参量空间增大的电光相位混沌通信系统安全性研究

作     者：权伟 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宏祥

授予年度：2022年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 0803[工学-光学工程] 110503[军事学-军事通信学] 

主      题：激光混沌保密通信 时延参量隐藏 参量空间扩展 混沌同步 

摘      要：光纤通信作为当前网络信息传输的主要方式,具有容量大、速率高以及带宽较宽等特点,但是随着非法用户利用窃听和蓄意破坏等手段攻击光网络的事件频发,光网络的安全受到了严重的威胁。激光混沌通信是一种物理层的信息加密技术,可以利用系统的硬件参数作为密钥,实现信息的加密和解调。其中,电光混沌反馈系统由于具有混沌信号复杂度高、参数易控以及成本较低等优势而受到广泛研究,但非法窃听者可以利用统计分析方法,如自相关函数和延迟互信息,获取系统的密钥(时延参量)并重构出混沌系统,进而破解出信息。虽然当前已有时延隐藏性能较好的方案,但由于系统结构过于复杂,存在混沌同步鲁棒性不足的问题。同时,系统的参量空间还需要进一步增大来抵御基于神经网络的穷举攻击,所以解决以上问题对增强光网络的安全性意义重大。本文研究内容如下:(1)针对传统的电光反馈互耦合混沌系统中时延参量易暴露、不同链路之间存在互相关特性以及参量空间需要进一步扩展等问题,本文提出了三路电光相位混沌链路互耦合通信系统。首先,该系统由三个相位混沌链路非线性耦合而成,并且系统中的多次非线性变换以及伪随机二进制序列的引入能够有效提高混沌信号的复杂度。仿真结果显示当反馈增益系数大于2.5时,系统所有的时延参量都能够被完全隐藏,并且不同混沌链路之间的互相关特性被大大削弱。其次,由于同步性能对反馈增益系数失配不敏感,该系统的混沌同步具有强鲁棒性。最后,系统中存在的多个时延扩展了参量空间,能够有效抵抗穷举攻击。(2)针对传统的电光反馈互耦合混沌系统中时延参量难以隐藏、混沌同步鲁棒性不足和参量空间需要进一步扩展等问题,本文提出了附加混沌相移的电光相位混沌通信系统。该系统基于互耦合结构,利用系统本身产生的混沌载波驱动相位调制器产生附加混沌相移,提高了混沌信号的复杂度并提高了系统的安全性能。仿真结果显示:首先该系统能够以较低的反馈增益系数完全隐藏系统的所有时延参量,安全性能相较于当前已有的方案大幅提升;其次,通过对不同系统参数失配对混沌同步性能影响的分析,验证了所提出的系统的同步鲁棒性较强;然后,系统的参量空间由于存在多个时延参量而扩展到了一个比较理想的量级;最后,在发送端和接收端参数匹配良好的情况下实现了低误符率的信息解调,增强了系统的通信可靠性。