基于5G的通導(dǎo)融合位置認(rèn)證系統(tǒng)性能分析

洪學(xué)敏，周 洋，許雪婷，彭 敖，楊 琦，陳凌宇，石江宏

(1.廈門大學(xué)信息學(xué)院，廈門 361005;2. 廈門大學(xué)導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 廈門 361005)

0 引言

當(dāng)前，以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)為基礎(chǔ)，以激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、視覺、地磁場、無線定位等多種定位手段為輔助的多源融合定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在滿足定位精度、服務(wù)可用性等功能性指標(biāo)方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)和無人化智能移動(dòng)裝備在工業(yè)、交通、應(yīng)急、公安等安全敏感領(lǐng)域的普及應(yīng)用，民用導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的定位安全問題日益突出，亟待解決。定位安全的主要目的是發(fā)現(xiàn)并防止各類惡意的位置欺騙行為，對安全監(jiān)管、資產(chǎn)追蹤、服務(wù)調(diào)度、基于位置的服務(wù)授權(quán)等應(yīng)用場景具有重要的意義。

定位安全問題可以根據(jù)不同的位置欺騙攻擊行為進(jìn)行分類。定位安全的功能是將節(jié)點(diǎn)的身份與其真實(shí)的物理位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。因此，常規(guī)的基于通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證是定位安全的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，位置欺騙攻擊可以分為外部攻擊和內(nèi)部攻擊兩類。前者指無法獲得身份認(rèn)證的系統(tǒng)外部的攻擊者對系統(tǒng)內(nèi)的認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的欺騙。例如，通過偽造民用GNSS信號對終端實(shí)施位置欺騙。內(nèi)部攻擊指可獲得認(rèn)證的系統(tǒng)內(nèi)部的攻擊者惡意報(bào)告錯(cuò)誤位置或制造惡意信號誤導(dǎo)定位解算。根據(jù)參與內(nèi)部攻擊的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和合作特點(diǎn)，內(nèi)部攻擊又可分為單點(diǎn)攻擊、內(nèi)外協(xié)同攻擊、距離綁架攻擊和內(nèi)部協(xié)同攻擊等。具體分類依據(jù)如圖1所示。各個(gè)分類中包括了一些具體的攻擊方法，如黑手黨攻擊(Mafia attack)、距離欺騙攻擊(Distance fraud)、恐怖欺騙攻擊(Terrorists fraud)、距離綁架攻擊(Distance hijacking)等，文獻(xiàn)[2-3]對這些方法進(jìn)行了具體的闡述。

圖1 對定位系統(tǒng)的攻擊方法分類Fig.1 Classification of attacks to positioning system

位置認(rèn)證(Position verification)技術(shù)是導(dǎo)航定位安全技術(shù)的重要組成部分。認(rèn)證是信息安全領(lǐng)域中的一個(gè)核心概念，其基本原理是通過檢驗(yàn)被認(rèn)證對象展示的某種屬性，進(jìn)而證實(shí)被認(rèn)證對象的某個(gè)聲明是否屬實(shí)和是否有效的一個(gè)過程。位置認(rèn)證是對終端的物理位置聲明進(jìn)行認(rèn)證的過程，可以用于抵抗前文所述的多種外部攻擊和內(nèi)部攻擊。

