CN117176467A - 一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质，适用于通信技术领域。通过国密算法对待传输数据加密确定第一传输数据；根据OFDM调频方式对第一传输数据扩频调制和跳频方式调制处理得到第二传输数据；通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端，将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，将第一传输数据解密得到待传输数据。通过国密算法加密形式，防止数据窃取风险，同时对于接触网电力载波通信方式的硬线传输，减少对外接口，提高网络信息安全攻击风险，无需额外布线，节约成本。通过OFDM调频方式分别与扩频、跳频方式的结合，提高抗干扰性和稳定性，减少信号干扰和衰减。

Description

一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质。

背景技术

随着网络技术的发展，当前的轨道车辆车载网络系统数据通过车载无线传输装置(Wireless data Transmission Device，WTD)将数据传输至地面。

这种无线传输数据在实际传输过程中未加密或者采用简单的数据字段，如数据字段转换进行加密，容易造成数据窃取风险。另外，该无线传输装置会存在空口链路，空口链路容易受到网络信息安全攻击风险。考虑到上述车地传输的数据风险的情况，目前较少使用采用电力线载波通信，但是电力线载波通信会出现信号干扰以及衰减情况，导致传输出现时延不稳定。

因此，如何在电力线载波通信的数据传输中提高传输数据安全以及抗干扰能力是本领域技术人员亟需要解决的。

发明内容

本发明的目的是提供一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质，以解决现有的通过无线传输数据存在的对外接口导致数据窃取风险、信息安全攻击风险以及现有的电力线载波通信出现的信号干扰和衰减造成的传输延时和稳定的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种车地通信的数据传输方法，应用于列车端，包括：

获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端，以便于所述地面端将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，并将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

优选地，所述通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据，包括：

根据密码学算法和随机数生成器生成用户密钥；

将所述待传输数据进行分段处理得到各分段数据；

将各所述分段数据结合所述用户密钥和所述密码学算法进行加密以得到对应的加密数据；

将各所述加密数据进行打包得到所述第一传输数据。

优选地，所述根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据，包括：

根据所述OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息；

根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行跳频调制处理得到所述第二传输数据。

优选地，所述根据所述OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息，包括：

利用伪随机序列生成器生成一个伪随机码序列；

将所述第一传输数据与所述伪随机码序列进行逐比特乘积运算得到扩频脉冲；

将所述扩频脉冲进行OFDM载波调制以便于通过信道将所述扩频调制信息进行处理得到扩频调制信息。

优选地，所述根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行跳频调制处理得到所述第二传输数据，包括：

根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行处理得到原始调制信息；

利用频率合成器产生各频率数据；

根据跳频序列生成器和各所述频率数据确定各时间片段内对应的目标频率数据；

将所述原始调制信息与各所述时间段的所述目标频率数据进行调制以确定跳频调制数据，并将所述跳频调制数据作为所述第二传输数据。

优选地，在所述原始调制信息与各所述时间段的所述目标频率数据的调制过程基于跳频图案进行调制；

对应地，所述跳频图案的确定过程，包括：

根据时频分析法对所述原始调制信息进行粗估计确定跳频范围；

获取窗函数的起始位置和宽度；

根据所述起始位置和宽度在所述跳频范围内确定频谱峰值占比最大值；

利用所述窗函数确定所述频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速；

根据所述频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速对所述原始调制信息进行STFT变换以确定各所述时间段内所述频谱峰值占比最大值对应的频率以作为各所述时间段的跳频频率；

根据所述跳频频率和各所述时间段确定所述跳频图案。

优选地，在所述通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端之前，还包括：

建立所述列车端与所述地面端的安全连接；

对应地，在所述建立所述列车端与所述地面端的安全连接之前，还包括：

对所述列车端与所述地面端进行身份认证和密钥交换以确定所述列车端与所述地面端的安全传输。

优选地，通过所述接触网电力载波通信对应的硬线连接线将所述第二传输数据传输至所述地面端。

优选地，所述用户密钥的更新过程包括：

获取所述用户密钥的生成时间；

若所述生成时间超出预设时间，则对所述用户密钥进行更新以得到更新后的所述用户密钥；

或者，在利用所述用户密钥传输过程中，出现所述第一传输数据传输至所述地面端解密后未得到所述待传输数据，则确定所述第一传输数据传输出现错误；

将所述用户密钥进行更新以得到更新后的所述用户密钥。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种车地通信的数据传输方法，应用于地面端，包括：

