軟件無線電仿真及安全性研究

葉 童，林琪瑜，熊繼平（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）

軟件無線電仿真及安全性研究

葉 童，林琪瑜，熊繼平
（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）

根據無線電通信現狀提出無線電通信存在的安全性隱患，引入軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）的概念，介紹使用MATLAB仿真SDR平臺，利用SDR對汽車遙控鑰匙信號進行捕獲，并且使用SDR仿真平臺對波形進行處理，證明無線電安全存在漏洞。

無線電通信；軟件無線電；仿真；漏洞

0 引言

軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）的理念是由美國于1992年首先提出的，目的是為了建立一種新的無線通信體系結構。其基本概念是以硬件作為無線通信的平臺，把盡可能多的無線通信及個人通信功能用軟件來實現。

與很多其他技術發展軌跡相類似，SDR最初也只是在軍方無線電中應用。然而世易時移，現在大眾市場也開始向SDR敞開了大門。目前，SDR已經開始逐步實現商業化，在基站和終端兩大方面都已有應用。在無線通信技術中，新系統、新產品的開發正逐步趨于功能多樣化、兼容化和智能化，軟件無線電技術作為其中的代表勢必將在無線通信領域中體現更大的價值。

但是在SDR高速發展的進程中，一些問題也隨之而來。本文將簡略介紹如何使用簡單的軟件無線電軟件，通過MATLAB仿真SDR平臺，并從無線電安全的角度進行討論。

1 無線電安全問題

1.1 無線電通信現狀

無線電技術的原理在于，導體中電流強弱的變化會產生無線電電波。利用這一現象，通過調制可將信息加載于無線電波之上。當電波通過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流。通過解調將信息從電流變化中提取出來，就達到了信息傳遞的目的。

就目前而言，無線電通信技術已經進入了一個轉型期，無線電通信領域出現了很多的技術革新，使得其通信方式有了進一步的發展。數字通信技術的應用，使無線通信中的信號更加穩定，減少了一些外界的干擾，進一步增加了無線通信的傳輸量，新的編碼方式與加密算法加強了信息的保密性。一些無線電通信的核心技術的出現，如 Wi-Fi技術、3G技術、4G技術等，使得無線電通信的速度更快，范圍更廣，并且朝著更多更大的領域發展［1］。

1.2 無線電使用存在的隱患（以遙控技術方面為例）

現在的無線電技術在遙控設備方面的使用非常廣泛，例如車庫門遙控器、汽車防盜器和遙控玩具等都經常使用無線電遙控。無線射頻遙控器的最大優點是其范圍：它們可以傳輸距接收器長達30m的距離，無線信號可以穿越墻壁。射頻遙控器的問題是眾多的無線信號一直都在空中傳播，手機、對講機、無線上網裝置及無繩電話均是以不同頻率傳輸無線信號。射頻遙控器通過發射特定的無線電頻率以及將數據地址代碼嵌入無線電信號來解決干擾這個問題，這樣受控設備上的無線接收器就知道什么時候響應該信號以及什么時候需要忽略。但是這就導致了無線電使用的安全性問題，因為無線電一直在空中傳播，可以很容易地從空中捕獲到無線電信號，這就導致了無線電信息的泄露。很多設備通過協議的加密等措施可以有效地避免信息丟失，但是一些設備如果僅僅是憑著協議加密是遠遠不夠的，一些安全性的漏洞會對設備的使用造成干擾，甚至是破壞設備。

現如今，由使用無線電引起的問題比比皆是。越來越多的汽車制造商都為旗下車型配備了無線鑰匙系統，遙控車鎖，這樣車主就可以通過手中的遙控鑰匙來開關車門。該功能在為車主帶來便利的同時，卻存在很大的安全隱患。網絡上流傳著一種叫做“汽車信號收發器”的產品，這種產品為一種信號發射裝置，能夠模仿車主遙控鑰匙的信號。通過使用此種設備，竊賊可以輕松控制汽車遙控系統，進而盜取車內財物。有的竊賊還會復制被盜汽車的遙控信號從而盜取其他車輛內的財物，甚至直接將車輛盜走。

2 SDR基本結構與使用

2.1 軟件無線電基本結構

軟件無線電代表著新的無線電技術時代的來臨，新的通信手段，如模擬通信、數字通信、移動通信等，為人們提供了很大的便利。但是這并不是發展的終點，在新的通信方式的互動基礎上，將軟件與無線電技術相結合就誕生了新的軟件無線電技術。

