MIMO技术干扰抑制在车载网络的威胁

文摘

车载ad hoc网络已成为一种很有前途的研究和开发领域,因为他们将能够容纳各种各样的应用程序,从娱乐到交通管理和道路安全。特定车载ad hoc网络面临与安全相关的问题是如何保持沟通在无线电频率干扰的存在,尤其是在紧急情况下。多输入多输出技术被证明能够提高一些关键参数等车载通信的通信范围和吞吐量。在本文中,我们研究如何使用多输入多输出技术在车载ad hoc网络主动防御机制,以避免干扰威胁。出于这个原因,提出了空间复用的一种变体,即vSP4,达到不仅高吞吐量,而且稳定的分集增益恶意干扰机的干扰。

1。介绍

车载ad hoc网络(VANETs)已成为一种很有前途的研究领域(1,2),无线和移动ad hoc网络的进步可以应用到现实问题(交通堵塞、燃料消耗、污染物排放和交通事故)。车辆可能利用多种无线技术与其他设备通信,但占主导地位的是专用短程通信(DSRC) [3),旨在支持各种基于车载通信的应用程序。VANETs为汽车制造商目前关注的中心,科技公司,运输当局。车载通信的基本思想是帮助扩大驾驶员的感知范围与自治的援助和帮助应用程序。

VANETs可以视为移动ad hoc网络的利用,加强交通安全,为司机提供舒适的应用程序。VANETs的独特功能包括快速移动的车辆(即遵循预定的路径。,roads) though having high diversity of mobility patterns along with messages that have different priority levels. For example, messages for comfort and infotainment applications have low priority, while messages for traffic safety applications require timely and reliable message delivery [4]。混合VANETs可以容纳vehicle-to-vehicle (V2V)和vehicle-to-infrastructure (V2I)通信。这使其他形式的通信,比如vehicle-to-broadband云(V2B),车辆与监控数据中心和vehicle-to-human (V2H)与易受伤害的道路使用者交流,例如,行人或自行车5]。除了不间断和可靠连接,VANETs不得不面对的一个主要问题是安全性(6]。

随着汽车越来越相互联系,制造商不得不面对的主要挑战之一是安全性。尤其是安全应用,早期预警的司机是至关重要的,它是必要的,以确保可由攻击者不能修改或删除信息。车辆的安全威胁目标安全的所有三个主要组件:机密性、完整性和可用性(CIA) [7]。VANETs面临特定的与安全相关的问题是保持沟通在射频干扰攻击。在报道8],它是证明常数,周期性,被动射频干扰显著影响车辆通信通过广泛的测量在一个无回声的用户。特别是在(8反应延迟的影响和干扰信号持续时间在活性干扰机的有效性也量化。因此,jamming-aware通信、协议和应用程序以及有效的干扰检测和反应战略的需要。

关于干扰VANETs,以前作品的主要目的是分析威胁和专注于射频干扰的影响(9,10]。大多数先前的工作处理的早期和正确检测恶意节点(11)或开发一些技术,利用跳频(12为了找到一个无干扰的频道。这些方法太复杂的实现在实际环境中,特别是在更复杂的干扰攻击必须解决(例如,一个反应干扰机)。也通常在射频干扰攻击所有沟通渠道受阻和跳频技术没有任何积极的影响。

2。动机

为有效打击射频干扰在本文中,我们提出了分布式天线的使用。MIMO系统,虽然彻底调查,大多集中在如何提高车载通信的一些参数,例如,通信范围和吞吐量。以前的工作主要侧重于解释使用MIMO VANETs[的好处13)和研究传播模型(14,15和OFDM-based MIMO系统16]。以前的工作没有研究MIMO系统作为一种主动防御机制,克服了不同类型的射频干扰攻击。最近才主动抗干扰MIMO-based技术被引入。作者在17]目前MIMO-based抗干扰技术,使用导向或干扰信号的波束形成为了提高decodability发送信号。方法很难实现在VANET场景中,由于信道条件变化频繁和多个飞行员必须使用发送方和干扰机实时信道跟踪。在另一个工作在18]提出合作缓解计划结合分布式天线干扰抑制干扰。这种方法是基于信道信息比率,这是提供的探索频道。VANETs,经常变化的通道会生成大量的探针,重载通道。作者在19)使用MIMO和干扰取消为了支持通信存在强烈的干扰。然而,只有随机干扰被认为是该方法并不是适合被动射频干扰器。最后,在20.),一种改进的MIMO信道估计干扰取消利用战斗反应的干扰。然而,一个非常复杂的方法基于卡尔曼滤波器和基础扩张模型(BEM)和大量的迭代收敛是用来跟踪干扰机的通道,使该方法很难应用于实际情况。

