[论文解读] PBF: A New Privacy-Aware Billing Framework for Online Electric Vehicles with Bidirectional Auditability

Rasheed Hussain, Donghyun Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 5

一句话总结

本文提出PBF，一种面向在线电动车辆（OLEVs）的隐私感知计费框架，通过轻量级双向认证与基于博弈论的计费验证，实现安全、公平且双向可审计的无线电力传输。该框架确保车辆仅为其实际使用的电力付费，通过伪名保护驾驶员隐私，并支持适用于不同车速的直接认证与哈希链认证两种机制。

ABSTRACT

Recently an online electric vehicle (OLEV) concept has been introduced, where vehicles are propelled through the wirelessly transmitted electrical power from the infrastructure installed under the road while moving. The absence of secure-and-fair billing is one main hurdle to widely adopt this promising technology. This paper introduces a secure and privacy-aware fair billing framework for OLEV on the move through the charging plates installed under the road. We first propose two extreme lightweight mutual authentication mechanisms, a direct authentication and a hash chain-based authentication between vehicles and the charging plates that can be used for different vehicular speeds on the road. Second we propose a secure and privacy-aware wireless power transfer on move for the vehicles with bidirectional auditability guarantee by leveraging game-theoretic approach. Each charging plate transfers a fixed amount of energy to the vehicle and bills the vehicle in a privacy-aware way accordingly. Our protocol guarantees secure, privacy-aware, and fair billing mechanism for the OLEVs while receiving electric power from the road. Moreover our proposed framework can play a vital role in eliminating the security and privacy challenges in the deployment of power transfer technology to the OLEVs.

研究动机与目标

• 为解决在线电动车辆（OLEV）系统中缺乏安全且公平的计费机制的问题，该问题阻碍了其广泛应用。
• 消除隐私泄露问题以及高成本的追踪方法（如车辆摄像头或RFID）在OLEV计费系统中的使用。
• 设计一种轻量级、可扩展且保护隐私的计费协议，支持按路段计费的电力使用。
• 确保车辆与充电板之间具备相互审计能力，使双方均可验证计费的准确性。
• 整合博弈论模型，以验证计费过程的公平性与可信度。

提出的方法

• 提出两种轻量级双向认证协议：直接双向认证（DMA）与基于伪名的哈希链认证（PHA），分别适用于不同车速场景。
• 利用伪名与哈希链保护驾驶员身份，仅在法律必要时实现可追溯性。
• 采用分段道路模型，其中每个充电板（CP）提供固定功率，并根据车辆实际使用情况计费。
• 引入中心化服务提供商（CSPA）以管理会话密钥并认证车辆在PHA中的身份，降低车载计算负担。
• 应用博弈论建模车辆与充电板之间的交互，确保激励相容性与双向可审计性。
• 使用SHA-512进行密码哈希运算，并定义固定大小的消息格式（例如，PHA为135字节），以确保效率与标准化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为OLEVs设计一种安全且保护隐私的计费机制，仅对实际消耗的电力进行计费？
• RQ2 哪些轻量级认证协议可在保护隐私的同时支持高速OLEV运行，并实现相互审计？
• RQ3 如何形式化保证双向可审计性，使车辆与充电板均可验证计费的公平性？
• RQ4 OLEV系统中，认证延迟、电力传输效率与路段长度之间存在何种权衡？
• RQ5 如何应用博弈论对OLEV系统中计费过程的公平性与可信度进行建模与验证？

主要发现

• 所提出的PBF框架通过仅对每段道路的实际耗电进行计费，实现了安全、隐私感知且公平的计费。
• 直接双向认证（DMA）协议因计算开销更低且OBU与CP之间直接通信，性能优于PHA。
• PHA由于需在OBU上存储伪名的哈希链，导致更高的存储成本，但通过将计算任务卸载至CSPA，降低了车载计算负担。
• 通信开销最小化：PHA为135字节，DMA更低，认证延迟低于1微秒，适用于高速车辆。
• 博弈论模型证实，车辆与充电板均有动机诚实行事，从而确保双向可审计性与公平性。
• 该框架支持5米的实用路段长度，在认证延迟、电力传输与可审计性之间实现平衡，但最优长度取决于车辆速度与系统参数。