获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据，其中，所述第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，所述第一传输数据是由所述列车端采集的待传输，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密确定得到；

将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据；

将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

优选地，所述将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输，包括：

采用所述国密算法相对应的解密算法对所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据。

优选地，在获取所述第二传输数据之后，在所述将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据之前，还包括：

通过校验方法对所述第二传输数据进行校验，其中，所述校验方法至少包括消息认证码和/或数字签名的一种或者多种；

若校验通过，则进入至所述将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据的步骤。

优选地，所述将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，包括：

获取所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理后的载波信息；

获取基准载波信息；

将所述载波信息和所述基准载波信息进行比较；

若相同，则将所述载波信息作为所述第一传输数据。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种车地通信的数据传输系统，应用于列车端，包括：

第一获取模块，用于获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

调制处理模块，用于根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

传输模块，用于通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端，以便于所述地面端将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，并将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种车地通信的数据传输系统，应用于地面端，包括：

第二获取模块，用于获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据，其中，所述第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，所述第一传输数据是由所述列车端采集的待传输，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密确定得到；

解调处理模块，用于将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据；

解密模块，用于将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种车地通信的数据传输装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述的车地通信的数据传输方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的车地通信的数据传输方法的步骤。

本发明提供的一种车地通信的数据传输方法，应用于列车端，包括：获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对待传输数据进行加密以确定第一传输数据；根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端，以便于地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，并将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。该方法通过国密算法加密形式，防止数据窃取风险，同时对于接触网电力载波通信方式的硬线传输，相对于现有的无线传输装置的空口链路的设置以提高网络信息安全攻击风险，也就是利用现有铁路接触网电线传输，无需额外布线，节约成本。另外，通过OFDM信号调频方式分别与扩频、跳频方式的结合，提高抗干扰性和稳定性，减少信号干扰和衰减。

另外，本发明还提供了一种应用于地面端的车地通信的数据传输方法、应用于列车端和地面端的车地通信的数据传输系统、装置及介质，具有如上述车地通信的数据传输方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种跳频图案的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种车地通信的数据传输方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种应用于列车端的车地通信的数据传输系统的结构图；

图6为本发明实施例提供的一种应用于地面端的车地通信的数据传输系统的结构图；

图7为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输装置的结构图；

图8为本发明实施例提供的另一种车地通信的数据传输系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的核心是提供一种车地通信的数据传输方法、系统、装置及介质，以解决现有的通过无线传输数据存在的对外接口导致数据窃取风险、信息安全攻击风险以及现有的电力线载波通信出现的信号干扰和衰减造成的传输延时和稳定的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，本发明中利用接触网实现电力线载波通信，在多机牵引中，通过接触网为媒介，将数据信息由列车端发送至地面端，在列车端穿行于多山脉地区、穿隧道行驶或者转弯等情况，无线传输的信号可能会受到阻隔而无法可靠传输；同时无线传输对外接口较多，主要通过WTD采用4G/5G通信方式将数据传输到地面，使得车载网络系统存在对外接口，带来网络信息安全攻击风险。

目前电力线载波通信存在的问题，主要集中在电力线上对数据信号的衰减和干扰非常严重，包括固有的高噪声、多经效应和频率衰减等方面。铁道单相工频交流借厨房，不平衡的供电回路在其周期空间产生电场和磁场，对镀金通信会产生电磁危险影响和杂音干扰影响。接触网电力线载波通道的衰减包括线路衰减、耦合损失和桥路损失三部分。线路衰减主要由以下参数决定：线路长度和导线排列、相导线的结构和材料、地线的结构和材料、载波频率、耦合方式、大地电阻率、铁塔效应、天气情况、线路的不均匀性。耦合损失：经过结合设备和高频电缆的损失、由于阻波器和未阻塞相泄漏引起的载波信号分流损失。桥路损失是指载波信号在通道中经过高频桥路时的损失。本发明提供的车地通信的数据传输方法，可以解决上述技术问题。

