دوره 21، شماره 3 - ( مجله مهندسی برق و الکترونیک ایران - جلد 21 شماره 3 1403 )
جلد 21 شماره 3 صفحات 58-47 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Keshavarzi M, Kuhestani A. Performance Analysis of Physical Layer Key Generation Relying on Discrete Random Phase Injection. Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers 2024; 21 (3) :47-58
URL: http://jiaeee.com/article-1-1640-fa.html
URL: http://jiaeee.com/article-1-1640-fa.html
کشاورزی محمدرضا، کوهستانی علی. یک طرح نوین تولید کلید لایه فیزیکی مبتنی بر فاز کانال برای ارتباطات همتا به همتا. نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران. 1403; 21 (3) :47-58
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی قم
چکیده: (646 مشاهده)
در بین روش‌های برقراری امنیت لایه فیزیکی، تولید کلید مخفی به‌دلیل ویژگی‌ها و قابلیت‌های مطلوبی که دارد، برای شبکه‌های نسل ششم (6G) کارآمد است. به طور خاص، می‌توان از طرح‌‌های مبتنی بر مولدهای تصادفی محلّی برای تولید کلید مخفی با نرخ بالا استفاده کرد. یکی از این طرح‌ها، طرح تزریق فاز تصادفی است که در آن سیگنال‌های کاوش کانال با فاز تصادفی بین طرفین ارتباط (آلیس و باب) مبادله می‌شود. در این مقاله، یک طرح نوین تولید کلید مبتنی بر ارسال سیگنال‌های کاوش کانال با فاز تصادفی گسسته و برای ارتباطات همتا به همتا پیشنهاد می‌دهیم. بدین منظور، ضمن معرفی روش‌های کوانتیزاسیون، در طرح پیشنهادی، از روش ساده و کاربردی "کوانتیزاسیون با نواحی محافظ (GB)" برای استخراج کلید استفاده می‌شود. همچنین برخلاف بسیاری از مطالعات صورت گرفته شده، فرض می‌کنیم که کانال قانونی از هم‌پاسخی ضعیف رنج می‌برد و نویز نیز بر فاز دریافتی آلیس و باب اثرگذار است. برای چنین سناریویی، روابطی برای نرخ عدم تطبیق کلید (KMR) و نیز نرخ دور ریزی کلید (KDR) به ازای هر کاوش کانال ارائه می‌دهیم. اگرچه افزایش محدوده GB، معیار KMR را کاهش می‌دهد، اما طول دنباله کلید خام نیز کوتاه می‌گردد. به منظور ارزیابی تأثیر GB بر روی کارایی طرح تولید کلید پیشنهادی، در این مقاله، نرخ تولید کلید خام تعریف شده و محاسبه می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی موید روابط تحلیلی بوده و برای تعیین توان سیگنال کاوش و محدود GB مفید است.
واژه‌های کلیدی: تولید کلید لایه فیزیکی، تزریق فاز تصادفی گسسته، نواحی محافظ، نرخ عدم تطبیق کلید، نرخ دور ریزی کلید.
فهرست منابع
1. [1] W. Saad, M. Bennis and M. Chen, "A vision of 6G wireless systems: Applications, trends, technologies, and open research problems, IEEE Network, vol. 34, no. 3, pp. 134-142, May/Jun. 2020. [DOI:10.1109/MNET.001.1900287]
2. [2] M. Forouzesh et al., "Simultaneous secure and covert transmissions against two attacks under practical assumptions", IEEE Internet of Things Journal, vol. 10, no. 12, pp. 10160-10171, June 2023. [DOI:10.1109/JIOT.2023.3237640]
3. [3] A. Chorti et al., "Context-aware security for 6G wireless: the role of physical layer security", IEEE Communications Standards Magazine, vol. 6, no. 1, pp. 102-108, Mar. 2022. [DOI:10.1109/MCOMSTD.0001.2000082]
4. [4] J. Zhang, G. Li, A. Marshall, A. Hu and L. Hanzo, "A new frontier for IoT security emerging from three decades of key generation relying on wireless channels", IEEE Access, vol. 8, pp. 138406-138446, Jul. 2020. [DOI:10.1109/ACCESS.2020.3012006]
5. [5] T. Lu, L. Chen, J. Zhang, C. Chen, A. Hu, "Joint precoding and phase shift design in reconfigurable intelligent surfaces-assisted secret key generation", IEEE Trans. Inf. Forensics & Security, vol.18, pp.3251-3266, May 2023. [DOI:10.1109/TIFS.2023.3268881]
6. [6] G. Li, C. Sun, J. Zhang, E. Jorswieck, B. Xiao, A. Hu, "Physical layer key generation in 5G and beyond wireless communications: Challenges and opportunities", Entropy, vol. 21, no. 5, pp. 1-16, May. 2019. [DOI:10.3390/e21050497]
7. [7] A. K. Junejo, F. Benkhelifa, B. Wong, J. A. Mccann, "LoRa-LiSK: a lightweight shared secret key generation scheme for loRa networks", IEEE Internet of Things Journal, vol. 9, no. 6, pp. 4110-4124, Aug. 2022. [DOI:10.1109/JIOT.2021.3103009]
8. [8] M. Letafati, A. Kuhestani, K. -K. Wong, and M. J. Piran, "A lightweight secure and resilient transmission scheme for the Internet-of-Things in the presence of a hostile jammer", IEEE Internet of Things Journal, vol. 8, no. 6, pp. 4373-4388, Mar. 2021. [DOI:10.1109/JIOT.2020.3026475]
