4G无线网络通信技术论文

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1无线网络通信方式

总的来说，由于覆盖范围、传输速率和用途的不同，无线网络可以分为无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。从传输距离角度看，各种网络的比较如图1所示。从网络拓扑结构角度，无线网络又可以分为有中心网络和无中心、自组织网络。有中心网络以蜂窝移动通信为代表；无中心网络以移动自组织网络（AdHoc）为代表，采用分布式、自组织的思想形成网络。

1.1WPAN/WLAN/WMAN通信技术

无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。如蓝牙、ZigBee、RFID等。无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）的工作模式可分为基础结构（Infrastructure）模式和自组织网络（AdHoc）模式，基础结构的拓扑结构是扩展服务集（ExtendedServiceSet，ESS），而自组织网络的拓扑结构是独立基本服务集（IndependentBasicServiceSet，IBSS）。在基础结构网络下，无线终端通过访问节点（AccessPoint，AP）相互通信，而且可以访问有线网络，这是最常用的网络拓扑结构；自组织网络是无线终端之间任意连接相互通信形成的一种工作方式。WLAN的安全架构经历了从有线等效保密（WiredEquivalentPrivacy，WEP）到IEEE802.11i的演进，我国于2003年首次针对WEP的安全机制不足提出无线局域网安全标准（WirelessLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure，WAPI）。无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN）的推出是为了满足日益增长的无线接入市场需求。在WLAN技术快速发展的同时，由于在用于室外环境时，带宽和用户数方面受到了限制，同时，还存在通信距离较长等一些其他问题。为更好地解决上述问题，IEEE制定了一套全新的、更复杂的全球标准[2]，这个标准能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS2方面的问题，典型的WMAN如WiMAX，Mesh等。

1.2GSM/GPRS通信技术

全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications，GSM）是2G系统的典型例子，其运营成本低、网络覆盖范围广、可靠性相对较高。但是该通信方式的实时性相对较差，尤其是在大数据传输的情况下，可能造成较长时间的传输时延，不适用于实时监测系统。而且GSM没有考虑完整性保护的问题，这一点在以语音通信为主的2G通信中不是十分重要，因为丢失或者改动的语音通常可以认为识别。GPRS是在现有二代移动通信GSM系统基础上发展而来的无线数据传输业务。GPRS采用与GSM相同的无线调制标准、频带、突发结构、调频规则及TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源。近年来，GPRS技术在配电终端发展非常迅速，但是仍存在不足：GPRS会发生包丢失现象，调制方式不是最优，只采用对用户的单向认证等[3]。

1.33G通信技术

与前两代通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供多种移动多媒体业务。在高速移动的环境中，其传输速率支持144kbit/s，静止状态下最高支持7.2Mbit/s。3G技术利用在不同网络间的无缝漫游技术，将无线通信系统和Internet连接在一起，从而实现对移动终端用户提供更多、更高级的服务，提高了通信质量、系统容量和传输速率。在安全体系上，3G系统性的考虑了网络接入安全、网络域安全、用户域安全、应用域安全、安全可视性和可配置性。虽然3G和2G相比有很多优点，但还是存在很多缺点：3G缺乏统一的全球标准；3G所采用的语音交换架构不是纯IP的方式，仍采用2G系统的电路交换方式；3G的业务提供和业务管理不够灵活；流媒体的应用不尽如人意；3G的高速数据传输不成熟，接入速度有限；安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。

