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由于具有高数据传输率、低访问延迟、灵活的宽带操作、容量和覆盖范围增大等优点,LTE已经成为第四代宽带无线移动网络的指定技术。LTE无线接入网结构的巨大变化满足了对高速率通信的要求,但也带来了新的安全隐患。如何防止终端与基站之间的通信内容不被窃听和篡改、通信过程不被控制和诱导,都需要重点研究。本文在分析LTE系统现行的无线接入网安全机制和成熟的2G/3G虚拟基站工作原理与入侵策略的基础上,研究了实际运营的LTE系统中存在的安全漏洞,并在公网环境下进行实验验证,最后给出了有效的安全防范建议。论文的主要工作如下:(1)在总结2G GSM和3G WCDMA安全防范机制的基础上,分析了LTE EPS-AKA机制与安全风险,提出了基于Uu接口的虚拟基站入网探测途径。该方法具有环境依赖性低、工程实用性强的特点。(2)分析了LTE手机终端的小区搜索、随机接入和寻呼控制三个关键信令过程,寻求LTE的TAU过程存在的漏洞。以此为基础,从手机终端身份探测、手机终端测向与定位、重点手机通信阻断与选通以及特定手机终端重定向四个方面研究了入侵策略和实现方法,并深入剖析了各种入侵策略的危害性。(3)建立了LTE入网探测系统的总体设计方案,并对基带信号的发射与接收设计进行了详细论述。阐述了V-BTS硬件系统实现原理,重点分析了基于FPGA+DSP+AD9361的核心信号处理平台设计方案。最后,从软件模块组成、系统工作流程、软件模块界面设计三个方面介绍了LTE V-BTS管控软件设计方案与实现。(4)分析了现有LTE TDD/FDD双模虚拟基站系统的基本工作流程以及虚拟基站的配置方法。在此基础上,以4G公共移动通信网为实验环境,伪装V-BTS入公网,从探测手机终端IMSI身份、对手机终端进行功率测量和定位、对重点手机终端进行通信阻断或选通测试、对手机终端的服务网络进行重定向四个方面进行实验验证。结果表明,四种探测入侵手段均能够达到预期设计目的,LTE无线接入网面临的安全威胁是明确存在的。最后,从完善LTE基站协同检测、优化LTE的TAU设计、全面推行Vo LTE以及规范使用V-BTS设备四个方面对LTE无线接入网提出安全防范建议。