（信号与信息处理专业论文）基于光纤信道的双向混沌保密通信的研究.pdf

摘要 基于光纤信道的双向混沌保密通信的研究 信号与信息处理专业全日制硕士研究生：刘宇然 指导教师：夏光琼教授 摘要 随着信息社会的不断发展，人们对通信的容量和安全性能的要求不断提高， 具有高速、高保密性的新一代信息安全保密技术成为了研究热点。由于混沌具有 对初值敏感、类噪声性、长周期遍历性以及难以长期预测等特性，非常适合用于 开发出基于物理层面的信息保密传输技术。相对于电路混沌系统，基于半导体激 光器的激光混沌系统具有宽带宽、高度复杂性、与现有光纤通信系统之间良好的 兼容性等优势，更加适合用于高速、长距离保密通信。目前，人们已经对基于半 导体激光器的激光混沌同步以及在保密通信中的应用进行了一定的研究，但是对 于双向长距离光纤混沌保密通信系统的研究还比较缺乏。 本文简单介绍了混沌及其同步的基本理论，分析了光纤信道对基于半导体激 光器的混沌同步及通信性能的影响，重点对我们提出的一种新型的双向长距离光 纤混沌保密通信系统方案进行了研究。这一新型的双向长距离光纤混沌保密通信 系统方案是基于两个在驱动混沌信号注入下的响应半导体激光器之间的混沌同 步，实现信息在光纤中双向、长距离的保密传输。通过建立相应的理论模型，研 究了系统的双向传输性能、以及系统性能随光纤信道长度的变化。研究结果表明： 两个同时受到发自同一驱动混沌激光器的混沌光注入下响应激光器，在合适的系 统参数条件下两个响应激光器的混沌输出虽然与注入混沌信号相差很大，但两个 响应激光器的混沌输出却能实现非常好的无时间延迟的等时同步；采用普通单模 光纤作为传输信道，信息经过5 0 妇传输后，解调信息q 因子可达到6 以上；采 用色散位移光纤，信息经过2 0 0 k m 的传输，解调信息q 因子还可达6 以上。因此， 该系统方案理论上可用于信息的双向、长距离混沌保密传输。另外，我们对窃听 者可能获取信息的各个途径进行了考察，结果显示该系统具有很好的安全性。 关键词：半导体激光器；混沌；混沌同步；光纤信道；双向保密通信 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no ft h eb i d i r e c t i o n a lc h a o t i cs e c u r i 锣 c 0 m m u n l c a t l o nd a s e d0 ni l d e rc n a n n e i -l- m a jo r ：s i g i l a la n d i n f o n l l a t i o np r o c e s s i n g a d v i s o r ：p r o g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：y u r a l ll i u a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o p m e n to fm ei n f o m a t i o n a ls o c i e 够，t h ed e m a i l d so f t h ec a p a c 时 a r l ds e c u r i 锣o fc o m m u l l i c a t i o nk e e pi n c r e a s i n g t h en e wg e i l e r a t i o no ft e c l l l l o l o g y 、析mh i 曲s p e e da n dh i 曲d e g r e eo fc o n 6 d e n t i a l 时h a sb e e nah o tt o p i c d u et 0t h e s e n s i t i v i t i e so fi i l i t i a lc o n d i t i o n s ，l l i g l lc o m p l e x i t ) ，a n dl o r 培一t e 册u i l p r c d i c t a _ b i l i 够， c h a o si su s e dt od e v e l o pi i l f o m a t i o ns e c u r et e c h n i q u ea tp h y s i c a ll a y e r c o m p a r e d 、j l ，i me l e c t r i c 甜c h a o s ，t h e0 p t i c a lc l l a o sg e n e m t e d6 o mt l l es e m i c o n d u c t o r l a s e r s ( s l ) h 嬲砷【均税e dm o r ea n e n t i o ni i lk 曲s p e e d 跚l dl o n gd i s t a 】es e c u r ec o m m u i l i c a t i o n b e c a u s eo fi t su i l i q u ea d v a m a g e ss u c h 鹪b m a db a l l d 研d t l l ，l o wa t t e