方锦清：混沌保密通信的研究概况与展望.ppt

方锦清中国原子能科学研究院2010 7 26 混沌通信研究的若干进展 报告提纲 保密通信简介 通信是国家的生命线 网络时代更需要保密通信 标志之三国内外多次出版混沌通信专刊和专著各种混沌应用专利遍及众多领域 我国有些项目获得国家省部级奖励 标志之一国际上积极推进了一系列混沌保密通信的重大研究计划 并取得了长足进展和丰硕的成果 标志之二1998年研究几何与混沌的麦克 马伦获菲尔兹奖 各国混沌成果奖 历史回顾 20年来稳健发展的重要标志 1998年研究几何与混沌的柯蒂斯 麦克 马伦 CurtisTMcMullen 获菲尔兹数学奖 雄辩地说明了混沌科学理论的重要地位 混沌和分形理论密不可分 混沌 分形理论 计算机理论和现代通信理论的结合在混沌保密通信中发挥了重大作用 应用前景巨大 柯蒂斯 麦克 马伦 美国人 哈佛大学数学系教授 在1998年德国柏林获得菲尔兹数学奖 http www math harvard edu ctm 网络中心战 美军网络战司令部 混沌保密通信和密码学正在迈进实用化 我国面临网络信息战的空前挑战 研究概况 实验有效验证混沌系统的基本特性 宽谱性 对初值和系统参数的敏感性 有界性 遍历性 内随机性 分维性 标度性 普适性和统计特征等 这些宝贵的特性与密码需求相一致 引起密码学界的高度关注和重视 实际上 早在1984年就提出了混沌加密思想 以后混沌和密码学结合使混沌加密的研究不断深入 迄今 不仅了建立数字化混沌通信 并将混沌密码应用于信息安全与保密通信领域 随着大规模集成电路的高速发展 计算机及可编程逻辑电路计算精度与运算速度的不断提高 已使混沌特性退化程度大为减弱 混沌保密通信正在走进实用化 虽然军事保密需要 估计即将接近实际应用的阶段 影响混沌通信实用化的原因 随着通信服务业的迅速发展 用户量 宽带数据 视频和声音服务 以及更高的信息安全要求等 许多尖锐的矛盾日益显露 如爆炸性增长的通信用户量与现有系统只有有限用户量 保密性与可拦截性等问题 现有的无线通信系统 由于它们自身固有的系统缺陷 并不能从根本上解决上述矛盾 现已证实 基于混沌的宽带通信提供了一个有意义的途径 它具有解决现有通信系统诸多矛盾和缺陷的发展潜力 尽管目前国内外已提出多种基于混沌的通信理论与技术 但还没有一个可用在有多径传输 畸变和时变衰落环境的实用系统 当前 影响混沌通信向实用化迈进的主要原因 对于相干检测 由于信道干扰和系统参数不匹配 致导难以实现混沌同步 通信信道的负效应 特别是无线通信信道的干扰 严重地蜕化了已提出的混沌通信系统的实现 对于非相干检测 两个因素影响了系统的实际实现 限幅器的阈值是噪声功率的函数 比特能量的方差也随着噪声功率的增加而增加 近年来 经常发生网络通信安全问题 在传输 存储 处理过程中的数据信息丢失 泄露或被非法篡改将对国家 国防 社会和经济等造成严重的影响例如 GSM网络的SIM卡被克隆和通信内容被窃听 IEEE802 11标准中的WEP算法被破解 盗用他人账号上网等 鉴于国际上日益激烈的网络安全形势 今年我国工信部专门出台了 通信网络安全防护管理办法 从2010年3月1日起执行 这说明解决通信系统信息安全性问题对国家具有长远的战略意义 网络加密是保护信息安全的行之有效的手段 1998年美军提出了 网络中心战 2009年美国总统奥巴马刚上台就于5月29日批准公布了国家网络安全评估报告 指出来自网络空间的威胁已成为美国面临的最严重的经济和军事威胁之一 保护网络基础设施将是维护美国国家安全的第一任务 