Szyfrowanie danych z użyciem szumu AWGN

Szyfrowanie jest techniką używaną do zabezpieczenia wrażliwych informacji w sieci komunikacyjnej, przeznaczonych tylko dla danego odbiorcy. Zaszyfrowana informacja powinna więc być niezrozumiała dla osób przechwytujących wiadomość, ale musi być odszyfrowywalna przez tych, którzy mają dostęp do określonego klucza deszyfrującego. Przechwycenie i deszyfrowanie takiej informacji jest oczywiście możliwe, jednak wyczyn ten wymaga zazwyczaj ogromnych zasobów obliczeniowych.

Chociaż wyjście z algorytmu generujące liczby pseudolosowe wydaje się pozbawione wzorców, to jednak nie jest to prawdziwie losowa sekwencja (jak sugeruje termin "pseudo"). Urządzenia generujące szum zapewniają więc alternatywną ścieżkę do szyfrowania danych - taką, która osiąga całkowitą losowość, aby wzmocnić odporność na przechwycenie danych w wiadomości. W tym artykule przeanalizujemy więc podstawową koncepcję zabezpieczania danych za pomocą szumu, jak również zapewnimy wgląd w możliwą konstrukcję tych systemów szyfrujących.

Systemy szyfrowania

Używany zamiast klucza generowanego pseudolosowo szum oferuje skuteczny sposób zabezpieczania interesujących nas danych ze względu na swoją prawdziwie losową naturę. W tym procesie transmisja radiowa pojawia się w eterze jako sygnał podobny do szumu podczas jej przesyłania. Chociaż wygląda ona na sygnał losowy, transmisja w rzeczywistości zawiera pewną kombinację danych i szumu. Dlatego szyfrowanie z wykorzystaniem źródła szumu zwiększa trudność identyfikacji i odszyfrowania danych.

Źródła szumu, takie jak moduły AWGN serii NC3000 i moduły szumu z wzmacniaczem serii NC1000 firmy Noisecom to urządzenia, które można wykorzystać do tego typu zastosowań. Seria NC3000 generuje addytywny biały szum gaussowski (AWGN) w zakresie od 10 MHz do 110 GHz (w zależności od wersji) i jest dostępna z standardowymi złączami koncentrycznymi RF, takimi jak N, SMA, 2,92 mm, 1,85 mm i 1,0 mm. Kompaktowa seria NC1000 o dużej mocy może wytwarzać sygnał AWGN do +13 dBm i ma szerokość pasma do 18 GHz. W przypadku wykorzystania w dowolnym systemie RF źródła można sterować za pomocą sygnału TTL.

W ramach systemów szyfrowania z użyciem źródeł szumu w projekt wbudowany jest tylko jeden moduł serii NC3000, moduł serii NC1000 lub inne fizyczne urządzenie generujące szum Systemy szyfrowania wykorzystują tylko jedno fizyczne źródło szumu, ponieważ urządzenia te są losowe i nie są koherentne, co oznacza, że sygnały nie będą miały takiej samej charakterystyki czasowej i napięciowej. Pojedyncze źródło szumu przykładowo może być fizycznie zaimplementowane po stronie nadawczej, aby ukryć interesujące nas dane, podczas gdy odbiornik będzie stosował techniki dekodowania z transmitowanych danych.

Konkretne szczegóły konstrukcyjne systemów szyfrujących wykorzystujących szum są trzymane w tajemnicy, jednak możemy uronić trochę więcej informacji na temat możliwych konfiguracji poprzez zbadanie dwóch powiązanych koncepcji, które opiszemy poniżej.

Polaryzacja sygnałów RF

Sygnały RF składają się z fal elektrycznych i magnetycznych, które są ułożone prostopadle względem siebie, jak również względem kierunku propagacji. Polaryzacja fali radiowej odnosi się więc do kierunku oscylacji pola elektrycznego. Wiele anten jest spolaryzowanych liniowo, co oznacza, że pole elektryczne oscyluje tylko w jednym kierunku, poziomo (polaryzacja pozioma) lub pionowo (polaryzacja pionowa).

Ponieważ fale radiowe mogą być spolaryzowane na różne sposoby, anteny są zazwyczaj projektowane i rozwijane w celu obsługi jednego rodzaju polaryzacji dla operacji nadawania/odbioru. Jednak dwa sygnały w tym samym paśmie częstotliwości mogą być spolaryzowane w przeciwnych kierunkach, co pozwala uniknąć zakłóceń sygnału i zwiększa przepustowość kanału dwukrotnie. Aplikacje, które wykorzystują tę technikę, takie jak telewizja satelitarna, mogą uchwycić obie polaryzacje.

Przeciwnie spolaryzowane sygnały RF mogą odgrywać ważną rolę w szyfrowaniu i deszyfrowaniu transmisji bezprzewodowych. Na przykład transmisja może zawierać sygnał szumu z dodanym sygnałem z danymi, który jest spolaryzowany pionowo oraz tylko sygnał szumu, który jest spolaryzowany poziomo. Dzięki temu zaszyfrowany kształt fali pojawiłby się jako losowy sygnał nie odczytywalny dla przechwytujących.

Strona odbiorcza, która jest wyposażona w detekcję obu polaryzacji sygnałów może wykorzystać sygnał z szumem do odszyfrowania pożądanych informacji z polaryzacji pionowej. Osiąga się to przez połączenie obu odebranych sygnałów i dodanie dwóch sygnałów szumów poza fazą, co skutecznie znosi przebiegi szumów. W odbiorniku pozostaje wtedy odszyfrowana i bezpiecznie wysłana informacja. Aby skutecznie przechwycić tego rodzaju wiadomość podsłuchujący musieliby znać dokładną częstotliwość nadawania, a także wiedzieć, w której polaryzacji znajduje się zaszyfrowana transmisja.

Szyfrowanie danych transmitowanych przez systemy radarowe

W podstawowych systemach radarowych, takich jak te używane w aplikacjach kontroli ruchu lotniczego (ATC), sygnały są wysyłane z anteny naziemnej w zamierzony cel (np. samolot). Sygnały odbijają się wtedy od danego celu, a następnie są przechwytywane przez naziemną antenę radaru. Analizując odbity sygnał można określić przykładowo odległość, kąt i prędkość obiektu.

Podczas gdy aplikacje ATC muszą z łatwością wykrywać i przetwarzać sygnały radarowe, operacje o charakterze „stealth” wymagają użycia sygnałów radarowych o niskim prawdopodobieństwie przechwycenia i wykorzystania. Technologia ta dodaje szum do sygnału nadawczego, zwykle generowanego ze źródeł szumu o wysokiej częstotliwości. Transmisja wydaje się być więc szumem tła podczas trasy do zamierzonego celu, podczas gdy w rzeczywistości jest to zaszyfrowany sygnał. Po odebraniu odbitego sygnału może być on przeanalizowany w celu określenia interesujących dla nas informacji.

Zachowaj bezpieczeństwo danych z generatorami szumu firmy NOISECOM

Szyfrowanie pozwala zachować prywatność i bezpieczeństwo poufnych informacji w trakcie ich potencjalnie ryzykownej trasy w celu dotarcia do danych adresatów. Chociaż istnieją różne sposoby ochrony poufnych danych, źródła szumu zapewniają prosty środek do ukrycia transmisji. NOISECOM, lider w dziedzinie źródeł szumu RF, takich jak seria NC3000 i NC1000, bezpiecznie maskuje transmisje bezprzewodowe za pomocą generowania szumu AWGN, zwiększając możliwości obrony.