本公開總體涉及汽車通信系統(tǒng)，更具體地涉及檢測(cè)車對(duì)車(vehicle-to-vehicle，V2V)通信中的違規(guī)行為(misbehavior)。

背景技術(shù)：

美國(guó)交通部和國(guó)家公路交通安全管理局主導(dǎo)針對(duì)車對(duì)車(V2V)通信的研究已超過十年，V2V通信作為用于在車輛之間傳輸基本安全信息的系統(tǒng)，有助于警告駕駛者關(guān)于即將發(fā)生的碰撞。V2V通信，或者簡(jiǎn)稱V2V，涉及數(shù)據(jù)在鄰近的車輛之間的動(dòng)態(tài)無線交換，從而為顯著的安全改善提供了機(jī)會(huì)。V2V通信使用車載專用短程通信(DSRC)無線設(shè)備來將關(guān)于車輛速度、行駛方向/方位(heading)、制動(dòng)狀態(tài)和其他信息發(fā)送到其他車輛并且從其他車輛接收同樣的信息。這些信息(稱為“基本安全消息(BSM)”)可以通過使用非車載技術(shù)(例如，全球定位系統(tǒng)(GPS))檢測(cè)車輛的位置和速度來獲得，或者可以通過使用車載傳感器數(shù)據(jù)(其中從車載計(jì)算機(jī)導(dǎo)出位置和速度數(shù)據(jù))來獲得。車載傳感器數(shù)據(jù)可以與其他數(shù)據(jù)(例如，精度、緯度、角度)結(jié)合，從而產(chǎn)生對(duì)其他車輛的位置的更豐富且全詳細(xì)的態(tài)勢(shì)感知。因此，使用V2V與其他車輛交換消息使得車輛能夠自動(dòng)感測(cè)周圍360度范圍內(nèi)的車輛和它們帶來的潛在危險(xiǎn)，基于周圍車輛的位置、速度或軌跡來計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，向駕駛者發(fā)出建議或警告，并且采取先發(fā)動(dòng)作以避免和減輕碰撞。政府機(jī)構(gòu)和汽車制造商等正在致力于推廣V2V，使得道路上的每一部車輛(例如：小汽車、卡車、公交車和摩托車等)最終都能夠使用V2V與其他車輛進(jìn)行通信。

V2V技術(shù)給智能交通系統(tǒng)所帶來的無數(shù)便利打開了大門。然而，隨著互連性增加，安全漏洞將會(huì)帶來更大的危害風(fēng)險(xiǎn)。如果攻擊者能夠繞開當(dāng)前在V2V系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的基本的安全等級(jí)，則會(huì)引起嚴(yán)重的交通混亂。例如，攻擊者能夠通過例如獲取老舊或損壞的車輛的DSRC 無線設(shè)備來復(fù)制另一車輛的認(rèn)證證書。在這種情況下，攻擊者可以模仿道路上并不真實(shí)存在的車輛，從而潛在地迫使其他車輛自動(dòng)停止或者轉(zhuǎn)彎，以避免感知到的碰撞。因此，需要一層額外的安全性來防止惡意攻擊者違反V2V通信安全措施并且模仿虛擬車輛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供在V2V通信中能夠補(bǔ)充現(xiàn)有V2V安全措施的額外的安全層級(jí)。在這點(diǎn)上，本文公開的技術(shù)能夠阻止攻擊者成功模仿虛擬車輛并且由此導(dǎo)致嚴(yán)重的交通混亂和車輛事故。使用V2V通信從遠(yuǎn)處實(shí)體接收BSM的車輛(例如，“宿主車輛”)可以利用多普勒效應(yīng)，基于載波頻率的多普勒頻移來驗(yàn)證接收到的消息的發(fā)送源。宿主車輛還可以利用多普勒效應(yīng)，基于宿主車輛相對(duì)于發(fā)送源的角度偏移來驗(yàn)證接收到的消息的發(fā)送源。

根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種方法包括以下步驟：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度，計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期頻率變化；測(cè)量由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際頻率變化；將預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化進(jìn)行比較；以及當(dāng)預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的。

該方法還可以包括以下步驟：對(duì)預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及確定次數(shù)是否超過預(yù)定義的事件閾值。

該方法還可以包括以下步驟：校準(zhǔn)頻率變化閾值和次數(shù)閾值中的一個(gè)或多個(gè)。

該方法還可以包括以下步驟：確定宿主車輛的方位角和速度。

可以基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度以及宿主車輛的方位角和速度來計(jì)算預(yù)期頻率變化。

可以根據(jù)以下公式來計(jì)算預(yù)期頻率變化：

${\mathrm{\Δf}}_{Calculated}=\frac{f}{c}|V_{RV}-V_{HV}|\·Cos(H_{RV}-H_{HV})$

這里Δf_Calculated是計(jì)算出的預(yù)期頻率變化，f是在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的頻率，c是光速，V_RV是遠(yuǎn)處車輛的速度，V_HV是宿主車輛的速度，H_RV是遠(yuǎn)處車輛的方位角，H_HV是宿主車輛的方位角。

