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“黑客”扩展学习之“5G技术详解”

2018-12-28 02:35| 投稿: xiaotiger |来自: 互联网


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摘要: 中国三大运营商移动、联通、电信都给出了“5G”推出的时间表,目前看来,5G 在中国的初步落地,已经基本上锁定了 2019 年。那么再即将到来的“5G”时代,对于热衷“黑客”学习的我们应该知道哪些内容呢? 今天,就以 ...

中国三大运营商移动、联通、电信都给出了“5G”推出的时间表,目前看来,5G 在中国的初步落地,已经基本上锁定了 2019 年。那么再即将到来的“5G”时代,对于热衷“黑客”学习的我们应该知道哪些内容呢?


今天,就以本篇文章内容,针对“5G技术”进行详细剖析,让大家了解什么是5G?关键技术有哪些?如何部署?给我们的生活带来哪些影响?以及“5G”时代所面对的安全隐患有哪些?

一、“5G”到底是什么?

互联网改变了世界,移动互联网重新塑造了生活,“在家不能没有网络,出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜,需求的“更”是没有止境的,这促使着移动互联网技术突飞猛进,技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛,5G时代很快就要来到了。

那么什么是5G呢?

5G是由“第三代合作伙伴计划组织”(3rd Generation Partnership Project,简称为3GPP)负责制定的。3GPP是一个标准化机构。目前其成员包括中国、欧洲、日本、韩国和北美的相关行业机构。“5G”实际上指的是一个行业标准,即“第五代移动通信技术标准”,也是4G之后的延伸,弥补了4G技术的不足,在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。

通过几幅图片内容理解一下5G网络

1、了解一下前几代移动通信技术

2、移动通信跨代演进

3、4G的解析

4、4G与5G网络对比

总结:

5G到底是什么?

由于超高清视频,3D和虚拟现实等新型业务,需要极高的网络传输速率才能保证用户的实际体验,而采用4G技术则远远不能满足需要。随着网络游戏的普及,用户对交互性的需求也更为突出,而交互性业务需要快速响应能力,网络需要极低的时延。

5G将不同于传统的几代移动通信,它不仅是更高速率,更大带宽,更强能力的空口技术,更是面向业务应用和用户体验的智能网络;它将是一个多业务多技术融合的网络,通过技术的演进与创新,满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要,提升用户体验。

5G之前的移动通信是一种以人为中心的通信,而5G将围绕人和周围的事物,是一种万物互联的通信。

二、5G中的关键技术有哪些?

面对多样化场景的极端差异化性能需求,5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案,5G技术创新主要来源于无线技术网络技术两方面。

在无线技术领域,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点;在网络技术领域,基于软件定义网络(SDN)网络功能虚拟化(NFV)的新型网络架构已取得广泛共识。

此外,基于滤波的正交频分复用(F-OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通(D2D)、多元低密度奇偶检验(Q-ary LDPC)码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。


具体关键技术介绍如下:

关键技术1:高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下,这使得频谱资源十分拥挤,而在高频段(如毫米波、厘米波频段)可用频谱资源丰富,能够有效缓解频谱资源紧张的现状,可以实现极高速短距离通信,支持5G容量和传输速率等方面的需求。

高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势,业界对此高度关注。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点,但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富,但是仍需要进行科学规划,统筹兼顾,从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

关键技术2:新型多天线传输

多天线技术经历了从无源到有源,从二维(2D)到三维(3D),从高阶MIMO到大规模阵列的发展,将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高,是目前5G技术重要的研究方向之一。


由于引入了有源天线阵列,基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外,原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列,形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能赋型,减少用户间干扰,结合高频段毫米波技术,将进一步改善无线信号覆盖性能。

目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究,未来将支持更多的用户空分多址(SDMA),显著降低发射功率,实现绿色节能,提升覆盖能力。

关键技术3:同时同频全双工

最近几年,同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。利用该技术,在相同的频谱上,通信的收发双方同时发射和接收信号,与传统的TDD和FDD双工方式相比,从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制,使得频谱资源的使用更加灵活。然而,全双工技术需要具备极高的干扰消除能力,这对干扰消除技术提出了极大的挑战,同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下,全双工技术的应用难度更大。

关键技术4:D2D

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖,而基站及中继站无法移动,其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多,传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信,拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信,信道质量高,D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端,能够改善覆盖,实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法,提升链路灵活性和网络可靠性。

目前,D2D采用广播、组播和单播技术方案,未来将发展其增强技术,包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