n u a t i o ml l i 曲 c o m p l e x i 锣觚dg o o dc o m p a ：t i b i l i t ) r 诵t 1 1 o p t i c a l f i b e rn e t w o r k s p e o p l e h a v e i n v e s t i g a t e dt h eo p t i c a lc i l a o ss y n c h r o m z a t i o n 锄dc o m m u i l i c a t i o nf o rn e a r2 0y e a r s ， b u tm ei i e s t i g a t i o no ft 1 1 eb i d i r e c t i o n m 锄dl o r 嗜d i s t a n c ef i b e rc h a o ss e c u d t ) ， c o 埘i i i l l m i c a t i o ni si n s u 仔i c i e r l c y i nt 1 1 i sp a p e r m et l l e o r i e so ft i l ec h a o s 锄dc h a o ss y n c h r o i l i z a t i o nl l a v eb e e n i i l t r o d l l c e d ，t h ei n n u e n c e so ft l l eo p t i c a lf i b e rc h a r m e lo nt l l ec l l ss y n c h r o l l i 2 r a t i o n 砒l d c o m m u i l i c a t i o nb 嬲e do n m i c o r l d u c t o rl a s e r sl l a v eb e e n 删y z e d f u n h e 肌o r e ，a n c w t y p eo f b i d i r e c t i o i l a la n dl o n gd i s t 锄c e 舳e rc h a o ss e c 面t ) ，c o n u n u l l i c a t i o ns y s t e m 1 1 a _ v cb e e np r e s e n t e d 锄di 芏l v e s t 培a t e d b a s e do nt l l ec h a o t i cs y n c l l r o l l i z a t i o no f 铆o r e s p o n s es e m i c o r l d u c t o rl a s e r s ( r l s ) u n d e rt l l e 删e c t i o n 丘o mac o m r n o nc h a o t i cs i g i l a l o fad r i v el 嬲e r ( d l ) ，t h i sn e wt y p eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e m i t sb i d i r e c t i o n a la r l d l o n g d i s t 观c ei i l f o m a t i o n 也m s m i s s i o ni no p t i c f i b e rc k 唧1 ac o r r c s p o i l d i l l g t l l e o r 吼i c mm o d e li se s t a b l i s h e dt os n j d yt h eb i i l i r e c t i o n a l 觚m i s s i o np e r f b n n a i l c e 觚dm es y s t e mp e 渤m 锄c e 珊d e rd i 圩e r e n t 协m s m i s s i o nd i s t a n c e t h er e s u l t ss h o w t i 雠，w h e nt w oi 江sr e c e i v ec h a o t i cl i g h ti i l j e c t e df 如mat 1 1 ed l ，廿l cc h a o t i co u t p u to f 似or l sa c l l i e v eaf a i r l yg o o di s o c h r o n ds y n c h r o m z a t i o n 、) i ，i t h o u t 舡l y 岫ed e l a y ， w l l i l et h e r ei sab i gd i 仃c r e n c eb c 铆e e nt h es i 印a j so fi 也sa n dt 1 1 es i 印a lo fd l ；i ft l l e i i i 西南大学硕十学位论文 o r d i n a r ) ，s i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r ( s m f ) i su s e da sa 仃a n