該方法還可以包括以下步驟：報(bào)告多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的。

該方法還可以包括以下步驟：確定遠(yuǎn)處車輛是由遠(yuǎn)程攻擊者模仿的虛擬車輛。

多個(gè)消息可以是基本安全消息(BSM)。

此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種方法包括以下步驟：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角，計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期角度偏移；測(cè)量在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際角度偏移；將預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移進(jìn)行比較；以及當(dāng)預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的。

該方法還可以包括以下步驟：對(duì)預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及確定次數(shù)是否超過預(yù)定義的事件閾值。

該方法還可以包括以下步驟：校準(zhǔn)角度偏移閾值和次數(shù)閾值中的一個(gè)或多個(gè)。

該方法還可以包括以下步驟：確定宿主車輛的方位角和速度。

可以基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和宿主車輛的方位角來計(jì)算預(yù)期角度偏移，以及可以基于由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的頻率變化、遠(yuǎn)處車輛的速度和宿主車輛的速度來測(cè)量實(shí)際角度偏移。

可以根據(jù)下述公式來計(jì)算預(yù)期角度偏移：

θ_Calculated＝H_RV-H_HV

這里，θ_Calculated是計(jì)算出的預(yù)期角度偏移，H_RV是遠(yuǎn)處車輛的方位角，H_HV是宿主車輛的方位角，以及

可以根據(jù)以下公式來測(cè)量實(shí)際角度偏移：

${\mathrm{\θ}}_{Measured}={\cos }^{-1}\left(\frac{c}{f}\frac{{\mathrm{\Δf}}_{measured}}{|V_{RV}-V_{HV}|}\right)$

這里，θ_Measured是測(cè)得的實(shí)際角度偏移，f是在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的頻率，c是光速，Δf _measured是在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的測(cè)得的頻率變化，V_RV是遠(yuǎn)處車輛的速度，V_HV是宿主車輛的速度。

該方法還可以包括以下步驟：報(bào)告多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的。

該方法還可以包括以下步驟：確定遠(yuǎn)處車輛是由遠(yuǎn)程攻擊者模仿的虛擬車輛。

多個(gè)消息可以是基本安全消息(BSM)。

此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種方法包括以下步驟：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度，計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期頻率變化；測(cè)量由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際頻率變化；將預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化進(jìn)行比較；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角，計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期角度偏移；測(cè)量在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際角度偏移；將預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移進(jìn)行比較；以及當(dāng)預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值時(shí)或者當(dāng)預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的。

此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種包含用于執(zhí)行方法的程序指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息的程序指令，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度來計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期頻率變化的程序指令；測(cè)量由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際頻率變化的程序指令；將預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化進(jìn)行比較的程序指令；以及當(dāng)預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的程序指令。

此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種包含用于執(zhí)行方法的程序指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息的程序指令，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角來計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期角度偏移的程序指令；測(cè)量在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際角度偏移的程序指令；將預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移進(jìn)行比較的程序指令；以及當(dāng)預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的程序指令。

此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例，一種包含用于執(zhí)行方法的程序指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括：在宿主車輛處接收使用車對(duì)車(V2V)通信發(fā)送的多個(gè)消息的程序指令，所述多個(gè)消息指示遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角和速度來計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期頻率變化的程序指令；測(cè)量由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際頻率變化的程序指令；將預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化進(jìn)行比較的程序指令；基于遠(yuǎn)處車輛的方位角來計(jì)算在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的預(yù)期角度偏移的程序指令；測(cè)量在宿主車輛處接收到的多個(gè)消息的實(shí)際角度偏移的程序指令；將預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移進(jìn)行比較的程序指令；以及當(dāng)預(yù)期頻率變化與實(shí)際頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值時(shí)或者當(dāng)預(yù)期角度偏移與實(shí)際角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值時(shí)，確定多個(gè)消息不是從遠(yuǎn)處車輛發(fā)送的程序指令。

附圖說明

通過結(jié)合附圖參考以下描述，可以更好地理解本文的實(shí)施例，在附圖中，相同的參考數(shù)字指代相同的或者功能相似的元件，其中：

圖1A-1C示出V2V通信中的示例安全漏洞情形；

圖2示出示例基本安全消息結(jié)構(gòu)；

圖3A和圖3B示出兩個(gè)車輛之間發(fā)送的消息的多普勒效應(yīng)的示例演示；

圖4示出用于執(zhí)行遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證的示例簡(jiǎn)化過程；以及

圖5示出用于執(zhí)行遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證的示例簡(jiǎn)化過程。

應(yīng)當(dāng)理解，上述附圖并未完全按比例繪制，而是呈現(xiàn)對(duì)說明本公開的基本原理的優(yōu)選特征的稍微簡(jiǎn)化的表示。本公開的具體設(shè)計(jì)特征，包括例如具體尺寸、方向、位置和形狀，將部分由特定意圖的應(yīng)用以及使用環(huán)境確定。

具體實(shí)施方式

在此使用的術(shù)語只是出于描述特定實(shí)施例的目的，并非意圖限制本發(fā)明。如在此使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)/一種”以及“該/所述”意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地指出。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“包括”和/或“包含”指明所敘述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、部件和/或其群組。如在此使用的，術(shù)語“和/或”包括所列出的相關(guān)項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的任何組合以及全部組合。術(shù)語“耦合”指代兩個(gè)部件之間的物理關(guān)系，其中部件直接彼此連接，或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)中間部件間接連接。

