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LTE-D 安全通信系统

一、系统简介

本课题需要研究面向V2X LTE-D标准的无线物理层安全通信技术，为车与车之间以及车与路边单元之间的无线通信提供数据保密保护。基于提取的无线信道的CSI（Channel State Information，信道状态信息），在通信双方之间建立互易的CSI，并将CSI转换为高质量的密钥，用此密钥及祖冲之（ZUC）流密码算法实现无线信道数据的加密传输。

USRP软件无线电平台设备可以为X310或者N210。上位机处理机使用Linux操作系统Ubuntu16.04。相关运行的参数在系统的界面上显示。密钥分发系统通过MQTT协议和架设的服务器进行沟通，实现信息的交互。

运行效果：

  1. Alice端

  2. Bob端

二、系统安装过程

主机需安装Ubuntu 16.04系统，在此基础上安装软件无线电平台相关的驱动UHD和控件GNURadio。完成后安装LTE-D安全通信原型系统并完成编译。

2.1 安装UHD3.11.1驱动

  1. 更新软件包列表，更新系统软件

    sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

    将软件和更新的安装更新选项勾选上

  2. 安装依赖源(仅适用于Ubuntu 16.04，其他版本需要的依赖包会有所不同)

    # 以下依赖源来自:https://wiki.gnuradio.org/index.php?title=UbuntuInstall
sudo apt-get -y install git-core cmake g++ python-dev swig \
pkg-config libfftw3-dev libboost-all-dev libcppunit-dev libgsl0-dev \
libusb-dev libsdl1.2-dev python-wxgtk3.0 python-numpy \
python-cheetah python-lxml doxygen libxi-dev python-sip \
libqt4-opengl-dev libqwt-dev libfontconfig1-dev libxrender-dev \
python-sip python-sip-dev python-qt4 python-sphinx libusb-1.0-0-dev \
libcomedi-dev libzmq-dev

  3. 创建安装UHD的文件目录

    cd $HOME
mkdir workarea-uhd
cd workarea-uhd

  4. 从Github下载UHD源码(需在linux 上配置git环境，使用ssh远程登录github)

    git clone https://github.com/EttusResearch/uhd
cd uhd
git checkout v3.11.1.0

  5. 编译并安装UHD（这一步所需的时间较长）

    cd host
mkdir build
cd build
cmake ../
make
make test
sudo make install
sudo ldconfig

  6. 配置环境变量

    打开/etc/bash.bashrc 文件，在文件的最后添加export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib，保存。

    若权限不够，则先输入如下命令再配置：

    sudo chmod 777 /etc/bash.bashrc

  7. 下载FPGA 镜像

    sudo uhd_images_downloader

2.2 安装GNIRadio3.7.11

  1. 使用源码安装(建立文件目录并且从GitHub上获得源码)

    cd $HOME
mkdir workarea-gnuradio
cd workarea-gnuradiogit clone -recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio
cd gnuradio
git checkout v3.7.11
git submodule update -init -recursive
mkdir build
cd build
cmake ../
make
make test
sudo make install
sudo ldconfig

  2. 测试USRP是否已经连接

    输入 sudo gnuradio-companion 命令打开GNURadio。

    在终端中用 sudo uhd_usrp_probe，测试USRP是否已经连接成功。

2.3 初始MQTT环境的配置

  1. 安装paho.mqtt.c

    cd ~/
git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.c.git
cd paho.mqtt.c
make
sudo make install

    成功的话，会在paho.mqtt.c/build/output下可以找到各种动静态链接。

    补充: 若在make的时候出现以下错误提示：

    In file included from src/Socket.c:33:0:
src/SocketBuffer.h:28:25: fatal error: openssl/ssl.h: No such file or directory
compilation terminated.

    导致这种情况的原因是：openssl环境没有配置正确，此时需要通过如下命令来安装OpenSSL 开发包：

    sudo apt-get install libssl-dev

  2. 初始化日志系统

    （1）gflags

    git clone https://github.com/gflags/gflags.git
cd gflags
mkdir build
cd build
cmake -DGFLAGS_NAMESPACE=google -DCMAKE_CXX_FLAGS=-fPIC -DBUILD_SHARED_LIBS=ON ..
make -j4
sudo make install
sudo ldconfig

    （2）glog

    # git clone https://github.com/boboxxd/glog.git
   git clone https://github.com/google/glog # 主要区别是cnmake版本
cd glog
mkdir build
cd build
cmake ../ && make && sudo make install

2.4 安装LTE-D安全通信系统程序

  1. 下载项目源码

    cd ~/ # 打开终端，切换到用户目录
git clone -b V2X-ZUC git@gitee.com:phc-seu/ROI.git

  2. 安装子模块gr-roi

    cd ~/ROI/GModule/gr-roi # 切入gr-roi子模块目录
git submodule update --init # 拉取子模块
# 若出现提示:Submodule path './': checked out ……，则说明拉取子模块成功
mkdir build # 新建build目录，用于编译安装模块
cd build # 切换到build目录
cmake ../ && make && sudo make install && sudo ldconfig # 编译安装gr-roi模块

