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一种新型的LTE-A网络切换认证协议

更新时间：2019-12-24 17:36:34 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：LTE-A网络切换 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对典型蜂窝网络LTE-A网络的切换认证问题,本文通过引入SDN(Software Defined Network,软件定义网络),提出了软件定义LTE-A异构网络架构,在中心控制器中共享UE(User Equipment,用户设备)的安全上下文信息,以实现简化切换认证过程,提高认证效率的目标.中心控制器的加入,使蜂窝与核心网通信时需要增加一次信令开销,而LTE-A网络的标准切换认证方法过于复杂,应用在软件定义LTE-A异构网络中,会产生较多的信令开销.基于代理签名的切换认证方法,使UE在验证身份时不用经过核心网,减少了信令开销.在安全性相同的情况下,基于椭圆曲线的加密体系比基于RSA的加密体系计算量更小,有利于减少中心控制器的计算压力.本文采用椭圆曲线代理签名方法,提出了一种新型的切换认证协议,并运用着色Petri网进行建模和仿真分析.仿真结果表明,该协议是有效的,且安全性更高.


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2
Vol． 45 No． 2  
Feb． 2017  
第
期
电
子
学
报
2017  
2
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
LTE-A  
一种新型的  
网络切换认证协议  
， ，  
陈 昕 宋亚鹏 刘志强  
(
，
北京信息科技大学计算机学院 北京  
100101)  
:
LTE-A ， SDN( Software Defined Network，  
网络的切换认证问题 本文通过引入 软件定  
摘
要
针对典型蜂窝网络  
) ，  
义网络 提出了软件定义  
LTE-A  
，
异构网络架构 在中心控制器中共享  
UE( User Equipment， )  
用户设备 的安全上下文  
， ， ． ，  
信息 以实现简化切换认证过程 提高认证效率的目标 中心控制器的加入 使蜂窝与核心网通信时需要增加一次信令  
，
LTE-A LTE-A  
，
， ．  
异构网络中 会产生较多的信令开销 基  
开销 而  
于代理签名的切换认证方法 使  
RSA  
网络的标准切换认证方法过于复杂 应用在软件定义  
，
UE  
， ． ，  
在验证身份时不用经过核心网 减少了信令开销 在安全性相同的情况下 基于椭  
，
．
圆曲线的加密体系比基于  
的加密体系计算量更小 有利于减少中心控制器的计算压力 本文采用椭圆曲线代理  
， ，  
签名方法 提出了一种新型的切换认证协议 并运用着色  
Petri  
． ，  
网进行建模和仿真分析 仿真结果表明 该协议是有效  
，
的 且安全性更高  
．
:
LTE-A;  
; SDN ( Software Defined Network) ;  
;
Petir  
网
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
切换认证  
椭圆曲线代理签名 着色  
0372-2112 ( 2017) 02-0485-07  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2017． 02． 030  
:
TP391. 9  
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
A New Handover Authentication Protocol for LTE-A Network  
CHEN Xin，SONG Ya-peng，LIU Zhi-qiang  
( School of Computer Science，Beijing Information Science ＆ Technology University，Beijing 100101，China)  
Abstract: Aiming at the handover authentication in the LTE-A，SDN is introduced and a new heterogeneous network  
framework named Software Defined LTE-A is proposed． This framework simplifies the handover authentication via the sha-  
ring of security context information in the Controllers． The use of Controller leads to one more communication overhead  
when the base station communicates to the core network． The standard handover authentication in LTE-A is a complex sys-  
tem that will generate a lot of communication overhead． The handover authentication based on proxy signature make the UE  
( User Equipment) need not to communicate to core network when UE is authenticated，which reduces the communication o-  
verhead． Compared to RSA Cryptography，the Elliptic Curve Cryptography needs less computation that will decrease the  
computation overhead in the Controller． Adopted the proxy signature based on the Elliptic Curve，a new handover authentica-  
tion protocol is proposed，and is modeled，simulated，and analyzed by the Colored Petri Nets． The results of the simulation  
show that the proposed handover authentication is efficient and more secure．  
Key words: LTE-A; handover authentication; SDN ( software defined network) ; proxy signature based on elliptic  
curve; colored Petri Nets  
． ， ，  
决方法是增加基站的密度 然而 基站密度的增加 会使  
1
引言  
UE ． LTE-A  
在移动过程中产生更频繁的切换  
户的切换认证过程是一个复杂的系统  
，
标准中 用  
［3］  
iPhone、iPad、Kindle  
，
等移动终端设备的普及  
随着  
，
它将在频繁  
［1］  
．
移动互联网产生的数据流量迅速增长  
