D2D技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)和安全方面的應(yīng)用研究

　　摘要：D2D是一種很有前途的5G網(wǎng)絡(luò)模式，它提供有益的基礎(chǔ)設(shè)施，允許不同的應(yīng)用，例如社會應(yīng)用、廣告服務(wù)或那些支持異構(gòu)對象相互連接的應(yīng)用，以及那些在發(fā)生自然災(zāi)害時提供支持的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信相比，D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信顯示出較低的安全程度。有必要修改現(xiàn)有的安全機(jī)制和新的解決方案，以適應(yīng)D2D在第五代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，這將提高真實(shí)性驗(yàn)證、確保服務(wù)可用性和保持完整性方面的安全水平。

　　關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；D2D技術(shù)；通信安全

　　0引言

　　對更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、最小延遲、覆蓋范圍和更高的可靠性的需求日益增長，要求人們尋找旨在整合2G、3G、4G和其他接入技術(shù)的解決方案，事實(shí)上，5G網(wǎng)絡(luò)使這些技術(shù)成為可能。D2D通信已被提議作為一種利用通信設(shè)備物理接近性的工具，并與5G網(wǎng)絡(luò)的其他技術(shù)一起成為人們生活進(jìn)程中新思想的試驗(yàn)場。D2D中的設(shè)備之間的通信可以通過直接互連和數(shù)據(jù)共享而無需間接連接到基站，也可以通過用戶設(shè)備充當(dāng)中繼。物聯(lián)網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)的一個概念，它應(yīng)該提供不同對象之間的連接和交互，從而使我們的城市、房屋、交通工具變得智能和互聯(lián)，D2D技術(shù)對此有很大的貢獻(xiàn)[1]。D2D功能支持高波特率并減少設(shè)備之間的延遲，使其在滿足5G網(wǎng)絡(luò)部署標(biāo)準(zhǔn)方面特別重要。在基于云的移動計(jì)算機(jī)技術(shù)中，它允許在空間上彼此接近的用戶更有效地共享或共享資源。

　　1D2D技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

　　與基于傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的其他通信相比，D2D通信的主要特點(diǎn)是基站參與通信的程度有限，或者完全沒有中心部件，如AccessPoint或BaseStation，在這些部件中，只要一對設(shè)備之間的距離接近，它們之間的數(shù)據(jù)就不應(yīng)該通過網(wǎng)絡(luò)的核心。目前在市場上，WiFi和藍(lán)牙等技術(shù)提供了一些D2D通信功能。然而，它們的工作范圍是非授權(quán)的，而且干擾是不受控制的。此外，直到目前為止，他們還不能提供適用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的安全性或服務(wù)質(zhì)量。D2D允許物理近端設(shè)備和數(shù)據(jù)交換服務(wù)之間的直接通信，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)未來幾年將有數(shù)十億臺設(shè)備進(jìn)行通信[2]。

　　5G網(wǎng)絡(luò)包括一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，通過使用不同的無線接入技術(shù)，多重回程技術(shù)和站層次結(jié)構(gòu)宏觀、微觀和飛秒小區(qū)，為大量用戶服務(wù)的BS上的大型天線陣列，次級用戶“機(jī)會性地”使用主用戶頻譜的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)，毫米波頻譜和D2D通信。為了實(shí)現(xiàn)短距離的D2D連接，使用了5G網(wǎng)絡(luò)的毫米波頻譜，而CRN的二級用戶也可以使用D2D通信，以避免一級用戶的中斷。在提高頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速度方面，D2D通信增加了已啟用的BS的HetNets和大規(guī)模MIMO。此外，內(nèi)置在用戶設(shè)備中的MIMO天線通過使用各種方法和多路復(fù)用增益來增強(qiáng)抗噪聲和系統(tǒng)容量。D2D通信的一個新趨勢是引入傳感器和基于傳感器的系統(tǒng)，而5G可能通過引入機(jī)器人、執(zhí)行器和無人機(jī)來擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的可能性分配協(xié)調(diào)和可靠的性能與小延遲。

　　D2D網(wǎng)絡(luò)可用于在物聯(lián)網(wǎng)中建立M2M通信，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崟r響應(yīng)并提供超低延遲。一般來說，蜂窩通信的問題在于它需要巨大的能量消耗。由于無線電源的高效利用和具有擁有屬性的小能量消耗，通過引入D2D通信實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在智能城市中的應(yīng)用是可能的。這個功能5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，亦會在車內(nèi)及由車內(nèi)傳送至行人。