9. [9] M. Mitev, A. Chorti, M. Reed, and L. Musavian, "Authenticated secret key generation in delay-constrained wireless systems", EURASIP J. Wireless Commun. Netw., pp. 1-29, Jun. 2020. [DOI:10.1186/s13638-020-01742-0]
10. [10] M. Mitev, A. Chorti, E. V. Belmega and M. Reed, "Man-in-the-middle and denial of service attacks in wireless secret key generation", in 2019 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2019, pp. 1-6. [DOI:10.1109/GLOBECOM38437.2019.9013816]
11. [11] M. Letafati, H. Behroozi, B. H. Khalaj and E. A. Jorswieck, "Hardware-impaired PHY secret key generation with man-in-the-middle adversaries", IEEE Wireless Communications Letters, vol. 11, no. 4, pp. 856-860, Apr. 2022. [DOI:10.1109/LWC.2022.3147952]
12. [12] M. Letafati, H. Behroozi, B. H. Khalaj and E. A. Jorswieck, "Deep learning for hardware-impaired wireless secret key generation with man-in-the-middle attacks", in 2021 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2021, pp. 1-6. [DOI:10.1109/GLOBECOM46510.2021.9685537]
13. [13] M. Bottarelli, P. Karadimas, G. Epiphaniou, D. K. B. Ismail, C. Maple, "Adaptive and optimum secret key establishment for secure vehicular communications", IEEE Trans. Veh. Tech., vol.70, no.3, pp.2310-2321, Jan. 2021. [DOI:10.1109/TVT.2021.3056638]
14. [14] Z. Li, Q. Pei, I. Markwood, Y. Liu, and H. Zhu, "Secret key establishment via RSS trajectory matching between wearable devices", IEEE Trans. Inf. Foren. Sec., vol. 13, no. 3, pp. 802-817, Mar. 2018. [DOI:10.1109/TIFS.2017.2768020]
15. [15] M. Letafati, H. Behroozi, B. H. Khalaj and E. A. Jorswieck, "Learning-based secret key generation in relay channels under adversarial Attacks", IEEE Open J. Veh. Tech., vol. 4, pp. 749-764, June 2023. [DOI:10.1109/OJVT.2023.3315216]
16. [16] M. Letafati, H. Behroozi, B. H. Khalaj and E. A. Jorswieck, "Hardware-impaired PHY secret key generation with man-in-the-middle adversaries", IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 11, no. 4, pp. 856-860, April 2022. [DOI:10.1109/LWC.2022.3147952]
17. [17] N. Patwari, J. Croft, S. Jana, and S. K. Kasera, "High-rate uncorrelated bit extraction for shared secret key generation from channel measurements", IEEE Trans. Mobile Comput., vol. 9, no. 1, pp. 17-30, Jan. 2010. [DOI:10.1109/TMC.2009.88]
18. [18] S. Jana, S. Premnath, M. Clark, S. Kasera, and N. Patwari, "On the effectiveness of secret key extraction from wireless signal strength in real environments", in Proc. ACM MOBICOM, 2009, pp. 321-332. [DOI:10.1145/1614320.1614356]
19. [19] Y. Liu, S. C. Draper, and A. M. Sayeed, "Exploiting channel diversity in secret key generation from multipath fading randomness", IEEE Trans. Inf. Foren. Sec., vol. 7, no. 5, pp. 1484-1497, Oct. 2012. [DOI:10.1109/TIFS.2012.2206385]
20. [20] H. Liu, W. Yang, Y. Jie, and Y. Chen, "Fast and practical secret key extraction by exploiting channel response", in Proc. IEEE INFOCOM, 2013, pp. 3048-3056. [DOI:10.1109/INFCOM.2013.6567117]
21. [21] X. Wei, X. Y. Li, Q. Chen, J. Han, and K. Zhao, "Keep: Fast secret key extraction protocol for D2D communication", in Proc. IEEE Int. Workshop Qual. Service (IWQoS), 2014, pp. 350-359. [DOI:10.1109/IWQoS.2014.6914340]
22. [22] O. A. Topal and G. K. Kurt, "Physical layer authentication for LEO satellite constellations", in 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), pp. 1952-1957. [DOI:10.1109/WCNC51071.2022.9771727]
23. [23] K. Lin, Z. Ji, Y. Zhang, G. Chen, P. L. Yeoh and Z. He, "Secret key generation based on 3D spatial angles for UAV communications", in 2021 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2021, pp. 1-6. [DOI:10.1109/WCNC49053.2021.9417510]
24. [24] O. A. Topal, G. K. Kurt and H. Yanikomeroglu, "Securing the inter-spacecraft links: Physical layer key generation from doppler frequency shift", IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 5, no. 3, pp. 232-243, Sept. 2021. [DOI:10.1109/JRFID.2021.3077756]
25. [25] A. H. Khalili Tirandaz and A. Kuhestani, "Security evaluation of mutual random phase injection scheme for secret key generation over static point-to-point communications", Journal of Electronic & Cyber Defense, Oct. 2022.
