CN114143789A - 可对物理层加密信号进行监听的波导系统及其应用方法 - Google Patents

可对物理层加密信号进行监听的波导系统及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可对物理层加密信号进行监听的波导系统及其应用方法，所述波导系统包括信号输入端口位于加密传输信号的波束范围内、输出端口与监听接收端直接或间接相连的监听波导，所述监听波导为材料波导。本发明可对使用了物理层加密技术的无线信号进行还原、特别是依赖物理层空间通信距离进行加密的太赫兹信号进行高效、成功监听。

Description

可对物理层加密信号进行监听的波导系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域。
背景技术
无线通信中，由于信号传输的开放性，信息的安全传输是一个重要的问题。传统的无线通信技术采用保密编码加密信息，这依赖于上层的加密机制和认证技术从而达到抗截获的安全通信，然而随着计算机计算能力的提升，传统安全通信方法面临着前所未有的挑战；在另一方面，随着无线接入量的增加，上层加密认证技术的秘钥分配与管理变得愈发困难。基于此背景，近几年来，物理层监听与防监听已成为新一代无线通信的热点话题。
现有物理层加密认证技术基于信息论基础，可对信道的随机性加以利用从而提高通信安全性，如利用物理层水印、物理层挑战响应、跨层认证、物理层秘钥交换、射频指纹和无线信道指纹等，还可对物理层空间维度加以利用，如通过依赖于通信距离的随机相位调制提升无线通信系统的安全通信能力。这种加密方式充分利用了底层信号特征属性，相较传统通信加密技术具备较高的协议架构兼容性、高灵活性和低时延的特征，可使传统的监听手段失去作用，在一定程度上成功的提升了无线通信系统的安全性，极大增加了监听难度。
太赫兹波一般指频率在0.1THz-10THz(对应波长为3000um-30um)的电磁波，相较传统无线通信频段，其频率更高，方向性更强，可携带更多通讯信息，在无线通信领域拥有巨大的潜力。材料波导是太赫兹波的一种传输介质，可大致分为三类，包括纯材料波导、复合材料波导以及拉伸超材料波导，其中纯材料波导大部分由单一的新型纤维材料如聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)等吸收损耗较低的聚合物以简单或复杂的物理结构构成，这种纤维材料波导具有柔性可弯曲、使用方便等优点。还有部分纯材料波导由金属线或金属管等单一材料构成；复合材料波导则以金属与低损耗材料组合而成，例如镀银聚苯乙烯中空玻璃波导；超材料波导研究成果相对少，如通过使用两种不同介电性质的材料，构建二维超材料结构预制棒，最后进行拉伸而成，其性能不够稳定，应用较为困难。
在太赫兹波段的无线通信中，使用波导进行监听的应用还处于未被开发的阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可对使用了物理层加密技术的无线信号、特别是依赖物理层空间通信距离进行加密的太赫兹信号进行高效、成功监听的监听系统和其应用方法，该监听系统还可在监听端非固定方位距离上实现原始信号的还原，以使原信号接收端难以探测到监听的存在。
本发明首先公开了如下的技术方案：
可对物理层加密信号进行监听的波导系统，其包括：信号输入端口位于加密传输信号的波束范围内、输出端口与EVE接收端直接或间接相连的监听波导，所述监听波导为材料波导。
其中，所述EVE是指非授权接收者，EVE接收端为监听接收端。
在具体实施中，所述监听波导的结构、形态、材料等可根据不同频率、不同的信号传输波束宽度进行调整，其几何形状如：输入端口的形状、弯曲程度、横截面大小等可根据实际应用需要，如是否添加光学透镜、监听隐蔽度与信号接收质量、传输信号的频率、监听波导所选材料、实际监听需求等进行调整。
其中，更具体的，监听波导所选材料可根据传输的加密信号频率，监听环境需求、如监听路径需要采用柔性波导还是非柔性波导等确定。监听波导的外形可根据监听波导所选材料、被监听加密信号的传输距离、监听波导输入端面与发射天线的位置、监听波导输出端面与监听接收器的位置等进行选择。
在具体实施中，所述波导系统的设置可包括：
设置所述监听波导的信号输入端口位于加密传输信号的波束范围内，输出端口与EVE接收端直接或间接相连。
根据传输加密信号频率和监听环境需求，选择所述监听波导的材料。
根据被监听加密信号的传输距离与所述监听波导输入端面与发射天线的位置和监听波导输出端面与监听接收器的位置，计算并设计所述监听波导的长度与波导外形，使监听加密信号的传输距离与原加密信号的通信距离相等，以此为基础制作监听材料波导。