　　在本地服務(wù)中，用戶數(shù)據(jù)直接在終端之間傳輸，不包括網(wǎng)絡(luò)方面，例如基于鄰近服務(wù)的社交媒體應(yīng)用程序。社會化應(yīng)用提供了基本的D2D應(yīng)用，用戶在尋找訪問和通信功能的基礎(chǔ)上可以找到對方，使用社會化應(yīng)用和交換數(shù)據(jù)。經(jīng)營者的新收入來源可以通過當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)傳輸(例如廣告服務(wù))來確保，商場可以向進(jìn)入商場或在商場周圍走動的人發(fā)送廣告、折扣和促銷信息，而附近的電影院可以轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)其電影放映的信息。高清視頻記錄等服務(wù)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和頻譜資源設(shè)定了很高的目標(biāo)，通過這些服務(wù)，D2D可以幫助緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流量和降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力。在熱點(diǎn)地區(qū)，運(yùn)營商或服務(wù)提供商可以建立存儲流行媒體服務(wù)的媒體提供商。這些媒體提供商以D2D的方式提供媒體服務(wù)。用戶可以使用D2D從附近接收媒體服務(wù)的用戶終端獲取媒體內(nèi)容。

　　D2D通信在自然災(zāi)害中可能起著至關(guān)重要的作用。在地震或颶風(fēng)的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可能被破壞，網(wǎng)絡(luò)甚至可能崩潰。通過D2D功能，可以建立緊急通信網(wǎng)絡(luò)來替代受損的通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。通過一個或多個跳線的D2D，用戶可以通過覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶終端連接到死角用戶，然后連接到無線網(wǎng)絡(luò)。

　　物聯(lián)網(wǎng)代表了具有各種連接和計(jì)算可能性的異構(gòu)對象與各種類型的交互的集成，包括機(jī)器、機(jī)器和人之間的通信?；谖锫?lián)網(wǎng)D2D改進(jìn)的典型應(yīng)用是互聯(lián)網(wǎng)上的車對車通信(V2V)。如車輛以高速行駛，在駛?cè)胄熊嚲€或減速前，車輛可能會被警告附近有其他車輛存在。根據(jù)收到的警告，附近的車輛向司機(jī)發(fā)出警告，甚至在特殊情況下自動控制駕駛，以便司機(jī)能夠更快地作出反應(yīng)，減少交通事故的數(shù)量。此外，通過D2D獲得的信息，車輛可以可靠地探測和識別附近的某些車輛，例如那些可能在交叉路口構(gòu)成危險的車輛或需要特別注意的車輛(例如校車和運(yùn)送危險貨物的車輛)。

　　D2D還可能有助于解決新的無線通信方案中的問題。在內(nèi)部定位中，終端在封閉空間中無法接收到衛(wèi)星信號。在這種情況下，傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位不起作用。然而，在基于D2D的內(nèi)部定位中，較早設(shè)置的具有給定位置信息的終端或具有給定位置的一般外部終端可以確定需要定位的終端的位置，并以較低的成本支持5G網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部定位。

　　2D2D技術(shù)的安全性分析

　　盡管D2D技術(shù)具有先進(jìn)的功能和推行了第5G移動網(wǎng)絡(luò)，但它仍然面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)和問題，涉及設(shè)備檢測、充電控制、方法選擇、資源管理和中斷、移動性、干擾以及與安全和私隱有關(guān)的問題[3]。本文通過對5G網(wǎng)絡(luò)D2D通信的安全威脅及其潛在的安全解決方案的介紹，詳細(xì)闡述了5G網(wǎng)絡(luò)D2D通信的安全相關(guān)問題。為了保證D2D網(wǎng)絡(luò)的安全性，需要滿足完整性、可用性、可靠性、匿名性、非連通性、安全定向和傳輸、保密性和認(rèn)證等功能和要求。

　　2.1D2D技術(shù)安全威脅

　　由于用戶對高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲和較長網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的要求，引入了5G技術(shù)，包括多個入口點(diǎn)、多個出口點(diǎn)和設(shè)備之間的通信，在提供較長覆蓋范圍方面，網(wǎng)絡(luò)正由新的無線元件如中繼器、智能和小型接入點(diǎn)和熱點(diǎn)引入。

　　在用戶設(shè)備不在基站范圍內(nèi)的情況下，通過設(shè)備間中繼的消息傳輸實(shí)現(xiàn)與基站的通信。中繼通信的優(yōu)點(diǎn)反映在擴(kuò)大蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和提高服務(wù)質(zhì)量上，而另一方面，它在防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和故意或意外的未經(jīng)授權(quán)的修改方面具有敏感性。

