移動通信無線接入安全方法探討

李 巖，聶邵華，孫 健，田成立

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

目前，移動通信建設進入了高速發展的時期，支持增強移動帶寬、高可靠低時延以及低功耗大連接等應用場景。除了現有的移動互聯網之外，5G 的出現為增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、車聯網以及物聯網等新興產業的發展提供強大的網絡接入能力，為垂直行業的迅速發展提供了信息基礎平臺。5G 與垂直行業的結合，為移動通信技術帶來了新的安全需求和安全風險。文章圍繞移動通信無線接入安全問題進行了深入探討，為移動通信技術的安全推廣建設提供了有效參考價值。

1 移動通信技術

人們的生活方式逐漸朝著信息化和數據化的方向發展，“萬物物聯”是人們生活和工作的基礎，也是人們生活和工作的必要條件，而“萬物物聯”的第一步，便是4G 向5G 的升級。5G 移動通信網絡與4G 網絡相比，數據的傳輸速度有很大優勢，并且支持多種不同設備的高效通信，最大限度地發揮無線資源的利用率[1]。因此，可以有效避免在網絡使用過程中出現高頻段頻譜資源應用效率低下的問題，實現通信資源的合理配置，既能改善通信品質，又能大幅降低運作費用。目前，移動通信技術的應用重點主要圍繞用戶的業務體驗需求展開。在同樣的小區里，居中的人和不居中的人，體驗完全不同；在人多的地方和空曠的地方，也會有不同的體驗。因此，對無線網絡進行規劃時，需要根據不同用戶的體驗需求進行針對性的規劃，保證發揮出移動通信技術的最大優勢[2]。

2 移動通信無線網絡接入安全方法特點

安全訪問技術廣泛應用于移動通信和無線網絡，其特征表現有以下幾點。第一，安全性。通過對安全接入技術的有效選擇和運用，可以對用戶身份和用戶隱私進行保護，防止惡意追蹤的發生，充分發揮接入技術的用戶信息保護功能。在進行實體認證時，主要認證內容包括用戶認證和網絡認證，進一步增強通信的安全性。在無線網絡中進行信號傳輸時，如果想要實現實體認證，不僅依靠網絡，還要與各個區域的認證機制和密鑰等結合。一方面，網絡用戶可以根據自己需要，發送認證矢量，由鑒證方進行認證；另一方面，可以利用密鑰的作用，由鑒證方的用戶端發送密鑰，從而完成實體認證[3]。第二，保密性。移動通信無線網絡中的信號訪問具有加密性，可以在用戶的身份信息和系統的指示信息中使用加密算法和密鑰，防止用戶信息遭到惡意篡改。第三，完整性。在移動通信技術中，使用安全訪問技術可以確保信息的完整性。完整性指指令信號和用戶信息之間的完整性，確保信息在傳遞時不發生畸變[4]。

3 5G 移動無線網絡體系結構的設計原則

傳統的移動接入網架構基于一種標準的網絡架構，即中央地區的中央控制與管理，確保各地區之間的訪問與互聯關系。由于系統的人機接口較窄，系統的控制面比較窄，系統的單元和系統的函數之間存在著較強的偶合性。在5G 環境下，隨著5G 移動業務和業務場景的不斷涌現，現有的5G 移動網絡體系結構存在著較大的靈活性和自適應能力，通過對5G 業務覆蓋和核心性能指標的研究，提出了5G 移動網絡體系結構應該具有高度靈活性、可擴展性以及可定制性，能夠靈活地進行網絡資源和功能的優化配置，同時兼顧功能、成本和能耗等多個方面。

4 移動通信技術的安全架構

移動通信作為數字經濟的核心驅動力量，為個體與社會提供了有力支持。為適應新的安全要求，移動通信無線接入安全架構體系的建設既要考慮到實際應用效果，又要做好新技術的融合。在建立網絡安全架構體系時，盡量融入一些有數據支撐的安全保護系統，統一認證框架和具體業務流程。移動通信無線接入的安全體系結構如圖1 所示。

圖1 移動通信無線接入的安全體系結構

5 移動通信無線接入的安全需求與挑戰

2G 至4G 的安全機制主要采用對稱加密技術，該技術獨立于無線通信網絡，一般采用“打補丁”的方式，無線通信固有特征的因素較少，導致其存在缺陷。例如，安全連接之前，建立信息保護、身份保密以及密集網絡中的密鑰管理等，移動通信無線接入不能簡單依賴前期技術的演進，而是在前期安全的基礎上，選擇移動通信無線接入不同應用場景下的安全需求和挑戰，提供更靈活、強大、精細化的安全保障技術。在移動通信無線接入的3 大應用場景中，出現了異構網絡、超密集組網以及互聯網業務延伸趨勢加劇等問題，致使網絡安全面臨巨大挑戰。如增強移動寬帶、用戶體驗值、用戶峰值速率、低功耗連接、聯網密度以及低時延高可靠等。

