可见光信息隐蔽传输与检测技术

段靖远 盖轶冰

1(中国科学院半导体研究所 北京 100083)2 (北京市微技术研究所 北京 100006)



可见光信息隐蔽传输与检测技术

段靖远1盖轶冰2

1(中国科学院半导体研究所 北京 100083)2(北京市微技术研究所 北京 100006)

(jyduan@semi.ac.cn)

语音监听技术涉及到国家保密信息安全，以可见光通信监听技术为代表的可见光信息隐蔽传输具有隐蔽性强、不易检测防护、前置LED灯分布广等特点，将会对信息安全产生巨大威胁.首先阐述了可见光通信监听技术在国内外研究现状、监听技术原理和涉及到的关键技术，通过分析可见光通信监听技术的特点，说明该技术将严重威胁国家信息安全，提出有关部门应增强防范意识、使用可见光监听检测设备等手段进行有效应对.

语音监听；可见光信息隐蔽传输；可见光通信；可见光通信监听；可见光通信监听检测

近期，国内外出现一种新型的可见光信息隐蔽传输技术，即可见光通信技术(visible light comm-unication, VLC)，可以用来隐蔽传输语音、视频和数据等信息.该技术具有传输隐蔽、前置分布广泛、不易检测防护等特点，需要引起有关部门的重视.

可见光通信是指利用LED照明灯的调制特性，以可见光形式传输数据的新型通信技术[1]，在信息隐蔽传输领域，目前较为成熟的技术是可见光通信监听技术.可见光通信监听技术是指将拾音器内置于室内的LED灯中，捕获的语音信息进行一定编码和调制后通过LED灯以可见光形式广播，室内或室外接收装置在一定距离外接收可见光信号并进行解调和解码，还原出语音信息.

目前，通过理论和实验研究，远距离的可见光监听已经成为可能.未来的可见光通信监听技术会是一种监听距离远、监听设备便携、监听信息质量高、方便实用的监听手段.随着LED灯的普及，可见光通信因其隐蔽性必将成为相关部门需要重点防护的监听技术.

在国外，可见光通信研究最早可以追溯到 1880年Bell发明的“光电话”[2]，这是世界上第1台可见光无线传输系统，创造了近代可见光无线通信的雏形.这台光电话以太阳光为光源、硒晶体作为光接收探测器件，通过200 m的大气空间成功地传送了语音信号.20世纪90年代，半导体的研究得到了飞速发展，高亮度的可见光LED研制成功并且进入商业市场[3-4]，其高速调制能力和高亮度特性给可见光通信技术带来了突破的曙光.此后，在通信系统研究和使用标准制定上，可见光通信技术取得了一系列研究成果.

2000—2001年期间，日本研究人员Tanaka的研究团队对可见光通信技术进行了一系列验证性研究工作.他们在可见光LED室内照明系统的基础上进行各种调制编码仿真，并根据仿真结果得出不同通信速率条件下最合适的编码方式.

2003 年，日本的多家知名企业联合成立了可视光通信联盟(VLCC)，目的是发展、计划、研究和制定一套日本自己的可见光通信系统标准.其主要任务是开发、测试、调查、规划和规范基于LED的高速可见光通信系统[5].

2010年中国科学院半导体研究所实现单点2 Mbps接入速率的可见光通信系统，并在上海世博会航空馆和“沪上·生态家”馆展示[6].

2015年，解放军信息工程大学研制出通信速率最高达50 Gbps的实验室可见光通信样机，引起国内广泛关注[7].

随着可见光通信技术和LED技术的日趋成熟，共同推动了可见光通信监听技术的发展，法国的Cofrexport公司已开发出相关产品[8]，如图1、图2所示：

图1 可见光通信监听技术发射机

图2 可见光通信监听技术接收机

国内的中国科学院半导体研究所也于2014年开发出同类产品，即可见光通信监听系统.该系统包括监听光发射机和监听光接收机，如图3所示.

室外实验光发射机和光接收机距离150 m，18 W LED灯，光发射机处理电路已集成在LED灯中，光接收机处理电路和望远镜目镜连接，在背景光照度为大约8万lx时，可以完美还原室内语音信号.

