CN106162521B - 检测车对车通信中的违规行为 - Google Patents

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CN106162521B CN201510526597.8A CN201510526597A CN106162521B CN 106162521 B CN106162521 B CN 106162521B CN 201510526597 A CN201510526597 A CN 201510526597A CN 106162521 B CN106162521 B CN 106162521B
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Abstract

本发明涉及检测车对车通信中的违规行为。一种方法包括：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角和速度来计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期频率变化；测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的实际频率变化；将预期频率变化与实际频率变化进行比较；以及当预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的。

Description

检测车对车通信中的违规行为
技术领域
本公开总体涉及汽车通信系统，更具体地涉及检测车对车(vehicle-to-vehicle，V2V)通信中的违规行为(misbehavior)。
背景技术
美国交通部和国家公路交通安全管理局主导针对车对车(V2V)通信的研究已超过十年，V2V通信作为用于在车辆之间传输基本安全信息的系统，有助于警告驾驶者关于即将发生的碰撞。V2V通信，或者简称V2V，涉及数据在邻近的车辆之间的动态无线交换，从而为显著的安全改善提供了机会。V2V通信使用车载专用短程通信(DSRC)无线设备来将关于车辆速度、行驶方向/方位(heading)、制动状态和其他信息发送到其他车辆并且从其他车辆接收同样的信息。这些信息(称为“基本安全消息(BSM)”)可以通过使用非车载技术(例如，全球定位系统(GPS))检测车辆的位置和速度来获得，或者可以通过使用车载传感器数据(其中从车载计算机导出位置和速度数据)来获得。车载传感器数据可以与其他数据(例如，精度、纬度、角度)结合，从而产生对其他车辆的位置的更丰富且全详细的态势感知。因此，使用V2V与其他车辆交换消息使得车辆能够自动感测周围360度范围内的车辆和它们带来的潜在危险，基于周围车辆的位置、速度或轨迹来计算风险，向驾驶者发出建议或警告，并且采取先发动作以避免和减轻碰撞。政府机构和汽车制造商等正在致力于推广V2V，使得道路上的每一部车辆(例如：小汽车、卡车、公交车和摩托车等)最终都能够使用V2V与其他车辆进行通信。
V2V技术给智能交通系统所带来的无数便利打开了大门。然而，随着互连性增加，安全漏洞将会带来更大的危害风险。如果攻击者能够绕开当前在V2V系统中实现的基本的安全等级，则会引起严重的交通混乱。例如，攻击者能够通过例如获取老旧或损坏的车辆的DSRC无线设备来复制另一车辆的认证证书。在这种情况下，攻击者可以模仿道路上并不真实存在的车辆，从而潜在地迫使其他车辆自动停止或者转弯，以避免感知到的碰撞。因此，需要一层额外的安全性来防止恶意攻击者违反V2V通信安全措施并且模仿虚拟车辆。
发明内容
本公开提供在V2V通信中能够补充现有V2V安全措施的额外的安全层级。在这点上，本文公开的技术能够阻止攻击者成功模仿虚拟车辆并且由此导致严重的交通混乱和车辆事故。使用V2V通信从远处实体接收BSM的车辆(例如，“宿主车辆”)可以利用多普勒效应，基于载波频率的多普勒频移来验证接收到的消息的发送源。宿主车辆还可以利用多普勒效应，基于宿主车辆相对于发送源的角度偏移来验证接收到的消息的发送源。
根据本公开的实施例，一种方法包括以下步骤：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角和速度，计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期频率变化；测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的实际频率变化；将预期频率变化与实际频率变化进行比较；以及当预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的。
该方法还可以包括以下步骤：对预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值的次数进行计数；以及确定次数是否超过预定义的事件阈值。
该方法还可以包括以下步骤：校准频率变化阈值和次数阈值中的一个或多个。
该方法还可以包括以下步骤：确定宿主车辆的方位角和速度。
可以基于远处车辆的方位角和速度以及宿主车辆的方位角和速度来计算预期频率变化。
可以根据以下公式来计算预期频率变化：
Figure BDA0000788142890000031
这里ΔfCalculated是计算出的预期频率变化，f是在宿主车辆处接收到的多个消息的频率，c是光速，VRV是远处车辆的速度，VHV是宿主车辆的速度，HRV是远处车辆的方位角，HHV是宿主车辆的方位角。
