А.А. Галиев1, А.И. Сулимов2, А.В. Карпов3

1–3 Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия)

1 ggalievv@mail.ru; 2 asulimo@gmail.com; 3 arkadi.karpov@kpfu.ru

Постановка проблемы. Для решения задачи формирования и распределения двоичных случайных последовательностей в системах защиты информации в настоящее время применяется асимметричное шифрование совместно с генераторами псевдослучайных чисел. Более высокую надежность защиты информации можно достигнуть, используя генерацию двоичных последовательностей на основе случайных флуктуаций параметров радиосигнала в многолучевой среде распространения. Преимущество этого подхода заключается в природной случайности двоичных последовательностей, одновременно порождаемой в заданной паре пунктов связи. Однако при этом возникает проблема кратковременной нестабильности опорных генераторов устройств связи, которую можно устранить методом дифференциально-фазовых измерений.

Цель. Выполнить экспериментальное исследование вероятностных свойств дифференциальной фазы двухчастотного зондирующего сигнала для оценки ее применимости в задачах генерации двоичных случайных последовательностей.

Результаты. Разработана новая аппаратура для обеспечения встречного двухчастотного зондирования многолучевой среды и регистрации дифференциальной фазы отклика. Проведено экспериментальное исследование по двухчастотному зондированию многолучевого канала в диапазоне частотных разнесений 20…80 МГц. Достигнута высокая (не менее 0,95) взаимная корреляция измерений дифференциальной фазы на обоих концах радиолинии. Представлена вероятностная модель дифференциальной фазы многолучевого радиосигнала. Показано, что полученные экспериментальные данные соответствуют представленной теоретической модели. Установлено, что для получения удовлетворительных вероятностных свойств дифференциальной фазы требуется разнесение несущих не менее, чем 80 МГц.

Практическая значимость. Результаты проведенного исследования согласуются с известными теоретическими моделями вероятностных свойств дифференциальной фазы многолучевого сигнала, что подтверждает применимость дифференциально-фазовых измерений для многолучевой генерации двоичных случайных последовательностей в двух разнесенных пунктах связи.

Галиев А.А., Сулимов А.И., Карпов А.В. Экспериментальное исследование вероятностных свойств дифференциальной фазы отклика многолучевой среды // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 12. С. 88−98. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202312-10

1. Hyadi A., Rezki Z., Alouini M.-S. An overview of Physical Layer Security in wireless communication systems with CSIT uncertainty // IEEE Access. 2016. V. 4. P. 6121-6132. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2016.2612585.
2. Maurer U. M. Secret key agreement by public discussion from common information // IEEE Transactions on Information Theory. 1993. V. 39(3). P. 733-742. https://doi.org/10.1109/18.256484.
3. Mathur S., Trappe W., Mandayam N., Ye C., Reznik A. Radio-Telepathy: exctracting a secret key from an anuthenticated wireless channel // Proc. of the 14th ACM international conference on Mobile computing and networking (MobiCom’08). 2008. P. 128-139. https://doi.org/10.1145/1409944.1409960.
4. Smolyakov A.D., Sulimov A.I., Karpov A.V., Galiev A.A. Experimental extraction of shared secret key from fluctuations of multipath channel at moving a mobile transceiver in an urban environment // 12th International Joint Conference on e-Business and Telecommunications (ICETE). 2015. P. 355-360.
5. Jana S., Premnath S. N., Clark M., Kasera S. K., Patwari N., Krishnamurthy S. V. On the effectiveness of secret key extraction from wireless signal strength in real environments // Proc. 15th Ann. Int. Conf. on Mob. Comp. and Networking (MobiCom' 09). 2009. P. 321-332. https://doi.org/10.1145/1614320.1614356.
6. Mathur S., Miller R., Varshavsky A., Trappe W., Mandayam N. ProxiMate: Proximity-based secure pairing using ambient wireless signals // Proc. 9th Int. Conf. on Mob. systems, applications, and services (MobiSys' 11). 2011. P. 211-224. https://doi.org/10.1145/1999995.2000016.
7. Галиев А. А., Сулимов А. И., Карпов А. В. Экспериментальное исследование устойчивости систем многолучевой генерации ключевых последовательностей к внешним преднамеренным помехам // Радиотехника. 2020. Т. 84. №. 9. С. 61-71. https://doi.org/10.18127/j00338486-202009(18)-05.
8. Sulimov A.I., Galiev A.A., Karpov A.V., Markelov V.V. Verification of Wireless Key Generation Using Software Defined Radio // Proc. of the 2019 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Tomsk, Russia. 2019. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2019.8729607.
9. Карпов А.В., Смоляков А.Д., Лапшина И.Р., Галиев А.А. Метод синхронизации пространственно-разнесенных устройств в системе генерации и распределения ключей // Ползуновский вестник. 2016. № 2. С. 150-154
10. Hassan A.A., Stark W.E., Hershey J.E., Chennakeshu S. Cryptographic key agreement for mobile radio // Digital Signal Processing. 1996. V. 6(4). P. 207-212. https://doi.org/10.1006/dspr.1996.0023.
11. Sulimov A.I., Sherstyukov O.N., Karpov A.V. Analysis of frequency-correlation properties of multipath channel for encryption key generation using samples of differential phase // Proc. of the 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT-2018). Moscow. Russia. 2018. P. 1-7. https://doi.org/10.1109/MWENT.2018.8337300.
12. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1. М.: Советское радио. 1969.
13. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь. 1986.
14. Patzold M. Mobile fading channels. New York: John Wiley & Sons. 2002.
15. Saunders S.R., Argo-Zavala A. Antennas and propagation for wireless communication systems. New York: Wiley. 2007.