第五代(5G)移动网络技术最近一直在大肆宣传。与4G相比，这种将无线设备连接到蜂窝网络的最新方式旨在提供更高的数据速率、超低延迟、改进的可靠性、扩展的可配置性、增加的网络容量和可用性，以及更多用户之间的连接。
美国国防部(DoD)希望在其通信系统中利用这些商业进步，但5G与其前身一样，缺乏足够强大的安全功能。对于军事应用，无线连接使通信容易受到不必要的探测(识别信号的存在)、不可靠的地理定位(确定信号的来源)和有目的的干扰(阻碍信号的传输和接收)。在国防部能够充分利用5G技术之前，必须识别、量化和缓解网络漏洞。
麻省理工学院林肯实验室通信系统研发部门战术网络小组的研究员尼古拉斯·史密斯解释说:“对于商业通信，你可能会担心一些干扰，但你不必担心有人故意寻找你并破坏你的通信，就像在军事中那样。”“除了人们走路或开车，军队还必须应对更具挑战性的机动性场景，比如以马赫速度飞行的飞机。”
史密斯是林肯实验室团队的一员，该团队正在评估5G的漏洞，并开发潜在的解决方案，以使这一最新一代技术具有足够的军事用途。
2022年4月，林肯实验室5G脆弱性评估小组前往犹他州盐湖城附近的希尔空军基地(AFB)，在诺基亚公司设计和安装的新开放的5G网络试验台进行空中测试活动。该团队是首批在希尔空军基地利用该试验台的团队之一，该试验台是美国军事设施中五个国防部未来g和5G办公室试验台之一，作为评估5G网络能力和功能的地点。尽管之前已经对5G漏洞进行了建模，但这次测试活动代表了该领域首批针对5G的红队活动之一。
在两周的时间里，该团队部署了配备gps的天线阵列，这些天线阵列与软件定义的无线电设备相连，以收集网络信号，然后由一台独立的计算机服务器对这些信号进行分析。每天，该团队驾驶三辆卡车，每辆卡车都装有一个传感器系统，前往基地的不同地点，并要求希尔空军基地的联络员调整某些网络参数，例如，打开或关闭某些基站，增加或减少基站的功率，或调整波束转向方向。每次调整后，该团队都会收集数据，以确定检测、定位和干扰5G信号的难度。多山的地形使团队能够从不同的高度获得结果。
在前往现场之前，该团队进行了建模和模拟，为他们的实验设置做准备，考虑了诸如距离5G基站信号可以检测到多远，将传感器放置在最低地理定位误差的位置以及最佳传感器几何形状等因素。他们还验证了用于检测和地理定位的算法。
在希尔空军基地现场，该团队通过几种类型的检测算法持续检测5G信号，从普通能量探测器(测量接收信号的能量或功率)到更具体的匹配滤波器探测器(将未知接收信号的能量与已知信号的能量进行比较)。他们检测到的信号一直到地平线(大约20公里外，并通过模拟验证了更远的距离)——这是一个非常远的范围，特别是对于一种被称为信号同步块(SSB)的特定类型的信号。SSB被设计为可探测的;移动设备需要检测到SSB，以便与无线网络的时间和频率同步，并最终接入网络。然而，这种可探测性意味着SSB构成了相当大的脆弱性。
“探测有助于干扰，”史密斯说。“一旦对手探测到信号，他们就可以干扰它。因为SSB在时间和频率上都是周期性的，所以很容易被检测到，然后被干扰。”
为了对信号进行定位，该团队使用MUSIC(多信号分类)算法进行了到达角估计，该算法估计了天线阵列接收到的信号的到达方向。正如Smith解释的那样，如果你在地图的两侧分别放置了两个传感器，并且知道两个传感器的信号来自哪个角度，你就可以画出相交的直线;它们相交的地方就是地理定位点。
史密斯解释说:“我们的目标之一是看看检测、定位和干扰5G信号有多便宜或多容易。”“我们的研究结果表明，你不需要非常复杂;商业上现成的、低成本的硬件设置和开源算法是有效的。”
本次5G脆弱性评估是实验室此前进行的4G脆弱性评估的延伸。
新一代无线通信技术通常每十年出现一次。专注于语音的第一代1G为20世纪80年代第一批移动电话铺平了道路。第二代，2G，使更安全的语音传输更少的静态，并引入了短消息服务(SMS)，或文本消息。
随着3G在21世纪初的首次亮相，推出第一批智能手机所需的核心网络速度，将互联网带到我们的手机上，以支持地图和视频通话等移动应用程序。4G提供更高的数据传输速率，支持高清视频流，增强语音通话质量(通过长期演进或LTE技术)，以及智能手表和数字家庭助理等物联网设备。
5G于2019年正式推出，并将继续发展，在速度、延迟、连接性和灵活性等多个领域都有了数量级的改进。例如，4G理论上的数据速度最高可达每秒1千兆位，而5G最高可达每秒20千兆位——速度快20倍。除了在低频段(低于6 GHz)运行外，5G还可以在不那么拥挤的毫米波频率(高于24 GHz)运行。在这些较高频率上可用的丰富频谱实现了极高的容量、超高的吞吐量和超低的延迟。
然而，由于高频信号在穿过大气时会受到散射，因此它们的传播范围是有限的。为了解决这一限制，研究人员正在引入一些概念，以补充目前相距数英里的大型手机信号塔(macrocell)，以及间距更近的小型信号塔(microcell, piccell，或femtocell)，特别是在高密度的城市地区。有了这些小蜂窝，高频不必传播那么远，可以为许多用户提供高数据速率。
大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列为并发用户提供了另一种服务方式。如果在5G基站上设置大量天线，就意味着无线信号可以紧密地集中在手机、笔记本电脑、自动驾驶汽车等所需接收设备的目标方向上，而不是向四面八方传播。这种聚焦技术被称为波束成形，它可以帮助用户获得更精确、更可靠的无线连接，传输速度更快，并防止数据流向意想不到的接收者。
史密斯说:“5G为通信提供了更多基于波束成形和大规模MIMO的机会。”“有了这些技术，5G有可能比前几代更不易被探测到，更不易被地理定位，也更能抗干扰。但我们需要了解如何配置网络来做到这一点，因为5G本身并不安全。”
在过去的一年里，该团队一直在应用他们现场测试活动的见解，以增强标准5G组件和流程的弹性。
Smith说:“我们的目标是使弹性增强尽可能简单和具有成本效益，以便国防部利用现有的5G技术，而不必修改5G硬件，至少在手机方面。”
展望未来，史密斯对设计更复杂的算法感到兴奋，尤其是那些使用机器学习来检测和定位5G信号的算法。他还表达了团队对将5G用于无人机群的兴趣，史密斯表示，由于移动复杂性和功率限制等因素，这是“通信领域最难的问题之一”。
如果10年的技术周期持续下去，6G可能会在2030年左右推出。新功能可能包括应用人工智能来管理网络资源;将频率扩展到更高(太赫兹)的范围;并将陆地、空中、海洋和太空的通信整合成一个有凝聚力的生态系统。
史密斯说:“我们目前的项目实际上被称为5g到ng(下一代)。“我们已经在展望6G以及它可能给国防部带来的漏洞。”麻省理工学院提供
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引用:实地行动评估5G网络漏洞(2023年，8月8日)2023年8月8日检索自https://techxplore.com/news/2023-08-field-campaign-vulnerabilities-5g-networks.html本文档
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