可見光信息隱蔽傳輸與檢測技術

段靖遠 蓋軼冰

1(中國科學院半導體研究所 北京 100083)2 (北京市微技術研究所 北京 100006)

?

可見光信息隱蔽傳輸與檢測技術

段靖遠1蓋軼冰2

1(中國科學院半導體研究所 北京 100083)2(北京市微技術研究所 北京 100006)

(jyduan@semi.ac.cn)

語音監聽技術涉及到國家保密信息安全，以可見光通信監聽技術為代表的可見光信息隱蔽傳輸具有隱蔽性強、不易檢測防護、前置LED燈分布廣等特點，將會對信息安全產生巨大威脅.首先闡述了可見光通信監聽技術在國內外研究現狀、監聽技術原理和涉及到的關鍵技術，通過分析可見光通信監聽技術的特點，說明該技術將嚴重威脅國家信息安全，提出有關部門應增強防范意識、使用可見光監聽檢測設備等手段進行有效應對.

語音監聽；可見光信息隱蔽傳輸；可見光通信；可見光通信監聽；可見光通信監聽檢測

近期，國內外出現一種新型的可見光信息隱蔽傳輸技術，即可見光通信技術(visible light comm-unication, VLC)，可以用來隱蔽傳輸語音、視頻和數據等信息.該技術具有傳輸隱蔽、前置分布廣泛、不易檢測防護等特點，需要引起有關部門的重視.

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

目前，通過理論和實驗研究，遠距離的可見光監聽已經成為可能.未來的可見光通信監聽技術會是一種監聽距離遠、監聽設備便攜、監聽信息質量高、方便實用的監聽手段.隨著LED燈的普及，可見光通信因其隱蔽性必將成為相關部門需要重點防護的監聽技術.

在國外，可見光通信研究最早可以追溯到 1880年Bell發明的“光電話”[2]，這是世界上第1臺可見光無線傳輸系統，創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90年代，半導體的研究得到了飛速發展，高亮度的可見光LED研制成功并且進入商業市場[3-4]，其高速調制能力和高亮度特性給可見光通信技術帶來了突破的曙光.此后，在通信系統研究和使用標準制定上，可見光通信技術取得了一系列研究成果.

2000—2001年期間，日本研究人員Tanaka的研究團隊對可見光通信技術進行了一系列驗證性研究工作.他們在可見光LED室內照明系統的基礎上進行各種調制編碼仿真，并根據仿真結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聯合成立了可視光通信聯盟(VLCC)，目的是發展、計劃、研究和制定一套日本自己的可見光通信系統標準.其主要任務是開發、測試、調查、規劃和規范基于LED的高速可見光通信系統[5].

2010年中國科學院半導體研究所實現單點2 Mbps接入速率的可見光通信系統，并在上海世博會航空館和“滬上·生態家”館展示[6].

2015年，解放軍信息工程大學研制出通信速率最高達50 Gbps的實驗室可見光通信樣機，引起國內廣泛關注[7].

隨著可見光通信技術和LED技術的日趨成熟，共同推動了可見光通信監聽技術的發展，法國的Cofrexport公司已開發出相關產品[8]，如圖1、圖2所示：

圖1 可見光通信監聽技術發射機

圖2 可見光通信監聽技術接收機

國內的中國科學院半導體研究所也于2014年開發出同類產品，即可見光通信監聽系統.該系統包括監聽光發射機和監聽光接收機，如圖3所示.

室外實驗光發射機和光接收機距離150 m，18 W LED燈，光發射機處理電路已集成在LED燈中，光接收機處理電路和望遠鏡目鏡連接，在背景光照度為大約8萬lx時，可以完美還原室內語音信號.

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

圖3 可見光通信監聽系統

圖4 可見光通信監聽技術使用場景

1 可見光通信監聽技術原理及其關鍵技術

1.1 監聽技術原理

可見光通信監聽系統包括監聽光發射機和監聽光接收機，技術實現原理如圖5所示：

圖5 可見光通信監聽技術原理圖

在監聽光發射機部分，被監聽場所的語音信息通過預置在LED燈內的拾音器采集，經過調制編碼后加載到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.