26. [26] T. M. Pham, A. N. Barreto, M. Mitev, M. Matthé and G. Fettweis, "Secure communications in line-of-sight scenarios by rotation-based secret key generation", in 2022 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), pp. 1101-1105. [DOI:10.1109/ICCWorkshops53468.2022.9814519]
27. [27] G. Li, H. Yang, J. Zhang, H. Liu and A. Hu, "Fast and secure key generation with channel obfuscation in slowly varying environments", in 2022 IEEE INFOCOM, IEEE Conference on Computer Communications, pp. 1-10. [DOI:10.1109/INFOCOM48880.2022.9796694]
28. [28] L. Wang, H. An, H. Zhu and W. Liu, "MobiKey: Mobility-based secret key generation in smart home", IEEE Internet of Things J., vol. 7, no. 8, pp. 7590-7600, Aug. 2020. [DOI:10.1109/JIOT.2020.2986399]
29. [29] Y. Peng, P. Wang, W. Xiang, and Y. Li, "Secret key generation based on estimated channel state information for TDD-OFDM systems over fading channels", IEEE Trans. Wireless Commun., 2017. [DOI:10.1109/TWC.2017.2706657]
30. [30] Y. Shehadeh, O. Alfandi, and D. Hogrefe, "Towards robust key extraction from multipath wireless channels", J. Commun. Net., vol. 14, no. 4, Aug. 2012. [DOI:10.1109/JCN.2012.6292245]
31. [31] C. Feng and L. Sun, "Physical layer key generation from wireless channels with non-ideal channel reciprocity: A deep learning based approach", in IEEE 95th Vehicular Technology Conference: (VTC2022-Spring), Helsinki, Finland, 2022, pp. 1-6. [DOI:10.1109/VTC2022-Spring54318.2022.9860995]
32. [32] X. Guan, N. Ding, Y. Cai and W. Yang, "Wireless key generation from imperfect channel state information: Performance analysis and improvements", in IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Shanghai, China, 2019, pp. 1-6. [DOI:10.1109/ICCW.2019.8756656]
33. [33] V. Shahiri, A. Kuhestani and L. Hanzo, "Short-packet amplify-and-forward relaying for the internet-of-things in the face of imperfect channel estimation and hardware impairments", IEEE Trans. Green Commun. Netw., vol. 6, no. 1, pp. 20-36, Mar. 2022. [DOI:10.1109/TGCN.2021.3092067]
34. [34] دزفولیزاده، سمانه. مبینی، زهرا. "استراق سمع فعال با کمک UAV برای بهبود امنیت شبکه های مخابرات مشارکتی"، مجله مهندسی برق و الکترونیک ایران، جلد 18، شماره 3، 143-151، پاییز 1400.
35. [35] راغب، محمد. کوهستانی، علی. صفوی همامی، سید مصطفی. "طراحی توأم پرتودهی و نویز مصنوعی در ارتباطات موج میلیمتری محرمانه با کمک صفحات انعکاس دهنده هوشمند"، نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران.، جلد ۱۹، شماره 3، ۵۵-۶۲، زمستان 1401.
36. [36] M. Ragheb, A. Kuhestani, M. Kazemi, H. Ahmadi and L. Hanzo, "RIS-aided secure millimeter-wave communication under RF-chain impairment,s", IEEE Trans. Veh. Tech., pp. 1-13, Aug. 2023. [DOI:10.1109/TVT.2023.3307451]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY NC 4.0) قابل بازنشر است. |