1.44g通信技术

3G正朝着无处不在、全IP化的4G演进。4G网络体系结构如图2所示，4G的关键特征是网络融合，允许多种无线通信技术系统共存，4G致力于融合不同的无线通信系统和技术，以提供普适移动计算环境。用户可以在任何时间、任何地点使用无线网络，这给认证和安全切换提出了更高的要求。在高速移动环境中，移动工作站仍能提供2~100Mbit/s的数据传输速率。4G使用单一的全球范围的IP核心网来取代3G中的蜂窝网络，交换架构从电路交换向分组交换过渡，最终演变成为基于分组交换架构的全IP网络。TD-LTE是时分双工技术（TimeDivisionDupl-exing，TDD）版本的LTE技术，是TD-SCDMA的后续演进技术，同时沿用了TD-SCDMA的帧结构。TD-LTE所采用的不对称频率时分双工方式，是我国拥有自主核心知识产权的国际标准。与之前的通信技术标准相比，TD-LTE技术在物理层传输技术方面有显著改进，主要使用的关键技术包括：多天线技术、多址接入技术、链路自适应、混合自动重传等。1）TD-LTE采用TDD技术，充分利用了有限的频谱资源。在TDD模式下通过将发送和接收信号调度到同一载波下不同时间段传输进行区分，将有限的频谱资源充分利用。2）TD-LTE采用正交频分复用调制编码技术，有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，也提高了单位频谱的传输效率。正交频分复用调制编码技术是将频段内给定的信道分成若干个正交子信道，然后在每个子信道上使用一个载波进行调制，子载波并行传输，从而有效地消除信号波形间的干扰。3）TD-LTE采用多输入输出技术。该技术通过分立式多天线，利用多发射、多接收天线进行空间分集，能将通信链路分解成多个并行子信道，从而提高通信容量。TD-LTE还采用了自适应调制与编码技术、自适应重传技术、载波聚合技术等多种先进技术来实现宽带数据传输[2]。

24G通信安全问题与对策

2.14G通信的接入系统与移动终端

4G的核心网是一个全IP网络，即基于IP的承载机制、基于IP的网络维护管理、基于IP的网络资源控制、基于IP的应用服务。4G的根本优点是可以实现不同网络间的无缝互联。因此，4G网络的接入系统包括无线蜂窝移动通信系统（2G、3G）、无线系统（如DECT）、短距离连接系统（如蓝牙）、无线局域网（WLAN）系统、卫星系统、广播电视接入系统（如DAB，DVB-T，CATV）、有线系统、WiMAX等。4G系统的显著特点是智能化终端，通过实现在各种网络系统之间无缝连接和协作，以最优化的工作方式满足用户的通信需求。当智能化多模式终端接入系统时，网络会自适应地分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。4G的特征决定了4G的移动终端不同于3G终端。4G移动终端应能支持高速率和宽带要求，同时还应保证适应不同的空中接口要求及不同的QoS指标和终端用户移动性能。此外，4G系统中的终端形式多样化，具有物联网功能的终端可视为4G系统的终端，如联网的冰箱、热水器、眼镜、手表等。未来4G移动终端具有如下特征：更强的交互性能，更为方便的个人与网络接口；更高的网络联通性，无线设备可通过AdHoc方式组网；丰富的个性化服务，支持视频电话、GPS定位等多种业务；动态自重构能力，可以自适应地改变业务要求及网络条件；增强型的安全保障功能，如嵌入式指纹识别认证。

2.24G通信安全问题

4G系统包括IP骨干网、无线核心网、无线接入网和智能移动终端等部分，因此，其面临的安全威胁也主要来自这几方面。现有无线网络中存在的安全隐患仍然存在于4G系统中。例如，无线网络链路安全问题和攻击者的窃听、篡改、插入或删除链路上的数据；网络实体身份认证问题，包括核心网和接入网中的实体，如无线局域网中的AP和认证服务器等；Internet网络的各类网络攻击问题等。另外，4G的移动终端与用户的交互更为密切，移动终端作为所有无线协议的参与者和各种无线应用的执行者[4]，交互越来越复杂，威胁的来源越来越广泛。而且，随着计算和存储能力的不断增强，可被执行的恶意程序的数量增多，破坏越来越大，使移动终端变得更加脆弱。例如，手机病毒攻击、移动终端硬件平台的篡改、移动终端操作系统漏洞等。