本文研究MIMO系统射频连续提高健壮性和反应性干扰威胁,同时实现VANETs中更高的吞吐率。摘要天线系统方案与瞬时信道状态信息(CSI)收到数据包的通道接收器和没有知识的干扰机使用。我们表明,使用天线系统,干扰信号的抑制可以成功不使用干扰检测阶段,无论类型和结构的干扰信号。我们方案命名vSP4, Alamouti方案相结合,空间多路复用(SM) [21),也几乎翻倍的吞吐量和降低了沉默时间几乎两倍相比,经典cSP4方案存在的恶意干扰机。本文的另一个贡献是一个新的VANET框架模拟相结合三个已知的模拟器获得更现实的结果。

3所示。系统模型

3.1。仿真框架

评估提议的防御机制,静脉使用模拟器(22]。这个开源框架包含两个著名的模拟器:OMNET + +,一个基于事件的网络模拟器,相扑,道路交通模拟器。此外,而不是使用现有的PHY层OMNET + +,这GEMV (V2V几何投影有效传播模型)23]工具集成到静脉网络模拟器。GEMV计算传播模型将链接到视距(LOS)和non-LOS (NLOSv和NLOSb)链接类型和确定性计算大规模信号变化(即。为每个链接类型、路径损耗和阴影)。此外,GEMV雇佣了一个简单的线性几何小规模信号变化模型,计算额外的随机信号变化基于周围的对象的信息。GEMV配置和修改移植到静脉模拟器和融入。图1说明了瞬时信噪比和距离计算的集成GEMV-VEINS相比,这个计算静脉模拟器。GEMV使用更详细的传播模型计算信噪比,考虑链接的“质量”考虑的物理障碍(例如,建筑和汽车)相比,简单的计程仪航程模型用于静脉。提出VEINS-GEMV集成仿真框架允许更现实的模拟,由于信噪比是影响不仅从车辆之间的距离,而且小规模和大规模无线介质的变化。

3.2。通道模型层和物理层调制

模拟的802.11便士MAC层和物理层参数在5.9 GHz (10 MHz)。请参考表2细节的具体参数值。同时,瑞利衰落信道和加性高斯白噪声(AWGN)稳定在10的传播符号,是假定。在我们的场景中,每秒10数据包传输。平均信噪比计算出每一秒。的传输模拟中使用的调制符号正交相移编码/ 16-QAM和数据率3 Mbps用于数据包报头和6 Mbps数据包有效载荷目前由静脉项目。调制和编码方案(MCS)比特/符号使用发射机和干扰机,而其最优值是由每个节点独立。评估MIMO压制干扰的效果,我们使用三种不同的分配方案。

3.3。再分配模型

了所有的计划,我们假设传播的是符号的数量的持续时间时间槽,是传输信号的功率,接收机噪声是不相关的平等权力。我们也使用前向纠错(FEC)编码发射机,假设完美的瞬时信道接收机的知识。此外,接收天线的数量和吗发射天线的数量,而变量描述了有多少天线用于发送相同的多个副本的象征与MIMO方案增加了分集增益。我们假设是发射器(Tx)和接收器之间的通道(Rx)。我们测试的系统是:aAlamouti计划部分4所示。1,一个SM节4所示。2,一个增强Alamouti组合方案和SM计划部分4所示。3。

4所示。该防御系统

4.1。经典Alamouti算法

最受欢迎的技术提高MIMO系统的可靠性是Alamouti空时分组编码(摘要)技术(24]。摘要技术用于无线通讯传输数据流的多个副本的天线来提高可靠性。Alamouti至少需要传输天线(21]。它不会提高吞吐量的绝对数字但达到显著降低比特误码率(BER)。与Alamouti 2符号传播的活动如表中所示1。我们使用一个MIMO Alamouti计划的大量的符号传播的持续时间时段。

