Chaotic communications with correlator receivers: theory and performance limits

This paper provides a review of the principles of chaotic digital communications using correlator receivers. Modulation schemes using one and two chaotic basis functions, as well as coherent and noncoherent correlation receivers, are discussed. The performance of differential chaos shift keying (DCSK) in multipath channels is characterized. Results are presented for DCSK with multiuser capability and multiple bits per symbol

Techniques in secure chaos communication

In today's climate of increased criminal attacks on the privacy of personal or confidential data over digital communication systems, a more secure physical communication link is required. Chaotic signals which have bifurcation behavior (depending on some initial condition) can readily be exploited to enhance the security of communication systems. A chaotic generator produces disordered sequences that provide very good auto- and cross- correlation properties similar to those of random white noise. This would be an important feature in multiple access environments. These sequences are used to scramble data in spread spectrum systems as they can produce low co-channel interference, hence improve the system capacity and performance. The chaotic signal can be created from only a single mathematical relationship and is neither restricted in length nor is repetitive/ cyclic. On the other hand, with the progress in digital signal processing and digital hardware, there has been an increased interest in using adaptive algorithms to improve the performance of digital systems. Adaptive algorithms provide the system with the ability to self-adjust its coefficients according to the signal condition, and can be used with linear or non-linear systems; hence, they might find application in chaos communication. There has been a lot of literature that proposed the use of LMS adaptive algorithm in the communication arena for a variety of applications such as (but not limited to): channel estimation, channel equalization, demodulation, de-noising, and beamforming. In this thesis, we conducted a study on the application of chaos theory in communication systems as well as the application of adaptive algorithms in chaos communication. The First Part of the thesis tackled the application of chaos theory in com- munication. We examined different types of communication techniques utilizing chaos theory. In particular, we considered chaos shift keying (CSK) and mod- ified kind of logistic map. Then, we applied space-time processing and eigen- beamforming technique to enhance the performance of chaos communication. Following on, we conducted a study on CSK and Chaos-CDMA in conjunction with multi-carrier modulation (MCM) techniques such as OFDM (FFT/ IFFT) and wavelet-OFDM. In the Second Part of the thesis, we tried to apply adaptivity to chaos com- munication. Initially, we presented a study of multi-user detection utilizing an adaptive algorithm in a chaotic CDMA multi-user environment, followed by a study of adaptive beamforming and modified weight-vector adaptive beam- forming over CSK communication. At last, a study of modified time-varying adaptive filtering is presented and a conventional adaptive filtering technique is applied in chaotic signal environment. Twelve papers have been published during the PhD candidature, include two journal papers and ten refereed conference papers

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

Optical and electrical characteristics of vertical-cavity surface-emitting lasers for free space optical communications

Among the number of optical sources, vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are relatively recent type of semiconductor laser devices, which are attractive for a number of applications particularly for free space optical (FSO) communication systems. In such systems reliable optical devices with lower power consumption and low cost are among the key requirements. VCSELs typically operate with unstable output polarization modes, and there is a need to improve their output power regarding to the polarization instability, particularly when introducing the optical feedback (OF). This thesis investigates a number of key properties of VCSEL including the polarization instability, hysteresis loop (HL), relative intensity noise (RIN) and how to control the polarization switching (PS). The investigations are based on the analytical studies and extensive experimental work. PS properties of VCSEL are investigated by introducing variable polarization optical feedback (VPOF) with the modulation frequency and modulation depth. The dependency conditions for the HL, RIN and PS are determined with VPOF. Under OF, the threshold current (Ith) of VCSEL is reduced by 11.5% and the PS, which is demonstrated theoretically and experimentally, is completely suppressed. The PS positions are depending on the polarization angle of OF, OF levels and the bias current. The PS disappeared with the modulation depth of 78.66%, whereas it is entirely vanished with the modulation frequency of 200 MHz. The hysteresis width of the VCSEL polarization modes is reduced by increasing the feedback level. The minimum RIN value of -156 dB/Hz is achieved at a zero degree of the polarization angle for the dominant polarization mode of VCSEL under VPOF. For the first time, a novel technique based on employing orthogonal polarization OF is proposed to supress the nonlinearity associated with the modulated VCSEL, where the second, third, and fourth harmonics are completely suppressed to the noise floor. Finally, optimal operating conditions for a high-quality polarization-resolved chaos synchronization of the polarization modes of VCSEL with VPOF are experimentally and theoretically studied. A perfect value of 99% of the correlation dynamics for the chaotic synchronization of the polarization modes of VCSEL is found with a zero time delay over a wide range of polarization angle. Finally, Simulink and Origin software version 6.1 are used in this work to simulate and plot the results. The simulation results are agreed with the experimental results, which show that the chaotic synchronization dynamic of the polarization modes can be achieved by VPOF