Análise de Sinal 5G Usando Helikite: Insights e Segurança

Veículos aéreos não tripulados (VANTs), normalmente chamados de drones, ficaram populares por causa das várias utilidades. Eles conseguem rapidamente alcançar áreas perigosas para missões de busca e resgate ou entregar suprimentos médicos, melhorando a segurança pública. Usando uma estação base montada em um drone, a cobertura sem fio pode melhorar, reduzindo lacunas no serviço e permitindo que mais gente se conecte. Drones que conseguem acessar a tecnologia 5G podem coletar dados e realizar tarefas em cidades inteligentes, agricultura e indústrias.

Pra tirar o máximo proveito desses benefícios, é importante ter uma conexão sem fio forte pra drones, especialmente quando eles voam além da linha de visão do piloto. Isso pode ser feito com drones conectados por celular (C-UAVs).

Recentemente, estudos investigaram como os C-UAVs se conectam e funcionam usando o padrão sem fio 4G de evolução a longo prazo (LTE). Alguns examinaram a comunicação ar-terra usando um smartphone em um drone. No entanto, esses estudos focaram em indicadores de performance básicos disponíveis por meio de aplicativos comerciais para smartphones. Outros estudaram canais ar-terra usando equipamentos LTE e drones com rádios definidos por software (SDRS) e GPS. Os dados brutos coletados foram analisados pra entender melhor vários aspectos do desempenho do canal e dos algoritmos de recepção.

O 5G New Radio (NR) é um padrão de comunicação sem fio mais avançado que está gradualmente substituindo o LTE. Enquanto o 5G NR é geralmente mais seguro que o LTE, ainda tem vulnerabilidades. Pesquisadores exploraram essas fraquezas, especialmente em relação a interferências e hacking. Certos sinais, como sinais de sincronização e canais de transmissão, são considerados alvos fáceis para atacantes. Além disso, o aumento da computação quântica representa uma ameaça aos métodos de segurança atuais, já que pode facilitar o trabalho dos hackers em quebrar criptografias.

#Experimento com Helikite

Este estudo envolveu o uso de um helikite, que é uma mistura de pipa e balão, pra coletar dados sobre sinais 5G em áreas urbanas. O experimento ocorreu na Universidade Estadual da Carolina do Norte. O helikite foi voado a uma altitude de 400 pés das 12h às 21h durante um festival em agosto de 2022. Equipado com um SDR e um receptor GPS, o helikite coletou sinais de estações base 5G comerciais na C-Band, que opera em torno de 3,7 GHz. Ele coletou dados a cada 9 minutos com uma frequência de amostragem de 30,72 MHz.

Durante o voo, o helikite conseguiu capturar sinais de uma ampla faixa de largura de banda de 60 MHz, especificamente de 3,7 GHz a 3,76 GHz, operada pela Verizon nos EUA. O objetivo do estudo era avaliar como os sinais mudavam com base na altitude do helikite.

#Coleta de Dados I/Q do 5G NR

O experimento com o helikite focou em coletar dados sobre sinais 5G. Os dados brutos coletados foram processados usando um software especializado pra analisar a qualidade do sinal. Os principais indicadores de interesse foram RSRP (Poder do Sinal de Referência Recebido) e RSRQ (Qualidade do Sinal de Referência Recebido). Esses indicadores fornecem informações importantes sobre a força e qualidade dos sinais 5G recebidos.

Pra começar o processo, os sinais coletados foram transformados em um formato visual chamado espectrograma. Essa representação visual ajuda a entender como a frequência do sinal muda ao longo do tempo. Os resultados mostraram que sinais específicos foram detectados a cada 20 milissegundos, fornecendo informações em tempo real sobre a força e qualidade do sinal.

A análise dos dados revelou que diferentes identidades de célula física (PCIs) podiam ser rastreadas a partir dos sinais coletados. Ao acompanhar esses picos nos dados, os pesquisadores puderam determinar de quais estações base os sinais se originavam. Ao longo do experimento, sinais de pelo menos seis estações base diferentes foram registrados.

#Sincronização e Medição da Qualidade do Sinal

Uma parte significativa do estudo focou em entender como a sincronização funciona no sistema 5G. Quando um dispositivo tenta se conectar a uma rede 5G, ele precisa se sincronizar com a estação base. Esse processo envolve ajustar quaisquer diferenças de frequência e alinhar o tempo com base em sinais específicos recebidos da estação base.

O sinal de sincronização primário (PSS) teve um papel crucial nesse processo. Um sinal de sincronização secundário (SSS) também foi usado pra refinar ainda mais a conexão. Ao calcular correlações entre os sinais recebidos e os conhecidos PSS e SSS, os pesquisadores conseguiram detectar os IDs de célula física e avaliar a precisão da sincronização.

A qualidade do sinal foi quantificada usando métricas RSRP e RSRQ, que indicam quão fortes e confiáveis eram os sinais. Os pesquisadores descobriram que, à medida que a altitude do helikite aumentava, o RSRP geralmente aumentava até um certo ponto. No entanto, a relação entre RSRQ e altitude era menos clara. Altos valores de RSRQ sugerem que sinais de várias estações base poderiam estar interferindo entre si.

#Questões de Segurança e Privacidade no 5G

As descobertas do experimento com o helikite levantam questões importantes sobre a segurança e privacidade das redes 5G. Com a capacidade de coletar sinais usando equipamentos SDR comerciais, há um risco potencial de vigilância não autorizada.

A facilidade de capturar dados em altas altitudes significa que atacantes poderiam coletar grandes quantidades de informações de várias fontes. O recente incidente do balão de vigilância destacou como esses sistemas de alta altitude poderiam monitorar áreas sensíveis e dados. À medida que drones voam mais alto, eles têm uma linha de visão mais ampla, permitindo interceptar mais sinais, desde que esses sinais sejam fortes o suficiente.

O potencial de armazenar grandes quantidades de dados sem fio apresenta mais preocupações de segurança. Partes não autorizadas poderiam capturar sinais e guardá-los até que computadores quânticos se tornem capazes de decifrar os dados. Esse risco enfatiza a necessidade de métodos de criptografia mais novos e fortes que possam resistir a futuros ataques de computação quântica.

#Resiliência a Interferências

Embora as redes 5G sejam projetadas pra resistir a ataques, algumas vulnerabilidades ainda existem. Interferências são um método de ataque onde um adversário tenta interromper os sinais que um usuário está tentando receber. O estudo notou que o 5G NR tem algumas melhorias em relação ao LTE nesse aspecto. Técnicas aprimoradas de colocação dinâmica de sinais ajudam a reduzir as chances de ser vulnerável a interferências.

As redes 5G costumam combinar sinais de várias faixas, o que adiciona uma camada extra de proteção. Se uma parte do sinal for interferida, a rede pode continuar operando usando outros canais. Essa diversidade nos canais de sinal torna mais desafiador para um atacante conseguir interromper todo o sistema.

#Conclusão

Neste estudo, os pesquisadores coletaram dados sobre sinais 5G usando um helikite em uma área urbana. Os resultados mostraram como a força e a qualidade dos sinais variam com a altitude. A análise revelou insights interessantes sobre processos de sincronização e destacou vulnerabilidades potenciais relacionadas a vigilância e ameaças à segurança.

À medida que o uso da tecnologia 5G continua a se expandir, é essencial entender essas vulnerabilidades e trabalhar em soluções que fortaleçam a segurança e a privacidade das comunicações sem fio. Uma coleta de dados mais abrangente e métodos de análise refinados podem levar a melhores medidas de proteção, garantindo o uso seguro de tecnologias avançadas no nosso dia a dia.