于龍海 于明明 霍全瑞 孫冬青 任世軒

（中汽智聯(lián)技術(shù)有限公司，天津 300393）

主題詞：車聯(lián)網(wǎng)通信 延時(shí)攻擊 信噪比 博弈論 防護(hù)技術(shù)

1 前言

車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to everything，V2X）[1-2]能夠?qū)崿F(xiàn)人車路的有效協(xié)同，也給車輛的安全性帶來了隱患。車載單元（On Board Unit，OBU）和路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）在信息交互過程中容易受到信號(hào)干擾，使通信延時(shí)急劇增加，破壞信息交互連續(xù)性，進(jìn)而導(dǎo)致人身危險(xiǎn)及財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。

文獻(xiàn)[5]調(diào)查了針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的各種網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)防性，并提供了相關(guān)漏洞和防護(hù)手段。文獻(xiàn)[6]提出了可反映道路狀況的路況知識(shí)矩陣，并將該矩陣與車輛互聯(lián)領(lǐng)域中的車輛狀態(tài)進(jìn)行映射，提出了車輛互聯(lián)領(lǐng)域的安全問題與挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[7]指出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域女巫攻擊的危害，車輛將多個(gè)虛假消息傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)上，通過提高惡意信息在傳輸窗口中的信息占比與位置隨機(jī)性，模糊化攻擊者的真實(shí)身份。智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域依舊使用密碼學(xué)和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）來保障安全性。文獻(xiàn)[8]提出了大規(guī)模車聯(lián)網(wǎng)條件下的密碼方案，以此加強(qiáng)認(rèn)證，將公鑰密碼學(xué)引入假名生成，以非對(duì)稱密碼學(xué)方式獲取車輛真實(shí)身份。因車聯(lián)網(wǎng)終端通信多為無線方式，無線物理層的安全研究將極大提高車聯(lián)網(wǎng)的魯棒性。文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]的防護(hù)方案向通信信號(hào)中加入噪聲，使得帶有人為噪聲的信號(hào)在空間中傳播，以此提高信號(hào)傳輸?shù)陌踩?。文獻(xiàn)[11]研究了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下通信節(jié)點(diǎn)相互影響模型和單一節(jié)點(diǎn)傳輸模型。文獻(xiàn)[12]研究了無線信號(hào)傳輸過程中的通信延時(shí)攻擊，通過干擾合法傳輸增加延時(shí)，并基于隨機(jī)幾何方法建立了干擾模型。文獻(xiàn)[13]提出了無線通信場(chǎng)景下基于檢測(cè)被攻擊頻率的無線信道的防御方法。文獻(xiàn)[14]提出了一種緩和無線通信干擾的模型，通過提高信號(hào)發(fā)射功率提升了合法傳輸信號(hào)的信噪比，進(jìn)而防御信號(hào)干擾。

現(xiàn)有安全研究多集中于車輛匿名化與隱私保護(hù)、車聯(lián)網(wǎng)PKI體系設(shè)計(jì)與建設(shè)、機(jī)器學(xué)習(xí)在車聯(lián)網(wǎng)入侵節(jié)點(diǎn)檢測(cè)中的應(yīng)用，但對(duì)于物理層信道的攻擊研究較少。本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，提出一種基于博弈論的V2X延時(shí)攻擊防護(hù)方法，通過調(diào)節(jié)車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸策略保證通信質(zhì)量，抵御攻擊者對(duì)信道的干擾，針對(duì)LTEV2X PC5無線通信過程中的信道干擾進(jìn)行防御，縮短通信延時(shí)，保證V2X應(yīng)用場(chǎng)景的安全性、通信可靠性。

2 延時(shí)攻擊防護(hù)方案

攻擊者通過向V2X 信道發(fā)射噪聲，降低合法車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信噪比，進(jìn)而增加車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)。根據(jù)香農(nóng)定理，無線通信場(chǎng)景下，信號(hào)的傳輸功率越大，信息傳遞的速率也越大：