思科预测在  
．
的切换过程中占据较多的时间  
［2］  
2014 2019  
年到  
，
年之间 移动数据流量将增加  
10  
倍
．
， ，  
目前 针对稠密基站的管理问题 斯坦福大学的  
，
为了减少单个基站上数据流量的压力 一个有效的解  
Aditya Gudipati  
等人提出了软件定义的无线接入网模  
: 2015-10-08;  
: 2016-09-06;  
:
责任编辑 马兰英  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 61370065，No． 61502040) ;  
( No． 2015BAK12B03-3) ;  
北京市优秀人才培养资助青年  
国家十二五科技支撑计划  
( No． 2014000020124G099)  
骨干个人项目  
486  
2017  
年
电
子
学
报
［4］  
，
UE  
、
的传输功率控制 切换控制和上行链路资  
1
．
E-UTRAN  
Controller，  
中加入 集  
型
将
如图 所示 其变化是在  
20 ～ 30 ．  
个基站的切换控制功能 连接在同一个  
eNB( evolved Node B，  
演进型  
源块分配等控制面功能从  
中周围  
Controller MME，  
上 的 基 站 必 须 属 于 同 一 个 不 能  
)
基站 分离到中心控制器  
( Controller)  
，
上统一管理 从全  
， ．  
局出发平衡各基站的资源 提高管理效率 贝尔实验室  
MME．  
跨
Sourjya Bhaumik  
［5］  
等人在文献 提出了将基站的数  
的
，
据面和控制面功能全部转移到中心控制器上 基站只  
，
保留转发功能和物理层的部分控制功能 该架构能让  
22%  
． ［6］ SDN  
的计算资源 文献 将  
5G  
引入 移  
系统减少  
，
动网络 通过在接入点中共享用户的安全上下文信息  
，
．
提高了用户切换认证和隐私保护的效率 本文将利用  
SDN ， LTE-A  
的思想 把  
网络中切换过程的控制面分离  
UE  
，
到一个中心控制器上 在一定条件下简化了  
的切换  
．
认证过程  
，
近几年来 针对  
LTE-A  
，
的切换认证问题 许多文献  
． ［7］ MME  
提出了不同方法 文献 通过复用保存在旧 中  
，
的密钥 降低跨  
MME  
． ［8］  
切换的认证时间 文献 提出了  
AAA  
，
认证服务器的切换认证方法 但由于  
AAA  
认
基于  
［15］  
LTE-A  
eNB  
HeNB  
，
这是称  
网络中的基站分为  
和
eNB  
，
很远 会增加通信时间和连接失  
证服务器可能离  
“ ” ．  
之为 异构网络 的原因 在软件定义  
LTE-A  
，
网络中  
．
败的机率 并且每次认证都需要  
AAA  
，
服务器的参与 会  
eNB HeNB Controller  
．
eNB \  
和
都直接连接在  
S-GW S1  
上 取消  
Controller S-GW  
的
． ［9］  
增加系统的复杂性 文献 采用利用  
Diffie-Hellman  
密
HeNB  
，
接口 建立  
到
的
到
，
钥交换机制进行密钥协商 它比基于  
AAA  
认证服务器  
S1  
，
eNB \ HeNB IP  
，
报头压缩加密功能 和  
接口 即将  
将用户数据导向  
eNB\HeNB  
的
． ［10］  
的切换认证机制更简捷 文献 中使用代理签名将  
S-GW  
Controller  
．
的功能分离到  
S1  
上 保  
Controller  
到
eNB  
AAA  
UE， eNB  
目标  
源
或
认证服务器的权力授予  
UE ．  
的身份 这种方  
MME  
，
接口 并建立  
留
到
的
UE  
根据  
法必须在源  
认证过程的复杂性 文献  
持有的代理签名可以验证  
MME  
S1  
． Controller  
eNB \ HeNB  
MME  
与 进  
的
接口  
代替  
eNB eNB  
，
之间建立可信连接 增加  
和目标  
，
行信令交换 但是这只包括与切换认证和  
CSG( Closed  
．
［11］ HSS  
使用代理签名将  
Subscriber Group， ) ，  
闭合签约用户组 处理相关的信令  
( Home Subscriber Server， )  
归属签约用户服务器 的权力  
eNB \HeNB  
MME  
．
进行其它功能的信令交互  
依然能与  
eNB  
UE， UE  
使
eNB  
，
相互验证身份  
授予  
和
直接与目标  
，eNB\HeNB  
、
还保留移动和调度的测量 测量报告  
另外  
Diffie-Hellman  
．
密钥交换机制进行密钥协商 与  
且通过  
、 ．  
配置 频谱资源管理和数据转发等其它功能 由于  
Con-  
， ［11］  
前几篇文献相比 文献 在通信开销和计算量方面  
troller eNB\HeNB ， Controller eNB \HeNB  
离 较近 所以 与  
． ［11］ ， SDN  
更优 本文将在文献 的基础上 引入 思想和椭  
．
的信令交互不会花费太多时间  
，
UE  
圆曲线代理签名的方法 使得  
在一定范围内移动  
时 其切换认证过程的通信开销和计算量更优于文献  
［11］．  
，
3
LTE-A  
异构网络下的切换认证  
软件定义  
协议  
2
LTE-A  
异构网络架构  
软件定义  
LTE-A  
，
网络架构下切换认证时 基站到  
在标准  
MME  
．
需要一次信令交换 而在软件定义的  
LTE-A  
异构  
( Software Defined Network，SDN)  
软件定义网络  
是
，
网络下 基站到  
MME  
-
之间需要基站 控制器和控制器  
-
，
一种新型的网络架构 它的设计理念是将网络的控制  
MME  
． LTE-A  
两次信令交换  
中的切换认证方法和密钥  
在新架构中会大大增加信令交  
，
平面与数据转发平面进行分离 从而通过集中的控制  
［3］  
，
生成机制过于繁锁  
，
器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件 实现  
． ，  
换次数 针对上述问题 提出了基于椭圆曲线代理签  
．
对网络资源灵活的按需调配  
LTE-A  
［16，17］  
．
名
的切换认证方法  
初始阶段  
UE  
，
网络架构中 切换认证属于控制面的功  
在
［12 ～ 14］  
3. 1  
，
需要  
MME( Mobility Management Entity，  
移动管  
能
E-UTRAN  
，
时 由  
MME  
UE  
向 发  
在
第一次连接  
)
HSS  
．
SDN  
，
理实体 和  
换认证有关的控制面功能和数据面功能 分离到  
troller LTE-A  
的参与 根据  
的设计思想 将与切  
HSS  
(
的代理签名认证向量 δ  
H-U  
，
送一个原始签名人为  
，
Con-  
［11］  
e ，K ) ，  
并储存在  
H-U  
UE  
．
，
其中  
中
，
，
异构网络  
上统一管理 构建出软件定义  
UE  

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