由于Alamouti正交传输,两个传播符号不相互干扰。每个符号传达不同的独立通道实现,提高整个系统的可靠性。接收到的信号可以写成

在上面的方程中,和表示在天线接收到的符号元素1号和数量在第一个时间槽(表1)和类似的和代表在天线接收到的符号元素1号和数量在第二次槽。使用diversity-multiplexing权衡(DMT) [25),我们可以看到的符号与发送米姆Alamouti方案符号/时段和分集增益。所以DMT。

解码与最大比例结合(MRC)结合使用加权因子信号以达到更高的平均信噪比(21]。如果我们有 和反向矩阵产品 提出了信号是

因为MRC解码,随着接收天线的数量增加,整体性能也得到改善。最后,计算的吞吐量Alamouti方案后,我们看到,瞬时容量 从上面的公式,我们可以得出这样的结论:Alamouti方案的容量取决于符号传播的速度在每一个时间段(例如,)。因此,如果与Alamouti率增加,那么这个方案的能力也增加。最后,为MIMO Alamouti方案,能力,输出是一个(天线)输入单输出方案(天线)。

4.2。经典的空间多路复用

该方法提供最高的吞吐量是SM。原因是每个天线传输不同的符号在每个时间段。在的情况下,,或天线一般来说,吞吐量增长了一倍,四倍,或者增加了次,分别。然而,在恶劣的信道条件,SM实现低信噪比和高误码率。SM是MIMO信道 通过应用最小二乘均衡信道矩阵,我们要把伪逆矩阵: 用于检测的充分统计量 这也被称为zero-forcing方法。

对于一个MIMO SM方案,达到的天线接收到的信号和天线可以写成 从上面的方程,我们注意到收到副本的符号和是2。所以,多路复用增益使用DMT的SM是2,而分集增益是0。

我们计算SM的能力计划, 在上面的方程中,的特征值矩阵(21]。为我们的MIMO的例子,而与SM Alamouti方案的能力,我们可以得出这样的结论:在高信噪比的政权。

4.3。空间多路复用的增强版本

在这部作品中,经典版的SM是增强我们与SM和Alamouti特定应用程序。更具体地说用户可以选择较慢但更可靠的传输技术通过选择多少不同的符号在每个时间段会传播。其余天线重复这些符号,实现更高的概率成功的解码。例如,在一个与经典的SM, MIMO系统,符号是传播/时间槽。在我们的系统中,符号/时间段为了不仅双传输最大吞吐量还提供一种更健壮的通信通过增加成功的概率解码的2倍。所以DMT (vSP4)方案,分集增益。在我们的系统中,为了使两个符号()传输,每个奇数编号的天线传输象征,甚至所有的天线发送编号的象征。接收到的信号,为我们MIMO SM的加强版,

的不同MIMO SM变体(vSP4),而不同的经典的SM方案。多样性的比较收益和多路复用的收益米姆Alamouti和SM计划 从上面的方程,很明显,使用vSP4计划,我们增加2倍的分集增益和复用增益减少两倍,相比于经典SM天线系统方案。的计算能力提出了导致通信方案

在上面的方程中,新信道矩阵使用和的特征值矩阵(21]。我们也使用和。比较方案的能力,vSP4,SM,SM和一个Alamouti ()计划,2符号/ 2时隙传输,假设理想的信道条件之间Tx和Rx的计划:

因此,vSP4几乎翻倍的多样性是一个方法,增加了可靠性与经典的SM方案相比,也降低了系统的整体吞吐量。

实际考虑。该防御系统是基于MIMO信号处理技术。那今天在大多数无线系统具有广泛的适用性。因此,我们建议的系统是适合实际实时实现和操作而不影响其他方面的无线传输系统。此外,不需要额外的算法或处理多输入多输出信号接收机除了处理。

5。绩效评估

方法相比。为了评估的性能提出了防御机制vSP4,我们比较的那经典的SM (cSP2)和版本MIMO经典版本的SM (cSP4)。我们也比较MIMO Alamouti(摘要)技术与经典的输出系统和一个经典的SM方案。

