Feldkampagne bewertet Schwachstellen von 5G-Netzen

Vorheriges Bild Nächstes Bild

Die Mobilfunknetztechnologie der fünften Generation, kurz 5G, ist heutzutage in aller Munde. Im Vergleich zu 4G ist diese neueste Art der Verbindung drahtloser Geräte mit Mobilfunknetzen darauf ausgelegt, höhere Datenraten, extrem niedrige Latenzzeiten, verbesserte Zuverlässigkeit, erweiterte Konfigurierbarkeit, erhöhte Netzwerkkapazität und -verfügbarkeit sowie Konnektivität für eine größere Anzahl von Benutzern zu bieten.

Das US-Verteidigungsministerium (DoD) würde diese kommerziellen Fortschritte gerne in seinen Kommunikationssystemen nutzen, aber 5G verfügt wie seine Vorgänger nicht über ausreichend robuste Sicherheitsfunktionen. Bei militärischen Anwendungen macht die drahtlose Konnektivität die Kommunikation anfällig für unerwünschte Erkennung (Erkennung des Vorhandenseins von Signalen), ungerechtfertigte Geolokalisierung (Bestimmung des Ursprungs von Signalen) und gezielte Störung (Behinderung der Übertragung und des Empfangs von Signalen). Bevor das Verteidigungsministerium die 5G-Technologie vollständig nutzen kann, müssen Netzwerkschwachstellen identifiziert, quantifiziert und gemindert werden.

„Bei kommerzieller Kommunikation machen Sie sich möglicherweise ein wenig Sorgen über Störungen, aber Sie machen sich keine Sorgen darüber, dass jemand absichtlich versucht, Sie zu finden und Ihre Kommunikation zu stören, wie es beim Militär der Fall ist“, erklärt Nicholas Smith, ein Forscher bei Tactical Networks Group, Teil des Forschungs- und Entwicklungsbereichs für Kommunikationssysteme am MIT Lincoln Laboratory. „Das Militär muss sich auch mit anspruchsvolleren Mobilitätsszenarien auseinandersetzen, die über das Gehen oder Fahren von Menschen hinausgehen, wie zum Beispiel Flugzeuge, die mit Mach-Geschwindigkeit fliegen.“

Smith ist Teil eines Lincoln Laboratory-Teams, das die Schwachstellen von 5G bewertet und potenzielle Lösungen entwickelt, um diese Technologie der neuesten Generation für den militärischen Einsatz widerstandsfähig zu machen.

Berge von Daten

Im April 2022 reiste das 5G-Schwachstellenbewertungsteam des Lincoln Laboratory mit Mitteln des DoD FutureG und des 5G Office zur Hill Air Force Base (AFB) in der Nähe von Salt Lake City, Utah, um dort eine Over-the-Air-Testkampagne durchzuführen neu eröffnetes 5G-Netzwerk-Testfeld, das von der Nokia Corporation entworfen und installiert wurde. Das Team gehört zu den ersten, die diesen Teststand auf der Hill AFB nutzen, einem von fünf DoD FutureG- und 5G Office-Testständen in US-Militäreinrichtungen, die als Standorte für die Bewertung der Fähigkeiten und Funktionalität von 5G-Netzwerken dienen. Obwohl 5G-Schwachstellen bereits zuvor modelliert wurden, stellte diese Testkampagne eine der ersten Red-Teaming-Kampagnen gegen 5G in diesem Bereich dar.

Über zwei Wochen hinweg setzte das Team mit GPS ausgestattete Antennenarrays ein, die mit softwaredefinierten Funkgeräten verbunden waren, um Netzwerksignale zu sammeln, die dann von einem eigenständigen Computerserver analysiert wurden. Jeden Tag fuhr das Team drei Lastwagen, die jeweils mit einem dieser Sensorsysteme ausgestattet waren, zu verschiedenen Standorten auf der Basis und bat die Verbindungsleute der Hill AFB, bestimmte Netzwerkparameter abzustimmen – zum Beispiel, um bestimmte Basisstationen ein- oder auszuschalten, die zu erhöhen oder zu verringern Leistung der Basisstationen oder passen Sie die Strahllenkungsrichtungen an. Bei jeder Anpassung sammelte das Team Daten, um festzustellen, wie schwierig es war, 5G-Signale zu erkennen, zu geolokalisieren und zu stören. Das bergige Gelände ermöglichte es dem Team, Ergebnisse aus verschiedenen Höhenlagen zu erhalten.