軟件無線電的結構是一個開放性、標準化和模塊化的通用硬件平臺，由三大基本組成部分構成，分成射頻前端、高速智能轉換器、數字化處理信號單元。其中的關鍵模塊就是擁有A/D和D/A轉換功能的高速智能轉換器。在這樣的一個硬件平臺中，可以通過軟件來進行調制解調、更改數據結構、加密設置、觀察通信協議等。由于軟件無線電的各種功能是用軟件來實現的，因此如果想要在平臺上增加新的業務或是功能，只要增加新的軟件模塊，進行軟件升級即可。這與舊體制的通信設備相比，延長了設備的使用周期，是一個重大的突破［2］。

圖1是一種軟件無線電平臺的結構，主要分為中頻部分和基帶部分。

2.2如何使用SDR軟件

首先是設備，推薦的是圖2所示的入門級的RTL2832u+r820t天線，接收頻段足夠的大，缺點是不太靈敏。

圖2 RTL2832u+r820t

第二步，由于需要連接天線設備，因此必須安裝驅動程序。在這里推薦使用的是ExtIO_USRP插件，如圖 3所示。

圖3 安裝驅動

第三步下載軟件sdrsharp軟件。

第四步設置sdr的參數。直接打開sdrsharp軟件，設置增益到最大，因為天線不太靈敏，所以需要設置增益。選擇WFM，然后點擊play。

用 sdrsharp接收 FM廣播信號如圖4所示。其中波峰表示在頻段上能夠接收到信號。上面的圖表示頻譜圖，下面是瀑布圖。瀑布圖就是 x軸頻率、y軸時間、z軸信號電平的三維圖像。通常x-y坐標顯示在屏幕上，z坐標用顏色表示。

圖4 用sdrsharp接收FM廣播信號

此外，SDR還可以進行數字噪音消減與快速傅里葉變換和音頻傅里葉變換，Zoom FFT如圖 5所示，Audio FFT如圖6所示。

3 SDR仿真平臺無線電安全研究

3.1 MATLAB仿真SDR平臺

用MATLAB也可以搭建一個仿真的SDR平臺，并且MATLAB可以很好地繼承SDR的開放性。

圖5 Zoom FFT

圖6 Audio FFT

要想將硬件平臺搬到軟件平臺上，首先需將研究的對象（信號或波形）導入到軟件中去。

圖7所示語句的作用是導入一段音頻文件（*.wav），并且恢復它的頻譜，得到圖8所示的結果。

圖7 時頻分析MATLAB語句

圖8 時頻分析結果

圖9 濾波器頻率響應

眾所周知，通信專業的實驗設備都是價格昂貴且容易受到損耗，再加上技術的革新，為了跟上時代的步伐，要求設備的更新也需要非常地頻繁，使得很多學校出現了設備緊缺和設備過舊的問題，對學生的學習造成了很大的影響。但是軟件無線電技術的發展，將扭轉這種尷尬的情況。SDR可以避免設備緊缺，并且在原有基礎上比較方便增加新的業務，在技術足夠支持的基礎上，使得搭建軟件無線電教學平臺更可行［3］。

3.2 無線電安全研究

3.2.1 汽車干擾器原理

將科技利用于生產可以推動發展，但是當一些不法分子掌握了科技將會對社會造成破壞，SDR的發展也會導致這一問題［4］。

在我國的法律規定中，汽車遙控系統的頻率固定在314～315 MHz和 433～434 MHz之間，除了這兩個頻段外不可以使用其他頻段。進行規范的同時，也為“汽車干擾器”提供了便利。以大眾某款車為例，此款車的遙控器工作頻率為300.00MHz～330.00MHz，同時在315MHz時達到工作信號最大值 91.62 dBμV。而汽車干擾器的工作頻段覆蓋了從300.00 MH～到500.00 MHz整個區間，而且干擾器的工作功率最大可以達到112.51 dBμV。這說明干擾器的工作頻段覆蓋了任何一種車型。只要頻率接近，就會產生同頻干擾，而當干擾器的功率大于汽車遙控器的功率時，干擾器的信號就會覆蓋遙控器信號使得遙控器失效導致車門無法關上［5］。

