一种基于空间波束扫描实现智能网联汽车信道安全增强的方法

本发明涉及智能网联汽车通信安全领域，具体设计一种基于空间扫描技术的智能网联汽车通信安全增强实现方法。

背景技术：

1、智能网联汽车的整车网络环境非常复杂，整个车联网的信息安全问题主要围绕平台层、通信层、车载设备和应用等三个层面。空间扫描技术是一种多天线波束成形技术，指多天线阵列、天线控制单元、信号处理单元、多通道接收器和控制系统组成的空间波束扫描系统。这些组件通过协同工作，通过调整信号的发射方向和强度来增大合法接受者(bob)与窃听者(eve)间的信道的质量差异，实现保密容量的最大化。空间扫描技术的提出旨在实现对多个目标或区域的灵活、高效扫描和监测。它可以应用于多个领域，例如雷达系统、通信系统、无线传感器网络等，是实现增强通信安全的一种有效方式，使加密算法转为更低运算量的物理层安全增强方法。

2、现有的智能网联加密通信使用公钥基础设施(pki)，对称密钥加密、动态密钥更新结合人工智能算法等以增强智能网联汽车的通信安全，但是智能网联车辆在处理海量数据信息需要低延迟。现有方法加密和解密操作需要消耗计算和通信资源，可能会增加通信延迟和能量消耗，与此同时密钥的分发和管理等要确保安全性和时效性，辅以智能算法的加密会被可能会被更高算力的计算机破解，导致车辆被控制和车主的隐私外泄，从而导致严重后果。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现智能网联汽车通信安全的基于空间波束扫描实现增强智能网联汽车通信安全的方法。

2、本发明采取以下技术方案予以实现：本发明提供的基于空间扫描实现智能网联汽车信道安全增强的方法，其中，所述的方法包括以下步骤：s1.将空间波束扫描系统配置在智能网联车辆和基础设施设备上，智能网联车辆将数据信息传输到空间波束扫描系统；s2.所述波束扫描系统将传输数据转换为数字序列或者其他形式的数据；对信道进行估计，了解信道传输时的信道特性；然后，对波束形成进行权重计算，利用得到的信道估计，计算波束成形网络中每个天线元件的相位和振幅权重；所计算的权重用于控制波束的形状和方向；s3.所述空间波束扫描系统为butler空间波束扫描系统，通过设计butler矩阵和天线阵列相连接得到；s4.在hfss和cst仿真软件验证所述的butler空间波束扫描系统性能，对仿真后的回波损耗和传输功率分析；s5.利用所述的回波损耗和传输功率数据，分析所述butler空间波束扫描系统的性能；s6.通过动态调整通信波束的方向和形状，将精确控制后的通信波束传递给合法接受者，并降低窃听信道的信号功率。

3、进一步地，所述的步骤s3具体包括以下步骤：

4、s3-1.设计3db耦合器的结构，包括第一级3db定向耦合器和第二级3db定向耦合器；

5、s3-2.针对所述的3db耦合器，根据叠加定理计算传输线的阻抗和相位角，再根据电路等效理论，将所述传输线的阻抗和相位角转换为等效的电容和电感；

6、

7、上述公式中的l是等效电感，c为等效电容，z为阻抗，f为中心频率，λ为波长，l为微带线的长度；

8、s3-3.确定使用的介质基板，并根据所述介质基板厚度、中心频率、等效电感和等效电容计算等效微带线的长度和宽度；

9、s3-4.利用交叉结构建butler矩阵实现信号的对角传输，控制第一级3db定向耦合器的输出端口与第二级3db定向耦合器的输入端口之间产生交叉，并且所述第二级3db定向耦合器的输出使用交叉结构来调整天线阵列输入信号的相位；