2.34G通信安全策略

4G安全的研究刚刚起步，还需要将来深入的研究。安全解决方案的设计应考虑的因素包括：安全性、效率、兼容性、可扩展性和用户的可移动性。包括[5]：①需要通过移动终端完成的任务量尽可能少，以有效减少计算的时延；②安全协议需要交互的信息量尽可能少，且每条信息的数据长度尽可能短，以减少通信的时延；③被访问网络的安全防护措施应对用户透明；④用户可有效识别和了解被访问网络协商所采用的安全防护措施级别、算法，甚至安全协议；⑤合法的用户可自由配置自身使用的业务是否需要采用安全防护措施；⑥协议要求的计算能力要具有明显的非对称性，较大的计算负担应尽量在服务端完成，而非在移动终端完成，要充分利用移动终端的空闲时间和资源进行预计算和预认证；⑦安全防护方案能够应对用户和网络设备数目的持续增长。具体而言，可采取的安全防护策略主要如下[6]。1）可协商机制：移动终端和无线网络能够自行协商安全协议和算法。2）可配置机制：合法用户可配置移动终端的安全防护措施选项。3）多策略机制：针对不同的应用场景提供不同的安全防护措施。例如，首次登陆网络和再次接入网络的认证可以充分利用已有的验证信息来节约成本、提高效率，切换认证也应该较普通接入认证有更高的效率。4）混合策略机制：结合不同的安全机制，如将公钥和私钥体制相结合、生物密码和数字口令相结合。一方面，以公钥保障系统的可扩展性，进而支撑兼容性和用户的可移动性；另一方面，利用私钥的高效性来保证实时性（如切换过程），进一步确保用户的可移动性。

2.44G通信安全措施

根据安全威胁来源，4G通信的安全措施重点在于移动终端和无线接入网2部分，对于移动终端一般可采取的安全防护措施如下。1）防护物理硬件。提升集成度，减少可被攻击的物理接口；增加电流、电压检测电路，防止物理攻击手段；增加完整性检验、可信启动和存储保护等措施。2）加固操作系统。采用坚强可靠的操作系统，使其支持混合式访问控制、域隔离控制和远程验证等安全策略。对于无线接入网一般可采取的安全措施如下。1）安全接入。无线接入网通过自身安全策略或辅助安全设备提供对可信移动终端的安全接入功能。防止非可信移动终端接入无线接入网络。2）安全传输。移动终端与无线接入网能够选择建立加密传输通道，根据业务需求，从无线接入网、用户侧均能自主设置数据传输方式。必要时，无线接入网可以采用专用网络进行物理隔离或逻辑隔离。3）身份认证。移动终端与无线接入网建立基于高可靠性载体（如数字证书）的双向身份认证机制。4）安全数据过滤。无线接入网可提供安全数据过滤功能。在视频、多媒体等应用领域，通过数据过滤，可以有效地防范非法数据通过抢占无线接入网资源，进而影响内部系统或核心网。5）访问控制。无线接入网可通过物理地址过滤、端口访问控制等技术措施进行细粒度访问控制策略设置。6）统一监控与审计。对移动终端的访问行为、无线接入设备的运行情况建立统一的监控与审计系统，可以有效地分析移动终端行为规律、记录异常操作，保证无线接入网的高效、可靠。无线核心网和IP骨干网Internet的安全措施与传统网络类似，包括设备冗余、链路冗余、容灾技术、带宽优化等系列措施。在传统安全措施基础上，4G通信时主要需要考虑无线接入网与核心网之间的安全问题。核心网需要加强对无线接入网的安全接入防护，建立可信接入机制。

3结语

无线网络以其安装方便、灵活、经济的优势扩展了用户自由度，提高了用户体验效果，但无论是2G、3G，还是4G通信，这种自由和便利也带来了新的威胁和挑战，尤其是针对接入系统和移动终端的黑客、病毒等攻击行为越来越频繁。相信随着新技术的不断涌现和发展，应用合理的安全防护措施，4G通信的安全性会逐步加强。

作者：李炜键孙飞工作单位：南京南瑞集团公司信息通信项目管理中心