    修改 ~/gnuradio/lib/cmake/gnuradio/GnuradioConfig.cmake文件 ，仿照其他模块，加入

    GR_MODULE(ROI gnuradio-roi roi/api.h gnuradio-roi)

  3. 编译运行LTE-D安全通信系统程序

    cd ROI # 切入ROI文件夹
mkdir build # 新建build目录，用于编译
cd build # 切换到build目录
cmake ../ && make # 编译
cd ../bin # 切换到ROI源码目录下的bin目录,可以看到有一个名为ROI的可执行文件
./ROI # 命令行运行该可执行文件（或者图像界面切换到该目录下，双击允许该文件）

    若出现《LTE-D安全通信原型系统》程序的图形界面，则说明上述系统编译运行成功。

  4. 程序初始化

    （1）读/写的缓冲区大小修改

    sudo sysctl -w net.core.wmem_max=33554432
sudo sysctl -w net.core.rmem_max=33554432

    （2）修改光纤口的MTU，先用ifconfg确定光纤口的名称

    • 示例：

      # Alice端
sudo ifconfig enp1s0 mtu 9000 up
# Bob端
sudo ifconfig enp1s0f0 mtu 9000 up

      Alice端

    Bob端

    Bob端网口

2.5 注意事项

  1. 若出现roi子模块链接未找到的错误提示，则进行以下排查步骤：

    （1）对于使用pybombs安装的gnuradio3.7，需要注释CMakelists.txt中的以下语句：

    # find_package(roi)
# include_directories(${ROI_INCLUDE_DIRS})
# ${ROI_LIBRARIES}

    （2）而对于GNURadio全局安装方式，则需要取消以上三行代码的注释

    find_package(roi)
include_directories(${ROI_INCLUDE_DIRS})
${ROI_LIBRARIES}

三、系统连通性测试

  1. 测试要求

    （1）USRP-X310软件无线电平台通过10GB光纤和PC上位机连接。

    （2）USRP-N210软件无线电平台通过1GB以太网线和上位机连接。

    （3）PC上位机需要连接具有能够连接Internet网的Wi-Fi热点以实现访问云端服务器。

    （4）使用移动电源给软件无线电平台、PC上位机、信号放大器模块供电，开启相关设备。

  2. 测试流程

    软件无线电平台分别从Tx/Rx天线端口连接信号放大器模块（连接放大器模块的from AP端口），再将天线连接至信号放大器模块（连接放大器模块的to Antenna端口）。

    在使用USRP-X310软件无线电平台时，上位机通过ping 192.168.40.2测试软件无线电连通状态。在使用USRP-N210软件无线电平台时，上位机通过ping 192.168.10.2测试软件无线电连通状态。当有数据交互时，表示软件无线电平台和上位机的物理连接通畅。