應(yīng)當(dāng)理解，在此使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或者其他類似的術(shù)語包括一般機(jī)動(dòng)車輛，例如客運(yùn)汽車(包括運(yùn)動(dòng)型多功能車輛(SUV))、公共汽車、卡車、各種商用車輛、水運(yùn)工具(包括各種艇和船)、飛機(jī)等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛、氫動(dòng)力車輛和其他替代燃料車輛(例如，從石油以外的資源得到的燃料)。如在此提到的，電動(dòng)車輛(EV)是包括從可充電能量存儲(chǔ)裝置(例如，一個(gè)或多個(gè)可再充電電化學(xué)電池或其他類型的蓄電池)獲得的電力作為車輛移動(dòng)能力的一部分的車輛。EV不限于汽車，并且可以包括摩托車、小型機(jī)動(dòng)車、小型摩托車等。此外，混合動(dòng)力車輛是具有兩個(gè)或更多個(gè)動(dòng)力源的車輛，例如，既有汽油動(dòng)力又有電動(dòng)力的車輛(例如，混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV))。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，下面的方法或其方面中的一個(gè)或多個(gè)可以由至少一個(gè)控制器或控制器局域網(wǎng)(CAN)總線執(zhí)行?？刂破骰蛘呖刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)可以被實(shí)現(xiàn)在車輛內(nèi)，例如本文描述的宿主車輛。術(shù)語“控制器”可以指代包括存儲(chǔ)器和處理器的硬件設(shè)備。存儲(chǔ)器被配置為存 儲(chǔ)程序指令，并且處理器被具體編程為執(zhí)行程序指令，以執(zhí)行下文進(jìn)一步描述的一個(gè)或多個(gè)處理。此外，應(yīng)當(dāng)理解，下面的方法可以由包含控制器和一個(gè)或多個(gè)額外部件的系統(tǒng)來執(zhí)行，如下面詳細(xì)描述的。

而且，本公開的控制器可以被體現(xiàn)為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀媒介，其包含可執(zhí)行程序指令，可執(zhí)行程序指令由處理器、控制器等執(zhí)行。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存驅(qū)動(dòng)器、智能卡和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)也可以分布在聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，使得計(jì)算機(jī)可讀媒介以分布式方式例如由遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)器或者控制器局域網(wǎng)(CAN)存儲(chǔ)和執(zhí)行。

現(xiàn)在參照本公開的實(shí)施例，所公開的技術(shù)阻止攻擊者成功地模仿虛擬車輛并且由此引起嚴(yán)重的交通混亂和車輛事故。使用V2V通信從遠(yuǎn)處實(shí)體接收BSM的車輛(例如：宿主車輛)能夠利用多普勒效應(yīng)，基于載波頻率的多普勒頻移來驗(yàn)證接收到的消息的發(fā)送源。宿主車輛可以進(jìn)一步利用多普勒效應(yīng)，基于宿主車輛相對(duì)于接收到的消息的發(fā)送源的角度偏移(angular offset)來驗(yàn)證該發(fā)送源。

圖1A-1C示出V2V通信中的示例安全漏洞情形。如圖1A-1C所示，正在道路上行駛的宿主車輛(host vehicle，HV)100可以啟用V2V通信，從而允許車輛100將包含各種信息數(shù)據(jù)(例如，車輛位置、速度、方位、制動(dòng)狀態(tài)等)的消息(例如，BSM)發(fā)送到其他車輛，并且從其他車輛接收同樣的消息。因此，宿主車輛100可以接收到從遠(yuǎn)處發(fā)送源(remote source)使用V2V通信發(fā)送的多個(gè)消息130(例如，BSM)。消息130可以是例如從DSRC無線設(shè)備發(fā)送的信號(hào)。

圖2示出示例BSM結(jié)構(gòu)。BSM針對(duì)V2V安全應(yīng)用所要求的低延遲、本地廣播是最優(yōu)的。因此，經(jīng)由具有大約1000米范圍的DSRC傳輸BSM。如圖2所示，示例BSM由兩部分組成：BSM部分I和BSM部分II。BSM部分I包含核心數(shù)據(jù)元素(例如，汽車尺寸、位置、速度、方位角、加速度、制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)等)。通常，每秒傳輸大約10次BSM部分I。同時(shí)，BSM部分II包含從各個(gè)可選數(shù)據(jù)元素中得到的一組可變數(shù)據(jù)元素。取決于近期事件(例如，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)激活、環(huán)境溫度/氣壓、天氣信息、外部光線狀態(tài)等)，BSM部分II有時(shí)可以被 添加到部分I上。尤其是，隨著BSM結(jié)構(gòu)繼續(xù)演進(jìn)，在車輛之間(例如，宿主車輛100和遠(yuǎn)處車輛110之間)交換的BSM信息可以包含任何合適配置的信息數(shù)據(jù)。因此，圖2中所描繪的數(shù)據(jù)類型只用于描述目的，不應(yīng)當(dāng)被視為限制權(quán)利要求的范圍。

