CN111526503A - 一种geo卫星物联网鉴权方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种GEO卫星物联网鉴权方法和系统，包括：终端在接入卫星网络前，根据系统广播消息获取接入信道的频点信息；终端在接入信道上发起随机接入前，根据待发送时帧号预估经卫星转发后地面站接收到的帧号等信息产生随机数，并调用终端中的SIM卡获取鉴权数据，然后将终端的IMSI和鉴权数据通过随机接入发送给卫星；卫星地面站收到随机接入后根据接收帧号和时间可生成与终端同样的随机数，然后将IMSI、随机数和鉴权数据按照与终端同样的算法完成鉴权；鉴权通过后卫星地面站向终端发送接入许可，完成终端的入网过程。本发明充分考虑了卫星的长时延场景，设计了精简信令交互的方案，节省了物联网终端的功耗并提高了系统的接入容量。

Description

一种GEO卫星物联网鉴权方法和系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种GEO卫星物联网鉴权方法和系统实现。
背景技术
GEO卫星(地球静止轨道卫星)位于赤道上空3万公里处，与地球相对静止，具有波束覆盖面积广的特点，能够在野外、海洋等地面移动通信系统无法覆盖的区域提供通信能力。同时，GEO卫星存在通信时延长、信道衰减大的缺点。
目前商用的GEO卫星移动通信系统，如海事卫星系统、天通一号卫星系统，均采用了类似地面移动通信系统的通信协议流程，尤其在入网注册、鉴权认证、业务信令等方面，卫星终端与卫星网络的流程交互均符合3GPP标准中关于鉴权机制的相关规范。
在3GPP标准的鉴权流程过程中，终端在进行鉴权过程前，首先在公共信道上发起随机接入，然后与网络侧建立RRC连接，并由网络侧发起鉴权请求，终端回复鉴权响应，收发的信令条数比较多。具体如图4所示，普通卫星终端的位置更新流程中，终端首先要通过系统广播中的公共信道发起随机接入，与卫星网络建立专有信道的RRC连接，然后在RRC连接上发起位置更新流程，再由卫星地面站首先发起鉴权请求，卫星终端收到鉴权请求后对网络进行鉴权并生成鉴权响应数据，再由终端回复鉴权响应，实现卫星网络对终端的鉴权。
由于卫星信道距离远衰减大，卫星终端在与卫星的通信过程中，发射无线信号时开启的射频功率放大器占据了终端主要的工作功耗。卫星物联网终端的应用场景主要面对无人值守的周期性或突发性数据采集需求，相对于手持卫星终端、便携或车载、船载卫星终端，物联网终端对功耗更敏感。
发明内容
基于上述背景，常规的鉴权流程无法满足卫星物联网终端低功耗的需求，因此本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于卫星物联网系统的鉴权方法和系统，通过优化鉴权交互流程，实现终端在鉴权时节省终端功耗。
本发明采用的技术方案为：
一种GEO卫星物联网鉴权方法，包括以下步骤：
(1)卫星物联网终端在接入系统前，获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，并通过定位功能获取标准时间信息T；
(2)卫星物联网终端根据待发送的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的物理帧号FnRX；
(3)卫星物联网终端读取SIM卡中的IMSI信息，将IMSI、FnRX和T生成随机数RAND，并利用SIM卡将RAND信息和SIM卡存储的秘钥生成鉴权响应RES；
(4)卫星物联网终端将IMSI信息和鉴权响应RES作为随机接入信息，在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
(5)卫星地面站收到由卫星转发的终端的随机接入请求后，生成与终端侧相同的随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥生成鉴权响应XRES，判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端发送接入许可。
其中，步骤(5)中生成鉴权响应XRES的具体实现方式为：
(501)通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出卫星物联网终端生成随机数RAND时的标准时间T，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；
(502)将IMSI、FnRX和T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND；
(503)通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES。
一种GEO卫星物联网鉴权系统，包括卫星物联网终端鉴权设备和卫星地面站鉴权设备，卫星物联网终端鉴权设备包括SIM卡、定位模块和卫星基带模块，卫星地面站鉴权设备包括归属位置寄存器HLR和认证中心AuC；
卫星基带模块用于获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，并根据待发送的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的物理帧号FnRX；并读取SIM卡中的IMSI信息和定位模块获取的标准时间信息T，将IMSI、FnRX和T生成随机数RAND，将随机数RAND传输至SIM卡并读取SIM卡生成的鉴权响应RES，将鉴权响应RES在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
SIM卡用于存储IMSI信息和秘钥，将卫星基带模块生成的RAND信息和存储的秘钥生成鉴权响应RES，并发送至卫星基带模块；
定位模块用于获取标准时间信息T，并发送至卫星基带模块；
归属位置寄存器HLR用于接收由卫星转发的终端的随机接入请求，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；将帧号FnRX和IMSI信息传递给认证中心AuC；还用于判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端的卫星基带模块发送接入许可；
