半導體激光器混沌輸出的時延及復(fù)雜度特性研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信技術(shù)已經(jīng)根植于人類社會生活的方方面面，構(gòu)成了當今網(wǎng)絡(luò)社會的技術(shù)基石。而隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信體系的不斷發(fā)展壯大，信息的安全性受到了越來越多因素的制約和威脅。其中，伴隨著光纖通信技術(shù)從骨干網(wǎng)向接入網(wǎng)的全面延伸，如何保障信息在光域中的安全性作為新形勢下的新問題逐漸凸顯，已成為網(wǎng)絡(luò)空間信息安全領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題和面臨的巨大挑戰(zhàn)。隨著光電子技術(shù)及非線性動力學理論的發(fā)展，基于半經(jīng)典理論的混沌激光保密通信由于

2、其固有安全特性而備受關(guān)注，成為了新型的保密通信方式之一。同傳統(tǒng)算法層面的加密技術(shù)相比，混沌激光保密技術(shù)支持在器件和物理層面對信息進行加、解密操作，直接在網(wǎng)絡(luò)底層保證了信息的物理安全性。半導體激光器(SL)是常用光源之一，因附加自由度的引入會呈現(xiàn)出豐富的動態(tài)特性，日益引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。通過合理選擇控制參數(shù)，SL能夠產(chǎn)生復(fù)雜的混沌信號，從而廣泛應(yīng)用于高速隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)、保密通信及儲備池計算等重要領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著

3、大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，混沌密碼在信息安全和保密通信領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步走進實用化。但是近年來經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)激光混沌光源會暴露出眾多安全性缺陷。例如，應(yīng)用最廣泛的外腔光反饋半導體激光器(ECSL)產(chǎn)生的混沌信號呈現(xiàn)出一種弱周期性。這種弱周期性通過混沌信號的相關(guān)性統(tǒng)計分析即可獲取，不僅會影響混沌光通信的安全性，還會增加RNG后處理技術(shù)的復(fù)雜度。本論文立足于SL激光混沌輸出在保密光通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用與國際前沿熱點，通過系統(tǒng)分析激光混沌系統(tǒng)輸出的時

4、延、復(fù)雜度及統(tǒng)計特性，全面掌控相關(guān)參數(shù)的影響，旨在優(yōu)化混沌載波輸出，進而提高上述應(yīng)用的性能，具有重要的理論意義和實用價值。
　　在國家自然科學基金項目（基于激光混沌技術(shù)的高速序列隨機數(shù)發(fā)生器與通信的應(yīng)用研究;時變多信道互注入激光系統(tǒng)混沌同步與偏振特性的研究）、四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目基金（高速序列隨機數(shù)產(chǎn)生器及激光混沌通信技術(shù)的應(yīng)用研究）、高等學校博士學科點專項科研基金(VCSEL組合系統(tǒng)非線性同步的控制及應(yīng)用的理論研究)以及西南交

5、通大學優(yōu)秀博士學位論文培育項目基金（混沌時間序列分析及半導體激光器混沌同步通信研究）的資助下，本論文以SL產(chǎn)生的混沌信號為研究對象，主要從以下幾個方面展開研究:對混沌信號的時延、復(fù)雜度及統(tǒng)計特性等進行系統(tǒng)研究，深入剖析影響以上特性的物理機理;采用新穎的雙信道混沌同步方案，基于優(yōu)化的混沌信號，實現(xiàn)了兩種安全性增強的混沌光通信;在此基礎(chǔ)上，理論研究了光纖傳輸鏈路對于雙信道同步及通信的影響，并從拓展應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計了基于雙信道方案的多用戶

6、多信道混沌光通信系統(tǒng);探討了混沌信號的統(tǒng)計特性對于RNG的影響，提出了兩種基于激光混沌信號的高速隨機數(shù)產(chǎn)生方案。本文創(chuàng)新性工作主要包括:
　　基于符號動力學原理，采用符號時間序列分析方法(STSA)對ECSL系統(tǒng)的反饋強度和反饋時延同時提取，提供破譯高維激光混沌系統(tǒng)重要參數(shù)的新方法。研究發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)時間序列已知的情況下，STSA具有比自相關(guān)函數(shù)(ACF)和延遲互信息(DMI)更好的反饋參數(shù)提取性能，合理選擇STSA的控制參

7、數(shù)，能同時提取反饋時延和反饋強度。此外，較為全面地對比了偏振保持光反饋VCSEL(PPOF-VCSEL)和偏振旋轉(zhuǎn)光反饋VCSEL(PROF-VCSEL)的反饋時延特征，分析了反饋強度、自旋反轉(zhuǎn)弛豫速率、偏置電流、線性各向異性的影響，獲得實現(xiàn)最優(yōu)混沌載波輸出的工作條件。
　　鑒于ECSL時延特征的安全性隱患，提出一類注入式實現(xiàn)時延隱藏的新型方法，分別在單混沌注入SL、單混沌注入級聯(lián)SL以及雙混沌注入SL系統(tǒng)中實現(xiàn)了高效的時延隱藏。

