可見光信息隱蔽傳輸與檢測技術(shù)

段靖遠(yuǎn) 蓋軼冰

1(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083)2 (北京市微技術(shù)研究所 北京 100006)

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可見光信息隱蔽傳輸與檢測技術(shù)

段靖遠(yuǎn)1蓋軼冰2

1(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083)2(北京市微技術(shù)研究所 北京 100006)

(jyduan@semi.ac.cn)

語音監(jiān)聽技術(shù)涉及到國家保密信息安全，以可見光通信監(jiān)聽技術(shù)為代表的可見光信息隱蔽傳輸具有隱蔽性強(qiáng)、不易檢測防護(hù)、前置LED燈分布廣等特點(diǎn)，將會對信息安全產(chǎn)生巨大威脅.首先闡述了可見光通信監(jiān)聽技術(shù)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、監(jiān)聽技術(shù)原理和涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，通過分析可見光通信監(jiān)聽技術(shù)的特點(diǎn)，說明該技術(shù)將嚴(yán)重威脅國家信息安全，提出有關(guān)部門應(yīng)增強(qiáng)防范意識、使用可見光監(jiān)聽檢測設(shè)備等手段進(jìn)行有效應(yīng)對.

語音監(jiān)聽；可見光信息隱蔽傳輸；可見光通信；可見光通信監(jiān)聽；可見光通信監(jiān)聽檢測

近期，國內(nèi)外出現(xiàn)一種新型的可見光信息隱蔽傳輸技術(shù)，即可見光通信技術(shù)(visible light comm-unication, VLC)，可以用來隱蔽傳輸語音、視頻和數(shù)據(jù)等信息.該技術(shù)具有傳輸隱蔽、前置分布廣泛、不易檢測防護(hù)等特點(diǎn)，需要引起有關(guān)部門的重視.

可見光通信是指利用LED照明燈的調(diào)制特性，以可見光形式傳輸數(shù)據(jù)的新型通信技術(shù)[1]，在信息隱蔽傳輸領(lǐng)域，目前較為成熟的技術(shù)是可見光通信監(jiān)聽技術(shù).可見光通信監(jiān)聽技術(shù)是指將拾音器內(nèi)置于室內(nèi)的LED燈中，捕獲的語音信息進(jìn)行一定編碼和調(diào)制后通過LED燈以可見光形式廣播，室內(nèi)或室外接收裝置在一定距離外接收可見光信號并進(jìn)行解調(diào)和解碼，還原出語音信息.

目前，通過理論和實(shí)驗(yàn)研究，遠(yuǎn)距離的可見光監(jiān)聽已經(jīng)成為可能.未來的可見光通信監(jiān)聽技術(shù)會是一種監(jiān)聽距離遠(yuǎn)、監(jiān)聽設(shè)備便攜、監(jiān)聽信息質(zhì)量高、方便實(shí)用的監(jiān)聽手段.隨著LED燈的普及，可見光通信因其隱蔽性必將成為相關(guān)部門需要重點(diǎn)防護(hù)的監(jiān)聽技術(shù).

在國外，可見光通信研究最早可以追溯到 1880年Bell發(fā)明的“光電話”[2]，這是世界上第1臺可見光無線傳輸系統(tǒng)，創(chuàng)造了近代可見光無線通信的雛形.這臺光電話以太陽光為光源、硒晶體作為光接收探測器件，通過200 m的大氣空間成功地傳送了語音信號.20世紀(jì)90年代，半導(dǎo)體的研究得到了飛速發(fā)展，高亮度的可見光LED研制成功并且進(jìn)入商業(yè)市場[3-4]，其高速調(diào)制能力和高亮度特性給可見光通信技術(shù)帶來了突破的曙光.此后，在通信系統(tǒng)研究和使用標(biāo)準(zhǔn)制定上，可見光通信技術(shù)取得了一系列研究成果.

2000—2001年期間，日本研究人員Tanaka的研究團(tuán)隊(duì)對可見光通信技術(shù)進(jìn)行了一系列驗(yàn)證性研究工作.他們在可見光LED室內(nèi)照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種調(diào)制編碼仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果得出不同通信速率條件下最合適的編碼方式.

2003 年，日本的多家知名企業(yè)聯(lián)合成立了可視光通信聯(lián)盟(VLCC)，目的是發(fā)展、計(jì)劃、研究和制定一套日本自己的可見光通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn).其主要任務(wù)是開發(fā)、測試、調(diào)查、規(guī)劃和規(guī)范基于LED的高速可見光通信系統(tǒng)[5].

