电路实现了信号的保密通信。这为该方案的实际应用打下了坚实的实验基础。　　(2) 提出基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列(FPGA)的混沌信号发生器设计与实现的一种改进方法。由于采用了基于数据选择器的面积优化方法，复用耗费逻辑资源较多的浮点运算模块，大大减少了混沌系统所占用的FPGA逻辑资源。此方法为混沌系统的实现提供了一种新方法，同时也为基于混沌的保密通信系统奠定了的基础。　　(3) 提出一种以相交平面为分界面构造多涡卷分段线性混沌系统的新方法。实验结果验证了该方法的有效性。利用该方法可以构造出新的混沌系统，在一定程度上提高了通信的保密度。　　(4) 利用混沌序列的特性，对图像信息进行加密或嵌入数字水印，提高了信息的安全性。　　4、国内同类研究比较：　　(1) 1996年，Milanovic V和Zaghloul M.E在串联法混沌掩盖方案的基础上提出了改进方案。遗憾的是，Milanovic V和Zaghloul M.E仅对所提出的改进方案进行了理论分析和计算机仿真。至今，此改进方案的模拟电路实验国内未见有文献报道，其有效性如何不得而知。本课题首先对具有典型参数的Lorenz混沌系统进行变量变换，使其转换为电路易于实现的Lorenz混沌系统，然后，根据Milanovic V和Zaghloul M.E提出的混沌掩盖改进方案，用模拟电子电路实现了信号的保密通信。　　(2) 用分立元件的模拟电子电路产生混沌信号是目前最常用的方法，但元器件容易老化，系统改变不灵活，因此人们考虑能否使用数字器件（如FPGA）代替模拟元件完成相应的功能，以提高混沌保密通信系统设计的灵活性、系统的安全性和实用性。Aseeri，M.A.等人提出用FPGA技术实现Lorenz混沌系统的方法。张钰等人提出用FPGA技术产生多涡卷超混沌吸引子的新方法。他们所采用的均是DSP Builder技术，而不是根据IEEE-754标准用硬件描述语言来实现的，其主要缺点是不能从根本上解决时序控制等问题，在混沌同步及其在保密通信中的应用受到了限制。周武杰等人提出了基于IEEE-754标准的现场可编程门阵列(FPGA)通用混沌与超混沌信号产生器设计与硬件实现的一种新方法。该方法具有通用性强的优点，并且从根本上解决了时序控制问题。但该方法中，浮点运算器模块的编程难度较高而且混沌系统占用FPGA逻辑资源较多。　　本文在周武杰等人研究的基础上做了两点改进：　　①利用QuartusⅡ提供的浮点乘法器和加/减法器的兆功能函数，自定制出满足设计要求的浮点运算器模块，无需编程，减低了设计难度，提高了设计效率。　　②采用了基于数据选择器的面积优化方法，复用耗费逻辑资源较多的浮点运算模块，基于Altera EP1C3T144C8芯片（仅含有2910个逻辑单元）成功实现了Lorenz、Chen、蔡氏混沌信号发生器。　　(3) 谌龙、彭海军和王德石提出一种基于平移变换的多涡卷混沌系统的构造方法。该方法利用一系列相互平行的分界面对相空间内多个不稳定线性系统进行分割，从而构造具有任意奇数个涡卷的新型混沌系统。该方法产生的多个涡卷的中心位于一条直线上。陈希有和李冠林基于异宿轨道Shilnikov定理，构造了一类分段线性混沌系统。但该方法只构造出了双涡卷混沌系统。吕金虎等人利用圆锥面将稳定线性系统和不稳定线性系统进行分割，构造了分段线性混沌系统。　　本项目提出一种以相交平面为分界面构造多涡卷分段线性混沌系统的新方法。首先选取满足Shilnikov不等式的不稳定线性系统，然后对该系统进行平移变换，并以相交平面为分界面对相平面进行划分，最后得到所需的多涡卷分段线性混沌系统。根据该方法可以构造任意个涡卷的新型混沌系统。　　查新结果：国内未发现与本课题综合技术特点完全相符的文献报道。　　5、关键技术及创新点：　　(1)根据Milanovic V和Zaghloul M.E提出的混沌掩盖改进方案，基于具有典型参数的Lorenz混沌系统，用模拟电子电路实现了信号的保密通信。　　(2)提出基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列(FPGA)的混沌信号发生器设计与实现的一种改进方法。由于采用了基于数据选择器的面积优化方法，复用耗费逻辑资源较多的浮点运算模块，大大减少了混沌系统所占用的FPGA逻辑资源。　　(3)提出一种以相交平面为分界面构造多涡卷分段线性混沌系统的新方法。实验结果验证了该方法的有效性。利用该方法可以构造出新的混沌系统，对提高保密通信的保密度无疑会有显著地提高。　　6、存在问题：　　对基于FPGA的混沌保密通信系统的研究还需进一步深入，还需进行更加全面的实际应用测试。　　推广应用前景与措施：　　1、成果的前景分析：　　混沌运动是非线性动力学系统所特有的一种运动形式，是确定性的、类似随机的过程。混沌信号具有遍历性、非周期、连续宽带频谱、似噪声的特性，特别适合于保密通信领域。本课题的应用价值主要体现在以下几个方面：　　(1) 根据Milanovic V和Zaghloul M.E提出的混沌掩盖改进方案，用模拟电子电路实现了信号的保密通信。这为该方案的实际应用打下了坚实的实验基础。　　(2) 提出基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列(FPGA)的混沌信号发生器设计与实现的一种改进方法。由于采用了基于数据选择器的面积优化方法，复用耗费逻辑资源较多的浮点运算模块，大大减少了混沌系统所占用的FPGA逻辑资源。此方法为混沌系统的实现提供了一种新方法，同时也为基于混沌的保密通信系统奠定了的基础。　　(3) 提出一种以相交平面为分界面构造多涡卷分段线性混沌系统的新方法。实验结果验证了该方法的有效性。利用该方法可以构造出新的混沌系统，对提高保密通信的保密度无疑会有显著地提高。　　(4) 利用混沌序列的特性，对图像信息进行加密或嵌入数字水印，提高了信息的安全性。　　由此可见，本项目的研究成果缩短了混沌保密通信系统的理论研究与实际应用之间的距离，在通信领域具有较大的应用价值。　　2、措施：　　加强与通信公司等单位的联系，并进行更加全面的实际应用测试。