并提出了制定网络安全事件应急计划和筹备美军网络司令部等重大决策 6月美国国防部马上创建了世界上第一个网络战司令部 它成为与空军作战司令部 太空司令部平级的单位 麾下多达541个子司令部 65个空军中队 预备役和国民警卫队 4个空军网络战联队和陆 海军网络战部队 如此大规模的网络部队完全是美军十多年来发展的必然产物 特别关注 网络中心战美军成立了网络战司令部 网络中心战 的全面实现要经历20 30年左右的时间 在2015年建成全球信息网格 2020年能实行较成熟的网络中心战 美国防部报告强调指出 网络中心作战可能是美国政府历史上最复杂的任务 可与第二次世界大战及对前苏联的冷战相比 是长期 困难 高费用和高风险的任务 这一任务岂止是非常复杂 所需的知识甚至还不存在 这类似当年美国的曼哈顿 原子弹工程 阿波罗 登月工程 需要长期的 动员全国力量的创新 若干重要课题 1 数字化混沌通信 DDCC 一直是混沌保密通信的一个最重要的研究方向 并已被大量实验证实是最具有实用前景 数字通信系统的特点是具有抗干扰能力强 易于加密和易于大规模集成等 它比较模拟混沌系统具有结构简单 易于实现和保密性能高等优势 因此它必然将取代模拟通信在通信行业中占主要地位 数 数通信仍能保存原混沌系统的许多特征 诸如 对初始值的高度敏感性 混沌序列的类似随机性等 并且还有符合密码学需要的特征 初始密钥空间无限大 混沌系统唯一确定性等 并混沌更易运算 大量非线性运算和同步通信 使数字化混沌和加密理论结合构成信息安全与保密通信系统 必须深入研究数字化的混沌特性 由于数 数混沌系统时域值受到有限精度和离散化限制 只要提高运算精度 则可减小平均量化误差 需要设计混沌序列密码核 使之产生输出良好的伪随机序列 并对该序列进行预测 构造出可估计的数字化混沌序列密码的基本模型 在有限资源下 有效调配系统参数 精度和初始值 使输出序列符合密码序列要求 可作为密钥序列发生器或参与密码运算 并能应用于加密系统和保密通信中 所以进一步深入研究数字化混沌序列密码理论模型及其信息加密系统仍然极具有挑战性 DDCC的关键问题之一 探索混沌序列密码模型 混沌密码研究包括利用单个或多个混沌系统产生伪随机序列作为密钥序列 实现对原文的加密 用明文或密钥作为混沌系统的初始条件或结构参数 通过混沌系统合适的迭代次数产生密文 第一种方式对应于流密码 第二种方式对应于分组加密 由于混沌序列是复杂的伪随机序列 它在构造复杂流密码极具大优势 且在保密通信中应用这种非线性序列 结构复杂 难以分析和预测 可以满足网络上数据安全传输和数字保密通信等领域的广泛需求 目前 探讨混沌序列密码的创新模型及其应用将成为实现DDCC的关键问题之一 若干需要解决问题 为了真正推进混沌在工程实际中的应用 需要解决的若干问题 首先 深入研究数字化后混沌特性的变异 短周期 退化的轨道分布和非理想的相关特性 这是真正应用面临难题之一 第二 需要研究评估混沌加密系统的安全性 复杂性和可靠性的一套标准 目前国际上尚缺乏统一标准 第三 探讨数字化后混沌序列特性的测度问题 根据加密需要选择不同级别加密算法 2 高维时空超混沌通信 这一直是混沌通信的另一个重要的研究方向 迄今发展了许多时空混沌系统 仅举一例说明 高于3阶细胞神经网络 CNN 的超混沌通信研究可应用于空间多目标信号处理中 在国防领域里拟解决多目标测控及通信问题 设置在卫星 无人机 飞艇等天基载体上的基站等各种天基目标中的空中基站与地面基站 基站及目标之间 由于时空超混沌系统的混沌动力学特性具有更复杂的随机性和不可预测性 必将深刻地影响超混沌保密通信和多址通信 