SCI论文（www.lunwensci.com）:
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
Application of D2D Technology in 5G Network and Security
SHEN Kai, YAO Haiyan, CHEN Yue, ZHANG Milu
(State Grid Zhejiang Hangzhou Yuhang District Power Supply Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 311100)
【Abstract】： D2D is a promising 5G network model. It provides useful infrastructure and allows different applications, such as social applications, advertising services or applications that support the interconnection of heterogeneous objects, as well as those that provide support in the event of natural disasters. Compared with the traditional network communication, the communication realized by D2D technology shows a lower degree of security. It is necessary to modify the existing security mechanism and new solutions to adapt to the application of D2D in the fifth generation network, which will improve the security level of authenticity verification, ensure service availability and maintain integrity.
【Key words】： 5G network;D2D technology;communication security
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。
1 D2D 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。
2 D2D 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。
2.1 D2D 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。
2.2 D2D 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、DiffieHellman(DH)、椭圆曲线密 码学、椭圆曲线密码学以及 DiffieHellman(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] Haus M,Waqas M,Ding A Y,et al.Security and privacy in device-to-device (D2D) communication:A review[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials,2017,19(02): 1054-1079.
[4] Mohseni-Ejiyeh A,Ashouri-Talouki M,Mahdavi M.An Incentive-Aware Lightweight Secure Data Sharing Scheme for D2D Communication in 5G Cellular Networks[J].The ISC International Journal of Information Security,2018, 10(01):15-27.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jisuanjilunwen/34760.html
