415 research outputs found

    A Study on Principal Component Analysis over Wireless Channel

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    Applications in many fields such as the internet of things (IoT), stock market, image compression, food adulteration, wireless physical layer key generation, etc. are becoming progressively complex due to a large number of users and increment in their usage. Data obtained by these applications are in huge amount creating a high computational cost. Further, it is difficult to handle and analyze it. To deal with such problems, dimensionality reduction techniques are used and one of the dimensionality reduction techniques is the Principal Component Analysis (PCA). In this paper, PCA is applied over a wireless Rician channel with AWGN at different SNR. It is concluded that the information content is more in less number of principal components with samples at higher SNR. It is also observed that the different combinations of several groups and elements in the sample space provide a different cumulative percentage of information

    Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

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    Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird

    Securing the Inter-Spacecraft Links: Doppler Frequency Shift based Physical Layer Key Generation

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    We propose a novel physical layer secret key generation method for the inter-spacecraft communication links. By exploiting the Doppler frequency shifts of the reciprocal spacecraft links as a unique secrecy source, spacecrafts aim to obtain identical secret keys from their individual observations. We obtain theoretical expressions for the key disagreement rate (KDR). Using generalized Gauss-Laguerre quadrature, we derive closed form expressions for the KDR. Through numerical studies, the tightness of the provided approximations are shown. Both the theoretical and numerical results demonstrate the validity and the practicality of the presented physical layer key generation procedure considering the security of the communication links of spacecrafts

    Secret Key Generation Schemes for Physical Layer Security

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    Physical layer security (PLS) has evolved to be a pivotal technique in ensuring secure wireless communication. This paper presents a comprehensive analysis of the recent developments in physical layer secret key generation (PLSKG). The principle, procedure, techniques and performance metricesare investigated for PLSKG between a pair of users (PSKG) and for a group of users (GSKG). In this paper, a detailed comparison of the various parameters and techniques employed in different stages of key generation such as, channel probing, quantisation, encoding, information reconciliation (IR) and privacy amplification (PA) are provided. Apart from this, a comparison of bit disagreement rate, bit generation rate and approximate entropy is also presented. The work identifies PSKG and GSKG schemes which are practically realizable and also provides a discussion on the test bed employed for realising various PLSKG schemes. Moreover, a discussion on the research challenges in the area of PLSKG is also provided for future research

    Performance Analysis of Loss Multilevel Quantization on the Secret Key Generation Scheme in Indoor Wireless Environment

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    The necessity for secured communication devices that has limited computing power has encouraged the development of key generation scheme. The generation of a symmetric key scheme that utilizes randomness of wireless channels offers a most promising solution as a result of the easy distribution of secret key mechanisms. In the last few years, various schemes have been proposed, but there are trade-offs between the performance parameters used. The expected parameters are the low Key Disagreement Rate (KDR), the high Key Generation Rate (KGR), and the fulfillment of standard of randomness. In this paper, we propose the use of a combination of pre-processing methods with multilevel lossy quantization to overcome the trade-off of performance parameters of the Secret Key Generation (SKG) scheme. Pre-process method used to improve reciprocity so as to reduce KDR, whereas multilevel quantization is used to improve the KGR. We use Kalman as the pre-processing method and Adaptive Quantization, Modified Multi-Bit (MMB), and 2-ary Quantization as the multilevel lossy quantization. Testing is conducted by comparing the performance between direct quantization with the addition of the pre-processing method in various multilevel lossy quantization schemes. The test results show that the use of Kalman as pre-processing methods and multilevel lossy quantization can overcome the trade-off performance parameters by reducing KDR and increasing KGR, with the best performance, was obtained when we use adaptive quantization. The resulting secret key has also fulfilled 6 random tests with p values greater than 0.01

    Research on performance enhancement for electromagnetic analysis and power analysis in cryptographic LSI

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    制度:新 ; 報告番号:甲3785号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2012/11/19 ; 早大学位記番号:新6161Waseda Universit

    Fast and Secure Key Generation with Channel Obfuscation in Slowly Varying Environments

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    Physical-layer secret key generation has emerged as a promising solution for establishing cryptographic keys by leveraging reciprocal and time-varying wireless channels. However, existing approaches suffer from low key generation rates and vulnerabilities under various attacks in slowly varying environments. We propose a new physical-layer secret key generation approach with channel obfuscation, which improves the dynamic property of channel parameters based on random filtering and random antenna scheduling. Our approach makes one party obfuscate the channel to allow the legitimate party to obtain similar dynamic channel parameters, yet prevents a third party from inferring the obfuscation information. Our approach allows more random bits to be extracted from the obfuscated channel parameters by a joint design of the K-L transform and adaptive quantization. Results from a testbed implementation show that our approach, compared to the existing ones that we evaluate, performs the best in generating high entropy bits at a fast rate and is able to resist various attacks in slowly varying environments. Specifically, our approach can achieve a significantly faster secret bit generation rate at roughly 67 bit/pkt, and the key sequences can pass the randomness tests of the NIST test suite

    Fast and Secure Key Generation with Channel Obfuscation in Slowly Varying Environments

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    Physical-layer secret key generation has emerged as a promising solution for establishing cryptographic keys by leveraging reciprocal and time-varying wireless channels. However, existing approaches suffer from low key generation rates and vulnerabilities under various attacks in slowly varying environments. We propose a new physical-layer secret key generation approach with channel obfuscation, which improves the dynamic property of channel parameters based on random filtering and random antenna scheduling. Our approach makes one party obfuscate the channel to allow the legitimate party to obtain similar dynamic channel parameters, yet prevents a third party from inferring the obfuscation information. Our approach allows more random bits to be extracted from the obfuscated channel parameters by a joint design of the K-L transform and adaptive quantization. Results from a testbed implementation show that our approach, compared to the existing ones that we evaluate, performs the best in generating high entropy bits at a fast rate and is able to resist various attacks in slowly varying environments. Specifically, our approach can achieve a significantly faster secret bit generation rate at roughly 67 bit/pkt, and the key sequences can pass the randomness tests of the NIST test suite

    Key Generation Based on Large Scale Fading

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