s m i s s i o nc h a l l l l e l ，t l l eq f a c t o r so fd e c o d e dm e s s a g e sc 趾r e a c hm o r et l l a l l6m e rap r o p a g a t i o no v e r5 0 k 血；i f t h ed i s p e r s i o n s h i 矗i e df i b e r ( d s f ) i se n l p l o y e d ，t h eqf a c t o r so fd e c o d e dm e s s a g e sc a n s t i l lr e a c hm o r et 1 1 a i l6m e rap r o p a g a t i o no v e r2 0 0 k m i nc o n c l u s i o n ，“ss y s t e mc a i l r e a l i z em e s s a g eb i d i r e c t i o n a l 锄dl o n g d i s t a n c es e c u r i 锣栅1 s m i s s i o ni i l 廿l e o 巧 m o r e o v e r ，硪e r 觚a l y z i n gt l l ev a r i o u s 、a y sw l l i c he a v e s d r o p p e rm a yo b t 血r n e s s a g e ， m es y s t e mo w n sl l i 曲s e c u r i t ) ，l e v e l k e yw o r d s ：s e m i c o r l d u c t o rl 硒e r ，c h a o s ，c h a o ss y n c l l r o i l i z a t i o n ，o p t i c a l f i b e rc h a i l n e l ， b i d i r e c t i o i l a ls e c u r i 够c o m m u i l i c a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信概述 1 9 6 6 年，英籍华人学者高锟( c k k a 0 ) 和霍克哈姆( c a h o c k l l 锄) 发 表了光频率介质纤维表面波导的论文，提出应用光纤( o p t i c a lf i b e r ) 进行信 息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础【l 】。光纤通信具有其独特的 优势，包括：( 1 ) 频带宽、传输容量大；( 2 ) 损耗小，中继距离长；( 3 ) 体积小、 重量轻；( 4 ) 抗电磁干扰性能好；( 5 ) 保密性能好；( 6 ) 原料丰富，节约金属材 料【2 川。光纤通信的这一系列独特的优势引起了通信技术的一场革命，使得光纤在 通信基础网络建设中占据着主导地位，并承载着通信网络中8 0 以上的信息流量 【4 - 5 】。2 0 0 9 年，“光纤之父”高锟获得了诺贝尔物理学奖，评委会在颁奖时是这样描 述光纤通信的：“光流动在细小如线的玻璃丝中，它携带着各种信息数据传递向每 一个方向，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球”。 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容 量和传输距离。与作为电缆和微波通信载波的电波相比，作为光纤通信载波的光 波的频带宽度要大得多，因而光纤通信具有更大的数据传输容量1 2 引。与此同时， 作为光波传输介质的光纤又比同轴电缆或者波导管的损耗低得多，再加上光纤放 大技术、色散补偿技术的应用，使得光纤通信可以有很长的中继距离和很小的误 码率【2 矧。4 0 余年来，光纤通信技术以其独有的一系列优点给人类带来了优质廉 价的通信手段。如今人们对光纤通信的研究基本围绕以下几大方向1 4 巧j ：( 1 ) 高速 长远距离传输是光通信的核心技术之一，更高的传输速率以及更远的有效传输距 离是未来通信的要求，也是科研人员一直以来的研究目标；( 2 ) 光交换是全光网 络的重要组成部分，主要分为空分光交换、时分光交换以及波分光交换等三种类 型；( 3 ) 波分复用技术带动了通信技术向前迈进了一大步，是实现未来超大容量 光纤通信所必须的；( 4 ) 全光网是未来光纤通信技术的重要发展，是目前光纤通 信研究的热点。这些新技术的应用和革新必将使得光纤通信在今后具有更加广阔 的前景。 人们在关注光纤通信的可靠性和有效性的同时，也关注着光纤通信的安全性。 随着光电子技术的发展，从光纤中窃取信号己成为可能1 6 】。传统采用软件技术来 实现的加密技术依赖于计算方法的复杂程度，随着计算机技术的不断发展，软件 加密技术的安全性受到了越来越严峻的挑战。由于混沌具有对初值敏感、类噪声 性、长周期遍历性以及难以长期预测等特性，非常适合用于开发出基于物理层面 的信息保密传输技术。