位置認(rèn)證系統(tǒng)的物理層實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)為融合無線通信與定位的通導(dǎo)融合系統(tǒng)：通過建立一套可信的無線通信基礎(chǔ)設(shè)施，一方面通過與節(jié)點(diǎn)的雙向通信實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證，另一方面利用無線信號實(shí)現(xiàn)定位解算并驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的位置。在民航、無人機(jī)和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者針對位置認(rèn)證與監(jiān)管問題開展了一系列的研究。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)系統(tǒng)是民航領(lǐng)域?qū)︼w機(jī)位置進(jìn)行監(jiān)管的主要方式，采用到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDoA)和到達(dá)角(Angle of Arrival，AoA)對位置信息進(jìn)行基于閾值的檢驗(yàn)。同時(shí)，系統(tǒng)采用距離限制(Distan-ce bounding)協(xié)議實(shí)現(xiàn)位置監(jiān)管，通過驗(yàn)證者的質(zhì)詢和證明者的響應(yīng)之間的往返傳播時(shí)間來確定距離上限并驗(yàn)證位置聲明的真實(shí)性。此外，還有一些位置認(rèn)證方法，如組認(rèn)證、卡爾曼濾波算法等也都可以用于提高位置認(rèn)證能力。無人機(jī)領(lǐng)域的位置認(rèn)證也借鑒了上述ADS-B和距離限制協(xié)議的設(shè)計(jì)。此外，測量接收信號強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)也可用于檢查位置信息的有效性。例如，通過引入自適應(yīng)可信任居住區(qū)(Adaptive Trusted Residential Area，ATRA)的新策略，可以規(guī)劃無人機(jī)報(bào)告位置的可信域，提高對無人機(jī)的監(jiān)管能力。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中提出了構(gòu)建位置驗(yàn)證系統(tǒng)(Location Verification System，LVS)的方案，通過測量RSS信號，建立假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并用似然比檢驗(yàn)作為決策規(guī)則，對車輛的異常位置進(jìn)行檢測，在此基礎(chǔ)上加入序貫檢測理論，進(jìn)一步提高檢測能力。

為了應(yīng)對未來海量終端的位置認(rèn)證需求，構(gòu)建一套高精度、廣覆蓋、大用戶容量、低成本的位置認(rèn)證系統(tǒng)具有重要的意義?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)大都考慮獨(dú)立部署的位置認(rèn)證專網(wǎng)系統(tǒng)。本文研究了基于第五代(5G)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的位置認(rèn)證系統(tǒng)。與專網(wǎng)相比，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1) 覆蓋范圍廣，覆蓋地表的室內(nèi)外空間，涵蓋了日常生產(chǎn)生活的大部分場景；2) 精度高，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、多天線、小基站等新特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高精度的5G帶內(nèi)定位；3)容量大，利用5G的寬帶頻譜資源，可支持多用戶的位置認(rèn)證；4)成本低，通過復(fù)用5G的基礎(chǔ)設(shè)施和內(nèi)生安全體系，可最小化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)營維護(hù)成本。

基于5G的位置認(rèn)證系統(tǒng)的研究還處于起步階段。本文首先從原理上闡述了雙基站TDoA測量的位置認(rèn)證系統(tǒng)，仿真分析了多基站定位欺騙檢測概率的空間分布特性，并提出了漏檢平均距離作為位置認(rèn)證精度的量化指標(biāo)。此外，本文結(jié)合5G的信令體制、帶寬資源、基站時(shí)間同步誤差特性和信道特性，對5G網(wǎng)絡(luò)下定位認(rèn)證系統(tǒng)的性能進(jìn)行了初步的分析。

1 基于TDoA測量的位置認(rèn)證系統(tǒng)原理

無線定位系統(tǒng)中所能提供的測量觀測量包括時(shí)延(ToA/TDoA/RTT)、角度(AoA/AoD)和信號場強(qiáng)等。相較于測角和場強(qiáng)指紋兩種定位手段，基于時(shí)延(距離)的測量方式使用場景廣泛、精度高且不易受欺騙。因此，位置認(rèn)證系統(tǒng)一般都基于TDoA測量來實(shí)現(xiàn)。

1.1 雙基站位置認(rèn)證的二元假設(shè)檢驗(yàn)問題分析

圖2展示了基于雙基站TDoA測量的位置認(rèn)證系統(tǒng)的基本原理。UE為終端的實(shí)際位置，UE′為終端所報(bào)告的位置，BS1和BS2為2個(gè)能夠接收到終端發(fā)射的視距(Line of Sight，LoS)信號的基站，并可根據(jù)LoS信號計(jì)算到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，ToA)，分別記為和，則實(shí)測的TDoA為Δ=-。同時(shí)，利用終端報(bào)告的位置信息和已知的基站位置信息，可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的歐式距離并換算為預(yù)期的達(dá)到時(shí)間差Δ。

