Page 37 - 网络电信2021年10月刊下
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光    通    信

                                                                 光的散射效应，光斑会随着传输距离的增加而逐步扩散，特别
             图 2 LD 光束经过不同传输距离的清洁海水后，接收平面的光强分布
                                                                 是在较浑浊的水质条件下，逐渐扩散的光束会增加窃听者对信
                                                                 息窃取和修改的风险。在文献［4］中作者首次揭示了UWOC的安
                                                                 全漏洞，并利用蒙特卡罗模拟方法对UWOC的安全弱点进行了数
                                                                 值研究。
                                                                     图2为LD光束经过5m、10m和15m的清洁海水后，接收平面的
                                                                 光强分布。随着传输距离的增加，在接收平面内的中心点处，
                                                                 光强逐渐变弱，光斑逐渐变大，窃听者更容易从光路中窃取信
                         (a) 5 m  (b) 10 m  (c) 15 m             息。图3为LD光束经过15m的清洁海水、沿岸海水和港口海水
                                                                 后，接收平面的光强分布。越浑浊的海水，对光散射效应越严
                                                                 重，导致接收平面的光斑越大以及光强分布更均匀，更有利于
             图 3 LD 光束经过 15m 不同水质后，接收平面的光强分布                     被窃听。
                                                                     UWOC系统的光束在传输过程中逐渐扩展，可覆盖预期接收
                                                                 器和窃听器导致信息泄露，如图1中的EX1所示，当然，初始发
                                                                 散角较大的LED更容易出现这类问题。同时，也可以在UWOC系统
                                                                 中添加秘密光学元件进行信息窃取，如文献［4］中窃听者使用
                                                                 一个全反射镜，将LOS链路中少量的光引导到窃听器上，成功窃
                                                                 取了2.5Gbit/s的OFDM信号并成功解调;  文献［12］验证了UWOC
                                                                 系统中的信息可以通过衍射光栅进行窃听，并不被发送者或
                   (a) 清洁海水 (b) 沿岸海水 (c) 浑浊港口水                   接收者察觉。上述窃听方法都是源于传输距离和散射系数的增
                                                                 加，造成光斑扩散，从而增大了信息被窃取的可能性。此外，
                                                                 为了降低对准难度，全向光通信、宽光束的LD在UWOC中得到了
            率和距离。与传统的水声通信相比，UWOC因其光源具有强方向
            性与弱渗透性，被认为是一种更安全的解决方案                  ［4］ 。因此，与     广泛应用，这无疑增大了窃听风险。
                                                                     2. NLOS链路信息泄露风险
            UWOC安全问题有关的研究很少，为潜在的攻击者留出了空间。
                                                                     在UWOC系统中，NLOS链路是指光利用水体的散射或者海
            由于水下信道的开放性，以及光束在长距离传播时逐渐扩散和
                                                                 面的反射作用，将传输信号重新定向到接收端的方式。与LOS
            水体的散射效应，UWOC容易受到窃听和恶意攻击，因此其安全
                                                                 链路相比，NLOS可以避开某些障碍物的遮挡，降低链路对准的
            性成为实际应用中一个关键且不可回避的问题，尤其是在水下
            多用户的应用中      ［11］ 。由此可见，UWOC系统的安全性与传输速               难度。目前，关于非视距UWOC传输系统的研究十分广泛，但并
                                                                 没有考虑其信息安全问题。在非视距UWOC系统或者工作在散射
            率、距离一样重要。
                                                                 效应较强的水域的视距UWOC系统中，其潜在的窃听者可以使用
                本文对UWOC的安全性问题进行了深入研究，首先讨论
                                                                 由散射光形成的NLOS通道来监听和窃取信息，如图1中的EX2所
            了UWOC系统存在的安全威胁，同时鉴于UWOC的安全技术较
                                                                 示，这种窃听方式具有更好的隐蔽性，如文献［4］中窃听者使
            少，阐述了同样以光为信息载体的光纤通信、自由空间通信
                                                                 用单光子探测器成功窃取了在距离光源1m处的散射信号。总而
            (Free  Space  Optical  Communication，FSO)和室内可见光通
                                                                 言之，在散射效应较强的水体或直接进行NLOS传输的UWOC系统
            信(Visible  Light  Communication，VLC)中常见的物理层加
                                                                 中，若要实现信息的安全传递，必然要防范使用高灵敏探测器
            密技术，如密钥分发、光码分多址(Optical  Code-Division
                                                                 对散射光进行窃听的非法用户。
            Multiple-Access，OCDMA)、光隐写技术及混沌保密技术等，并
                                                                     3. 非法用户的主动攻击
            进一步探讨其在UWOC安全传输中的应用前景。
                                                                     由于UWOC系统的开放性，还存在另一个信息安全问题，即来
                                                                 自非法发送端的恶意攻击。非法发送端可以将恶意发送器引入通
                一、UWOC的安全威胁
                随着各种侦听、窃取手段和设备的发展，以及采用UWOC数                      信链路中，使接收端存在多个信号重叠或者增大噪声，最终造成
                                                                 UWOC系统受到干扰或者数据修改的攻击，其信息的完整性、真实
            据传输的水下节点通常部署在无人看管、不透明甚至是敌对的
                                                                 性和可用性可能会受到威胁。非法发送端在使用高度定向的发射
            环境中，UWOC系统的信息极易被窃听或者遭受恶意攻击。
                                                                 源时，可提高主动攻击的成功率。此外，非法攻击者也可能接管
                水下无线光通信系统主要面临两种窃听风险:由光斑扩散导
                                                                 某些合法的UWOC发射源(如LED阵列的小部分光源) 。
            致的视距(Line  of  Sight，LOS)链路的信息泄露和由水体散射
                                                                     综上所述，在实际应用中安全问题普遍存在于UWOC系统，
            导致的非视距(Non Line of Sight，NLOS)链路的信息泄露。如
                                                                 因为光束的发散、散射以及系统的开放性是不可避免的。且随
            图1所示，Alice为合法发送端(TX)，Bob为合法接收端(RX)，在
                                                                 着窃听技术的不断成熟，这不仅降低了UWOC的机密性，也阻碍
            Alice和Bob的信息传递过程中，存在非法用户Eve，可以在EX1
                                                                 了其更好的发展。因此，研发人员必须采取有效措施，确保信
            处和EX2处进行窃听。
                                                                 息的安全，从而更好地发挥UWOC系统的作用。但目前UWOC存在
                1. LOS链路信息泄露风险
                                                                 的安全隐患还没有得到足够的重视，因此相关研究较少。为了
                在实际的海洋环境中，由于光源固有的发散角以及海水对
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