认证中心AuC用于通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出卫星物联网终端生成随机数RAND时的标准时间T，将IMSI信息、帧号FnRX和标准时间T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES，将鉴权响应XRES发送至归属位置寄存器HLR。
本发明相对常规的鉴权流程，有如下优点：
1、本发明中在公共信道上完成了鉴权与接入流程，去除了标准流程中RRC连接过程，减少了信令的交互；
2、本发明中将RAND的生成与时间和帧号相关联，一定程度上保证了RAND的随机性，并减少了卫星地面站与终端之间的交互；
3、本发明中使用的SIM卡和HLR、AuC等设备装置与标准鉴权设备兼容，仅需修改极少的软件接口。
总之，本发明方法严谨、简洁而紧凑，并且便于基于现有网络改造实现，将物联网终端的实际应用场景与安全性综合考虑，能够明显降低终端的工作功耗，延长终端工作和待机时间，减少系统信令资源占用。
附图说明
图1为本发明实施方式中GEO卫星物联网鉴权方法流程图；
图2为本发明实施方式中卫星物联网终端鉴权设备组成框图；
图3为本发明实施方式中卫星地面站鉴权设备组成框图；
图4为本发明实施方式中卫星物联网终端注册流程与普通卫星终端的位置更新流程对比图；
图5为本发明实施方式中随机数RAND的生成流程图；
图6为本发明实施方式中鉴权响应的生成流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式结合附图对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种GEO卫星物联网鉴权方法，如图1所示，实现步骤为：
(1)卫星物联网终端在接入系统前，首先完成与系统广播同步，获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，另外终端还通过定位功能获取标准时间信息T；
(2)卫星物联网终端根据待发送的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的物理帧号FnRX；
(3)卫星物联网终端读取SIM卡中的IMSI信息，再将IMSI、FnRX和T生成随机数RAND，然后调用SIM卡的鉴权功能接口，将RAND信息输入SIM卡，SIM卡将RAND信息和SIM卡存储的秘钥生成鉴权响应RES；
(4)卫星物联网终端将IMSI和RES作为随机接入信息，在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
(5)卫星地面站收到由卫星转发的终端的随机接入请求后，生成与终端侧相同的随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥生成鉴权响应XRES，判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端发送接入许可。
生成鉴权响应XRES的具体实现方式为：
(501)通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出卫星物联网终端生成随机数RAND时的标准时间T，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；
(502)将IMSI、FnRX和T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND；
(503)通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES。
具体的，如图2和图3所示，一种GEO卫星物联网鉴权系统，包括卫星物联网终端鉴权设备和卫星地面站鉴权设备，卫星物联网终端鉴权设备包括SIM卡、定位模块和卫星基带模块，卫星地面站鉴权设备包括归属位置寄存器HLR和认证中心AuC；
卫星基带模块用于获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，并根据待发送的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的物理帧号FnRX；并读取SIM卡中的IMSI信息和定位模块获取的标准时间信息T，将IMSI、FnRX和T生成随机数RAND，将随机数RAND传输至SIM卡并读取SIM卡生成的鉴权响应RES，将鉴权响应RES在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
SIM卡用于存储IMSI信息和秘钥，将卫星基带模块生成的RAND信息和存储的秘钥生成鉴权响应RES，并发送至卫星基带模块；
定位模块用于获取标准时间信息T，并发送至卫星基带模块；
归属位置寄存器HLR用于接收由卫星转发的终端的随机接入请求，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；将FnRX和IMSI信息传递给认证中心AuC；还用于判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端的卫星基带模块发送接入许可；
认证中心AuC用于通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出终端生成随机数RAND时的时间T，将IMSI、FnRX和T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES，将鉴权响应XRES发送至归属位置寄存器HLR。