接收到的消息130可以指示與宿主車輛100在同一道路上行駛的遠(yuǎn)處車輛(remote vehicle，RV)110的存在。消息130可以指示關(guān)于遠(yuǎn)處車輛的各種信息數(shù)據(jù)，例如速度、方位角、位置、制動(dòng)狀態(tài)等。通常，宿主車輛100可以響應(yīng)于關(guān)于遠(yuǎn)處車輛110的信息而發(fā)起動(dòng)作以提升安全。例如，基于遠(yuǎn)處車輛110的速度和方位角，如果消息130指示遠(yuǎn)處車輛110正在迎面迅速接近宿主車輛100，則宿主車輛100可以向駕駛者發(fā)出建議或警告，或者甚至采取先發(fā)動(dòng)作，例如轉(zhuǎn)向或停車，以避免和減輕潛在碰撞。

然而，如圖1A-1C所示，多個(gè)消息130實(shí)際上可能是從遠(yuǎn)程攻擊者120發(fā)送的，這意味著遠(yuǎn)處車輛110實(shí)際上并不存在。而是，遠(yuǎn)程攻擊者120正在通過使用V2V通信發(fā)送指示遠(yuǎn)處車輛的虛假存在的消息130來模仿遠(yuǎn)處車輛110。即，基于消息130中的信息，宿主車輛100接收到的多個(gè)消息130似乎是從遠(yuǎn)處車輛110發(fā)送的。但是事實(shí)上，消息130是從假裝成遠(yuǎn)處車輛110的遠(yuǎn)程攻擊者120發(fā)送的。

在一個(gè)示例中，攻擊者120可以位于宿主車輛100正在行駛(可能有其他車輛)的道路一側(cè)。攻擊者120可以從老舊或損壞的車輛(例如，修理廠、黑市等中的車輛)獲得預(yù)加載了有效V2V證書的DSRC無線設(shè)備。因此，攻擊者120可以使用DSRC無線設(shè)備發(fā)送DSRC信號(hào)，并且與過往車輛進(jìn)行有效通信。注意到，為了確保宿主車輛100接收到消息130，攻擊者120不得不例如使用定向天線將消息130準(zhǔn)確地朝著宿主車輛100引導(dǎo)。當(dāng)?shù)缆飞嫌卸鄠€(gè)車輛正在行駛時(shí)，對(duì)于攻擊者120來說，將變得更加困難。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1A，宿主車輛100接收到的消息130可以指示遠(yuǎn)處車輛110正以20m/s的速度朝著宿主車輛100行駛。而在圖1B中，宿主車輛100接收到的消息130可以指示遠(yuǎn)處車輛110是靜止的，但是位于宿主車輛100前方。應(yīng)當(dāng)注意，在兩種情形中，攻擊者120都位于同一位置(即，攻擊者120是靜止的)。因此，在兩種情形中，宿主車 輛100接收消息130的角度是相同的。圖1C示出與圖1B類似的情形，除了多個(gè)宿主車輛100正在道路上行駛，并且攻擊者120嘗試使用V2V通信向每個(gè)宿主車輛發(fā)送消息130。在圖1A到圖1C所示的每種情形中，消息130指示遠(yuǎn)處車輛110的速度和方位角以及其他信息數(shù)據(jù)，例如位置、車型、制動(dòng)狀態(tài)等。

響應(yīng)于接收到從攻擊者120使用V2V通信發(fā)送的多個(gè)消息130，宿主車輛100可以利用多普勒效應(yīng)來驗(yàn)證發(fā)送消息130的發(fā)送源。在這點(diǎn)上，多普勒效應(yīng)(或者多普勒頻移)是波的頻率(或其他周期性事件)由于觀測(cè)者相對(duì)于波源移動(dòng)而變化。圖3A和3B示出在兩個(gè)車輛之間發(fā)送的消息的多普勒效應(yīng)的示例演示。類似于圖1A到圖1C所描繪的情形，遠(yuǎn)處車輛110使用V2V通信向周圍車輛(包括宿主車輛100)發(fā)送多個(gè)消息130(雖然在圖1A到圖1C中，遠(yuǎn)處車輛110實(shí)際上是由攻擊者120模仿的)。在圖3A中，遠(yuǎn)處車輛110和宿主車輛100都是靜止的。因此，傳輸?shù)男盘?hào)130沒有壓縮(或拉伸(decompress))。因此，宿主車輛100接收到的消息130的頻率并無感知的變化。

然而，當(dāng)波源正朝著觀測(cè)者移動(dòng)時(shí)，每個(gè)相繼的波峰與前一個(gè)波相比，是從更靠近觀測(cè)者的位置發(fā)射的。因此，每個(gè)波與前一個(gè)波相比，到達(dá)觀測(cè)者所用的時(shí)間稍短。因此，相繼的波峰到達(dá)觀測(cè)者之間的時(shí)間減小，從而引起頻率增加。圖3B示出了這個(gè)情形，其中遠(yuǎn)處車輛110正朝著宿主車輛100行駛的同時(shí)發(fā)送消息130。如圖3B所示，由于遠(yuǎn)處車輛110的移動(dòng)，相繼的波前之間的距離減小，波壓縮。相反地，如果波源正遠(yuǎn)離觀測(cè)者移動(dòng)，則每個(gè)波與前一個(gè)波相比，是從離觀測(cè)者更遠(yuǎn)的位置發(fā)射的，所以相繼的波之間的到達(dá)時(shí)間增大，從而頻率降低。相繼的波前之間的距離于是增大，所以波拉伸。