将混沌信号作为载波携带信息进行传输，只要信息的调制 两南大学硕十学位论文 深度足够小，信息就能被完全隐藏在混沌载波中，即使信号在传输途中被窃取， 窃听者也无法破译出信息。而在接收端应用一个与发射端同步的混沌系统睁7 。，便 可将信息解调出来。近2 0 年来，混沌及其在保密通信中的应用成为了保密通信研 究的热点。如今，混沌理论已被应用于计算机网络、电路系统、激光系统、人工 神经网络系统等。其中，基于半导体激光器的激光混沌系统，相对于电路混沌系 统，具有更大的带宽、更高的复杂性并且能够与现有光纤通信系统之间良好兼容 等优势，非常适合用于光纤中高速、长距离保密通倒7 。光混沌通信系统能够与 光纤良好的融合，实现大信息容量、长传输距离和高保密的信息传输，必将在未 来的保密通信中，特别是应用于军事的高保密通信中得到广泛的应用。 1 2 混沌的基本理论 混沌是一种在确定性系统中所表现出来的无规则运动的动力学行为【引。著名 物理学家j f o r d 曾指出，“混沌的发现是2 0 世纪物理学发生的第三次革命”，它 是继相对论、量子力学之后2 0 世纪的又一伟大发现。混沌使人们认识到即使是确 定的系统也可能无法预测其长期行为，这突破了牛顿确定性经典理论【引。 1 2 1 混沌的定义 目前，混沌还没有一个统一的数学定义【9 - 1 2 1 。在几种混沌的定义中，以 l i y 0 r k e 定义影响最大，该定义简要描述如下【9 1 ： 设厂( x ) 是k ，6 】上的连续白映射，若厂( x ) 有三周期点，则对任何正整数以， 厂( x ) 有 周期点。 空间i 上的连续自映射厂( 石) 满足以下几个条件，便可确定它存在混沌态： ( 1 ) 厂( z ) 周期点周期无上界； ( 2 ) 闭区间，上有不可数子集s ，使得对v 而y s ，满足 ( a ) 对v 而j ，s ，x y 时，有l i m s u p i 厂”( x ) 一厂( y ) f o ( b ) 对v 而y s ，有l i m i i l f i 厂”( x ) 一厂”( y ) i = o ( c ) 对vx s 和厂的口周期点y ，有l i m s u p l 厂”( z ) 一”( y ) l o 则此厂( x ) 处于混沌态。 此定义中，极限( a ) 表明子集点x ，y s 是分散的；极限( b ) 说表明集点x ，y s 第一苹绪论 是集中的；极限( c ) 表明子集不会趋于任何周期点。 基于该定义，d a y 认为混沌系统具有以下三种性质【”】：( 1 ) 系统存在所有阶 周期轨道；( 2 ) 存在不可数集，该集合只含混沌轨道，并且任意的两个轨道之间 的两种状态交替出现，它们不趋向分离也不趋向接近，同时也不趋向于任何周期 轨道，也就是说混沌不存在任何渐近周期轨道；( 3 ) 混沌系统的动力学运动轨道 具有高度不稳定性。 1 2 2 混沌的特性 混沌运动是一种全局压缩和局部不稳定运动的有限定常运动，是指动力学状 态在某种意义上不会随着时间的改变而改变，可以归纳为不稳定性和有限性两个 混沌的特征【引。混沌运动是指在确定性系统中表现出的非线性运动形态，它不处 于静止，周期运动和准周期运动等三种确定性运动状态，而是在一个有限区域内 且发生的轨道永不重复并且形态复杂的运动，它可以被描述成一种随机运动或者 是具有无限大周期的周期运动。与其他的复杂现象相比较，混沌运动还具有一些 独有的性质【8 1 3 j ： ( 1 ) 对初始条件高度敏感。混沌系统对初始条件的微小变化是高度敏感的及 不稳定的，这种高度敏感性导致了对一个确定的混沌系统的动力学长期行为的不 可预测性，这一性质是混沌系统的本质特征。 ( 2 ) 整体稳定性。混沌系统的运动轨道经过一段时间之后，最终将会局限于 奇怪吸引子上，这个吸引子具有正测度吸引域。即使混沌系统内部很不稳定，运 动轨道只要进入吸引域内最终都会达到奇怪吸引子上，从而使得混沌系统整体上 达到稳定。 ( 3 ) 遍历性。在混沌系统动力学行为的时间演化中，运动轨道可以到达吸引 子内部的任意不稳定的轨道的任何邻域，即混沌的动力学行为是各态遍历的。 ( 4 ) 普适性。普适性指的是系统的动力学行为在趋向混沌态的过程中所表现 出来的不依赖与系统结构或参数的共同特征，是混沌运动的内在规律性的体现， 用混沌普适常数表示来表示这些特征。 ( 5 ) 正的l y 印u n o v 指数。l y 印眦0 v 指数是指系统的动力学行为在相空间中 两条相邻的轨道之间随着时间的变化按照指数速度分离或者聚合的平均变化率， 它用于描述非线性系统的运动轨道趋近或者分离的整体性质。其中，l y 印u n o v 指数为正表明相邻的两个轨道按指数速度分离，每个轨道的每个局部都不稳定。 一个系统只要有一个正l y a p 眦0 v 指数，就认为该系统处于混动态；一个系统如 果具有两个或两个以上的正l y a p u i l o v 指数，就称该系统为超混沌系统。 西南大学硕七学位论文 1 3 混沌同步 1 3 1 混沌同步的定义 如果两个混沌系统的子轨道一致，便称这两个混沌系统达到同步。1 9 9 0 年， p e c o m 与c a r r o l l 首次指出通过建立驱动一响应系统的思想可以实现混沌同步【1 4 1 ， 这对混沌理论及应用产生了极大的推动作用。