2010年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)2 Mbps接入速率的可見光通信系統(tǒng)，并在上海世博會航空館和“滬上·生態(tài)家”館展示[6].

2015年，解放軍信息工程大學(xué)研制出通信速率最高達(dá)50 Gbps的實(shí)驗(yàn)室可見光通信樣機(jī)，引起國內(nèi)廣泛關(guān)注[7].

隨著可見光通信技術(shù)和LED技術(shù)的日趨成熟，共同推動了可見光通信監(jiān)聽技術(shù)的發(fā)展，法國的Cofrexport公司已開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品[8]，如圖1、圖2所示：

圖1 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)發(fā)射機(jī)

圖2 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)接收機(jī)

國內(nèi)的中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所也于2014年開發(fā)出同類產(chǎn)品，即可見光通信監(jiān)聽系統(tǒng).該系統(tǒng)包括監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)和監(jiān)聽光接收機(jī)，如圖3所示.

室外實(shí)驗(yàn)光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)距離150 m，18 W LED燈，光發(fā)射機(jī)處理電路已集成在LED燈中，光接收機(jī)處理電路和望遠(yuǎn)鏡目鏡連接，在背景光照度為大約8萬lx時(shí)，可以完美還原室內(nèi)語音信號.

可見光通信監(jiān)聽系統(tǒng)是一種所看即所聽的監(jiān)聽裝置，該技術(shù)成熟后，將來可以做到只要能看到房間內(nèi)的燈光就能聽到被監(jiān)聽人員的聲音.這種監(jiān)聽裝置目前還無法被探測和防護(hù)，隱蔽性強(qiáng)，能夠在幾百米外作業(yè)，語音還原質(zhì)量好.隨著室內(nèi)LED燈的普及，將會使“監(jiān)聽”覆蓋人們生活的每一個(gè)角落，且大量中高端LED芯片均由國外公司生產(chǎn)無法控制，造成巨大的信息安全問題，需要有關(guān)單位和部門的高度重視.圖4是可見光監(jiān)聽系統(tǒng)可能的一種使用場景.

圖3 可見光通信監(jiān)聽系統(tǒng)

圖4 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)使用場景

1 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)原理及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 監(jiān)聽技術(shù)原理

可見光通信監(jiān)聽系統(tǒng)包括監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)和監(jiān)聽光接收機(jī)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示：

圖5 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)原理圖

在監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)部分，被監(jiān)聽場所的語音信息通過預(yù)置在LED燈內(nèi)的拾音器采集，經(jīng)過調(diào)制編碼后加載到LED光源上，LED光源通過高頻率的閃爍，將采集到的語音信號廣播出去.

在監(jiān)聽光接收機(jī)部分，百米以外，將光學(xué)增益器(或者稱為光學(xué)天線)對準(zhǔn)監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)，通過內(nèi)部電路能夠?qū)崿F(xiàn)光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過解調(diào)解碼器的處理，利用降噪耳機(jī)能夠聽到清晰可辨的監(jiān)聽語音信息，該語音信息即為被監(jiān)聽場所的語音信號.

圖6和圖7分別為監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)和監(jiān)聽光接收機(jī)的數(shù)據(jù)流.

圖6 監(jiān)聽光發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)流

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

可見光通信監(jiān)聽的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾種：

1) 復(fù)雜信道建模技術(shù)

可見光通信易受環(huán)境光、背景光和雜散光的影響，建立復(fù)雜室內(nèi)室外可見光通信信道、評估信道對語音信號還原度的影響，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

2) 微弱信號探測技術(shù)

可見光通信監(jiān)聽技術(shù)考慮到可見光經(jīng)過長距離的室外光信道衰減，到達(dá)光接收機(jī)的光信號已非常微弱，采用微弱信號探測，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

3) 調(diào)制編碼技術(shù)

可見光通信監(jiān)聽技術(shù)在設(shè)計(jì)調(diào)制和編碼方案時(shí)，利用語音信號可在低信噪比條件下得到還原，同時(shí)還可以避免燈具照明產(chǎn)生對人眼可覺察的影響，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

4) 自適應(yīng)均衡技術(shù)

利用可見光建立好的復(fù)雜信道模型和自適應(yīng)均衡技術(shù)對信道進(jìn)行補(bǔ)償，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

5) 光學(xué)天線技術(shù)

可見光通信監(jiān)聽技術(shù)利用一定視場角大光學(xué)增益的光學(xué)天線有利于光信號的探測和語音信號的還原，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

6) 破雨雪霧技術(shù)

在雨雪霧、霧霾等天氣，可見光通信監(jiān)聽技術(shù)利用一定技術(shù)降低天氣情況對監(jiān)聽效果的影響，是關(guān)鍵技術(shù)之一.