10、s3-5.计算移相器，所述移相器通过调整微带线的长度实现相位改变；

11、s3-6.使用hfss仿真s3-3至s3-5，确定所述3db耦合器、所述移相器和所述交叉结得到回波损耗参数。

12、进一步地，所述步骤s3-5将移相器的主线弯折成多个u型，对信号通过交叉结所产生的相移进行补偿，实现与交叉结输出端口-45°的相位差。

13、进一步地，所述的步骤s4具体包括以下步骤：s4-1.以所述hfss仿真软件绘制仿真3db耦合器结构模型；s4-2.以所述hfss仿真软件绘制仿真交叉结结构模型；s4-3.以所述hfss仿真软件绘制仿真移相器结构模型；s4-4.在所述3db耦合器、所述交叉结和所述仿真移相器性能满足预设要求的情况下，采用所述3db耦合器、所述交叉结和所述仿真移相器一起组成butler波束成形网络，并将所述butler波束成形网络与阵列天线单元进行相连接得到butler空间波束扫描系统，进行总体仿真，得到回波损耗和增益。

14、进一步地，所述的步骤s5具体为：所述butler空间波束扫描系统在hfss和cst仿真软件中，绘制所述butler空间波束扫描系统模型，设置解算器的频率范围和频率步进，在所述系统的不同端口激励，仿真完成后，在“results”标签找到s参数矩阵的结果；对所述s参数进行分析，得到端口的传输系数；如果端口隔离度大于20db，则判断所述空间波束扫描系统的隔离性能和功分效果满足预设要求。

15、进一步地，所述的步骤s6具体包括以下步骤：

16、s6-1.通过所述步骤s5中记录的所述波束扫描的端口发射功率，并利用以下判断公式进一步判断主信道的保密容量:

17、c＝cb-ce     (2)

18、

19、

20、其中，p为信号m发射功率，cb为主信道的信道容量，ce为窃听信道的信道容量，σb2为主信道的噪声功率，σe2为窃听信道噪声的功率，当主信噪比比窃听信道好时，保证通信信道的安全性；

21、s6-2.车载端在窃听者存在的情况下发送保密信息给合法接受者，所述步骤s5利用以下公式计算出所述接受者和所述窃听者接收的信息：

22、yb＝hx+nb      (5)

23、ye＝gx+ne      (6)

24、其中，x为车载端发射信号，h为车载和基础设施之间的合法信道矩阵，g为车载端和窃听者之间的窃听信道矩阵，nb和ne分别为方差σb2和σe2加性高斯白噪声，根据shannon公式得到合法信道容量和窃听信道的信道容量；

25、

26、s6-3.根据上述得到的合法信道容量和窃听信道容量，利用以下公式计算出mimome系统的保密容量为：

27、

28、其中，[x]+＝max(x,0)，表示0和x中的较大值。

29、采用了本发明的该基于空间波束扫描实现增强智能网联车辆通信安全的方法，通过制定一整套完整空间波束扫描方法，可以空间扫描天线的波束有方向性，可以消除用户之间的干扰，提高频谱利用率，改善接收端的信噪比，提高系统性能。相较于现有技术而言，算力小，也能够在最大程度上增强v2x通信物理层安全，具有较好的应用效果和推广前景。

技术特征：

1.一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法,其特征在于，所述的步骤s3具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，其特征在于，所述步骤s3-5将移相器的主线弯折成多个u型，对信号通过交叉结所产生的相移进行补偿，实现与交叉结输出端口-45°的相位差。

4.根据权利要求2所述的一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，其特征在于，所述的步骤s4具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，其特征在于，所述的步骤s5具体为：

6.根据权利要求5所述的一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，其特征在于，所述的步骤s6具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于空间扫描技术实现增强智能网联汽车信道的方法，包括：将空间波束扫描系统配置在智能网联车辆和基础设施设备上，智能网联车辆将数据信息传输到空间波束扫描系统；所述波束扫描系统对波束形成进行权重计算，利用得到的信道估计，计算波束成形网络中每个天线元件的相位和振幅权重；所计算的权重用于控制波束的形状和方向；所述空间波束扫描系统为Butler空间波束扫描系统，通过设计Butler矩阵和天线阵列相连接得到，并在HFSS和CST仿真软件中进行验证、分析和调整性能。本发明确保只有合法接受者接收到数据信息，窃听者无法截取有效的传输数据，可应用于智能交通系统、自动驾驶车辆等领域。

技术研发人员：仵大奎,刘姝含,薛嘉宁
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5