图1为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输方法的示意图，如图1所示，该方法应用于列车端，包括：

S11：获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

S12：根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

S13：通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端，以便于地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，并将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。

具体地，获取列车端需要传输至地面端的待传输数据，该待传输数据可以是实时传输，也可以是定期传输，还可以是达到存储界限后进行传输，在此不做限定。国密算法，即国家商用密码算法，是由国家密码管理局认定和公布的密码算法标准及其应用规范，其中部分密码算法已经成为国际标准。如SM系列密码，SM代表商密，即商业密码，是指用于商业的、不涉及国家秘密的密码技术。具体的国密算法包括三类，一种是对称加密、一种是非对称/公钥加密，一种是密码杂凑/散列，本实施例对应的具体国密算法不做限定，可以根据实际情况设定即可。

本实施例的国密算法区分于现有的通信协议数据字段加密，国密算法主要有SM1-4，密钥长度和分组长度均为128位，对于通信协议数据简单，很容易被攻破。通过国密算法对待传输数据进行加密，以确保数据在传输过程中的安全性。

利用国密算法生成用户密钥，密钥被生成后，会进行安全性存储，以防止非授权访问。存储密钥的方式可以包括硬件安全模块(Hardware Security Module，HSM)、安全密钥管理系统(Secure Key Management Service，SKMS)或者其他专门的密钥管理软件。

作为一种实施例，通过国密算法对待传输数据进行加密以确定第一传输数据，包括：

根据密码学算法和随机数生成器生成用户密钥；

将待传输数据进行分段处理得到各分段数据；

将各分段数据结合用户密钥和密码学算法进行加密以得到对应的加密数据；

将各加密数据进行打包得到第一传输数据。

具体地，根据密码学算法和随机数生成器生成用户密钥，以确保密钥的安全性，将待传输数据进行分段处理，本实施例中的分段是基于待传输数据的长度处理得到。将各分段数据结合用户密钥和密码学算法进行加密以确定各分段数据对应的加密数据。将加密后的各分段数据进行打包得到第一传输数据。本实施例中采用密钥分发的形式，在需要使用密钥的地方，被分发到相应的系统或者设备上，但是需要确保密钥的安全传输以防止密钥被恶意修改或者破解截获。

需要说明的是，密钥在使用时，用于加密、解密、签名或者验证等操作，需要遵循制定的安全策略和最佳实践，以确保密钥的安全性和有效性。

作为一种实施例，用户密钥的更新过程包括：

获取用户密钥的生成时间；

若生成时间超出预设时间，则对用户密钥进行更新以得到更新后的用户密钥；

或者，在利用用户密钥传输过程中，出现第一传输数据传输至地面端解密后未得到待传输数据，则确定第一传输数据传输出现错误；

将用户密钥进行更新以得到更新后的用户密钥。

具体地，为了避免密钥被长期使用而导致安全性降低，需要定期更新密钥。可以根据使用期限进行更新，也可以是在传输过程中存在错误或者未传输至地面端的情况时进行更新，均可进行更新。

更新的过程，可以基于当前的用户密钥迭代更新，即密钥更新可以是生成新的密钥，逐渐替代旧的密钥；也可以采用其他全新的用户密钥，即通过不同的加密算法确定的用户密钥进行更新，对现有密钥进行相应的变更。在此不做限定，可根据实际情况进行设定。

对应地，在更新用户密钥的过程中，还可以将不需要的用户密钥进行撤销，当密钥失效、遭到泄露、或者不再需要时，需要及时撤销密钥。密钥的撤销确保了之前使用该密钥的系统或设备不再能够使用该密钥进行操作。密钥销毁可以通过两种方式完成。一是直接在存储中删除密钥；二是删除加密密钥的密钥。

在步骤S11中确定第一传输数据之后，根据正交频分复用(orthogonal frequencydivision Mutiplexing，OFDM)信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式进行调制处理得到第二传输数据。需要说明的是，本实施例中的扩频调制处理与跳频方式可以均结合OFDM信号调频方式，也可以两种处理方式的任意一种方式结合OFDM信号调频方式进行调制处理以得到第二传输数据。在此不做限定，可以根据实际情况设定即可。