式中，C為無線信號(hào)傳輸速率；B為無線信道帶寬；S為信息的傳輸功率；N為應(yīng)用環(huán)境中噪聲功率。

本文研究的攻擊場(chǎng)景中，攻擊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)式干擾攻擊，即攻擊節(jié)點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)無線信道中的能量強(qiáng)度，所檢測(cè)的信道中能量高于一定閾值即視為存在車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)傳輸發(fā)生時(shí)，攻擊節(jié)點(diǎn)向信道廣播噪聲。車聯(lián)網(wǎng)具有極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦裕虼斯艄?jié)點(diǎn)可能會(huì)跟隨傳輸信號(hào)源，也可能在固定位置對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行干擾攻擊。反應(yīng)式干擾攻擊僅在判斷出信道上存在通信時(shí)發(fā)射干擾信號(hào)，因此降低了攻擊的能量消耗，以此延長(zhǎng)攻擊節(jié)點(diǎn)生命周期，提高破壞能力。攻擊流程如圖1所示。

圖1 惡意節(jié)點(diǎn)攻擊流程

目前，國(guó)內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)通信主要借助OBU 與RSU 開展。某一時(shí)刻，選取一臺(tái)合法車輛作為研究對(duì)象，車輛與RSU的通信場(chǎng)景如圖2所示。其中，Ps為OBU的信號(hào)傳輸功率，Pj為攻擊節(jié)點(diǎn)噪聲發(fā)射功率，hs為OBU 到RSU的信道增益，hl為OBU到攻擊節(jié)點(diǎn)間的信道增益，hj為攻擊節(jié)點(diǎn)到RSU 間的信道增益。OBU 與RSU 通過PC5接口進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)通信，此時(shí)RSU可能與多臺(tái)車輛進(jìn)行通信。環(huán)境中存在某一攻擊節(jié)點(diǎn)，對(duì)合法車輛進(jìn)行反應(yīng)式干擾攻擊，以達(dá)到干擾PC5 信道通信、延長(zhǎng)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通信延時(shí)的目的。攻擊節(jié)點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)PC5 信道上的信號(hào)功率，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果大于設(shè)定閾值時(shí)，判斷PC5 信道上存在合法OBU與RSU通信。

圖2 攻擊場(chǎng)景

車聯(lián)網(wǎng)具有高度動(dòng)態(tài)的拓?fù)涮匦裕艄?jié)點(diǎn)會(huì)因與合法車輛的距離變化，導(dǎo)致檢測(cè)失誤。故本文借助概率來描述應(yīng)用場(chǎng)景下的通信問題。假設(shè)合法OBU與RSU發(fā)生通信的概率為PT，攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到應(yīng)用場(chǎng)景下PC5信道內(nèi)合法通信的概率為PD，設(shè)攻擊節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)合法通信的概率為PF，則有：

式中，g為應(yīng)用場(chǎng)景下環(huán)境噪聲功率；X為應(yīng)用場(chǎng)景下OBU的信噪比；E為攻擊節(jié)點(diǎn)判斷PC5信道中存在合法通信的能量功率閾值；t為攻擊節(jié)點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)信道的檢測(cè)時(shí)間；fs為攻擊節(jié)點(diǎn)的采樣頻率；G(t)為二維高斯分布函數(shù)，用于建立攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)概率。

攻擊場(chǎng)景下，合法OBU傳輸?shù)男旁氡萖為：

OBU 傳輸信息的速率與信號(hào)發(fā)射功率間的關(guān)系為[15-16]：

式中，Pmax為天線的最大傳輸功率；Y為應(yīng)用場(chǎng)景中其他OBU與RSU通信對(duì)所研究的OBU產(chǎn)生的噪聲的多徑效應(yīng)及萊斯衰落后在環(huán)境中產(chǎn)生的信噪比[12]；k為環(huán)境中噪聲信號(hào)的數(shù)量，除OBU 自身與其他車聯(lián)網(wǎng)單元的通信信號(hào)外，其他信號(hào)均視為對(duì)本OBU通信的噪聲信號(hào)；si為環(huán)境中第i個(gè)噪聲信號(hào)；E()為噪聲信號(hào)si的計(jì)算功率平均值；σ2為靜態(tài)高斯分布方差；ri為第i個(gè)信號(hào)的衰落因子；E(ri)為所有信號(hào)的衰落因子的平均值。