该方法还可以包括以下步骤：报告多个消息不是从远处车辆发送的。
该方法还可以包括以下步骤：确定远处车辆是由远程攻击者模仿的虚拟车辆。
多个消息可以是基本安全消息(BSM)。
此外，根据本公开的实施例，一种方法包括以下步骤：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角，计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期角度偏移；测量在宿主车辆处接收到的多个消息的实际角度偏移；将预期角度偏移与实际角度偏移进行比较；以及当预期角度偏移与实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的。
该方法还可以包括以下步骤：对预期角度偏移与实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值的次数进行计数；以及确定次数是否超过预定义的事件阈值。
该方法还可以包括以下步骤：校准角度偏移阈值和次数阈值中的一个或多个。
该方法还可以包括以下步骤：确定宿主车辆的方位角和速度。
可以基于远处车辆的方位角和宿主车辆的方位角来计算预期角度偏移，以及可以基于由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的频率变化、远处车辆的速度和宿主车辆的速度来测量实际角度偏移。
可以根据下述公式来计算预期角度偏移：
θCalculated＝HRV-HHV
这里，θCalculated是计算出的预期角度偏移，HRV是远处车辆的方位角，HHV是宿主车辆的方位角，以及
可以根据以下公式来测量实际角度偏移：
Figure BDA0000788142890000041
这里，θMeasured是测得的实际角度偏移，f是在宿主车辆处接收到的多个消息的频率，c是光速，Δf measured是在宿主车辆处接收到的多个消息的测得的频率变化，VRV是远处车辆的速度，VHV是宿主车辆的速度。
该方法还可以包括以下步骤：报告多个消息不是从远处车辆发送的。
该方法还可以包括以下步骤：确定远处车辆是由远程攻击者模仿的虚拟车辆。
多个消息可以是基本安全消息(BSM)。
此外，根据本公开的实施例，一种方法包括以下步骤：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角和速度，计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期频率变化；测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的实际频率变化；将预期频率变化与实际频率变化进行比较；基于远处车辆的方位角，计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期角度偏移；测量在宿主车辆处接收到的多个消息的实际角度偏移；将预期角度偏移与实际角度偏移进行比较；以及当预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时或者当预期角度偏移与实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的。
此外，根据本公开的实施例，一种包含用于执行方法的程序指令的非暂时性计算机可读介质包括：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息的程序指令，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角和速度来计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期频率变化的程序指令；测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的实际频率变化的程序指令；将预期频率变化与实际频率变化进行比较的程序指令；以及当预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的程序指令。
此外，根据本公开的实施例，一种包含用于执行方法的程序指令的非暂时性计算机可读介质包括：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息的程序指令，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角来计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期角度偏移的程序指令；测量在宿主车辆处接收到的多个消息的实际角度偏移的程序指令；将预期角度偏移与实际角度偏移进行比较的程序指令；以及当预期角度偏移与实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的程序指令。