采用正交频分复用技术来实现对信号的调制。它利用多个相互正交的子载波来传送信息，不但大大提高了频谱利用率，同时也有效克服了电力线信道中的频率选择性衰落和多径时延，实现了高速、可靠的数据通信，并采用扩频跳频通信方式，抗干扰能力强，能够保证数据传输的稳定性。

对于扩频调制，是通过在信号中引入较大的带宽扩展，使信号的能量在频谱上分散，从而降低信号的峰值功率密度，增加信号和干扰信号之间的距离。对于跳频调制，跳频数据通信通过在不同的频率上进行频繁切换来传输数据。其原理是将整个频谱范围分成多个子频段，并按照事先确定的跳频序列，在不同的时间片段中在这些频段之间切换。

经过两个调制方式的调制处理后得到第二传输数据，再通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端。

作为一种实施例，通过接触网电力载波通信对应的硬线连接线将第二传输数据传输至地面端。

具体地，硬线连接线双向连接或者单向连接均可以实现，在此不做限定，可以根据实际情况设定即可。需要说明的是，接触网电子载波通信利用给列车供电的接触网进行通信，优选实施例为接触网电压城轨列车直流电1500V/750V，高铁交流电25kV。

地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理进行还原至第一传输数据，上述实施例中的调制将需要传输的数据转换成适合在电力线上进行传输的信号形式，解调是将经过电力线传输的信号进行解调，恢复成原始的数据形态以便于后续处理和解析。

将第一传输数据进行解密，对列车端加密的第一传输数据进行解密，使其恢复成原始的明文数据，对应的解密算法可以是加密算法相同对应的对称密钥解密，也可以在上述非对称的加密算法中使用额外新的解密算法进行解密，在此不做限定，可以根据实际情况设定即可。

本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输方法，应用于列车端，包括：获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对待传输数据进行加密以确定第一传输数据；根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端，以便于地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，并将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。该方法通过国密算法加密形式，防止数据窃取风险，同时对于接触网电力载波通信方式的硬线传输，相对于现有的无线传输装置的空口链路的设置以提高网络信息安全攻击风险，也就是利用现有铁路接触网电线传输，无需额外布线，节约成本。另外，通过OFDM信号调频方式分别与扩频、跳频方式的结合，提高抗干扰性和稳定性，减少信号干扰和衰减。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据，包括：

根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息；

根据OFDM信号调频方式对扩频调制信息进行跳频调制处理得到第二传输数据。

具体地，本实施例中的扩频调制处理与跳频方式可以均结合OFDM信号调频方式，在扩频调制处理后得到扩频调制信息，在跳频调制处理后得到第二传输数据，以此保证每一个调制阶段均结合OFDM信号调频方式，使得信号抗干扰性提高。

作为一种实施例，根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息，包括：

利用伪随机序列生成器生成一个伪随机码序列；

将第一传输数据与伪随机码序列进行逐比特乘积运算得到扩频脉冲；

将扩频脉冲进行OFDM载波调制以便于通过信道将扩频调制信息进行处理得到扩频调制信息。

扩频调制过程包括：伪随机序列生成、扩频脉冲形成和调制器。首先，使用伪随机序列生成器产生一个伪随机码序列。然后，通过将原始数据信号与伪随机码进行逐比特乘积运算，形成扩频脉冲。最后，通过调制器将扩频脉冲调制到载波上，得到扩频调制信号。在接收端，通过将接收到的扩频信号与发送端相同的伪随机码进行乘积运算，并对结果进行积分平均，可还原出原始数据信号。它是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

