一种五维超混沌耦合同步系统及卫星物理层加密传输方法
阅读说明：本技术 一种五维超混沌耦合同步系统及卫星物理层加密传输方法 (Five-dimensional hyperchaotic coupling synchronization system and satellite physical layer encryption transmission method ) 是由 陈远祥 鲁帆 李嘉豪 邓怡珺 刘畅 马炳 张橹 程竟爽 余建国 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种五维超混沌耦合同步系统及卫星物理层加密传输方法,由于双方初始密钥不同,产生的混沌序列值也不相同。随后驱动系统通过耦合项将响应系统对应的序列作为反馈对所产生的混沌序列进行调整从而逐渐到达同步。本发明通过使用非对称密钥的混沌耦合同步系统,在增大密钥空间提升安全性能的同时没有增加过多的计算量,相比于现有技术方案更加容易在卫星通信中实现。(The invention discloses a five-dimensional hyperchaotic coupling synchronization system and a satellite physical layer encryption transmission method. And then the driving system adjusts the generated chaotic sequence by taking the sequence corresponding to the response system as feedback through the coupling term so as to gradually reach synchronization. The chaotic coupling synchronization system of the asymmetric key is used, so that the key space is increased, the safety performance is improved, excessive calculation amount is not increased, and the chaotic coupling synchronization system is easier to realize in satellite communication compared with the prior art.)
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种五维超混沌耦合同步系统及基于五维超混沌耦合同步系统的卫星物理层加密传输方法。
背景技术
卫星通信在传播过程中由于其信号的广播特性，容易遭到第三方接收机的窃听。当信号被他人接收窃听，则可以以此来跟踪通信卫星以及干扰遥控信号，若某些关键信号在控制卫星发射及运行时受到干扰，那么很容易导致卫星失控从而使得卫星通信系统瘫痪。随着计算机运算能力的飞速发展，基于计算量的传统机密协议机制的安全性岌岌可危。因此，如何消除非法窃听是卫星通信面临的一个严重问题。
为了防止信号被窃听，需要采用物理层加密方案对正交频分复用(OFDM)进行加密，混沌信号对初始条件敏感，类似于噪声，不同初始条件产生的信号之间的低互相关等特性，使得混沌加密被通信领域研究。
目前混沌加密多数都是收发双方使用相同的初始值作为密钥。Usama M等提出了一种新的基于混沌的对称密钥加密技术(Usama M,Khan MK,Alghathbar K,3,2.Chaos-based secure satellite imagery cryptosystem[J].Computers&Mathematics WithApplications,2010,60(2):326-337)，该方案利用多个混沌映射来增强密钥空间、鲁棒性和安全性。Bentoutou Y等提出了一种基于混沌映射和高级加密标准的加密方法，通过混沌分组和密钥流选择提高安全性(Bentoutou Y,Bensikaddour E,Taleb N,Bounoua N.Animproved image encryption algorithm for satellite applications[J].Advances InSpace Research,12020,66(1):176-192)。
