In this work, we propose a secret key generation procedure specifically designed for the inter-spacecraft communication links. As a novel secrecy source, the spacecrafts utilize Doppler frequency shift based measurements. In this way, the mobilities of the communication devices are exploited to generate secret keys, where this resource can be utilized in the environments that the channel fading based key generation methods are not available. The mobility of a spacecraft is modeled as the superposition of a pre-determined component and a dynamic component. We derive the maximum achievable secret key generation rate from the Doppler frequency shift. The proposed secret key generation procedure extracts the Doppler frequency shift in the form of nominal power spectral density samples (NPSDS). We propose a maximum-likelihood (ML) estimation for the NPSDS at the spacecrafts, then a uniform quantizer is utilized to obtain secret key bits. The key disagreement rate (KDR) is analytically obtained for the proposed key generation procedure. Through numerical studies, the tightness of the provided approximations is shown. Both the theoretical and numerical results demonstrate the validity and the practicality of the presented physical layer key generation procedure considering the security of the communication links of spacecrafts.


翻译:在这项工作中,我们建议了专门为航天器间通信链路设计的秘密关键生成程序。作为一个新的保密来源,航天器使用多普勒频率变化测量方法。这样,通信装置的动员被用来生成秘密钥匙,这种资源可以在频道淡化的关键生成方法所不具备的环境中加以利用。航天器的移动模式是预定组件和动态组件的叠加。我们从多普勒频率变化中得出了最大可实现的秘密关键生成率。拟议的秘密关键生成程序以名义能量光谱密度样本的形式提取多普勒频率变化。我们提议对航天器的核动力源光谱密度进行最大似值估计,然后使用统一的微调来获取秘密密钥位。关键生成程序的关键分歧率(KDR)是分析得出的。通过数字研究,所提供近似的紧凑性得到了显示。从理论和数字上看,考虑到航天器通信链的安全性,所提出的物理层关键生成程序的有效性和实用性。

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