[논문 리뷰] Platoon Stability and Safety Analysis of Cooperative Adaptive Cruise Control under Wireless Rician Fading Channels and Jamming Attacks

Amir Alipour-Fanid, Monireh Dabaghchian외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 23.

Traffic control and management참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 라이스키 fading과 잡음 공격 조건 하에서 협동 적응형 크루즈 콘트롤(CACC) 시스템에서 무선 통신 신뢰성과 차량 플로트 동역학 간의 사이버-물리적 결합을 모델링한다. 시간 영역 지표를 사용한 스트링 안정성 분석과 간섭 간격 도달 가능성에 기반한 안전성 평가를 통해, 잡음 공격이 두 번째 차량을 공격할 때 및 선도 차량이 감속할 때 가장 불안정하게 작용함을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CACC 플로트에서 무선 채널 신뢰성(Rician fading, 잡음 공격)과 차량 물리적 상태(차량 간 거리) 간의 상호작용을 이원적 결합으로 모델링하기.
• 시간 영역 스트링 안정성 지표를 사용하여 무선 채널 손상이 스트링 안정성에 미치는 영향 평가하기.
• 잡음 공격 조건 하에서 차량 간 거리 궤적의 상한 및 하한을 계산하여 플로트 안전성 평가하기.
• 플로트의 최대 불안정성을 유도하는 데 최적의 공격자 위치와 시기를 규명하기.
• 선도 차량 감속과 전송 전력 설정에 따라 잡음 공격 효과가 어떻게 변화하는지 조사하기.

제안 방법

• 차량 간 거리 동역학을 상태에 의존하는 것으로 모델링하여, 신호 세기와 패킷 전달 비율에 영향을 미치는 Rician fading 효과를 통합한다.
• 시간 영역 스트링 안정성 정의를 사용하여 채널 페이딩과 잡음 공격이 플로트 스트링 안정성에 미치는 영향을 정량화한다.
• 도달 가능성 분석을 적용하여 잡음 및 페이딩 조건 하에서 차량 간 거리 궤적의 상한 및 하한을 계산한다.
• 다양한 잡음 공격 전략(지속적 및 부분적)에 따라 10,000개의 궤적을 시뮬레이션하여 안전성과 안정성 평가한다.
• 선도 차량 감속에 따라 최적의 공격 시기를 결정하기 위해 속도에 의존하는 간격 정책을 활용한다.
• 주파수 영역에서 비선형 프로그래밍을 사용하여 최소 헤드웨이 타임을 유도하고, 시간 영역에서 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 채널의 라이스키 페이딩은 CACC 플로트의 스트링 안정성과 안전성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 CACC 플로트를 가장 효과적으로 불안정하게 만들기 위해 잡음 공격자가 플로트 내에서 어디에 위치하는 것이 최적인가?
• RQ3 특히 선도 차량 감속 시기의 잡음 공격 시점은 차량 간 거리 궤적과 안전성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 잡음 및 페이딩 조건 하에서 차량 간 거리 궤적의 상한 및 하한은 무엇인가?
• RQ5 차량과 잡음 공격자의 전송 전력 수준은 평균 스트링 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 채널 페이딩은 CACC 시스템 성능을 저하시키며, 특히 차량 간 거리 제어와 스트링 안정성 측면에서 뚜렷한 영향을 미친다.
• 플로트는 공격자가 플로트의 두 번째 차량 위에 위치할 경우 가장 취약해진다.
• 선도 차량이 감속할 때 잡음 공격이 플로트를 가장 효과적으로 불안정하게 만들며, 이는 안전하지 않은 차량 간 거리 발생 가능성을 높이기 때문이다.
• 선도 차량 감속 시에만 작동하는 부분적 시간 지연 잡음 공격은 연속적 잡음 공격보다 더 빽빽하고 낮은 차량 간 거리 궤적을 생성하여 안전 위험을 증가시킨다.
• 잡음 조건 하에서 시뮬레이션된 궤적 중 다수는 차량 간 거리가 0에 도달하여 안전하지 않은 상태임을 나타낸다.
• 제안된 도달 가능성 분석은 불확실성 하에서 차량 간 거리 궤적에 대해 날카운 상한 및 하한을 효과적으로 계산하여 안전성 검증이 가능하다.