进一步的，监听某一频率信号时，所述监听波导优选该频率下传输损耗最小的材料，同时根据信号发送与监听的位置、监听传输路径上是否存在需避让的障碍物，确定是否使用柔性材料。
根据本发明的优选实施例，监听波导可选用如对166GHz频率信号传输损耗极低且具有较为良好的柔性传输性能的PS材料。
进一步的，所述监听波导的外形可根据监听波导所用材料与传输频率，在保证传输的监听信号不会因几何外形造成过度的传输损耗下设计，如根据本发明的优选实施例，监听波导使用PS材料在传输166GHz频率时，最大弯曲程度不小于半径为10mm的圆弧。
在此基础上，还可根据环境中的障碍物与信号发送及监听的位置关系，设计可将监听信号引导传输至监听接收端的几何外形，如根据本发明的优选实施例，在监听位置与信号发送位置之间呈90°时，所述监听波导设计有可改变传输方向的1/4圆弧段，且可用于规避障碍物的两段对称弯曲的弧线段。
在此基础上，还可根据传输信号的波束宽度、材料本身特性、监听信号功率和监听隐蔽度等因素设计所述监听波导的横截面积大小。
根据本发明的一些优选实施方式，所述监听波导的总长度满足以下要求：
τ＝τe，且
Figure BDA0003376648490000031
其中，τ表示被监听信号的传输路径的传输时延，τe表示含有监听波导的监听传输路径的传输时延，L表示被监听信号的通讯距离，C表示电磁波在空气中的传播速度，Lm表示所述监听波导的总长度，Cm表示电磁波在所述监听波导的材料中的传播速度。
根据本发明的一些优选实施方式，所述监听波导的总长度满足以下要求：
τ＝τe，且
Figure BDA0003376648490000041
其中，τ表示被监听信号的传输路径的传输时延，τe表示含有监听波导的监听传输路径的传输时延，L表示被监听信号的通讯距离，C表示电磁波在空气中的传播速度，Lm表示所述监听波导的总长度，Cm表示电磁波在所述监听波导的材料中的传播速度，Li表示监听输入端即监听波导的前端面与所述被监听信号的发射天线之间的距离，Lo表示监听输出端即监听波导的输出端面与所述被监听信号的接收天线之间的距离。
根据本发明的一些具体实施例，所述监听波导包括横截面为正方形的多个波导段，具体包括第一直线段、第二直线段、第三直线段、第四直线段及位于所述第一直线段与所述第二直线段之间的第一弧线段、位于所述第二直线段与所述第三直线段之间的第二弧线段、位于所述第三直线段与所述第四直线段之间的第三弧线段，其中，通过所述第一弧线段可使所述第一直线段的横截面与所述第二直线段的横截面垂直，所述第三直线段及所述第四直线段与所述第二直线段平行，所述第二弧线段与所述第三弧线段关于所述第三直线段对称分布、且均由两段弯曲方向相反的弧线形成。
优选的，形成所述第二弧线段或第三弧线段的圆弧的半径为10～30mm。
根据本发明的一些优选实施方式，所述波导的制备材料选自聚苯乙烯、TPX(聚甲基戊烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)等具有一定柔性或不具有柔性的单一材料，或镀银聚苯乙烯空心玻璃波导等具有一定柔性或不具有柔性的复合材料、超材料中的一种或多种。
基于上述任一种监听波导，可进一步获得含有该监听波导的监听系统。
本发明进一步提供了上述监听波导和/或监听系统的一种应用方法，其包括：
设置所述监听波导的的输入端面置于加密信号的传输波束中；
调整所述监听波导长度，使监听信号的传输距离与原加密信号的通信距离相等；
通过所述监听波导的输出端面与接收端直接或间接连接，进行监听。
其中，所述直接连接可如将所述监听波导的输出端面直接接入接收端的方式，所述间接连接可如使用接收天线接入接入端等方式。
根据本发明的一些优选实施方式，所述加密信号为基于通信距离特征进行加密的无线信号。
本发明进一步提供了上述监听系统的应用方法，为将其应用于监听太赫兹加密信号上。
根据本发明的实例测试结果能够看出，在应用含有本发明所述的监听波导的监听系统时，原加密信号接收端接收到的信号功率在监听波导存在时衰减不超过3dBm，且误码率无明显提升，可使原接收端难以发现监听的存在，同时监听端的接收功率与误码率相较无波导存在时的原加密信号接收端差异较小，说明信号在监听波导的传输信道中不失真且相位没有发生过度变化，可以达到还原无线通信物理层空间信道距离特征的目的，可针对使用物理层空间位置加密的无线通信实施有效监听。
附图说明
图1为实施例1中的监听波导结构示意图。
图2为实施例1中的监听系统设置示意图。
图3为实施例1中的发射端结构示意图。
图4为实施例1中的接收端结构示意图。
图5为实施例1中166GHz频率下原加密信号传输示意图。
图6为实施例1中166GHz频率下监听信号传输示意图。
图7为实施例1中无监听波导时原加密信号接收端的误码率曲线。
图8为实施例1中有监听波导时原加密信号接收端的误码率曲线。
