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半导体激光器混沌输出的时延及复杂度特性研究

李念强  
【摘要】:随着信息技术的高速发展,以网络为基础的现代通信技术已经根植于人类社会生活的方方面面,构成了当今网络社会的技术基石。而随着现代网络通信体系的不断发展壮大,信息的安全性受到了越来越多因素的制约和威胁。其中,伴随着光纤通信技术从骨干网向接入网的全面延伸,如何保障信息在光域中的安全性作为新形势下的新问题逐渐凸显,已成为网络空间信息安全领域关注的热点问题和面临的巨大挑战。随着光电子技术及非线性动力学理论的发展,基于半经典理论的混沌激光保密通信由于其固有安全特性而备受关注,成为了新型的保密通信方式之一。同传统算法层面的加密技术相比,混沌激光保密技术支持在器件和物理层面对信息进行加、解密操作,直接在网络底层保证了信息的物理安全性。半导体激光器(SL)是常用光源之一,因附加自由度的引入会呈现出丰富的动态特性,日益引起国内外学者的广泛关注。通过合理选择控制参数,SL能够产生复杂的混沌信号,从而广泛应用于高速随机数发生器(RNG)、保密通信及储备池计算等重要领域,具有广阔的应用前景。随着大规模集成电路的不断发展,混沌密码在信息安全和保密通信领域的应用正逐步走进实用化。但是近年来经研究发现激光混沌光源会暴露出众多安全性缺陷。例如,应用最广泛的外腔光反馈半导体激光器(ECSL)产生的混沌信号呈现出一种弱周期性。这种弱周期性通过混沌信号的相关性统计分析即可获取,不仅会影响混沌光通信的安全性,还会增加RNG后处理技术的复杂度。本论文立足于SL激光混沌输出在保密光通信领域的重要应用与国际前沿热点,通过系统分析激光混沌系统输出的时延、复杂度及统计特性,全面掌控相关参数的影响,旨在优化混沌载波输出,进而提高上述应用的性能,具有重要的理论意义和实用价值。在国家自然科学基金项目(基于激光混沌技术的高速序列随机数发生器与通信的应用研究;时变多信道互注入激光系统混沌同步与偏振特性的研究)、四川省应用基础研究项目基金(高速序列随机数产生器及激光混沌通信技术的应用研究)、高等学校博士学科点专项科研基金(VCSEL组合系统非线性同步的控制及应用的理论研究)以及西南交通大学优秀博士学位论文培育项目基金(混沌时间序列分析及半导体激光器混沌同步通信研究)的资助下,本论文以SL产生的混沌信号为研究对象,主要从以下几个方面展开研究:对混沌信号的时延、复杂度及统计特性等进行系统研究,深入剖析影响以上特性的物理机理;采用新颖的双信道混沌同步方案,基于优化的混沌信号,实现了两种安全性增强的混沌光通信;在此基础上,理论研究了光纤传输链路对于双信道同步及通信的影响,并从拓展应用的角度出发,设计了基于双信道方案的多用户多信道混沌光通信系统;探讨了混沌信号的统计特性对于RNG的影响,提出了两种基于激光混沌信号的高速随机数产生方案。本文创新性工作主要包括:基于符号动力学原理,采用符号时间序列分析方法(STSA)对ECSL系统的反馈强度和反馈时延同时提取,提供破译高维激光混沌系统重要参数的新方法。研究发现在系统结构和相应时间序列已知的情况下,STSA具有比自相关函数(ACF)和延迟互信息(DMI)更好的反馈参数提取性能,合理选择STSA的控制参数,能同时提取反馈时延和反馈强度。此外,较为全面地对比了偏振保持光反馈VCSEL(PPOF-VCSEL)和偏振旋转光反馈VCSEL(PROF-VCSEL)的反馈时延特征,分析了反馈强度、自旋反转弛豫速率、偏置电流、线性各向异性的影响,获得实现最优混沌载波输出的工作条件。鉴于ECSL时延特征的安全性隐患,提出一类注入式实现时延隐藏的新型方法,分别在单混沌注入SL、单混沌注入级联SL以及双混沌注入SL系统中实现了高效的时延隐藏。