可见光通信监听系统是一种所看即所听的监听装置，该技术成熟后，将来可以做到只要能看到房间内的灯光就能听到被监听人员的声音.这种监听装置目前还无法被探测和防护，隐蔽性强，能够在几百米外作业，语音还原质量好.随着室内LED灯的普及，将会使“监听”覆盖人们生活的每一个角落，且大量中高端LED芯片均由国外公司生产无法控制，造成巨大的信息安全问题，需要有关单位和部门的高度重视.图4是可见光监听系统可能的一种使用场景.

图3 可见光通信监听系统

图4 可见光通信监听技术使用场景

1 可见光通信监听技术原理及其关键技术

1.1 监听技术原理

可见光通信监听系统包括监听光发射机和监听光接收机，技术实现原理如图5所示：

图5 可见光通信监听技术原理图

在监听光发射机部分，被监听场所的语音信息通过预置在LED灯内的拾音器采集，经过调制编码后加载到LED光源上，LED光源通过高频率的闪烁，将采集到的语音信号广播出去.

在监听光接收机部分，百米以外，将光学增益器(或者称为光学天线)对准监听光发射机，通过内部电路能够实现光信号转化为电信号，再经过解调解码器的处理，利用降噪耳机能够听到清晰可辨的监听语音信息，该语音信息即为被监听场所的语音信号.

图6和图7分别为监听光发射机和监听光接收机的数据流.

图6 监听光发射机数据流

1.2 关键技术

可见光通信监听的关键技术主要有以下几种：

1) 复杂信道建模技术

可见光通信易受环境光、背景光和杂散光的影响，建立复杂室内室外可见光通信信道、评估信道对语音信号还原度的影响，是关键技术之一.

2) 微弱信号探测技术

可见光通信监听技术考虑到可见光经过长距离的室外光信道衰减，到达光接收机的光信号已非常微弱，采用微弱信号探测，是关键技术之一.

3) 调制编码技术

可见光通信监听技术在设计调制和编码方案时，利用语音信号可在低信噪比条件下得到还原，同时还可以避免灯具照明产生对人眼可觉察的影响，是关键技术之一.

4) 自适应均衡技术

利用可见光建立好的复杂信道模型和自适应均衡技术对信道进行补偿，是关键技术之一.

5) 光学天线技术

可见光通信监听技术利用一定视场角大光学增益的光学天线有利于光信号的探测和语音信号的还原，是关键技术之一.

6) 破雨雪雾技术

在雨雪雾、雾霾等天气，可见光通信监听技术利用一定技术降低天气情况对监听效果的影响，是关键技术之一.

2 LED灯的信息安全隐患

2.1 LED照明飞速发展

随着LED的快速发展，LED势必延伸到更多应用领域，但是其背后的安全隐忧却不可小觑.图8展示了LED照明的广泛应用，图9为2013年各行业LED照明的比重.

图8 LED照明的广泛应用

图9 LED照明各行业比重

2013年被业内认为是LED照明产业具有里程碑意义的一年，LED照明产品技术步入成熟期，前些年被诟病的质量问题争议越来越少.与此同时，LED照明产品的生产成本也与传统照明产品达到了基本持平，市场需求也在不断扩大.作为全球最大的LED产业的集聚区，近几年我国LED产业发展突飞猛进，产业配套逐渐完善，LED技术不断得到提升，成本不断下降，产品价格逐渐平民化.伴随着LED的广泛应用，如果将可见光通信监听技术与LED灯具集成，将会极大地改变目前监听技术现状，信息安全保密也将面临巨大的挑战[9].

2.2 可见光通信监听技术特点分析

1) 监听信息手段隐蔽性强

侦听或监听的手段有多种，常用的电子监听很容易被侦测到,同时从实施的角度来看存在着很大的难度和风险，而可见光通信监听技术将监听设备内置于LED光源驱动，使二者成为一个整体，很难被用户所发现.在信息传输载体方面，电磁手段较为容易被检测，而以可见光通信监听技术为代表的光泄漏手段目前还未得到充分的重视.

2) 监听信息以可见光载体传输，难以防护

目前，普遍采用的电子监听手段，监听信息需要利用无线发射和接收技术达到信息的传输，传输的射频信号容易干扰和防护.可见光通信监听技术以可见光作为信息传输载体，尚缺乏有效的防护手段.