现有的混沌加密都是基于对称密钥的加密技术，这些方案大多是通过多种混沌系统或者混沌系统与传统加密手段结合来提高密钥空间。但是这种方法在提升安全等级的同时会大量增加计算复杂度，因此需要很高的计算能力和很长的处理时间，这在计算能力有限的卫星通信中并不容易实现。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种五维超混沌耦合同步系统及基于五维超混沌耦合同步系统的卫星物理层加密传输方法，通过使用非对称密钥的混沌耦合同步系统，在增大密钥空间提升安全性能的同时没有增加过多的计算量，相比于现有技术方案更加容易在卫星通信中实现。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种五维超混沌耦合同步系统，包括：
驱动系统，作为信号的发射端，其表达式如式(1)所示：
响应系统，作为信号的接收端，其表达式如式(2)所示：
其中，α＝21.25、β＝0.03、δ＝170、ε＝0.9444、g＝14.62为系统参数，δx、δy、δz、δw、δu为耦合系数；x1，y1，z1，w1，u1为驱动系统的五组初始密钥，x2，y2，z2，w2，u2为响应系统的五组初始密钥，为驱动系统生成的五组混沌序列，为响应系统生成的五组混沌序列，驱动系统和响应系统的初始密钥不同。
本发明还提供了一种基于五维超混沌耦合同步系统的卫星物理层加密传输方法，包括以下步骤：
S1、发射端和接收端首先交换密钥，发射端使用两对密钥根据式(1)生成混沌序列；
S2、发射端通过耦合项将接收端对应的序列作为反馈根据式(2)对所产生的混沌序列进行调整从而逐渐到达同步；
S3、原始发送的数据首先根据式(3)执行混沌XOR操作，经过串行到并行S/P转换后，数据被映射到QAM星座，得到比特流的异或加密S′；
其中，S为原始的输入数据，K1为混沌系统生成的其中一个混沌序列；
S4、将S′进行4-QAM映射之后再根据式(4)进行同相和正交移位加密；
S″＝(S′I±K2)+j(S′Q±K3) (4)
其中，S′I、S′Q是4-QAM星座点的原始同相和正交分量，S″是经过混沌参数映射后的加密星座点，K2和K3是由混沌系统生成的两个独立的混沌序列用于分别加密同相和正交分量；
S5、在混沌加密之后，通过快速傅里叶逆变换将加密的数据转换到时域；
S6、在发送信号之前添加循环前缀CP。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的五维超混沌耦合同步系统，由于双方初始密钥不同，产生的混沌序列值也不相同。随后驱动系统通过耦合项将响应系统对应的序列作为反馈对所产生的混沌序列进行调整从而逐渐到达同步。由于收发两端的初始值密钥可以是完全不相同的两组密钥，仅知道发送端密钥或者接收端密钥，都无法获得正确的混沌序列，所以窃听者需要同时知道两对对初始值极为敏感的密钥才能进行破解。
本发明提供的基于五维超混沌耦合同步系统的卫星系统安全传输方法，与对称密钥的混沌加密技术对比，该方法可以在不增加计算复杂度的同时具有较低的加密复杂度和较大的密钥空间。
本发明通过使用非对称密钥的混沌耦合同步系统，在增大密钥空间提升安全性能的同时没有增加过多的计算量，更加容易在卫星通信中实现。所提出的混沌耦合同步系统对初始密钥的敏感度十分高(＜＜10-19)，并且该系统对原始通信系统进行加密对本身通信质量影响可以忽略。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的五维超混沌耦合同步系统原理图。
图2为本发明实施例提供的五维超混沌耦合同步系统相图，其中，图2(a)为x-y-z相图，图2(b)为z-u-w相图，图2(c)为z-w相图。
图3为本发明实施例提供的传统的QAM4星座点图和五维超混沌加密的星座点图，其中，图3(a)为传统的QAM4星座点，图3(b)为五维超混沌加密的星座点。
图4为本发明实施例提供的用于OFDM的混沌加密系统的示意图。
图5为本发明实施例提供的原始OFDM、混沌OFDM和非法接收机的误码率曲线及相应的星座图。
图6为本发明实施例提供的误码率随着密钥误差值的变化图。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
