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?Part.1背 景
一、軟件定義的無線電（Software-Defined Radios，SDR）
物理層定義了如何處理信號來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。過去，給定的設備使用專用硬件實現(xiàn)固定的物理層。如今，由于與軟件的集成，無線電硬件通常更加靈活。其定義如下：
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SDR是指部分或全部物理層功能是由軟件定義的無線電。
這意味著物理層的全部或部分是用軟件實現(xiàn)的。圖1比較了SDR和傳統(tǒng)無線電。SDR的出現(xiàn)對安全產(chǎn)生了巨大影響，使用SDR的攻擊者，能夠靈活且不用太多成本地訪問無線電頻譜。SDR特別適用于生成流氓信號注入其他接收器，或者制作任何協(xié)議的數(shù)據(jù)包，包括專有協(xié)議。
圖1 SDR與傳統(tǒng)無線電比較
二、全數(shù)字無線電（Fully-Digital Radios）
傳統(tǒng)的無線電發(fā)射機由幾個模擬射頻組件組成，這些組件在無線電載波上調制基帶信號。這種類型的元件很難與系統(tǒng)的其它數(shù)字部分集成，并且能耗大。出于這個原因，許多研究工作都致力于將它們的數(shù)量減少到最小，從而實現(xiàn)全數(shù)字無線電，下面是其定義。
全數(shù)字無線電：用數(shù)字組件實現(xiàn)的無線電，大多沒有模擬模塊。
有許多策略可以實現(xiàn)這種無線電。一般來說，它們基于一位編碼（One-Bit Coding）來產(chǎn)生無線電信號。
圖1比較了傳統(tǒng)和全數(shù)字無線電的工作原理。傳統(tǒng)無線電首先將基帶信號轉換到模擬物理域，然后將其與射頻載波混頻，最后用線性功率放大器放大。相比之下，全數(shù)字無線電首先使用帶通一位編碼產(chǎn)生調制方波載波，然后用開關放大器放大產(chǎn)生的二進制信號。這種方式更加節(jié)能。一位編碼是可能的，因為近似產(chǎn)生的誤差被維持在目標頻帶之外，這樣它能夠很容易被過濾掉。
三、射頻脈寬調制（Radio-Frequency Pulse-Width Modulation，RF-PWM）
圖2解釋了RF-PWM方波如何逼近無線電通信中使用的通用帶通信號。最上面的圖表示的是通用帶通信號的頻率為f0的正弦波，其幅度a(t)和相位θ(t)能夠瞬時變化。在頻域中，它占據(jù)從f0-B至f0+B，即2B帶寬，可以寫為：
中間圖所示的RF-PWM信號是幅度為1或0的普通方波，其脈沖顯示寬度、頻率和相位的瞬時變化。
圖2 RF-PWM逼近通用帶通信號示例
很明顯，RF-PWM方波的基波分量與我們想要近似的通用帶通信號具有相同的形式。如果基頻比帶寬大的多，基帶分量和諧波就能很好地與基頻分離，并且可以忽略不計。圖3展示了一個使用帶通信號的實際例子，該信號具有三個正交子載波，每個子載波都經(jīng)過相位調制（3íPSK250R），在4KHz基頻附近清晰可見。在目標頻帶內，RF-PWM可以很好地近似原始正弦波，而方波的基帶和諧波就可以作為噪聲被忽略?？傊?，可以將RF-PWM定義如下：
RF-PWM：一種帶通一位編碼技術，將通用帶通信號表示為方波的基波分量，忽略作為帶外噪聲的其他分量。
圖3 帶通信號舉例
四、軟件控制的（電磁）輻射（Software-Controlled（Electromagnetic）Emission）
關于輻射安全的文獻已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了非特權軟件可以控制各種輻射?？蓪⑵涓爬ㄈ缦鹿粼Z：電子設備的意外物理泄露。其具有兩種特性：
1.載波：物理泄露是由一個或多個載波組成，這些載波從設備傳播并可被接受者接收。
2.軟件調制：非特權軟件可以通過某種物理效應調制載波。
Part.2Noise-SDR 方法
為了實現(xiàn)任意調制，Noise-SDK在傳統(tǒng)的基于泄露的發(fā)射機上增加了兩個抽象級別，其結構如下：
1.軟件定義基帶（BB）：給定協(xié)議的通用基帶信號在軟件中生成。
2.軟件全數(shù)字中頻（IF）：使用RF-PWM將通用基帶信號嵌入方波的基波分量中，該步驟完全在軟件中執(zhí)行。
3.電磁RF泄露：使用一種特殊的軟件模式在電磁泄露上調制RF-PWM方波。
這種架構解決了三個主要挑戰(zhàn)：
挑戰(zhàn)一及解決方案：通常，軟件不控制潛在泄漏源的頻率和相位。為了解決這個問題，我們依賴于中頻階段。中頻FIF為我們選擇載波fc=Fleak+FIF提供了一定的自由度。此外，我們可以控制輸出信號的相位，從而實現(xiàn)頻率或相位調制。
挑戰(zhàn)二及解決方案：一般而言，軟件只能對泄露的方波進行交叉調制。相反，我們希望產(chǎn)生一個經(jīng)過幅度、頻率和相位調制的任意正弦?guī)ㄐ盘?。為了解決這個問題，我們利用帶通一位編碼。具體來說，我們使用RF-PWM，它將此類信號表示為方波的基波分量，忽略作為帶外噪聲的諧波。
