Secret Key Generation for Ambient Backscatter Communication

Abstract

The interest in wireless Internet of Things (IoT) devices and Ambient Intelligence has increased significantly in recent years. The security of IoT devices has become a concern, as IoT has made it possible for things and people to interact with each other anytime and any place. Therefore, sufficient protection against active eavesdropping or confusing devices with other users' devices is an essential requirement. Due to the embedded nature of these devices, they are often limited in their computational, communication and power resources. Ambient backscatter communication (AmBC) is seen as a viable solution for resource limited devices, as the wireless nodes are communicating without any active RF components. However, the interference from the ambient transmitter remains a major challenge, as the ambient signal is present at the receiver together with the backscattered signal. This thesis contributes to secure IoT device communication in an AmBC setting. The contributions are a two-way secret key agreement protocol and a backscatter device design. We developed a novel secret key agreement protocol that uses an advantage distillation method to collect secret key from error corrected parity bits. Our protocol provides complementary performance compared to protocols known in the literature. We have analysed the performance of the key agreement protocol in two different operating scenarios, in a quantum key distribution setting and in a satellite setting. The second contribution is a backscatter device design that introduces polarization conversion between the direct and scattered path signals and exploits that at the dual polarization receiver antenna to substantially decrease the interference from the ambient transmitter. We showed that in an anechoic RF chamber, our proposed set-up could achieve more than 25 dB isolation between the backscattered component, and the ambient component for narrowband signals. In this thesis, we analyse secret key generation between ambient backscatter devices where the channel between an ambient transmitter and the backscatter devices is used as a source of randomness. We show that even in non-line-of-sight channels the distance from legitimate users to an eavesdropper being larger than a few wavelengths is not alone a sufficient security guarantee. This is in contrast with previous secret key generation methods where the distance is assumed to prevent the eavesdropper from having any information about the key prior to error correction. Our simulations show that a distance based approach is too optimistic, and there is a possibility that the eavesdropper still knows a substantial part of the final key. A working solution is based on a two-way key agreement protocol, and assuming that the eavesdropper's error rates are k times that of the legitimate users, with k < 1. This method gives the legitimate users the freedom to trade off between achievable key rate and the eavesdropper's knowledge of the final key.

Kiinnostus langattomia esineiden internet -laitteita (IoT) ja älykästä ympäristöä kohtaan on kasvanut merkittävästi viime vuosina. IoT-laitteiden turvallisuudesta on tullut huolenaihe, sillä IoT on mahdollistanut laitteiden ja ihmisten vuorovaikutuksen ajasta ja paikasta riippumatta. Olennaiseksi vaatimukseksi on noussut riittävä suoja aktiivista salakuuntelua vastaan tai laitteiden sekoittamista muiden käyttäjien laitteisiin. IoT-laitteiden sulautetun luonteen vuoksi niiden laskenta- ja viestintäkapasiteetti, sekä käytettävissä oleva teho ovat usein rajallisia. Ympäristössä olemassa olevan signaalin takaisinheijastukseen perustuva kommunikaatio (AmBC) nähdään käyttökelpoisena ratkaisuna resursseiltaan rajoitetuille laitteille, koska nämä eivät tarvitse tiedonsiirtoon aktiivisia RF-komponentteja. Alkuperäisen signaalin aiheuttama interferenssi on kuitenkin edelleen suuri haaste, sillä vastaanotin näkee sen yhdessä takaisinheijastetun signaalin kanssa. Väitöskirjan tulokset auttavat turvaamaan IoT-laitteiden tiedonsiirtoa AmBC-ympäristössä. Väitöskirjan kontribuutioita ovat kaksisuuntainen salausavaimen generointiprotokolla ja AmBC-modulaattori. Kehitetty salausavaimen generointiprotokolla kerää salaista avainta virheenkorjatuista pariteettibiteistä. Tunnettuihin protokolliin verrattuna kehittämämme ratkaisu tarjoaa paremman suorituskyvyn. Protokollan toimivuutta on analysoitu kahdessa eri toimintamallissa, kvanttiavainjakelussa ja satelliittimallissa. Toinen kontribuutio on AmBC-modulaattori, joka tekee polarisaatiomuunnoksen suoran ja takaisinheijastetun signaalin välillä. Vastaanotin käyttää hyväkseen kahden polarisaation vastaanotinantennia, jolla vähennetään merkittävästi alkuperäisen lähettimen aiheuttamaa interferenssiä. Ehdotettu järjestelmä saavuttaa kaiuttomassa RF-kammiossa yli 25 dB:n vaimennuksen kapeakaistaisen takaisinheijastetun signaalin ja alkuperäisen signaalin välillä. Tässä väitöskirjassa analysoidaan salausavaimen kehittämistä AmBC-laitteiden välillä, kun laitteiden välistä radiokanavaa käytetään satunnaisuuden lähteenä. Osoitamme, että ilman näköyhteyttä olevilla kanavilla muutamaa aallonpituutta suurempi etäisyyskään salakuuntelijan ja käyttäjien välillä ei takaa riittävää turvallisuutta. Aiemmin on oletettu pelkän etäisyyden estävän salakuuntelijaa saamasta mitään tietoa salausavaimesta ennen virheenkorjausta. Simulaatiomme osoittavat, että etäisyyteen perustuva lähestymistapa on liian optimistinen, ja on mahdollista, että salakuuntelija tietää vielä merkittävän osan lopullisesta salausavaimesta. Käyttökelpoinen ratkaisu perustuu kaksisuuntaiseen salausavaimen generointiprotokollaan olettaen, että salakuuntelijan virhesuhde on k-kertainen käyttäjien virhesuhteeseen verrattuna, kun k < 1. Tämä menetelmä antaa käyttäjille vapauden tasapainotella saavutettavissa olevan avaimen määrän ja salakuuntelijan tiedon välillä lopullisesta avaimesta.