此外，根据本公开的实施例，一种包含用于执行方法的程序指令的非暂时性计算机可读介质包括：在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息的程序指令，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；基于远处车辆的方位角和速度来计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期频率变化的程序指令；测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆处接收到的多个消息的实际频率变化的程序指令；将预期频率变化与实际频率变化进行比较的程序指令；基于远处车辆的方位角来计算在宿主车辆处接收到的多个消息的预期角度偏移的程序指令；测量在宿主车辆处接收到的多个消息的实际角度偏移的程序指令；将预期角度偏移与实际角度偏移进行比较的程序指令；以及当预期频率变化与实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时或者当预期角度偏移与实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定多个消息不是从远处车辆发送的程序指令。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以更好地理解本文的实施例，在附图中，相同的参考数字指代相同的或者功能相似的元件，其中：
图1A-1C示出V2V通信中的示例安全漏洞情形；
图2示出示例基本安全消息结构；
图3A和图3B示出两个车辆之间发送的消息的多普勒效应的示例演示；
图4示出用于执行远处车辆频移认证的示例简化过程；以及
图5示出用于执行远处车辆角度认证的示例简化过程。
应当理解，上述附图并未完全按比例绘制，而是呈现对说明本公开的基本原理的优选特征的稍微简化的表示。本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分由特定意图的应用以及使用环境确定。
具体实施方式
在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并非意图限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个/一种”以及“该/所述”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所叙述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。如在此使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项目中的一个或多个的任何组合以及全部组合。术语“耦合”指代两个部件之间的物理关系，其中部件直接彼此连接，或者经由一个或多个中间部件间接连接。
应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，电动车辆(EV)是包括从可充电能量存储装置(例如，一个或多个可再充电电化学电池或其他类型的蓄电池)获得的电力作为车辆移动能力的一部分的车辆。EV不限于汽车，并且可以包括摩托车、小型机动车、小型摩托车等。此外，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆(例如，混合动力电动车辆(HEV))。
此外，应当理解，下面的方法或其方面中的一个或多个可以由至少一个控制器或控制器局域网(CAN)总线执行。控制器或者控制器局域网络可以被实现在车辆内，例如本文描述的宿主车辆。术语“控制器”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储程序指令，并且处理器被具体编程为执行程序指令，以执行下文进一步描述的一个或多个处理。此外，应当理解，下面的方法可以由包含控制器和一个或多个额外部件的系统来执行，如下面详细描述的。
而且，本公开的控制器可以被体现为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读媒介，其包含可执行程序指令，可执行程序指令由处理器、控制器等执行。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可以分布在联网的计算机系统中，使得计算机可读媒介以分布式方式例如由远程信息处理服务器或者控制器局域网(CAN)存储和执行。
现在参照本公开的实施例，所公开的技术阻止攻击者成功地模仿虚拟车辆并且由此引起严重的交通混乱和车辆事故。使用V2V通信从远处实体接收BSM的车辆(例如：宿主车辆)能够利用多普勒效应，基于载波频率的多普勒频移来验证接收到的消息的发送源。宿主车辆可以进一步利用多普勒效应，基于宿主车辆相对于接收到的消息的发送源的角度偏移(angular offset)来验证该发送源。
图1A-1C示出V2V通信中的示例安全漏洞情形。如图1A-1C所示，正在道路上行驶的宿主车辆(host vehicle，HV)100可以启用V2V通信，从而允许车辆100将包含各种信息数据(例如，车辆位置、速度、方位、制动状态等)的消息(例如，BSM)发送到其他车辆，并且从其他车辆接收同样的消息。因此，宿主车辆100可以接收到从远处发送源(remote source)使用V2V通信发送的多个消息130(例如，BSM)。消息130可以是例如从DSRC无线设备发送的信号。