Bevor das Team sich auf den Weg zum Feld machte, führte das Team Modellierungen und Simulationen durch, um den Versuchsaufbau vorzubereiten. Dabei berücksichtigte es Faktoren wie die Entfernung von Signalen zu einer 5G-Basisstation, die Platzierung der Sensoren für den geringsten Geolokalisierungsfehler usw Die beste Sensorgeometrie ist. Sie überprüften auch die zur Erkennung und Geolokalisierung verwendeten Algorithmen.

Vor Ort bei Hill AFB erkannte das Team kontinuierlich 5G-Signale mithilfe verschiedener Arten von Erkennungsalgorithmen, von allgemeinen Energiedetektoren (die die Energie oder Leistung eines empfangenen Signals messen) bis hin zu spezifischeren Matched-Filter-Detektoren (die die Energie vergleichen). eines unbekannten Empfangssignals zur Energie eines bekannten Signals). Sie entdeckten Signale bis zum Horizont (bis zu einer Entfernung von etwa 20 Kilometern und überprüften weitere Entfernungen durch Simulation) – ein sehr großer Bereich, insbesondere für einen bestimmten Signaltyp namens Signalsynchronisationsblock (SSB). Der SSB ist konstruktionsbedingt erkennbar; Mobilgeräte müssen den SSB erkennen, um sich mit der Zeit und Frequenz eines drahtlosen Netzwerks zu synchronisieren und letztendlich auf das Netzwerk zuzugreifen. Diese Erkennbarkeit bedeutet jedoch, dass der SSB eine erhebliche Schwachstelle darstellt.

„Die Erkennung erleichtert das Stören“, sagt Smith. „Sobald Gegner ein Signal erkennen, können sie es stören. Da das SSB in Zeit und Frequenz periodisch ist, ist es recht einfach, es zu erkennen und dann zu stören.“

Um die Signale zu geolokalisieren, führte das Team eine Schätzung des Einfallswinkels mithilfe des MUSIC-Algorithmus (für MUltiple SIgnal Classification) durch, der die Einfallsrichtung der von einem Antennenarray empfangenen Signale schätzt. Wie Smith erklärte, können Sie gerade Linien zeichnen, die sich schneiden, wenn Sie zwei Sensoren auf gegenüberliegenden Seiten der Karte haben und den Winkel kennen, aus dem das Signal für beide Sensoren kommt. Wo sie sich schneiden, ist der Geolokalisierungspunkt.

„Eines unserer Ziele bestand darin, herauszufinden, wie kostengünstig oder einfach es wäre, 5G-Signale zu erkennen, zu geolokalisieren und zu stören“, erklärt Smith. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass man nicht besonders anspruchsvoll sein muss; handelsübliche, serienmäßig erhältliche, kostengünstige Hardware-Setups und Open-Source-Algorithmen sind effektiv.“

Diese 5G-Schwachstellenbewertung ist eine Erweiterung früherer 4G-Schwachstellenbewertungen, die vom Labor durchgeführt wurden.

Generationenfortschritte

Neue Generationen der drahtlosen Kommunikationstechnologie erscheinen normalerweise einmal pro Jahrzehnt. Die erste Generation, 1G, konzentrierte sich auf Sprache und ebnete in den 1980er Jahren den Weg für die ersten Mobiltelefone. Die zweite Generation, 2G, ermöglichte eine sicherere Sprachübertragung mit weniger statischen Störungen und führte Kurznachrichtendienste (SMS) oder Textnachrichten ein. Mit der Einführung von 3G in den frühen 2000er Jahren kamen die Kernnetzwerkgeschwindigkeiten, die für die Einführung der ersten Smartphones erforderlich waren, und brachten das Internet auf unsere Telefone, um mobile Anwendungen wie Karten und Videoanrufe zu unterstützen. Und 4G ermöglichte noch höhere Datenübertragungsraten, ermöglichte hochauflösendes Videostreaming, verbesserte Sprachanrufqualität (durch Langzeitentwicklung oder LTE-Technologie) und Internet-of-Things-Geräte wie Smartwatches und digitale Heimassistenten.

