CN113067613B - 用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通车地无线通信领域，公开了一种适用于轨道交通物理层安全的基于天线子集选择的方向调制方法。本发明将天线选择模型与方向调制技术相结合，考虑到列车运行时天线间干扰等安全问题，提出了轨道交通场景下的基于天线空间隔离度的天线选择方法，并通过在天线子集选择模型中引入随列车运行而实时变化的畸变系数，使得非法窃听者接收方向上的信号的幅度和相位随着列车运行产生一定程度的畸变，增大了其恢复原始信号的难度，从而提升了车地通信的安全性。

Description

用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法

技术领域

本发明属于轨道交通无线通信领域，具体的说是一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，本发明涉及天线子集选择方法以及方向调制技术。

背景技术

轨道交通的信息安全近年来受到学术界和工业界研究者们的广泛关注，其中物理层安全是信息安全传输非常重要的一个环节。方向调制技术作为物理层安全技术之一，它可以使信号的星座图在非期望方向上产生一定程度的畸变，在期望方向上的信号不变，这在一定程度上保证了物理层的安全。然而，之前关于方向调制技术的研究大部分集中在传统的相控阵，并不适用于大规模MIMO技术。并且当非法窃听者与合法接收端方向比较接近时，窃听者如果足够灵敏，也存在窃听到正确信息的可能性。

为解决上述问题，一种基于天线子集选择的方向调制技术被提出，其利用大规模天线阵列的物理特性来保证物理层的安全性。与传统的使用非期望方向上产生畸变的方向调制方法不同的是，基于天线子集选择的方法会在随机选择天线的过程中，使得沿旁瓣的远场模式不断变化，从而产生额外的星座点，这些星座点会与非期望方向上的星座点发生混叠，从而干扰非法方向上的接收信号，进一步保证了物理层安全。

然而，它也存在一些问题，如不完全适用于轨道交通场景，且当星座图混叠程度不够时，窃听者也能够正确恢复出信息，这使得信息的传输变得不再安全。

发明内容

为了解决现有技术的轨道交通场景中物理层存在的窃听攻击问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，针对传统的方向调制在非期望方向上的星座图的畸变程度不够的缺陷，在天线选择模型中增加了畸变系数模块，使非法方向的接收信号在幅度和相位上均会随着列车的实时运行产生畸变，进一步保证了信息传输的安全性。同时根据轨道交通场景中存在的天线间干扰问题，提出了基于空间隔离度的天线选择方法。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，操作步骤如下：

1)发射天线选择；

2)畸变系数设计；

3)发射信号设计；

4)信号接收处理。

优选地，在所述步骤1)中，发射天线选择方法步骤如下：

在车地无线通信过程中，通过发射端的天线选择和相位控制模块进行发射天线子集的选择；采用天线间干扰指标，即天线空间隔离度制定了发射天线的选择方法，将轨道交通场景下的天线的空间隔离度设计为：

其中，N是发射端天线总数目，M是选择的发射天线数目，v为列车运行的实时速度，ρ_k表示第K个时刻接收端信噪比，f为载波频率，B为带宽，C为光速，Pr表示天线接收端口的输入功率，E为能效；对上式中选择的发射天线数M求偏导，得到列车的实时速度与天线空间隔离度的关系，同时在系统能效的约束下，结合列车实时运行情况，选择最优的发射天线数目M。

优选地，在所述步骤2)中，畸变系数设计方法步骤如下：

在保证车地通信质量的前提下，为发射端信号增加了畸变系数模块，该模块位于天线选择和相位控制模块之后，具体地将畸变系数设计为：

其中，L表示列车与地面基站的实时距离，α_k表示第k根车载天线与当前通信基站的夹角；该畸变系数会对非期望方向上的信号幅度和相位均造成一定程度的畸变，对于合法接收端，该畸变系数是已知的，故合法接收端可以正确恢复出原始信息；但对于非法窃听者来说，畸变系数是未知的，且畸变系数使信号的幅度和相位均随着列车运行而实时改变，这使得非法窃听者恢复出信号的难度大大增加；

上述发射天线的选择方法以及畸变系数的设计均与列车的实时运行情况有关，为获得列车实时运行的速度、位置等信息，上述系统需与车载设备中的ATO系统相关联，ATO设备主要负责列车运行监控、测速定位功能。

优选地，在所述步骤3)中，发射信号设计方法步骤如下：

在发射端，首先采用所述步骤1)中的天线选择方法从N根车载天线中选择M根天线来发送第k个符号，用b(k)来描述这M根发射天线的集合；假设信号的发射角为θ，发射时将波束主瓣对准期望方向θ_L，因此有θ_L＝θ，将期望方向上的方向图函数表示为h(θ_L)，发射功率为Es，那么经畸变系数模块处理后的相位为

