时空调制毫米波阵列的物理层安全与抵御分布式窃听攻击

19用于物理层安全和抵御分布式窃听攻击的时空调制毫米波阵列Suresh Venkateshsuresh.princeton.edu普林斯顿大学美国新泽西州普林斯顿摘要陆旭阳xuyang.lu @sjtu.edu.cn上海交通大学-上海交通大学联合学院中国上海KaushikSenguptakaushiks@princeton.edu普林斯顿大学美国新泽西州普林斯顿确保下一代毫米波和太赫兹网络的安全性，同时确保多Gbps数据速率和超低延迟（亚毫秒）变得越来越具有挑战性。 物理层安全性利用无线传播的物理特性将安全特征结合到信号中，作为确保安全性的整体方法的一个组成部分，它正变得越来越受欢迎。在这方面，现有的工作已经暴露了涉及定向窄波束的成熟的安全性原则中的严重漏洞在这篇文章中，我们强调使用毫米波接口设计的安全功能，并提出了一种通用的方法，以物理层安全。在我们的方法中的安全性是通过执行基本的信息丢失，通过选择性频谱混叠对窃听者的方向，同时保持强大的，高保真的无线链路对预期的接收器。在一个定制设计的集成发射机阵列中，频谱混叠是通过动态可重构的符号到天线映射原理来实现的我们第一次用毫米波定向链路（71-76 GHz未授权频谱）实验证明了这一原理 我们还experi- mentally显示弹性的分布式和同步窃听攻击的第一次在毫米波波段的这种链接。CCS概念• 硬件→集成电路;无线设备;·安全和隐私→硬件安全实施。关键词毫米波，阵列，物理层安全，窃听器，分布式攻击，时空调制，机器学习。ACM参考格式：Suresh Venkatesh，Xuyang Lu，and Kaushik Sengupta.2022年。 时空调制毫米波阵列用于物理层安全性和抵御分布式窃听攻击的弹性。 第五届ACM毫米波和太赫兹网络和传感系统研讨会（mmNets '21），2022年1月31日至2月4日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，美国纽约州纽约市，6页。https://doi.org/10.1145/3477081.3481673允许制作部分或全部本作品的数字或硬拷贝供个人或课堂使用，无需付费，前提是复制品不以营利或商业利益为目的制作或分发，并且复制品在第一页上带有此通知和完整的引用。必须尊重本作品第三方组件的版权对于所有其他用途，请联系所有者/作者。mmNets©2022版权归所有者/作者所有。ACM ISBN978-1-4503-8699-9/22/01。https://doi.org/10.1145/3477081.3481673图1：Wyner窃听模型a.传统的信道容量（SNR）差异，以实现安全性。B. 一种通过时空调制实现物理层安全性的方法，该时空调制朝向窃听者方向强制实施有意的频谱混叠，同时通过时变侧信道的仿真保持朝向预期接收器的高保真信道[20]。1介绍网络物理安全正在成为无线网络和连接持续转型的核心挑战之一。当毫米波频率中的新频谱范围对我们可用时，这尤其加剧，从而创建比我们曾经访问过的频谱跨度大几个数量级的频谱跨度[5，9 在这种新的无线模式中，确保超高速数据速率（多Gbps）和超低延迟（亚毫秒）的安全性变得越来越具有挑战性。包括物理层安全技术在内的更全面的安全方法可以克服其中一些挑战，并且在我们为5G及以后的网络安全做准备时正在积极探索[1- 4，8，18，24 ]。该过程依赖于利用信号传播的物理特性来整合安全功能，而无需显式的密钥交换。但是现有mmNetsSuresh Venkatesh等人201122图2：时空调制阵列的概念。a.传统的相控阵，频谱和星座图保持在空间中。B.以时间调制方式进行符号到天线映射的时空调制阵列操作。四元相控阵与四元空时调制阵误码率随仰角变化的比较D.测量频谱混叠和安全锥的变化，作为调制频率的函数，fmod为200 MHz QPSK信号的数据带宽，f c=76 GHz。 针对f mod<信号带宽建立安全锥[6，20]。e. 