一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法技术

本发明专利技术公开一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法，包括步骤1：确定生成数据并需要将其发送至基站的车辆为源节点，并获取源节点与所述基站的距离；步骤2：选取所述源节点周围的车辆为候选节点，并组成候选节点集，所述源节点向所述候选节点集发布信息，所述候选节点集接收所述信息并将其对应的ID和坐标信息响应给所述源节点，所述源节点依次获取其与所述候选节点集中的节点的距离；步骤3：对所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离按照升序排序，并选择前N个节点为参与协作波束成形的协作节点集；步骤4：利用进化算法计算所述虚拟阵列天线的节点的理想激励电流；步骤5：所述源节点向所述协作节点集广播协作波束成形控制信息。

A Safe Communication Method for Vehicle Networking Based on Cooperative Beam Forming

【技术实现步骤摘要】
一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法
本专利技术车辆通信安全
，更具体的是，本专利技术涉及一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法。
技术介绍
车联网是由一组带有中短距离无线收发装置的车辆组成的一类特殊移动自组网，通过借助新一代信息和通信，实现车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的V2X(VehicletoEverything)全方位网络连接。在车联网通信场景中，当多个车辆在十字路口等待红灯时，所有车辆都随机分布在等候区域内，将区域内的车辆看作通信节点，在一个车辆生成数据并将其发送至基站的通信过程中，车辆周围不乏有窃听者车辆的存在而截取车辆和接收端之间传输的数据并进行恶意篡改或破坏，进而导致严重的通信安全问题。采用信息加密的方式可有效提高信息安全等级，但在对时效性和时延要求非常高的车联网环境中，采用复杂的加密算法将可能导致不可接受的计算时延和通信时延，从而降低车联网应用的性能。
技术实现思路
本专利技术设计开发了一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法，建立了多车协作波束成形中的降低旁瓣电平和提高信噪比的多目标联合优化方法，获取理想激励电流，使得车辆可以与周围的车辆通过协作波束成形技术组成虚拟阵列天线从而共同传输数据，提高通信安全和通信效率。本专利技术提供的技术方案为：一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法，包括：步骤1：确定生成数据并需要将其发送至基站的车辆为源节点，并获取源节点与所述基站的距离dt；步骤2：选取所述源节点周围的车辆为候选节点，并组成候选节点集，所述源节点向所述候选节点集发布信息，所述候选节点集接收所述信息并将其对应的ID和坐标信息响应给所述源节点，所述源节点依次获取其与所述候选节点集中的节点的距离dVehicle；步骤3：对所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离按照升序排序，并选择前N个节点为参与协作波束成形的协作节点集，组成虚拟阵列天线，并根据所述基站相对于所述源节点的仰角和方位角确定所述虚拟阵列天线的主瓣方向；步骤4：根据目标函数并利用进化算法计算所述虚拟阵列天线的节点的理想激励电流：minF(f1(Ik),f2(Ik))；其中，0≤Ik≤1；θML＝argmax|AF(θ)|,θ∈[-π,π]；θSL∈[-π,θFN1]∪[θFN2,π]；式中，minF(f1(Ik),f2(Ik))为目标函数；AF为阵因子，θSL和θML分别为旁瓣和主瓣的方向，θFN1,θFN2分别为区间[-π，θML)和(θML，π]内的第一零陷，定义了虚拟阵列天线的第一零陷宽度，Ik和ψk分别为所述虚拟阵列天线中第k个节点的激励电流和初始相位，λ为波长，rk为第k个节点的极坐标的极径，(xk,yk)为第k个节点的坐标；SNR为信噪比，r为源节点与基站的距离，α为路径损耗指数，Pt为虚拟阵列天线的总发射功率，Ko为常数路径损耗系数，G(x0,y0)为虚拟阵列天线相对于基站位置的增益，σ2为噪声功率；ω(θ,φ)为每个节点的虚拟阵列天线方向图的大小，θ0,φ0分别为基站相对于源节点在球面坐标中的极角和方位角，η∈[0,1]为虚拟阵列天线的效率；步骤5：通过所述理想激励电流，所述源节点向所述协作节点集广播协作波束成形控制信息，如果所述源节点在随机延迟信息内收到所有协作节点的响应消息，则所述协作节点通过协作波束成形共同传输数据；否则，所述源节点再一次向所述协作节点集广播协作波束成形控制信息，直到所述源节点收到所有协作节点的响应消息后，所述协作节点通过协作波束成形共同传输数据。优选的是，所述协作节点集中的协作节点数量N的确定包括：根据所述源节点的最大发射功率确定所述协作节点集中的协作节点数量：式中，P0,max为所述源节点的最大发射功率。优选的是，所述候选节点集中的候选节点的确定包括：以所述源节点为中心，确定通信半径Rc围成的圆形范围内的车辆为候选节点。优选的是，所述源节点与所述基站的距离dt为：式中，(xs，ys)和(xb，yb)分别为所述源节点和所述基站的位置坐标。优选的是，所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离dVehicle为：式中，(xi，yi)为所述候选节点集中的第i个节点的坐标。优选的是，所述基站相对于所述源节点的仰角和方位角根据所述源节点和所述基站在球面坐标中的位置坐标确定。优选的是，所述协作波束成形控制信息包括：时间同步控制消息、管理消息，数据消息和对于协作节点的随机延迟信息；其中，所述管理消息包括每个节点的激励电流值，所述时间同步控制消息大于所述对于协作节点的随机延迟信息。优选的是，所述进化算法包括：根据阵元的个数初始化一组初始解作为候选解；根据目标函数评价所述候选解的优劣程度；根据所述解的优劣程度对解集进行选择，选择n个解作为迭代后的解的基础；对所述迭代后的解进行选择、交叉和变异，作为迭代后的解；若达到迭代次数限制，则停止，输出满足目标函数的最优解作为协作节点的激励电流值；否则，将这些解作为当前解重新评价其优劣程度。本专利技术所述的有益效果：(1)本专利技术设计开发的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，建立了多车协作波束成形中的降低旁瓣电平和提高信噪比的多目标联合优化模型，利用进化算法设计理想的激励电流进而对模型求解，利用理想的激励电流使得该车辆可以与周围的车辆通过协作波束成形技术组成虚拟阵列天线从而共同传输数据，在发送端形成高增益及高方向性的波束，使波束的主瓣方向指向基站的方向，通过降低旁瓣电平并且使旁瓣方向指向窃听者的方向，使得窃听者方向的信号强度不足而使其无法进行数据的截取及篡改进而提高安全性能，这样可以提高通信效率和节省能量消耗，从而达到车联网通信安全性和可靠性的目的。(2)本专利技术设计开发的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，节点车辆可以组成虚拟阵列天线并利用更高增益及更高方向性的波束，不经多跳直接与基站等接收端进行通信，使波束的主瓣方向指向基站的方向，通过降低旁瓣电平并且使旁瓣方向指向窃听者的方向，使得窃听者方向的信号强度不足而使其无法进行数据的截取及篡改从而提高安全性能，另外通过控制阵列天线的激励电流的方式提高信噪比从而使得主瓣方向的信号强度增强进而达到提高主瓣方向上的信号增益的目的。附图说明图1为本专利技术所述多车协作波束成形示意图。图2为本专利技术所述基于协作波束成形的车联网安全通信方法的流程图具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。为提高车联网中的安全通信性能，需要首先构建多车协作波束成形降低旁瓣电平与提高信噪比的多目标联合优化模型。假设基站在球坐标系中的位置为(L，φ0，θ0)，并且设为φ0＝0，θ0＝0，根据电磁波叠加原理，阵因子表达式为：其中，N为节点的数量，λ为波长，Ik和ψk分别为第k个节点的激励电流和初始相位，(xk,yk)为第k个节点的坐标，rk为第k个节点的极坐标的极径。信噪比是衡量信号强度的一个指标，本文通过提高信噪比的方式提高主瓣方向上的信号增益，进而降低非目标方向上的信号强度，从而达到安全通信的目的。信噪比的表达式如下：其中，SNR为信噪比，r为源节点与基站的距离，Pt为阵列天线的总发射功率，K0为常数路径损耗系数，σ2为噪声功率，G(x0,y0)为阵列天线相对于基站位置的增益，η∈[0,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，包括：步骤1：确定生成数据并需要将其发送至基站的车辆为源节点，并获取源节点与所述基站的距离dt；步骤2：选取所述源节点周围的车辆为候选节点，并组成候选节点集，所述源节点向所述候选节点集发布信息，所述候选节点集接收所述信息并将其对应的ID和坐标信息响应给所述源节点，所述源节点依次获取其与所述候选节点集中的节点的距离dVehicle；步骤3：对所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离按照升序排序，并选择前N个节点为参与协作波束成形的协作节点集，组成虚拟阵列天线，并根据所述基站相对于所述源节点的仰角和方位角确定所述虚拟阵列天线的主瓣方向；步骤4：根据目标函数并利用进化算法计算所述虚拟阵列天线的节点的理想激励电流：minF(f1(Ik),f2(Ik))；

