Physical-layer key generation (PKG) establishes cryptographic keys from highly correlated measurements of wireless channels, which relies on reciprocal channel characteristics between uplink and downlink, is a promising wireless security technique for Internet of Things (IoT). However, it is challenging to extract common features in frequency division duplexing (FDD) systems as uplink and downlink transmissions operate at different frequency bands whose channel frequency responses are not reciprocal any more. Existing PKG methods for FDD systems have many limitations, i.e., high overhead and security problems. This paper proposes a novel PKG scheme that uses the feature mapping function between different frequency bands obtained by deep learning to make two users generate highly similar channel features in FDD systems. In particular, this is the first time to apply deep learning for PKG in FDD systems. We first prove the existence of the band feature mapping function for a given environment and a feedforward network with a single hidden layer can approximate the mapping function. Then a Key Generation neural Network (KGNet) is proposed for reciprocal channel feature construction, and a key generation scheme based on the KGNet is also proposed. Numerical results verify the excellent performance of the KGNet-based key generation scheme in terms of randomness, key generation ratio, and key error rate, which proves that it is feasible to generate keys for FDD systems with lower overhead and more secure functions compared to existing methods.


翻译:物理键生成(PKG) 建立来自无线频道高度相关测量的加密密钥,它依赖于上链接和下链接之间的对等频道特征,是具有希望的无线安全技术。然而,由于频谱分解(DFD)系统的上链接和下链接传输在频道频率反应不再对等的不同频带运作,因此在高链接和下链接传输系统中,提取频率分解(DFD)系统的共同特征具有挑战性。现有的DFD系统PKG方法有许多局限性,即高间接费用和安全问题。本文提议采用一个新的PKGG计划,利用通过深层次学习获得的不同频带之间的地貌制图功能,使两个用户在DFDS系统中产生非常相似的频道特征。特别是,这是首次为PKGGDFD系统应用深度的分解(DFDD)系统。我们首先证明存在特定环境的频带特征映射功能,而一个具有单一隐藏层的向上传输网络,可以与绘图功能相近。然后,为对等的频道功能构建一个基于KNGNet各频段段段段的功能,并基于KGNet系统的关键生成系统,从而比较可靠的生成关键数据比例。

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