ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В СЕТИ LTE ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ

И.Н. Зайцева, В.Н. Гришаев (магистрант)

Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина, Россия, г. Елец

Аннотация. LTE представляет собой новый стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных, в основе которого лежит технология множественного доступа с ортогональным разделением частот (OFDMA). Как и все беспроводные системы, LTE может быть подвержена воздействию случайных и преднамеренных помех, которые существенно влияют на качество и надёжность связи в сетях LTE. В работе рассмотрены вопросы комплексного анализа возможных угроз при применении преднамеренных помех и механизмов обеспечения безопасности в стандарте LTE, направленных на повышение устойчивости к таким воздействиям.

Ключевые слова: LTE, преднамеренные помехи, безопасность, OFDMA, мобильная связь.

В связи со стремительным ростом рынка мультимедийных услуг и возрастанию требований к пропускной способности мобильных систем связи, сотовые компании вынуждены динамично развивать архитектуру широкополосного доступа для своевременного обеспечения потребностей пользователей. Стандарт LTE считается логическим развитием технологий GSM и UMTS и отличается повышенной емкостью, лучшим использованием частотного спектра и меньшей задержкой при передаче пакетов данных. А применение способа множественного доступа OFDMA потенциально позволяет предоставлять пользователям широкополосный канал со скоростями до 300 Мбит/с. Организационно сеть LTE состоит из двух важнейших компонентов: сети радиодоступа E-UTRAN и базовой сети EPC (рис. 1) [1].

На сети LTE, как и на любые другие беспроводные сети могут быть произведены атаки с целью нарушения качества связи или получения доступа к информации. Целенаправленная атака с постановкой преднамеренных помех является наиболее распространённым способом добиться локального отказа в обслуживании в сотовых сетях.

Рис. 1. Архитектура сети LTE

Основной и самый простой метод основан на применении радиосигналов, нарушающих связь за счет снижения отношения сигнал-шум (ОСШ) в канале. Такой подход требует использования высоких мощностей излучения, что делает его неэффективным и легким для выявления. Этот метод атаки является эффективным только в том случае, если злоумышленник не обладает информацией о целевом сигнале. Более сложные методы атак основаны на уязвимостях физического уровня LTE и постановке не сплошных, а интеллектуальных помех. Можно выделить три основных направления атаки: каналы синхронизации (PSS и SSS), пилотные символы (RS) и системная информация (SIB) [2].

Метод подавления каналов синхронизации является более предпочтительным по сравнению с подавлением всего сигнала, поскольку требует меньшей мощности помехи. Это связано с тем, что для передачи каналов синхронизации выделены определенные частоты, и нет необходимости в подавлении всей полосы. С другой стороны этот метод также является легким для обнаружения.

Метод подавления пилотных символов является более трудным для выявления. В то же время для его применения необходима установка синхронизации между сотовой сетью и генератором помехи, что делает его эффективным лишь в небольшом радиусе действия.

Наиболее эффективным является метод атаки основанный на подавлении системной информации. Хотя данный метод также требует синхронизации между сотовой сетью и генератором помех, требования к ней значительно ниже, что увеличивает возможный радиус его применения. Поскольку местоположение системной информации варьируется как во времени, так и частоте, реализация такого подхода представляет собой сложную задачу.

Как было сказано выше, сети LTE базируются на технологии множественного доступа с ортогональным разделением частот OFDMA. Однако, наряду с высокой пропускной способностью, данная технология обладает более низкой помехоустойчивостью, чем, например, CDMA [3].

Из принципов функционирования LTE известно, что служебные сообщения на нисходящей линии передаются посредством физического широковещательного канала PBCH (Physical Broadcast Channel) со скоростью 350 бит/с. В предлагаемом методе каналы управления нисходящей линии связи PBCH модулируются с применением технологии CDMA. Таким образом, достигается расширение спектра и значительно затрудняется атака с применением ПП на каналы PBCH. Для выполнения воздействия потребуется полная синхронизация по времени и частоте, чтобы сформировать сигнал ПП с той же псевдослучайной последовательностью (ПСП), как и у сигнала PBCH, что значительно усложняет сложность атаки. Если установить скорость ПСП равной R_bG, где R_b- скорость канала PBCH, то теоретически мощность ПП потребуется увеличить на log₁₀ (G) Дб для достижения того же результата, что и без расширения спектра [4].

Данное решение будет труднореализуемым в коммерческой области из-за необходимости изменения стандарта LTE, однако может найти применение при построении военной или государственной сети ограниченного масштаба.