在監聽光接收機部分，百米以外，將光學增益器(或者稱為光學天線)對準監聽光發射機，通過內部電路能夠實現光信號轉化為電信號，再經過解調解碼器的處理，利用降噪耳機能夠聽到清晰可辨的監聽語音信息，該語音信息即為被監聽場所的語音信號.

圖6和圖7分別為監聽光發射機和監聽光接收機的數據流.

圖6 監聽光發射機數據流

1.2 關鍵技術

可見光通信監聽的關鍵技術主要有以下幾種：

1) 復雜信道建模技術

可見光通信易受環境光、背景光和雜散光的影響，建立復雜室內室外可見光通信信道、評估信道對語音信號還原度的影響，是關鍵技術之一.

2) 微弱信號探測技術

可見光通信監聽技術考慮到可見光經過長距離的室外光信道衰減，到達光接收機的光信號已非常微弱，采用微弱信號探測，是關鍵技術之一.

3) 調制編碼技術

可見光通信監聽技術在設計調制和編碼方案時，利用語音信號可在低信噪比條件下得到還原，同時還可以避免燈具照明產生對人眼可覺察的影響，是關鍵技術之一.

4) 自適應均衡技術

利用可見光建立好的復雜信道模型和自適應均衡技術對信道進行補償，是關鍵技術之一.

5) 光學天線技術

可見光通信監聽技術利用一定視場角大光學增益的光學天線有利于光信號的探測和語音信號的還原，是關鍵技術之一.

6) 破雨雪霧技術

在雨雪霧、霧霾等天氣，可見光通信監聽技術利用一定技術降低天氣情況對監聽效果的影響，是關鍵技術之一.

2 LED燈的信息安全隱患

2.1 LED照明飛速發展

隨著LED的快速發展，LED勢必延伸到更多應用領域，但是其背后的安全隱憂卻不可小覷.圖8展示了LED照明的廣泛應用，圖9為2013年各行業LED照明的比重.

圖8 LED照明的廣泛應用

圖9 LED照明各行業比重

2013年被業內認為是LED照明產業具有里程碑意義的一年，LED照明產品技術步入成熟期，前些年被詬病的質量問題爭議越來越少.與此同時，LED照明產品的生產成本也與傳統照明產品達到了基本持平，市場需求也在不斷擴大.作為全球最大的LED產業的集聚區，近幾年我國LED產業發展突飛猛進，產業配套逐漸完善，LED技術不斷得到提升，成本不斷下降，產品價格逐漸平民化.伴隨著LED的廣泛應用，如果將可見光通信監聽技術與LED燈具集成，將會極大地改變目前監聽技術現狀，信息安全保密也將面臨巨大的挑戰[9].

2.2 可見光通信監聽技術特點分析

1) 監聽信息手段隱蔽性強

偵聽或監聽的手段有多種，常用的電子監聽很容易被偵測到,同時從實施的角度來看存在著很大的難度和風險，而可見光通信監聽技術將監聽設備內置于LED光源驅動，使二者成為一個整體，很難被用戶所發現.在信息傳輸載體方面，電磁手段較為容易被檢測，而以可見光通信監聽技術為代表的光泄漏手段目前還未得到充分的重視.

2) 監聽信息以可見光載體傳輸，難以防護

目前，普遍采用的電子監聽手段，監聽信息需要利用無線發射和接收技術達到信息的傳輸，傳輸的射頻信號容易干擾和防護.可見光通信監聽技術以可見光作為信息傳輸載體，尚缺乏有效的防護手段.

3) 監聽光源由于形狀多樣并且用途廣泛導致不易被察覺

由于LED具有亮度高、低功耗、壽命長、啟動快，功率小、無頻閃、不容易產生視覺疲勞、綠色環保等優點.LED燈已經不再局限于我們所熟悉的汽車照明燈和簡單照明，已經延伸到景觀照明、交通信號燈、全彩顯示屏、會議室和多功能廳照明、手機電子等便攜式電子產品和家電、儀器儀表、通信設備和玩具等多領域使用，其發展前景非常看好.在未來幾年，我們很有可能被LED所包圍，可見光通信監聽技術的存在也使得我們的信息安全存在重大威脅.同時近年來，LED燈呈現的多用途、不同形態進一步加大了保障信息安全的難度.