圖2 基于TDoA的位置認(rèn)證系統(tǒng)Fig.2 Position verification system based on TDoA

位置認(rèn)證問題可定義為一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題：將實(shí)測到達(dá)時(shí)間差Δ與報(bào)告到達(dá)時(shí)間差Δ進(jìn)行作差比較，若差值的絕對值小于一定的閾值，則判斷終端此次所報(bào)告的位置可信，反之則為位置異常。設(shè)和為兩種假設(shè)，分別代表終端報(bào)告位置可信和異常，則有

=Δ-Δ

(1)

基于文獻(xiàn)[14]中建立的位置認(rèn)證分析模型，本文做出如下假設(shè)：

假設(shè)2：在位置可信的條件下，由于自定位誤差和時(shí)延誤差的存在，終端通過自主定位方式獲取的位置信息與真實(shí)位置之間存在一定誤差=+。

假設(shè)3：在位置異常的條件下，終端所報(bào)告的位置坐標(biāo)為一個(gè)固定的異常值。

基于上述假設(shè)可以推導(dǎo)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的分布。采用虛警概率和檢測概率衡量模型的檢測性能，可以得到虛警概率和檢測概率分別為

(2)

(3)

其中，()表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)。

(4)

(5)

=

(，2-，1)

(6)

(7)

其中

=[,,]

(8)

(,,)=(,,)-(,,)

(9)

(,,)=

(10)

其中，(,,)為真實(shí)位置坐標(biāo);(,,)為基站坐標(biāo);(′,′,′)為報(bào)告位置坐標(biāo)。

如上所述，基于二元判決的位置認(rèn)證是一個(gè)概率意義上的認(rèn)證。一般關(guān)注虛警概率小于一定值的前提下的檢測概率。檢測概率越高，說明認(rèn)證的效果越好。在不失一般性的前提下，將在接下來的討論中設(shè)定虛警概率為001，由此可得相應(yīng)的檢測閾值并計(jì)算出檢測概率。

1.2 多基站位置認(rèn)證

(11)

1.3 三基站位置認(rèn)證系統(tǒng)的性能仿真

為了更直觀地展示位置認(rèn)證的效果，以三基站位置認(rèn)證系統(tǒng)為例進(jìn)行數(shù)值仿真。假設(shè)3個(gè)基站呈等腰三角排列，并選取在該基站部署下靠近三角形邊(P1)、內(nèi)部中心(P2)和外部遠(yuǎn)處(P3)3個(gè)典型的位置作為位置認(rèn)證終端的真實(shí)位置進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，終端的上報(bào)位置均勻分布在涵蓋基站的正方形區(qū)域內(nèi)。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 三基站位置認(rèn)證的仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖3所示，在該場景下大多數(shù)位置的檢測概率為1，重點(diǎn)關(guān)注低檢測概率(<0.9)的情況。由圖3(a)可知，基站三角形區(qū)域外部位置的低檢測概率區(qū)域大于基站內(nèi)部，中心位置的低檢測概率區(qū)域最小。可見，系統(tǒng)對靠近基站三角形區(qū)域中心位置的終端會(huì)有更好的檢測性能，對處于基站三角形區(qū)域外部終端的檢測性能較差。圖3(b)放大展示了針對P1點(diǎn)的檢測概率的空間分布情況。檢測概率由外向內(nèi)逐漸減小，上報(bào)位置越靠近實(shí)際位置則檢測概率越低。此外，由于基站間存在同步誤差，因此真實(shí)位置并不在分布的中心位置，偏離程度與同步誤差的大小有關(guān)。

(a)3個(gè)位置的檢測概率空間分布情況

(b)P1位置處的檢測概率空間分布情況圖3 三基站位置認(rèn)證系統(tǒng)的檢測概率空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of detection probability

1.4 位置認(rèn)證精度的評價(jià)指標(biāo)