Далее рассмотрим метод выборочной селекции ПП. Данная схема включает применение нескольких антенн с изменяемой диаграммой направленности (ДН) для подавления интерферирующего сигнала интеллектуальной ПП на восходящей линии связи. Аналогичные методы были предложены в литературе с целью уменьшения влияния сигнала помех в беспроводной системе посредством механической регулировки комплекса из двух антенн и применения алгоритма селекции помех [5].

Предлагаемый механизм реализован на основе способов формирования лучей в базовых станциях (БС), которые используют при приеме сигналов до пяти антенн. Диаграммы направленности антенных решеток могут перенастраиваться для максимального ослабления сигнала, поступающего с определенного направления. Таким образом, если местоположение постановщика преднамеренных помех известно, то для его избирательного блокирования может быть сгенерирован минимум в диаграмме направленности антенны БС. На рис. 2 показан пример такого решения.

Рис. 2. Схема формирования ДН при выборочной селекции ПП

Потенциально данная схема может быть построена в рамках концепции самоорганизующихся сетей, в которых реализовано автоматическое обнаружение атаки с использованием интеллектуальных ПП. При обнаружении аномалии в конкретной БС такой как сильное снижение нагрузки или аномального уменьшения уровня сигнал/шум, ячейка переходит в режим обнаружения. Узкий приемный луч сканирует сектор и в случае продолжающейся атаки интеллектуального взлома восходящей линии связи ячейка переходит в защитное состояние, создавая нуль при приеме и блокируя вредоносный сигнал ПП.

Таким образом, в работе были проанализированы вопросы обеспечения безопасности сети LTE и предложены потенциальные механизмы защиты от угрозы применения энергоэффективных ПП. Рассмотренные способы могут найти применение при построении безопасной сети мобильной связи, что особенно актуально в государственной и военной сфере.

Литература:

1. Антонова В.М., Богомолова Н.Е. Анализ основных уязвимостей сетей стандарта LTE // Материалы Международной научно-технической конференции, 21 – 25 ноября 2016. С. 146-149.

2. Крутин Д.В. Анализ влияния преднамеренных помех на передачу информации в сетях LTE // Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании: материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. Рязанский государственный радиотехнический университет. 2014. С. 101-102.

3. Viterbi A. J. CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication, Volume 129. Addison-Wesley Boston, MA. 1995.

4. Jover R. P., Lackey J., Raghavan A. Enhancing the security of LTE networks against jamming attacks //EURASIP Journal on Information Security. – №. 1. 2014. Рр. 1-14.

5. T. D. Vo-Huu, E.-O. Blass, G. Noubir, Counter-jamming Using mixed mechanical and software interference cancellation, in Proceedings of the Sixth ACM // Conference on Security and Privacy in Wireless and Mobile Networks, WiSec ‘13 (ACM New York, 2013). Рp. 31–42.

Сведения об авторах:

Зайцева Ирина Николаевна - канд. пед. наук, доцент кафедры радиоэлектроники и компьютерной техники ФГБОУ ВО «Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина», e-mail: irina-zai@yandex.ru

Гришаев Виктор Николаевич - магистрант кафедры радиоэлектроники и компьютерной техники ФГБОУ ВО «Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина»

QUESTIONS OF SAFETY IN LTE NETWORK AT INFLUENCE OF MALICIOUS INTERFERENCE

I. N. Zaitseva, V.N. Grishaev

Summary: LTE represents the new standard of wireless high-speed data transmission which cornerstone the technology of multiple access with orthogonal division of frequencies (OFDMA) is. As well as all wireless systems, LTE it can be subject to influence random and the malicious interference which significantly influence quality and reliability of communication on the LTE networks. In operation questions of the complex analysis of possible threats in case of application of malicious interference and mechanisms of safety in the LTE standard directed to increase in resistance to such influences are considered.

Keywords: LTE, malicious interference, safety, OFDMA, mobile communications.

References:

1. Аntonova V.M., Bogomolova N.E. Аnaliz osnovnykh uyazvimostej setej standarta LTE // Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferentsii, 21 – 25 noyabrya 2016. Pp. 146-149.

2. Krutin D.V. Аnaliz vliyaniya prednamerennykh pomekh na peredachu informatsii v setyakh LTE // Novye informatsionnye tekhnologii v nauchnykh issledovaniyakh i v obrazovanii: materialy XIX Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferentsii studentov, molodykh uchenykh i spetsialistov. Ryazanskij gosudarstvennyj radiotekhnicheskij universitet. 2014. Pp. 101-102.

3. Viterbi A. J. CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication, Volume 129. Addison-Wesley Boston, MA. 1995.

4. Jover R. P., Lackey J., Raghavan A. Enhancing the security of LTE networks against jamming attacks //EURASIP Journal on Information Security. – №. 1. 2014. Рр. 1-14.