挑戰(zhàn)三及解決方案：通常，軟件可用的定時器源比專用無線硬件可用的定時器源具有更低的精度和分辨率。此外，一位編碼技術通常需要過采樣和良好的時間分辨率。為了解決這個問題，我們選擇使用RF-PWM。與其他技術相比，它采用我們想要產(chǎn)生的信號頻率的方波。這降低了對精度和分辨率的要求。
利用這種架構，Noise-SDR可以實現(xiàn)任意調制。圖4顯示了幾個不完整的例子。它們包括模擬的和數(shù)字的協(xié)議、使用單個或多個副載波、振幅頻率或相位調制，甚至擴頻。
圖4 Noise-SDR實現(xiàn)任意調制方法
Noise-SDR是一種不依賴于特定威脅模型的通用方法，但它有一些最低要求：
1.最小控制下的泄漏：目標設備應該有一個泄漏源，軟件可以用方波對其進行交叉調制。
2.定時器源：軟件應該能夠訪問相對準確的時間源。
3.軟件執(zhí)行：Noise-SDR要求在目標上執(zhí)行代碼，但沒有任何特權、許可或對任何外設的訪問權。這種代碼通常被認為無法傳輸無線電信號，但使用Noise-SDR可以建立高級無線電通信。
Part.3基于Fldigi工具的Noise-SDR實現(xiàn)
Fldigi是一款流行的SDR工具，支持多種非專業(yè)無線電協(xié)議，每種協(xié)議都針對不同的應用進行了優(yōu)化。作者將Fldigi與RF-PWM等集成在一起，形成了一款可以在ARMv7-A、ARMv8-A、x86-64和MIPS32上運行的獨立工具。該工具基于對DRAM的密集內存訪問來調節(jié)DRAM時鐘的發(fā)射，并且不需要Linux、Windows和Android上的特權。使用這種模塊化架構，添加其他的調制或協(xié)議非常簡單。
支持的協(xié)議：Fldigi-Noise-SDR支持的可應用于Android的協(xié)議有CW、RTTY、MFSK、PSK、THOR、Olivia等。還添加了一個簡單的類似LoRa的CSS協(xié)議和一個真實的LoRa實現(xiàn)。可以使用幾種不同的調制方案，包括開關鍵控（OOK）、二進制頻移鍵控（BFSK）、M進制頻移鍵控（MFSK）、偏移增量頻移鍵控（IFK+）、相移鍵控（PSK）、正交頻分復用（OFDM）等。
界面：為了簡單起見，使用命令行界面與工具進行交互。
RF-PWM：產(chǎn)生RF-PWM方波的算法如圖5所示。第一步是以傳統(tǒng)方式產(chǎn)生調制中頻正弦載波；第二步通過查看零點來識別正弦波的所有周期，它和RF-PWM方波的周期相對應，也可以識別每個周期的幅度；第三步計算每個周期的脈沖寬度，只需對幅度值進行預失真即可。
泄露：作者等人使用內存訪問的方式來調制DRAM時鐘（及其諧波）的輻射。為了產(chǎn)生RF-PWM方波，在一個脈沖Thigh,i期間重復進行密集的存儲器訪問，然后保持靜止，直到周期結束（時間以ns為單位測量）。在x86-64/AMD上，訪問DRAM是一種行之有效的方法，即使在存在SSC的情況下也會產(chǎn)生強烈的泄露。由此，可以使用相似但不同的技術將這種方法擴展到使用ARMv7-A和ARMv8-A處理器架構的智能手機上。
圖5 產(chǎn)生RF-PWM方波算法
Part.4實驗評估
利用特定設備上的特定泄漏源比較不同協(xié)議和調制技術的性能，這是有意義的。因為同一設備具有相同的屬性，如功率、時鐘穩(wěn)定性和可用帶寬。不同的泄漏源/裝置將具有不同的特性。因此，并非所有協(xié)議都適用于所有設備，同樣的調制方式在其他設備上的性能也不盡相同。Noise-SDR的優(yōu)勢之一是能夠靈活地選擇最合適的。
Part.5安全應用
一、泄露
攻擊者入侵受害者設備，然后運行Noise-SDR的代碼將敏感數(shù)據(jù)泄露給附近的接收器，接收器也被攻擊者控制。對攻擊者來說，最壞的情況是受害者被隔離，也就是說，與網(wǎng)絡斷開連接。
二、追蹤
類似與滲透設置，攻擊者運行Noise-SDR的代碼來傳輸固定的信標信號，該信號可用于識別和跟蹤受害者。同樣在這種情況下，攻擊者控制接收器。這種情況尤其適用于移動和物聯(lián)網(wǎng)設備。
三、注入
攻擊者在一個受害者上使用Noise-SDR，將惡意信號注入另一個受害者接收器（在同一平臺或附近）。當將真實發(fā)射器放置在靠近受害者接收器的位置是不切實際時，這是很有用的。利用受害者設備進行傳輸要比使用無線電設備更便宜、更隱蔽。
圖6 Noise-SDR的安全應用
參考鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9833767。
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本文名稱：Noise-SDR：來自非特權軟件的電磁噪聲的任意調制及其對放射安全的影響
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