本发明提供了一种五维超混沌耦合同步系统，如图1所示，在耦合同步系统中，由于双方初始密钥不同，产生的混沌序列值也不相同。随后驱动系统通过耦合项将响应系统对应的序列作为反馈对所产生的混沌序列进行调整从而逐渐到达同步。由于收发两端的初始值密钥可以是完全不相同的两组密钥，仅知道发送端密钥或者接收端密钥，都无法获得正确的混沌序列，所以窃听者需要同时知道两对对初始值极为敏感的密钥才能进行破解。
本发明提出的五维超混沌耦合同步系统可以表示为：
其中表达式(1)为发送端系统，表达式(2)为接收端系统，α＝21.25、β＝0.03、δ＝170、ε＝0.9444、g＝14.62为系统参数，δx、δy、δz、δw、δu为耦合系数。x1，y1，z1，w1，u1为驱动系统的五组初始密钥，x2，y2，z2，w2，u2为响应系统的五组初始密钥，为驱动系统生成的五组混沌序列，为响应系统生成的五组混沌序列，驱动系统和响应系统的初始密钥不同。
其相图如图2所示。其中，图2(a)为x-y-z相图，图2(b)为z-u-w相图，图2(c)为z-w相图。
所使用的加密方案中比特流的异或加密可以表示为以下等式：
其中S为原始的输入数据，K1为混沌系统生成的其中一个混沌序列。将S′进行4-QAM映射之后再进行混沌幅度相位加密，加密可用下面公式表示：
S″＝(S′I±K2)+j(S′Q±K3) (4)
其中，S′I、S′Q是4-QAM星座点的原始同向和正交分量，S″是经过混沌参数映射后的加密星座点。K2和K3是由混沌系统生成的两个独立的混沌序列用于分别加密同相和正交分量。
图3(a)为传统的4-QAM星座点，映射后的星座点如图3(b)所示。对于输入数据较多的情况，采用混沌QAM符号映射可以将星座图覆盖范围完全填满。因此这种类噪声星座点极大地提高了安全级别。
本发明还提供了一种基于五维超混沌耦合同步系统的卫星物理层加密传输方法，如图4所示，用于OFDM的混沌加密包括以下步骤：
发射端和接收端首先交换密钥，发射端使用两对密钥根据式(1)生成混沌序列，以自己密钥为主，通过接收端密钥进行反馈用于完成两混沌系统的同步。原始发送的数据首先根据式(3)执行混沌异或(XOR)操作。经过串行到并行(S/P)转换后，数据被映射到4-QAM星座，然后根据式(4)进行同相和正交移位加密。在混沌加密之后，通过快速傅里叶逆变换(IFFT)将加密的数据转换到时域，最后在发送信号之前添加循环前缀(CP)。
同理，接收端使用两对密钥根据等式(2)生成混沌序列，以自己密钥为主，通过接收端密钥进行反馈用于完成两混沌系统的同步。将接收到的数据去循环前缀(CP)，经过串行到并行(S/P)转换后进行快速傅里叶变换(FFT)将加密数据转换到频域，再通过均衡技术将接收数据进行一定的修复，然后进行同相和正交分量解密、QAM解映射、混沌XOR操作完成数据的解密。
在具体实施例中，我们设置发送端初始值为{x1 y1 z1 w1 u1}＝(0.0005438432，0.0025437654，0.0005254376，0.0034562123，0.2234562345)，接收端初始值为{x2 y2 z2w2 u2}＝(1.0145467111，1.0012454633，1.5767895435，1.3457345347，1.2346474435)。
通过蒙特卡洛方法进行了1000次模拟仿真。误码率(BER)和相应的星座图如图5所示。从BER曲线可以看出，使用正确的安全密钥时，所提出的混沌正交频分复用方案和原始OFDM方案表现出几乎相同的性能。仿真表明，合法的接收方可以正确地恢复加密的数据信号。当信号被非法接收者解密时，误码率大约为0.3。
当密钥出现很微小的误差时，都无法正确解密。如图6所示，当密钥出现10-19的误差时，如{x1 y1 z1 w1 u1}＝(0.0005438432+10-19，0.0025437654，0.0005254376，0.0034562123，0.2234562345)时，会使OFDM信号无法正常解出，误码率在0.3左右。
综上，本发明通过使用非对称密钥的混沌耦合同步系统，在增大密钥空间提升安全性能的同时没有增加过多的计算量，更加容易在卫星通信中实现。所提出的混沌耦合同步系统对初始密钥的敏感度十分高(<<10-19)，并且该系统对原始通信系统进行加密对本身通信质量影响可以忽略。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。