作为一种实施例，根据OFDM信号调频方式对扩频调制信息进行跳频调制处理得到第二传输数据，包括：

根据OFDM信号调频方式对扩频调制信息进行处理得到原始调制信息；

利用频率合成器产生各频率数据；

根据跳频序列生成器和各频率数据确定各时间片段内对应的目标频率数据；

将原始调制信息与各时间段的目标频率数据进行调制以确定跳频调制数据，并将跳频调制数据作为第二传输数据。

跳频通信过程包括：频率合成器、跳频序列生成器和调制器。首先，使用频率合成器产生一系列离散的频率。然后，通过跳频序列生成器生成一个预先确定的跳频序列，该序列决定了在每个时间片段中所使用的频率。最后，将要传输的数据信号与当前时间片段所对应的频率进行调制，形成跳频调制信号。在接收端，接收到的跳频调制信号会经过相同的跳频序列生成器，根据跳频序列确定当前时间片段所使用的频率，并将接收到的信号与当前频率进行解调，还原出原始的数据信号。跳频通信技术由于自身的保密性好，难于被侦查，易于实现多址组网。

OFDM调制的实质就是把串行数据转换为并行数据后经过快速傅立叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)变换，数据经过编码后送入到数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片进行OFDM调制，星座映射把数据映射到系统确定的复数坐标上，经过串并转换即可进行IFFT变换，完成OFDM调制。具体地，在跳频电台信源部分，加入OFDM基带调制，得到OFDM基带信号后传入跳频调制系统，经过跳频调制后发送得到跳频调制信息，作为第二传输数据。

作为一种实施例，在原始调制信息与各时间段的目标频率数据的调制过程基于跳频图案进行调制；

对应地，跳频图案的确定过程，包括：

根据时频分析法对原始调制信息进行粗估计确定跳频范围；

获取窗函数的起始位置和宽度；

根据起始位置和宽度在跳频范围内确定频谱峰值占比最大值；

利用窗函数确定频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速；

根据频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速对原始调制信息进行STFT变换以确定各时间段内频谱峰值占比最大值对应的频率以作为各时间段的跳频频率；

根据跳频频率和各时间段确定跳频图案。

需要说明的是，由于跳频信号跳变速度极快，频率集很大，很大一部分时间可以避开干扰频带继续通信，相比于传统的定频通信，跳频信号受这种强干扰的影响大大降低，极大的提高了通信质量。

对于跳频信号的跳频图案的确定方法不做限定，本实施例为了减小低信噪比下干扰和噪声对跳频信号检测的影响，通过时频分析的多跳频信号确定。跳频信号属于一种时间上有明显特征的一种信号，从单次加窗的功率谱中是无法识别出调频信号的，因此需要以一定的时间间隔为单位，获得若干次功率谱数据，并对若干次功率谱数据的联合检测来识别跳频信号。因此我们以时间进程来对信号进行多次采集和功率谱估计。获取一个信号切片分为两步进行，分别是信号采集和功率谱估计，如此重复获取多个信号切片，以每一个信号切片得到的功率谱数据来代表这个信号切片时间内信号的功率谱数据。

具体步骤如下：

一、加载跳频数据；

二、对跳频信号进行采样；

三、通过时频分析法进行粗估计，确定跳频范围；

四、不断改变窗函数的起始位置和窗函数宽度，寻找频谱峰值所占比重最大值，利用窗函数参数确定跳时和跳速；

五、根据频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速对原始调制信息进行短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform，STFT)变换以确定各时间段内频谱峰值占比最大值对应的频率以作为各时间段的跳频频率，确定最终的跳频图案。

本实施例中的跳频图案的确定不仅具备密码特性，而且具有良好的相关性，同时相邻频点间间隔明显增加。图2为本发明实施例提供的一种跳频图案的示意图，如图2所示，根据时间片段和频率确定的跳频图案。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，在通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端之前，还包括：

建立列车端与地面端的安全连接；

对应地，在建立列车端与地面端的安全连接之前，还包括：

对列车端与地面端进行身份认证和密钥交换以确定列车端与地面端的安全传输。

需要说明的是，在传输数据之前，先建立列车端与地面端之间的安全连接，以便于后续传输数据，具体的建立连接之前，交换身份认知和密钥信息，以保证列车端与地面端的安全传输，且双方的身份合法以及密钥的安全性。

图3为本发明实施例提供的另一种车地通信的数据传输方法的流程图，如图3所示，该方法应用于地面端，包括：

S21：获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据；

其中，第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，第一传输数据是由列车端采集的待传输，并通过国密算法对待传输数据进行加密确定得到；