性能指标。作为性能指标,我们使用了吞吐量和信噪比,吞吐量与时间的沉默时间,吞吐量和距离(沉默),吞吐量和信噪比,/(包错误率=)与时间。沉默的时间的时间是完成通信中断由于强烈的干扰,而沉默范围是在米范围的沟通是不可能的。重要的是要注意,在我们的吞吐量结果排除当然包丢失,以确保我们衡量成功沟通的实际体积数据每秒在存在干扰机。在本文中,我们没有调查其他算法喜欢包重传(ARQ)或前向纠错(FEC),可以使用在体育或链路层。这些计划是众所周知的,调查他们分心从仿真的主要思想是利用MIMO信号处理为享受吞吐量提高无线干扰机的存在。

5.1。仿真设置

在我们的实验中,我们使用真正的参数进行了实验,在8]。更具体地说,同样的在城市的郊区亚琛如图3是使用。其他几个参数见表2也调整了为了更好的代表真正的实验的场景(8]。道的干扰机(约)坐落也是相同的。对于我们的评估场景,Rx Tx,保持一个恒定距离。第一次步骤,最后我们模拟的时间步长之间的距离约150米可以映射到Rx和约和约方法对Tx-Rx约为5米的距离在中间(70秒)的模拟,增加强烈干扰的效果。另外,在节5。3(实验2),我们评估被动干扰机的使用μ年代和μ年代的标准(8]。

5.2。MIMO防御机制(实验1)

强调干扰机引发的负面影响在车载通信以及MIMO技术有效地抑制这些影响,我们比较MIMO技术的表现短期和中长距离Tx-Rx一对。此外,数据2 (c)和2 (d)演示的沉默时间沟通的存在引起的干扰机的道路。

正如所料,虽然Tx-Rx距离从20米增加到100米,射频干扰的影响也显著增加,见图2 (c)和2 (d)。同时,改进的性能和MIMO系统的好处相比,输出系统意义重大。短距离,哪里有最不影响交流,Alamouti技术成功地抑制射频干扰威胁的沉默范围从上面的距离10米(见图2(一个))。我们也可以看到在图2 (c)沟通的,沉默的时间减少到只有几秒钟通过Alamouti技术。为车辆间的距离100米,沉默的范围是20米,几乎是沉默相比两倍范围20米的车辆间的距离。这种情况也是图形表示在图3。沉默的范围大大扩展了其他两种技术,对SM 35米的输出和75米。

在时间域,与Alamouti通信技术影响的20年代期间车辆间的距离100米(见图2 (d)),而对于车辆间20米的距离,交流的中断只有2 s(见图2 (c))。另一方面,使用SM方案,沟通是影响了10 s 20米的距离,沟通的腐败是在30年代急剧增加的距离100米。

第一个主要结论从这些数字是性能稳定的Alamouti方案所有可能的距离Rx-Jn Tx-Rx和消除干扰效应的车辆间的距离小于20米的存在来自接收者的干扰机至少20米外。此外,除了吞吐量,我们也感兴趣的高可靠性系统的存在恶意干扰器。值得注意的是,对于紧急情况,这是非常重要的沉默的范围是非常低的。出于这个原因,我们的模拟研究的一个有趣的结果是,SM达到最好的吞吐量jamming-free地区但最沉默的范围(时间)在干扰存在的地区。

5.3。反应干扰机(实验2)

评估更聪明干扰机的性能,我们实现了一个被动的算法。反应干扰机的目的是在传感上开始传输能量超过一定阈值。我们将后者86−dBm经验决定它是一个很好的权衡干扰机灵敏度和错误的传输检出率。如果检测到的能量超过阈值在一定时间跨度(=μ802.11便士,一个正在进行的传输是由干扰机,开始承担其传输的时间= 84μ年代。反应干扰机设计为了实现干扰802.11 p帧的头Tx Rx。

