Physical layer key generation is a promising candidate for cryptographic key establishment between two wireless communication parties. It offers information-theoretic security and is an attractive alternative to public-key techniques. Here, the inherent randomness of wireless radio channels is used as a shared entropy source to generate cryptographic key material. However, practical implementations often suffer from static channel conditions which exhibit a limited amount of randomness. In the past, considerable research efforts have been made to address this fundamental limitation. However, current solutions are not generic or require dedicated hardware extensions such as reconfigurable antennas. In this paper, we propose a novel wireless key generation architecture based on randomized channel responses from an intelligent reflecting surface (IRS). Due to its passive nature, a cooperative IRS is well-suited to provide randomness for conventional resource-constrained radios. We conduct the first practical studies to successfully demonstrate IRS-based physical-layer key generation with an OFDM system. In a static environment, using a single subcarrier only, our IRS-assisted prototype system achieves a key generation rate (KGR) of 97.39 bps with 6.5% key disagreement rate (KDR) after quantization, while passing standard randomness tests.


翻译:在两个无线通信方之间,地层键生成是一个有希望的加密钥匙的候选方。它提供了信息理论安全,并且是公共钥匙技术的一种有吸引力的替代方法。在这里,无线无线电频道固有的随机性被用作共同的加密关键材料的共享的加密源。然而,实际实施常常受到静态频道条件的影响,而这种条件的随机性有限。过去,为解决这一基本限制进行了大量研究努力。然而,目前的解决办法不是通用的,或者需要专用硬件扩展,例如可重新配置的天线。在本文中,我们提议了一个新的无线关键生成结构,其基础是智能反射表面随机化频道的响应。由于它的被动性质,合作的IRS非常适合为常规资源受限制的无线电提供随机性。我们进行了首次实际研究,以便成功地展示使用离子仪系统进行的基于IRS的物理级关键关键生成。在静态环境中,仅使用一个可重新配置的天线,我们的IRS辅助原型系统实现了关键生成率(KGR)97.39 bps(KGRGR),同时进行6.%的随机断裂率测试。

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