关键技术5:密集网络

在未来的5G通信中,无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及,数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区,这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集网络能够改善网络覆盖,大幅度提升系统容量,并且对业务进行分流,具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来,面向高频段大带宽,将采用更加密集的网络方案,部署小小区/扇区将高达100个以上。

与此同时,愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂,小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素,极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等,都是目前密集网络方面的研究热点。

关键技术6:新型网络架构

目前,LTE接入网采用网络扁平化架构,减小了系统时延,降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。

C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络,直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号,以构建覆盖上百个基站服务区域,甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术,能够减小干扰,降低功耗,提升频谱效率,同时便于实现动态使用的智能化组网,集中处理有利于降低成本,便于维护,减少运营支出。

目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能,如集中控制、基带池RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作,如基站簇、虚拟小区等。

三、5G网络的部署

实现5G的应用,首先需要建设和部署5G网络,5G网络的部署主要需要两个部分无线接入网(Radio Access Network,RAN)和核心网(Core Network)

无线接入网主要由基站组成,为用户提供无线接入功能。核心网则主要为用户提供互联网接入服务和相应的管理功能等。

由于部署新的网络投资巨大且要分别部署这两部分,所以3GPP分为了两种方式进行部署SA(Standalone,独立组网)NSA(Non-Standalone,非独立组网)

独立组网指的是新建一个现有的网络,包括新基站、回程链路以及核心网。非独立组网指的是使用现有的4G基础设施,进行5G网络的部署。

在2016年6月制定的标准中,3GPP共列举了Option1、Option2 、Option 3/3a、Option 4/4a、Option 5、Option 6、Option 7/7a、Option 8/8a等8种5G架构选项。其中,Option1、Option 2、Option5和Option 6属于独立组网方式,其余属于非独立组网方式。

在2017年3月发布的版本中,优选了(并同时增加了2个子选项3x和7x)Option 2、Option 3/3a/3x、Option 4/4a、Option 5、Option 7/7a/7x等5种5G架构选项。独立组网方式还剩下Option2和Option 5两个选项。

下边分别说明各个方式怎么进行网络部署:

1、 Option 1和Option 2

选项1是4G网络目前的部署方式,由4G的核心网和基站组成。实线叫做用户面,代表传输的数据,虚线叫做控制面,代表传输管理和调度数据的命令。选项2属于5G独立组网,使用5G的基站和5G的核心网,服务质量更好,但成本也很高。

2、 Option 3

选项3主要使用的是4G的核心网络,分为主站和从站,与核心网进行控制面命令传输的基站为主站。由于传统的4G基站处理数据的能力有限,需要对基站进行硬件升级改造,变成增强型4G基站,该基站为主站,新部署的5G基站作为从站进行使用。

同时,由于部分4G基站时间较久,运营商不愿意花资金进行基站改造,所以就想了另外一种办法,选项3a就是5G的用户面数据直接传输到4G核心网。

3、Option 4

选项4与选项3的不同之处就在于,选项4的4G基站和5G基站共用的是5G核心网,5G基站作为主站,4G基站作为从站。由于5G基站具有4G基站的功能,所以选项4中4G基站的用户面和控制面分别通过5G基站传输到5G核心网中,而选项4a中,4G基站的用户面直接连接到5G核心网,控制面仍然从5G基站传输到5G核心网。

4、Option 5和Option 6

选项5可以理解为先部署5G的核心网,并在5G核心网中实现4G核心网的功能,先使用增强型4G基站,随后再逐步部署5G基站。选项6是先部署5G基站,采用4G核心网。但此选项会限制5G系统的部分功能,如网络切片,所以选项6已经被舍弃。

5、Option 7

选项7和选项3类似,唯一的区别是将选项3中的4G核心网变成了5G核心网,传输方式是一样的。

6、Option 8

选项8和8a使用的是4G核心网,运用5G基站将控制面命令和用户面数据传输至4G核心网中,由于需要对4G核心网进行升级改造,成本更高,改造更加复杂,所以这个选项在2017年3月发布的版本中被舍弃,这里不做更多的介绍。

2017年12月,5G的非独立组网(NSA)标准第一个版本正式冻结。2018年6月,5G的独立组网(NA)已经实现了部分功能冻结,预计第三季度实现整体标准的冻结。然而,目前现存的版本更多的侧重于移动带宽和高可靠低时延应用,5G更多的应用场景和标准还未被定义出来,预计2019年底5G的标准会被全面制定出来。为了避免短期内的高投入,各运营商会根据自己的实际情况选择不同的部署方式。

四、5G能给我们的生活带来什么?

