Analysis and modeling of the radio channel for secret key generation
Analyse et modélisation du canal radio pour la génération de clés secrètes
Résumé
Nowadays, the security of ubiquitous wireless communications becomes more and more a crucial requirement. Even though data is widely protected via symmetric ciphering keys, a well-known difficulty is the generation and distribution of such keys. In the recent years therefore, a set of works have addressed the exploitation of inherent characteristics of the fading propagation channel for security. In particular, secret keys could be generated from the wireless channel, considered as a shared source of randomness, available merely to a pair of communicating entities. ln the present dissertation, we are interested in the approach of secret key generation (SKG) from wireless channels, especially in relating the radio channel properties to the generated keys quality. We first develop a stochastic channel model, focusing on the security with respect to the eavesdropper side, which shows a residual channel memory weil beyond a few wavelengths distance (spatially nonstationary scenarios). Then, we analyze the channel degrees of freedom (DoF) and their impact on the SKG performance in different channel conditions, especially by considering more realistic channels in both outdoor and indoor environments (respectively through simulated ray tracing data and through measurements). The results show that, even for moderately wide band (such as standardized in IEEE 802.11), the sole frequency DOF or its association with the spatial DOF is often enough for generating long keys, provided an efficient quantization method of the complex channel coefficients is used.
La sécurité des communications sans fil omniprésentes devient, ces dernières années, de plus en plus une exigence incontournable. Bien que la cryptographie symétrique assure largement la confidentialité des données, la difficulté concerne la génération et la distribution de clés secrètes. Récemment, des études indiquent que les caractéristiques inhérentes du canal de propagation peuvent être exploitées afin de consolider la sécurité. En particulier, le canal radio fournit en effet une source d'aléa commune à deux utilisateurs à partir de laquelle des clés secrètes peuvent être générées. Dans la présente dissertation, nous nous intéressons au processus de génération de clés secrètes (SKG), tout en reliant les propriétés du canal radio à la qualité des clés générées. D'abord nous développons un modèle du canal stochastique, traitant la sécurité du point de vue de l'espion, qui montre une mémoire de canal résiduelle bien au-delà d'une distance de quelques longueurs d'onde (scénarios spatialement non-stationnaires). Ensuite, nous exploitons les degrés de liberté (DOF) du canal et analysons leur impact sur la performance de SKG dans différentes conditions, tout en considérant des canaux plus réalistes en environnements extérieur et intérieur (respectivement grâce à des données déterministes simulées et à des mesures). Les résultats montrent que, même pour des bandes modérées (comme standardisées dans la norme IEEE 802.11), le seul DoF de fréquence ou de son association avec le DoF spatial est souvent suffisant pour générer des longues clés, à condition d'utiliser une méthode efficace de quantification des coefficients complexes du canal.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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