22067

مقابله با چالش‌هاي امنيتي سيستم سيگنال‌دهي مبتني بر باليس در حمل و نقل ريلي

كارشناسي ارشد

مخابرات - رمز

1398/11/21

دكتر ابوالفضل فلاحتي

برق

امروزه، طراحان با كمك فناوري اطلاعات و ارتباطات پيشرفته، اقدام به هوشمندسازي سيستمهاي كنترلي حمل و نقل ريلي نموده و قابليت آنها را ارتقا بخشيده‌اند. در اين نوع سيستم‌ها، مكان‌يابي قطار بايد دقت كافي براي تشخيص نقاط تلاقي در تمامي حالت‌ها را داشته باشد به‌طوري‌كه سيستم كنترل قطار قادر باشد مشخصات و مختصات قطار را تعيين كرده و بلافاصله به راهبر اطلاع دهد. سيستم كنترل قطار اروپايي (ETCS) به عنوان يكي از انواع اين تكنولوژي شناخته مي‌شود. در ETCS، تبادل اطلاعات بين قطار و مركز فرمان از طريق كانال‌هاي مخابراتي بي¬سيم و باسيم برقرار مي‌شود كه همواره بايد به دنبال تأمين امنيت اين كانال در برابر نقاط آسيب‌پذير و حمله‌هاي احتمالي از قبيل جعل تلگرام، جابجايي و اختلال بود. فعاليت‌هايي در جهت تشخيص و مقابله با اين حمله‌ها صورت گرفته كه از جمله¬ي آنها درهم‌سازي داده‌هاي تلگرام (بسته حاوي اطلاعات)، طراحي پروتكلي به‌منظور مقابله با حمله تكرار، محاسباتي درزمينه احتمال تشخيص حمله براي اختلال تصادفي، پروژه‌اي به‌نام SECRET در تقابل با حمله‌هاي الكترومغناطيسي و حتي استفاده از سيستم GSM-R جهت امنيت ارتباط V2V در مترو، است. درجايي ديگر، استفاده از روش طيف گسترده پرش فركانسي (FHSS) توصيه‌شده است. در اين تحقيق به بررسي اقدامات متقابل در برابر حمله مخرب اختلال با استفاده از طيف گسترده دنباله مستقيم (DSSS) در كانال بي‌سيم بين باليس و BTM پرداخته خواهد شد. در اين روش هر پالس اطلاعات ديجيتال به زير پالس‌هايي به نام چيپ تقسيم‌شده كه با ضرب آن‌ها در پالس اطلاعات، طيف سيگنال را گسترده، و سطح توان سيگنال مخرب را در سمت گيرنده پايين مي‌آورد. اين تحقيق بر مبناي تحليل¬هاي رياضي صورت گرفته و تضعيف توان سيگنال مخرب با كمك همين روابط به اثبات مي‌رسد. در ادامه به منظور بررسي عملكرد سيستم و ميزان نرخ خطاي بيت (BER) در گيرنده، شبيه¬سازي كامپيوتري مبتني بر نرم‌افزار متلب صورت گرفته كه در آن پارامترهاي مؤثر در محاسبه‌ي بهره‌ي گسترش (N) و نرخ سيگنال به نويز (SNR) به صورت ورودي اعمال شده و نتايج به صورت گراف¬هايي با متغيرهاي نرخ سيگنال مفيد به سيگنال مخرب در واحد دسي‌بل (SJRdB) و BER ارائه مي‌شود.

1399/04/22

Confronting the Security Challenges of Ballis-Based Signaling System in Railway

2/10/2020 12:00:00 AM

Today’s railway transport control technologies have achieved more proficiency by employing communication-based Railway Intelligent Transportation Systems. In such technology, train locating system should have enough accuracy to detect intersection points in all conditions, in a manner that control system can determine train location besides coordinates and inform the driver. European Train Control System (ETCS) is known as one of mentioned types of technology. In ETCS, information is exchange between train and command center via wired or wireless communication channel, whose security against possible attacks is of prominent importance. Such attacks can be classified as telegram faking, displacement and jamming which are cited as examples of system vulnerabilities. The main contribution of this study is to propose a framework to employ a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) method over the channel between balise and BTM as a countermeasure against jamming attacks. The aim of using DSSS is to reduce the jamming signal level after the de-spreading process. The analysis of this study is performed based upon mathematical relations and computer simulation verifications. The main figure of merit of this study is Bit Error Rate (BER), which is a function of signal to noise ratio, jammer power and spreading chip-rate. The proper value of chip-rate is derived based on train speed, telegram length and bandwidth. The simulations are designed to plot the BER performance against Signal to Jammer ratio (SJR). It is shown that how the proposed DSSS can lead to a significantly better error performance, compared with a regular system without DSSS in the presence of a wideband jammer. The results of the proposed scheme are also compared with Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) techniques, and it is shown that for any given BER value, the phase-shift keying of the proposed DSSS requires half the power consumption of FHSS systems in previous related works, while the hardware implementation of the scheme is less complicated.