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在給定了基站位置后，終端在不同的位置上具有不同的檢測率空間分布特性(如圖3的3個(gè)終端位置周邊的等高線)。這種分布特性體現(xiàn)了在特定位置上開展位置欺騙的難易程度。換言之，位置認(rèn)證所能實(shí)現(xiàn)的精度是一個(gè)空間位置的函數(shù)，為了進(jìn)一步分析這種現(xiàn)象，本文提出了一種衡量位置認(rèn)證精度的量化指標(biāo)：漏檢平均距離。該指標(biāo)的定義為

(12)

其中，可以為平面或三維立體空間；表示終端真實(shí)位置；′表示終端上報(bào)的位置；1-表示給定和′條件下的漏檢概率。指標(biāo)的物理意義是漏檢的異常位置報(bào)告與真實(shí)位置之間的平均距離，因此也稱為漏檢平均距離。

2 5G信號體制下的位置認(rèn)證性能分析

2.1 5G上行SRS的ToA測量精度分析

利用5G系統(tǒng)的大射頻帶寬特性可以有效地減小ToA的測量誤差，提高位置認(rèn)證系統(tǒng)的檢測精度。本文首先對5G系統(tǒng)的上行ToA測量精度進(jìn)行分析。

基于文獻(xiàn)[15]的分析結(jié)果，在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道條件下，給出單個(gè)正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)符號的ToA測量誤差的克拉美羅下界為

(13)

在位置認(rèn)證的場景下，終端向基站發(fā)射上行信號，基站基于上行信號進(jìn)行ToA檢測與定位。5G標(biāo)準(zhǔn)中定義了上行信道的探測參考信號(Soun-ding Reference Signal，SRS)以進(jìn)行ToA測量。3GPP Rel-16中對SRS進(jìn)行了增強(qiáng)，包括使SRS資源可以配置更多的OFDM符號、增加了定位SRS的序列標(biāo)識數(shù)量、梳狀大小擴(kuò)展到集合{2，4，8}等，有效提高了SRS的上行定位能力。

根據(jù)3GPP TR 38.855規(guī)范描述，系統(tǒng)帶寬為50MHz及以下時(shí)子載波間隔為15kHz，系統(tǒng)帶寬為100MHz時(shí)子載波間隔為30kHz，一個(gè)資源塊(RB)占12個(gè)子載波。根據(jù)3GPP TS 38.211規(guī)范描述，SRS在頻域上可以占用4～272個(gè)RB，并且具有兩種不同的梳狀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)：Comb2和Comb4。在AWGN信道條件下，根據(jù)式(13)給出的克拉美羅下界計(jì)算公式對ToA測量誤差進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可得到圖5所示的關(guān)系曲線。

圖4 5G SRS的梳狀結(jié)構(gòu)Fig.4 The comb structure of SRS

圖5 AWGN信道下SRS的ToA測量誤差與系統(tǒng)帶寬的關(guān)系Fig. 5 The relationship between ToA measurement error and system bandwidth of SRS in AWGN channel

圖5揭示了采用5G SRS進(jìn)行上行ToA測量時(shí)的均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)與信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)、系統(tǒng)帶寬之間的關(guān)系。在AWGN信道下，當(dāng)系統(tǒng)帶寬一定時(shí)，測量誤差會(huì)隨著信噪比的增加而減小。同一信噪比下，系統(tǒng)帶寬越大，測量誤差越小，例如，當(dāng)信號帶寬為50MHz，信噪比為30dB時(shí)，測量誤差為0.2m；信號帶寬為100MHz，信噪比為30dB時(shí)，測量誤差僅為0.05m。

2.2 5G信令下的位置認(rèn)證精度分析

考慮圖3所示的三基站位置認(rèn)證系統(tǒng)，根據(jù)圖5的結(jié)果，把相應(yīng)的ToA測量誤差值代入到式(13)，即可計(jì)算出不同信噪比和帶寬情況下的漏檢平均距離值。圖6在理想基站同步的假設(shè)下，展示了在AWGN信道下進(jìn)行仿真得出的不同系統(tǒng)帶寬下的漏檢平均距離?？梢钥闯?，漏檢平均距離隨著信噪比的增加而減小，更大的系統(tǒng)帶寬也可以換取更高的檢測性能。當(dāng)帶寬較小時(shí)，增加帶寬可以顯著地改善位置認(rèn)證性能。當(dāng)系統(tǒng)帶寬為50MHz時(shí)，漏檢平均距離已經(jīng)達(dá)到了亞米級的精度，此時(shí)繼續(xù)增加帶寬的性能增益有限。