如具有多个正的lyapunov指数和更多的可控参数 超混沌的加密信号比较一般低维的破译方法很难破译 如相空间重构 回归映象和非线性预测等 因此 利用时空超混沌通信可提高通信系统的抗攻击和抗干扰能力 又因CNN特有的局域连接的结构 使其硬件容于实现 这样利用CNN的超混沌特性进行保密通信具有重要的理论价值和实用意义 CNN在理论和应用方面研究 理论上主要是研究CNN动态特性及各种变形CNN的结构及特性 更接近真实电路实现的延迟CNN和离散CNN等 应用上主要研究CNN实用算法与设计 如图像处理和模式识别等 以及CNN硬件实现的研究 涉及基于光学 光电 VLSI FPGA以及硬件加速板研制等 在CNN超混沌特性及混沌同步方面已经取得了一批科研成果 提出了一族一维四阶CNN产生复杂的超混沌现象 其结构比传统的二维CNN更简单和更易实现 时空超混沌系统的同步研究比较一般混沌研究更为困难 Grassi等人提出和研究了超混沌系统的同步 已成功应用于一个8阶的延迟CNN以及一个包含5个Chua s电路构成的环路 探索基于超混沌的空间多目标通信与测控系统 采用CDMA体制和结合的扩频通信技术 利用CNN超混沌特性进行通信 国内研究特点 1 主要研究了各种参数条件下网络稳定性和各种变形CNN的结构及特性 同时开展了CNN的复杂动力学现象 例如 极限环 混沌 分岔等 研究 2 对于CNN超混沌动力学特性及混沌同步的研究都集中在四阶CNN方面 3 开始探讨和深入研究非整数阶和整数阶CNN的超混沌特性及同步问题 寻找电路结构简单 易于实现 性能更优良的超混沌序列 实现超混沌系统的同步 包括CNN的次最优多用户检测模型用于空间多目标的通信与测控体制 以满足信息加密和多址通信的需求 4 研究在多址和多径环境下 将CNN超混沌系统用于空间多目标通信及信号处理问题 这些研究对未来空间通信技术的发展至关重要 3 频分复用混沌光通信 各国都面临着信息安全问题挑战 为了满足当今社会对信息量不断增加及保密越来越高的要求 采用波分复用 时分复用和频分复用技术相结合技术可极大地提高了通信容量 目前实现通信保密的主要手段是数字混沌加密技术 混沌通信的实现是基于收发两端的硬件参数可作为混沌保密通信的密钥 混沌通信是一种硬件加密或软硬结合加密 适用于长距离 低误码率传输 国内在半导体激光器实现混沌光的产生 同步及通信方面已取得了进展 实验实现了混沌串联 并联同步以及双信道混沌光通信 光电双延时反馈混沌系统在高速光保密通信中的应用等 国外重点研究为不同形式光反馈半导体激光器实现混沌光产生 同步和混沌通信理论分析 对于外光反馈半导体激光器实现的混沌光源研究相对较多 存在两个问题 第一 从理论上讲 混沌系统对参数匹配精度要求越高 保密程度也就越高 但实际应用时要制作两个或多个参数精确匹配的系统难以达到 为此可利用混沌产生器来作密钥 使其满足对伪随机发生器要求 第二 外光反馈半导体激光器产生的混沌信号呈现一种弱周期性 这种弱周期性通过产生的混沌光进行自相关后即可观察到 混沌信号相关后频分复用混沌光通信隐含的光反馈延迟信息将易于提取出来 在2009年雅典混沌模型和理论国际会议 实验已实现有外光反馈在长距离光延迟下混沌的自同步现象 其反馈延迟时间从实验的自相关曲线可知 解决方法和途径 第一个问题可通过增加外部密钥来增强混沌通信系统的保密性 例如 反馈腔长 反馈强度等 目前该法只是数值仿真研究 且反馈腔长已被证明不能作为密钥 第二个问题 多延迟反馈可有效地减少光反馈延迟时间信息 但并不能完全消除 因此 有必要提出一种基于副载波调制的频分复用混沌光通信系统 