S22：将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据；

S23：将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。

本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输方法，应用于地面端，包括：地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，并将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。该方法通过国密算法这种复杂的加密形式，防止数据窃取风险，同时对于接触网电力载波通信方式的硬线传输，减少对外接口，提高网络信息安全攻击风险，也就是利用现有铁路接触网电线传输，无需额外布线，节约成本。另外，通过OFDM信号调频方式分别与扩频、跳频方式的结合，提高抗干扰性和稳定性，减少信号干扰和衰减。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输，包括：

采用国密算法相对应的解密算法对第一传输数据进行解密得到待传输数据。

具体地，将第一传输数据进行解密，对列车端加密的第一传输数据进行解密，使其恢复成原始的明文数据，对应的解密算法可以是加密算法相同对应的对称密钥解密，也可以在上述非对称的加密算法中使用额外新的解密算法进行解密，在此不做限定，可以根据实际情况设定即可。本实施例考虑到国密算法的对称算法，则会采用对称算法相同的解密算法对第一传输数据进行解密，以得到明文数据，即待传输数据以加快解密速度，也确保数据的机密性。

在上述实施例的基础上，在获取第二传输数据之后，在将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据之前，还包括：

通过校验方法对第二传输数据进行校验，其中，校验方法至少包括消息认证码和/或数字签名的一种或者多种；

若校验通过，则进入至将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据的步骤。

具体地，在数据传输过程中，通过校验方式对第二传输数据进行检验，以防止数据在传输过程中被篡改，保证数据的完整性。

对于校验方式不做限定，可以是一种校验方式，也可以是多种校验方式的叠加结合。具体地为消息认证码(Message Authentication Code，MAC)和/或数字签名。MAC要求发送方与接收方知道共享对称密钥，用其准备MAC。数字签名是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

在只有校验通过的情况下，才可以进入步骤S22的还原，若检验不通过，则及时制止并记录当前的数据，以便于后续检查具体的出现问题的地方。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，包括：

获取第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理后的载波信息；

获取基准载波信息；

将载波信息和基准载波信息进行比较；

若相同，则将载波信息作为第一传输数据。

具体地，地面端使用专门的接收设备接收电力线路上传输的载波信号，并将其解调还原成原始的数据信号。解调过程涉及将载波信号与提取出来的基准载波信号相比较，以恢复出数据信号的特征。本实施例中的解调过程中的比较过程，是便于恢复数据信号的特征。

图4为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输系统的示意图，如图4所示，该系统包括车载控制模块1、通信数据发送/接收模块2、加密模块3、调制模块4、解调模块5、解密模块6、地面控制中心模块7、密钥管理模块8以及接触网电力线模块9。各模块功能如下：

车载控制模块1：负责控制整个车载系统的运行，包括通信模块的启动、停止以及各种控制指令的发送。

通信数据发送/接收模块2：负责将需要传输的数据转换成适合通过接触网电力线路传输的形式，并在接收端将接收到的数据解析出来。

加密模块3：用于对传输的数据进行加密，确保数据的安全性，防止被非法篡改或窃取。

调制模块4：将需要传输的数据转换成适合在电力线上进行传输的信号形式。

解调模块5：负责将经过电力线传输的信号进行解调，恢复成原始的数据形态，以供后续处理和解析。

解密模块6：对加密的数据进行解密，使其恢复成原始的明文数据。

密钥管理模块7：用于生成、存储和管理加密通信所需的密钥，确保通信过程中的安全性。

地面控制中心模块8：负责管理和监控车载控制模块的状态、数据传输情况等，并与其他调度系统进行信息交互。

接触网电力线功能模块9：用于实现电力线与通信设备之间的连接，提供稳定的电力载波通信环境。

系统模块相互配合，组成接触网电力载波通信数据传输系统，实现轨道车辆车载网络系统数据在接触网电力线路上进行可靠、高效传输。

上述详细描述了车地通信的数据传输方法对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开与上述方法对应的车地通信的数据传输系统，图5为本发明实施例提供的一种应用于列车端的车地通信的数据传输系统的结构图。如图5所示，包括：

