基於 Disco 智能全向表面的 360 度全被動干擾攻擊

核心概念

本文提出了一種基於 Disco 智能全向表面 (DIOS) 的新型全被動干擾器 (FPJ)，它可以在沒有任何干擾功率或合法用戶 (LU) 頻道知識的情況下，對多用戶多輸入單輸出 (MU-MISO) 系統發起 360 度全方位干擾攻擊。

摘要

文獻回顧

• 無線系統容易受到物理層干擾攻擊，例如物理層干擾，這是一種拒絕服務 (DoS) 攻擊。
• 現有的主動干擾器 (AJ) 需要廣播故意的干擾/干擾信號，例如偽隨機噪聲或調製的高斯波形，這會消耗能量並限制其有效干擾的持續時間和區域。
• 可重構智能表面 (RIS) 作為 6G 無線通信的潛在技術，近年來受到越來越多的關注。
• 與合法 RIS 不同，對抗性 RIS 是對 RIS 的非法利用，對無線系統構成重大不利影響。
• 現有的一些工作集中在對抗性 RIS 的不利影響上，例如，對抗性 RIS 基於被動干擾器 (PJ)，它通過破壞性地將反射路徑信號添加到直接路徑信號中來最小化接收功率，從而最小化信噪比 (SNR)。
• 為了克服對抗性 RIS 在獲取 CSI 方面的局限性，已經提出了全被動干擾器 (FPJ)，它可以在不依賴干擾功率或 CSI 的情況下發起干擾攻擊。
• FPJ 的概念最早是在 [19] 中提出的，其中具有隨機和時變反射係數的對抗性 RIS 就像一個“迪斯科球”，因此被稱為迪斯科 RIS (DRIS) [20]。
• DRIS 的使用會導致主動信道老化 (ACA)，然後產生全被動干擾 [21]。
• 一些工作研究了引入 DIRS 以破壞基於信道互易性的密鑰生成中的密鑰一致性 [23]-[25] 或破壞時分雙工 (TDD) 無線系統中基於信道互易性的通信 [26]。
• 智能全向表面 (IOS) 被引入無線通信中，通過同時反射和折射來實現 360° 性能提升 [27]-[33]。
• IOS 與兩個獨立的背靠背反射 RIS 不同 [27]、[32]、[33]，因為每個 IOS 元素的折射和反射 (R&R) 係數之間存在額外約束。
• 由於 IOS 的這種額外約束，無法將 IOS 直接引入基於 DRIS 的 FPJ [19]-[21] 中來實現全向全被動干擾。
• 考慮到 IOS 的這種約束，工作 [1] 首次提出了全向 FPJ 的概念，該概念引入了迪斯科 IOS (DIOS) 來實現 360° 全被動干擾攻擊。

系統描述

• 本文研究了基於 DIOS 的 FPJ 對 MU-MISO 系統下行速率的影響。
• 在所提出的基於 DIOS 的 FPJ 中，DIOS 在每個導頻傳輸 (PT) 階段保持“靜默”，其中術語“靜默”是指無線信號被對抗性 DIOS 完全吸收 [34]。然後，DIOS 在隨後的數據傳輸 (DT) 階段隨機改變其 R&R 係數。
• DIOS 具有隨機和時變的 R&R 係數，就像一個“迪斯科球”，將 AP 發射功率分佈在隨機方向上。
• 結果，AP-LU 信道快速變化，導致嚴重的用戶間干擾，稱為主動信道老化 (ACA)。

DIOS-基於全被動干擾攻擊下的遍歷可實現下行速率

• 本文針對兩種 IOS 模型（即恆定幅度模型和可變幅度模型）推導了 DIOS 干擾信道的統計特性，以表徵基於 DIOS 的 FPJ 的干擾影響。
• 根據推導的統計特性，進一步推導了遍歷可實現下行速率的下界。

仿真結果與討論

• 仿真結果表明，基於 DIOS 的 FPJ 可以有效地對 MU-MISO 系統發起全向全被動干擾攻擊。
• DIOS 的干擾影響與其元素數量、量化位數和 R&R 係數的分佈有關。

