The proliferation of low cost Internet of Things (IoT) devices demands new encryption mechanisms over their wireless communication channel. Traditional public key cryptography (PKC) demands high computational power and is not suitable for low power IoT devices, making them vulnerable to more powerful eavesdroppers. Recent advances in physical layer security (PLS) exploits common wireless channel statistics to generate symmetrical keys, but require accurate channel estimation and a high communication signal-to-noise ratio (SNR). As most embedded and underground IoT devices operate in low communication SNR regimes, they cannot reliably use either PKC nor PLS encryption. Many IoT devices monitor underground networked assets such as water, oil, gas, and electrical networks. Here, we propose to exploit the monitored physical dynamics data to act as a basis for encrypting the digital information. Graph Layer Security (GLS) is proposed for the first time here, as a way to encode networked physical assets' information via their graph signal processing properties. Our approach is premised on the exploitation of networked correlation in nonlinear physical dynamics for encryption and decryption. We achieve this using Koopman operator linearisation and Graph Fourier Transform (GFT) sparsification. The resulting GLS encryption scheme, like PLS, do not require the exchange of keys or a public key, and is not reliant on wireless channel properties. Using real world examples, we demonstrate remarkably secure wireless communication encryption. We believe the technology has widespread applicability in secure health monitoring for Digital Twins in challenging radio environments and conclude our seminal paper with a discussion on future development challenges.


翻译:低成本的Things Internet(IoT)设备的扩散要求对其无线通信频道使用新的加密机制。传统的公共钥匙加密(PKC)要求高计算能力,并且不适合低功率的 IoT 设备,使得这些设备容易受到更强大的窃听者的影响。最近物理层安全的进步利用普通无线频道统计数据生成对称键,但需要准确的频道估计和高通信信号到噪音比率。由于大多数嵌入和地下的IoT 设备在低水平的通信 SNR 系统中运行,它们无法可靠地使用 PKC 或 PLS 加密。许多IoT 设备监测低功率的互联网资产,例如水、油、煤气和电网络。在这里,我们提议利用受监控的物理动态数据作为加密数字信息的基础。图层安全(GLS)首次在这里提出一个方法,通过它们的图形加密信号处理特性将有形资产的信息编码成网络。我们的方法的前提是,它们不能可靠地使用非线性物理动态物理动态的网络连接来进行加密和解码和解码化。我们用一个硬化的GLSDLS,我们用了一个硬化的服务器来完成一个硬化系统。

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