基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法及系统

本发明涉及光通信，更具体的，涉及一种基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法及系统。

背景技术：

1、半导体激光器在高速保密通信、高速随机比特发生器、混沌保密系统和混沌相关光学时域等各种领域中都有很好的应用前景。然而，由于在激光器混沌动力学中存在的时间延迟特征导致输出信息具有弱周期性，时间延迟特征可以通过几种混沌时间序列分析技术从混沌强度或相位时间序列中获得。时延特征的暴露严重威胁了混沌通信系统的安全性，这种延迟签名的存在也降低了高速随机比特发生器的随机性。最近，为了在基于半导体激光器的系统中隐藏时延特征，已经提出并证明了许多有效的技术。然而，对于基于具有拓扑结构的复杂半导体激光器网络中的时延特征隐藏研究较为有限。为了适应现代通信网络发展的趋势，有必要在复杂网络结构下探索能够在实现稳定集团同步的同时抑制时延特征的调控机制。

2、现有的有关半导体激光器混沌输出的时延特征隐藏的方案只能针对单个激光器的时延特征进行隐藏，不能推广到半导体激光器网络的层面中，不能针对在复杂网络结构下实现时延特征的隐藏。由于在激光器混沌动力学中存在的时间延迟特征导致输出信息具有弱周期性，因此信息攻击者可以通过时间相关指数、神经网络分析、排列熵、延迟互信息或自相关函数等信息处理技术提取，时延特征的存在削弱了混沌通信或密钥分发的安全性，损害了基于激光混沌应用的性能。因此，为了提高全光通信网络的安全性和信息的传输能力，抑制激光器网络混沌输出的时延特征是非常必要的。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法及系统。

2、本发明第一方面提供了一种基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法，包括：

3、获取半导体激光器网络的网络拓扑结构，通过所述网络拓扑结构进行图表示，将半导体激光器网络映射到复杂网络的过程描述为由顶点和边结构组成的有向图中；

4、将所述有向图按照邻接矩阵形式进行保存，根据网络拓扑结构的对称性将激光器网络划分为若干个集团；

5、基于集团划分结果，对原始的激光器网络进行增加与原来不同的耦合强度和耦合时延的单向及双向注入的耦合链路，并将所述邻接矩阵进行划分；

6、根据划分后邻接矩阵各自加权的耦合时延和耦合强度及半导体激光器的速率方程模型构建非线性动力学特性的理论模型，增加所述激光器网络的复杂度后，对集团同步的稳定性及网络的时延特征进行评价。

7、本方案中，获取半导体激光器网络的网络拓扑结构，通过所述网络拓扑结构进行图表示，具体为：

8、提取目标半导体激光器网络的网络拓扑结构，所述目标半导体激光器网络中的激光器为互注入外腔半导体激光器，接收自身的反馈光信号及其他激光器的注入信号，所有自身反馈的反馈时延相同及所有互注入的耦合时延相同；

9、将所述目标半导体激光器网络映射到复杂网络的过程描述为由顶点和边结构组成的有向图，所述有向图表示为g＝(v,e)，v表示节点集合，激光器作为节点，e表示边结构集合，激光器之间的连接关系作为边结构。

10、本方案中，将所述有向图按照邻接矩阵形式进行保存，根据网络拓扑结构的对称性将激光器网络划分为若干个集团，具体为：

11、根据所述有向图获取邻接矩阵a，并将所述有向图按照邻接矩阵形式进行保存，当激光器m和n之间存在相互耦合作用时，m、n对应的邻接矩阵am,n＝an,m＝1，当激光器m和n之间不存在相互耦合作用时，m、n对应的邻接矩阵am,n＝an,m＝0；

12、通过网络拓扑结构的对称性将激光器网络划分为若干个集团，位于同一集团内的激光器在预设参数范围内能够实现稳定的零时延同步，不同集团之间的激光器具有不同的动力学行为。