Die Einführung von 5G, die 2019 ernsthaft begann und sich ständig weiterentwickelt, bringt Verbesserungen in mehreren Bereichen um Größenordnungen mit sich, darunter Geschwindigkeit, Latenz, Konnektivität und Flexibilität. Beispielsweise erreicht 4G theoretisch eine maximale Datengeschwindigkeit von 1 Gigabit pro Sekunde, während 5G eine Höchstgeschwindigkeit von 20 Gigabit pro Sekunde erreicht – eine 20-mal höhere Geschwindigkeit. Zusätzlich zum Betrieb bei Low-Band-Frequenzen (unter 6 GHz) kann 5G auch bei weniger überlasteten Millimeterwellenfrequenzen (über 24 GHz) betrieben werden. Das reichhaltige Spektrum, das bei diesen höheren Frequenzen verfügbar ist, ermöglicht extreme Kapazität, ultrahohen Durchsatz und extrem niedrige Latenz. Da hochfrequente Signale jedoch auf ihrem Weg durch die Atmosphäre gestreut werden, ist ihre Reichweite begrenzt. Um dieser Einschränkung zu begegnen, führen Forscher Konzepte ein, um die derzeit großen Mobilfunkmasten (Makrozellen), die kilometerweit voneinander entfernt sind, durch kleinere Türme (Mikrozellen, Pikozellen oder Femtozellen) zu ergänzen, die näher beieinander liegen, insbesondere in dicht besiedelten Stadtgebieten. Mit diesen kleinen Zellen müssen die hohen Frequenzen nicht so weit transportiert werden und können vielen Benutzern hohe Datenraten bieten.

Massive Multiple-Input-Multiple-Output-Antennen-Arrays (MIMO) bieten eine weitere Möglichkeit, gleichzeitige Benutzer zu bedienen. Durch die Bereitstellung einer großen Anzahl von Antennen an 5G-Basisstationen können drahtlose Signale eng in gezielte Richtungen auf ein gewünschtes Empfangsgerät wie ein Mobiltelefon, einen Laptop oder ein autonomes Auto fokussiert werden, anstatt sich in alle Richtungen auszubreiten. Diese als Beamforming bezeichnete Fokussierungstechnik hilft Benutzern, präzisere, zuverlässigere drahtlose Verbindungen mit schnellerer Datenübertragung herzustellen und verhindert, dass die Daten an unbeabsichtigte Empfänger gelangen.

„5G bietet die Möglichkeit, dass die Kommunikation viel stärker auf Beamforming und Massive MIMO basiert“, sagt Smith. „Mit diesen Technologien hat 5G das Potenzial, weniger erkennbar und geolokalisierbar zu sein und störungssicherer zu sein als alle vorherigen Generationen. Wir müssen jedoch darüber informiert werden, wie das Netzwerk dafür konfiguriert werden muss, da 5G nicht von Natur aus sicher ist.“ "

Verbesserte Belastbarkeit

Im vergangenen Jahr hat das Team die Erkenntnisse aus seiner Feldtestkampagne angewendet, um die Ausfallsicherheit von Standard-5G-Komponenten und -Prozessen zu verbessern.

„Unser Ziel ist es, die Verbesserungen der Ausfallsicherheit für das Verteidigungsministerium so einfach und kostengünstig wie möglich zu implementieren, indem wir die vorhandene 5G-Technologie nutzen und die 5G-Hardware nicht modifizieren müssen, zumindest nicht auf der Mobiltelefonseite“, sagt Smith.

Smith freut sich darauf, in Zukunft komplexere Algorithmen zu entwickeln, insbesondere solche, die maschinelles Lernen nutzen, um 5G-Signale zu erkennen und zu geolokalisieren. Er äußerte auch das Interesse des Teams, 5G möglicherweise für Drohnenschwärme zu nutzen, die laut Smith aufgrund von Faktoren wie Bewegungskomplexität und Leistungsbeschränkungen „eines der größten Kommunikationsprobleme“ darstellen.

Wenn der zehnjährige Technologiezyklus anhält, wird 6G wahrscheinlich etwa im Jahr 2030 auf den Markt kommen. Zu den neuen Fähigkeiten könnte die Anwendung künstlicher Intelligenz zur Verwaltung von Netzwerkressourcen gehören; Ausweitung der Frequenzen auf noch höhere (Terahertz-)Bereiche; und die Integration der Kommunikation über Land, Luft, Meer und Weltraum in ein zusammenhängendes Ökosystem.

„Unser aktuelles Programm heißt eigentlich 5G-to-nG [nächste Generation]“, sagt Smith. „Wir blicken bereits auf 6G und die damit verbundenen Schwachstellen für das Verteidigungsministerium.“

Vorheriger Artikel Nächster Artikel