因此，當(dāng)波源(例如，遠(yuǎn)處車輛110)和接收者(例如，宿主車輛100)相對(duì)彼此移動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)的頻率與從波源發(fā)射的頻率將是不同的。當(dāng)它們朝著彼此移動(dòng)時(shí)，觀測(cè)到的信號(hào)的頻率高于在波源處發(fā)射的頻率。這個(gè)現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)引起的頻率變化的速率取決于波源和接收者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及波的傳播速度。頻率的多普勒頻移可以根據(jù)下述公式計(jì)算：

$F_D=\mathrm{\Δ}f=\±f_c\frac{V}{c}cos\mathrm{\β}$

這里，F(xiàn)_D和Δf是在接收者處觀測(cè)到的波源的頻率變化(即，頻移)，fc是波源處的頻率，V是波源和接收者之間的速度差(即，相對(duì)速度)，c是光速，β是速度矢量的角度。當(dāng)β＝0時(shí)(即，波源和接收者在同一方向或相反方向上移動(dòng))，頻率變化最大。類似地，隨著波源與接收者之間的相對(duì)速度增加，頻率變化增加。

如上所述，宿主車輛100可以利用多普勒效應(yīng)，通過將測(cè)得的頻移和預(yù)期的頻移進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證發(fā)送消息130的發(fā)送源。具體地，宿主車輛100可以：1)測(cè)量在宿主車輛100處接收到的消息130的頻率由于多普勒效應(yīng)引起的變化，2)基于消息130中所指示的關(guān)于遠(yuǎn)處車輛110的信息來計(jì)算在宿主車輛100處接收到的消息130的預(yù)期頻率變化，3)將接收到的消息130的實(shí)際頻率變化與接收到的消息130的預(yù)期頻率變化進(jìn)行比較。如果實(shí)際頻率變化與預(yù)期頻率變化之間的差值超過預(yù)定義的頻率變化閾值，則宿主車輛100可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為。即，在宿主車輛100處接收到的消息130實(shí)際上并不是從遠(yuǎn)處車輛110發(fā)送的。由此，宿主車輛100可以選擇放棄對(duì)減輕與遠(yuǎn)處車輛110有關(guān)的事故或碰撞的任何嘗試，忽略接收到的消息130，報(bào)告檢測(cè)到的V2V違規(guī)行為(例如，通過將上報(bào)消息發(fā)送到V2V通信服務(wù)器)等。

圖4示出執(zhí)行遠(yuǎn)處車輛頻移驗(yàn)證的示例簡(jiǎn)化過程。過程400可以開始于步驟405，并且繼續(xù)到步驟410，在這里，如本文更詳細(xì)描述的，可以利用多普勒效應(yīng)，通過將測(cè)得的頻移和預(yù)期的頻移進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證發(fā)送消息130的發(fā)送源。

在步驟410處，在宿主車輛100處接收到多個(gè)消息130(例如，BSM)。消息130可以包含關(guān)于遠(yuǎn)處車輛110的各種信息數(shù)據(jù)，例如遠(yuǎn)處車輛的方位角(H_RV)和遠(yuǎn)處車輛的速度(V_RV)(步驟415)。圖2示出了消息130中典型含有的附加信息數(shù)據(jù)。在步驟420和425處，宿主車輛100，或者更具體地，宿主車輛100的控制器或控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，可以確定其自己的方位角(H_HV)和速度(V_HV)。在步驟430處，基于這些信息(即，遠(yuǎn)處車輛110的方位角和速度以及 宿主車輛100的方位角和速度)，可以計(jì)算在宿主車輛100處接收到的消息130的預(yù)期頻率變化(或頻移)(Δf_Calculated)。具體地，可以根據(jù)以下公式計(jì)算預(yù)期頻率變化：

${\mathrm{\Δf}}_{Calculated}=\frac{f}{c}|V_{RV}-V_{HV}|\·Cos(H_{RV}-H_{HV})$

這里，Δf_Claculated是計(jì)算出的預(yù)期頻率變化，f是在宿主車輛100處接收到的消息130的頻率，c是光速，V_RV是遠(yuǎn)處車輛110的速度，V_HV是宿主車輛100的速度，H_RV是遠(yuǎn)處車輛110的方位角，H_HV是宿主車輛100的方位角。