13、本方案中，对原始的激光器网络进行增加与原来不同的耦合强度和耦合时延的单向及双向注入的耦合链路，并将所述邻接矩阵进行划分，具体为：

14、在现有集团划分的基础下，通过对原始的激光器网络进行增加与原来不同的耦合强度和耦合时延的单向及双向注入的耦合链路，增加半导体激光器网络的复杂度；

15、重新获取邻接矩阵，将新获取的邻接矩阵划分为原半导体激光器网络的邻接矩阵a及新增链路的邻接矩阵b。

16、本方案中，基于构建的两个邻接矩阵各自加权的耦合时延和耦合强度不同，并根据半导体激光器的速率方程模型lang-kobayashi方程，构建描述半导体激光器网络的非线性动力学特性的理论模型，表示为：

17、

18、

19、其中，em(t)和en(t)分别代表网络中第m和第n个激光器的慢变复电场振幅，i,-i为虚数单位，α为线宽增强因子，gm为增益系数，kf为激光器的自反馈强度，τf为激光器的自反馈时延，ωm和ωn分别为激光器m和n的频率，σ1为原激光器网络集团间的耦合强度，σ2为新增链路的耦合强度，为原激光器网络中激光器的输出光信号注入到网络其他激光器的耦合时延，为新增链路之间注入的耦合时延，am,n,bm,n分别为激光器m和n对应原半导体激光器网络的邻接矩阵及新增链路的邻接矩阵；在激光器m的平均载流子密度nm(t)中，pf为电流因子，ith为阈值电流，q为电子电荷，τe为自发载流子寿命，和分别为激光器m的慢变复电场振幅及平均载流子密度的导数。

20、本方案中，对集团同步的稳定性及网络的时延特征进行评价，具体为：

21、通过使用均方差函数分析集团同步的稳定性，所述均方差函数rms公式为：

22、

23、其中，ns表示集团的大小，为集团内节点的个数，<·>表示输出序列在时间上的均值，em(t)表示激光器m的缓慢变化复电场振幅，表示对属于同一个集团内的激光器的电场振幅求均值；

24、获取均方差值rms与预设阈值进行对比，根据对比结果判断在同一集团内的激光器是否实现稳定的零时延同步；

25、获取半导体激光器网络中各激光器的自相关函数表征时延特征，在增加新的链路之后的自相关函数中引入峰均比，计算时延附近的峰均比定量评价时延特征。

26、本发明第二方面还提供了一种基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏系统，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法程序，所述基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：

27、获取半导体激光器网络的网络拓扑结构，通过所述网络拓扑结构进行图表示，将半导体激光器网络映射到复杂网络的过程描述为由顶点和边结构组成的有向图中；

28、将所述有向图按照邻接矩阵形式进行保存，根据网络拓扑结构的对称性将激光器网络划分为若干个集团；

29、基于集团划分结果，对原始的激光器网络进行增加与原来不同的耦合强度和耦合时延的单向及双向注入的耦合链路，并将所述邻接矩阵进行划分；

30、根据划分后邻接矩阵各自加权的耦合时延和耦合强度及半导体激光器的速率方程模型构建非线性动力学特性的理论模型，增加所述激光器网络的复杂度后，对集团同步的稳定性及网络的时延特征进行评价。

31、本发明公开了一种基于异构耦合的半导体激光器网络时延隐藏方法及系统，包括，获取激光器网络进行图表示，并按照邻接矩阵形式进行保存，根据网络拓扑结构的对称性将激光器网络划分为若干个集团；基于集团划分结果，对原始的激光器网络进行增加与原来不同的耦合强度和耦合时延的单向及双向注入的耦合链路，使网络混沌输出的时延特征得到了有效的隐藏。本方法引入了复杂半导体激光器网络的概念，并通过在原半导体激光器网络上增加不同耦合强度和耦合时延的双向以及单向注入链路，在半导体激光器网络中所有集团稳定同步的同时实现了激光器网络输出的时延特征的隐藏。