  3. 验证云端服务器的连接状态的步骤

    （1） 使用ping+云服务器ip地址命令检查网络连通状态，例如：ping 47.122.3.201

    （2） 运行LTE-D安全通信原型系统程序，查看日志输出中Alice端是否能够通过MQTT服务器发布消息。

四、系统基本参数设置

4.1 Alice端参数设置

  1. 选择TDD模式，即时分双工模式（必选）

  2. 角色选择alice（必选）

  3. 是否连续存储：在一次运行中Alice端生成的多组ZUC初始密钥是否存储在通一个文件中（可选，但如果勾选了随机性检测则为必选）

  4. 是否存在eve：是否存在窃听方（可选）

  5. CSI存储目录：Alice端根据探测信号计算得出的CSI存储地址（必选）

  6. 密钥存储目录：将CSI量化为高质量密钥Ka后的存储地址（必选）

  7. ZUC初始密钥存储目录： ZUC初始密钥的存储地址（必选）

  8. 打开所需加密的图片：需要加密的图片的存储地址（必选）

  9. 加密文字、加密图片、HARQ、维纳滤波器（可选）

  10. 随机性检测：是否启用随机性检测，若勾选，则每生成40组ZUC初始密钥做一次随机性检测，结果显示在界面的右下角（可选）

  11. LDPC码率：码率越小，纠错性能越好，但系统运行效率会有所下降。可选的码率为： 2/3，1/2，1/3，1/4，1/5

  12. 消息：Alice发送给Bob的消息，会使用ZUC密钥流进行加密处理，支持中英文

  13. PSS能量阈值、PSS相关阈值、DMRS能量阈值、DMRS相关阈值：用于检测Bob端的PSSCH信号

  14. Tx增益、Rx增益：户外建议30db，户内建议10-25db

  15. 采样率：USRP-X310支持1000-30720KHz，USRP-N210支持1000-25000KHz

  16. 载波：不能与wifi等载波频率一致，单位为MHz

  17. 重发间隔：Alice端从一次发送PSBCH_PSSCH探测信号到下一次发送PSBCH_PSSCH探测信号的时间，单位为ms

  18. 设备地址：通过查看本机连接信息选择设备地址ip。例如这里选择的是192.168.40.1

参数设置样例：

4.2 Bob端参数设置

  1. 选择TDD模式，即时分双工模式（必选）

  2. 角色选择bob（必选）

  3. CSI存储目录：Bob端根据探测信号计算得出的CSI存储地址（必选）

  4. 密钥存储目录：将CSI量化为高质量密钥Kb后的存储地址（必选）

  5. ZUC初始密钥存储目录： ZUC初始密钥的存储地址（必选）

  6. 加密文字、加密图片、HARQ、维纳滤波器、随机性检测、LDPC码率：根据Alice端的参数进行相同设置

  7. 消息：Bob端接收到的经过解密后的消息

  8. PSS能量阈值、PSS相关阈值：用于检测Alice端的PSSCH信号；

    DMRS能量阈值、DMRS相关阈值参数用不到

    1. Tx增益、Rx增益：户外建议30db，户内建议10-25db

  9. 采样率：需与Alice端参数保持一致

  10. 载波：需与Alice端参数保持一致

  11. 重发间隔：Bob端从检测到Alice端的探测信号到发送自身信号所间隔的时间，单位为ms

  12. 设备地址：通过查看本机连接信息选择设备地址ip

参数设置样例：

Alice和Bob端分别点击“运行”后，系统开始工作。

当通信双方程序界面右上角显示连续的CSI图像且右下角显示“第x次生成zuc初始密钥成功”字样时，则表示表示系统基本参数设置正确，系统可以正常工作。

五、无线信道生成密钥测试

5.1 静止测试环境下

在静止测试环境下。Alice和Bob终端在室外环境中距离约100米。在Alice和Bob端点击“运行”开始生成密钥。系统基于生成的密钥对XXX界面中的文字信息和图片信息进行ZUC加密传输。在运行主界面中分别显示了系统的运行时间，已生成密钥数，生成加密密钥时间，ZUC密钥协商时间以及ZUC加密和解密时间（在系统中将信息改成这个，比较直观）。系统连续生成40组密钥后将运行随机性检测模块并统计检测算法通过数量，检测结果见运行主界面。系统连续运行20分钟后通过统计密钥生成数量计算密钥生成速率。

5.2 5km/h测试环境

在人推小车走动（5km/h）测试环境下。Alice和Bob终端在室外环境中距离约100米。其中一端放在可移动的小推车上由人推动。在Alice和Bob端点击“运行”开始生成密钥。系统基于生成的密钥对运行主界面中的文字信息和图片信息进行ZUC加密传输。在XXX界面中分别显示了系统的运行时间，已生成密钥数，生成加密密钥时间，ZUC密钥协商时间以及ZUC加密和解密时间（在系统中将信息改成这个，比较直观）。系统连续生成40组密钥后将运行随机性检测模块并统计检测算法通过数量，检测结果见运行主界面。系统连续运行20分钟后通过统计密钥生成数量计算密钥生成速率。

5.3 30km/h测试环境下

在车载运动（速度低于30km/h）测试环境下。Alice和Bob终端在室外环境中距离约100米。其中一端放在汽车载具内并以不高于30km/h的速度移动。在Alice和Bob端点击“运行”开始生成密钥。系统基于生成的密钥对运行主界面中的文字信息和图片信息进行ZUC加密传输。在运行主界面中分别显示了系统的运行时间，已生成密钥数，生成加密密钥时间，ZUC密钥协商时间以及ZUC加密和解密时间（在系统中将信息改成这个，比较直观）。系统连续生成40组密钥后将运行随机性检测模块并统计检测算法通过数量，检测结果见运行主界面。系统连续运行20分钟后通过统计密钥生成数量计算密钥生成速率。

附加笔记

1 使用ssh远程登录github

  1. 打开终端

    ssh-keygen -t rsa -C "3207161176@qq.com"   #邮箱为你的github注册邮箱

  2. 在终端中连续按下回车表示默认

  3. 在~/目录下会出现一个.ssh文件，复制密钥

    cat ~/.ssh/id_rsa.pub

  4. 打开自己的github账户依次选择：settings -> SSH and GPG keys -> New SSH key

  5. 将第3步复制的密钥粘贴到github的Key中，随便输入一个Title，按下Add SSH Key按钮

  6. 回到终端，在本地添加SSH密钥

    eval `ssh-agent` 
ssh-add

  7. 测试git是否连通远程的github账户

    ssh -T git@github.com

    成功则会出现如下提示

    $ ssh -T git@github.com
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