LTE系统中无线干扰的研究

重庆邮电大学通信学院 毛文俊 向东南



LTE系统中无线干扰的研究

重庆邮电大学通信学院 毛文俊 向东南

【摘要】随着移动通信设备的广泛普及，长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统变得越来越受欢迎。然而，这种通信网络并不完美，仍然存在许多安全隐患。在空口安全方面，无线干扰问题一直存在，需要人们进一步的研究和解决。

【关键词】LTE；无线干扰；小区搜索；PBCH

随着研究的不断深入，LTE系统越来越完善。在通信安全方面，LTE网络采取了更高级的安全措施，如加强的认证和密钥协商机制等。这些措施很好地解决了网络所存在的漏洞缺陷。然而，他们无法解决通信中的无线干扰问题。无线干扰主要针对空中接口，特别是Uu接口，严重影响了正常通信。接下来，本文重点分析这些无线干扰。

1 初始接入LTE网络

当终端处于初始接入状态时，对接入小区带宽是未知的。UE需要在其支持的工作频段内以100kHz为间隔的频栅上进行扫描，并在每个频点上进行主同步信道检测。这一过程中，终端仅仅检测1.08MHz的频带上是否存在主同步信号（PSS）。主同步信号（PSS）是频域Zadoff-Chu序列，主要用于确定组内ID标识和5ms定时边界。找到PSS之后，向前搜索就可以找到辅同步信号（SSS）。SSS由两个长度为31 的m序列交叉级联得到，并且在前后半帧的映射正好相反。同步完成之后，终端设备就可以确定唯一的小区标识。

在LTE无线中，物理广播信道（PBCH）在子帧#0 的slot #1上发送，紧挨着PSS。PBCH主要用于发送主信息块（MIB），而系统信息块（SIB）则被映射到物理下行共享信道（PDSCH）中。其中，MIB包含了LTE初始接入网络的重要参数，如系统带宽、8位的系统帧号（SFN）等，SIB则包含了不同系统的参数和相关的配置信息等。完成这些广播信息的接收后，终端就可以进行小区搜索等一系列相关活动。

2 无线干扰威胁

2.1 下行链路干扰

下行链路干扰包括产生恶意无线信号干扰下行控制信道、广播信道以及干扰同步过程等。常见的干扰包括带宽干扰、频谱分量干扰等。下面将逐一介绍了这些无线干扰。

在不了解干扰目标时，常使用带宽干扰。带宽干扰可以出现在系统带宽的任意位置，而且干扰效果明显。阻塞干扰（BJ）是最简单的干扰方式，针对整个系统带宽。在对比干扰影响方面，阻塞干扰可以作为其他干扰的基准。部分带宽干扰（PBJ）[1]是指，有选择地干扰部分系统带宽，如图1所示。PBJ常用于干扰特殊符号，如干扰PSS和SSS等。

图1 下行干扰示意图

如果攻击者熟悉干扰目标，可以发动智能干扰，即有选择地进行重要内容干扰。因此，攻击者可以干扰部分频率分量，破坏重要信息的获取。单音干扰（STJ）[1]利用AWGN的单个高功率脉冲干扰目标信号的某个频率分量。一般来说，单音干扰主要增大了某个频率分量的功率，而没有引入新的频率分量。多音干扰（MTJ）[2]可以看做是STJ的简单叠加。不同是，多音干扰需要同时发送多个频率分量。阻音干扰，分为单阻音干扰和多阻音干扰，如图1所示。阻音干扰主要是在原频率分量间引入新的频率分量，破坏OFDM符号的正交性。相比其他的干扰方式，阻音干扰具有更好的性能。

2.2 上行链路干扰

通常，基站的发射功率为48dBm，而LTE终端的最大上行功率为23 dBm[3]。相比大功率的下行干扰，低功率智能干扰被用于上行控制信道。上行控制信道主要用于承载上行链路控制信息，如信道质量指示、秩指示等重要信息。

在LTE系统中，攻击者熟悉上行控制信道的相关知识。他们可以在适当的时间发射干扰信号，干扰上行控制信道的接收，进而使得基站无法配置相关参数。因此，这种干扰威胁通常影响某个扇区，甚至是整个基站小区。在这种威胁的基础上，通过增强干扰信号，攻击者可以破坏小区中所有UE的正常通信。同时，攻击者可以使用指向基站的定向天线，进一步提高攻击效果。

3 干扰减轻措施

在新时代，对于运营商来说，用户体验变得非常重要。我们必须采取必要的措施，尽可能的降低这种威胁造成的影响。

通常，下行无线干扰的发射功率比较大，一般容易定位，而上行无线干扰就没有那么容易辨识。在LTE系统中，针对PBCH的无线干扰，我们可以采用直接扩频通信方式。对于干扰信号，收信机的码序列将对它进行非相关处理，使得干扰电平显著下降而被抑制。我们还可以对广播信道和控制信道进行加密保护。信息的加密处理增加了破解的难度，同时降低了针对特殊符号干扰的风险。除此之外，运营商需要提高安全意识，时刻监督网络的运行状况。

4 结语

在通信网络中，基于空口的无线干扰攻击严重影响了人们的正常生活。本文分析了LTE中的无线干扰，并给出了干扰减轻方法。后续还需要进一步努力，寻找新的方式和方法来对抗这些干扰威胁，以提高用户满意度。

参考文献

[1]J.Luo,J.Andrian,etal,Bit error rate analysis of jamming for OFDM systems,in Wireless Telecom. Symposium,2007:1-8.

[2]S.Chao,W.Ping,and S.Guozhong,Performance of OFDM in the presence of multitone jamming,in Robotics and Applications(ISRA),2012:118-121.

[3]3Gpp Technical Specification Group Radio Access Network;User Equipment(UE)radio transmission and reception.3GPP TS 36.101,V12.5.0(2014-09).

毛文俊，男，硕士研究生，主要研究方向为移动通信。

向东南，女，硕士研究生，主要研究方向为移动通信。

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