通过多路反馈与副载波调制技术相结合构建混沌发射系统 减弱混沌载波的弱周期 提高其维度 将副载波频率作为密钥 从而提高混沌通信系统的保密性 采用发射系统相对应的多路输出混沌接收系统 实现开环和闭环混沌同步 与调制技术相对的解调术进而提取传输信息 实现大容量混沌光通信系统 为实验实现频分复用混沌光通信的实用化提供证据和新途径 使其实验实现符合STM 16通信系统规范的2 5Gbit s通信系统规范的传输速率的频分复用混沌光通信 为在现有通信系统增设混沌保密通信通道及其在高速信号保密传输的实用化提供证据和新途径 4 混沌通信中的噪声影响 在现代数字通信系统各个主要环节利用混沌的特性 涉及数字加 解密 信道编 解码 信号调制 解调 多址接入等 包括 混沌遮掩 混沌开关 同步与非同步 相干与不相干方法 如果仅从噪声性能考虑 基于混沌的通信系统的噪声性能不如基于正弦载波的传统通信系统 通信研究的中心问题 抑制噪声 常规的处理方法 如滤波 它是利用信号与噪声的频谱的差别来分离它们或抑制噪声 在大多数情况下 噪声和信号共同分享一个频段 只是噪声的能量分布在较宽的频带内 信号的能量则集中在较窄的频带内 因此 利用一个能保持信号频谱的滤波器 就能很好地抑制噪声 但是 当信号与噪声的能量都分布在完全相同的频带时 例如被高噪声污染的混沌信号就属于这种情况 常规的基于频谱的处理方法不再适用 因而那些用于处理确定性信号的经典技术也就不再适用了 人们必须探索新的研究途径与方法 目前对混沌通信系统的研究更多地注意利用混沌内在的宽谱特性用于扩频和多址接入 混沌通信在噪声性能存在的问题是需要解决的一个重要课题 高噪声污染的混沌信号辨识与检测 需要解决问题 混沌信号的自适应滤波 混沌信号的盲分离 混沌通信系统的调制与解调 信道均衡 基于混沌的网络加密技术 等 需要考虑的问题 结合混沌通信与传统通信的相似性 借助成熟的数字通信技术提高混沌通信系统的性能 已有工作 混沌理论用于信道编码的问题 Turbo结构的混沌编解码方法 基于网格编码调制的混沌相移键控和基于混沌的低密度编码 如果在通信中能够利用由初值确定的混沌序列来携带传输信息 则将产生信息上的冗余 类似传统通信中的信道编码对冗余信息的利用 就可大幅度提高系统的噪声性能 此外 改进相关解码算法以适应混沌通信的要求 通信系统的性能主要取决于可靠性和有效性 提高通信的有效性和实用性是混沌通信中的根本问题 利用混沌通信与传统通信的相似特性作为通信系统的共同特性 从而综合利用各自的优势 建立混沌通信体制与传统通信中的编码调制之间的联系 构建基于初值编码的混沌通信体制的并行级联编码系统 以推进混沌通信体制的实用化 加速混沌通信融入现代通信系统的进程 目前国内外借鉴传统通信技术的成果和经验 进一步提高混沌体制的噪声性能 使得混沌通信体制能早日走向实用化道路 5 高性能混沌流密码 当前主要加密方法对称分组密码算法 DES和AES公钥分组密码算法 RSA序列密码算法 流密码 反馈移位寄存器LSFR或NLSFR单向散列算法 不可逆Hash函数 MD5和SHA 1 2 用来身份识别或完整性鉴定 混沌加密是新的有效方法与传统方法结合 妙用无穷 混沌的数据加密技术的特色 完全满足保密通信及密码学的要求 确保通信可靠性符合扩散原则 初值敏感性符合混淆原则 混沌吸引子混合性达到难以破译 不可预测性 1976年美国学者提出的公钥密码体制克服了网络信息系统密钥管理的困难 同时解决了数字签名问题 又可用于身份认证 基于混沌 分形的密码理论的研究成为当前混沌通信研究的另一个重要课题 