OBU傳輸目標(biāo)函數(shù)中包含了攻擊節(jié)點(diǎn)的噪聲功率、環(huán)境中多節(jié)點(diǎn)傳輸多徑效應(yīng)及萊斯衰落影響等因素的關(guān)系。目標(biāo)函數(shù)通過提高信號(hào)傳輸過程中的信噪比來提高信息傳輸速率，進(jìn)而縮短通信傳輸延時(shí)。應(yīng)用環(huán)境中，同一個(gè)RSU某一時(shí)刻可能與多個(gè)OBU進(jìn)行通信。這樣，當(dāng)研究某輛車時(shí)，其他OBU將會(huì)對(duì)研究目標(biāo)的通信造成信號(hào)干擾，該干擾量即為Y。合法傳輸信噪比是正向激勵(lì)，信號(hào)在傳輸過程中的能量損耗及環(huán)境噪聲為負(fù)向激勵(lì)。在Y模型建立過程中，由于通信場(chǎng)景中其他單元的通信對(duì)于所研究的OBU 通信而言均為外界干擾，其他通信OBU的信號(hào)直流分量對(duì)研究對(duì)象存在嚴(yán)重干擾，因此選用噪聲萊斯衰落后的信噪比作為負(fù)向激勵(lì)。

分析攻擊節(jié)點(diǎn)在所設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景下的信號(hào)傳輸。和構(gòu)建車輛數(shù)據(jù)傳輸能力與傳輸功率關(guān)系的過程類似，攻擊節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)為：

在工作過程中，環(huán)境中OBU與RSU通信產(chǎn)生的Y對(duì)于攻擊節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)了攻擊效果，為正向增益。式（6）中并未加入因攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)誤報(bào)、漏報(bào)以及OBU通信概率的修正。當(dāng)OBU正常通信，但攻擊節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)，攻擊節(jié)點(diǎn)并未發(fā)動(dòng)攻擊，OBU與攻擊節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)為：

當(dāng)OBU未通信，攻擊節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)，OBU與攻擊節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)為：

當(dāng)應(yīng)用環(huán)境中不存在PC5 通信，攻擊節(jié)點(diǎn)未攻擊時(shí)，OBU與攻擊節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)為：

此時(shí)，Y不會(huì)對(duì)OBU及攻擊節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生影響。

式（7）～式（9）分別建立了OBU 與攻擊節(jié)點(diǎn)在OBU正常通信且攻擊節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)的目標(biāo)函數(shù)、OBU 未通信且攻擊節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)的目標(biāo)函數(shù)，以及OBU 未通信且攻擊節(jié)點(diǎn)正常檢測(cè)時(shí)的目標(biāo)函數(shù)。為了使目標(biāo)函數(shù)包含所有情況，將式（2）傳輸檢測(cè)概率、式（3）檢測(cè)誤報(bào)概率與車輛的信號(hào)傳輸概率PT代入研究對(duì)象OBU目標(biāo)函數(shù)式（5）、攻擊節(jié)點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)式（6）中，分別得到正常通信車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)綜合目標(biāo)函數(shù)和攻擊節(jié)點(diǎn)綜合目標(biāo)函數(shù)：

式（10）、式（11）表達(dá)了OBU傳輸效果、攻擊節(jié)點(diǎn)攻擊效果與OBU 傳輸功率Ps、攻擊節(jié)點(diǎn)傳輸功率Pj之間的關(guān)系。對(duì)于噪聲Y的處理，采用三階擬合系數(shù)，得到Y(jié)的近似解，并歸一化計(jì)算偏差。萊斯衰落因子為：

式中，xi、yi為不同信道內(nèi)的2束靜態(tài)高斯分布信號(hào)；β為該信道噪聲的直視分量。

當(dāng)取ri=10 dB 時(shí)，Y的近似值為10 dB。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)論，ri<25 dB時(shí)，Y均近似與ri相同。即在該攻擊場(chǎng)景下，雖然萊斯因子和車輛傳輸功率與環(huán)境噪聲功率相關(guān)，但環(huán)境中的萊斯衰減系數(shù)在某一范圍內(nèi)波動(dòng)，后續(xù)仿真中，可利用該結(jié)論簡(jiǎn)化仿真公式。

為了抵抗攻擊，車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，應(yīng)該考慮到攻擊節(jié)點(diǎn)可能的攻擊情況，進(jìn)而調(diào)整傳輸策略。針對(duì)傳輸目標(biāo)，通信的車輛信噪比取有限范圍內(nèi)的最大值：

