[论文解读] Pragmatic Physical Layer Encryption for Achieving Perfect Secrecy

Suzhi Bi, Xiaojun Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2012

Wireless Communication Security Techniques被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的物理层加密（PLE）方案，通过基于无线信道互易性的加密函数与密钥生成方法的联合设计，实现了完美保密。通过确保完美保密的充分必要条件，并以极低的系统开销实现高概率的密钥协商，该方案在保持通信完整性的同时，提供了强有力的保密保障。

ABSTRACT

Conventionally, secrecy is achieved using cryptographic techniques beyond the physical layer. Recent studies raise the interest of performing encryption within the physical layer by exploiting some unique features of the physical wireless channel. Following this spirit, we present a novel physical layer encryption (PLE) scheme that randomizes the radio signal using a secret key extracted from the wireless channel under the assumption of channel reciprocity. Specifically, we propose to jointly design the encryption function and the secret-key generation method. On one hand, we establish a sufficient and necessary condition for the encryption function to achieve perfect secrecy. Based on that, several candidate encryption functions are proposed and compared. We show that, given the secret key available to the legitimate users, perfect secrecy can be achieved without compromising the capability of the communication channel. On the other hand, we study the practical design of the secret-key generation method based on the channel reciprocity. We show that, by introducing marginal system overhead, the key agreement between the legitimate users can be done with a high success probability. The performance advantages of the proposed PLE method is verified through comparisons against other existing PLE methods.

研究动机与目标

• 为解决传统密码学保密性的局限性，通过利用无线信道特性，将加密直接集成到物理层。
• 建立理论基础，通过联合设计的加密函数与密钥生成机制，确保物理层加密中的完美保密。
• 在极低系统开销和高成功率的前提下，实现合法用户之间的实用化密钥协商。
• 从保密性和通信性能两个方面，评估并比较所提出的PLE方案与现有方法的性能。

提出的方法

• 基于信息论原理推导出完美保密的充分必要条件，据此设计加密函数。
• 在合法接收方拥有密钥时可完全解调信号的约束下，提出并评估候选加密函数。
• 利用上行链路和下行链路传输的信道状态信息，通过合法用户之间的信道互易性生成密钥。
• 设计一种实用的密钥协商协议，仅引入微小的系统开销，以确保密钥同步的高成功率。
• 加密与密钥生成的联合设计确保了保密性，同时不降低通信信道的性能。
• 通过与现有PLE方法的对比分析，评估性能，重点关注保密性和可靠性指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在物理层环境下，加密函数需满足何种条件才能实现完美保密？
• RQ2 如何将加密函数与密钥生成过程联合设计，以同时确保安全性与通信效率？
• RQ3 在仅引入极低系统开销的前提下，利用信道互易性实现合法用户之间密钥协商的可实现成功率是多少？
• RQ4 所提出的PLE方案在保密性和可靠性方面，与现有物理层加密方法相比，性能表现如何？

主要发现

• 所提出的加密函数满足完美保密的充分必要条件，确保了信息论层面的安全性。
• 完美保密得以实现，且未损害通信信道的功能，保持了数据传输的完整性。
• 密钥生成方法可在仅引入微小系统开销的前提下，实现合法用户之间高概率的密钥协商。
• 性能对比表明，所提出的PLE方法在安全性与实际可行性方面均优于现有PLE方案。
• 加密与密钥生成的联合设计实现了无线系统中稳健、低开销的物理层安全。