Physical layer authentication in the internet of vehicles through multiple vehicle-based physical attributes prediction
Creators
- 1. Bayero University Kano
- 2. Xidian University
- 3. Institute of Computing Technology
- 4. PLA Academy of Military Science
- 5. Shandong Jianzhu University
Description
The high security and low complexity of physical layer authentication (PLA) make it a promising complement for complex cryptographic authentication approaches, especially for Internet of Vehicles (IoV) systems constrained by limited computational capabilities and facing increasing security threats due to the broadcast nature of their communications. However, existing PLA schemes exploiting geographical location information to predict channel characteristics for authentication face the challenge of location falsifying/spoofing attacks. Moreover, they either require cryptographic-based initial authentication or cannot be applied to moving vehicle scenarios. To tackle these challenges, we propose a PLA scheme based on the Gaussian process (GP) regression that jointly considers the location and speed attributes of vehicles to enhance the reliability of authentication in the IoV network. Specifically, the historical channel state information attributes together with the location and speed information of transmitters are utilized to establish a mapping and train a GP model to predict the next legitimate location and speed of a transmitter for authentication. First, for vehicle-to-road side unit (RSU) authentication, the trained GP model is stored on RSU and used to authenticate vehicles entering its vicinity by cross-verifying their reported location and speed information with the ones predicted by the model. Next, for vehicle-to-vehicle authentication, we propose an RSU-assisted authentication, where the RSU in the location shared by two vehicles is used to assist in verifying the validity of their reported location and speed information. Finally, for RSU-to-vehicle authentication, we leverage the path loss and angle of arrival of a signal from RSU to estimate and cross-verify its location. We utilize QuaDRiGa, a quasideterministic radio channel generator to generate realistic channels for experimental validations. The results of simulation tests conducted demonstrated that our approach significantly improves authentication performance compared with the existing approaches.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
إن الأمان العالي والتعقيد المنخفض لمصادقة الطبقة المادية (PLA) يجعلها مكملاً واعداً لنهج مصادقة التشفير المعقدة، خاصة لأنظمة إنترنت المركبات (IoV) المقيدة بالقدرات الحسابية المحدودة والتي تواجه تهديدات أمنية متزايدة بسبب طبيعة بث اتصالاتها. ومع ذلك، فإن مخططات جيش التحرير الشعبى الصينى الحالية التي تستغل معلومات الموقع الجغرافي للتنبؤ بخصائص القناة للمصادقة تواجه تحدي تزوير/انتحال الموقع. علاوة على ذلك، فهي إما تتطلب مصادقة أولية قائمة على التشفير أو لا يمكن تطبيقها على سيناريوهات المركبات المتحركة. لمواجهة هذه التحديات، نقترح مخطط جيش التحرير الشعبى الصينى بناءً على انحدار العملية الغاوسية (GP) الذي ينظر بشكل مشترك في موقع وسرعة المركبات لتعزيز موثوقية المصادقة في شبكة IoV. على وجه التحديد، يتم استخدام سمات معلومات حالة القناة التاريخية جنبًا إلى جنب مع معلومات موقع وسرعة أجهزة الإرسال لإنشاء رسم خرائط وتدريب نموذج GP للتنبؤ بالموقع الشرعي التالي وسرعة جهاز الإرسال للمصادقة. أولاً، بالنسبة لمصادقة الوحدة الجانبية من مركبة إلى طريق (RSU)، يتم تخزين نموذج GP المدرب على RSU ويستخدم لمصادقة المركبات التي تدخل المنطقة المجاورة لها عن طريق التحقق من موقعها ومعلومات السرعة المبلغ عنها مع تلك التي يتوقعها النموذج. بعد ذلك، بالنسبة للمصادقة من مركبة إلى أخرى، نقترح مصادقة بمساعدة RSU، حيث يتم استخدام RSU في الموقع الذي تشاركه مركبتان للمساعدة في التحقق من صحة معلومات الموقع والسرعة المبلغ عنها. أخيرًا، بالنسبة لمصادقة RSU إلى السيارة، فإننا نستفيد من فقدان المسار وزاوية وصول إشارة من RSU لتقدير موقعها والتحقق منه. نحن نستخدم QuaDRiGa، وهو مولد قنوات لاسلكية شبه حتمية لتوليد قنوات واقعية للتحقق التجريبي. أظهرت نتائج اختبارات المحاكاة التي أجريت أن نهجنا يحسن بشكل كبير من أداء المصادقة مقارنة بالنهج الحالية.Translated Description (French)
La haute sécurité et la faible complexité de l'authentification de la couche physique (PLA) en font un complément prometteur pour les approches d'authentification cryptographique complexes, en particulier pour les systèmes Internet des véhicules (IoV) limités par des capacités de calcul limitées et confrontés à des menaces de sécurité croissantes en raison de la nature de diffusion de leurs communications. Cependant, les systèmes PLA existants exploitant les informations de localisation géographique pour prédire les caractéristiques des canaux pour l'authentification sont confrontés au défi des attaques de falsification/usurpation d'emplacement. De plus, ils nécessitent une authentification initiale basée sur la cryptographie ou ne peuvent pas être appliqués à des scénarios de véhicules en mouvement. Pour relever ces défis, nous proposons un schéma PLA basé sur la régression du processus gaussien (GP) qui prend en compte conjointement les attributs de localisation et de vitesse des véhicules afin d'améliorer la fiabilité de l'authentification dans le réseau IoV. Plus précisément, les attributs d'informations d'état de canal historiques ainsi que les informations de localisation et de vitesse des émetteurs sont utilisés pour établir une cartographie et former un modèle GP pour prédire la prochaine localisation légitime et la vitesse d'un émetteur pour l'authentification. Tout