Comparative analysis of the secure communication schemes based on the generators of hyperbolic strange attractor and strange nonchaotic attractor

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of this work is to analyse qualitative features of the information transmission process via several communication schemes based on the synchronization of transmitter and receiver, both being complex signal generators. For this purpose generators of the hyperbolic chaos and generators with the strange nonchaotic attractor are employed. Evaluation of advantages and disadvantages of such schemes is made comparing themselves with each other as well as with schemes based on the nonhyperbolic chaotic generators. Methods. The power spectra and the distributions of the largest finite-time Lyapunov exponent are used to confirm the complexity of the dynamics of the generators in use and to verify the wide-bandness, robustness and stochasticity of their signals. Confidentiality of the informational signal transmission is achieved using its nonlinear mixing to the dynamics of the transmitter. The special phase mixing is used since the model generators employed for the research demonstrate nontrivial dynamics for the angular variable — oscillations phase shift. The digital image is used as an information for transmission. Visual control during the transmission process allows to carry out the qualitative analysis of the success of the signal coding and its detecting by the receiver. Results. Successful transmission and decoding of information for all schemes under investigation are demonstrated for the case of identical transmitter and receiver. Parameter detuning of these generators leads to difficulties in separation of the informational signal from the chaotic/complex carrier due to loss of the full synchronization. For the nonhyperbolic chaos detuning of the parameter responsible for the amplitude of the signal leads to the bad quality of the detection while frequency detuning makes detection absolutely impossible. Schemes with the hyperbolic chaos and strange nonchaotic dynamics appear to demonstrate much better results. The information detection is much better in this case because of the robustness of the generalized synchronization. Conclusion. Robust chaotic and complex nonchaotic generators appear to have significant advantages for communication systems comparing to the chaotic generators of nonhyperbolic type.

About the authors

Olga Borisovna Isaeva

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0001-7750-8388
SPIN-code: 1074-7718
Scopus Author ID: 6603232766
ResearcherId: D-7905-2013
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Dmitry Olegovich Lubchenko

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

References

  1. Дмитриев А. С., Панас А. И. Динамический хаос: Новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002. 252 с.
  2. Короновский А. А., Москаленко О. И., Храмов А. Е. О применении хаотической синхронизации для скрытой передачи информации // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 12. С. 1281–1310. doi: 10.3367/UFNr.0179.200912c.1281.
  3. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация: Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. 496 с.
  4. Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Kulminskiy D. D., Koronovskii A. A., Moskalenko O. I., Hramov A. E. Resistant to noise chaotic communication scheme exploiting the regime of generalized synchronization // Nonlinear Dynamics. 2017. Vol. 87, no. 3. P. 2039–2050. doi: 10.1007/s11071-016-3174-6.
  5. Kuznetsov S. P. Example of a physical system with a hyperbolic attractor of the Smale-Williams type // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95, no. 14. P. 144101. doi: 10.1103/PhysRevLett.95.144101.
  6. Жалнин А.Ю., Кузнецов С. П. О возможности реализации в физической системе странного нехаотического аттрактора Ханта и Отта // Журнал технической физики. 2007. Т. 77, № 4. С. 10–18.
  7. Кузнецов С. П. Динамический хаос и гиперболические аттракторы: От математики к физике. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2013. 488 с.
  8. Купцов П. В., Кузнецов С. П. О феноменах, сопровождающих переход к режиму синхронного хаоса в связанных неавтономных осцилляторах, представленных уравнениями для комплексных амплитуд // Нелинейная динамика. 2006. Т. 2, № 3. С. 307–331. doi: 10.20537/nd0603005.
  9. Пиковский А. С. Синхронизация осцилляторов с гиперболическими хаотическими фазами // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, № 1. С. 78–87. doi: 10.18500/0869-6632-2021-29-1-78-87.
  10. Isaeva O. B., Jalnine A. Y., Kuznetsov S. P. Chaotic communication with robust hyperbolic transmitter and receiver // In: 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS). 22-25 May 2017, St. Petersburg, Russia. IEEE, 2017. P. 3129–3136. doi: 10.1109/PIERS. 2017.8262295.
  11. Feudel U., Kuznetsov S., Pikovsky A. Strange Nonchaotic Attractors: Dynamics between Order and Chaos in Quasiperiodically Forced Systems. Singapore: World Scientific, 2006. 228 p. doi: 10.1142/6006.
  12. Ramaswamy R. Synchronization of strange nonchaotic attractors // Phys. Rev. E. 1997. Vol. 56, no. 6. P. 7294–7296. doi: 10.1103/PhysRevE.56.7294.
  13. Zhou C.-S., Chen T.-L. Robust communication via synchronization between nonchaotic strange attractors // Europhys. Lett. 1997. Vol. 38, no. 4. P. 261–265. doi: 10.1209/epl/i1997-00235-7.
  14. Rizwana R., Raja Mohamed I. Applicability of strange nonchaotic Wien-bridge oscillators for secure communication // Pramana. 2018. Vol. 91, no. 1. P. 10. doi: 10.1007/s12043-018-1582-5.
  15. Волковский А. Р., Рульков Н. В. Синхронный хаотический отклик нелинейной колебательной системы как принцип детектирования информационной компоненты хаоса // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, № 3. С. 71–75.
  16. Behnia S., Akhshani A., Mahmodi H., Akhavan A. A novel algorithm for image encryption based on mixture of chaotic maps // Chaos, Solitons & Fractals. 2008. Vol. 35, no. 2. P. 408–419. doi: 10.1016/j.chaos.2006.05.011.
  17. Жалнин А.Ю. Новая схема передачи информации на основе фазовой модуляции несущего хаотического сигнала // Известия вузов. ПНД. 2014. Т. 22, № 5. С. 3–12. doi: 10.18500/0869- 6632-2014-22-5-3-12.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».