3 可見光通信監聽安全隱患的應對

目前，人們對可見光通信監聽技術的安全問題普遍缺乏認知，安全防護措施幾乎為零.隨著LED照明已經成為主流走進日常生活和工作，一旦對其疏于保密管控，極有可能對有關單位的信息安全造成嚴重危害.為了做好安全工作，應對可見光通信監聽技術可能帶來的威脅，我們建議應從增強防范意識和采用對應檢測設備兩方面入手.

3.1 增強防范意識

1) 加大宣傳教育.

加強對涉密安全人員普及可見光通信監聽技術，使其產生安全意識.隨著LED燈的不斷革新，用途和形態不斷變化，可見光通信監聽技術實現方式也有可能更加多樣化.為此，必須加大宣傳教育，使涉密人員認識到可見光通信監聽技術給安全保密帶來的威脅，充分認識其危害.

2) 要明確管理要求.

要像管理涉密計算機網絡一樣，制定對涉密場所的LED燈的管理規范，確立穩定安全的LED燈供貨商，同時從制度上禁止一些不必要的LED在辦公環境下使用.

3) 要開展防護研究和保密檢查.

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，研究針對性的防護措施，研制并推廣使用有效的檢測防護設備；二是對于可見光通信監聽技術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.

3.2 檢測設備

在做好安全防范的同時，應同時發展檢測手段.聯合研究機構，加大檢測技術研究力度.加快檢測裝備開發，形成有效的檢測方法，研發實用的裝備手段.圖10為一臺手持解調設備檢測LED光源是否為可見光通信監聽設備的場景.可見光通信監聽檢測技術的原理類似監聽技術的光接收機原理，如圖5和圖7所示，但需要提高檢測識別率、降低誤報率，并能夠提供預先檢測和常規檢測形式，提供友好的報警方式和人機交互方式.

圖10 可見光監聽檢測裝備的使用場景

圖11為中國科學院半導體研究所開發的可見光監聽檢測樣機，除提供常規功能外，還能夠進行時域和頻域的信號分析.

圖11 可見光通信監聽檢測設備和顯示界面

4 結 論

本文詳細討論了以可見光通信監聽技術為代表的可見光信息隱蔽傳輸技術，包括監聽技術原理、關鍵技術和監聽優勢.可以看出，隨著LED產業的快速發展和廣泛應用，可見光通信監聽技術作為一種新型監聽手段，具有隱蔽性、不易檢測和防護等特點，有關部門需要認識到該技術可能造成的安全保密隱患，加強自我防范意識和快速采用對應檢測設備.

[1]于志剛, 陳長纓, 趙俊. 白光LED照明通信系統中的分集接收技術[J]. 光通信技術, 2008, 32(9): 52-54

[2]陳智浩. 現代光通信史上的里程碑——光電話的發明[J]. 光通信技術, 1993, 17(5): 288-289

[3]中國安防展覽網. 10年內LED將占商用照明一半以上份額[EBOL]. [2012-06-13]. http:www.afzhan.comnew sDetail20080.html

[4]Haruyama S. Visible light communications:Recent activities in Japan[R]. Boston, MA: Academia Day at BU Photonics Center,Boston University, 2011

[5]Tanaka Y, Komine T, Haruyama S, et al. Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights[J]. IEICE Trans on Communications, 2003, 86(8): 2440-2454

[6]段靖遠. 我國登上可見光通信國際競爭舞臺——中科院半導體所世博會展示半導體照明信息網技術[N]. 科學時報, 北京: 科學時報社, 2010-05-21

[7]史俊庭, 張衛東. 可見光通信速率提高至每秒50G[N]. 中國科學報, 北京: 中國科學報社, 2015-11-16

[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[N]. 南方日報, 廣州: 南方日報社, 2013-10-28

段靖遠

博士，副研究員，主要研究方向為可見光通信、光泄漏檢測等.

jyduan@semi.ac.cn

蓋軼冰

博士，高級工程師，主要研究方向為網絡信息安全等.

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