پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

مدل‌سازی، تحلیل و پیشنهاد یک استراتژی با هدف کاهش اثرات جمینگ بر سیستم‌های کنترل قطار مبتنی بر ارتباطات (CBTC)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدعلی صندیدزاده 1
عاطفه طهماسبی 2
فرزاد سلیمانی 3
1 دانشیار، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
3 پژوهشگر پسا دکتری، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
10.22034/tri.2025.534858.3359
چکیده
هدف اصلی سیستم کنترلی قطار، جلوگیری از برخورد قطارها و خارج نشدن آن‌ها از ریل هست. امروزه کنترل قطار بر پایه ارتباطات، از روش‌های مختلف مخابراتی برای انتقال اطلاعات کنترلی بین قطارها و قطار و کنار خط استفاده می‌کند. با این‌ ال که فناوری اطلاعات و ارتباطات می‌تواند نقش مهمی در پیشرفت صنعت ریلی ایفا کند، اما امنیت اطلاعاتی در این سیستم در مقابل انواع حملات ازجمله جمینگ آسیب‌پذیر می‌شود. در این مقاله، امنیت اطلاعاتی سیستم‌های کنترل قطار مبتنی بر ارتباطات (CBTC) بررسی شده است، به طوری که مهاجمی به ارتباطات بین قطارها یا قطار و کنار خط حمله می‌کند و باعث از کار افتادن سیستم‌های CBTC می‌شود. در ادامه، تأثیرات حمله جمینگ بر روی سیستم CBTC بررسی شده و برای مقابله با آن از روش پرش فرکانسی مبتنی بر طیف گسترده جهت ایجاد یک کانال امن برای ارسال سیگنال استفاده شده است و همچنین، محیط انتشار سیگنال موج‌بر نشت در نظر گرفته شده است، چرا که شکاف‌های عرضی موجود بر دیواره‌های موج‌بر نشت می‌تواند سیگنال‌های پایدار با قابلیت ضد تداخلی را فراهم کند؛ بنابراین، با توجه به این که عدم امکان بازگشایی سیگنال کانال و دسترسی به سیگنال، با استفاده از این روش‌ها جمر در رسیدن به هدف ناکام می‌ماند و اثرات آن به حداقل می‌رسد.
کلیدواژه‌ها
امنیت اطلاعات
سیستم‌های کنترل قطار مبتنی بر ارتباطات
پرش فرکانسی طیف گسترده
موج‌بر نشت

عنوان مقاله English

Modeling, Analyzing, and Proposing a Strategy in Order to Reduce the Effects of Jamming on the Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

نویسندگان English

Mohammad Ali Sandidzadeh 1
Atefeh Tahmasebi 2
Farzaad Soleymaani 3
1 Associate Professor, Faculty of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 M.Sc., Grad., Faculty of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
3 Postdoctoral Researcher, Faculty of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

The main purpose of the train control system is to prevent trains from colliding and derailing. Today, communication-based train control uses various telecommunication methods to transmit control information between trains and the train and the trackside. Although information and communication technology can play an important role in developing the railway industry, information security in this system is vulnerable to various attacks, including jamming. In this paper, the information security of communication-based train control (CBTC) systems is examined, so that an attacker attacks the communication between trains or the train and the trackside and causes the CBTC systems to fail. Next, the effects of jamming attacks on the CBTC system are investigated and to combat it, a frequency hopping spread spectrum method is used to create a secure channel for sending signals. Also, the leaky waveguide signal propagation environment is considered, because the transverse slots on the leaky waveguide walls can provide stable signals with anti-interference capabilities; therefore, given the impossibility of opening the channel signal and accessing the signal, using these methods, the jammer fails to reach the target and its effects are minimized.