图2示出示例BSM结构。BSM针对V2V安全应用所要求的低延迟、本地广播是最优的。因此，经由具有大约1000米范围的DSRC传输BSM。如图2所示，示例BSM由两部分组成：BSM部分I和BSM部分II。BSM部分I包含核心数据元素(例如，汽车尺寸、位置、速度、方位角、加速度、制动系统状态等)。通常，每秒传输大约10次BSM部分I。同时，BSM部分II包含从各个可选数据元素中得到的一组可变数据元素。取决于近期事件(例如，防抱死制动系统激活、环境温度/气压、天气信息、外部光线状态等)，BSM部分II有时可以被添加到部分I上。尤其是，随着BSM结构继续演进，在车辆之间(例如，宿主车辆100和远处车辆110之间)交换的BSM信息可以包含任何合适配置的信息数据。因此，图2中所描绘的数据类型只用于描述目的，不应当被视为限制权利要求的范围。
接收到的消息130可以指示与宿主车辆100在同一道路上行驶的远处车辆(remotevehicle，RV)110的存在。消息130可以指示关于远处车辆的各种信息数据，例如速度、方位角、位置、制动状态等。通常，宿主车辆100可以响应于关于远处车辆110的信息而发起动作以提升安全。例如，基于远处车辆110的速度和方位角，如果消息130指示远处车辆110正在迎面迅速接近宿主车辆100，则宿主车辆100可以向驾驶者发出建议或警告，或者甚至采取先发动作，例如转向或停车，以避免和减轻潜在碰撞。
然而，如图1A-1C所示，多个消息130实际上可能是从远程攻击者120发送的，这意味着远处车辆110实际上并不存在。而是，远程攻击者120正在通过使用V2V通信发送指示远处车辆的虚假存在的消息130来模仿远处车辆110。即，基于消息130中的信息，宿主车辆100接收到的多个消息130似乎是从远处车辆110发送的。但是事实上，消息130是从假装成远处车辆110的远程攻击者120发送的。
在一个示例中，攻击者120可以位于宿主车辆100正在行驶(可能有其他车辆)的道路一侧。攻击者120可以从老旧或损坏的车辆(例如，修理厂、黑市等中的车辆)获得预加载了有效V2V证书的DSRC无线设备。因此，攻击者120可以使用DSRC无线设备发送DSRC信号，并且与过往车辆进行有效通信。注意到，为了确保宿主车辆100接收到消息130，攻击者120不得不例如使用定向天线将消息130准确地朝着宿主车辆100引导。当道路上有多个车辆正在行驶时，对于攻击者120来说，将变得更加困难。
现在参照图1A，宿主车辆100接收到的消息130可以指示远处车辆110正以20m/s的速度朝着宿主车辆100行驶。而在图1B中，宿主车辆100接收到的消息130可以指示远处车辆110是静止的，但是位于宿主车辆100前方。应当注意，在两种情形中，攻击者120都位于同一位置(即，攻击者120是静止的)。因此，在两种情形中，宿主车辆100接收消息130的角度是相同的。图1C示出与图1B类似的情形，除了多个宿主车辆100正在道路上行驶，并且攻击者120尝试使用V2V通信向每个宿主车辆发送消息130。在图1A到图1C所示的每种情形中，消息130指示远处车辆110的速度和方位角以及其他信息数据，例如位置、车型、制动状态等。
响应于接收到从攻击者120使用V2V通信发送的多个消息130，宿主车辆100可以利用多普勒效应来验证发送消息130的发送源。在这点上，多普勒效应(或者多普勒频移)是波的频率(或其他周期性事件)由于观测者相对于波源移动而变化。图3A和3B示出在两个车辆之间发送的消息的多普勒效应的示例演示。类似于图1A到图1C所描绘的情形，远处车辆110使用V2V通信向周围车辆(包括宿主车辆100)发送多个消息130(虽然在图1A到图1C中，远处车辆110实际上是由攻击者120模仿的)。在图3A中，远处车辆110和宿主车辆100都是静止的。因此，传输的信号130没有压缩(或拉伸(decompress))。因此，宿主车辆100接收到的消息130的频率并无感知的变化。
然而，当波源正朝着观测者移动时，每个相继的波峰与前一个波相比，是从更靠近观测者的位置发射的。因此，每个波与前一个波相比，到达观测者所用的时间稍短。因此，相继的波峰到达观测者之间的时间减小，从而引起频率增加。图3B示出了这个情形，其中远处车辆110正朝着宿主车辆100行驶的同时发送消息130。如图3B所示，由于远处车辆110的移动，相继的波前之间的距离减小，波压缩。相反地，如果波源正远离观测者移动，则每个波与前一个波相比，是从离观测者更远的位置发射的，所以相继的波之间的到达时间增大，从而频率降低。相继的波前之间的距离于是增大，所以波拉伸。
因此，当波源(例如，远处车辆110)和接收者(例如，宿主车辆100)相对彼此移动时，接收到的信号的频率与从波源发射的频率将是不同的。当它们朝着彼此移动时，观测到的信号的频率高于在波源处发射的频率。这个现象称为多普勒效应。多普勒效应引起的频率变化的速率取决于波源和接收者之间的相对运动以及波的传播速度。频率的多普勒频移可以根据下述公式计算：
Figure BDA0000788142890000101
这里，FD和Δf是在接收者处观测到的波源的频率变化(即，频移)，fc是波源处的频率，V是波源和接收者之间的速度差(即，相对速度)，c是光速，β是速度矢量的角度。当β＝0时(即，波源和接收者在同一方向或相反方向上移动)，频率变化最大。类似地，随着波源与接收者之间的相对速度增加，频率变化增加。