图9为实施例1中有监听波导时监听端的误码率曲线。
图10为实施例1中无监听波导时原加密信号接收端的接收信号功率曲线。
图11为实施例1中有监听波导时原加密信号接收端的接收信号功率曲线。
图12为实施例1中有监听波导时监听端接收信号功率曲线。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
根据本发明的技术方案，通过所述波导系统进行监听的具体实施方式可包括如：
根据原加密传输信号的通讯距离选择监听波导的长度，从而保证原始传输路径的传输时延
Figure BDA0003376648490000061
与监听传输路径的传输时延
Figure BDA0003376648490000062
相等，其中L为原信号通讯距离，C为电磁波在空气中的传播速度，Lm为监听波导长度，Cm为电磁波在材料波导中传播速度；其中，原加密传输信号优选为采用空间距离特征加密技术进行加密的信号。
在根据原通讯距离调整监听波导的长度的前提下，监听波导输入端口位置与输出端口的位置还可视实际情况而发生改变，则在计算波导长度时可进一步加入位置参数使监听端传输时延
Figure BDA0003376648490000063
与合法传输路径时延τ相等，保证监听成功，其中，Li为监听输入端与发射天线间距离，Lo为监听输出端与接收天线间距离。
根据实际的监听需求和所述加密传输信号的频率，选择制作传输性能最优的材料监听波导。
在所述加密传输信号的传输路径中加入所述监听波导，根据该加密传输信号的通信距离长度L，计算出其监听传输的时延
Figure BDA0003376648490000064
并根据监听波导的监听端口在原信号传输路径中的位置，调整监听波导长度，使信号在其中的传输时延
Figure BDA0003376648490000065
与原信号传输时延
Figure BDA0003376648490000066
相等；
在监听波导的输出端口使用计算机或超算进行信号处理，从而实施成功的通信监听。
实施例1
采用3D打印技术由纯聚苯乙烯(PS)材料制成监听波导，波导的结构如附图1所示，其横截面为0.8mm*0.8mm的正方形，包括长度为40.0mm的第一直线段、长度为20.0mm的第二直线段、长度为60.0mm的第三直线段、长度为25.0mm的第四直线段及其之间的第一～第三弧线段，其中第一直线段的横截面与信号传输路径垂直，作为整段波导的信号输入端口；第二直线段的横截面与第一直线段的横截面垂直，其之间的第一弧线段为半径为20mm的四分之一圆弧形，可使信号传输方向改变；第三直线段与第四直线段均与第二直线段平行，且位于第二直线段及第三直线段之间的第二弧线段与位于第三直线段和第四直线段之间的第三弧线段关于第三直线段对称分布；其中第二弧线段或第三弧线段由两段弯曲方向相反的弧线组成，每段弧线均为弧度25.9度、半径21.25mm的圆弧形，其可实现对现实中监听波导的小角度弯曲的模拟；信号最终经由第四直线段的截面传出，其作为监听波导的输出端口，可将信号发送至接收天线。
根据如上的监听波导可进一步构建如附图2所示的监听系统，其包括：将信号经发射天线进行发送的发送端，经接收天线接收发射信号的原始接收端，通过所述监听波导及接收天线在与原信号传播方向相垂直的方向上对发射信号进行监听到的监听端，所述监听波导放置于所述发送端与所述原始接收端的传输路径之间，其输入端面与发射天线的输出端面相重合，其后垂直于传输路径，以减小折射与反射对监听质量的影响，输出端面位于所述监听端的接收天线的输入端面，保证监听信号的传输距离与原始通信距离相同，其中，系统发射机端发射天线与原信号接收机端接收天线采取中心对齐手段。
系统的发射端发射频率选取为166GHz-183GHz，在合法接收端与非法监听端检测评估误码率，接收功率与星座图，以此判断传输信号的相位是否发生改变，接收信号是否失真。
其中，系统发射机端发射天线与合法接收机端接收天线采取中心对齐手段，以构建相对简单的点对点直线无线信号传输，减小测试误差。
发送端采用Xilinx Vertix-7 FPGA(XC7VX485T)在1.25GHz的中频(IF)频率下产生5Gbps数据速率的16QAM调制信号，FPGA产生的数字信号经DAC(MD662H)转换为模拟信号，再经由X16倍频器将信号上变频166GHz-183GHz的射频(RF)频率上，发射信号通过锥形太赫兹喇叭天线传播，如附图3所示。
在接收端，低噪声放大器(LNA)将锥形太赫兹喇叭天线捕捉到的D波段信号进行放大，并输出到二次谐波混频器进行下变频，得到中频频率为1.25GHz的信号，中频信号通过ADC(EV10AQ190)转换为数字信号并传输到Xilinx XC7VX690T FPGA中完成后续的同步和解调等信号处理过程，并最终得到二进制序列，将发送的二进制序列与其进行比较，通过计算误码率得出Eb/N0参数，如附图4所示。
