基于LoRa的物理层密钥生成，用于安全的V2V / V2I通信外文翻译资料

 2022-08-09 10:12:17

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基于LoRa的物理层密钥生成，用于安全的V2V / V2I通信

Biao Han 1,* , Sirui Peng 1,Celimuge Wu 2,Xiaoyan Wang 3,* and Baosheng Wang 1

  1. 国防科技大学计算机学院；pengsirui18@nudt.edu.cn（S.P.）；wangboosheng@126.com（B.W.）
  2. 电子通信大学信息与工程研究生院，东京182-8585，日本；celimuge@uec.ac.jp
  3. 茨城大学工程学院，米托310-8512，日本

*通讯地址:nudtbill@nudt.edu.cn (B.H.);xiaoyan.wang.shawn@vc.ibaraki.ac.jp (X.W.)

接收日期：2019年12月11日；接受日期：2020年1月23日；发布日期：2020年1月26日

摘要：近年来，车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）的通信越来越引起业界（例如Google和Uber）和政府（例如美国运输部）的关注。这些车辆对一切（V2X）技术在未来的自动驾驶汽车中被广泛采用。但是，在V2V和V2I系统中，尤其是在密钥分配和密钥管理中，安全性问题尚未得到完全解决。利用无线信道互易性和随机性来生成安全密钥的物理层密钥生成为安全的V2V / V2I通信提供了可行的解决方案。它轻巧，灵活且动态。本文将物理层密钥生成用在V2I和V2V方案中。基于LoRa的物理密钥生成方案设计用于保护V2V / V2I通信。该通信基于远程（LoRa）协议，该协议能够在远距离测量接收信号强度指示器（RSSI）作为共识信息以生成安全密钥。具有改进的级联密钥协商协议的多位量化算法可生成安全的二进制位密钥。所提出的方案提高了密钥生成速率，并避免了传输过程中的信息泄漏。在V2V / V2I网络系统原型中实现了所提出的物理层密钥生成方案。在V2I和V2V环境中的大量实验评估了所提出的密钥生成方案的效率。已经在真实的室外环境中进行了实验。在我们的V2V / V2I网络系统原型上，其密钥生成速率可能会超过10位/秒，在我们的某些实验中达到20位/秒。对于二进制密钥序列，它们都通过了美国国家标准技术研究院（NIST）的统计测试套件。

关键字：V2V / V2I通信；自动驾驶安全；物理层密钥生成；LoRa

1.简介

近年来，车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信引起了业界（例如Google和Uber）和政府（例如美国运输部）的越来越多的关注。在可能的情况下，这些“车辆到万物”（V2X）技术将在未来的自动驾驶汽车中广泛采用[1]。在美国，美国国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration）在2016年提议一项强制要求，要求美国所有汽车制造商在2020年之前安装V2V功能。尽管还没有拟定规则，但著名的汽车制造商丰田和大众汽车同时宣布打算部署V2X技术[2]，车辆将具有更强大的通信能力[3]。根据美国运输部的报告，它预测到2029年，将有60％的汽车（累计1.46亿辆汽车）具有采用车联网（IoV）技术的V2X设备[4]。在中国，根据中国信息通信技术研究院（CAICT）的白皮书，中国第一汽车制造集团（FAW）集团公司于2019年实现了所有产品的标准IoV系统，到2020年将连接到Internet并配备驾驶辅助系统。此外，到2025年，所有新产品都将配备人机交互功能。随着V2V / V2I系统的发展，旧的和新的V2V / V2I应用程序都将通过不安全的无线通道连接传统的隔离式车辆[5]、基础设施或其他功能。安全问题已经引起人们的关注[6]。例如，关于车辆或乘客重要信息泄漏提和车辆被间接控制的可能性的问题被提到在参考文献[ 7-10]。V2X技术最终将引起类似的新安全问题。在V2V / V2I通信环境中，没有公钥基础结构（PKI），并且设备在未经授权的无线信道上进行通信。它面临着来自广播无线网络的安全挑战。如今，许多工作都利用了预共享密钥（PSK）。但是，可以预见，PSK不够安全。它不灵活，容易被攻击者窃取。由于这些原因，诸如欧洲电信标准协会（ETSI）的研究人员正在为V2X通信提出以下安全目标：机密性，完整性，可用性，问责制和真实性[11]。

V2X通信的主要挑战是身份验证。由于无线通信，用户面临许多危险。接收者应验证传输的消息是由合法用户生成的。当前用于保护无线通信安全的选项属于以下几种加密算法；对称，不对称和混合。对称算法由于性能快而更好，但是它们需要预共享的密钥。如果使用标准化密钥，则对称方式可能是可预测的并且不太安全。非对称算法允许随机生成密钥，但性能较慢。但是，V2X系统的连接通常以非常严格的延迟要求来处理对安全至关重要的消息，这是所有非对称和混合方案的局限。由于这些原因，安全的V2V / V2I通信应该面临挑战，[12]。

物理层密钥生成方案与传统的加密方案不同，它基于信息论和无线信道的随机特性。非常适合V2V / V2I系统。首先，使用物理层通道功能生成密钥是轻量级的，它仅涉及第三方免费的发送和接收节点。其次，密钥的生成和更新是在公共通道上执行的。第三，它是跨层安全性的基础[13]，通过生成物理层密钥为上层提供加密支持。与PKI方案相比，物理层安全方案没有第三方，也没有额外的通信开销。当PKI不可用时，它可以提供连续认证。与PSK方案相比，密钥是根据信道特征生成的，而不是根据固定值或规则生成的。它也可以根据实时频道特性灵活地更新。

但是，目前还没有用于V2V / V2I通信加密的适当方案。V2V / V2I系统的长距离，移动性和时限性给物理层密钥生成带来了挑战。车辆和基础设施需要在几秒钟内在移动场景中完成通信。严格的延迟要求对我们提出了挑战。在本文中，我们首先研究了V2V / V2I环境中的物理层密钥生成问题。从我们以前的作品[14]，我们验证了在移动场景下物理层密钥生成的可行性和适用性。然后，我们为V2V / V2I系统设计了一种远程移动物理层密钥生成方案。它利用LoRa网络来收集接收信号强度指示（RSSI）作为共识信息，从而缓解了严格延迟之间的矛盾。由于用LoRa通讯，初步的准备工作可能会在几公里之外开始[15]。它扩大了通信设备之间的距离，以交换更多时间来生成密钥。

本文的主要贡献概述如下。

·我们提出了一种用于V2V / V2I系统的远程移动物理层密钥生成方案，该方案探索从测量RSSI中提取的共享随机性作为共识信息以生成安全密钥（第4节）。

·我们利用LoRa通信的特性来缓解V2V / V2I通信中严格等待时间和算法时间开销之间的矛盾。它使设备可以在数公里外启动信号测量（第4.1节）。

·我们开发了具有改进的Cascade密钥协商协议的多位量化算法，以提高密钥生成率，并减少V2X设备系统通信的密钥生成过程引入的通信开销和信息泄漏（第4.2ensp;节，第4.3节和第4.4节）。

·我们在V2X网络系统原型中实现了提出的方案，并评估了固定和移动场景下的密钥生成效率。实验结果表明，我们提出的方案可以为上层应用程序实现令人满意的密钥生成性能（第5节）。

·本文的其余部分安排如下。我们首先在第二节中调查相关工作。我们将在第3节中介绍物理层密钥生成过程，并提出V2V / V2I方案。我们在第4节中描述了该方案，第5节中提供了实验结果。我们最后在

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