3) 监听光源由于形状多样并且用途广泛导致不易被察觉

由于LED具有亮度高、低功耗、寿命长、启动快，功率小、无频闪、不容易产生视觉疲劳、绿色环保等优点.LED灯已经不再局限于我们所熟悉的汽车照明灯和简单照明，已经延伸到景观照明、交通信号灯、全彩显示屏、会议室和多功能厅照明、手机电子等便携式电子产品和家电、仪器仪表、通信设备和玩具等多领域使用，其发展前景非常看好.在未来几年，我们很有可能被LED所包围，可见光通信监听技术的存在也使得我们的信息安全存在重大威胁.同时近年来，LED灯呈现的多用途、不同形态进一步加大了保障信息安全的难度.

3 可见光通信监听安全隐患的应对

目前，人们对可见光通信监听技术的安全问题普遍缺乏认知，安全防护措施几乎为零.随着LED照明已经成为主流走进日常生活和工作，一旦对其疏于保密管控，极有可能对有关单位的信息安全造成严重危害.为了做好安全工作，应对可见光通信监听技术可能带来的威胁，我们建议应从增强防范意识和采用对应检测设备两方面入手.

3.1 增强防范意识

1) 加大宣传教育.

加强对涉密安全人员普及可见光通信监听技术，使其产生安全意识.随着LED灯的不断革新，用途和形态不断变化，可见光通信监听技术实现方式也有可能更加多样化.为此，必须加大宣传教育，使涉密人员认识到可见光通信监听技术给安全保密带来的威胁，充分认识其危害.

2) 要明确管理要求.

要像管理涉密计算机网络一样，制定对涉密场所的LED灯的管理规范，确立稳定安全的LED灯供货商，同时从制度上禁止一些不必要的LED在办公环境下使用.

3) 要开展防护研究和保密检查.

建议组织人员开展专门研究工作：一是开展专题调研，解剖各种类型、不同功能的LED，分析其可能的安全保密隐患和威胁，研究针对性的防护措施，研制并推广使用有效的检测防护设备；二是对于可见光通信监听技术带来的潜在安全危害，研究建立完善的安全策略，包括LED的电源驱动、频闪、亮度等多方面研究分析和保密检查，确保做到信息的安全防护.

3.2 检测设备

在做好安全防范的同时，应同时发展检测手段.联合研究机构，加大检测技术研究力度.加快检测装备开发，形成有效的检测方法，研发实用的装备手段.图10为一台手持解调设备检测LED光源是否为可见光通信监听设备的场景.可见光通信监听检测技术的原理类似监听技术的光接收机原理，如图5和图7所示，但需要提高检测识别率、降低误报率，并能够提供预先检测和常规检测形式，提供友好的报警方式和人机交互方式.

图10 可见光监听检测装备的使用场景

图11为中国科学院半导体研究所开发的可见光监听检测样机，除提供常规功能外，还能够进行时域和频域的信号分析.

图11 可见光通信监听检测设备和显示界面

4 结 论

本文详细讨论了以可见光通信监听技术为代表的可见光信息隐蔽传输技术，包括监听技术原理、关键技术和监听优势.可以看出，随着LED产业的快速发展和广泛应用，可见光通信监听技术作为一种新型监听手段，具有隐蔽性、不易检测和防护等特点，有关部门需要认识到该技术可能造成的安全保密隐患，加强自我防范意识和快速采用对应检测设备.

[1]于志刚, 陈长缨, 赵俊. 白光LED照明通信系统中的分集接收技术[J]. 光通信技术, 2008, 32(9): 52-54

[2]陈智浩. 现代光通信史上的里程碑——光电话的发明[J]. 光通信技术, 1993, 17(5): 288-289

[3]中国安防展览网. 10年内LED将占商用照明一半以上份额[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]段靖远. 我国登上可见光通信国际竞争舞台——中科院半导体所世博会展示半导体照明信息网技术[N]. 科学时报, 北京: 科学时报社, 2010-05-21

[7]史俊庭, 张卫东. 可见光通信速率提高至每秒50G[N]. 中国科学报, 北京: 中国科学报社, 2015-11-16

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

[9]王宁. LED照明有望明年爆发[N]. 南方日报, 广州: 南方日报社, 2013-10-28

段靖远

博士，副研究员，主要研究方向为可见光通信、光泄漏检测等.

jyduan@semi.ac.cn

盖轶冰

博士，高级工程师，主要研究方向为网络信息安全等.

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