流密码是单钥加密体制中对应于分组密码的一种重要加密技术 由于其软硬件可实现性好 易于实现同步通信及加密速度快 从一开始提出便受到了广泛的关注 并相继制定了多种国际标准 A5 2 RC4 MUG1 SEAL SNOW及SOBER等 流密码除具有普适的对称加密应用外 目前广泛应用于GSM移动通信 码分多址通信 CDMA GPS卫星定位系统等通信系统中 流密码系统的核心设计部分是伪随机数发生器 PRNG 它决定了一个流密码系统的安全性 流密码强度完全依赖于PRNG所生成密钥流的随机性和不可预测性 混沌理论的发展为流密码加密提供了新思路 混沌是非线性确定性系统产生的内在随机行为 在理想条件下时序具有无限大的周期 具有类似高斯白噪声的统计特性 更重要的是 混沌系统具有对初始值和参数极端敏感 长期行为的不可预测性 可提供巨大的密钥空间 混沌映射的特点很好地满足加密系统的要求 构造高质量混沌PRNG基本做法 通过综合利用数理统计 符号动力学及信息论等理论 引入高维混沌动力系统 深入研究高维系统时空 超 混沌动力特性 利用多维参数的特点扩展密钥长度 利用非线性变换与基于混沌控制的矩阵变换提高混沌密钥流的线性复杂度 建立混沌初始参数优选算法 增强混沌密钥流的统计性能 以此创建一种高可靠性的混沌流密码方案 在有限计算精度下采用上述提高抗各种攻击能力方法 克服传统混沌加密系统的缺点 这将是具应用潜力的一个研究方向 6 宽带无线混沌通信 混沌无线通信的难度比有线通信大得多 我国无线混沌通信研究已有一定的发展 包括硬件实现语音无线通信等方案等 目前 无线通信网络加快向数字化 宽带化和智能化演进 实现了从单一传输内容到多媒体通信 数据传输速率从几十千比特到几十兆比特 通信网络面临的安全威胁日益多样化 同时网络攻击和信息窃取等非传统安全问题更加突出 正在研究宽带无线通信系统 尤其研究基于正交频分复用 OFDM 调制特点的物理层数据加密方法 以便获得一种宽带无线通信系统新的安全机制 用其代替或者复合传统的在链路层的加密算法 以取得良好的安全效果 OFDM调制却不同 它首先将待传输数据进行分组 然后做MQAM映射 从而将串行高速数据转换为并行低速数据 将映射后的复数符号分别调制到一系列的正交载波上 形成OFDM符号 为了降低其信号的峰均比 也常常采用酉变换先对映射后复数数据进行变换 然后再调制 而OFDMA从纯调制角度也和OFDM相同 其承载信息的星座点或者载波数高达1010个 且存在诸如映射和酉变换等环节较方便的引入数据安全机制 通过控制OFDMA的多址接入过程 方便地实现接入认证 其安全机制可在物理层完成 在信号并行传输过程中设置安全机制 不仅实现复杂度会大幅下降 为高性能的安全算法的应用创造条件 且会带来比链路层传统加密算法更高的安全性 通过密钥控制其调制过程与调制相结合的数据加密方法的过程和传统加密方法有较大区别 传统方法将数据加密以后其形式仍然是数据 而与调制相结合的方法对数据加密后的结果可能变成符号 不再是数据 而符号空间可大于数据空间又不增加冗余 这可使网络的非授权用户在无线接口中难以得到正确无线信号 保证数据的安全性 同时大幅度增加网络授权用户通过明文密文对攻击算法的难度 这种不仅能保证传输信息的安全 而且也保证传输过程的安全 同时 如果在星座映射环节设置安全机制 其工作频率不再是信息速率 而是符号速率 从而明显降低了电路实现的难度 提高了实时性 利用宽带无线通信中OFDM调制特点的数据加密方法刚提出来 认为利用OFDM调制特点设置安全机制具有良好安全性 可实现性和现实意义 有望找到安全性更高的宽带无线通信系统数据加密方法 