p e o c a r 和c a n d u 发现如果复制个 与混沌系统的近似的子系统，只要子系统的l y a p u i l o v 指数为负，那么这两个系 统的混沌将可以达到同步。混沌同步的发现，使得混沌具有更加广阔的应用前景， 很快成为了非线性科学以及其他相关学科的热点研究课题【3 8 4 5 1 。 b r o w n 和k 0 c a r e v 给出了混沌同步的统一数学定义： 对于系统 r l 戈= 彳弘力 1 夕：z 如弘o x f ，y o 1 令z = ( 戈，y ) 7 ，称系统的轨道( 三，f ) 关于性质踟和舒同步，如存在与时间无关映 射j i i ：r ”一r ，使得 熙忱跖明= o( 1 2 ) 则称响应系统与驱动系统达到混沌同步。由1 1 ，戥和勖的不同值可以给出不同的 混沌同步类型。 1 3 2 混沌同步的研究现状 1 9 9 0 年，p e o c a r 和c a 玎o l l 最先提出了驱动响应同步法( p c 方法) 实现混沌 同步，但p c 法对原系统分解成一个稳定的子系统和一个不稳定的子系统【1 4 l ，这 种方法有一定的局限性。l k o c a r v e 等1 7 1 提出了主动被动方法，同p c 法相比， 主动被动同步法较灵活，它可以自由选择驱动信号函数。h n i j m e i j e r 在对 l 0 r e i l z 系统进行的研究中采用了x 和y 变量作为传输量来替代响应系统中相应的 变量，并且实现了系统的混沌同步。李国辉等【1 9 】对l o r e l l z 系统的研究则采用了 单个变量驱动，在参数不一致时，应用参数自适应实现了系统的混沌同步。在驱 动响应同步方法的基础上，许多学者对此原理的应用进行了研究和推广【2 2 1 。 然而，这种方法属于开环状态估计，对噪声及参数失配较敏感，鲁棒性较差，从 而在实验当中难以得到很好的混沌同步。而反馈方法可以很好的解决这一问题。 与驱动响应法相比，它属于渐近状态估计，加上对误差信号的滤波可以很好的改 4 第一章绪论 进其噪声性能，所以误差反馈具有较好的同步鲁棒性。gp j i n g 等对两个单向反 馈耦合的混沌系统进行了研究，利用李雅普诺夫函数，他们推出了同步系统中耦 合系数满足的一般条件【2 0 1 。j py 觚用类似的方法研究了结构相似的两个混沌系 统的同步，再构建了李雅普诺夫函数之后，通过李雅普诺夫稳定性理论，求出部 分或全部状态误差系统在线性反馈情况下的反馈增益条件，他利用此方法，对三 个不同的l o e m z 系统、c 1 1 i 埝系统、c h e n 系统实现了同步控制【2 l 】。也有不少学者 采用这思想提出了反馈系数的选择方法【勿。m t y 弧s e n 和h n a 百z a 等分别对 特定的混沌系统采用非线性反馈的形式，即将系统中的控制分成了线性和非线性 两部分【2 3 2 5 】。其基本思想是：使控制器中的非线性部分和系统同步误差方程中的 非线性项能够相互抵消，这样一来就将控制器的设计转变成为了线性反馈控制器 的设计，再利用李雅普诺夫函数或h u r 研t z 方程理论就可以定量地给出同步的条 件，实现稳定的控制器的设计。k 嘲a s 等提出了连续变量反馈微扰控制法， 实现了混沌控制，还通过对非线性的连续控制，减少了系统从稳态到混沌态的弛 豫时间1 2 6 1 。混沌同步的研究近2 0 年来得到了蓬勃的发展，新的混沌同步系统和 理论不断诞生。神经元网络控制同步、脉冲控制同步、变结构控制同步、模糊控 制同步等方法也被应用于混沌中f 2 7 捌。其中，自适应控制方法是一种相当具有吸 引力的方法，在电子学领以及其它领域都有极大地应用空间。 1 4 混沌保密通信 1 4 1 混沌保密通信研究的发展 混沌同步的实现，对混沌理论以及应用的研究起到了极大的促进作用。在通 信领域，混沌同步使得应用混沌来传递信息成为可能，受到了人们的广泛关注 f 2 9 刊。1 9 9 3 年，k m c u o m o t 和a vo p p e i l l e i m 等人提出了应用混沌隐藏( c l l a o t i c m 嬲l 【i n g ，c m a ) 和混沌调制( c l l a o t i cn 1 0 d u l a t i o n ，c m o ) 技术隐藏信息的保密通信方 案 2 ”o j ，并在l o e r n z 混沌电路中实现了混沌同步和混沌通信。d e d i e u 等提出了 混沌数字键控( c h a o t i cs m 俞k e y ，c s k ) 技术进行加密的保密通信方案，为应用混沌 系统进行数字通信开创了先河。后来，c o o k ( c h a o t i co no f r k e y i n g ) i j 、o o p s k ( o o f f p h a s es h j rk e y i n g ) 【3 2 】等方案也相继被提出。经过近二十年的发展，越来 越多的混沌通信方案被提出，其中双向、长距离、高速率、高保密性一直都是人 们所追求的。 一开始，人们对混沌同步及混沌通信的研究主要集中在电路系统中，但是在 电混沌信号带宽有限且衰减较大，使得其在长距离和高速率信号传输方面存在缺 陷。因而人们将目光投向了激光混沌系统。