CN110267229B - 一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法

技术领域

本发明车辆通信安全技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于协作波束成形的车联网安全通信方法。

背景技术

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(Vehicle to Everything)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。

发明内容

本发明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。

本发明提供的技术方案为：

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d_Vehicle；

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(I_k),f₂(I_k))；

其中，0≤I_k≤1；

θ_ML＝arg max|AF(θ)|,θ∈[-π,π]；

θ_SL∈[-π,θ_FN1]∪[θ_FN2,π]；

式中，min F(f₁(I_k),f₂(I_k))为目标函数；AF为阵因子，θ_SL和θ_ML分别为旁瓣和主瓣的方向，θ_FN1,θ_FN2分别为区间[-π，θ_ML)和(θ_ML，π]内的第一零陷，定义了虚拟阵列天线的第一零陷宽度，I_k和ψ_k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，r_k为第k个节点的极坐标的极径，(x_k,y_k)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，P_t为虚拟阵列天线的总发射功率，K_o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，P_0,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R_c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d_Vehicle为：

式中，(x_i，y_i)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。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明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)本发明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为本发明所述多车协作波束成形示意图。

图2为本发明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

下面结合附图对本发明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，I_k和ψ_k分别为第k个节点的激励电流和初始相位，(x_k,y_k)为第k个节点的坐标，r_k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，P_t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]为虚拟阵列天线的效率，α为路径损耗指数，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，θ,φ分别为积分变量，ω(θ,φ)为每个节点的虚拟阵列天线方向图的大小。

根据前文分析，通过计算合适的激励电流值进而获得较低的旁瓣电平使得旁瓣方向指向窃听者车辆从而保障通信安全，同时，合适的激励电流值能够提高信噪比从而使得主瓣方向上的信号具有较高的增益，因此，目标函数f₁,f₂设计如下：

其中，θ_SL和θ_ML分别为旁瓣和主瓣的方向，SNR为信噪比，因此，车联网协作波束成形安全通信的多目标优化模型min F(.)可以构建如下：

min F(f₁(I_k),f₂(I_k))

s.t.0≤I_k≤1,

θ_ML＝arg max|AF(θ)|,θ∈[-π,π],

θ_SL∈[-π,θ_FN1)∪(θ_FN2,π] (6)

其中，θ_FN1和θ_FN2分别为区间[-π，θ_ML)和(θ_ML，π]内的第一零陷，定义了虚拟阵列天线的第一零陷宽度。

在车辆等待红灯的过程中，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，当一个车辆生成数据并需要将其发送至基站时，该车辆将被定义为源节点。源节点需要从周围的车辆中选出一组车辆组成虚拟阵列天线从而进行协作波束成形通信。源节点的通信半径为R_c，定义R_c范围内的车辆为候选节点，组成候选节点集；在候选节点中被选出进行协作波束成形的车辆称为协作节点，组成协作节点集；方案的具体步骤如下，如图1、2所示：

步骤1：首先计算源节点与基站的距离dt：

其中，(xs，ys)和(xb，yb)分别为源节点和基站的坐标；

步骤2：源节点发布广播消息用以获取候选节点集C_candidate中候选节点的坐标信息。候选节点集中的候选节点首先接收该信息，然后将其节点对应的ID及其坐标信息响应给源节点；源节点根据返回的结果，依次计算候选节点集中的候选节点与自己之间的距离d_{Vehicle_i}如下:

其中，(x_i，y_i)为候选节点集中的第i个候选节点的坐标。

步骤3：确定组成虚拟阵列天线的节点数目N。某车辆产生一条需要发送的数据(即源节点)，该节点根据自己到基站的距离以及单个节点的最大发射功率，确定从该节点到基站传输一条数据所需要的总功率，用总功率除以单个节点的最大发射功率并开平方，即可得出组成波束成形虚拟阵列天线所需的最少节点数N(即协作节点数量)：

式中，P_0,max为所述源节点的最大发射功率；

其中，N采用进一法选取。

步骤4：确定参与协作波束成形的节点，即协作节点。对步骤2中得到的源节点与候选节点集中的候选节点之间的距离按照升序排序，选择前N个节点作为参与协作波束成形的协作节点，组成虚拟阵列天线；

步骤5：源节点根据其位置坐标和基站的位置坐标确定基站相对于源节点的仰角和方位角β,φ，其值决定了希望获得的虚拟阵列天线方向图的主瓣指向；

具体的计算为：假设源节点在球面坐标系中的位置为(x,y,z)，基站在球面坐标系中的位置为(x₀,y₀,z₀)，方位角

仰角β为

步骤6：利用进化算法计算理想的激励电流，进化算法是基于生物界的自然遗传和自然选择等生物进化机制的一种迭代搜索算法，具体的计算过程如下：(1)根据阵元的个数初始化一组初始解作为候选解；(2)根据目标函数(6)评价这组解的优劣程度；(3)根据步骤(2)中计算得到的解的优劣程度对解集进行选择，选择一定数目的解作为迭代后的解的基础；(4)对步骤(3)中得到的解进行操作(如选择、交叉和变异等)，作为迭代后的解；(5)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返回步骤(2)；