式中，XOBU為攻擊場(chǎng)景下OBU 的信噪比最大值；Xattack為攻擊場(chǎng)景下攻擊節(jié)點(diǎn)的信噪比最大值。

OBU 與攻擊節(jié)點(diǎn)兩者的信噪比在應(yīng)用場(chǎng)景中是相互影響的。在攻擊模型中，OBU 與攻擊節(jié)點(diǎn)在時(shí)間維度上存在聯(lián)系。OBU 與RSU 開始通信，隨后攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)PC5 信道上的能量，檢測(cè)到V2X 通信后發(fā)動(dòng)攻擊。OBU 根據(jù)傳輸信噪比調(diào)整傳輸策略。本文基于博弈論方法分析目標(biāo)函數(shù)，首先分析攻擊節(jié)點(diǎn)，在攻擊節(jié)點(diǎn)傳輸策略固定的條件下分析OBU 的通信情況，通過一次博弈，得到OBU 的傳輸策略。計(jì)算攻擊節(jié)點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)f(Pj)取得極大值時(shí)的攻擊功率Pj及f(Pj)關(guān)于Pj一階導(dǎo)數(shù)為0 的點(diǎn)，將該點(diǎn)帶入攻擊節(jié)點(diǎn)綜合目標(biāo)函數(shù)式（11）中，得到Ps與Pj的關(guān)系：

從攻擊節(jié)點(diǎn)分析傳輸策略，在車輛傳輸策略固定，即Ps固定的條件下計(jì)算Pj，然后導(dǎo)出Pj關(guān)于Ps的函數(shù)關(guān)系，得出此時(shí)能夠檢測(cè)到的Ps的值與檢測(cè)率PD(Ps)間的關(guān)系。攻擊節(jié)點(diǎn)可檢測(cè)功率fT(Ps)與Ps的函數(shù)為：

分析fT(Ps)的變化規(guī)律，先計(jì)算fT(Ps)關(guān)于Ps的一階偏導(dǎo)數(shù)：

其中，PD(Ps)的導(dǎo)數(shù)(Ps)可由式（2）計(jì)算，結(jié)果為：

(Ps)為單調(diào)遞增函數(shù)，式（16）也為單調(diào)遞增函數(shù)，表明攻擊節(jié)點(diǎn)在OBU 傳輸功率Ps足夠大的前提下能夠檢測(cè)合法的PC5通信。

檢測(cè)到PC5通信后，攻擊節(jié)點(diǎn)開始向PC5信道發(fā)起干擾攻擊。從檢測(cè)率PD(Ps)的微分方程中計(jì)算出檢測(cè)閾值Eps：

至此，得到了在OBU 發(fā)射功率為Ps的情況下攻擊節(jié)點(diǎn)的攻擊策略及攻擊節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)到環(huán)境中PC5 通信的閾值。利用博弈論的觀點(diǎn)研究車輛的傳輸策略，在固定攻擊節(jié)點(diǎn)傳輸策略Pj的條件下，OBU的綜合目標(biāo)函數(shù)f(Ps)的計(jì)算結(jié)果為：

一次博弈過程如圖3 所示。首先固定車輛發(fā)射功率，研究攻擊節(jié)點(diǎn)，即設(shè)Ps一定，計(jì)算Pj與Ps的關(guān)系。通過f(Pj)取得最大值，得到攻擊節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)攻擊策略Pj。而后將攻擊節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸策略Pj帶入f(Ps)，得到僅關(guān)于Ps的目標(biāo)函數(shù)。

圖3 一次博弈過程

根據(jù)實(shí)際g與Pmax的關(guān)系，當(dāng)0

同樣，通過研究f(Ps)的微分，分析得到攻擊場(chǎng)景下合法車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳輸策略。首先根據(jù)f(Ps)得到f(Eps)，以該點(diǎn)作為車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸功率的函數(shù)分界點(diǎn)，然后計(jì)算f(0)、f′(0)、f′(Eps)、f(∞)、f′(∞)，并通過多點(diǎn)微分得到函數(shù)的單調(diào)性關(guān)系：