統計資料

NA = 128 (AP 天線數量)
K = 24 (合法用戶數量)
ND = 2,048 (DIOS 元素數量)
C = 6 (DT 階段長度與 RPT 階段長度的比率)
LG = 35.6+22log10(di) (大尺度通道衰落)
L t
I,k, L t
I,k, Ld,k = 32.6 + 36.7log10(di) (大尺度通道衰落)
δ2 = −170+10 log10 (BW) dBm (AWGN 變異數)
BW = 180 kHz (頻寬)

引述

"在所提出的基於 DIOS 的 FPJ 中，DIOS 在每個導頻傳輸 (PT) 階段保持“靜默”，其中術語“靜默”是指無線信號被對抗性 DIOS 完全吸收 [34]。"
"DIOS 具有隨機和時變的 R&R 係數，就像一個“迪斯科球”，將 AP 發射功率分佈在隨機方向上。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Disco Intelligent Omni-Surfaces: 360-degree Fully-Passive Jamming Attacks

by Huan Huang, ... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12985.pdf

深入探究

基於 DIOS 的 FPJ 如何影響其他類型的無線通信系統，例如毫米波或太赫茲通信系統？

基於 DIOS 的 FPJ 對毫米波或太赫茲等更高頻率的無線通信系統會產生更顯著的影響。原因如下：

更高的頻率導致更嚴重的路徑損耗： 毫米波和太赫茲通信使用更高的頻率，這會導致更嚴重的路徑損耗。DIOS 造成的信號散射會加劇這種損耗，進一步降低接收信號強度。
更小的波長對 DIOS 設計提出更高要求： 毫米波和太赫茲通信的波長更小，這對 DIOS 的元件尺寸和間距提出了更高的要求，以實現有效的信號操控。
波束更窄，更容易受到 DIOS 干擾： 毫米波和太赫茲通信通常採用波束成形技術產生更窄的波束，以克服路徑損耗。然而，更窄的波束更容易受到 DIOS 散射的影響，導致波束對準誤差和信號質量下降。
總之，基於 DIOS 的 FPJ 對毫米波和太赫茲通信系統構成更嚴峻的威脅。在設計這些系統的安全機制時，必須考慮 DIOS 的影響，並開發相應的對抗措施。

有沒有可能設計出對抗基於 DIOS 的 FPJ 的對策？

是的，可以設計一些對抗基於 DIOS 的 FPJ 的對策，例如：

偵測 DIOS 的存在： 可以利用 DIOS 造成的信道特性變化來偵測其存在。例如，DIOS 會導致接收信號強度快速波動，可以通過監測信號強度變化來識別 DIOS 的干擾。
波束成形和空間濾波： 可以利用波束成形技術將信號集中到合法用戶，並利用空間濾波技術抑制來自 DIOS 方向的干擾信號。
多天線技術： 使用多天線技術，例如多輸入多輸出 (MIMO) 技術，可以提高系統的空間分集增益，從而降低 DIOS 干擾的影響。
頻率跳變技術： 通過在不同的頻率之間快速切換，可以降低 DIOS 在特定頻率上持續干擾的可能性。
開發抗 DIOS 的信號處理算法： 可以設計新的信號處理算法，例如盲信號分離和干擾消除算法，來減輕 DIOS 干擾的影響。
此外，還可以結合密碼學技術，例如物理層安全技術，來進一步增強系統的安全性。

如果將 DIOS 與其他安全機制（例如物理層安全技術）相結合，可以實現怎樣的安全性能？

將 DIOS 與其他安全機制，例如物理層安全技術，相結合，可以實現更強大的安全性能。

DIOS 增強物理層安全： DIOS 可以通過以下方式增強物理層安全：

創造人工噪聲： DIOS 可以產生人工噪聲來干擾竊聽者的接收信號，從而提高合法用戶的保密性。
增強信道隨機性： DIOS 可以通過隨機改變其反射和折射特性來增加合法用戶和竊聽者之間的信道差異，從而提高物理層安全技術的有效性。

物理層安全技術保護 DIOS 控制信號： 物理層安全技術可以用於保護 DIOS 的控制信號，防止攻擊者篡改 DIOS 的配置。
總之，將 DIOS 與物理層安全技術相結合，可以實現多層次的安全性，有效提高無線通信系統的安全性。