LoRaWAN 中抗攻击的无同步数据时间戳方法

LoRaWAN 等低功耗广域网技术有望用于从地理分布传感器采集低速率监测数据，其中对传感器数据打时间戳是关键系统功能。本文考虑一种基于网关处信号到达时间的 LoRaWAN 上行数据无同步时间戳方法，其良好契合 LoRaWAN 的单跳星型拓扑，并免除了传输时间戳与始终同步终端设备时钟的带宽开销。然而，我们表明该方法易受一种由恶意帧冲突与延迟重放构成的“帧延迟攻击”。真实实验显示该攻击可影响面积达约 $50,000\,\text{m}^2$ 的广大区域终端设备。广义上，该攻击威胁任何要求 LoRaWAN 帧及时送达的系统功能。为应对此威胁，我们提出 $\mathsf{LoRaTS}$ 网关设计，集成商用 LoRaWAN 网关与低功耗软件定义无线电接收机以跟踪终端设备的固有频率偏置。基于 LoRa 线性扩频调制的解析模型，我们开发信号处理算法以估计频率偏置，精度超越 LoRa 默认解调所得。精确的频率偏置跟踪能力使得检测引入额外频率偏置的攻击成为可能。我们还研究并实现了一种使用先进无线电装置消除频率偏置的更狡猾攻击。为应对此狡猾攻击，我们提出伪随机间隔跳变方案以增强频率偏置跟踪方法。大量实验显示了我们的方法在含温度变异等真实影响因素部署中的有效性。