鉴权的过程总是伴随着卫星终端向卫星网络进行入网注册或发起业务时进行。如图4所示，普通卫星终端的位置更新流程中，终端首先要通过系统广播中的公共信道发起随机接入，与卫星网络建立专有信道的RRC连接，然后在RRC连接上发起位置更新流程，再由卫星地面站首先发起鉴权请求，卫星终端收到鉴权请求后对网络进行鉴权并生成鉴权响应数据，再由终端回复鉴权响应，实现卫星网络对终端的鉴权。在卫星物联网终端的注册流程中，本发明在随机接入的消息中，利用GEO卫星在终端与地面站之间的固定时延特点，附加了用于网络对终端进行鉴权的RES。卫星地面站根据接收随机接入消息时的帧号生成RAND，再由AuC生成XRES，再由HLR比较RES和XRES，从而是实现对物联网终端的鉴权。因此可以看出，本发明充分利用了卫星系统的传输特点，针对卫星信道的长时延的特点，合理地设计了鉴权流程，减少了终端发射的时长和次数。
在卫星物联网终端的注册流程中，本发明跳过了物联网终端对网络的鉴权功能，在终端获取系统广播后，通过一种RAND生成机制和算法使终端与网络能够生成同一个随机数RAND数据，避免了RAND在空口传输占用信道资源。如图5所示，本发明使用了MD5算法来生成RAND数据，使用SIM卡的IMSI，标准时间T和接收帧号FnRX作为输入参数。IMSI全称是国际移动用户识别码，存储的SIM卡中，用于区分全网中的用户身份，因此不同的SIM卡中不会出现相同的IMSI；标准时间T是根据北斗授时得到时间信息；FnRX为物联网终端预估系统接收到随机接入时的TDMA帧号。通过MD5算法，对输入的IMSI、T和FnRX进行运算，将生成的RAND数据作为参与鉴权认证的随机数,通过相同的运算，终端侧和网络侧可以生成相同的RAND，所以不必在卫星信道中传输该数据，减少了流程交互次数，缩短了流程交互时时间。
附图6是物联网终端与网络侧生成鉴权响应RES或XRES的过程。其中，Ki为预置的永久密钥，该密钥由系统预先为每个终端用户分配一个，分别存储在用户SIM卡中和认证中心AuC中。终端在发起随机接入前，通过将附图4生成的RAND和SIM卡中的Ki两个参数输入到用户认证函数f2中，输出一个鉴权响应RES，然后将该参数发送给网络侧相关设备。同样的，网络侧在接收到随机接入消息后，首先根据附图4计算出RAND值，然后再通过IMSI从AuC设备中找到对应的Ki，将RAND和Ki通过用户认证函数f2计算出鉴权响应XRES并与终端上报的RES进行匹配，如果两者一致，则鉴权认证通过。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种GEO卫星物联网鉴权方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)卫星物联网终端在接入系统前，获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，并通过定位功能获取标准时间T；
(2)卫星物联网终端根据待发送信息时的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的帧号FnRX；
(3)卫星物联网终端读取SIM卡中的IMSI信息，将IMSI信息、帧号FnRX和标准时间T生成随机数RAND，并利用SIM卡将RAND信息和SIM卡存储的秘钥生成鉴权响应RES；
(4)卫星物联网终端将IMSI信息和鉴权响应RES作为随机接入信息，在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
(5)卫星地面站收到由卫星转发的终端的随机接入请求后，生成与终端侧相同的随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥生成鉴权响应XRES，判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端发送接入许可。
2.根据权利要求1所述的GEO卫星物联网鉴权方法，其特征在于，步骤(5)中生成鉴权响应XRES的具体实现方式为：
(501)通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出卫星物联网终端生成随机数RAND时的标准时间T，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；
(502)将IMSI信息、帧号FnRX和标准时间T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND；
(503)通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES。
3.一种GEO卫星物联网鉴权系统，包括卫星物联网终端鉴权设备和卫星地面站鉴权设备，其特征在于，卫星物联网终端鉴权设备包括SIM卡、定位模块和卫星基带模块，卫星地面站鉴权设备包括归属位置寄存器HLR和认证中心AuC；
卫星基带模块用于获取系统广播消息中的物理帧号和公共接入信道配置信息，并根据待发送信息时的帧号FnTX计算出经过卫星转发后卫星地面站接收到接入信息时的帧号FnRX；并读取SIM卡中的IMSI信息和定位模块获取的标准时间T，将IMSI信息、帧号FnRX和标准时间T生成随机数RAND，将随机数RAND传输至SIM卡并读取SIM卡生成的鉴权响应RES，将鉴权响应RES在公共接入信道的帧号FnTX上发起随机接入；
SIM卡用于存储IMSI信息和秘钥，将卫星基带模块生成的RAND信息和存储的秘钥生成鉴权响应RES，并发送至卫星基带模块；
定位模块用于获取标准时间T，并发送至卫星基带模块；
归属位置寄存器HLR用于接收由卫星转发的终端的随机接入请求，并确定收到接入请求时的帧号FnRX；将帧号FnRX和IMSI信息传递给认证中心AuC；还用于判断鉴权响应XRES与RES是否一致，如果一致，则向物联网终端的卫星基带模块发送接入许可；
认证中心AuC用于通过当前标准时间，根据卫星与卫星地面站之间的固定时延计算出卫星物联网终端生成随机数RAND时的标准时间T，将IMSI信息、帧号FnRX和标准时间T通过MD5加密算法计算，生成随机数RAND，并通过IMSI信息找到与卫星物联网终端对应的秘钥，将随机数RAND和密钥通过用户认证函数f2计算生成鉴权响应XRES，将鉴权响应XRES发送至归属位置寄存器HLR。
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