如上所述，宿主车辆100可以利用多普勒效应，通过将测得的频移和预期的频移进行比较，以此验证发送消息130的发送源。具体地，宿主车辆100可以：1)测量在宿主车辆100处接收到的消息130的频率由于多普勒效应引起的变化，2)基于消息130中所指示的关于远处车辆110的信息来计算在宿主车辆100处接收到的消息130的预期频率变化，3)将接收到的消息130的实际频率变化与接收到的消息130的预期频率变化进行比较。如果实际频率变化与预期频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值，则宿主车辆100可以确定发生了V2V违规行为。即，在宿主车辆100处接收到的消息130实际上并不是从远处车辆110发送的。由此，宿主车辆100可以选择放弃对减轻与远处车辆110有关的事故或碰撞的任何尝试，忽略接收到的消息130，报告检测到的V2V违规行为(例如，通过将上报消息发送到V2V通信服务器)等。
图4示出执行远处车辆频移验证的示例简化过程。过程400可以开始于步骤405，并且继续到步骤410，在这里，如本文更详细描述的，可以利用多普勒效应，通过将测得的频移和预期的频移进行比较，以此验证发送消息130的发送源。
在步骤410处，在宿主车辆100处接收到多个消息130(例如，BSM)。消息130可以包含关于远处车辆110的各种信息数据，例如远处车辆的方位角(HRV)和远处车辆的速度(VRV)(步骤415)。图2示出了消息130中典型含有的附加信息数据。在步骤420和425处，宿主车辆100，或者更具体地，宿主车辆100的控制器或控制器局域网(CAN)总线，可以确定其自己的方位角(HHV)和速度(VHV)。在步骤430处，基于这些信息(即，远处车辆110的方位角和速度以及宿主车辆100的方位角和速度)，可以计算在宿主车辆100处接收到的消息130的预期频率变化(或频移)(ΔfCalculated)。具体地，可以根据以下公式计算预期频率变化：
Figure BDA0000788142890000111
这里，ΔfClaculated是计算出的预期频率变化，f是在宿主车辆100处接收到的消息130的频率，c是光速，VRV是远处车辆110的速度，VHV是宿主车辆100的速度，HRV是远处车辆110的方位角，HHV是宿主车辆100的方位角。
同时，在步骤435处，可以测量在宿主车辆100处接收到的消息130的载波频率由于多普勒效应而引起的实际变化(ΔfMeasured)。例如，宿主车辆100可以记录接收到的消息130的前导码的载波频率偏移。接着，在步骤440处，宿主车辆100可以通过以下步骤来比较接收到的消息130的计算出的频率变化(ΔfCalculated)和接收到的消息130的测得的频率变化(ΔfMeasured)：计算所计算出的频率变化和测得的频率变化之间的差值，并且将该差值与预定义的频率变化阈值进行比较。可以根据需要调整或者校准频率变化阈值，使得远处车辆频移认证的灵敏度更高或更低。如果计算出的频率变化和测得的频率变化之间的差值小于或等于频率变化阈值，则过程400可以返回到步骤405，并且宿主车辆100可以认为，在接收到的消息130中指示的远处车辆110确实正在向宿主车辆100发送消息(步骤445)。然而，如果计算出的频率变化和测得的频率变化之间的差值超过频率变化阈值，则宿主车辆100可以确定发生了V2V违规行为(步骤465)。即，多个消息130并非是从远处车辆110发送的，而是，消息130是从模仿远处车辆110的远程攻击者(例如，攻击者120)发送的。
注意到，如果频移差异的单次出现不足以得出发生了V2V违规行为，则可以将可选步骤450、455和460合并到远处车辆频移认证过程中。在这点上，在步骤450处，可以递增事件计数器，以便跟踪计算出的频率变化与测得的频率变化之间的差值超过频率变化阈值的次数。接着，在步骤455处，可以确定事件计数器的值(即，差值超过频率变化阈值的次数)是否超过预定义的事件阈值。与频率变化阈值类似，可以根据需要调整或校准事件阈值，使得远处车辆频移认证的灵敏度更高或更低。如果事件计数器的值小于或等于事件阈值，则过程400可以返回到步骤405，并且宿主车辆100可以重复远处车辆频移认证，以执行额外的频移测试(步骤460)。然而，如果事件计数器的值超过事件阈值，则宿主车辆100可以确定发生了V2V违规行为(步骤465)。
过程400说明性地在步骤465结束。上面详细描述了可以执行过程400的步骤的技术、以及辅助的过程和参数。
应当注意，图4中所示的步骤仅用于说明，可以根据需要包括或排除某些其他步骤。进一步地，虽然示出了步骤的特定顺序，但是该顺序仅用于说明，可以利用任何合适的步骤设置，而不背离此处实施例的范围。更进一步地，根据本权利要求的范围，可以以任何合适的方式修改所示的步骤。
此外，宿主车辆100可以利用多普勒效应，通过计算预期远处车辆110的发送点与来自攻击者120(说明性地位于道路一侧)的消息130的实际位置之间的角度差，以此验证发送消息130的发送源。为此，宿主车辆100可以计算接收到的消息130的角度偏移(即，速度矢量的角度β)，其代表发送源(感知的远处车辆110或攻击者120)的位置相对于宿主车辆100的角度。具体地，宿主车辆可以：1)测量由于多普勒效应引起的在宿主车辆100处接收到的消息130的实际角度偏移，2)基于接收到的消息130中指示的关于远处车辆110的信息，计算在宿主车辆100处接收到的消息130的预期角度偏移，以及3)将接收到的消息130的实际角度偏移与接收到的消息130的预期角度偏移进行比较。如果实际角度偏移与预期角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值，则宿主车辆可以确定发生了V2V违规行为。即，在宿主车辆100处接收到的消息130实际上并非是从远处车辆110发送的。由此，宿主车辆可以选择放弃对减轻与远处车辆110有关的事故或碰撞的任何尝试，忽略接收到的消息130，报告检测到的V2V违规行为(例如，通过发送上报消息给V2V通信服务器)等。