圖6 AWGN信道下信噪比和帶寬對檢測性能的影響(位置P1，時(shí)間同步誤差=0)Fig.6 The influence of SNR and bandwidth on detection performance in AWGN channel

在基于TDoA的位置認(rèn)證系統(tǒng)中，基站的時(shí)間同步誤差也是影響TDoA精度的重要原因。本文進(jìn)一步分析了基站時(shí)間同步誤差對檢測性能的影響，仿真出時(shí)間同步誤差對不同位置終端檢測性能的影響。圖7進(jìn)一步顯示了隨著時(shí)間同步誤差的增加，漏檢的平均距離也逐漸增加。

圖7 基站時(shí)間同步誤差對檢測性能的影響(信號帶寬=20MHz)Fig.7 The influence of base station time synchronization error on detection performance

3 5G信道場景下的位置認(rèn)證性能分析

前文分析了在不同SNR條件下的5G信號的位置認(rèn)證性能。在實(shí)際場景中，5G信號的路徑損耗導(dǎo)致SNR空間分布的不均衡，是必須要考慮的重要因素。傳播路徑損耗通常與場景環(huán)境、傳播距離、工作頻率等有關(guān)。為了分析真實(shí)場景下的位置認(rèn)證性能，本文基于5G信號的路徑損耗模型進(jìn)一步分析了信號衰減對性能的影響。

以城區(qū)宏基站場景為例，3GPP TR 38.901規(guī)范中給出的5G城區(qū)宏基站(UMa)場景下視距傳播(LoS)的路徑損耗模型為

=

(14)

其中，為中心頻率；為基站實(shí)際高度；為終端實(shí)際高度；為基站和終端之間的水平距離；為基站和終端之間的空間距離；′為斷點(diǎn)距離，詳細(xì)計(jì)算公式見標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。由于路徑損耗的存在，基站對終端發(fā)射信號的ToA測量精度也會(huì)下降，終端離基站的距離不同會(huì)有不同的路徑損耗，因此基站對于空間內(nèi)不同位置終端的認(rèn)證能力也不相同。

本文參照3GPP標(biāo)準(zhǔn)中給出的UMa LoS模型適用條件，設(shè)置表2所示的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表2 5G UMa LoS場景下的仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖8所示，三角形為基站位置，等高線表示漏檢平均距離。仿真結(jié)果表明，離基站距離越遠(yuǎn)位置的漏檢平均距離越大，位置認(rèn)證性能越差。在基站三角形的內(nèi)部，總體可以實(shí)現(xiàn)小于6m的漏檢平均距離。當(dāng)基站之間的距離進(jìn)一步縮小或基站的個(gè)數(shù)增加時(shí)，通過5G系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)米級的位置認(rèn)證精度。

(a)基站間隔1500m

(b)基站間隔1000m圖8 5G UMa LoS場景下的位置認(rèn)證性能分布圖Fig.8 Performance of PV accuracy in 5G UMa LoS scenarios

4 結(jié)論

本文針對基于5G的位置認(rèn)證系統(tǒng)的性能展開分析，定義了漏檢平均距離作為位置認(rèn)證系統(tǒng)精度的量化評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合5G SRS上行信號分析了基于TDoA測量的位置認(rèn)證誤差，并基于3GPP定義的UMa LoS典型場景對5G位置認(rèn)證系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真分析。 仿真結(jié)果表明，在具備3個(gè)以上的視距基站時(shí)，基于5G的通導(dǎo)融合位置認(rèn)證系統(tǒng)可以在典型場景下實(shí)現(xiàn)米級的位置認(rèn)證精度。未來研究需要考慮非高斯誤差、非視距環(huán)境等非理想條件，以及面對更復(fù)雜的終端攻擊(如定向天線攻擊)場景下的5G位置認(rèn)證系統(tǒng)的性能分析。