同時(shí)，在步驟435處，可以測(cè)量在宿主車輛100處接收到的消息130的載波頻率由于多普勒效應(yīng)而引起的實(shí)際變化(Δf_Measured)。例如，宿主車輛100可以記錄接收到的消息130的前導(dǎo)碼的載波頻率偏移。接著，在步驟440處，宿主車輛100可以通過以下步驟來比較接收到的消息130的計(jì)算出的頻率變化(Δf_Calculated)和接收到的消息130的測(cè)得的頻率變化(Δf_Measured)：計(jì)算所計(jì)算出的頻率變化和測(cè)得的頻率變化之間的差值，并且將該差值與預(yù)定義的頻率變化閾值進(jìn)行比較?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整或者校準(zhǔn)頻率變化閾值，使得遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證的靈敏度更高或更低。如果計(jì)算出的頻率變化和測(cè)得的頻率變化之間的差值小于或等于頻率變化閾值，則過程400可以返回到步驟405，并且宿主車輛100可以認(rèn)為，在接收到的消息130中指示的遠(yuǎn)處車輛110確實(shí)正在向宿主車輛100發(fā)送消息(步驟445)。然而，如果計(jì)算出的頻率變化和測(cè)得的頻率變化之間的差值超過頻率變化閾值，則宿主車輛100可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為(步驟465)。即，多個(gè)消息130并非是從遠(yuǎn)處車輛110發(fā)送的，而是，消息130是從模仿遠(yuǎn)處車輛110的遠(yuǎn)程攻擊者(例如，攻擊者120)發(fā)送的。

注意到，如果頻移差異的單次出現(xiàn)不足以得出發(fā)生了V2V違規(guī)行為，則可以將可選步驟450、455和460合并到遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證過程中。在這點(diǎn)上，在步驟450處，可以遞增事件計(jì)數(shù)器，以便跟蹤計(jì)算出的頻率變化與測(cè)得的頻率變化之間的差值超過頻率變化閾值的次數(shù)。接著，在步驟455處，可以確定事件計(jì)數(shù)器的值(即，差值超過頻率變化閾值的次數(shù))是否超過預(yù)定義的事件閾值。與頻率變化閾值 類似，可以根據(jù)需要調(diào)整或校準(zhǔn)事件閾值，使得遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證的靈敏度更高或更低。如果事件計(jì)數(shù)器的值小于或等于事件閾值，則過程400可以返回到步驟405，并且宿主車輛100可以重復(fù)遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證，以執(zhí)行額外的頻移測(cè)試(步驟460)。然而，如果事件計(jì)數(shù)器的值超過事件閾值，則宿主車輛100可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為(步驟465)。

過程400說明性地在步驟465結(jié)束。上面詳細(xì)描述了可以執(zhí)行過程400的步驟的技術(shù)、以及輔助的過程和參數(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，圖4中所示的步驟僅用于說明，可以根據(jù)需要包括或排除某些其他步驟。進(jìn)一步地，雖然示出了步驟的特定順序，但是該順序僅用于說明，可以利用任何合適的步驟設(shè)置，而不背離此處實(shí)施例的范圍。更進(jìn)一步地，根據(jù)本權(quán)利要求的范圍，可以以任何合適的方式修改所示的步驟。

此外，宿主車輛100可以利用多普勒效應(yīng)，通過計(jì)算預(yù)期遠(yuǎn)處車輛110的發(fā)送點(diǎn)與來自攻擊者120(說明性地位于道路一側(cè))的消息130的實(shí)際位置之間的角度差，以此驗(yàn)證發(fā)送消息130的發(fā)送源。為此，宿主車輛100可以計(jì)算接收到的消息130的角度偏移(即，速度矢量的角度β)，其代表發(fā)送源(感知的遠(yuǎn)處車輛110或攻擊者120)的位置相對(duì)于宿主車輛100的角度。具體地，宿主車輛可以：1)測(cè)量由于多普勒效應(yīng)引起的在宿主車輛100處接收到的消息130的實(shí)際角度偏移，2)基于接收到的消息130中指示的關(guān)于遠(yuǎn)處車輛110的信息，計(jì)算在宿主車輛100處接收到的消息130的預(yù)期角度偏移，以及3)將接收到的消息130的實(shí)際角度偏移與接收到的消息130的預(yù)期角度偏移進(jìn)行比較。如果實(shí)際角度偏移與預(yù)期角度偏移之間的差值超過預(yù)定義的角度偏移閾值，則宿主車輛可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為。即，在宿主車輛100處接收到的消息130實(shí)際上并非是從遠(yuǎn)處車輛110發(fā)送的。由此，宿主車輛可以選擇放棄對(duì)減輕與遠(yuǎn)處車輛110有關(guān)的事故或碰撞的任何嘗試，忽略接收到的消息130，報(bào)告檢測(cè)到的V2V違規(guī)行為(例如，通過發(fā)送上報(bào)消息給V2V通信服務(wù)器)等。

圖5示出執(zhí)行遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證的示例簡(jiǎn)化過程。過程500開始于步驟505，并且繼續(xù)到步驟510，這里，如本文更詳細(xì)描述的，可以 利用多普勒效應(yīng)，通過計(jì)算預(yù)期遠(yuǎn)處車輛110的發(fā)送點(diǎn)與來自攻擊者120的消息130的位置之間的角度差，以此驗(yàn)證發(fā)送消息130的發(fā)送源。遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證過程與圖4所示的遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證過程相似。輸入與遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證相同，并且遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證中使用的公式與遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證中使用的公式相似，除了被重新設(shè)計(jì)為對(duì)角度進(jìn)行比較。