图5示出执行远处车辆角度认证的示例简化过程。过程500开始于步骤505，并且继续到步骤510，这里，如本文更详细描述的，可以利用多普勒效应，通过计算预期远处车辆110的发送点与来自攻击者120的消息130的位置之间的角度差，以此验证发送消息130的发送源。远处车辆角度认证过程与图4所示的远处车辆频移认证过程相似。输入与远处车辆频移认证相同，并且远处车辆角度认证中使用的公式与远处车辆频移认证中使用的公式相似，除了被重新设计为对角度进行比较。
在步骤510处，在宿主车辆100处接收多个消息130(例如，BSM)。消息130可以包含有关远处车辆110的各种信息数据，例如远处车辆的方位角(HRV)和远处车辆的速度(VRV)(步骤515)。在步骤520和步骤525处，宿主车辆100，或更具体地，宿主车辆100的控制器/控制器局域网(CAN)总线，可以确定其自己的方位角(HHV)和速度(VHV)。基于这些信息(即，远处车辆110的方位角和宿主车辆100的方位角)，在步骤530处，可以计算在宿主车辆100处接收到的消息130的预期角度偏移。具体地，可以根据以下公式计算预期角度偏移：
θCalculated＝HRV-HHV
这里，θCalculated是计算出的预期角度偏移，HRV是远处车辆的方位角，HHV是宿主车辆的方位角。
同时，在步骤535处，可以测量在宿主车辆100处接收到的消息130的载波频率由于多普勒效应而引起的实际变化(ΔfMeasured)。例如，宿主车辆100可以记录接收到的信息130的前导码的载波频率偏移。接着，在步骤540处，宿主车辆100可以测量在宿主车辆100处接收到的多个消息130由于多普勒效应而引起的实际角度偏移。可以基于在宿主车辆100处接收到的消息130的频率由于多普勒效应而引起的变化(在步骤535处确定)、远处车辆110的速度和宿主车辆100的速度来测量实际角度偏移(θMeasured)。具体地，可以根据下述公式计算实际角度偏移：
Figure BDA0000788142890000131
这里，θMeasured是测得的实际角度偏移，f是在宿主车辆100处接收到的多个消息130的频率，c是光速，ΔfMeasured是在宿主车辆100处接收到的多个消息130的频率变化(频移)，VRV是远处车辆110的速度，VHV是宿主车辆100的速度。
接着，在步骤545处，宿主车辆100可以通过以下步骤来比较接收到的消息130的计算出的角度偏移(θCalculated)和接收到的消息130的测得的角度偏移(θMeasured)：计算所计算出的角度偏移与测得的角度偏移之间的差值，并且将该差值与预定义的角度偏移阈值进行比较。可以根据需要调整或校准预定义的角度偏移阈值，使得远处车辆角度认证的灵敏度更高或更低。如果计算出的角度偏移与测得的角度偏移之间的值差小于或等于角度偏移阈值，则过程500可以返回到步骤505，并且宿主车辆100可以认为，接收到的信息130中指示的远处车辆110确实正在向宿主车辆100发送信息(步骤550)。然而，如果计算出的角度偏移与测得的角度偏移之间的差值超过角度偏移阈值，则宿主车辆100可以确定发生了V2V违规行为(步骤570)。即，多个消息130并非是从远处车辆110发送的，而是，消息130是从模仿远处车辆110的远程攻击者(例如，攻击者120)发送的。
注意到，如果角度偏差的单次出现不足以得出发生了V2V违规行为，则可以将步骤555、560和565合并到远处车辆角度偏移认证过程。在这点上，在步骤555处，可以递增事件计数器(ΔfTh_Event)，以便跟踪计算出的角度偏移与测得的角度偏移之间的差值超过角度偏移阈值的次数。接着，在步骤560处，可以确定事件计数器的值(即，差值超过角度偏移阈值的次数)是否超过预定义的事件阈值。与角度偏移阈值类似，可以根据需要调整或者校准事件阈值，使得远处车辆角度认证的灵敏度更高或更低。如果事件计数器小于或等于事件阈值，则过程500可以返回到步骤505，并且宿主车辆100可以重复远处车辆角度认证，以执行额外的角度偏移测试(步骤565)。然而，如果事件计数器超过事件阈值，则宿主车辆100可以确定发生了V2V违规行为(步骤570)。
过程500说明性地在步骤570结束。上面详细描述了可以执行过程500的步骤的技术、以及辅助过程和参数。
应当注意，图5中所示的步骤仅用于说明，可以根据需要包括或排除某些其他步骤。进一步地，虽然示出了步骤的特定顺序，但是该顺序仅用于说明，可以利用任何合适的步骤设置，而不背离此处实施例的范围。更进一步地，根据本权利要求的范围，可以以任何合适的方式修改所示的步骤。
回到图1A-1C所描绘的V2V通信中的安全漏洞情形，图4中描绘的远处车辆频移认证过程和图5中描绘的远处车辆角度认证过程之一或者二者的组合，可以被宿主车辆100用来在使用V2V通信接收到多个消息130时检测V2V违规行为。例如，在图1A中，接收到的消息130指示远处车辆110正以20m/s的速度朝着宿主车辆100行驶，此时可以使用远处车辆频移认证或远处车辆角度认证来确定消息130实际上是由位于道路一侧的攻击者120发送的。如果采用远处车辆频移认证，例如，虽然接收到的消息130指示远处车辆110声称正以20m/s的速度朝着宿主车辆100行驶，但是宿主车辆100可以根据对由于多普勒效应引起的接收到的消息130的实际频率变化的测量(没有频率变化)，确定消息130的实际发送源(即，攻击者120)是静止的。换句话说，宿主车辆100预期到消息130的载波的频率变化，因为远处车辆110广播它正在移动。然而，利用多普勒效应，攻击者的载波指示发送源是静止的。