　　實(shí)現(xiàn)D2D之間的信息通信分為三個階段:設(shè)備檢測、建立連接和通過設(shè)備間的直接連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在檢測階段，設(shè)備找到彼此并建立直接連接，然后是數(shù)據(jù)傳輸階段。由于在建立連接的階段，沒有驗(yàn)證設(shè)備身份的真實(shí)性程序，攻擊者可能會發(fā)動攻擊，本文將進(jìn)一步說明這一點(diǎn)。

　　隨著5G網(wǎng)絡(luò)D2D通信中的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)設(shè)備傳輸，潛在安全漏洞(如數(shù)據(jù)黑客)的新可能性增加，這意味著侵犯隱私和保密性。攻擊可以根據(jù)訪問控制、可訪問性、真實(shí)性、保密性和完整性進(jìn)行分類。表1給出了D2D的詳細(xì)安全威脅問題。

　　2.2D2D技術(shù)安全機(jī)制

　　為了確保D2D技術(shù)的安全需求，防止上述安全威脅，有必要改進(jìn)現(xiàn)有的安全機(jī)制，并思考新的解決方案，以適應(yīng)D2D技術(shù)在第五代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。安全機(jī)制必須有效率和靈活性，以便能夠適應(yīng)各種安全威脅。上述安全挑戰(zhàn)表明，在認(rèn)證、保密、可用性和完整性過程中，需要建立一個具有高度安全性的D2D通信模型。

　　采用對稱密鑰加密和公鑰加密相結(jié)合的加密技術(shù)可以保護(hù)D2D蜂窩無線信道。對稱密鑰加密使用一個密鑰用戶之間共享的秘密密鑰，而公鑰加密涉及使用兩個不同的密鑰一個密鑰用于加密，即公鑰；另一個密鑰用于解密，即秘密密鑰。目前的加密解決方案需要基站或可信第三方的參與。

　　與早期版本的通信相比，當(dāng)密鑰在雙方之間分配并通過基站或另一個TTT進(jìn)行分發(fā)時，當(dāng)D2D雙方在沒有網(wǎng)絡(luò)作為中介的情況下直接通信時，以安全的方式共享密鑰就更加困難。由于大量的移動設(shè)備，各種制造商和標(biāo)準(zhǔn)，很難在通信之前將隱藏的密鑰集成到設(shè)備中。

　　目前，在D2D通信和物理層中，D2D通信的安全性主要通過使用非對稱和非對稱密碼學(xué)算法如River-ShamirAdleman、Di?eHellman(DH)、橢圓曲線密碼學(xué)、橢圓曲線密碼學(xué)以及Di?eHellman(ECDH)和其他組合來保證[4]。

　　使用動態(tài)頻譜訪問(DSA)技術(shù)是為了提高效率，并且可以在D2D通信的各種情況下實(shí)現(xiàn)。通過合作，能源消耗控制和通道接入對于D2D通信的安全性也很重要。最佳的能源消耗和D2D鏈路通道的訪問將有助于增加移動服務(wù)的用戶數(shù)量和物理層安全。

　　3結(jié)語

　　D2D通信是一種新的無線技術(shù)，它的活動減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，是一種新的社交網(wǎng)絡(luò)工具，因?yàn)樗试S設(shè)備直接通信，而不需要與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建立間接聯(lián)系。當(dāng)涉及到5G網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的實(shí)現(xiàn)時，我們討論的是本地服務(wù)、自然災(zāi)害情況下的實(shí)現(xiàn)以及對異構(gòu)對象之間相互連接的支持。其中一種方案是在自然災(zāi)害或犯罪活動中通過與警察建立直接聯(lián)系等方式定位受害者。本文分析了D2D通信的安全相關(guān)問題，并提供了改進(jìn)的解決方案。D2D通信是具有低延遲、高傳輸速度、覆蓋率和降低能耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和特點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有較高的應(yīng)用價值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李錦慧.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息通信安全防范措施[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2021,47(12):56.

　　[2]周艷.基于網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)管理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用探討[J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新,2020,2(21):36-37.

　　[3]HausM,WaqasM,DingAY,etal.Securityandprivacyindevice-to-device(D2D)communication:Areview[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2017,19(02):1054-1079.

《D2D技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)和安全方面的應(yīng)用研究》

上一篇：論科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對信息傳播發(fā)展的影響

下一篇：5G技術(shù)和軟交換技術(shù)在電子信息中的應(yīng)用分析