的发射信号向量设计成为：

优选地，在所述步骤4)中，信号接收处理方法步骤如下：

在接收端存在合法接收端和非法窃听者；对于合法接收端，其方位角与发射角一致，即θ_L＝θ；且合法接收端即地面基站对列车实时速度v、距离L、发射天线数M等信息是已知的，则恢复出原始信号的幅度和相位信息，得到合法接收端的信号即发射信号为：

对于非法接收端，假设非法窃听者方位角为θ_E，与发射角θ不一致，那么其接收的信号为：

其中，其中h*(θ)表示任意方向的自由空间信道，d为天线沿水平方向的间隔，λ表示波长，假设d＝λ/2。本发明方法非期望方向接收信号的幅度在畸变系数和选择天线数目的影响下产生变化，相位会在畸变系数和方位角的影响下产生变化，同时天线的随机选择性也增大了非法窃听端确定相位的难度。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明是用于轨道交通物理层安全的基于天线子集选择的方向调制方法，在选择发射天线时，提出了基于轨道交通场景的天线空间隔离度，并结合轨道交通中列车的实时运行速度v、到基站的距离L等参数，在保证天线的空间隔离度大于30dB的情况下，对发射天线子集数目M求导，得到最优选的发射天线方案，提升了轨道交通系统的高效性和安全性；

2.同时本发明方法，在天线选择模型中设计了畸变系数模块，结合天线到基站距离L、所成角度αk等参数设计了天线的畸变系数γ，该畸变系数使非法接收方向上的信号的幅度和相位随着列车的运行而发生变化，其中相位的畸变程度可以达到98％以上，这在一定程度上改善了传统方向调制中，因非法方向上信号的畸变程度不够造成的信息传输不安全的问题。

附图说明

图1是本发明基于天线选择的方向调制方法的算法流程图。

图2是本发明基于天线选择的方向调制方法的系统模型图。

图3是本发明的非法方向上信号相位的畸变程度随窃听者方位角θ_E的增大的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，考虑轨道交通运行场景的多样性，本发明在实际应用时可能会存在一些细节上的差异。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，操作步骤如下：

1)发射天线选择；

2)畸变系数设计；

3)发射信号设计；

4)信号接收处理。

本实施例用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法的步骤根据轨道交通场景中存在的天线间干扰问题，实现基于空间隔离度的天线选择。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1-图3，一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，操作步骤如下：

1)发射天线选择：

在车地无线通信过程中，通过发射端的天线选择和相位控制模块进行发射天线子集的选择；采用天线间干扰指标，即天线空间隔离度制定了发射天线的选择方法，将轨道交通场景下的天线的空间隔离度设计为：

其中，N是发射端天线总数目，M是选择的发射天线数目，v为列车运行的实时速度，ρ_k表示第K个时刻接收端信噪比，f为载波频率，B为带宽，C为光速，Pr表示天线接收端口的输入功率，E为能效；对上式中选择的发射天线数M求偏导，得到列车的实时速度与天线空间隔离度的关系，同时在系统能效的约束下，结合列车实时运行情况，选择最优的发射天线数目M；

2)畸变系数设计：

在保证车地通信质量的前提下，为发射端信号增加了畸变系数模块，该模块位于天线选择和相位控制模块之后，具体地将畸变系数设计为：

其中，L表示列车与地面基站的实时距离，α_k表示第k根车载天线与当前通信基站的夹角；该畸变系数会对非期望方向上的信号幅度和相位均造成一定程度的畸变，对于合法接收端，该畸变系数是已知的，故合法接收端可以正确恢复出原始信息；但对于非法窃听者来说，畸变系数是未知的，且畸变系数使信号的幅度和相位均随着列车运行而实时改变，这使得非法窃听者恢复出信号的难度大大增加；

上述发射天线的选择方法以及畸变系数的设计均与列车的实时运行情况有关，为获得列车实时运行的速度、位置等信息，上述系统需与车载设备中的ATO系统相关联，ATO设备主要负责列车运行监控、测速定位功能；

3)发射信号设计：

在发射端，首先采用所述步骤1)中的天线选择方法从N根车载天线中选择M根天线来发送第k个符号，用b(k)来描述这M根发射天线的集合；假设发射功率为Es，信号的发射角为θ，发射时将波束主瓣对准期望方向θ_L，因此有θ_L＝θ，将期望方向上的方向图函数表示为h(θ_L)，那么经畸变系数模块处理后的相位为