其中,通过实验和仿真结合的方式深入研究了单混沌注入SL与单混沌注入级联SL产生混沌信号的时延特征随注入强度和频率失谐的变化情况,发现在较大参数空间范围内可以得到无时延特征的宽带混沌信号;理论研究了双混沌注入SL产生混沌信号的时延特征,结果表明,通过合理调节两路混沌光的注入强度和频率失谐可以实现两个主激光器反馈时延特征的同时隐藏或只消除其中一个主激光器的反馈时延信息。引入样本熵(SampEn)量化分析激光混沌系统的动力学行为和检测混沌光通信系统的安全性,并定量分析ECSL混沌信号的复杂度。SampEn具有如计算速度快、实现简单、鲁棒性高、容噪性强等优越性,并且它能够直接用于区分不同的动力学行为;当把SampEn应用于评估混沌调制(CMO)加密方式的性能时发现,它能够作为一种用来检测和量化混沌载波中是否存在信息(伪随机数字信号)的手段;通过改进SampEn,为延迟模板选择合适的维数、容忍度、时延,可以正确量化ECSL的潜在动力学行为,而且基于SampEn量化复杂度的结果与排列熵(PE)和Kolomogorov-Sinai(KS)熵的结果一致,还展示出一定的噪声鲁棒性。建立ECSL实验和仿真系统,通过分析ECSL混沌信号的统计特性来验证Lang-Kobayashi(LK)模型的有效性。研究了工作在相干崩塌(CC)区域的外腔反馈DFB激光器强度时间序列的一阶(概率密度函数)和二阶统计(自相关函数)特性。在考虑的参数范围内,由自相关函数来表征的一阶统计实验和理论结果完全一致,而对于二阶统计,实验得到的概率密度函数比理论预测更加集中在平均光功率附近,且对于参数的变化具有更高的鲁棒性。提出了两种实现安全性增强的双信道混沌光通信方案,揭示了光纤传输链路对双信道混沌同步及通信的影响,并拓展到多用户多信道系统。在第一个方案中,一个具有PROF的SL担当驱动激光器(DSL),两个完全相同或者近似相同的SLs分别充当发送端激光器(TSL)和接收端激光器(RSL),它们都接收到来自与DSL的PROF混沌光注入;使用两个信道,并且DSL的TM旋转90°后充当干扰信号;通过仿真,详细论证了此方案的高保真和高保密度的信息传输,并且证明了在几种可能的攻击方案中,即使攻击者能够同时获取两个信道的信号也不能成功窃取信息。在第二个方案中,将双混沌注入SL产生的无时延特征的混沌信号来驱动两个全同SLs,并基于等时同步原理成功实现了安全性增强的双信道混沌光通信。为了深入理解双信道同步及通信,首次分析了光纤传输链路中光纤色散、损耗和非线性对双信道混沌同步及通信的影响,并分别评估了在不同光纤长度和信息速率时被恢复信息的误码率,成功实现了传输距离为60km且速率可达8Gb/s的混沌光通信。最后,将双信道同步方案拓展到多用户多信道通信系统,研究发现配对用户之间能实现稳定高品质的混沌同步,而且同步性能不受加载信息的影响,最终达到多路信息的同时编码与解码。揭示了激光混沌信号统计特性对于RNG性能的影响,并借助信息论知识,提出量化区分基于SL混沌信号的RNG的核心评价指标。通过数值研究基于ECSL实现高速RNG的多比特提取方案,发现混沌信号的统计特性会显著影响随机比特序列的生成。但即使原始数据的统计分布明显不同于对称分布,采用某种有效后处理技术后,同样可以利用数值方法产生码率高达几百Gb/s,甚至Tb/s量级且能通过随机性标准测试的比特序列。首次通过实验研究了两种基于ECSL混沌动力学的RNG实现方法:通过计算混沌激光器强度时间序列的高阶有限差分(HFD),可以得到更有利于超高速RNG的具有对称统计分布的时间序列。第一种方法从信息理论出发,通过从每个采样点提取4位最低有效位(LSBs),成功实现码率高达160Gb/s的物理随机数发生器(Phy-RNG)。第二种方法基于更务实的考虑,只需保证随机数序列通过随机性标准测试,通过从每个采样点提取55位LSBs,得到了码率为2.2Tb/s的伪随机数发生器(Pseudo-RNG)。


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