D2D技术在5G网络和安全方面的应用研究

　　摘要：D2D是一种很有前途的5G网络模式，它提供有益的基础设施，允许不同的应用，例如社会应用、广告服务或那些支持异构对象相互连接的应用，以及那些在发生自然灾害时提供支持的应用。与传统的网络通信相比，D2D技术实现的通信显示出较低的安全程度。有必要修改现有的安全机制和新的解决方案，以适应D2D在第五代网络中的应用，这将提高真实性验证、确保服务可用性和保持完整性方面的安全水平。

　　关键词：5G网络；D2D技术；通信安全

　　0引言

　　对更快的数据传输速度、最小延迟、覆盖范围和更高的可靠性的需求日益增长，要求人们寻找旨在整合2G、3G、4G和其他接入技术的解决方案，事实上，5G网络使这些技术成为可能。D2D通信已被提议作为一种利用通信设备物理接近性的工具，并与5G网络的其他技术一起成为人们生活进程中新思想的试验场。D2D中的设备之间的通信可以通过直接互连和数据共享而无需间接连接到基站，也可以通过用户设备充当中继。物联网是5G网络的一个概念，它应该提供不同对象之间的连接和交互，从而使我们的城市、房屋、交通工具变得智能和互联，D2D技术对此有很大的贡献[1]。D2D功能支持高波特率并减少设备之间的延迟，使其在满足5G网络部署标准方面特别重要。在基于云的移动计算机技术中，它允许在空间上彼此接近的用户更有效地共享或共享资源。

　　1D2D技术在5G网络中的应用

　　与基于传统基础设施的其他通信相比，D2D通信的主要特点是基站参与通信的程度有限，或者完全没有中心部件，如AccessPoint或BaseStation，在这些部件中，只要一对设备之间的距离接近，它们之间的数据就不应该通过网络的核心。目前在市场上，WiFi和蓝牙等技术提供了一些D2D通信功能。然而，它们的工作范围是非授权的，而且干扰是不受控制的。此外，直到目前为止，他们还不能提供适用于蜂窝网络的安全性或服务质量。D2D允许物理近端设备和数据交换服务之间的直接通信，其应用范围已经扩大，预计未来几年将有数十亿台设备进行通信[2]。

　　5G网络包括一个异构网络的实现，通过使用不同的无线接入技术，多重回程技术和站层次结构宏观、微观和飞秒小区，为大量用户服务的BS上的大型天线阵列，次级用户“机会性地”使用主用户频谱的认知无线电网络(CRN)，毫米波频谱和D2D通信。为了实现短距离的D2D连接，使用了5G网络的毫米波频谱，而CRN的二级用户也可以使用D2D通信，以避免一级用户的中断。在提高频谱效率和数据传输速度方面，D2D通信增加了已启用的BS的HetNets和大规模MIMO。此外，内置在用户设备中的MIMO天线通过使用各种方法和多路复用增益来增强抗噪声和系统容量。D2D通信的一个新趋势是引入传感器和基于传感器的系统，而5G可能通过引入机器人、执行器和无人机来扩大物联网的可能性分配协调和可靠的性能与小延迟。

　　D2D网络可用于在物联网中建立M2M通信，因为它们能够实时响应并提供超低延迟。一般来说，蜂窝通信的问题在于它需要巨大的能量消耗。由于无线电源的高效利用和具有拥有属性的小能量消耗，通过引入D2D通信实现物联网在智能城市中的应用是可能的。这个功能5G网络的应用，亦会在车内及由车内传送至行人。

　　在本地服务中，用户数据直接在终端之间传输，不包括网络方面，例如基于邻近服务的社交媒体应用程序。社会化应用提供了基本的D2D应用，用户在寻找访问和通信功能的基础上可以找到对方，使用社会化应用和交换数据。经营者的新收入来源可以通过当地数据传输(例如广告服务)来确保，商场可以向进入商场或在商场周围走动的人发送广告、折扣和促销信息，而附近的电影院可以转发有关其电影放映的信息。高清视频记录等服务为基础网络和频谱资源设定了很高的目标，通过这些服务，D2D可以帮助缓解蜂窝网络的流量和降低蜂窝网络的传输压力。在热点地区，运营商或服务提供商可以建立存储流行媒体服务的媒体提供商。这些媒体提供商以D2D的方式提供媒体服务。用户可以使用D2D从附近接收媒体服务的用户终端获取媒体内容。

　　D2D通信在自然灾害中可能起着至关重要的作用。在地震或飓风的情况下，通信网络基础设施可能被破坏，网络甚至可能崩溃。通过D2D功能，可以建立紧急通信网络来替代受损的通信网络和互联网基础设施。通过一个或多个跳线的D2D，用户可以通过覆盖区域内的用户终端连接到死角用户，然后连接到无线网络。

　　物联网代表了具有各种连接和计算可能性的异构对象与各种类型的交互的集成，包括机器、机器和人之间的通信。基于物联网D2D改进的典型应用是互联网上的车对车通信(V2V)。如车辆以高速行驶，在驶入行车线或减速前，车辆可能会被警告附近有其他车辆存在。根据收到的警告，附近的车辆向司机发出警告，甚至在特殊情况下自动控制驾驶，以便司机能够更快地作出反应，减少交通事故的数量。此外，通过D2D获得的信息，车辆可以可靠地探测和识别附近的某些车辆，例如那些可能在交叉路口构成危险的车辆或需要特别注意的车辆(例如校车和运送危险货物的车辆)。

