استخراج بیت‌های با نرخ بالا برای تولید کلید محرمانه مشترک با استفاده از تخمین فاز فیدینگ کانال‌های MIMO و کوانتیزاسیون چندسطحی
الموضوعات :وجيهه زينلي فتح‌آبادي 1 , حسين خالقي بيزکي 2 , علی شهزادی 3
1 - دانشگاه صنعتي مالک اشتر
2 - دانشگاه صنعتي مالک اشتر
3 - دانشگاه سمنان
الکلمات المفتاحية: کلید محرمانه مشترک کانال فیدینگ MIMO تخمین فاز کوانتیزاسیون چندسطحی,
ملخص المقالة :
اخیراً روش‌های تولید کلید محرمانه مشترک با استفاده از مشخصات تصادفی‌بودن دامنه و فاز سیگنال دریافتی و تقارن کانال مشترک در سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم، مورد توجه زیادی واقع شده است. پروتکل‌های تولید کلید بر اساس تخمین فاز سیگنال دریافتی، به علت توزیع یکنواخت فاز فیدینگ کانال، هم برای محیط‌های ساکن و هم سیار مناسب بوده و همچنین دارای نرخ تولید کلید بالاتری نسبت به پروتکل‌های تولید کلید بر اساس توان سیگنال دریافتی می‌باشند. علاوه بر این عموماً کارهای پیشین روی پروتکل تولید کلید روی سیستم‌های تک‌آنتنه (SISO) متمرکز بوده‌اند که دارای نرخ تولید کلید قابل توجهی نیستند. از این رو در این مقاله برای افزایش تصادفی‌بودن و نرخ تولید کلید از تخمین فاز سیگنال دریافتی روی سیستم‌های چندآنتنه (MIMO) برای تولید کلید محرمانه مشترک استفاده می‌شود، زیرا سیستم‌های MIMO دارای یک توانایی برای عرضه متغیرهای تصادفی بیشتر جهت تولید کلید نسبت به سیستم‌های SISO می‌باشند. نتایج شبیه‌سازی نشان‌دهنده این است که نرخ تولید کلید در حالتی که تعداد آنتن‌های فرستنده و گیرنده یکسان و برابر با 2 و 3 باشد، به ترتیب 4 و 9 برابر زمانی است که از 1 آنتن فرستنده و گیرنده استفاده شود. همچنین هنگامی که جهت استخراج بیت‌های کلید محرمانه از کوانتیزاسیون چندسطحی استفاده شود، نرخ تولید کلید افزایش قابل ملاحظهاي پیدا خواهد کرد.
[1] W. Diffie and M. Hellman, "New directions in cryptography," IEEE Trans. on Information Theory, vol. 22, no. 6, pp. 644-654, Nov. 1976.
[2] S. Mathur, W. Trappe, N. B. Mandayam, C. Ye, and A. Reznik, "Radio-telepathy: extracting a secret key from anunauthenticated wireless channel," in Prof. ACMMOBICOM Conf., Sep. 2008.
[3] B. Azimi-Sadjadi, A. Kiayias, A. Mercado, and B. Yener, "Robust key generation from signal envelopes in wirelessnetworks," in Proc. of the 14th ACM Conf. on Computer and Communications Security, CCS'07, pp. 401-410, Nov. 2007.
[4] T. Aono, K. Higuchi, T. Ohira, B. Komiyama, and H. Sasaoka, "Wireless secret key generation exploitingreactance-domain scalar response of multipath fadingchannels," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 11, pp. 3776-3784, Nov. 2005.
[5] M. G. Madiseh et al., Secret Key extraction in ultra wideband channels for unsynchronized radios, in Proc. 6th Annual Communication Networks and Services Research Conf, CNSR'08, pp. 88-95, 5-8 May 2008.
[6] S. Jana, et al., "On the effectiveness of secret key extraction fromwireless signal strength in real environments," in Proc. Proc. of the 15th Annual Int. Conf. on Mobile Computing and Networking, MOBICOM'09, pp. 321-332, 2009.
[7] N. Patwari, J. Croft, S. Jana, and S. K. Kasera, "High-rate uncorrelatedbit extraction for shared secret key generation from channel measurements," IEEE Trans. on Mobile Computing, vol. 9, no. 1, pp. 17-30, May 2010.
[8] K. Zeng et al., "Exploiting multiple-antenna diversity for shared secret key generation in wireless networks," in Proc. INFOCOM'10, pp. 1837-1845, Mar. 2010.
[9] Q. Wang et al., "Fast and scalable secret key generation exploiting channel phase randomness in wirelesss networks," in Proc. IEEE INFOCOM'11, pp. 1422-1430, Apr. 2011.
[10] Y. Dodis et al., "Fuzzy extractors: how to generate strong keys from biometrics and other noisy data," SIAM J. Comp., vol. 38, no. 1, pp. 97-139, 2008.
[11] A. A. Hassan et al., "Cryptographic key agreement for mobile radio," Digital Signal Processing, vol. 6, no. 4, pp. 207-212, Oct. 1996.
[12] A. M. Sayeed and A. Perrig, "Secure wireless communications: secret keys through multipath," in Proc. ICASSP'08, pp. 321-332, Mar. 2008.
[13] Q. Wang, K. Xu, and K. Ren, "Cooperative secret key generation from phase estimation in narrowband fading channels," IEEE Trans. on Selected Areas in Communications, vol. 30, no. 9, pp. 1666-1674, Oct. 2012.
[14] D. C. Rife and R. R. Boorstyn, "Multiple tone parameters estimation from discrete-time observations," Bell System Technical J., vol. 55, no. 9, pp. 1389-1410, Nov. 1976.