监听波导的输入端，位于发送端与合法接收端之间的无线传输路径上，其输入端面与发射天线的输出端面相重合，垂直于传输路径，以减小折射与反射对监听质量的影响；输出端面位于非法接收端的接收天线的输入端面，保证监听信号的传输距离与合法的通信距离相同，使传输时延不发生变化。
附图5展示了在存在监听波导情况下，发射端向合法接收端发送信息的过程，附图6展示了发射端信号由监听波导向非法监听端传输监听信息的过程。
在以上无监听波导存在和有监听波导存在的两种情况下对合法接收端或非法监听端的接收信号误码率及功率进行测试，可得到如附图7-9所示的接收信号误码率曲线，附图10-12所示的接收信号功率曲线。
根据测试结果能够看出，系统存在监听波导的情况下合法接收端的信号功率相比无监听波导存在时衰减不超过3dBm，且误码率无明显提升，这使得合法接收端难以发现监听者的存在；非法监听接收端的接收功率与误码率相较无波导存在时的合法接收端差异较小，说明信号在监听波导的传输信道中不失真且相位没有发生过度变化。可以达到还原无线通信物理层空间信道距离特征的目的，可针对使用物理层空间位置加密的无线通信实施有效监听。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.可对物理层加密信号进行监听的波导系统，其特征在于，其包括：信号输入端口位于加密传输信号的波束范围内、输出端口与监听接收端直接或间接相连的监听波导，所述监听波导为材料波导。
2.根据权利要求1所述的波导系统，其特征在于，所述监听波导的总长度满足以下要求：
τ＝τe，且
Figure FDA0003376648480000011
其中，τ表示被监听信号的传输路径的传输时延，τe表示含有监听波导的监听传输路径的传输时延，L表示被监听信号的通讯距离，C表示电磁波在空气中的传播速度，Lm表示所述监听波导的总长度，Cm表示电磁波在所述监听波导的材料中的传播速度。
3.根据1所述的波导系统，其特征在于，所述监听波导的总长度满足以下要求：
τ＝τe，且
Figure FDA0003376648480000012
其中，τ表示被监听信号的传输路径的传输时延，τe表示含有监听波导的监听传输路径的传输时延，L表示被监听信号的通讯距离，C表示电磁波在空气中的传播速度，Lm表示所述监听波导的总长度，Cm表示电磁波在所述监听波导的材料中的传播速度，Li表示监听输入端即监听波导的输入端面与所述被监听信号的发射天线之间的距离，Lo表示监听输出端即监听波导的输出端面与所述被监听信号的接收天线之间的距离。
4.根据权利要求1所述的波导系统，其特征在于，所述监听波导选自单一材料波导、复合材料波导、超材料波导中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的波导系统，其特征在于，所述监听波导的材料选自聚苯乙烯、聚甲基戊烯、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、镀银聚苯乙烯空心玻璃波导中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的波导系统，其特征在于，所述监听波导包括横截面为正方形的多个波导段，具体包括第一直线段、第二直线段、第三直线段、第四直线段及位于所述第一直线段与所述第二直线段之间的第一弧线段、位于所述第二直线段与所述第三直线段之间的第二弧线段、位于所述第三直线段与所述第四直线段之间的第三弧线段，其中，通过所述第一弧线段可使所述第一直线段的横截面与所述第二直线段的横截面垂直，所述第三直线段及所述第四直线段与所述第二直线段平行，所述第二弧线段与所述第三弧线段关于所述第三直线段对称分布、且均由两段弯曲方向相反的弧线形成。
7.根据权利要求6所述的波导系统，其特征在于，形成所述第二弧线段或第三弧线段的圆弧的半径为10～30mm。
8.权利要求1-7中任一项所述的波导系统的一种应用方法，其包括：
设置所述监听波导的输入端面位于所述加密传输信号的传输波束中；
调整所述监听波导长度，使监听信号的传输距离与所述加密传输信号的通信距离相等；
设置所述监听波导的输出端面与所述监听接收端直接或间接连接，进行监听。
9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，所述加密信号为基于通信距离特征进行加密的无线信号。
10.权利要求1-7中任一项所述的波导系统和/或权利要求8和/或9所述的应用方法在监听太赫兹加密信号上的应用。
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