基于半导体激光器的激光混沌系统具 有宽带宽、低衰减、动力学行为复杂、对参数高度敏感等特性，且能与现有商用 西南大学硕士学位论文 光纤很好的结合，非常适合用于高速远程通信。4 】。 1 4 2 激光混沌保密通信的研究进展概述 激光混沌同步及通信是近2 0 年崛起的一个新兴领域。1 9 9 4 年，r r d y 和 k s t h o m b u f g 在激光系统中实现了激光混沌同步【3 5 】。同年，t s u g 醐豫等也在 实验室中实现了激光混沌同步【捌。随后，p c o l e t 等提出了激光混沌数字通信方 案f 朔。1 9 9 6 年，va n n o v a z z i l o d i 等注入激光混沌系统同步f 3 8 】，次年，v 加l i l o v a z z i l o d i 等利用p c 混沌同步和混沌反馈方法分别实现了延时反馈激光混 沌系统的同步，并且应用了c m a 和c m o 的加密方式，实现了速率为5 m b i t s 的信号保密通信【3 9 1 。1 9 9 9 年，a u c m d a 等利用主动一被动混沌同步方法实现了 n d ：w 0 4 激光器系统的激光混沌长时间的稳定同步【钟】。2 0 0 0 年，掺铒光纤激光 器之间实现了混沌同步，并且成功进行了信号的传输1 4 l 屯】；同年，h f c h e n 和 j m l i u 提出了开环激光混沌同步方案，研究了激光相位以及参数失配因素对同 步的影响；s s i v a p r a k s a m 等利用在实验室成功实现了信息在延时全光反馈外腔 闭环半导体激光器的传输【4 3 】。2 0 0 1 年，a u c h i d a 等利用p c 方法，实验上实现 了单向耦合注入外腔时延光反馈多模半导体激光器的混沌同步l 4 4 j ；同年，s s i v a p r 硒a m 等实现了多个被驱动系统与一个驱动系统之间的激光混沌同步1 4 副， 这为波分复用技术在混沌中的实现提供了可能。接下来，人们在实验上和理论上 对光注入、光反馈、光电反馈等半导体激光混沌系统的混沌及同步特性进行了深 入分析，重点讨论了各种激光系统的混沌特性、同步区域以及同步类型。2 0 0 2 年，k k u s 眦o t 0 等将1 5 g h z 的正弦波调制到混沌载波上，实现了信息的隐藏， 经过信道传输之后成功地解调出了信息。j m l i u 等在理论和实验上实现了速率 为2 5 ( 剐s 的数字信号的激光混沌保密通信【3 3 j 。 近年来，人们开始把目光投向了能够实现长距离信息传输的混沌保密通信方 向。一些基于光纤信道，具有很大使用价值的方案被提出与验证。早在1 9 9 6 年， c r m i 聊等人就提出了应用光纤信道进行混沌通信的模型，并且理论验证了 这种方案的可行性m 。s l y 雒等人理论研究了光纤信道的色散以及非线性效应 等对混沌通信的影响【6 】。2 0 0 5 年，衄舛s 等人应用基于半导体的激光混沌系统， 在希腊雅典城的商用光纤网络中实现了1 g b i t s 、传输距离1 2 0 k m 的信息传输【4 7 1 ， 让人们看到了混沌通信在实际应用中的巨大价值。2 0 1 0 年，i b m a h 等人应用基 于光电反馈的差分移相键控( d p s k ) 技术来调制激光混沌信号，并且在理论和 实验上实现了速率l o g b s 的数字信号在光纤信道中的传输，传输距离达数十千 米f 4 8 4 9 】。人们成功地实现了单向的信息传输的理论和实验研究1 4 销5 1 ，但是在实际 应用中，实现信息的双向传输将会更加有意义。2 0 0 6 年，e i n 等人提出了基于 6 第一章绪论 公共信道的双向保密通信方案【5 6 j 。据此人们提出了多种双向激光混沌保密通信方 案【5 7 。5 9 】。但是这种互耦的系统由于信息的微扰，系统的鲁棒性不高，且信息解调 过程较为复杂。随着人们对混沌理论及应用研究的不深入，混沌通信将会朝着长 距离、高速率、高保密性以及能够实现信息互换的双向通信的方向发展，必将在 未来的保密通信，特别是军事保密通信中起到举足轻重的作用。 1 5 本文的研究内容及意义 随着信息社会的不断发展，人们对信息安全的要求日益增加。由于混沌具有 对初值敏感、类噪声性、遍历性、难以长期预测等特性，可用于开发出基于物理 层面的信息保密传输技术而受到了人们的广泛关注。其中，基于半导体激光器的 激光混沌系统，因具有宽带宽、低衰减、高度复杂性、能与现有商用光纤通信系 统良好兼容等优势【2 】- 【引，相对于电路混沌更加适用于高速长距离保密通信中。本 文立足于双向长距离光纤混沌保密通信，提出了一种新型的双向长距离混沌通信 方案。在利用m a t l a b 和o p t i s y s t e m 搭建系统平台进行数值模拟研究之后，证明该 方案具有良好的可扩展性，可将系统延展到长距离情况。同时对该方案的双向通 信性能、信息安全性以及光纤信道长度等对系统性能的影响进行了系统的研究。 本文结构及内容如下： 第一章，介绍了光纤通信的历史以及发展方向；讨论了混沌及其同步的基本 理论，并对激光混沌的同步以及通信的发展进行了介绍和归纳。 第二章，介绍了半导体激光器的结构及原理，数值模拟研究了基于半导体激 光器的激光混沌同步及通信，着重讨论了基于光反馈半导体激光器开环同步系统 的几种混沌加密及解密方式，并讨论其安全性。 