在步驟510處，在宿主車輛100處接收多個(gè)消息130(例如，BSM)。消息130可以包含有關(guān)遠(yuǎn)處車輛110的各種信息數(shù)據(jù)，例如遠(yuǎn)處車輛的方位角(H_RV)和遠(yuǎn)處車輛的速度(V_RV)(步驟515)。在步驟520和步驟525處，宿主車輛100，或更具體地，宿主車輛100的控制器/控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，可以確定其自己的方位角(H_HV)和速度(V_HV)?；谶@些信息(即，遠(yuǎn)處車輛110的方位角和宿主車輛100的方位角)，在步驟530處，可以計(jì)算在宿主車輛100處接收到的消息130的預(yù)期角度偏移。具體地，可以根據(jù)以下公式計(jì)算預(yù)期角度偏移：

θ_Calculated＝H_RV-H_HV

這里，θ_Calculated是計(jì)算出的預(yù)期角度偏移，H_RV是遠(yuǎn)處車輛的方位角，H_HV是宿主車輛的方位角。

同時(shí)，在步驟535處，可以測(cè)量在宿主車輛100處接收到的消息130的載波頻率由于多普勒效應(yīng)而引起的實(shí)際變化(Δf_Measured)。例如，宿主車輛100可以記錄接收到的信息130的前導(dǎo)碼的載波頻率偏移。接著，在步驟540處，宿主車輛100可以測(cè)量在宿主車輛100處接收到的多個(gè)消息130由于多普勒效應(yīng)而引起的實(shí)際角度偏移?？梢曰谠谒拗鬈囕v100處接收到的消息130的頻率由于多普勒效應(yīng)而引起的變化(在步驟535處確定)、遠(yuǎn)處車輛110的速度和宿主車輛100的速度來測(cè)量實(shí)際角度偏移(θ_Measured)。具體地，可以根據(jù)下述公式計(jì)算實(shí)際角度偏移：

${\mathrm{\θ}}_{Measured}={\cos }^{-1}\left(\frac{c}{f}\frac{{\mathrm{\Δf}}_{Measured}}{|V_{RV}-V_{HV}|}\right)$

這里，θ_Measured是測(cè)得的實(shí)際角度偏移，f是在宿主車輛100處接收到的多個(gè)消息130的頻率，c是光速，Δf_Measured是在宿主車輛100處接收到的多個(gè)消息130的頻率變化(頻移)，V_RV是遠(yuǎn)處車輛110的速 度，V_HV是宿主車輛100的速度。

接著，在步驟545處，宿主車輛100可以通過以下步驟來比較接收到的消息130的計(jì)算出的角度偏移(θ_Calculated)和接收到的消息130的測(cè)得的角度偏移(θ_Measured)：計(jì)算所計(jì)算出的角度偏移與測(cè)得的角度偏移之間的差值，并且將該差值與預(yù)定義的角度偏移閾值進(jìn)行比較?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整或校準(zhǔn)預(yù)定義的角度偏移閾值，使得遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證的靈敏度更高或更低。如果計(jì)算出的角度偏移與測(cè)得的角度偏移之間的值差小于或等于角度偏移閾值，則過程500可以返回到步驟505，并且宿主車輛100可以認(rèn)為，接收到的信息130中指示的遠(yuǎn)處車輛110確實(shí)正在向宿主車輛100發(fā)送信息(步驟550)。然而，如果計(jì)算出的角度偏移與測(cè)得的角度偏移之間的差值超過角度偏移閾值，則宿主車輛100可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為(步驟570)。即，多個(gè)消息130并非是從遠(yuǎn)處車輛110發(fā)送的，而是，消息130是從模仿遠(yuǎn)處車輛110的遠(yuǎn)程攻擊者(例如，攻擊者120)發(fā)送的。

注意到，如果角度偏差的單次出現(xiàn)不足以得出發(fā)生了V2V違規(guī)行為，則可以將步驟555、560和565合并到遠(yuǎn)處車輛角度偏移認(rèn)證過程。在這點(diǎn)上，在步驟555處，可以遞增事件計(jì)數(shù)器(Δf_{Th_Event})，以便跟蹤計(jì)算出的角度偏移與測(cè)得的角度偏移之間的差值超過角度偏移閾值的次數(shù)。接著，在步驟560處，可以確定事件計(jì)數(shù)器的值(即，差值超過角度偏移閾值的次數(shù))是否超過預(yù)定義的事件閾值。與角度偏移閾值類似，可以根據(jù)需要調(diào)整或者校準(zhǔn)事件閾值，使得遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證的靈敏度更高或更低。如果事件計(jì)數(shù)器小于或等于事件閾值，則過程500可以返回到步驟505，并且宿主車輛100可以重復(fù)遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證，以執(zhí)行額外的角度偏移測(cè)試(步驟565)。然而，如果事件計(jì)數(shù)器超過事件閾值，則宿主車輛100可以確定發(fā)生了V2V違規(guī)行為(步驟570)。