　　D2D还可能有助于解决新的无线通信方案中的问题。在内部定位中，终端在封闭空间中无法接收到卫星信号。在这种情况下，传统的卫星定位不起作用。然而，在基于D2D的内部定位中，较早设置的具有给定位置信息的终端或具有给定位置的一般外部终端可以确定需要定位的终端的位置，并以较低的成本支持5G网络的内部定位。

　　2D2D技术的安全性分析

　　尽管D2D技术具有先进的功能和推行了第5G移动网络，但它仍然面临着许多技术挑战和问题，涉及设备检测、充电控制、方法选择、资源管理和中断、移动性、干扰以及与安全和私隐有关的问题[3]。本文通过对5G网络D2D通信的安全威胁及其潜在的安全解决方案的介绍，详细阐述了5G网络D2D通信的安全相关问题。为了保证D2D网络的安全性，需要满足完整性、可用性、可靠性、匿名性、非连通性、安全定向和传输、保密性和认证等功能和要求。

　　2.1D2D技术安全威胁

　　由于用户对高速数据传输、低延迟和较长网络覆盖范围的要求，引入了5G技术，包括多个入口点、多个出口点和设备之间的通信，在提供较长覆盖范围方面，网络正由新的无线元件如中继器、智能和小型接入点和热点引入。

　　在用户设备不在基站范围内的情况下，通过设备间中继的消息传输实现与基站的通信。中继通信的优点反映在扩大蜂窝网络的覆盖范围和提高服务质量上，而另一方面，它在防止未经授权的访问和故意或意外的未经授权的修改方面具有敏感性。

　　实现D2D之间的信息通信分为三个阶段:设备检测、建立连接和通过设备间的直接连接进行数据传输。在检测阶段，设备找到彼此并建立直接连接，然后是数据传输阶段。由于在建立连接的阶段，没有验证设备身份的真实性程序，攻击者可能会发动攻击，本文将进一步说明这一点。

　　随着5G网络D2D通信中的数据通过互联设备传输，潜在安全漏洞(如数据黑客)的新可能性增加，这意味着侵犯隐私和保密性。攻击可以根据访问控制、可访问性、真实性、保密性和完整性进行分类。表1给出了D2D的详细安全威胁问题。

　　2.2D2D技术安全机制

　　为了确保D2D技术的安全需求，防止上述安全威胁，有必要改进现有的安全机制，并思考新的解决方案，以适应D2D技术在第五代网络中的应用。安全机制必须有效率和灵活性，以便能够适应各种安全威胁。上述安全挑战表明，在认证、保密、可用性和完整性过程中，需要建立一个具有高度安全性的D2D通信模型。

　　采用对称密钥加密和公钥加密相结合的加密技术可以保护D2D蜂窝无线信道。对称密钥加密使用一个密钥用户之间共享的秘密密钥，而公钥加密涉及使用两个不同的密钥一个密钥用于加密，即公钥；另一个密钥用于解密，即秘密密钥。目前的加密解决方案需要基站或可信第三方的参与。

　　与早期版本的通信相比，当密钥在双方之间分配并通过基站或另一个TTT进行分发时，当D2D双方在没有网络作为中介的情况下直接通信时，以安全的方式共享密钥就更加困难。由于大量的移动设备，各种制造商和标准，很难在通信之前将隐藏的密钥集成到设备中。

　　目前，在D2D通信和物理层中，D2D通信的安全性主要通过使用非对称和非对称密码学算法如River-ShamirAdleman、Di?eHellman(DH)、椭圆曲线密码学、椭圆曲线密码学以及Di?eHellman(ECDH)和其他组合来保证[4]。

　　使用动态频谱访问(DSA)技术是为了提高效率，并且可以在D2D通信的各种情况下实现。通过合作，能源消耗控制和通道接入对于D2D通信的安全性也很重要。最佳的能源消耗和D2D链路通道的访问将有助于增加移动服务的用户数量和物理层安全。

　　3结语

　　D2D通信是一种新的无线技术，它的活动减少了网络负载，是一种新的社交网络工具，因为它允许设备直接通信，而不需要与网络基础设施建立间接联系。当涉及到5G网络中D2D通信的实现时，我们讨论的是本地服务、自然灾害情况下的实现以及对异构对象之间相互连接的支持。其中一种方案是在自然灾害或犯罪活动中通过与警察建立直接联系等方式定位受害者。本文分析了D2D通信的安全相关问题，并提供了改进的解决方案。D2D通信是具有低延迟、高传输速度、覆盖率和降低能耗等优点，已经成为5G网络中实现应用和特点的关键技术之一，具有较高的应用价值。

　　参考文献

　　[1]李锦慧.计算机网络信息通信安全防范措施[J].计算机与网络,2021,47(12):56.

　　[2]周艳.基于网络信息安全技术管理的计算机应用探讨[J].产业科技创新,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技术在5G网络和安全方面的应用研究》

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