如今,5G正在加速向我们走来,伴随5G技术推进,让一切设备互联将重塑我们生活方方面面,同时,支持百亿、千亿级的海量设备连接,也将加速物联网普及。那么,5G究竟能为我们带来什么?

1、智慧城市

智慧城市是5G最典型的应用场景。5G将是支撑社会态势感知能力的基础设施,是实现畅通化沟通渠道的技术途径。在5G时代,互联网更多的以物联网的形式存在,将城市融为一体。数据的采集、分析等变得非常快,能以微秒级别来计算,从而使得万物互联真正可以实现。当前建设智慧城市的一个障碍就是没有公共的信息平台,数据的挖掘应用受到了很大限制。

随着5G的到来,信息将新每个物品加装芯片,变得更易被采集。这种情况下,数据就变成了网格化、平面化的信息传输,不再是某一部门独有,数据就变成谁也垄断不了的资源,打破“信息孤岛”现象。智慧城市在这种情况下,才真正可能实现。


2、智能驾驶

5G超可靠低时延时的特点,可以说正中无人驾驶所需。现有的感知技术,如雷达、摄像头等实际上都只给车提供了一个看的能力,没有办法跟车实现互动,而且这种看的能力会受到雨雾等天气情况的影响,有了5G的交互式的感知,车就可以对外界环境做一个输出,不光能探测到状态,还可以做一些反馈。自动驾驶的协同里面有很多场景,比如自动超车,协作式避碰,车辆编队都对可靠性和延时性提出了要求,都需要5G的保证。


3智慧医疗

未来5G将进入“万物互联”的时代,5G通过统一、灵活和可配置的空口技术框架,满足多样化场景,灵活系统设计、大规模天线及新型技术提升系统性能。同时,需求和新信息技术(NFV/SDN等)推动5G面向服务的新型网络架构,利用网络切片、边缘计算等技术满足各行业需求。

在医疗行业,5G网络促使在线便捷就医服务能够快速推广,远程医疗带动了优质医疗资源得以下沉。未来,5G将推动智慧医疗向无线化、智能化、全连接演进。


4、智能制造

5G技术已经成为支撑智能制造转型的关键使能技术。5G技术可以利用三大场景将分布广泛、零散的人、机器和设备全部连接起来,构建统一的互联网络。由于实时性和可靠性高,5G技术不但能应用于工业场景中,还能支撑起个人移动化互联网应用。

5G技术的发展可以帮助制造企业摆脱以往无线网络技术较为混乱的应用状态,这对于推动工业互联网的实施以及智能制造的深化转型有着积极的意义。


5、智能监控

对于监控设备来说,5G技术可以更快地传输更多的超高清监控视频资源,视频监控将不再局限于固定网络,后端智能数据处理能力加快,减少网络传输和多级转发带来的延迟损耗。

摄像头采集的视频可以进行本地分流,大幅度降低网络传输宽带资源占用,缓解移动核心网拥堵的问题。5G网络正式商用后,监控设备将进一步走进8K分辨率时代,这意味着更高清的画面,更丰富的视频细节,视频监控分析价值更高,市场机会更多。


6、云VR/AR

VR/AR对带宽的需求是巨大的。高质量VR/AR内容处理走向云端,满足用户日益增长的体验要求的同时降低设备价格,VR/AR将成为移动网络最有潜力的大流量业务。虽然现有4G网络平均吞吐量可以达到100Mbps,但一些高阶VR/AR应用需要更高的速度和更低的延迟。

7、 社交网络

移动视频业务已经从单纯的观看点播视频内容到以新模式创建和消费视频内容,目前最显著的两大趋势是社交视频和移动实时视频。这些催生出了对超高请/全景直播的需求,而5G的特性恰好可以满足此类需求的传输特性。

8、 无线家庭娱乐

高清晰8K视频和云游戏将催生对5G的极大需求。

五、5G安全隐患问题剖析

1、5G安全与2G、3G和4G安全的比较


为了满足5G提出的高速率、低时延、处理海量终端等要求,5G安全架构需要优化保护节点和密钥架构等方面。此外,5G需要开发轻量级的密钥算法,使 5G场景下海量的低成本、低处理能力的物联网设备能够进行安全通信。