第三章，研究了光纤信道的信号传输的影响，着重讨论了s m f 和d s f 对光 反馈半导体激光器开环同步通信系统的同步以及通信性能的影响。 第四章，提出并着重研究了新型双向长距离光纤混沌保密通信系统，对其同 步性能、双向通信性能、信息安全性以及光纤的影响进行了讨论。 第五章，总结本文，并提出今后的工作方向。 7 第二章基于半导体激光器的激光混沌通信系统 第二章基于半导体激光器的激光混沌通信系统 2 1 引言 半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠好、耗电少、效率高等优点，在通 信、光信息处理、激光精细加工等领域得到了广泛的应用6 0 捌】。在光纤通信领域， 半导体激光器一直是最主要的光源。半导体激光器的输出对外部的扰动十分敏 感，易产生非线性动力学动态输出。随着人们对非线性动力学理论研究的不断深 入，认识到混沌及其同步在未来将大有作为，而激光混沌及其同步在保密通信领 域【3 3 棚】，特别是在军事保密通信领域将会具有广阔的应用前景。 2 2 半导体激光器基本理论 目前，在长距离、大容量光纤通信中用得最多的是工作波长在1 3 3 0 i l i n 和 1 5 5 0 n m 的分布式反馈半导体激光器( d i 矧b u t e df e e d b a c kl 嬲e r ，d f b ) 。d f b 输出 功率稳定、光谱纯度、相对强度噪声低、线宽窄以及较宽的调谐范围在长距离光 纤传输系统中得到了广泛应用【6 嘶1 1 。 2 2 1 半导体激光器的结构及基本原理 半导体激光器是由带隙能量较高的p 型和n 型半导体材料中间夹一层很薄的 带隙能量较低的另一种半导体材料构成，激光器的结构示意图如图2 1 所示。中 间窄带隙称为有源层，两侧分别为宽带隙的p 型和n 型半导体称为限制层，前后 两个晶体解理面作为反射镜构成f p 腔【删。 图2 1 半导体激光器的基本结构 半导体激光器工作原理是基于p n 结的。向p 区加正向偏置电流使得电子和 空穴分别注入p 区和n 区，这样就能在p n 结耗尽区内实现载流子数反转。由于 9 西南大学硕十学位论文 电子的迁移速率比空穴快，在有源区内复合，就会发出辐射，但是这个辐射是非 相干的。激光作为一种相干的辐射光源，半导体激光器要产生激光输出还必须满 足以下激光个基本的条件删：( 1 ) 增益条件：要使半导体激光器辐射激光，必须在 有源层内形成粒子数反转，这可以在p n 结两端加一个正向偏置电压来实现；( 2 ) 在p n 结发出辐射之后，有源层内载流子会被不断的消耗。要实现稳定的输出， 就必须使在有源层内粒子数不断地处于反转状态，粒子数反转的程度越高增益也 就越大，当偏置电流提供的载流子数刚好能够补充消耗的载流子数时，这个偏置 电流就称为阈值电流；( 3 ) 要获得相干的受激辐射，就需要辐射光在光学谐振腔内 经过多次反射形成振荡。 2 2 2 半导体激光器的速率方程描述 半导体激光器的速率方程是分析和模拟系统特性的理论基础，我们以著名的 l a n g k o b a y a s l l i 方程【6 0 缶3 1 为基础上构建系统模型。l a l l g k o b a y a s l l i 方程如下所示： 掣：昙( 1 + 地) 【g 一上】e ( ，) 口fz f j p ( 2 1 ) 业：三一业一g l e ( ，) i ： 一= 一一i r l ni l 魂 9乙 。 式中，e 为激光器的慢变场振幅，为载流子数，o 为透明载流子数，a 为线宽 增强因子，g 删f ) - d ) ( j 印l 以f ) 1 2 ) 为微分增益系数，p 为饱和增益系数) ，勺 为光子寿命，为载流子寿命，为偏置电流，g 为单位电荷。 在数值计算中，相关参数取值为：a = 3 ，矿2 p s ，= 2 n s ，卢2 9 n 迭， g = 1 6 0 2 1 0 1 9 c ，g = 1 5 1 0 。8 p s ，p = l 1 0 ，舻1 5 1 0 8 。当偏置电流大于阈值电 流，且无外部调制的情况下，半导体激光器的输出在经过短暂的驰豫振荡之后可 以达到稳定的功率输出，如图2 2 所示，激光器的光子数和载流子数经过了开始 约1 0 n s 的弛豫震荡之后达到了稳定。其中，场强度不断增强，而后达到一个稳定 值；载流子数不断的消耗，又由电流不断的补充，最后也达到一个稳定值。 l o 祭 m 螺 搦 图2 2 无外部调制时半导体激光器的输出特性( a ) 为光场强度：( b ) 为载流子数 第二章基于半导体激光器的激光混沌通信系统 2 2 3 基于半导体激光器的激光混沌产生 在无外部扰动的情况下，半导体激光器可以实现稳定的激光输出。可以通过 外部偏置电流调制、光注入、光反馈和光电反馈来实现等方法增加一个自由度， 来控制半导体激光器的输出【6 0 6 2 】，直至达到混沌态。 ( 1 ) 偏置电流调制 偏置电流调制方法是通过调制偏置电流的大小来控制半导体激光器的输出， 是一种直接调制的方法，这种方法也是目前光纤通信中最常用的信号调制方法。 图2 3 为外部电流直接调制半导体激光器方案。