新兴的 5G 无线系统旨在支持连接从自主机器人到自动驾驶汽车的所有设备的高带宽和低延迟网络。但这些庞大而复杂的通信网络也可能带来新的安全问题。

现在用于保护窃听者通信的加密方法可能难以扩展到 5G 及更高版本的此类高速和超低延迟系统。这是因为加密的本质要求发送方和接收方之间交换信息以加密和解密消息。这种交换使链接容易受到攻击；它还需要增加延迟的计算。延迟，即在网络上发送指令与数据到达之间的时间量，是自动驾驶和工业自动化等任务的关键衡量标准。对于支持延迟关键系统（如自动驾驶汽车、机器人和其他网络物理系统）的网络而言，最大限度地缩短行动时间至关重要。

为了弥补这一安全差距，普林斯顿大学的研究人员开发了一种方法，将安全性纳入信号的物理性质。在 11 月 22 日发表在Nature Electronics 上的一份报告中，研究人员描述了他们如何开发一种新的毫米波无线微芯片，该芯片允许安全的无线传输防止拦截，而不会降低 5G 网络的延迟、效率和速度。根据高级研究员 Kaushik Sengupta 的说法，该技术应该使窃听这种高频无线传输变得非常具有挑战性，即使有多个勾结的坏人也是如此。

“我们正处于无线的新时代——未来的网络将变得越来越复杂，同时服务于需要非常不同的功能的大量不同应用程序，”Sengupta 说。“想想家里或行业中的低功耗智能传感器、高带宽增强现实或虚拟现实，以及自动驾驶汽车。为了满足这一点并很好地服务于这一点，我们需要在各个层面全面考虑安全性。 ”

普林斯顿方法不依赖于加密，而是塑造传输本身以阻止潜在的窃听者。为了解释这一点，它有助于描绘从天线阵列中出现的无线传输。对于单个天线，无线电波以波的形式从天线辐射。当有多个天线作为阵列工作时，这些波会像池塘中的水波一样相互干扰。干涉增加了一些波峰和波谷的大小并平滑了其他波峰和波谷。

天线阵列能够使用这种干扰来引导沿定义路径的传输。但除了主要传输之外，还有次要路径。这些次要路径比主要传输弱，但在典型系统中，它们包含与主要路径完全相同的信号。通过窃听这些路径，潜在的窃听者可以破坏传输。

Sengupta 的团队意识到他们可以通过使窃听者所在位置的信号看起来几乎像噪音来挫败窃听者。他们通过随机分割消息并将消息的不同部分分配给阵列中的天线子集来做到这一点。研究人员能够协调传输，以便只有在预期方向上的接收器才能以正确的顺序组合信号。在其他任何地方，切碎的信号都以类似噪声的方式到达。

Sengupta 将这种技术比作在音乐厅中切割一段音乐。

“想象在音乐厅，在演奏贝多芬第九交响曲时，每种乐器都决定演奏随机选择的音符，而不是演奏乐曲的所有音符。他们在正确的时间演奏这些音符，并在它们之间保持沉默，这样原始乐曲中的每个音符都至少由某种乐器演奏。随着来自所有乐器的带有这些音符的声波穿过大厅，在某个位置，它们可以以正确的方式精确地到达。坐在那里的听众会享受原作，仿佛什么都没有改变。其他人都会听到随机到达的遗漏音符的杂音，几乎就像噪音一样。原则上，这就是传输安全背后的秘密武器——通过对这些高频电磁场进行精确的空间和时间调制来实现。”

如果窃听者试图通过干扰主传输来截取消息，则会导致传输出现问题并被预期用户检测到。尽管理论上有可能多个窃听者一起工作来收集类似噪声的信号并尝试将它们重新组合成相干传输，但 Sengupta 表示，这样做所需的接收器数量将“非常大”。

“我们第一次展示了可以通过应用人工智能串通窃听者将几个类似噪声的签名拼接到原始信号中，但这非常具有挑战性。我们还展示了发射器如何欺骗他们的技术。它是一只猫——鼠标游戏。”

莱斯大学教授 Edward Knightly 没有参与这项研究，他说 Sengupta 的工作是保护未来网络的“一个重要里程碑”。

“他第一次通过实验展示了如何利用从多个同步观察点收集的机器学习数据克服即使是一个复杂的对手，”他说。

该团队在通过标准硅代工工艺制造的硅芯片中创建了整个端到端系统。

Sengupta 表示，还可以将加密与新系统一起使用，以提高安全性。“你仍然可以在它之上进行加密，但你可以通过额外的安全层来减少加密的负担，”他说。“这是一种免费的方法。”

“可抵御分布式窃听攻击的安全时空调制毫米波无线链路”于 11 月 22 日在Nature Electronics上发表。

除了Sengupta，作者还包括博士后学者Suresh Venkatesh和普林斯顿大学研究生卢旭阳和普林斯顿大学访问研究员唐炳军。