8、其中，通過實驗和仿真結(jié)合的方式深入研究了單混沌注入SL與單混沌注入級聯(lián)SL產(chǎn)生混沌信號的時延特征隨注入強度和頻率失諧的變化情況，發(fā)現(xiàn)在較大參數(shù)空間范圍內(nèi)可以得到無時延特征的寬帶混沌信號;理論研究了雙混沌注入SL產(chǎn)生混沌信號的時延特征，結(jié)果表明，通過合理調(diào)節(jié)兩路混沌光的注入強度和頻率失諧可以實現(xiàn)兩個主激光器反饋時延特征的同時隱藏或只消除其中一個主激光器的反饋時延信息。
　　引入樣本熵(SampEn)量化分析激光混沌系統(tǒng)的動力學行為和

9、檢測混沌光通信系統(tǒng)的安全性，并定量分析ECSL混沌信號的復(fù)雜度。SampEn具有如計算速度快、實現(xiàn)簡單、魯棒性高、容噪性強等優(yōu)越性，并且它能夠直接用于區(qū)分不同的動力學行為;當把SampEn應(yīng)用于評估混沌調(diào)制(CMO)加密方式的性能時發(fā)現(xiàn)，它能夠作為一種用來檢測和量化混沌載波中是否存在信息（偽隨機數(shù)字信號）的手段;通過改進SampEn，為延遲模板選擇合適的維數(shù)、容忍度、時延，可以正確量化ECSL的潛在動力學行為，而且基于SampEn量化復(fù)

10、雜度的結(jié)果與排列熵(PE)和Kolomogorov-Sinai(KS)熵的結(jié)果一致，還展示出一定的噪聲魯棒性。
　　建立ECSL實驗和仿真系統(tǒng)，通過分析ECSL混沌信號的統(tǒng)計特性來驗證Lang-Kobayashi(LK)模型的有效性。研究了工作在相干崩塌(CC)區(qū)域的外腔反饋DFB激光器強度時間序列的一階（概率密度函數(shù)）和二階統(tǒng)計（自相關(guān)函數(shù)）特性。在考慮的參數(shù)范圍內(nèi)，由自相關(guān)函數(shù)來表征的一階統(tǒng)計實驗和理論結(jié)果完全一致，而對于二階

11、統(tǒng)計，實驗得到的概率密度函數(shù)比理論預(yù)測更加集中在平均光功率附近，且對于參數(shù)的變化具有更高的魯棒性。
　　提出了兩種實現(xiàn)安全性增強的雙信道混沌光通信方案，揭示了光纖傳輸鏈路對雙信道混沌同步及通信的影響，并拓展到多用戶多信道系統(tǒng)。在第一個方案中，一個具有PROF的SL擔當驅(qū)動激光器(DSL)，兩個完全相同或者近似相同的SLs分別充當發(fā)送端激光器(TSL)和接收端激光器(RSL)，它們都接收到來自與DSL的PROF混沌光注入;使用兩個信

12、道，并且DSL的TM旋轉(zhuǎn)90°后充當干擾信號;通過仿真，詳細論證了此方案的高保真和高保密度的信息傳輸，并且證明了在幾種可能的攻擊方案中，即使攻擊者能夠同時獲取兩個信道的信號也不能成功竊取信息。在第二個方案中，將雙混沌注入SL產(chǎn)生的無時延特征的混沌信號來驅(qū)動兩個全同SLs，并基于等時同步原理成功實現(xiàn)了安全性增強的雙信道混沌光通信。為了深入理解雙信道同步及通信，首次分析了光纖傳輸鏈路中光纖色散、損耗和非線性對雙信道混沌同步及通信的影響，并分

13、別評估了在不同光纖長度和信息速率時被恢復(fù)信息的誤碼率，成功實現(xiàn)了傳輸距離為60km且速率可達8Gb/s的混沌光通信。最后，將雙信道同步方案拓展到多用戶多信道通信系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)配對用戶之間能實現(xiàn)穩(wěn)定高品質(zhì)的混沌同步，而且同步性能不受加載信息的影響，最終達到多路信息的同時編碼與解碼。
　　揭示了激光混沌信號統(tǒng)計特性對于RNG性能的影響，并借助信息論知識，提出量化區(qū)分基于SL混沌信號的RNG的核心評價指標。通過數(shù)值研究基于ECSL實現(xiàn)高

14、速RNG的多比特提取方案，發(fā)現(xiàn)混沌信號的統(tǒng)計特性會顯著影響隨機比特序列的生成。但即使原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布明顯不同于對稱分布，采用某種有效后處理技術(shù)后，同樣可以利用數(shù)值方法產(chǎn)生碼率高達幾百Gb/s，甚至Tb/s量級且能通過隨機性標準測試的比特序列。首次通過實驗研究了兩種基于ECSL混沌動力學的RNG實現(xiàn)方法:通過計算混沌激光器強度時間序列的高階有限差分(HFD)，可以得到更有利于超高速RNG的具有對稱統(tǒng)計分布的時間序列。第一種方法從信息理論