【技术特征摘要】
1.一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，包括：步骤1：确定生成数据并需要将其发送至基站的车辆为源节点，并获取源节点与所述基站的距离dt；步骤2：选取所述源节点周围的车辆为候选节点，并组成候选节点集，所述源节点向所述候选节点集发布信息，所述候选节点集接收所述信息并将其对应的ID和坐标信息响应给所述源节点，所述源节点依次获取其与所述候选节点集中的节点的距离dVehicle；步骤3：对所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离按照升序排序，并选择前N个节点为参与协作波束成形的协作节点集，组成虚拟阵列天线，并根据所述基站相对于所述源节点的仰角和方位角确定所述虚拟阵列天线的主瓣方向；步骤4：根据目标函数并利用进化算法计算所述虚拟阵列天线的节点的理想激励电流：minF(f1(Ik),f2(Ik))；其中，0≤Ik≤1；θML＝argmax|AF(θ)|,θ∈[-π,π]；θSL∈[-π,θFN1]∪[θFN2,π]；式中，minF(f1(Ik),f2(Ik))为目标函数；AF为阵因子，θSL和θML分别为旁瓣和主瓣的方向，θFN1,θFN2分别为区间[-π，θML)和(θML，π]内的第一零陷，定义了虚拟阵列天线的第一零陷宽度，Ik和ψk分别为所述虚拟阵列天线中第k个节点的激励电流和初始相位，λ为波长，rk为第k个节点的极坐标的极径，(xk,yk)为第k个节点的坐标；SNR为信噪比，r为源节点与基站的距离，α为路径损耗指数，Pt为虚拟阵列天线的总发射功率，Ko为常数路径损耗系数，G(x0,y0)为虚拟阵列天线相对于基站位置的增益，σ2为噪声功率；ω(θ,φ)为每个节点的虚拟阵列天线方向图的大小，θ0,φ0分别为基站相对于源节点在球面坐标中的极角和方位角，η∈[0,1]为虚拟阵列天线的效率；步骤5：通过所述理想激励电流，所述源节点向所述协作节点集广播协作波束成形控制信息，如果所述源节点在随机延迟信息内收到所有协作节点的响应消息，则所述协作节点通过协作波束成形共同传输数据；否则，所述源节点再一次向所述协作节点集广播...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙庚，赵晓晖，郑婷婷，刘雪洁，刘衍珩，梁爽，李树静，王爱民，房至一，周旭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22