以满足固定和移动宽带终端广大用户日益增长的信息安全需求 7 宽带无线通信与信息安全机制 通信网络正加快向数字化 宽带化和智能化演进 实现从单一传输内容到多媒体通信 数据传输速率从几十千比特到几十兆比特 为人们的工作 学习 娱乐提供极大地方便和普及 由于移动通信和无线接入系统的数据安全却一直沿用了传统做法 对压缩编码后的数据先加密 再进行信道编码 然后调制发射 该法在网络中表现为在链路层将数据形式明文通过加密转换为数据形式的密文 然后编码调制 但由于移动通信和无线接入技术的网络环境和服务性质 使得恶意攻击者很容易得到大量的明文密文对 从而无论是流密码还是分组密码 攻击者通过这些明文密文对可较容易找到加密算法的漏洞 实现对算法的破解 这时要实现数据的安全 只有不断地改变加密算法 不断地增加密钥长度 典型例证是GSM网络的SIM卡被克隆和通信内容被窃听和IEEE802 11标准中的WEP算法被破解 而LTE和WiMax中的安全机制仍有待现实的检验 同时 对以OFDM调制为核心的宽带无线通信系统 传信率比现有的通信系统提高几十倍 高达50Mbps 100Mbps 链路层实现数据加密的难度加大 成本上升 且对实时通信带来较大影响 8 超宽带高速全光混沌通信 美国国防部成立网络战司令部后 在世界范围内引发了各国网络安全激烈信息战 随后英国在6月25日出台了首个国家 网络安全战略 保护网络信息安全已成为维护各国国家安全的第一要务 注意到 随机数在信息安全中扮演着极其重要的角色 不论是数据加密 密钥管理 公钥和私钥的产生 还是安全协议 数字签名和身份认证等 都需要随机数 随着计算机运算能力的增强 用在密码技术中的随机数必须有足够强的随机性 这是伪随机序列所不能提供的 在信息安全系统中 对随机数的性能提出很高的要求 产生随机数的方法 安全实用的随机数应利用自然界的物理现象产生 典型的实现方法包括 1 利用直接放大电路或电子元件的热噪声 目前大多数真的随机数发生器产品都是以此工作原理 如2008年中科院研究生院研制出的数字物理噪声源芯片 传输速率为20Mb s 2 利用振荡器采样的随机数发生器 3 基于量子力学基本量产生的完全随机性 4 利用放射性元素的衰变产生的随机性 5 利用单光子的路径选择和激光斑纹图样的空间分布等物理现象也可用作为随机数熵源 6 基于混沌电路产生随机数 该法克服了振荡器采样所产生的随机特性不理想的缺陷 随着光纤通信WDM系统单信道速率已达10Gb s 并向40Gb s发展 要实现大容量高速光通信的无条件安全 需要采用 一次一密 的加密方式 这就要求实时大量地产生高速随机数 半导体激光器在适当条件下可产生数GHz带宽的混沌激光 近年先后提出用宽带激光混沌替代电路产生的混沌 构建了混沌保密光通信系统和混沌激光雷达 2007年提出构造快速随机数发生器的基本思想是 利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数产生的物理源 2008年日本利用两路不相关混沌激光 经过模数转换和异或处理 实验获得了速率为1 7Gb s的随机数 2009年以色列利用8位模数转换器采样 经过后续差分运算处理和多位串行输出 基于混沌激光产生了速率高达12 5Gb s的随机数 不足的是 在目前所有基于混沌激光产生高速随机数的所有技术方案中 都要将混沌激光先通过高速光电探测器转换为电信号 任何用混沌电路产生随机数的成熟技术 其模数转换和逻辑处理仍然在电域中进行 这样受电子器件带宽限制 很难产生更高速率的随机数 以满足大容量光通信的安全需要 半导体光放大器 