Secret Key Generation for Ambient Backscatter Communication

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-06-30
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
112 + app. 72
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 83/2023
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.
Description
Supervising professor
Tirkkonen, Olav, Prof., Aalto University, Department of Communications and Networking, Finland
Thesis advisor
Vehkalahti, Roope, Dr., University of Jyväskylä, Finland
Keywords
fyysisen kerroksen tietoturva, IoT, polarisaatiomuunnos, salausavaimen kehittäminen, takaisinheijastukseen perustuva kommunikaatio, ambient backscatter, physical layer security, polarization conversion, secret key generation
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Behnam Badihi, Aleksi Liljemark, Muhammad Usman Sheikh, Jari Lietzén and Riku Jäntti. Link Budget Validation for Backscatter-Radio System in Sub-1GHz. In IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Marrakech, pp. 1-6, Apr. 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021141
    DOI: 10.1109/WCNC.2019.8885700 View at publisher
  • [Publication 2]: Jari Lietzén, Roope Vehkalahti and Olav Tirkkonen. A Two-way QKD Protocol Outperforming One-way Protocols at Low QBER. In IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT), Los Angeles, pp. 1106-1111, Jun. 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202009255553
    DOI: 10.1109/ISIT44484.2020.9174522 View at publisher
  • [Publication 3]: Jari Lietzén, Aleksi Liljemark, Ruifeng Duan, Riku Jäntti and Ville Viikari. Polarization Conversion-Based Ambient Backscatter System. IEEE Access, Vol. 8, pp. 216793 - 216804, Dec. 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202101251565
    DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3042018 View at publisher
  • [Publication 4]: Le Nguyen, Stephan Sigg, Jari Lietzén, Rainhard Dieter Findling and Kalle Ruttik. Camouflage learning: Feature value obscuring ambient intelligence for constrained devices. IEEE Transactions on Mobile Computing, pp. 781 - 796, Jun. 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202021656
    DOI: 10.1109/TMC.2021.3092271 View at publisher
  • [Publication 5]: Jari Lietzén, Olav Tirkkonen and Roope Vehkalahti. Secret Keys from Parity Bits in the Satellite Setting. In IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT), Espoo, pp. 2672-2677, Jun. 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202301181323
    DOI: 10.1109/ISIT50566.2022.9834762 View at publisher
  • [Publication 6]: Jari Lietzén and Olav Tirkkonen. Secret Key Generation between Ambient Backscatter Devices. IEEE Access, Early access, pp. 1-13, Feb. 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303072334
    DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3243063 View at publisher
Citation