5.1 無線通信的固有安全問題

第一，無線鏈路本身具有的開放特性，使得無線信道中傳輸的信號和消息容易被竊取，并且很難被檢測。第二，由于終端和網絡之間沒有固定的物理鏈接，使得用戶訪問具有隨機性和潛在的欺詐風險。第三，終端本身的存儲運算能力無法實現太過復雜的保密算法[5]。

5.2 移動互聯網帶來的安全隱患

傳統的移動通信系統存在終端種類、功能比較單一以及網絡封閉等問題。隨著5G 時代的發展，移動通信時很容易被人竊聽，在移動電商交易和支付等信息傳輸中，容易導致信息泄漏。

6 移動通信無線網絡安全接入技術研究

6.1 適合5G 的身份認證技術

本項目從5G 網絡角度出發，面向5G 網絡中的多個網絡技術，提供一個統一的接入平臺，并提供一個標準的應用程序接口（Application Program Interface，API）。在此背景下，用戶的通信會涉及多個網絡中的通信技術，不同的接入技術采用的安全機制也不一樣。因此，本項目在5G基礎上提出一種面向多個網絡、安全、高效以及低成本的跨平臺身份認證機制，以保障5G 網絡的安全性能。針對5G 的應用需求，研究一種基于人體生理特性與信道特性的差異化安全認證方法，以滿足5G 網絡對各種應用的全方位和細粒度需求。

6.2 切片安全隔離技術

5G 最大的特點是能夠實現網絡分層。完成網絡切片后，再選擇與之對應的切片組合，構建端到端的邏輯網絡，利用安全資源虛擬化、安全能力開放共享以及多元化信任等功能，為不同行業提供差別化的安全能力。在此基礎上，通過對5G 網絡中的網絡功能和安全功能進行分層，形成5G 網絡切片。對于高保密要求的特殊行業用戶，則需要將其分為2個部分：運營商的部分和特殊行業的部分。使用白話網絡編排（Management And Network Orchestration，MANO）技術，將2 個部分的網絡功能和安全功能編入同一個網絡切片中，針對不同的網絡切片，構建安全可靠的隔離和相應的網絡通道，避免在數據傳輸過程中出現丟失。采用安全隔離技術，通過數據傳輸和邊界控制等手段，實現切片間的數據傳輸，通過基于安全策略的數據流量控制，最大限度規避非法侵入和跨域數據越界等問題，從而在切片間建立高效的安全隔離，阻止數據的非法流動，防止泄露用戶隱[6]。

6.3 物理層安全保密通信技術

6.3.1 保密信道編碼技術

從信息理論出發，當系統的安全容量大于0 時，會有一種可以使接收方錯誤率趨近于0 的信道編碼方法，而竊方信息無窮小。這一技術可以確保信息的安全，但目前對這方面的研究大多以理論為主。

6.3.2 物理層安全傳輸技術

從安全容量的定義中可以得出結論，它在接收通道比在竊聽通道中更有優勢。但現實生活中，這個條件并不一定滿足。這種情況下，可以選擇信號處理技術提高接收通道的傳輸性能，從而提高通信系統的安全性。其中，預編碼、協作、多樣性以及網絡編碼是應用最廣泛的一種技術。

6.3.3 物理層密鑰生成技術

本文提出了一種基于隨機、唯一性、短時互易特性的無線網絡密鑰生成機制，通信雙方可以通過短時間互易，抽取出同一位的密鑰，而被竊聽者由于隨機衰落不能得到同一密鑰。現有的密鑰生成方法主要包括基于通道沖激響應的密鑰生成方法、基于接收信號強度的密鑰生成方法、基于接收信號相位的密鑰生成方法以及基于通道相關性的密鑰生成方法等[7]。

7 結 論

無線安全存取技術的進步極大提升了4G 網絡中通信和傳送的安全性。在4G 移動通信中，正確使用密碼算法和密碼，可以保證4G 移動通信的安全性。利用臨時身份實現的認證模式，不僅可以確保認證的有效性，而且可以大大增強用戶信息的安全性，為移動通信安全高效的發展打下堅實的基礎。