第一获取模块11，用于获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

调制处理模块12，用于根据OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

传输模块13，用于通过接触网电力载波通信将第二传输数据传输至地面端，以便于地面端将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据，并将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。

图6为本发明实施例提供的一种应用于地面端的车地通信的数据传输系统的结构图。如图6所示，包括：

第二获取模块14，用于获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据，其中，第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，第一传输数据是由列车端采集的待传输，并通过国密算法对待传输数据进行加密确定得到；

解调处理模块15，用于将第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至第一传输数据；

解密模块16，用于将第一传输数据进行解密得到待传输数据以完成数据传输。

由于系统部分的实施例与上述的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参照上述方法部分的实施例描述，在此不再赘述。

对于本发明提供的一种车地通信的数据传输系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述，其具有上述车地通信的数据传输方法相同的有益效果。

图7为本发明实施例提供的一种车地通信的数据传输装置的结构图，如图7所示，该装置包括：

存储器21，用于存储计算机程序；

处理器22，用于执行计算机程序时实现车地通信的数据传输方法的步骤。

其中，处理器22可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器22可以DSP、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器22也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器(Central Processing Unit，CPU)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器22可以集成有图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器22还可以包括人工智能(Artificial Intelligence，AI)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器21可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器21还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器21至少用于存储以下计算机程序211，其中，该计算机程序被处理器22加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的车地通信的数据传输方法的相关步骤。另外，存储器21所存储的资源还可以包括操作系统212和数据213等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统212可以包括Windows、Unix、Linux等。数据213可以包括但不限于车地通信的数据传输方法所涉及到的数据等等。

在一些实施例中，车地通信的数据传输装置还可包括有显示屏23、输入输出接口24、通信接口25、电源26以及通信总线27。

领域技术人员可以理解，图7中示出的结构并不构成对车地通信的数据传输装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。

处理器22通过调用存储于存储器21中的指令以实现上述任一实施例所提供的车地通信的数据传输方法。

对于本发明提供的一种车地通信的数据传输装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述，其具有上述车地通信的数据传输方法相同的有益效果。

进一步的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器22执行时实现如上述车地通信的数据传输方法的步骤。

可以理解的是，如果上述实施例中的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

对于本发明提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述，其具有上述车地通信的数据传输方法相同的有益效果。

图8为本发明实施例提供的另一种车地通信的数据传输系统的示意图，如图8所示，信号数据源在列车端依次通过数据加密、信号调制器32、跳频调制器33得到第二传输数据，其中数据加密通过密钥管理模块31加入用户密钥，在跳频调制器33内通过跳频序列发生器37和频率合成器36的结合确定。第二传输数据通过接触网载波通信信道传输至地面端，地面端将第二传输数据依次通过跳频解调器34、信息解调器35、数据解密还原至数据信号源，即信宿。其中，跳频解调器34通过频率合成器36和跳频序列发生器37的结合确定，数据解密通过密钥管理模块31接入用户密钥进行解密。

以上对本发明所提供的一种车地通信的数据传输方法、车地通信的数据传输系统、车地通信的数据传输装置及介质进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (17)

1.一种车地通信的数据传输方法，其特征在于，应用于列车端，包括：

获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端，以便于所述地面端将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，并将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

2.根据权利要求1所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据，包括：

根据密码学算法和随机数生成器生成用户密钥；

将所述待传输数据进行分段处理得到各分段数据；

将各所述分段数据结合所述用户密钥和所述密码学算法进行加密以得到对应的加密数据；

将各所述加密数据进行打包得到所述第一传输数据。

3.根据权利要求2所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据，包括：

根据所述OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息；

根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行跳频调制处理得到所述第二传输数据。

4.根据权利要求3所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述根据所述OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制处理得到扩频调制信息，包括：

利用伪随机序列生成器生成一个伪随机码序列；

将所述第一传输数据与所述伪随机码序列进行逐比特乘积运算得到扩频脉冲；

将所述扩频脉冲进行OFDM载波调制以便于通过信道将所述扩频调制信息进行处理得到扩频调制信息。

5.根据权利要求3或4所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行跳频调制处理得到所述第二传输数据，包括：