在图1B中，接收到的消息130指示远处车辆110是静止的，此时可以再次使用远处车辆频移认证或远处车辆角度认证来确定消息130实际上是由位于道路一侧的攻击者120发送的。这种情形与图1的情形相比，检测起来可能稍微困难，因为远处车辆110和攻击者120都是静止的。因此，在这种情况下，远处车辆角度认证可能是更有效的，因为在预期远处车辆110的发射点与来自道路一侧的攻击者120的实际DSRC传输130的位置之间存在着可检测到的角度差。
在图1C中，接收到的消息130指示的远处车辆110也是静止的，并且在道路上有多个宿主车辆100正在行驶，此时可以再次使用远处车辆频移认证或远处车辆角度认证来检测V2V违规行为。注意到，在道路上有多个车辆(例如，宿主车辆100)同时行驶使会对攻击者造成困难，因为攻击者120将需要反复地(例如，每100ms)预测在给定半径内的所有宿主车辆100的位置。此外，攻击者120将需要针对范围内的每一个宿主车辆100使用一个完全精确的定向天线来屏蔽其他宿主车辆诊断V2V违规行为。
因此，本文描述了提供增强的安全性以防攻击者试图模仿车辆的技术。由于不需要额外的传感器或硬件，因此实现这些益处仅需要很少的额外成本。此外，V2V技术被预期最终将在北美出售的所有车辆上成为标准装配。然而，随着互连性增加，安全漏洞将会带来更大的危害风险。因此，本文描述的用于支持V2V安全性以防特定的恶意攻击的技术是非常有益的。
虽然已经示出和描述了用于检测V2V通信中的违规行为的说明性实施例，但是应当理解，在此处实施例的精神和范围内，可以进行各种其他改动和修改。例如，V2V通信和BSM标准将随着时间继续演进，并且本文所公开的安全措施不应当被视为只适用于特定版本的V2V通信和BSM。换句话说，本公开的范围意图包括所有未来的V2V通信和BSM的实施方式。本公开的实施例可以根据本权利要求的范围以任何合适的方式进行修改。
上文描述是针对本公开的实施例。然而，显而易见的是，可以对所描述的实施例进行其他变化和修改，实现它们的优点中的一些或全部。因此，这个描述应当被认为仅是示例，并不限制此处实施例的范围。因此，权利要求的目标是，覆盖所有这些变化和修改，如同落入此处实施例的真实精神和范围内。

Claims (20)

1.一种方法，其包括以下步骤：
在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；
基于所述远处车辆的方位角和速度，计算在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的预期频率变化；
测量由于多普勒效应引起的、在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的实际频率变化；
将所述预期频率变化与所述实际频率变化进行比较；
当所述预期频率变化与所述实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时，确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的；以及
响应于确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的，根据不包括所述多个消息的接收到的V2V消息来执行所述宿主车辆的自动控制。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
对所述预期频率变化与所述实际频率变化之间的差值超过所述预定义的频率变化阈值的次数进行计数；以及
确定所述次数是否超过预定义的事件阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：
校准所述频率变化阈值和所述事件阈值中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述宿主车辆的方位角和速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预期频率变化是基于所述远处车辆的方位角和速度以及所述宿主车辆的方位角和速度来计算的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预期频率变化是根据以下公式来计算的：
Figure FDA0002532036840000021
这里，ΔfCalculated是计算出的预期频率变化，f是在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的频率，c是光速，VRV是所述远处车辆的速度，VHV是所述宿主车辆的速度，HRV是所述远处车辆的方位角，HHV是所述宿主车辆的方位角。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
报告所述多个消息不是从所述远处车辆发送的。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述远处车辆是由远程攻击者模仿的虚拟车辆。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个消息是基本安全消息(BSM)。
10.一种方法，其包括以下步骤：
