一种基于智能超表面技术和混沌加密的通信系统的实现方法与流程

本发明涉及数据加密与通信系统，具体涉及一种基于智能超表面技术和混沌加密的通信系统的实现方法。

背景技术：

1、目前传统的通信系统和数据传输系统在面临隐私保护、频谱效率、抗干扰性和安全性等方面存在一些挑战。在无线通信中，由于信号的传播受限于环境和传输媒介，存在对通信的窃听和干扰的风险。同时，频谱资源有限，频谱效率和能效成为优化通信系统的关键问题。智能超表面技术作为一种新兴技术，通过调控电磁波的传播路径，为通信系统提供了更多的控制手段。然而，如何更好地利用这一技术来提高通信的隐私性、频谱效率以及抗干扰性仍然是需要解决的问题。另一方面，混沌加密作为一种非常有效的加密手段，利用混沌动力学的非线性和不可预测性，提供了对信息的强大保护。然而，现有的通信系统在集成混沌加密时可能面临算法复杂性、实时性和系统性能的挑战。因此，有必要提供一种综合智能超表面和混沌加密的通信系统，以克服传统通信系统的种种局限性，提高通信的安全性、效率和适应性。鉴于此，如何提供一种安全性更高，复杂度较低的加密算法成为本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于智能超表面和混沌加密的通信系统的实现方法，该方法能够很好地解决无线通信传输所存在的安全性低的问题，提高了通信系统的频谱效率。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于智能超表面和混沌加密的通信系统的实现方法，该方法包括如下步骤：

3、混沌序列生成，选择混沌映射，生成高度不可预测的序列。所述混沌序列，是采用串级混沌系统得到的，将多个混沌系统串联起来，其中一个系统的输出作为另一个系统的输入；

4、密钥生成，将产生的混沌序列应用于密钥生成；

5、设计ris控制机制，通过使用混沌序列对ris表面上的反射系数进行实时调整；

6、频率选择和频谱扩展，在ris上实现频率选择功能，与混沌信号的频谱扩展相结合，以提高频谱效率和抵抗频谱感知攻击；

7、数据加密，将混沌加密模块集成到通信系统中，以确保数据在传输过程中得到加密保护。所述加密方法使用分组加密算法，将明文划分为固定长度的块，并对每个块进行独立的加密处理，采用多轮迭代的方式，每轮使用不同的密钥部分对数据块进行处理；

8、数据解密，接收方使用相同的混沌序列(密钥)对加密后的数据进行解密。

9、进一步地，本发明混沌序列生成中使用的串级混沌系统，即使用串联混合映射。由于一维混沌映射对初始条件非常敏感，即微小的初始变化可能导致系统轨迹之间的巨大差异，并且尽管混沌系统表现出随机的行为，但它们实际上是确定性系统。除此之外，在数值计算中，一维混沌映射有时可能受到数值不稳定性的影响等等缺点，因此选择混合混沌映射。由于logistic映射与tent映射的形式非常简单，易于理解和实现并且具有明显的非线性特性，因此选取两种常用的一维混沌映射logistic映射与tent映射，其数学公式分别为

10、xn+1＝r*xn*(1-xn)

11、

12、xn为映射在第n个时刻的输出,r为映射参数。组合后的映射具有更好的混沌动力学特性，从而可以产生随机性更好的混沌序列。

13、进一步地，本发明ris控制机制，主要是通过混沌序列来控制ris参数调整。pid控制算法是一种经典的反馈控制算法，算法相对简单并且具有较好的稳定性，易于理解和实施。它只涉及三个基本参数：比例、积分和微分项，使得调节相对容易。其数学公式为

14、

15、其中,u(t)是控制器的输出，e(t)是系统的误差(期望值与实际值之差)，kp,ki,kd分别是比例、积分和微分项的系数。通过混沌序列调整参数比例kp,积分ki,微分项kd，可以实时监测通信环境的变化。

16、进一步地，本发明频率选择和频谱扩展，在ris上引入频率选择与频谱扩展模块，通过调整反射系数，实现对特定频率范围的选择性反射或折射。结合混沌信号，扩展信号的频谱特性，提高频谱利用效率。

17、其中，ris中的反射系数是指超表面上的每个单元对入射信号的反射强度。具体来说，反射系数通常用复数表示，包括振幅和相位。复数形式的反射系数可以描述信号的幅度和相位在反射过程中的变化。超表面上的每个单元都具有一定的电磁特性，通过调整这些特性，可以改变反射系数。这可以通过调整超表面单元中的电容、电感或其他参数来实现。通过巧妙地调整超表面上每个单元的反射系数，可以实现对特定方向的信号进行定向反射或折射。这种定向性可以用于优化通信链路或防止信号干扰。ris的优势之一是其自适应性，即在不同的通信场景中，它可以根据实时的通信需求和环境变化来动态调整反射系数。这种自适应性使得ris能够灵活适应多样化的通信环境。ris中的反射系数是控制超表面对入射信号反射的关键参数，其调整能够对通信性能进行优化，因此调整反射系数对提高信号质量、增强系统的容量和改善通信链路的性能具有重要作用。

18、进一步地，本发明结合混沌信号，扩展信号的频谱特性，是由于混沌序列具有频谱扩展的性质，即其频谱覆盖了相对宽广的频率范围。这种频谱扩展使得混沌信号在频域上表现出复杂的、无规律的变化，与传统的周期性信号相比，其频谱更加分散。混沌序列在频率上不仅包含离散的频率分量，而且其频谱是连续分布的。这表示混沌信号在频率范围内的分量密度较高，呈现出更为连续和分散的频谱形态。

19、所述数据加密解密，使用的加密方法为分组加密算法，其加密解密式子如下

20、

21、ri＝li+1

22、代表异或操作，f代表轮函数，ki是第i轮子密钥。在这个框架中，不要求f函数是可逆的，即不需要确保解密过程中f函数的逆操作。解密仍然需要进行相同的迭代和轮操作，以获得原始明文信息。只有在使用正确密钥的情况下，才能成功还原明文，否则无法获取相关的明文信息。

23、本发明包括轮函数，引入了混淆和扩散，混淆是指通过增加非线性操作来使密码算法的输入和输出之间的关系变得复杂和难以预测。混淆的目标是模糊明文和密文之间的统计关系，增加攻击者对密码系统的理解难度。扩散是指通过改变输入的一位或几位来使输出的每一位都受到影响，确保单个位的变化会传播到输出的大部分位。扩散有助于确保对输入的微小变化都会导致输出的大幅度变化，提高密码算法的敏感性。

24、有益效果：

25、1、本发明通过调整反射系数来优化信号的传输路径，混沌加密的引入增加了系统对外部干扰的抗干扰性，使得通信信号更难以被非法干扰和解密。

26、2、本发明通过ris频率选择和频谱扩展模块的调整，可以提高频谱的利用效率。混沌序列的引入使信号频谱更加宽广，进一步增加了频谱效率，提高了数据传输速率和系统的容量。

27、3、与传统的加密方式相比，本发明混沌加密的引入提高了通信的安全性，防范了一系列潜在的安全威胁。根据通信环境的实时变化动态调整反射系数和位置，使系统能够更好地适应不同的通信场景和网络条件。ris的频率选择和频谱扩展模块的使用，以及混沌加密的引入，有效抵御了频谱感知攻击。攻击者很难准确感知和干扰系统的通信频谱，提高了系统对频谱攻击的抵御能力。混沌加密中的混沌序列可以用于生成动态密钥，增加了系统对密码分析的抵抗力。