KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.5
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pp.2701-2722
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2017
Key generation is essential for protecting wireless networks. Based on wireless channel reciprocity, transceivers can generate shared secret keys by measuring their communicating channels. However, due to non-simultaneous measurements, asymmetric noises and other interferences, channel measurements collected by different transceivers are highly correlated but not identical and thus might have some discrepancies. Further, these discrepancies might lead to mismatches of bit sequences after quantization. The referred mismatches significantly affect the efficiency of key generation. In this paper, an efficient key generation scheme leveraging wireless channel reciprocity is proposed. To reduce the bit mismatch rate and enhance the efficiency of key generation, the involved transceivers separately apply discrete cosine transform (DCT) and inverse discrete cosine transform (IDCT) to pre-process their measurements. Then, the outputs of IDCT are quantified and encoded to establish the bit sequence. With the implementations of information reconciliation and privacy amplification, the shared secret key can be generated. Several experiments in real environments are conducted to evaluate the proposed scheme. During each experiment, the shared key is established from the received signal strength (RSS) of heterogeneous devices. The results of experiments demonstrate that the proposed scheme can efficiently generate shared secret keys between transceivers.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.13
no.8
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pp.4041-4059
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2019
Key establishment method based on channel reciprocity for time division duplex (TDD) system has earned a vital consideration in the majority of recent research. While most of the cellular systems rely on frequency division duplex (FDD) systems, especially the 5G network, which is not characterized by the channel reciprocity feature. This paper realizes the generation of a group secret key for multi-terminals communicated through a wireless network in FDD mode, by utilizing the nature of the physical layer for the wireless links between them. I consider a new group key generation approach, which using bitwise XOR with a modified pairwise secret key generation approach not based on the channel reciprocity feature. Precisely, this multi-node secret key agreement technique designed for three wireless network topologies: 1) the triangle topology, 2) the multi-terminal star topology, and 3) the multi-node chain topology. Three multi-node secret key agreement protocols suggest for these wireless communication topologies in FDD mode, respectively. I determine the upper bound for the generation rate of the secret key shared among multi-node, for the three multi-terminals topologies, and give numerical cases to expose the achievement of my offered technique.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.2
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pp.424-442
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2014
Most recent research on iterative solutions for interference alignment (IA) presents solutions assuming channel reciprocity based on the suppression of interference from undesired sources by using an appropriate decoding matrix also known as a receiver combining matrix for multiple input multiple output (MIMO) interference channel networks and reciprocal networks. In this paper, we present an alternative solution for IA by designing precoding and decoding matrices based on the concept of signal leakage (the measure of signal power that leaks to unintended users) on each transmit side. We propose an iterative algorithm for an IA solution based on maximization of the signal-to-leakage-and-noise ratio (SLNR) of the transmitted signal from each transmitter. In order to make an algorithm removing the requirement of channel reciprocity, we deploy maximization of the signal-to-interference-and-noise ratio (SINR) in the design of the decoding matrices. We show through simulation that minimizing the leakage in each transmission can help achieve enhanced performance in terms of aggregate sum capacity in the system.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.2
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pp.524-539
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2014
To investigate schemes of secret key generation from Ultra-wideband (UWB) channel, we study a statistical characterization of UWB outdoor channel for a campus playground scenario based on extensive measurements. Moreover, an efficient secret key generation mechanism exploiting multipath relative delay is developed, and verification of this algorithm is conducted in UWB Line-of-sight (LOS) outdoor channels. For the first time, we compare key-mismatch probability of UWB indoor and outdoor environments. Simulation results demonstrate that the number of multipath proportionally affects key generation rate and key-mismatch probability. In comparison to the conventional method using received signal strength (RSS) as a common random source, our mechanism achieves better performance in terms of common secret bit generation. Simultaneously, security analysis indicates that the proposed scheme can still guarantee security even in the sparse outdoor physical environment free of many reflectors.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.10