在一般的数字通信系统中一个二 进制随机序列首先被调制为电流信号，这个携带信息的电流信号作为一个小信号 再被调制到偏置电流上驱动半导体激光器，这样半导体激光器的输出光信号就携 带有信息了。相应的在速率方程中，只需在偏置电流，上加上携带信息的电流厶 就可以实现对信息从电到光的调制，模拟信号的调制也可以做类似的处理阱】。如 果调制电流信号的频率不断增加，激光器的输出会变得不稳定，经过由周期、倍 周期分岔直至混沌态。 b i a 矗i 砌啡晰 c h a o s 图2 3 外部电流直接调制半导体激光器图2 4 外部光注入半导体激光器 c h a o s 图2 5 光反馈半导体激光器 ( 2 ) 外部光注入调制 b i a 0 i i 9 j c h a o s 螂枷 图2 6 光电反馈半导体激光器 将一个半导体激光器的输出注入到另外一个半导体激光器中，注入光信号对 副激光器的光场产生扰动，在一定的注入条件下，副激光器将会进入混沌态【6 5 1 。 外部光注入半导体激光器示意图如图2 4 所示。 ( 3 ) 光反馈调制 与外部注入半导体激光器类似，将一个半导体自身的输出信号反馈注入到本 1 1 字 西南大学硕十学位论文 身，反馈光信号会对激光器往后的输出起到扰动作用，在一定的反馈条件下，激 光器将会进入混沌态【鲫。光反馈半导体激光器示意图如图2 5 所示。 ( 4 ) 光电反馈调制 光电反馈一般指把半导体激光器输出的光信号电探测器( p d ) 转化为电信号， 经过适当的电路处理之后与激光器的偏置电流进行迭加，反馈到激光器中【6 7 缶8 1 。 光电反馈半导体激光器示意图如图2 6 所示。 2 3 基于半导体激光器的激光混沌通信系统 2 3 1 基于半导体激光器的激光混沌同步 在激光混沌保密通信系统中，最核心的内容就是系统的同步，我们首先讨论 激光混沌的同步方案。激光混沌同步方案有很多种，这里重点讨论基于p c 的全 光反馈和模型注入的激光混沌同步方案。 两个混沌信号( 信号f 和信号，) 之间的同步性可以用关联函数c ( ，) 来定量的 描述，公式如下： 舭，= 蒜等艄黼卷筹精 亿2 ， 式( 2 2 ) 中， 表示时间平均，f 表示关联函数的时移，p 表示输出场强度i c i 的取值范围为o 和1 之间，i c i 越接近1 表明两个混沌信号同步性越好。 一个带有自反馈的半导体激光器( m a s t e rl a s e r ，m l ) 的输出被分为两部分： 一部分作为反馈光注入本身，用于产生混沌输出；另一部分注入到副激光器( s l a v e l 觚e r ，s l ) ，使得副激光器也产生混沌输出。副激光器如果不带自反馈称为开环 系统；副激光器如果带光反馈称为闭环系统。光反馈半导体激光器混沌同步系统 示意图如图2 7 所示。 1 2 图2 7 光反馈半导体激光器混沌同步系统示意图。( a ) 开环系统；( b ) 闭环系统 光反馈半导体激光器开环混沌同步系统的动力学行为，可采用如下包含外腔 第二章基于半导体激光器的激光混沌通信系统 反馈或外光注入的l a i l 争k 0 b a y 勰i l i 速率方程组来描述【洲j ： 掣= 扣训瓯一吉】啪) + 等驰咖x p ( 峨) 掣= 扣训g 一扣卅等耻训州略) ( 2 3 ) 掣= 争掣刮w ) 1 2 式中，下标m 和s 分别表示m a s t e rl a s e r 和s 1 a v el a s e r 。e 为激光器的慢变场振 幅，为载流子数，为透明载流子数，a 为线宽增强因子， g = g ( ( 哆砒) ( j 印l 以巧1 2 ) ( g 为微分增益系数，p 为饱和增益系数) ，为光子寿命， 为载流子寿命，妇为尬的外腔反馈系数，为m l 对s l 的注入系数，锄 为光子在激光器内腔中的往返时间，为m l 的外腔反馈时间，铂为m l 对s l 的注入时间，为角频率，为偏置电流，g 为单位电荷。在方程中如果满足下 列条件，则两个系统可以达到完全同步：= 一s ，= 魄，= ，。 在数字模拟中，取a = 3 ，巧，- 2 p s ，弓l - 2 n s ，刃沪5 i l s ，置旷2 5 l o 之，惫枷i = - 2 5 1 0 之，锄= 1 p s ， 心9 n 认，m 产1 2 1 9 1 0 1 5 删s ，锄= 5 鹕g = 1 6 0 2 1 0 1 9 c ，g = 1 5 1 0 。8 p s 一，胪1 1 0 ， 舻1 5 1 0 8 数值模拟结果如图2 8 所示，从图( a ) 可以看出，两个混沌输出随 时间的变化非常一致；从图( b ) 的关联系数c 随时移的变化，可以看出在舻o n s 处，关联系数达到最大值。可以看出，在开环系统中，当两个激光器的参数基 本一致，并且m l 的自反馈强度以及反馈时间与注入s l 的强度和时间一致时， m l 和s l 可以达到高质量的等时同步。 图2 8 光反馈半导体激光器开环混沌同步效果。 ( a ) 为胤和s l 的混沌输出随时间的变化；( b ) 为同步系数c 随时移的变化。 2 3 2 激光混沌保密通信方案 在混沌同步的基础之上，混沌通信也得到了很好的发展。目前，主要有三种 混沌通信方案：混沌掩盖( c h a o sm 嬲虹n g ，c m a ) 、混沌调制( c h a o sm o d u l a t i o n ， 西南大学