卫星通信中多群组密钥管理研究

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1、卫星通信中多群组密钥管理研究第一章绪论1.1研究背景卫星通信是一种利用通信卫星进行中继转发的通信方式。50多年前，卫星通信就已经作为一种数据传输的方式存在了。英国人克拉克于1945年提出了利用地球外轨道卫星进行数据传输的设想[1]。随后，美国和俄国经过多年的研究和实验，终于在1957年，将第一颗人造地球卫星送入了太空[2]，从此开启了通信卫星作为信息的传输设置服务于人类的篇章。目前，数量多达几百个的人造卫星环绕在地球周围，卫星通信在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。不难推测，在不久的将来将会有更多数量和种类的卫星通信系统投入使用。根

2、据不同的通信任务，卫星通信形式各有不同，从不同角度可以对卫星进行不同分类：按卫星位置划分，可以分为同步静止轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星；按使用卫星通信系统的服务的对象划分，可以分为军用卫星通信系统、民用卫星通信系统和公用卫星通信系统；按通信的多址方式划分，可以分为FDMA、TDMA、SDMA、CDMA和混合多址卫星通信系统。卫星通信系统的通信方式包括广播方式和单播方式[3]，单播方式用于控制系统和卫星之间的通信，而广播通信主要用于向终端发送信息。目前正在使用的卫星系统中，广播通信的覆盖范围非常宽广，可以覆盖大约98%的地球表面。这样广

3、泛的覆盖范围是其他通信系统无法匹及的，也给偏远地区或者信号发射设施不方便建立的地区（比如海洋）中的通信提供了可行的方案。1.2国内外研究现状自从Berkovits[4]和Fiat[5]等人提出数据加密的概念以来，群组密钥的管理一直是安全群组通信研究中的热点问题，拥有扩展性和保密性的群组通信在现代通信中扮演着非常重要的角色[6]。国内外对群组通信的研究已取得了一些进展。自从1999年，LKH（logicalkeyhierarchy）方案提出后[7]，各种改进方案相继提出，文献[8]研究了成员动态变化时的逻辑层次树LKH密钥管理方案，并得出了

4、动态的情况下密钥个数并通过公式推导证明了在树的度为2时，密钥更新的花费最小。文献[9]提出了对逻辑树分层的的密钥管理方案，将用户的动态变化控制在子组的范围内，大大减少卫星的密钥更新数量。文献[10]在密钥树的基础上，结合Huffman编码思想，通过预测群组用户离开的概率模型来构造密钥树，从而使密钥更新的平均代价和用户需存储的密钥量达到最小。文献[11]提出一种将密钥树同中国剩余定理相结合的分层群组密钥管理方案，针对无线结点易被捕获的问题提出了一种能够有效解决密钥撤销的无状态分级密钥管理方案。同时各国研究者也对卫星通信中群组密钥管理进行了积

5、极研究。文献[12]提出了一种基于LKH树的群组成员预先注册，定期加入的方案，该方案可以减少群组初始化的花费。文献[13]针对低轨道卫星LEO，提出了基于聚合类的密钥管理体系，有效降低了密钥更新的需求。文献[14]针对卫星网络中终端结点的高度动态，提出了结合密钥延缓更新和成员自主计算的分布式子群管理方案，在系统的安全性和密钥更新需求间寻求平衡。文献[15]结合基于身份的加密算法构建了组密钥管理方案，同时组建分布式私钥生成中心，使用分布式方式进行密钥管理。文献[16]在原有研究的基础上，基于身份认证思想，提出更契合卫星空间环境的双线性配对组

6、密钥管理方法。.第二章卫星通信系统概述2.1卫星通信系统组成卫星通信系统一般由三大部分组成，包括空间分系统、地面系统、运控系统[21]，如图2.1所示。其中，地面系统直接用来通信，包括固定地面接收站和各类小型接收终端；运控系统用来保障卫星通信的正常进行，是卫星系统的控制枢纽，通常包括卫星遥测系统和卫星遥控系统两部分；空间分系统由位于地球外的通信卫星组成，用于信号的接收和转发。空间分系统的主要部分是通信卫星，在整个卫星通信系统中处于核心位置，负责信号的转发，它相当于在距离地面很远的地方的放置一个天线，从而扩大了无线通信系统的覆盖范围。通信卫

7、星一般由负载、平台两大部分组成。卫星负载用于终端信号的转发，由天线分系统和转发器分系统两部分组成[22]，平台部分则用于保证通信卫星的正常运行。空间中的卫星一般包括弯道转发模式和路由交换两种工作模式。卫星一般采用太阳能供电方式[23]，太阳能装置属于平台部分。每个卫星一般设有多个转发器，每个转发器都可以接收用于卫星系统正常运行的控制信息和通信过程中的数据信息，多个转发器同时工作能够大大增加的卫星的通信带宽，对于数据信息卫星将根据目的地址进行转发。而对于控制信息，卫星接收后进行分析，然后根据消息内容对卫星系统进行操作控制。.2.2卫星通信环

8、境特点卫星通信系统所处的通信环境同传统的地面环境有较大区别，下面对卫星通信环境的特点进行了总结：1.极其不对称的通信信道由于发送信息的不平衡性，在卫星和地面站之间的通信信道是极其不对称，上行信