在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；
基于所述远处车辆的方位角，计算在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的预期角度偏移；
测量在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的实际角度偏移；
将所述预期角度偏移与所述实际角度偏移进行比较；
当所述预期角度偏移与所述实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的；以及
响应于确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的，根据不包括所述多个消息的接收到的V2V消息来执行所述宿主车辆的自动控制。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
对所述预期角度偏移与所述实际角度偏移之间的差值超过所述预定义的角度偏移阈值的次数进行计数；以及
确定所述次数是否超过预定义的事件阈值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
校准所述角度偏移阈值和所述事件阈值中的一个或多个。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述宿主车辆的方位角和速度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述预期角度偏移是基于所述远处车辆的方位角和所述宿主车辆的方位角来计算的，以及
所述实际角度偏移是基于由于多普勒效应引起的在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的频率变化、所述远处车辆的速度和所述宿主车辆的速度来测量的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述预期角度偏移是根据下述公式来计算的：
θCalculated＝HRV-HHV
这里，θCalculated是计算出的预期角度偏移，HRV是所述远处车辆的方位角，HHV是所述宿主车辆的方位角，以及
所述实际角度偏移是根据以下公式来测量的：
Figure FDA0002532036840000031
这里，θMeasured是测得的实际角度偏移，f是在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的频率，c是光速，Δfmeasured是在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的测得的频率变化，VRV是所述远处车辆的速度，VHV是所述宿主车辆的速度。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
报告所述多个消息不是从所述远处车辆发送的。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述远处车辆是由远程攻击者模仿的虚拟车辆。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个消息是基本安全消息(BSM)。
19.一种非暂时性计算机可读介质，其包含由处理器执行方法的程序指令，当执行所述程序指令时，所述处理器用于：
在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；
基于所述远处车辆的方位角和速度来计算在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的预期频率变化；
测量由于多普勒效应引起的在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的实际频率变化；
将所述预期频率变化与所述实际频率变化进行比较；
当所述预期频率变化与所述实际频率变化之间的差值超过预定义的频率变化阈值时，确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送；以及
响应于确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的，根据不包括所述多个消息的接收到的V2V消息来执行所述宿主车辆的自动控制。
20.一种非暂时性计算机可读介质，其包含由处理器执行方法的程序指令，当执行所述程序指令时，所述处理器用于：
在宿主车辆处接收使用车对车(V2V)通信发送的多个消息，所述多个消息指示远处车辆的方位角和速度；
基于所述远处车辆的方位角来计算在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的预期角度偏移；
测量在所述宿主车辆处接收到的所述多个消息的实际角度偏移；
将所述预期角度偏移与所述实际角度偏移进行比较；
当所述预期角度偏移与所述实际角度偏移之间的差值超过预定义的角度偏移阈值时，确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送；
响应于确定所述多个消息不是从所述远处车辆发送的，根据不包括所述多个消息的接收到的V2V消息来执行所述宿主车辆的自动控制。
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