2、5G安全框架

5G网络设备的安全通信将需要实现5个方面的安全。

2.1终端设备安全

未来的5G网络将提供对海量用户的支持,并保障多种类型设备的安全接入。5G不仅能为移动互联网中更加丰富的应用场景提供支撑,而且能深入普及到移动医疗、智能家居、工业控制、车联网、环境监测等物联网领域,从而将数以千亿计的设备接入网络,实现“万物互联”。在万物互联的场景中,如何确保海量接入设备自身的安全,即网元的安全性,将成为保障未来5G安全的基础。在保证网元安全性上,需要在接入设备中设计有效的终端基础安全模块,使在设备接入网络的初始阶段完成自身安全检测成为可能,并在设备运行阶段定期进行安全验证和维护,以保障设备自身的安全性。同时,由于5G中还提出了针对低功耗的设计需求,保证低功耗设备上实现通信的安全保护也带来新的挑战。

2.2空口安全

未来的5G网络呈现节点超高密度部署、多种线网络技术体制并存、多种安全机制并存等特点,导致5G网络对大量数据安全计算、多域超短时认证和授权、异构网络安全通信、无缝的安全漫游切换等成为5G网络接入(空口)方面的主要安全困难。未来的5G网络中,需要通过接入云、处理云和控制云的相互协作,在 transport stratum 完成网络设备的安全接入认证。因此,需要开发和利用适合 5G 网络特性的 transport stratum 安全协议来实现多域融合的密钥管理、网络和用户身份认证、用户隐私保护、网络空口数据、 信令加密保护,完整性保护、端到端安全认证和数据保护、安全域融合等功能需求。

2.3数据处理和传输安全

为了适应 5G 的业务需求,5G网络中引入了一些组网模式的变化,如 CP/UP 分离、核心网简化、 核心网功能下沉等。在所提出的网络结构中,这些变化将主要通过三朵云的网络结构具体实现。而5G网络通信实体间的数据传输也将通过接入云、 处理云和控制云的有效协同来建立通信链路,从而保障数据的有效、安全传输,实现数据预处理、负载均衡等功能。数据在5G网络域上的传输和处理的安全性将主要通过基于SDN/NFV的服务层相关功能来保障。SDN 的使用将使核心网络趋向扁平化,网络资源和中继节点资源将实现可控和动态优化,并将解耦网络设备的控制面和数据面,实现控制面的集中化,提供开放、可编程的接口供应用层使用。NFV则利用虚拟化技术实现硬件 通信功能的软件化,分层解耦通信功能单元并引入新的 MANO(Management and Orchestration)管理体系。面对由于SDN/NFV的广泛使用而引发的诸多 网络特性和变化,很多原本围绕传统网络结构、通信设备而设计的安全方法、安全策略、信任管理策 略等都可能不再适用。在未来的5G网络中,接入云、处理云和控制云的转发、预处理以及负载均衡等功能导致的用户数据一致性、保密性,相关网络功能的抗DDoS/DoS攻击、抗中间人攻击等安全问题,将是保障5G数据处理和传输安全方面的主要工作。

2.4应用层安全

未来的5G网络将向用户提供极端丰富的网络应用资源。这些应用将不但满足用户对于数据通信、娱乐、网络漫游等传统互联网的服务性需求, 还将提供针对底层网络的数据预处理、数据转发等控制层操作的相关功能。这将使未来5G网络的应用层更具攻击价值,保障应用层安全的重要性也将更加突出。5G的接入云、处理云和控制云都将面向应用层提供开放的软件接口,因而在应用层的程 序设计和现实中,横跨三朵云的网络域应用安全、 网元自身应用安全及两者间的安全通信,将成为 5G 应用层安全研究的主要内容。 网络能力开放、接口开放、业务开放是5G生态圈的重要特征。开放意味着由多个资源 / 业务拥有者 / 提供者相互协作提供业务服务。这些不同拥有者间建立互信、合理授权、资源使用 SLA 保证,都必须 有一套完善的安全机制保证。不同拥有者间、不同业务间的资源和信息必须共享(协作的要求),也 必须保证隔离(信息与资产安全性要求、故障隔离 要求等)。5G提出的业务Slice的概念,是解决共 享与隔离问题的主要思想。5G架构中必须包含对 这种认证、授权、计费的能力,同时保护这种开放 对网络安全性的影响。此外,还要保护这种授权模式下对用户隐私的保护。