2 LED燈的信息安全隱患

2.1 LED照明飛速發(fā)展

隨著LED的快速發(fā)展，LED勢必延伸到更多應(yīng)用領(lǐng)域，但是其背后的安全隱憂卻不可小覷.圖8展示了LED照明的廣泛應(yīng)用，圖9為2013年各行業(yè)LED照明的比重.

圖8 LED照明的廣泛應(yīng)用

圖9 LED照明各行業(yè)比重

2013年被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是LED照明產(chǎn)業(yè)具有里程碑意義的一年，LED照明產(chǎn)品技術(shù)步入成熟期，前些年被詬病的質(zhì)量問題爭議越來越少.與此同時(shí)，LED照明產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品達(dá)到了基本持平，市場需求也在不斷擴(kuò)大.作為全球最大的LED產(chǎn)業(yè)的集聚區(qū)，近幾年我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，產(chǎn)業(yè)配套逐漸完善，LED技術(shù)不斷得到提升，成本不斷下降，產(chǎn)品價(jià)格逐漸平民化.伴隨著LED的廣泛應(yīng)用，如果將可見光通信監(jiān)聽技術(shù)與LED燈具集成，將會極大地改變目前監(jiān)聽技術(shù)現(xiàn)狀，信息安全保密也將面臨巨大的挑戰(zhàn)[9].

2.2 可見光通信監(jiān)聽技術(shù)特點(diǎn)分析

1) 監(jiān)聽信息手段隱蔽性強(qiáng)

偵聽或監(jiān)聽的手段有多種，常用的電子監(jiān)聽很容易被偵測到,同時(shí)從實(shí)施的角度來看存在著很大的難度和風(fēng)險(xiǎn)，而可見光通信監(jiān)聽技術(shù)將監(jiān)聽設(shè)備內(nèi)置于LED光源驅(qū)動，使二者成為一個(gè)整體，很難被用戶所發(fā)現(xiàn).在信息傳輸載體方面，電磁手段較為容易被檢測，而以可見光通信監(jiān)聽技術(shù)為代表的光泄漏手段目前還未得到充分的重視.

2) 監(jiān)聽信息以可見光載體傳輸，難以防護(hù)

目前，普遍采用的電子監(jiān)聽手段，監(jiān)聽信息需要利用無線發(fā)射和接收技術(shù)達(dá)到信息的傳輸，傳輸?shù)纳漕l信號容易干擾和防護(hù).可見光通信監(jiān)聽技術(shù)以可見光作為信息傳輸載體，尚缺乏有效的防護(hù)手段.

3) 監(jiān)聽光源由于形狀多樣并且用途廣泛導(dǎo)致不易被察覺

由于LED具有亮度高、低功耗、壽命長、啟動快，功率小、無頻閃、不容易產(chǎn)生視覺疲勞、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).LED燈已經(jīng)不再局限于我們所熟悉的汽車照明燈和簡單照明，已經(jīng)延伸到景觀照明、交通信號燈、全彩顯示屏、會議室和多功能廳照明、手機(jī)電子等便攜式電子產(chǎn)品和家電、儀器儀表、通信設(shè)備和玩具等多領(lǐng)域使用，其發(fā)展前景非常看好.在未來幾年，我們很有可能被LED所包圍，可見光通信監(jiān)聽技術(shù)的存在也使得我們的信息安全存在重大威脅.同時(shí)近年來，LED燈呈現(xiàn)的多用途、不同形態(tài)進(jìn)一步加大了保障信息安全的難度.

3 可見光通信監(jiān)聽安全隱患的應(yīng)對

目前，人們對可見光通信監(jiān)聽技術(shù)的安全問題普遍缺乏認(rèn)知，安全防護(hù)措施幾乎為零.隨著LED照明已經(jīng)成為主流走進(jìn)日常生活和工作，一旦對其疏于保密管控，極有可能對有關(guān)單位的信息安全造成嚴(yán)重危害.為了做好安全工作，應(yīng)對可見光通信監(jiān)聽技術(shù)可能帶來的威脅，我們建議應(yīng)從增強(qiáng)防范意識和采用對應(yīng)檢測設(shè)備兩方面入手.

3.1 增強(qiáng)防范意識

1) 加大宣傳教育.