SOA 随着SOA制作技术成熟 在全光信号处理技术领域 已陆续提出和实现了基于SOA本身的结构或是基于SOA辅助干涉仪结构设计 用于光信号处理的全光开关 全光触发器 全光逻辑门等功能器件 提出了一种产生高速随机数的全光实现方案 将宽带混沌激光熵源和现有的全光信号处理技术相结合 突破现有技术中因含有电子器件而产生的随机数速率低的技术瓶颈 并且所产生的全光随机数与光通信系统中所传输的信息可直接编码与加密 不再需要电光调制器将电域的随机数转变为光域 半导体光放大器 SOA 应用掺铒光纤放大器实现终结了光通信系统中的光电中继器 使光通信网络的发展实现了一次大飞跃 因此 探索全光随机数的产生方式与技术 使新一代高速全光随机数发生器 以取代现有的随机数产生方式与产品 必将促进高速保密通信及全光信号处理等相关学科的发展 为混沌全光通信做出贡献 9 混沌键控的超宽带通信 首先超宽带技术来源于雷达技术 目的是满足军事需求 其信号形式类似于雷达 它通过发送超短的冲激脉冲信号作为载波 在很宽的带宽范围内完成通信 也称冲激无线电 随着2002年美国FCC 美国联邦通信委员会 对超宽带频谱的开放 非常灵活给出了超宽带系统的功率辐射谱和超宽带的定义 只要系统绝对带宽大于500MHz或者系统 10dB相对带宽大于0 2 即为超宽带系统 FCC对超宽带频谱开放具有双重意义首先是频谱重用 超宽带系统可与其它无线系统占用相同的频段 能够利用超宽带系统具有很宽的频谱资源 并为感知无线电 CR 技术提供了一个良好的研究平台 其次 传输信号格式的多样化带来了信号设计的灵活性 由于FCC仅仅从频域给出了超宽带系统的功率辐射要求 而对时域的信号波形并无具体规定 带来了极大的设计灵活性 这样在功率谱辐射约束下设计人员可以根据应用需求灵活实现系统的设计 随着网络科学与技术迅猛发展 通信业务已由传统的话音单一化向多样化的个人通信业务发展 通信网络必然向高速 移动 智能 感知等方向发展 为此目标 正在全球范围内的大规模部署第三代移动通信系统 并积极建设面向第四代移动通信系统的研究和实验网络 2002年随着美国FCC对超宽带频谱的开放 为稀缺的无线频谱重用提供了一种发展的空间 作为WPAN的重要接入技术的超宽带 UWB 技术的研发有了长足发展 由于成本和功耗暂时限制了其大规模的应用 随着进一步完善和推进该领域应用基础理论及技术 UWB技术逐渐会成为构筑未来智能无线信息网络的重要技术之一 我国对此战略制高点相当高度重视 在国家中长期科技发展规划纲要 2006 2020 已经写入传感器网络及智能信息研究内容 基于UWB物理层的WPAN应用势必将渗透到经济的各个领域 对低速应用的UWB物理层技术的研究有两大目标 低成本与低功耗 在FCC的规范下 UWB的信号设计自由度非常大 研究集中在两方面 一是基于冲激脉冲的冲激无线电 IR UWB 由军用雷达技术演变二是基于载波形式的UWB混沌通信是基于混沌信号的载波通信技术 由于混沌信号具有非周期性 宽带性等特点 混沌通信系统能很好的抗击多径衰落 使得混沌信号在保密通信和扩频通信等领域具有良好的应用前景 UWB具有极大的信号传输带宽 UWB是一种扩频通信技术 这使得具有扩频性质的混沌通信技术天然成为实现UWB的一种可选技术 由于混沌通信的低成本优势 使得其成为国内外关注的UWB候选技术之一 目前精确的混沌同步的实现还存在困难 相干混沌通信仅有理论上可行 因此基于非相干接收的混沌通信传输方式 如COOK FM DCSK 调频 差分混沌移位键控倍受关注 因此 