2.5物理层安全

无线信道在时域、频域、空域具有明显的多样性、时变性和私有性,通信双方的信道特征也具有一定的互易性。这就使得针对物理层安全的研究可以从无线通信的物理层特点入手,在信号层面解决无线 通信的安全问题。未来的5G网络将使用全新或向上 融合的空口资源进行数据通信,为用户提供高频谱 效率、高吞吐率的无线传输技术。为了大幅度提高 频谱效率和功率效率,5G 拟在基站使用更大规模的天线阵列技术,从而极大地丰富信道特征的多样性 和时变性;而 TDD 模式下信道的互易性和私有性会更加明显。因此,可以充分利用 5G 无线通信的物理层传输特性,研究安全传输、密钥生成、加密算法 和接入认证技术,提出一个分等级的多层多域安全体系架构,突破面向物理层安全的无线传输技术、物理层密钥生成机制、基于物理层安全的加密和认证机制等 3 类关键技术,从而为 5G无线网络的安全传输奠定坚实基础。网络开放还意味着网络的安全保障服务的开放,即网络的安全由第三方负责。

3、5G网络中存在的安全威胁

与3G、4G移动通信相比,5G移动通信除了需要满足住宅区、办公区等传统通信场景的覆盖要求外,还需满足城市、高铁、工业等多种新型通信情景的覆盖要求。此外,5G还要满足用户超高速率、超低时延、超多连接数的要求,这也就意味着5G移动通信将面临应对由多元化情景带来的安全挑战和极致的性能挑战。具体包括移动宽带增强、大规模物联网和低时延高可靠3大技术应用场景。

3.1 小站接入带来的安全问题

5G移动通信网的移动增强技术场景与传统的4G网络技术场景相比,其主要目的是为网络用户提供更加高速的网络速率及更高密度的网络容量。这也就意味着该技术场景下将出现数量众多的小站,但小站在部署方式、部署条件和功能等方面都具有的灵活多样的特点。而当前4G网络安全机制并未考虑在由众多小站构成的密集技术场景下所带来的安全威胁,以及由小站接入所带来的安全威胁,由此是构成5G移动通信网络的安全隐患之一。

3.2 大规模网络安全协议带来的认证问题

针对5G应用中的大规模物联网技术场景,根据预测,2020年全球移动通信设备连接数将达到500亿,包括物联网终端、近距离无线 通信终端、移动通信终端以及传感器网络网关等。但由于大部分物联网终端具有资源受限、拓扑动态变化、网络环境复杂、以数据为中心以及与应用密切相关等方面的特点,相对于传统无线网络通信而言,其更加容易受到来自复杂网络环境的安全威胁和黑客攻击、病毒入侵等。在这种情况下,为确保网络信息的安全准确性,需要在机器通信中引入安全机制,但若对每台设备的每条信息进行单独认证,则安全信令的验证势必会耗费大量资源。但是在传统4G网络认证机制中并未考虑类似的海量认证信令问题,一旦网络收到的终端信令请求超出了信令资源的处理能力,则会触发信令风暴,网络服务出现各种问题,并进而引发整个移动通信网络的故障,造成通信崩溃。

3.3 低时延移动性安全

在5G 移动通信网络中的低时延高可靠的技术场景下,尤其针对车联网、远程实时医疗、工业控制等时延敏感型网络环境中,对可靠性和延时性有着严格的要求,在这些场景中,未避免车辆碰撞、手术操作意外等事故的发生,要求在5G网络中能提供低至 1ms 的时延安全保障。但传统移动通信网络中的安全协议,如加解密流程、认证流程等并未考虑该类技术场景,因此传统的安全协议和算法可能会无法满足在低时延的情况下的安全协议认证。同时,5G中超密集部署技术的应用,使得单个节点覆盖范围很小,当车辆等终端快速移动时,网络的移动性管理过程将会非常频繁。因此,为实现高可靠性、低时延性的技术要求,移动性管理相关的功能单元及流程需要进一步的优化,以更好地满足5G网络安全需求。

此外,5G网络能够成功实现各个移动终端之间的连接,数据也同时实现了共享,然而这也使得处处可以连接并共享数据存在较大的信息泄露的隐患,一旦泄露将造成严重后果,同时,由于数据挖掘技术发展的如火如荼,隐私提取方式也变得越来越强大,隐私能否得到安全保障将是5G网络中不得不面临的问题之一;其次,移动终端智能化给人们的生活带来了便捷和便利,但是这种强大的功能是否可能被恶意利用也是5G网络安全发展过程中需要认真考量的一大问题;同时,连接入网的智能设备可能会变成攻击者的工具而成为安全隐患,比如,在卫生医疗健康领域的健康监视器,如若智能化设备被恶意使用,则可能给用户的个人隐私造成泄密,甚至带来恶劣影响。


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