无线网络正处于一场革命的高潮。100多年来，无线链路一直依赖于广角广播，使用对发射角或接收角相对不敏感的带增益的发射天线和接收天线(因此具有相对低的方向性)。抵抗窃听和其他安全威胁的韧性已经成为通信系统的关键设计考虑因素之一。随着无线系统变得无处不在，对各级安全协议的需求日益增加，包括软件（如加密）、硬件（如可信平台模块）和物理层（如波前工程）。随着5G蜂窝移动通信系统的推出，这种方法很快将变为一种全新的方式，其中高度定向(和可操纵)天线提供更像定向波束而不是像全向广播的链路。使用更多定向信道有许多优点，包括改进的数据安全性。随着不可避免的向更高载波频率的转变，特别是在太赫兹范围内（100千兆赫以上），一个重要的考虑因素是减小传输信号的发散角（即方向性增加），这是因为波长越小衍射效果越弱。近年来，对以太赫兹频率工作的无线设备和系统的研究已经显著增强。与低频的广域广播相比，这些高频窄角广播为窃听者提供了更具挑战性的环境。其中波束发散角比现有移动网络使用的要小得多，现有移动网络通常使用120°扇区。然而，尽管普遍假设高频无线数据链路的安全性得到改善，但太赫兹窃听的可能性尚未被表征。

图1 具有窃听者的视距传输信道的示意图。该实验的示意图示出了Alice（发射器）和Bob（接收器）之间的视线传输信道。该插图显示了在200GHz频率下测量中使用的喇叭天线和介质透镜组合的发射机发射的辐射的测量（蓝色）和计算（红色）角分布。这些数据表明34 dBi的高方向性（高于各向同性的分贝）并且没有可测量的旁瓣。在这项工作中使用的其他频率的结果都是相似的。该示意图还说明了窃听者（Eve）的策略：放置一个小的（与光束大小相比）物体（橙色圆柱体），它将辐射以相对波束的初始传播轴成θ角被动地散射到位于其他地方的接收器。在此实验中Eve使用的接收器与Bob使用的接收器相同，并且对发射器（Alice）的辐射方向图具有相同的角度灵敏度。

最近的一些研究已经考虑了较低频率的问题，但通常认为窃听者的天线必须位于发射天线的广播扇区内，从而得出结论，当发射信号具有足够高的方向性时，窃听变得基本上不可能。与这种期望相反，近日美国布朗大学的科学家证明了窃听者可以拦截视距传输中的信号，即使它们是用窄波束以高频率传输的，并且重点讨论当通信信道具有方向性时窃听者面临的新挑战。窃听者的技术与用于低频传输的技术不同，因为它们涉及将物体放置在传输路径中以向窃听者散射辐射。作者的结果表明，窄的铅笔状光束不能保证免受窃听。虽然这种说法经常被引用为使用毫米波或太赫兹波的优点之一，但实验分析表明，除非使用反措施，否则敏捷窃听者总是可以成功地实施未检测到的攻击。传统的反措施，例如那些依赖于波束成形或更先进的多路复用方案的反措施可能对这些攻击的效果较差，因为由Eve采样的波阵面部分几乎与Bob的预期一致。文中作者提出的新的反措施包括表征信道的背向散射，要求Alice使用收发器，而不仅仅是发射器，证明了这种反措施可以用来检测一些（尽管不是全部）窃听者。因此，为了将安全性结合到定向无线链路中，系统将需要新的物理层组件和用于信道估计的新协议。作者的工作强调了物理层安全在太赫兹无线网络中的重要性以及需要结合新的对策对收发机重新设计。对于文中实验的测量，发射器到接收器的距离远远小于通常用于回程应用的视距太赫兹链路的距离。尽管如此，得出的结果通过缩放发射器和接收器增益的方式同样适用于更长距离的通信。此外，结果还证明了视距通信的易变性，这可能具有除窃听之外的其他作用，例如用于将信号分配给网络中的多个接收器。相关内容以《Security and eavesdropping in terahertz wireless
links》为题，发表在《Nature》杂志上。

图2 测量使用扁平物体进行窃听攻击的阻塞和保密能力。a、对于三种不同的载频，用于各种尺寸的方形平面金属反射器的阻塞b(由实线连接的填充正方形；左轴)和标准化保密容量cs(由虚线连接的开放圆；右轴)。b、在b <0.5时针对分束器的透射系数T的值计算的后向散射参数S180（红色;左轴）和cs（蓝色;右轴）的值。

来源： Nature

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