[论文解读] Group Handover for Drone-Mounted Base Stations

Yücel Aydın, Güneş Karabulut Kurt+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于无人机载基站（UxNBs）的组切换协议，可实现从地面基站到UxNBs的快速、安全的用户设备（UEs）集体切换。通过消除对每个UE的凭证共享，并利用地面基站与UxNB之间的相互认证，该方案减少了信令开销并加快了切换完成速度，从而在体育场等高密度场景中提升了容量和QoS。

ABSTRACT

The widespread use of new technologies such as the Internet of things (IoT) and machine type communication(MTC) forces an increase on the number of user equipments(UEs) and MTC devices that are connecting to mobile networks. Inherently, as the number of UEs inside a base station's (BS) coverage area surges, the quality of service (QoS) tends to decline. The use of drone-mounted BS (UxNB) is a solution in places where UEs are densely populated, such as stadiums. UxNB emerges as a promising technology that can be used for capacity injection purposes in the future due to its fast deployment. However, this emerging technology introduces a new security issue. Mutual authentication, creating a communication channel between terrestrial BS and UxNB, and fast handover operations may cause security issues in the use of UxNB for capacity injection. This new protocol also suggests performing UE handover from terrestrial to UxNB as a group. To the best of the authors' knowledge, there is no authentication solution between BSs according to LTE and 5G standards. The proposed scheme provides a solution for the authentication of UxNB by the terrestrial BS. Additionally, a credential sharing phase for each UE in handover is not required in the proposed method. The absence of a credential sharing step saves resources by reducing the number of communications between BSs. Moreover, many UE handover operations are completed in concise time within the proposed group handover method.

研究动机与目标

• 解决在LTE和5G网络中，地面基站与无人机载基站（UxNBs）之间缺乏标准化相互认证机制的问题。
• 减少在高密度用户设备（UE）环境（如体育场）中的信令开销和切换时延。
• 实现在不为每个UE单独共享凭证的前提下，从地面基站到UxNB高效、集体地切换多个UE。
• 通过快速、安全的UxNB部署，提升高流量场景下的网络容量和服务质量（QoS）。

提出的方法

• 提出一种地面基站与UxNB之间相互认证的协议，以建立安全的通信通道。
• 引入一种组切换机制，使多个UE能够从地面基站同时切换到UxNB。
• 通过利用预先建立的凭证和基于组的认证，消除切换过程中对每个UE凭证共享的需求。
• 使用集中式凭证管理阶段，以最小化基站之间的信令通信并减少资源消耗。
• 采用轻量级密钥交换机制，确保切换操作快速且安全。
• 设计协议以兼容现有LTE和5G标准，重点关注互操作性和可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏标准化协议的情况下，如何在地面基站与无人机载基站（UxNB）之间安全地建立相互认证？
• RQ2 在高密度环境中，如何最高效地执行多个UE的切换，同时避免每个UE的信令开销？
• RQ3 与单个UE切换流程相比，基于组的切换机制是否能够降低切换时延和信令负载？
• RQ4 在UxNB卸载过程中，如何最小化或消除凭证共享，同时保持安全性？

主要发现

• 所提出的方案在切换过程中消除了对每个UE凭证共享的需求，显著减少了基站之间的信令开销。
• 组切换机制实现了多个UE的快速、并发卸载，缩短了整体切换完成时间。
• 通过使用轻量级且与标准兼容的协议，实现了地面基站与UxNB之间的相互认证，增强了安全性且未增加复杂度。
• 通过最小化基站间通信，减少了资源消耗，提高了在密集部署场景下的可扩展性。
• 该方案支持在高流量区域（如体育场）快速部署UxNB以提升容量，在负载下仍能维持QoS。
• 该方法与现有LTE和5G标准兼容，可实现未来移动网络中的实际集成。