[發明專利]一種高速列車5G通信系統物理層加密方法

在審

• 申請號: 202110380370.2
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN112953702A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 劉江永;姜鵬;羅曉雪;易靈芝;陳智勇;陳才學
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種高速列車5G通信系統物理層加密方法。它包括以下步驟：使用優化的Henon混沌系統將無線信道中提取的秘鑰作為初始值，生成新的混沌序列組成秘鑰K1、K2、K3；使用K1、K2實現對天線組合和映射模式的加密，由K3決定的天線激活順序用于對信息進行空間排列調制；通過結合密鑰并按照相應的順序進行逆向操作，接收方對信息進行解密。本發明提高了多輸入多輸出無線通信系統物理層安全性，降低了多路徑衰落效應，提升了誤碼率性能，保障通信系統安全運行。

技術領域

本發明涉及到無線通信物理層加密技術領域，具體涉及到一種高速列車5G通信系統物理層加密方法。

背景技術

隨著科學技術的進步和日常生活需求的不斷提高，無線通信技術和通信加密技術不斷發展帶動著鐵路通信技術的快速發展。我國第一條高速鐵路武廣高鐵在2009年10月投入運營，動車組被廣泛運用到我國各鐵路干線標志著我國鐵路持續向現代化技術邁進。高速列車為我們日常出行提供很大便利，在考慮機車運行安全性、穩定性和經濟性等性能指標時，控制信號低延時高可靠性的無線傳輸變得越來越重要。由于傳統GSM-R受限于2G技術窄帶通信的局限性，5G技術在高速列車上的應用已成為列車通信研究重點之一。

作為機車通信系統，5G技術在傳輸速率和延遲上占有優勢，還有升級便利、成本低的優點，大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術可產生多個并行的獨立信道，在不增加帶寬的情況下提高數據傳輸速率。然而無線系統的開放性使得遭受干擾和竊聽類的攻擊，因此實現對列車5G通信系統的安全加密是非常重要的。當前無線通信網絡主要采用基于對稱/非對稱密鑰的分發和管理，通過加密和認證方式保證數據鏈路和控制鏈路的安全，關鍵在于如何實現密鑰的分發和管理。現有解決方法主要采用事先約定或者密鑰交換的方式。事先約定的密鑰分發方式存在嚴重安全隱患，可以通過攻擊核心網等方式盜竊永久密鑰。隨著量子計算的飛速發展，依靠計算復雜度的密鑰交換協議也面臨著被破解的風險。

目前無線通信物理層安全研究分為兩條主線：一是基于竊聽信道模型的無密鑰信息論安全傳輸技術，二是基于密鑰的物理層安全機制。在無密鑰方案中，空域冗余不足時會引入大量噪聲，影響正常接收；信道狀態信息無法獲取或估計有偏差時，方案易失效。在密鑰共享方案中，當竊聽者已知合法接受者信道信息和發送的訓練序列，可以仿真出信道信息從而竊取密鑰信息。

發明內容

針對上述無線通信加密的技術問題，本發明公開了一種基于空間調制技術和混沌理論的無線通信物理層加密方法，將空間置換調制引入到物理層加密中，以獲得更好的加密性能。

本發明解決上述技術問題的方案是：

使用優化的Henon混沌系統將無線信道中提取的秘鑰作為初始值，生成新的混沌序列組成秘鑰K1、K2、K3；

使用K1、K2實現對天線組合和映射模式的加密，由K3決定的天線激活順序用于對信息進行空間置換調制；

通過結合密鑰并按照相應的順序進行逆向操作，接收方對信息進行解密。

本發明的技術效果在于：本發明利用超混沌Henon映射對提取的信道信息進行高維映射生成密鑰，利用漢明距離選取合適的向量集決定天線的激活順序，利用SPM對被激活的天線進行調制，獲得更好的加密性能。這樣可以安全，高效的對5G無線MIMO通信系統進行物理層加密，提高系統安全性。

附圖說明

圖1為本發明中MIMO鐵路無線通信系統結構。

圖2為本發明中SPM方案與傳統方案對比圖。

圖3為本發明中密鑰提取流程圖。

圖4為本發明中HASPM流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。