在0

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過帶入環(huán)境參數(shù)分析f(Ps)的函數(shù)特征，即分析延時(shí)攻擊場(chǎng)景下車輛的傳輸策略。設(shè)環(huán)境中固有噪聲功率為30 dBm，天線的最大傳輸功率Pmax=30 dBm，車輛發(fā)射信號(hào)通信的概率PT=0.8，攻擊階段漏檢概率PF=0.1，時(shí)間與采樣頻率的乘積tfs=2，天線（信道）增益hs、hl、hj均為6 dBi，并假設(shè)函數(shù)f(Eps)分段點(diǎn)，取Eps=10 dBm。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同萊斯因子下車輛的傳輸策略

隨著環(huán)境中萊斯因子的變化，f(Ps)在微分中的表現(xiàn)略微差異。環(huán)境中萊斯因子越大，目標(biāo)函數(shù)f(Ps)越小，但f(Ps)的微分趨勢(shì)相同。萊斯因子影響了應(yīng)用環(huán)境中車聯(lián)網(wǎng)RSU 與其他OBU 的通信，即影響了噪聲萊斯衰落后的信噪比。

對(duì)比應(yīng)用環(huán)境中使用f(Ps)傳輸策略和以恒定功率通信的信噪比。環(huán)境中萊斯因子始終取2。構(gòu)建應(yīng)用環(huán)境中的模型：

式中，XPj為在攻擊節(jié)點(diǎn)的攻擊功率為Pj條件下合法車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信噪比；補(bǔ)償系數(shù)?=0.9 用于補(bǔ)償由攻擊節(jié)點(diǎn)到合法車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間距離帶來的噪聲損失。

此時(shí)的檢測(cè)閾值Eps約為0.4。設(shè)定車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)V2X傳輸通信的功率為15 dBm，結(jié)果如圖5所示。

圖5 信噪比隨攻擊節(jié)點(diǎn)功率的變化趨勢(shì)

仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于信噪比的延時(shí)攻擊防御方案通過動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，使得合法節(jié)點(diǎn)在攻擊節(jié)點(diǎn)的傳輸功率線性增大時(shí)保持了較高的水平，在一定程度上緩解了延時(shí)攻擊。

借助V2X 實(shí)體設(shè)備開展試驗(yàn)，設(shè)備布置如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備布置

所使用的V2X 設(shè)備OBU、RSU 如圖7、圖8 所示，天線增益為6～8 dB，駐波比不超過2。

圖8 RSU設(shè)備

借助場(chǎng)景仿真軟件，構(gòu)建可視化仿真環(huán)境如圖9所示，試驗(yàn)中可量化參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖9 可視化仿真環(huán)境

首先在未開啟攻擊時(shí)查看OBU傳輸信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR），結(jié)果如圖10所示。

圖10 OBU通信電氣信息

待信噪比平穩(wěn)后，其數(shù)值約為16。通過逐漸增大攻擊節(jié)點(diǎn)功率分析信噪比變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11 信噪比隨攻擊節(jié)點(diǎn)功率變化趨勢(shì)

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在攻擊節(jié)點(diǎn)功率一定的情況下，OBU按照f(Ps)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)發(fā)射功率較未使用動(dòng)態(tài)策略的OBU具有更大的信噪比。調(diào)整策略基于車聯(lián)網(wǎng)車輛與車輛（Vehicle to Vehicle，V2V）通信場(chǎng)景下的發(fā)射功率要求，并非簡(jiǎn)單提升發(fā)射功率，保證了使用此防護(hù)方案的OBU或RSU對(duì)其他車聯(lián)網(wǎng)單元的額外干擾保持在較低水平。

4 結(jié)束語

本文研究了車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下PC5 信道的延時(shí)攻擊防護(hù)技術(shù)，使用信噪比為指標(biāo)，利用博弈論分析了V2X車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸功率與攻擊者干擾攻擊功率之間的關(guān)系?？紤]攻擊節(jié)點(diǎn)干擾模型，通過一次博弈，根據(jù)干擾攻擊的變化改變OBU及RSU的傳輸功率。最后通過仿真與V2X 設(shè)備試驗(yàn)證明了為抵御干擾攻擊，綜合考慮發(fā)射功率、信噪比、檢測(cè)概率并得到合法節(jié)點(diǎn)的傳輸策略能夠保障V2X通信的安全性。該防護(hù)方案可以緩解因環(huán)境中噪聲干擾增多而導(dǎo)致通信信噪比快速下降的問題，進(jìn)而保證了業(yè)務(wù)通信的延時(shí)要求。