一种深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信方法及系统

本技术涉及光混沌保密通信领域，尤其涉及一种深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信方法及系统。

背景技术：

1、光混沌保密通信是物理层安全领域的重要研究方向。混沌信号具有类噪声、宽频谱、对初值敏感等特性，使其天然适用于信息加密传输。在现有的光混沌键控（csk，chaosshift keying）保密通信系统中，发射端通过改变混沌系统的参数，使其在不同混沌吸引子之间切换，从而将数字信息加载到混沌载波上。接收端则需要构建一个与发射端结构和参数精确匹配的混沌系统，利用混沌同步控制技术复现发射端的混沌载波，进而通过对比同步误差或相关运算解调出原始数字信息。

2、然而，现有的csk方案在实际部署和复杂信道环境中仍面临诸多局限。首先，传统的csk方案本质上依赖于高质量的混沌同步来重构混沌载波，这不仅要求收发两端的系统参数实现极其精确的匹配，往往还会导致系统实现复杂度大幅增加，阻碍了其工程化应用。其次，尽管近期出现了基于神经网络的csk解调方案，在一定程度上消除了对硬件混沌同步的严苛要求，但这类方案的解调机制依然依赖于对混沌载波的数值重构（即通过神经网络预测载波）。由于混沌系统演化对微小扰动极为敏感，由信道噪声引起的载波重构误差在神经网络的回归预测过程中极易被放大，限制了这类方案的抗噪鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决传统的光混沌键控保密通信系统因依赖严格的参数匹配导致系统实现复杂度高，以及现有的基于神经网络预测解调方案因依赖混沌载波的数值重构而导致抗噪鲁棒性不足的问题，提供一种无需载波恢复的深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信方法及系统。

2、本技术的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、s1：发送端利用二进制数字比特信息控制时滞光混沌源的延时参数，以在不同混沌态之间切换，生成承载所述二进制数字比特信息的密文混沌信号；所述密文混沌信号经通信信道传输至接收端；

4、s2：接收端接收受扰后的密文混沌信号，将当前时刻的密文混沌信号分别经多个不同延时模块处理，得到包含当前时刻信号及三个不同延时信号的四路信号组合；

5、s3：将所述三个不同延时信号输入预先训练好的深度神经网络分类器；所述深度神经网络分类器从输入的延时信号组合中提取动态特征并进行分类判决，输出与所述二进制数字比特信息对应的解调结果。

6、可选的，步骤s1包括：

7、在发送端，通过二进制随机数字比特信息控制时滞光混沌源的延时参数来进行信息加载，得到明文键控系统：

8、

9、其中，表示系统状态变量对时间的一阶导数；表示在上下文中系统状态变量的简写；表示系统的非线性动力学函数；表示系统变量，、表示时滞变量，表示反馈延时时间，其中包含对应比特信息“0”的时延、对应比特信息“1”的时延以及用来维持系统混沌状态的，表示系统参数集合；

10、二进制随机数字比特信息控制系统时延的动态切换；

11、输出的系统状态变量即为密文混沌信号，承载明文信息，将其一部分反馈系统形成延时闭环，另一部分注入通信信道用于保密通信传输。

12、可选的，步骤s2包括：

13、在接收端，接收到的受扰后的密文混沌信号分为四路时间序列：

14、其中一路不作延时处理，另外三路经过延时模块处理分别得到延时信号、和，并将所述四路时间序列构建为多通道特征矩阵，整体输入到预训练的深度神经网络。

15、可选的，所述时滞光混沌源为光电振荡器，其反馈回路中包含三条光纤延迟线；所述发送端利用二进制数字比特信息控制所述多条光纤延迟线的通断切换，以改变系统的反馈延时时间，实现混沌键控；

16、所述反馈回路中的三条光纤延迟线包括：对应于比特“0”的第一反馈延迟线、对应于比特“1”的第二反馈延迟线、以及维持系统混沌状态的固定延迟线；当输入比特为“0”时，接通所述第一反馈延迟线，使第一时延参量参与反馈；当输入比特为“1”时，接通所述第二反馈延迟线，使第二时延参量参与反馈；所述固定延迟线始终接通，其对应的固定时延参量维持系统的混沌振荡状态。