根据所述OFDM信号调频方式对所述扩频调制信息进行处理得到原始调制信息；

利用频率合成器产生各频率数据；

根据跳频序列生成器和各所述频率数据确定各时间片段内对应的目标频率数据；

将所述原始调制信息与各所述时间段的所述目标频率数据进行调制以确定跳频调制数据，并将所述跳频调制数据作为所述第二传输数据。

6.根据权利要求5所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，在所述原始调制信息与各所述时间段的所述目标频率数据的调制过程基于跳频图案进行调制；

对应地，所述跳频图案的确定过程，包括：

根据时频分析法对所述原始调制信息进行粗估计确定跳频范围；

获取窗函数的起始位置和宽度；

根据所述起始位置和宽度在所述跳频范围内确定频谱峰值占比最大值；

利用所述窗函数确定所述频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速；

根据所述频谱峰值占比最大值对应的跳时和跳速对所述原始调制信息进行STFT变换以确定各所述时间段内所述频谱峰值占比最大值对应的频率以作为各所述时间段的跳频频率；

根据所述跳频频率和各所述时间段确定所述跳频图案。

7.根据权利要求1所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，在所述通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端之前，还包括：

建立所述列车端与所述地面端的安全连接；

对应地，在所述建立所述列车端与所述地面端的安全连接之前，还包括：

对所述列车端与所述地面端进行身份认证和密钥交换以确定所述列车端与所述地面端的安全传输。

8.根据权利要求7所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，通过所述接触网电力载波通信对应的硬线连接线将所述第二传输数据传输至所述地面端。

9.根据权利要求2所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述用户密钥的更新过程包括：

获取所述用户密钥的生成时间；

若所述生成时间超出预设时间，则对所述用户密钥进行更新以得到更新后的所述用户密钥；

或者，在利用所述用户密钥传输过程中，出现所述第一传输数据传输至所述地面端解密后未得到所述待传输数据，则确定所述第一传输数据传输出现错误；

将所述用户密钥进行更新以得到更新后的所述用户密钥。

10.一种车地通信的数据传输方法，其特征在于，应用于地面端，包括：

获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据，其中，所述第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，所述第一传输数据是由所述列车端采集的待传输，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密确定得到；

将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据；

将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

11.根据权利要求10所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输，包括：

采用所述国密算法相对应的解密算法对所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据。

12.根据权利要求10所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，在获取所述第二传输数据之后，在将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据之前，还包括：

通过校验方法对所述第二传输数据进行校验，其中，所述校验方法至少包括消息认证码和/或数字签名的一种或者多种；

若校验通过，则进入至所述将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据的步骤。

13.根据权利要求10所述的车地通信的数据传输方法，其特征在于，所述将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，包括：

获取所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理后的载波信息；

获取基准载波信息；

将所述载波信息和所述基准载波信息进行比较；

若相同，则将所述载波信息作为所述第一传输数据。

14.一种车地通信的数据传输系统，其特征在于，应用于列车端，包括：

第一获取模块，用于获取列车端的待传输数据，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密以确定第一传输数据；

调制处理模块，用于根据OFDM信号调频方式对所述第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到第二传输数据；

传输模块，用于通过接触网电力载波通信将所述第二传输数据传输至地面端，以便于所述地面端将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据，并将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

15.一种车地通信的数据传输系统，其特征在于，应用于地面端，包括：

第二获取模块，用于获取由列车端通过接触网电力载波通信传输过来的第二传输数据，其中，所述第二传输数据是由OFDM信号调频方式对第一传输数据进行扩频调制和跳频方式的调制处理得到，所述第一传输数据是由所述列车端采集的待传输，并通过国密算法对所述待传输数据进行加密确定得到；

解调处理模块，用于将所述第二传输数据进行跳频方式和扩频解调的解调处理还原至所述第一传输数据；

解密模块，用于将所述第一传输数据进行解密得到所述待传输数据以完成数据传输。

16.一种车地通信的数据传输装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至13任一项所述的车地通信的数据传输方法的步骤。

17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至13任一项所述的车地通信的数据传输方法的步骤。