کلیدواژه‌ها English

Information Security
Communication-Based Train Control Systems
Frequency Hopping Spread Spectrum
Leaky Waveguide
-Alcala, C. C., Lin, S., He, R., & Briso-Rodriguez, C. (2011). Design and test of a high QoS radio network for CBTC systems in subway tunnels.In 2011 IEEE 73rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring), IEEE. 1-5.
 -Alnifie, G., & Simon, R. (2007). A multi-channel defense against jamming attacks in wireless sensor networks. In Proceedings of the 3rd ACM Workshop on Qos and Security for Wireless and Mobile Networks, 95-104.
 -Basar, T. (1983). The Gaussian test channel with an intelligent jammer. IEEE Transactions on Information Theory, 29(1), 152-157.
 -Bu, B., Yu, F. R., & Tang, T. (2014). Performance improved methods for communication-based train control systems with random packet drops. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 15(3), 1179-1192.
 -Chang, S. Y., Hu, Y. C., & Laurenti, N. (2012). SimpleMAC: A jamming-resilient MAC-layer protocol for wireless channel coordination. In Proceedings of the 18th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, 77-88.
-Grover, K., Lim, A., & Yang, Q. (2014). Jamming and anti–jamming techniques in wireless networks: a survey. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, 17(4), 197-215.
 -Heddebaut, M. (2008). Leaky waveguide for train-to-wayside communication-based train control. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 58(3), 1068-1076.
 -Heddebaut, M., Degauque, P., Duhot, D., & Mainardi, J. (1990). IAGO: command control link using coded waveguide. Journal of Transportation Engineering, 116(4), 427-435.
 -Ma, S., Wang, H., Zhu, L., & Zhang, Q. (2023). Joint security and resilience control in IIoT-based virtual control train sets under jamming attacks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 72(9), 11196-11212.
 -Kawakami, T., Maruhama, T., Takeya, T., & Kohno, S. (1964). Waveguide communication system for centralized railway traffic control. IEEE Transactions on Vehicular Communications, 13(1), 1-18.
 -Lakshminarayana, S., Karachiwala, J. S., Chang, S. Y., Revadigar, G., Kumar, S. L. S., Yau, D. K., & Hu, Y. C. (2018). Signal jamming attacks against communication-based train control: Attack impact and countermeasure. In Proceedings of the 11th ACM Conference on Security & Privacy in Wireless and Mobile Networks, 160-171.
 -Nguyen, K. T., Beugin, J., Berbineau, M., & Kassab, M. (2016). A new analytical approach to evaluate the critical-event probability due to wireless communication errors in train control systems.  IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 18(6), 1380-1392.
 -Pascoe, R. D., & Eichorn, T. N. (2009). What is communication-based train control? IEEE Vehicular Technology Mag., 4(4), 16-21.
 -Pelechrinis, K., Iliofotou, M., & Krishnamurthy, S. V. (2010). Denial of service attacks in wireless networks: The case of jammers. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 13(2),245-257.
 -Pickholtz, R., Schilling, D., & Milstein, L. (1982). Theory of spread-spectrum communications-a tutorial. IEEE Transactions on Communications, 30(5), 855-884.
 -Strasser, M., Popper, C., Capkun, S., & Cagalj, M. (2008). Jamming-resistant key establishment using uncoordinated frequency hopping. In 2008 IEEE Symposium on Security and Privacy, (sp 2008),
64-78.
 -Sun, W., Yu, F. R., Tang, T., & Bu, B. (2015). Energy-efficient communication-based train control systems with packet delay and loss. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(2), 452-468.
-Tazaki, T., Li, Z., Sanjo, K., Sakai, K., Shimada, I., & Taoka, H. (2012). Development of CBTC for global markets. Hitachi Review, 61(7), 347-375.
 -Theeg, G., & Vlasenko, S. (2009). Railway signalling & interlocking. International Compendium, 448-449.
 -Vo-Huu, T. D., Vo-Huu, T. D., & Noubir, G. (2016). Interleaving jamming in Wi-Fi networks. In Proceedings of the 9th ACM Conference on Security & Privacy in Wireless and Mobile Networks, 31-42.
 -Wood, A. D., Stankovic, J. A., & Zhou, G. (2007). DEEJAM: Defeating energy-efficient jamming in IEEE 802.15. 4-based wireless networks. In 2007 4th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 60-69.
 -Wang, H., Yu, F. R., Zhu, L., Tang, T., & Ning, B. (2015). A cognitive control approach to communication-based train control systems. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 16(4), 1676-1689.
 -Wang, H., Yu, F. R., Zhu, L., Tang, T., & Ning, B. (2013). Modeling of communication-based train control (CBTC) radio channel with leaky waveguide. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 12, 1061-1064.
 -Zhao, N., Roberts, C., Hillmansen, S., & Nicholson, G. (2015). A multiple train trajectory optimization to minimize energy consumption and delay. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 16(5), 2363-2372.
 -Zhu, L., Yu, F. R., Ning, B., & Tang, T. (2013). Communication-based train control (CBTC) systems with cooperative relaying: Design and performance analysis. IEEE Transactions on vehicular Technology, 63(5), 2162-2172.
 -Zhu, L., Yu, F. R., Ning, B., Tang, T., & Wang, H. (2012).­ Cross-layer handoff design in communication-based train control (CBTC) systems using WLANs. In 2012 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Fall), IEEE, 1-5.