围绕差分混沌移位键控技术作为新型超宽带通信系统调制研究解决的有关核心技术已经成为一个重要的研究课题 为了尽量降低功耗和复杂度 面向中 低速应用的UWB技术通常都采用非相干的接收技术 除了幅度检测 非相干脉冲位臵调制 PPM 外 基于发送参考信息的传输 参考 TR IR 信号设计方法尤其重要 FM DCSK具有与TR IRUWB类似的信号结构 在接收机设计中它们都要共同面对超宽带信号时延电路设计的挑战 低成本 低功耗的接收机设计变得较困难 由于发送参考信息的传输 参考 TR IR UWB发送极短的脉冲来传输信息 具有较高的峰均功率比 PAPR 已知在低速脉冲传输区域IR UWB是峰值功率受限 在峰值功率受限条件下 TR IRUWB的传输距离将非常有限 相比于TR IRUWB FM DCSK是一种基于混沌载波的调制技术 通过调整混沌载波的持续时间 可改变比特能量Eb 从而增加信号的有效传输距离 因此 首先需解决的一个根本问题是消除FM DCSK中时延电路的FM DCSK替代结构 其次 如何改进FM DCSK信号波形的设计 以增强信号有效传输距离 这是今后需要努力解决的一个关键所在 国内外需要深入解决如何消除或者降低时延问题 在设计低功耗应用系统时 首要考虑的是 如何完成最小的功耗和成本代价系统的设计 其次 要兼顾系统性能 尽量做到复杂度与性能之间折中 由于实现简单且无需混沌载波同步的非相干混沌通信系统具有竞争力 基于非相干接收的混沌差分移位键控 DCSK 及其改进形式 频率调制混沌差分移位键控 FM DCSK 和混沌开关键控 COOK 直接混沌通信 DCC 技术和FM DCSK作为混沌超宽带系统的调制方案受到了关注 尽管差分混沌移位键控 DCSK FM DCSK 是实现低成本 低功耗超宽带通信系统具有应用潜力的方案之一 提出CS DCSK调制新方法能够避免时延电路 为DCSK的UWB系统设计提供一种可行的简化方案 总之 基于FM DCSK的自相关UWB传输系统 与传统的TR类似 其难点都在于时延线单元的实现 因为混沌信号的非周期性 FM DCSK系统在接收机和发射机都需要时延线单元 为此 需要进一步改进FM DCSK的结构 以寻求其它替代方案和消除时延单元 除了实现电路方面的成本优势外 与冲激脉冲UWB技术比较 混沌调制技术混沌UWB系统采用了载波发射方式 比冲激脉冲UWB具有更低的峰均功率比 在峰值辐射功率受限的低速率应用中具有更强的传输能力 在频谱辐射方面 通过引入频率调制 可灵活实现对频谱控制 因此 实现低成本 低功耗WPAN的开发应用有发展前景 10 混沌应用的专利概况 经过初步专利调查 我国在混沌应用的所有专利总数186项 混沌通信及其加保密方法 线路设备相关的专利有65项 约占三分之一以上 混沌的其他应用非常广泛 遍及国防 工业 农业 医疗等诸多方面应用 例如 在雷达系统的应用 混沌信号雷达与混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法 混沌交织器 混沌治疗仪 混沌水体养殖法 多用途可调混沌磁脉冲 电场 声场生物处理机 一种带计算机接口的磁混沌摆 一种带混沌效应的高炉冷却装置 基于混沌控制的车载蓄电池管理方法 一种腐蚀深度的混沌预测方法 混沌光时域反射仪及其测量方法 基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置 混沌振动压路机振动轮结构 基于双凸极永磁电机的电气式混沌振动压土机 混沌振动台 混沌激振器 大型离心风机在线状态监测中的混沌控制方法 超混沌保健装置基于混沌信号发生技术的双路耳穴眼