17、可选的，所述深度神经网络分类器的训练过程包括：

18、在训练阶段，发送端根据已知的随机二进制序列生成对应的密文信号；接收端对每个比特周期内的接收信号进行分段采样，并将当前时刻采样信号及其多个延时信号组合为训练样本的特征输入；

19、根据发送端已知的比特信息为每个训练样本添加类别标签：当发送比特为“0”时标记为第一类，当发送比特为“1”时标记为第二类；

20、将带有类别标签的训练样本输入深度神经网络进行训练，通过反向传播算法优化网络参数，使得网络能够根据输入的延时信号组合正确区分所述第一类和第二类。

21、一种深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信系统，所述系统包括：发送端和接收端：

22、所述发送端包括时滞光混沌源和信息加载模块；

23、所述信息加载模块用于根据二进制数字比特信息控制所述时滞光混沌源的延时参数，使系统在不同混沌态之间切换，生成承载二进制数字比特信息的密文混沌信号并发送至通信信道；

24、所述接收端包括延时处理模块、深度神经网络分类器和判决输出模块；所述延时处理模块用于将接收到的密文混沌信号分路并经不同延时处理，得到多个不同延时信号；所述深度神经网络分类器用于根据输入的由多个不同延时信号构建的多通道矩阵提取动态特征并进行分类判决；所述判决输出模块根据分类结果输出解调的二进制数字比特信息。

25、可选的，所述时滞光混沌源为光电振荡器，包括激光二极管、马赫-曾德尔调制器、光电探测器和多条光纤延迟线；激光二极管发出的连续光经马赫-曾德尔调制器调制后进入光纤延迟线，再经光电探测器转换为电信号反馈至马赫-曾德尔调制器，形成延时反馈回路；

26、所述光纤延迟线包括第一反馈延迟线、第二反馈延迟线和固定延迟线；所述信息加载模块通过开关控制所述第一反馈延迟线和第二反馈延迟线的通断，其中第一反馈延迟线对应比特“0”的第一时延参量，第二反馈延迟线对应比特“1”的第二时延参量，固定延迟线对应维持系统混沌状态的固定时延参量。

27、可选的，所述深度神经网络分类器为一维卷积神经网络与双向长短期记忆网络的级联网络，其中一维卷积层用于提取多路延时信号组合的短时空间形态特征，双向长短期记忆网络层用于提取特征的时序依赖关系；其输入层节点数对应于延时信号的路数，输出层为二分类输出，分别对应比特“0”和比特“1”。

28、一种电子设备，包括处理器、存储器、用户接口及网络接口，所述存储器用于存储指令，所述用户接口和网络接口用于给其他设备通信，所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令，以使所述电子设备执行一种深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信方法。

29、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，当所述指令被执行时，执行一种深度神经网络分类器的光混沌键控保密通信方法。

30、本技术提供的技术方案带来的有益效果是：

31、本发明突破现有csk系统依赖精确参数匹配以及混沌载波数值重构的技术瓶颈，创新性地提出一种无需载波恢复的深度神经网络分类器解调架构。本发明将光电振荡器（oeo）混沌系统的物理层密钥空间（多路光纤延迟线切换）与深度神经网络的数据驱动分类能力有机结合，通过对接收信号及其多路延时信号构成的多通道特征矩阵进行动力学轨迹分类，直接从受扰密文信号中判决出原始比特信息。该方案既规避了精确参数匹配，又避免了重构预测过程中的噪声放大效应，形成“物理加密+智能解密”的新型保密通信架构。

32、具体而言，本发明的有益效果体现在以下四个方面：

33、大幅降低系统实现复杂度：省去了接收端用于闭环混沌同步控制的非线性振荡回路，无需在接收端构建与发送端参数精确匹配的系统，显著简化了接收机结构。增强抗噪鲁棒性：dnn分类器直接从受扰信号中提取动态特征进行判决，对信道噪声和参数失配具有较强的容忍性，展现出优于传统同步方案和现有基于神经网络预测重构载波方案的低信噪比容忍度。有效提升通信速率：得益于更强的抗干扰能力和免载波恢复机制，在同等信道条件下，本发明的传输速率可达到现有基于神经网络预测重构载波方案的两倍。实验验证，在15db信噪比下，系统可支持2.5 gbps的保密通信。提升物理层安全性：混沌扩频将窄带数字信号扩展为宽带类噪声信号，在时域和频域均能有效隐藏原始信息，并抵御时间延迟特征提取和回归映射等经典攻击。