步骤7：源节点向协作节点广播协作波束成形控制信息，具体信息包括：时间同步控制消息T_sync、管理消息M_message(所述管理消息M_message包括每个节点的激励电流值)、数据消息D_message和对于协作节点的随机延迟信息T_delay，并且T_sync应该比T_delay更长以确保源节点可以开始第二次广播；同时，协作节点应该在T_delay延迟时间后响应如上所述消息，如果源节点在随机延迟信息T_delay内成功收到所有的响应消息，那么协作节点根据T_sync和I_n通过协作波束成形共同传输数据，如果源节点在T_delay期间内没有收到来自协作节点的响应消息，那么迭代执行步骤7，即源节点再一次广播控制信息如T_sync，M_message，D_message，T_delay直到源节点收到所有协作节点的响应消息从而进行协作波束成形传输数据。

实施例

当一个车辆生成数据并需要将其发送至基站时，该车辆将被定义为源节点。设源节点的通信半径R_c为500m，源节点的坐标为(0,0)，基站的坐标为(520，640)根据步骤1中的公式(7)得源节点与基站的距离约825m，根据源节点与基站的距离和源节点的最大传输功率得出发送该数据所需的总功率P_t为240瓦特，设单个节点的最大传输功率为2瓦特，源节点广播后获得通信半径内的20个候选节点坐标，分别为N₁(20,30)，N₂(235,340)，N₃(123,195)，N₄(70,99)，N₅(35,50)，N₆(165,270)，N₇(40,55)，N₈(90,125)，N₉(45,70)，N₁₀(300,450)，N₁₁(50,92)，N₁₂(75,105)，N₁₃(97,140)，N₁₄(105,170)，N₁₅(130,213)，N₁₆(270,380)，N₁₇(150,240)，N₁₈(190,295)，N₁₉(210,330)，N₂₀(280,400)，根据步骤2中的公式(8)计算源节点与候选节点之间的距离，并按照升序排序，根据已知的总功率和单个节点的最大传输功率，按照步骤3中的公式(9)求得所需要的协作节点数目N为11，选择前11个节点作为协作节点，协作节点分别为N₁，N₅，N₇，N₉，N₁₁，N₄，N₁₂，N₈，N₁₃，N₁₄，N₃，源节点根据其位置坐标和基站的位置坐标确定基站相对于源节点的方位角φ为30°和仰角β为45°进而确定虚拟阵列天线的主瓣方向，利用进化算法计算理想的激励电流组值为(0.3，0.5，0.6，0.8，0.4，0.3，0.5，0.6，0.7，0.3，0.6)，源节点向协作节点广播协作波束成形控制信息，具体信息包括：时间同步控制消息T_sync、管理消息M_message、数据消息D_message和对于协作节点的随机延迟信息T_delay。同时，协作节点应该在延迟时间T_delay后响应如上所述消息，如果源节点成功收到所有的响应消息，那么协作节点根据时间同步控制消息T_sync和激励电流组值通过协作波束成形共同传输数据，如果源节点在T_delay时间内没有收到来自协作节点的响应消息，那么迭代执行步骤7，即源节点再一次广播控制信息如T_sync，M_message，D_message，T_delay，直到源节点收到所有协作节点的响应消息从而进行协作波束成形传输数据。

本发明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，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。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

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d_Vehicle；

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：

min F(f₁(I_k),f₂(I_k))；

其中，0≤I_k≤1；

θ_ML＝arg max|AF(θ),θ∈[-π,π]；

θ_SL∈[-π,θ_FN1]∪[θ_FN2,π]；

式中，min F(f₁(I_k),f₂(I_k))为目标函数；AF为阵因子，θ_SL和θ_ML分别为旁瓣和主瓣的方向，θ_FN1,θ_FN2分别为区间[-π，θ_ML)和(θ_ML，π]内的第一零陷，定义了虚拟阵列天线的第一零陷宽度，I_k和ψ_k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，r_k为第k个节点的极坐标的极径，(x_k,y_k)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，P_t为虚拟阵列天线的总发射功率，K_o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。

2.如权利要求1所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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，P_0,max为所述源节点的最大发射功率，且N采用进一法选取。

3.如权利要求1或2所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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R_c围成的圆形范围内的车辆为候选节点。

4.如权利要求3所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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。

5.如权利要求4所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，所述源节点与所述候选节点集中的节点的距离d_Vehicle为：

式中，(x_i，y_i)为所述候选节点集中的第i个节点的坐标。

6.如权利要求1、2、4或5所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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。

7.如权利要求6所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的基于协作波束成形的车联网安全通信方法，其特征在于，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。

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