過程500說明性地在步驟570結(jié)束。上面詳細(xì)描述了可以執(zhí)行過程500的步驟的技術(shù)、以及輔助過程和參數(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，圖5中所示的步驟僅用于說明，可以根據(jù)需要包括或排除某些其他步驟。進(jìn)一步地，雖然示出了步驟的特定順序，但是該順序僅用于說明，可以利用任何合適的步驟設(shè)置，而不背離此處實(shí)施 例的范圍。更進(jìn)一步地，根據(jù)本權(quán)利要求的范圍，可以以任何合適的方式修改所示的步驟。

回到圖1A-1C所描繪的V2V通信中的安全漏洞情形，圖4中描繪的遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證過程和圖5中描繪的遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證過程之一或者二者的組合，可以被宿主車輛100用來在使用V2V通信接收到多個(gè)消息130時(shí)檢測(cè)V2V違規(guī)行為。例如，在圖1A中，接收到的消息130指示遠(yuǎn)處車輛110正以20m/s的速度朝著宿主車輛100行駛，此時(shí)可以使用遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證或遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證來確定消息130實(shí)際上是由位于道路一側(cè)的攻擊者120發(fā)送的。如果采用遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證，例如，雖然接收到的消息130指示遠(yuǎn)處車輛110聲稱正以20m/s的速度朝著宿主車輛100行駛，但是宿主車輛100可以根據(jù)對(duì)由于多普勒效應(yīng)引起的接收到的消息130的實(shí)際頻率變化的測(cè)量(沒有頻率變化)，確定消息130的實(shí)際發(fā)送源(即，攻擊者120)是靜止的。換句話說，宿主車輛100預(yù)期到消息130的載波的頻率變化，因?yàn)檫h(yuǎn)處車輛110廣播它正在移動(dòng)。然而，利用多普勒效應(yīng)，攻擊者的載波指示發(fā)送源是靜止的。

在圖1B中，接收到的消息130指示遠(yuǎn)處車輛110是靜止的，此時(shí)可以再次使用遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證或遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證來確定消息130實(shí)際上是由位于道路一側(cè)的攻擊者120發(fā)送的。這種情形與圖1的情形相比，檢測(cè)起來可能稍微困難，因?yàn)檫h(yuǎn)處車輛110和攻擊者120都是靜止的。因此，在這種情況下，遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證可能是更有效的，因?yàn)樵陬A(yù)期遠(yuǎn)處車輛110的發(fā)射點(diǎn)與來自道路一側(cè)的攻擊者120的實(shí)際DSRC傳輸130的位置之間存在著可檢測(cè)到的角度差。

在圖1C中，接收到的消息130指示的遠(yuǎn)處車輛110也是靜止的，并且在道路上有多個(gè)宿主車輛100正在行駛，此時(shí)可以再次使用遠(yuǎn)處車輛頻移認(rèn)證或遠(yuǎn)處車輛角度認(rèn)證來檢測(cè)V2V違規(guī)行為。注意到，在道路上有多個(gè)車輛(例如，宿主車輛100)同時(shí)行駛使會(huì)對(duì)攻擊者造成困難，因?yàn)楣粽?20將需要反復(fù)地(例如，每100ms)預(yù)測(cè)在給定半徑內(nèi)的所有宿主車輛100的位置。此外，攻擊者120將需要針對(duì)范圍內(nèi)的每一個(gè)宿主車輛100使用一個(gè)完全精確的定向天線來屏蔽其他宿主車輛診斷V2V違規(guī)行為。

因此，本文描述了提供增強(qiáng)的安全性以防攻擊者試圖模仿車輛的技術(shù)。由于不需要額外的傳感器或硬件，因此實(shí)現(xiàn)這些益處僅需要很少的額外成本。此外，V2V技術(shù)被預(yù)期最終將在北美出售的所有車輛上成為標(biāo)準(zhǔn)裝配。然而，隨著互連性增加，安全漏洞將會(huì)帶來更大的危害風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文描述的用于支持V2V安全性以防特定的惡意攻擊的技術(shù)是非常有益的。

雖然已經(jīng)示出和描述了用于檢測(cè)V2V通信中的違規(guī)行為的說明性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，在此處實(shí)施例的精神和范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種其他改動(dòng)和修改。例如，V2V通信和BSM標(biāo)準(zhǔn)將隨著時(shí)間繼續(xù)演進(jìn)，并且本文所公開的安全措施不應(yīng)當(dāng)被視為只適用于特定版本的V2V通信和BSM。換句話說，本公開的范圍意圖包括所有未來的V2V通信和BSM的實(shí)施方式。本公開的實(shí)施例可以根據(jù)本權(quán)利要求的范圍以任何合適的方式進(jìn)行修改。

上文描述是針對(duì)本公開的實(shí)施例。然而，顯而易見的是，可以對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行其他變化和修改，實(shí)現(xiàn)它們的優(yōu)點(diǎn)中的一些或全部。因此，這個(gè)描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為僅是示例，并不限制此處實(shí)施例的范圍。因此，權(quán)利要求的目標(biāo)是，覆蓋所有這些變化和修改，如同落入此處實(shí)施例的真實(shí)精神和范圍內(nèi)。