的发射信号向量设计成为：

4)信号接收处理：

在接收端存在合法接收端和非法窃听者；对于合法接收端，其方位角与发射角一致，即θ_L＝θ；且合法接收端即地面基站对列车实时速度v、距离L、发射天线数M等信息是已知的，则恢复出原始信号的幅度和相位信息，得到合法接收端的信号即发射信号为：

对于非法接收端，假设非法窃听者方位角为θ_E，与发射角θ不一致，那么其接收的信号为：

其中，其中h*(θ)表示任意方向的自由空间信道，d为天线沿水平方向的间隔，λ表示波长，假设d＝λ/2。本实施例方法非期望方向接收信号的幅度在畸变系数和选择天线数目的影响下产生变化，相位会在畸变系数和方位角的影响下产生变化，同时天线的随机选择性也增大了非法窃听端确定相位的难度。

本实施例方法用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，针对传统的方向调制在非期望方向上的星座图的畸变程度不够的缺陷，在天线选择模型中增加了畸变系数模块，使非法方向的接收信号在幅度和相位上均会随着列车的实时运行产生畸变，进一步保证了信息传输的安全性。本实施例方法有效解决了轨道交通场景中存在的天线间干扰问题。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，车载天线可采用全向天线+定向天线相结合的方式，车载天线分布在车顶、车底、车侧等位置，操作步骤如下：

1)发射天线的选择方法：

采用了天线间干扰指标，利用天线的空间隔离度制定了发射天线的选择方法；假设列车速度v＝120km/h，车载天线数N＝16，轨道交通载波频率为1785～1805MHz频段，取其中心频率f＝1795MHz，带宽B＝10MHz，接收功率Pr＝46dBm，接收端信噪比ρ_k＝10dB，考虑到轨道交通的运行中的各种能量损耗，假设E＝20bits/J，对发射天线数M求偏导即：

在满足天线空间隔离度大于30dB时，对M求偏导得到最优发射天线数目M＝12，即从车载天线中选择12根天线进行信号的发射；

2)畸变系数的设计：

在保证车地通信质量的前提下，为发射端信号增加了畸变系数模块，该模块位于天线选择和相位控制模块之后。假设第k根天线与基站的夹角α_k＝π/6，天线到基站的距离L＝1.5km，因此畸变系数设计成为：

该畸变系数对非期望方向上的信号幅度和相位会造成一定程度的畸变，对于合法接收端，该畸变系数是已知的，因此合法接收端能正确恢复出原始信息；但对于非法窃听者来说，该畸变系数是未知的，且畸变系数使信号的幅度和相位均随着列车运行而实时改变，这使得非法窃听者恢复出信号的难度大大增加；上述发射天线的选择方法以及畸变系数的设计均与列车的实时运行情况有关；为获得列车实时运行的速度、位置等信息，上述系统需与车载设备中的ATO系统相关联，ATO设备主要负责列车运行监控、测速定位功；

3)发射信号的设计：

经过随机天线选择后发射端天线数M＝12，采用QPSK调制，假设发射角θ＝30°，将波束主瓣对准期望方向θ_L，即θ_L＝θ＝30°，将期望方向上的方向图函数表示为h(θ_L)，那么经畸变系数模块处理后的相位为π/4的发射信号向量设计成为：

4)信号的接收处理方法：

对于合法接收端，其方位角与发射角一致，即θ_L＝θ；且合法接收端即地面基站对列车实时速度v、距离L、发射天线数M等信息是已知的，则能恢复出原始信号的幅度和相位信息，因此合法接收端的信号即发射信号为：

对于非法接收端，假设非法窃听者方位角为θ_E＝45°时，该方向的接收信号为：

其中，b(k)表示选择的M根发射天线的集合，其选择具有一定的随机性；可以看出，当非法窃听者方位角为θ_E＝45°时，非法接收端的信号幅度在畸变系数γ和选择天线数目M的影响下，相较于原始信号，幅度的偏离程度为50％；此外，天线的随机选择性也增大了非法窃听端确定相位的难度，在畸变系数γ和方位角θ_E的影响下，相较于原始信号，相位的畸变程度可以达到94.09％；

假设非法窃听者方位角为θ_E＝60°时，该方向的接收信号为：

可以看出，当非法窃听者方位角为θ_E＝60°时，非法接收端的信号幅度在畸变系数γ和选择天线数目M的影响下，相较于原始信号的幅度，其畸变程度为50％；天线的随机选择性也增大了非法窃听端确定相位的难度，在畸变系数γ和方位角的影响下，相较于原始信号，相位的畸变程度达到97.28％。