圖10即為一種簡易汽車干擾器。

圖10 汽車干擾器

得到頻譜之后還可以進行一系列的變換，如調幅、調頻等。

還可以設計濾波器對信號進行濾波，圖9是一個F.I.R低通濾波器的設計。

fb=1000Hz，fc=1200Hz，As=100dB，Ap=1dB

此外還能進行采樣、解調、降低噪聲等。

其實這種汽車干擾器就是一種簡單的可收發的軟件無線電平臺，更簡單一點就是一個大功率的信號發射器。以某干擾器為例，其頻率范圍在400MHz，功率輸出在1W～5W，采用的調制方式是二進制的頻移鍵控（2 FSK），頻率偏移在±4kHz～5kHz。這種干擾器由于發射時間短，很難被查找，而且由于是 2FSK信號，它的抗干擾能力比較強，很難被壓制。可以想象，將來隨著SDR技術的發展，更多更復雜的干擾器會被不法分子利用，這將是無線電管理的一大挑戰。

3.2.2 汽車鑰匙信號接收

用簡易的天線也能夠接收汽車遙控器的信號。在汽車遙控器的頻段附近尋找遙控器信號，在SDR軟件中可以找到在按下遙控器時頻譜發生了波動，這個波動就是遙控器信號，如圖11所示。

圖11 遙控器的鎖定按鈕時信號

當按下鎖定按鈕時，遙控器發送的信號為415.098612 MHz，當按下解鎖按鈕時，遙控器發送的信號為415.095805 MHz，如圖12所示。

圖12 遙控器的解鎖按鈕時信號

可以使用上面提到的MATLAB仿真進行信號的導入，得到圖13與圖14所示的結果。

圖13 按下鎖定按鈕時信號仿真

在獲得遙控器發送的信息數據之后，只需要再創造一個用以發送數據的設備，這只需要掌握一定的單片機知識，設計一個遙控器，就可以利用獲得的信息數據發送一個虛假命令，控制汽車。

圖14 按下解鎖按鈕時信號仿真

不需要進行協議的分析，只需要掌握一定的硬件知識就可以控制汽車車門的開關，由此證明了物聯網無線電技術中，若僅僅是對協議進行加密是存在安全性漏洞的。

4 結論

SDR仿真平臺的搭建說明了軟件無線電的發展有很強的軟、硬件適應性，而軟件無線電正因為有著強大的適應性、實效性、可操作性而得以發展。

雖然SDR技術的發展也帶來了一些負面的影響，但是需要相信，沒有錯的技術，只有錯誤的人。隨著軟件無線電的發展，無線通信擁有越來越來廣闊的發展空間和發展前景。但在面對新的發展機遇時，不能忽視發展背后的隱患，應該加快無線安全領域的研究，建立保障無線電安全的長效機制。只有這樣，才能讓無線電通信技術更好地服務全球通信事業的發展，為通信提供一個安全、可靠的信息傳輸環境。

［1］惲峰.談無線電通信技術發展與創新［J］.通訊世界，2015（1）：17.

［2］張學成.淺析軟件無線電技術在現代通信系統中的應用［J］.無線互聯科技，2014（1）：74.

［3］楊宇紅，袁焱，田礫，等.基于軟件無線電平臺的通信實驗教學［J］.實驗室研究與探索，2015，34（4）：186-188.

［4］Tore Ulvers?y Software defined radio：Challenges and opportunities［J］.IEEE Communications Surveys＆amp；Tutorials，2010，12（4）.

［5］游柳鋒.對汽車遙控器干擾的探析［J］.中國無線電，2013（1）：72-74.

Research of softw are defined radio simulation and security

Ye Tong，Lin Qiyu，Xiong Jiping
（College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）

According to the present situation about the hidden security danger in radio communication，this paper introduces the concept of Software Defined Radio（SDR）and how to simulate a SDR platform by using MATLAB.Using SDR to capture a signal sent by car remote and processing the signal waveform on the SDR simulation platform.Then the outcome proves the loophole exist in radio communication and this loophole will damage the security of radio communication.

radio communication；software defined radio；simulation；loophole

TN929.5

A

1674-7720（2015）22-0005-04

葉童，林琪瑜，熊繼平.軟件無線電仿真及安全性研究［J］.微型機與應用，2015，34（22）：5-8.

2015-07-27）

葉童（1994-），男，本科生，主要研究方向：信息處理。

林琪瑜（1993-）女，本科生，主要研究方向：信息處理。

熊繼平（1982-），男，博士，副教授，主要研究方向：網絡信息處理、傳感器網絡數據安全融合及協議算法方面研究。