[論文レビュー] Platoon Stability and Safety Analysis of Cooperative Adaptive Cruise Control under Wireless Rician Fading Channels and Jamming Attacks

Amir Alipour-Fanid, Monireh Dabaghchian+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2017

Traffic control and management参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、Rician fadingおよびジャミング攻撃下における協調適応クルーズコントロール（CACC）システムの無線通信の信頼性と車両列進行情報のサイバー物理的結合をモデル化する。時間領域指標を用いたストリング安定性の分析と、車両間距離の到達可能性を用いた安全性の評価により、ジャミング攻撃が2番目の車両を標的にする場合および先行車両の減速時において最も不安定化することが判明した。

ABSTRACT

Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) is considered as a key enabling technology to automatically regulate the inter-vehicle distances in a vehicle platoon to improve traffic efficiency while maintaining safety. Although the wireless communication and physical processes in the existing CACC systems are integrated in one control framework, the coupling between wireless communication reliability and system states is not well modeled. Furthermore, the research on the impact of jamming attacks on the system stability and safety is largely open. In this paper, we conduct a comprehensive analysis on the stability and safety of the platoon under the wireless Rician fading channel model and jamming attacks. The effect of Rician fading and jamming on the communication reliability is incorporated in the modeling of string dynamics such that it captures its state dependency. Time-domain definition of string stability is utilized to delineate the impact of Rician fading and jamming on the CACC system's functionality and string stability. Attacker's possible locations at which it can destabilize the string is further studied based on the proposed model. From the safety perspective, reachable states (i.e., inter-vehicle distances) of the CACC system under unreliable wireless fading channels and jamming attacks is studied. Safety verification is investigated by examining the inter-vehicle distance trajectories. We propose a methodology to compute the upper and lower bounds of the trajectories of inter-vehicle distances between the lead vehicle and its follower. We conduct extensive simulations to evaluate the system stability and safety under jamming attacks in different scenarios. We identify that channel fading can degrade the performance of the CACC system, and the platoon's safety is highly sensitive to jamming attacks.

研究の動機と目的

• CACC列進進における無線チャネルの信頼性（Rician fading、ジャミング）と物理的車両状態（車両間距離）の双方向的結合をモデル化すること。
• 時間領域におけるストリング安定性指標を用いて、無線チャネルの劣化要因が列進行情報のストリング安定性に与える影響を評価すること。
• ジャミング攻撃下での車両間距離の軌道に対する上界および下界を計算することにより、列進行情報の安全性を評価すること。
• 列進行情報を最大限に不安定化させるために最適な攻撃者の位置とタイミングを同定すること。
• 先行車両の減速状態と送信電力設定がジャミング効果に与える影響を調査すること。

提案手法

• 車両間距離の動的変化を状態依存型としてモデル化し、信号強度およびパケット到達率に及ぼすRician fadingの影響を組み込む。
• 時間領域におけるストリング安定性の定義を用いて、チャネルのフェージングおよびジャミングが列進行情報のストリング安定性に与える影響を定量化する。
• 到達可能性解析を適用して、ジャミングおよびフェージング下での車両間距離の軌道に対する上界および下界を計算する。
• さまざまなジャミング戦略（継続的および部分的）を想定し、10,000件の軌道シミュレーションを実施して安全性および安定性を評価する。
• 先行車両の減速状態に応じた最適な攻撃タイミングを決定するために、速度依存型間隔ポリシーを用いる。
• 周波数領域における非線形プログラミングを用いて最小ヘッドウェイ時間を導出するが、時間領域での妥当性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線チャネルにおけるRician fadingがCACC列進行情報のストリング安定性および安全性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CACC列進行情報を最も効果的に不安定化させるためにジャミング攻撃者が配置すべき最適な位置はどこか？
• RQ3 ジャミング攻撃のタイミング、特に先行車両の減速時における影響が、車両間距離の軌道および安全性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ジャミングおよびフェージング条件下での車両間距離の軌道に対する上界および下界は何か？
• RQ5 車両およびジャミング機器の送信電力レベルが平均的なストリング安定性に与える影響は何か？

主な発見

• チャネルのフェージングは、特に車両間距離制御およびストリング安定性の観点でCACCシステムの性能を劣化させる。
• 攻撃者が列進行情報の2番目の車両の上に位置する場合、列進行情報が最も脆弱になる。
• 先行車両が減速している場合、ジャミング攻撃が列進行情報を最も効果的に不安定化させる。これは、不安全な車両間距離が生じやすくなるためである。
• 部分的にタイミングを合わせたジャミング攻撃（先行車両の減速時のみに発動）は、継続的ジャミングよりも密度が高く、下限の車両間距離が小さくなるため、安全性リスクが高まる。
• ジャミング下では、シミュレーションされた多数の軌道がゼロの車両間距離に達しており、これは不安全な状態を示している。
• 提案された到達可能性解析は、不確実性下での安全性の検証が可能な、きつい上界および下界を的確に計算できた。