定制设计的71-76 GHz 4元件CMOS时空调制阵列（STMA）芯片和封装天线[6]，展示了EM协同设计方法。每个芯片都集成了一个2元件STMA。工作已经证明，尽管由于定向波束而增强了安全性，但无线毫米波/太赫兹链路仍然容易受到窃听[7]。需要新的物理层技术来解决这个独特频谱的安全需求[12，13，16]。在这里，我们结合了毫米波接口设计本身的安全功能，并展示了一种广义的物理层安全方法，其中通过故意和选择性频谱混叠对窃听者的方向强制执行基本信息丢失来赋予保密性。在本文中，我们通过模拟在不久的将来对通信系统和技术具有巨大的影响2物理层安全：时空调制阵列物理层安全方法依赖于与发射机和窃听者（Eve）之间的信道增益相比，发射机（Alice）和预期接收机（Bob）之间具有不同的增益信道。1（a））。假设爱丽丝的信道增益Bob为hB，Alice-Eve为hE，Alice处的噪声方差为σ2指向窃听者方向的快时变信道σ2B即使信道可以是物理静态的。我们在[6，20]中介绍了这些发现，在这里我们强调了共同的重要性。E，保密容量由渠道容量[8]为未来的无线通信设计了基于物理层安全的集成可重构时空调制阵列。我们将展示如何实现这样的物理层安全性Cs=2log.1个以上P|hB |2B–.1个以上P|hE |2E（一）使用独特的可动态重新配置的符号到天线映射方法，我们首次在毫米波领域使用定制设计的硅芯片组在71-76 GHz非授权频谱中运行，演示了这种物理层安全技术（图1）。第2e段）。 我们展示了如何使用本方法建立狭窄且可动态重新配置的安全无线区域，并且还展示了混淆分布式和同步窃听者攻击的技术[6]。 我们首次在这些频率范围内通过分析和实验证明了此类链路对分布式和合谋窃听者攻击（包括基于信道反转和基于机器学习的神经网络模型的攻击）的弹性[20]。预计通过5G（以及未来的6G及更高版本）的无线转型将由相控阵列建立的定向波束通过减少到其他角度的信号泄漏而自然地包含这种安全性[23]。然而，在传统的相控阵列中，相同的符号序列被馈送到阵列中的所有天线中，以及适当的定相，以将波束指向预期的接收器。这导致信号星座图和频谱在所有其他角度上都得到保留，尽管SNR较低（图1）。①的人。 这使得信道容易受到潜在的窃听者攻击，敏感的接收器位于任何旁瓣。这种基于SNR差分的安全方法在图1中示出。 1（a）和相应的相控阵列示于图。2（a）.另一方面，时空阵列方法试图通过有意地沿信道路径向窃听者引入频谱混叠来赋予物理层安全性，同时仍然ΣσΣσ用于物理层安全的时空调制毫米波阵列mmNets21×图3：QPSK星座（IF数据带宽= 200 MHz）和所有空间仰角（载波频率为76 GHz）的接收频谱测量。a. 传统的二元相控阵天线的测量结果表明，信号频谱和星座图在空间上保持不变B. 对具有周期性开关频率fmod= 0.5 IF带宽的时空调制阵列的测量，证明了在其他角度处频谱混叠时在宽边处的信号频谱和星座的保留。（c）。 测量不同fmod、开关频率和给定信号带宽200 MHz的安全锥[20]。保持到预期接收机的高保真度链路一个概念模型如图所示。图1（b），其中通过时变边信道的仿真远离预期方向来实施频谱混叠和星座在一个时空调制阵列（STMA）（图。2）中，以时间调制的方式将符号（或它们的一部分）映射到天线（或它们的子集）中。该图显示了一个简单的例子，其中一系列的符号被切断，在这样一个时尚，离子，每个符号被映射到一个单独的天线。因此，在相等相位设置（θi =0 θ i）下，所有符号仅在宽边及时对齐以重建原始信号，同时在任何其他方向上产生严重的符号未对齐。从频谱角度可以看出，符号到天线的映射（时间调制）在每个天线处产生频谱混叠在感兴趣的方向（在这个例子中是宽边），混叠的分量抵消以创建到Bob的高保真度链路，同时在所有其他方向保持频谱混叠，从而呈现期望的物理层安全性（图11）。2（b））。图2显示了4单元相控阵和STMA的误比特率（BER）随空间角度变化的比较。2（c）. 可以理解，当调制频率（f mod

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