[发明专利]一种高速列车5G通信系统物理层加密方法

说明书

本发明公开了一种高速列车5G通信系统物理层加密方法。它包括以下步骤：使用优化的Henon混沌系统将无线信道中提取的秘钥作为初始值，生成新的混沌序列组成秘钥K1、K2、K3；使用K1、K2实现对天线组合和映射模式的加密，由K3决定的天线激活顺序用于对信息进行空间排列调制；通过结合密钥并按照相应的顺序进行逆向操作，接收方对信息进行解密。本发明提高了多输入多输出无线通信系统物理层安全性，降低了多路径衰落效应，提升了误码率性能，保障通信系统安全运行。

技术领域

本发明涉及到无线通信物理层加密技术领域，具体涉及到一种高速列车5G通信系统物理层加密方法。

背景技术

随着科学技术的进步和日常生活需求的不断提高，无线通信技术和通信加密技术不断发展带动着铁路通信技术的快速发展。我国第一条高速铁路武广高铁在2009年10月投入运营，动车组被广泛运用到我国各铁路干线标志着我国铁路持续向现代化技术迈进。高速列车为我们日常出行提供很大便利，在考虑机车运行安全性、稳定性和经济性等性能指标时，控制信号低延时高可靠性的无线传输变得越来越重要。由于传统GSM-R受限于2G技术窄带通信的局限性，5G技术在高速列车上的应用已成为列车通信研究重点之一。

作为机车通信系统，5G技术在传输速率和延迟上占有优势，还有升级便利、成本低的优点，大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术可产生多个并行的独立信道，在不增加带宽的情况下提高数据传输速率。然而无线系统的开放性使得遭受干扰和窃听类的攻击，因此实现对列车5G通信系统的安全加密是非常重要的。当前无线通信网络主要采用基于对称/非对称密钥的分发和管理，通过加密和认证方式保证数据链路和控制链路的安全，关键在于如何实现密钥的分发和管理。现有解决方法主要采用事先约定或者密钥交换的方式。事先约定的密钥分发方式存在严重安全隐患，可以通过攻击核心网等方式盗窃永久密钥。随着量子计算的飞速发展，依靠计算复杂度的密钥交换协议也面临着被破解的风险。

目前无线通信物理层安全研究分为两条主线：一是基于窃听信道模型的无密钥信息论安全传输技术，二是基于密钥的物理层安全机制。在无密钥方案中，空域冗余不足时会引入大量噪声，影响正常接收；信道状态信息无法获取或估计有偏差时，方案易失效。在密钥共享方案中，当窃听者已知合法接受者信道信息和发送的训练序列，可以仿真出信道信息从而窃取密钥信息。

发明内容

针对上述无线通信加密的技术问题，本发明公开了一种基于空间调制技术和混沌理论的无线通信物理层加密方法，将空间置换调制引入到物理层加密中，以获得更好的加密性能。

本发明解决上述技术问题的方案是：

使用优化的Henon混沌系统将无线信道中提取的秘钥作为初始值，生成新的混沌序列组成秘钥K1、K2、K3；

使用K1、K2实现对天线组合和映射模式的加密，由K3决定的天线激活顺序用于对信息进行空间置换调制；

通过结合密钥并按照相应的顺序进行逆向操作，接收方对信息进行解密。

本发明的技术效果在于：本发明利用超混沌Henon映射对提取的信道信息进行高维映射生成密钥，利用汉明距离选取合适的向量集决定天线的激活顺序，利用SPM对被激活的天线进行调制，获得更好的加密性能。这样可以安全，高效的对5G无线MIMO通信系统进行物理层加密，提高系统安全性。

附图说明

图1为本发明中MIMO铁路无线通信系统结构。

图2为本发明中SPM方案与传统方案对比图。

图3为本发明中密钥提取流程图。

图4为本发明中HASPM流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。