d'abord, pour l'authentification de l'unité latérale véhicule-route (RSU), le modèle GP formé est stocké sur RSU et utilisé pour authentifier les véhicules entrant dans son voisinage en vérifiant par recoupement leurs informations de localisation et de vitesse rapportées avec celles prédites par le modèle. Ensuite, pour l'authentification de véhicule à véhicule, nous proposons une authentification assistée par RSU, où le RSU dans l'emplacement partagé par deux véhicules est utilisé pour aider à vérifier la validité de leurs informations de localisation et de vitesse signalées. Enfin, pour l'authentification RSU-véhicule, nous tirons parti de la perte de trajet et de l'angle d'arrivée d'un signal de RSU pour estimer et vérifier son emplacement. Nous utilisons QuaDRiGa, un générateur de canaux radio quasidéterministe pour générer des canaux réalistes pour les validations expérimentales. Les résultats des tests de simulation effectués ont démontré que notre approche améliore considérablement les performances d'authentification par rapport aux approches existantes.Translated Description (Spanish)
La alta seguridad y la baja complejidad de la autenticación de la capa física (Pla) lo convierten en un complemento prometedor para los enfoques complejos de autenticación criptográfica, especialmente para los sistemas de Internet de los Vehículos (IoV) limitados por capacidades computacionales limitadas y que enfrentan crecientes amenazas de seguridad debido a la naturaleza de transmisión de sus comunicaciones. Sin embargo, los esquemas Pla existentes que explotan la información de ubicación geográfica para predecir las características del canal para la autenticación enfrentan el desafío de los ataques de falsificación/suplantación de ubicación. Además, requieren una autenticación inicial basada en criptografía o no se pueden aplicar a escenarios de vehículos en movimiento. Para abordar estos desafíos, proponemos un esquema Pla basado en la regresión del proceso gaussiano (GP) que considera conjuntamente los atributos de ubicación y velocidad de los vehículos para mejorar la confiabilidad de la autenticación en la red IoV. Específicamente, los atributos históricos de información de estado del canal junto con la información de ubicación y velocidad de los transmisores se utilizan para establecer un mapeo y entrenar un modelo de GP para predecir la siguiente ubicación y velocidad legítimas de un transmisor para la autenticación. En primer lugar, para la autenticación de la unidad del lado del vehículo a la carretera (RSU), el modelo de GP entrenado se almacena en RSU y se utiliza para autenticar los vehículos que entran en su vecindad mediante la verificación cruzada de su ubicación informada y la información de velocidad con las predichas por el modelo. A continuación, para la autenticación de vehículo a vehículo, proponemos una autenticación asistida por RSU, donde la RSU en la ubicación compartida por dos vehículos se utiliza para ayudar a verificar la validez de la información de ubicación y velocidad informada. Finalmente, para la autenticación de RSU a vehículo, aprovechamos la pérdida de trayectoria y el ángulo de llegada de una señal de RSU para estimar y verificar su ubicación. Utilizamos QuaDRiGa, un generador de canales de radio cuasideterministas para generar canales realistas para validaciones experimentales. Los resultados de las pruebas de simulación realizadas demostraron que nuestro enfoque mejora significativamente el rendimiento de la autenticación en comparación con los enfoques existentes.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- مصادقة الطبقة المادية في الإنترنت للمركبات من خلال التنبؤ بالسمات المادية القائمة على المركبات المتعددة
- Translated title (French)
- Authentification de la couche physique dans l'Internet des véhicules grâce à la prédiction de multiples attributs physiques basés sur le véhicule
- Translated title (Spanish)
- Autenticación de la capa física en Internet de los vehículos a través de la predicción de atributos físicos basados en múltiples vehículos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386969842
- DOI
- 10.1016/j.adhoc.2023.103303
References
- https://openalex.org/W1874399837
- https://openalex.org/W2094655360
- https://openalex.org/W2154170045
- https://openalex.org/W2208173047
- https://openalex.org/W2431890594
- https://openalex.org/W2788489461
- https://openalex.org/W2797907857
- https://openalex.org/W2887906137
- https://openalex.org/W2898140232
- https://openalex.org/W2903407922
- https://openalex.org/W2913132074
- https://openalex.org/W2952103830
- https://openalex.org/W2953526560
- https://openalex.org/W2960178078
- https://openalex.org/W2963580435
- https://openalex.org/W2980693850
- https://openalex.org/W2998285959
- https://openalex.org/W3006727493
- https://openalex.org/W3011283647
- https://openalex.org/W3015749557
- https://openalex.org/W3023238316
- https://openalex.org/W3032244443
- https://openalex.org/W3035462921
- https://openalex.org/W3037361310
- https://openalex.org/W3041059664
- https://openalex.org/W3047116099
- https://openalex.org/W3108962068
- https://openalex.org/W3112090628
- https://openalex.org/W3169145428
- https://openalex.org/W3200088996
- https://openalex.org/W3207504183
- https://openalex.org/W4211049957
- https://openalex.org/W4220793979
- https://openalex.org/W4246319420
- https://openalex.org/W4285153801
- https://openalex.org/W4285230759
- https://openalex.org/W4289538107
- https://openalex.org/W4293198267