图3是非法方向上信号相位的畸变程度随窃听者方位角θ_E的增大的变化曲线。当非法窃听者方位角θ_E与发射角θ相差越多，即非法窃听者的方向越偏离合法方向时，信号相位畸变越严重，非法窃听者就越难恢复出原始信号的幅度和相位信息，在一定程度上保证了车地间信息传输的安全性。

综上所述，上述实施例用于轨道交通物理层安全的基于天线子集选择的方向调制方法，在选择发射天线时，提出了基于轨道交通场景的天线空间隔离度，并结合轨道交通中列车的实时运行速度v、到基站的距离L等参数，在保证天线的空间隔离度大于30dB的情况下，对发射天线子集数目M求导，得到最优选的发射天线方案，提升了轨道交通系统的高效性和安全性；同时在天线选择模型中设计了畸变系数模块，结合天线到基站距离L、所成角度α_k等参数设计了天线的畸变系数γ，该畸变系数使非法接收方向上的信号的幅度和相位随着列车的运行而发生变化，其中相位的畸变程度可以达到98％以上，这在一定程度上改善了传统方向调制中，因非法方向上信号的畸变程度不够造成的信息传输不安全的问题。本发明方法适用于轨道交通物理层安全的基于天线子集选择的方向调制方法。本发明将天线选择模型与方向调制技术相结合，考虑到列车运行时天线间干扰等安全问题，提出了轨道交通场景下的基于天线空间隔离度的天线选择方法，并通过在天线子集选择模型中引入随列车运行而实时变化的畸变系数，使得非法窃听者接收方向上的信号的幅度和相位随着列车运行产生一定程度的畸变，增大了其恢复原始信号的难度，从而提升了车地通信的安全性。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于轨道交通物理层安全的基于天线选择的方向调制方法，其特征在于，操作步骤如下：

1)发射天线选择；

2)畸变系数设计；

3)发射信号设计；

4)信号接收处理；

在所述步骤1)中，发射天线选择方法步骤如下：

在车地无线通信过程中，通过发射端的天线选择和相位控制模块进行发射天线子集的选择；采用天线间干扰指标，即天线空间隔离度制定了发射天线的选择方法，将轨道交通场景下的天线的空间隔离度设计为：

其中，N是发射端天线总数目，M是选择的发射天线数目，v为列车运行的实时速度，ρ_k表示第K个时刻接收端信噪比，f为载波频率，B为带宽，C为光速，Pr表示天线接收端口的输入功率，E为能效；对上式中选择的发射天线数M求偏导，得到列车的实时速度与天线空间隔离度的关系，同时在系统能效的约束下，结合列车实时运行情况，选择最优的发射天线数目M；

在所述步骤2)中，畸变系数设计方法步骤如下：

在保证车地通信质量的前提下，为发射端信号增加了畸变系数模块，该模块位于天线选择和相位控制模块之后，具体地将畸变系数设计为：

其中，L表示列车与地面基站的实时距离，α_k表示第k根车载天线与当前通信基站的夹角；

上述发射天线的选择方法以及畸变系数的设计均与列车的实时运行情况有关，为获得列车实时运行的速度、位置信息，上述系统需与车载设备中的ATO系统相关联，ATO设备负责列车运行监控、测速定位功能；

在所述步骤3)中，发射信号设计方法步骤如下：

在发射端，首先采用所述步骤1)中的天线选择方法从N根车载天线中选择M根天线来发送第k个符号，用b(k)来描述这M根发射天线的集合；假设发射功率为Es，信号的发射角为θ，发射时将波束主瓣对准期望方向θ_L，因此有θ_L＝θ，将期望方向上的方向图函数表示为h(θ_L)，那么经畸变系数模块处理后的相位为

的发射信号向量设计成为：

在所述步骤4)中，信号接收处理方法步骤如下：

在接收端存在合法接收端和非法窃听者；对于合法接收端，其方位角与发射角一致，即θ_L＝θ；且合法接收端即地面基站对列车实时速度v、距离L、发射天线数M信息是已知的，则恢复出原始信号的幅度和相位信息，得到合法接收端的信号即发射信号为：

对于非法接收端，假设非法窃听者方位角为θ_E，与发射角θ不一致，那么其接收的信号为：

其中，其中h*(θ)表示任意方向的自由空间信道，d为天线沿水平方向的间隔，λ表示波长，假设d＝λ/2。

Images