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pp.3557-3571
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2014
We develop a secret key generation scheme using phase estimation in ultra-wideband (UWB) wireless fading channels. Based on the reciprocity theorem, two terminals extract the phase of the channel as a common random source to generate secret bits. Moreover, we study the secret key rate by a pair of nodes observing correlated sources and communicating to achieve secret key agreement over public communication channels. As our main results, we establish a more practical upper bound from Cramer-Rao bound (CRB) and compare it with a universally theoretical upper bound on the shared maximum key rate from mutual information of correlated random sources. Derivation and numerical examples are presented to demonstrate the bound. Simulation studies are also provided to validate feasibility and efficiency of the proposed scheme.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.39A
no.12
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pp.708-717
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2014
In this paper, we present a secret key distribution protocol without resorting to a key management infrastructure targeting at providing a low-complexity distributed solution to wireless network. The proposed scheme extracts a secret key from the random fluctuation of wireless channels. By exploiting time division duplexing transmission, two legitimate users, Alice and Bob can have highly correlated channel gains due to channel reciprocity, and a pair of random bit sequences can be generated by quantizing the channel gains. We propose a novel adaptive quantization scheme that adjusts quantization thresholds according to channel variations and reduces the mismatch probability between generated bit sequences by Alice and Bob. BCH codes, as a low-complexity and pratical approach, are also employed to correct the mismatches between the pair of bit sequences and produce a secret key shared by Alice and Bob. To maximize the secret key extraction rate, the parameters, quantization levels and code rates of BCH codes are jointly optimized.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.10
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pp.5080-5097
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2017
Channel characteristics-based secret key generation is an effective physical-layer security method. The issues of how to remove the effect of random noise and to balance the key generation rate (KGR) and the bit mismatch rate (BMR) are needed to be addressed. In this paper, to reduce the effect of random noise and extract more secret bits, a new quantization scheme with high key generation rate and low bit mismatch rate is proposed. In our proposed scheme, we try to use all measurements and correct the differences caused by noise at the boundary regions instead of simply dropping them. We evaluate and discuss the improvements of our proposed scheme. The results show that our proposed scheme achieves lower bit mismatch rate as well as remaining high key generation rate.
We describe the development of a prototype multi-channel electrical impedance tomography (EIT) system. The EIT system can be equipped with either a single-ended current source or a balanced current source. Each current source can inject current between any chosen pair of electrodes. In order to reduce the data acquisition time, we implemented multiple digital voltmeters simultaneously acquiring and demodulating voltage signals. Each voltmeter measures a differential voltage between a fixed pair of adjacent electrodes. All voltmeters are configured in a radially symmetric architecture to optimize the routing of wires and minimize cross-talks. To maximize the signal-to-noise ratio, we implemented techniques such as digital waveform generation, Howland current pump circuit with a generalized impedance converter, digital phase-sensitive demodulation, tri-axial cables with both grounded and driven shields, and others. The performance of the EIT system was evaluated in terms of common-mode rejection ratio, signal-to-noise ratio, and reciprocity error. Future design of a more innovative EIT system including battery operation, miniaturization, and wireless techniques is suggested.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.20
no.3
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pp.477-483
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2016
In this paper, we propose a distributed user scheduling with interference-aware power control (IAPC) to maximize signal to generating interference plus noise ratio (SGINR) in uplink multi-cell networks. Assuming that the channel reciprocity time-division duplexing (TDD) system is used, the channel state information (CSI) can be obtained at each user from pilot signals from other BSs. In the proposed scheduling, to be specific, each user reduces the transmit power if its generating interference to other BSs is larger than a predetermined threshold. Each BS selects the user with the largest SGINR among users. Simulation results show that the proposed technique significantly outperforms the existing user scheduling algorithms. It is worth noting that the proposed technique operates with distributed manner without information exchange among cells. Hence, it can be easily applied to the practical wireless systems like 3GPP LTE without significant modifications of the specification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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