从数据4(一)和4 (b)之间的传播,我们可以看到/ Tx和Rx连续干扰机在图的存在4(一)和一个被动干扰机图4 (b)存在一个被动干扰机。时间槽之间的距离约和Rx是相当大的,反应干扰机的性能低于连续干扰机,主要是因为反应干扰机不是传感在这些时间段正在进行的传输。Jn-Rx小距离,很明显,米姆Alamouti和SM的沉默时间大约是相同的连续和被动干扰机。连续干扰机的每小于反应干扰机的每只大约为输出方案秒。这种行为是合理的,因为我们的天线系统防御计划不使用干扰机的检测阶段,但使用多个天线不断为了抑制干扰的影响。反应干扰机的主要特征是避免检测从802.11便士的Rx的CCA机制协议体育。因为我们观察到相同的行为反应之间的干扰机和连续干扰机天线系统方案,我们将使用连续干扰我们的实验。所以我们可以假设那防御方案抑制所有类型的干扰。的无效反应干扰机与连续干扰机还可以看到一排车辆数据19 (a)和(b) (8]。

5.4。SM变体(实验3)

实验1的结果允许我们介绍过去的实验,更具体的使用分布式天线系统。Alamouti的表现,如上所述,几乎可以消除对车辆间的沉默范围约20米的距离分布式天线系统。另一方面,SM方案达到显著的吞吐量jamming-free地区但更高的沉默范围使用时存在干扰的地区大多数的模拟。所以这些最后的模拟关注试图确定最优多样性和空间复用增益之间的权衡比较SM变体,部分中描述4所示。2和4所示。3。在数据5(一个)和5 (b)方案如下:(我) MIMO SM (cSP2),传输2符号/时隙(2) MIMO SM (cSP4),发射4符号/时隙(3) MIMO SM变体(vSP4),传输2符号/时隙

第一个结论的基础上,我们进行了模拟,是vSP4方法的信噪比增益是重要的比其他两个。图5(一个)演示了如何cSP4提供更好的吞吐量比cSP2 vSP4,只对大信噪比的值。

另一方面,使用vSP4,吞吐量相比几乎翻了一番cSP4在图的中间值信噪比5(一个)。在图5 (b)的吞吐量SM变异和时间。可以看出,作为干扰机仍然相对较短的距离,vSP4最优方案,实现10 Mbps的吞吐量。当干扰机从沟通的有效区域,最好的解决方案是cSP4达到20 Mbps的最佳吞吐量相比其他方案。

最有趣的结果在这些数字是vSP4双打吞吐量和显著减少射频干扰的沉默。我们的目标是为了说明需要更复杂的,先进的,和完整的自适应算法,动态地选择最优版本的SM取决于操作制度,例如,多样性或吞吐量。

总结实验结果,很明显,作为干扰机仍然相对较短的距离,最好的解决方案,它结合了更好的吞吐量和多样性是vSP4,提供一个稳定的吞吐量值约为10 Mbps。vSP4也降低了沉默时间约为12秒,同时,cSP4和cSP2沉默的时间是30年代和20年代,分别。当使用高阶SM系统,信道条件好的吞吐量增加但负面含义是沉默的范围也增加射频干扰的存在。这些结果证实这一事实SM的经典版本不适合抑制干扰的影响。

6。结论

在本文中,我们提出了利用MIMO在VANETs增加吞吐量和可靠性的经验射频干扰攻击。本文的第一个新奇是引入一个新的模拟框架,结合三个不同的著名的模拟器。第一个是交通模拟器相扑(26),第二个是网络模拟器OMNET + + (27),第三是GEMV [23),静脉的线性几何传播模型集成模拟器(22]。

第二个贡献是一组广泛的代表实际情况的模拟。我们表明,Alamouti方案保留了性能稳定,尽管车辆间距离Tx-Rx和恶意干扰机的存在在很近的距离。此外,我们表明,它完全可以消除的沉默范围小的车辆间的距离。最后,通过进行实验使用被动干扰机除了连续干扰机,我们表明,Alamouti方案可以抑制干扰效应无论干扰信号的类型和SM jamming-free地区达到最好的吞吐量,但最坏的沉默(时间)在干扰存在的地区范围。

本文的第三个贡献是一项新技术的组合SM方案和Alamouti方案,即vSP4,不仅达到了吞吐量是可持续的,但也从经典的SM双打的可靠性,同时减少沉默时间,存在恶意干扰机。

我们未来的工作重点是设计一个动态的、完全自适应方案,选择最优天线传输模式取决于总干扰水平。我们也计划使用我们的小说仿真模型(28)就是能处理获得消息,以模拟更现实的情况。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

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