加強(qiáng)對涉密安全人員普及可見光通信監(jiān)聽技術(shù)，使其產(chǎn)生安全意識.隨著LED燈的不斷革新，用途和形態(tài)不斷變化，可見光通信監(jiān)聽技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式也有可能更加多樣化.為此，必須加大宣傳教育，使涉密人員認(rèn)識到可見光通信監(jiān)聽技術(shù)給安全保密帶來的威脅，充分認(rèn)識其危害.

2) 要明確管理要求.

要像管理涉密計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣，制定對涉密場所的LED燈的管理規(guī)范，確立穩(wěn)定安全的LED燈供貨商，同時(shí)從制度上禁止一些不必要的LED在辦公環(huán)境下使用.

3) 要開展防護(hù)研究和保密檢查.

建議組織人員開展專門研究工作：一是開展專題調(diào)研，解剖各種類型、不同功能的LED，分析其可能的安全保密隱患和威脅，研究針對性的防護(hù)措施，研制并推廣使用有效的檢測防護(hù)設(shè)備；二是對于可見光通信監(jiān)聽技術(shù)帶來的潛在安全危害，研究建立完善的安全策略，包括LED的電源驅(qū)動、頻閃、亮度等多方面研究分析和保密檢查，確保做到信息的安全防護(hù).

3.2 檢測設(shè)備

在做好安全防范的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)發(fā)展檢測手段.聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)，加大檢測技術(shù)研究力度.加快檢測裝備開發(fā)，形成有效的檢測方法，研發(fā)實(shí)用的裝備手段.圖10為一臺手持解調(diào)設(shè)備檢測LED光源是否為可見光通信監(jiān)聽設(shè)備的場景.可見光通信監(jiān)聽檢測技術(shù)的原理類似監(jiān)聽技術(shù)的光接收機(jī)原理，如圖5和圖7所示，但需要提高檢測識別率、降低誤報(bào)率，并能夠提供預(yù)先檢測和常規(guī)檢測形式，提供友好的報(bào)警方式和人機(jī)交互方式.

圖10 可見光監(jiān)聽檢測裝備的使用場景

圖11為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所開發(fā)的可見光監(jiān)聽檢測樣機(jī)，除提供常規(guī)功能外，還能夠進(jìn)行時(shí)域和頻域的信號分析.

圖11 可見光通信監(jiān)聽檢測設(shè)備和顯示界面

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)討論了以可見光通信監(jiān)聽技術(shù)為代表的可見光信息隱蔽傳輸技術(shù)，包括監(jiān)聽技術(shù)原理、關(guān)鍵技術(shù)和監(jiān)聽優(yōu)勢.可以看出，隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，可見光通信監(jiān)聽技術(shù)作為一種新型監(jiān)聽手段，具有隱蔽性、不易檢測和防護(hù)等特點(diǎn)，有關(guān)部門需要認(rèn)識到該技術(shù)可能造成的安全保密隱患，加強(qiáng)自我防范意識和快速采用對應(yīng)檢測設(shè)備.

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[6]段靖遠(yuǎn). 我國登上可見光通信國際競爭舞臺——中科院半導(dǎo)體所世博會展示半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)技術(shù)[N]. 科學(xué)時(shí)報(bào), 北京: 科學(xué)時(shí)報(bào)社, 2010-05-21

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[8]Cofrexport. Optical Micro-Transmitters[DBOL]. [2012-06-13]. http:www.cofrexport.com

[9]王寧. LED照明有望明年爆發(fā)[N]. 南方日報(bào), 廣州: 南方日報(bào)社, 2013-10-28

段靖遠(yuǎn)

博士，副研究員，主要研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ拧⒐庑孤z測等.

jyduan@semi.ac.cn

蓋軼冰

博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息安全等.

yibing_gai@163.com

Covert Visible Light Information Transmission Technology and Detection

Duan Jingyuan1and Gai Yibing2

1(InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083)2(InstituteofBeijingMicro-Technology,Beijing100006)

Eavesdrop technology involves the national confidential information security. As the representative of covert visible light information transmission, visible light communication eavesdrop technology has the characteristics of strong elusiveness, being difficult to detect and protect and wide distribution of LED lights, which will lead to huge threats to information security. This paper first describes research status of visible light communication eavesdrop technology at home and abroad. The technical principles and key technologies are also introduced. Then through the analysis of characteristics of visible light communication eavesdrop technology, it shows that the technology will be a serious threat to the national information security. According to the security problems of this technology, the paper proposes that relative organizations should take measure to strengthening awareness and employ visible light communication eavesdrop detection device.

eavesdrop; covert visible light information transmission; visible light communication; visible light communication eavesdrop; visible light communication eavesdrop detection

2016-01-10

TN929.1