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摘要
面向5GNR-V2X的网联车安全通信方法研究
随着云计算、5G移动通信和互联网等技术的快速发展,智能交通系统已成为学者们广
泛关注的研究热点。车联网是未来智能交通系统的重要组成部分,而智能化的网联车则是
车联网中与驾乘人员关系最紧密的终端设备。网联车将会搭载多种传感器以感知周围环境,
这些传感器产生的数据需要在车载以太网总线系统上传输。此外,网联车还需要时刻与车
联网保持通信,对网络的数据传输速度、可靠性和时延有很高要求。目前,基于蜂窝网的
V2X技术已成为车联网中主要通信技术,以5G技术为基础的5GNR-V2X受到学界和产
业界的关注。
车载以太网和5G是两种异构网络。在数据链路层,车载以太网和5G的协议数据单元
格式不一样,要在这两种异构网络之间通信,必须对两种格式的协议数据单元进行转换。
在网联车接入网络或者与其它实体通信的过程中,容易受到伪基站、伪终端和第三方恶意
设备的攻击,使车辆和用户遭受损失。因此,必须在网联车与其它实体开始通信之前进行
身份验证,以保护车辆和用户的安全。本项研究主要针对以上两个问题展开。
本文主要研究工作如下:
(1)详细研究了车联网中车载以太网和5G网络的数据链路层协议,在此基础上提出
了一种车载以太网-5G协议转换方法。该方法对网联车发出的上行数据和接收到的下行数
据进行协议转换,实现两个异构网络的互联互通。
(2)针对车联网中车辆和网络的信息安全防护问题,本项研究提出了一种基于区块链
的车联网匿名身份认证方法。该方法包括身份注册和身份验证两部分。网联车和其他交通
参与方在接入车联网之前,经过身份注册获得一个公开的身份区块。在后续的活动中,通
信双方凭借这个身份区块进行匿名身份验证。区块链技术起源于比特币,比特币中的区块
链是单向线性结构,不利于管理规模庞大的车联网系统。本项研究在树型区块链的基础上
实现车联网中网联车的身份认证,并通过仿真实验,验证本方法的可行性和有效性。
(3)为了保证车联网中网联车与其他车辆或路边单元等交通参与者通信时的数据和
信息安全,本项研究提出了一种基于商密算法的网联车安全通信方法。首先,本文针对车
联网通信的特点及网联车实际通信场景的信息安全需求,对现有主流加密算法进行深入研
究。然后,结合本文提出的基于区块链的身份认证方法,在进行身份验证的过程中,采用
商密算法中的SM2密码完成SM4密钥协商,建立基于SM4密码算法的网联车保密通信。
在此基础上,本项研究编制了全部相关软件程序,在计算机上模拟实现了该安全通信方法。
最后,结合运行结果,对该方法的安全性、可靠性以及通信开销等进行了详细的分析和讨
论。
(4)为验证本文提出的上述安全通信方法的可行性,针对该方法中的关键过程,本文
进行了FPGA的相关模块设计与仿真,并对仿真结果进行了分析。
研究结果表明,本文提出的基于区块链的匿名身份认证方法和基于商密算法的安全通
信方法,在5G车联网中具有很好的安全性和可行性。
关键词:
5GNR-V2X,车联网,区块链,身份验证,安全通信
Abstract
ResearchonSecureCommunicationMethodfor
ConnectedVehicleOrientto5GNR-V2X
Withtherapiddevelopmentoftechnologiessuchascloudcompute,5Gmobile
communicationandtheInternet,IntelligentTransportSystem(ITS)hasbecomeahotspotthat
attractedattentionformresearchers.TheInternetofVehicles(IoV)isthemostpartofITS,and
intelligentconnectedvehiclesareuserequipmentthat
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