(Background) With the wide application of internet of things (IoT), setting up an effective authentication system in those networks becomes overwhelmingly difficult yet urgent. Conventional authentication solutions are usually implemented at upper layers of network OSI (Open Systems Interconnection) model, e.g., IPsec at layer 3, TLS at layer 4, application layer authentications, etc., and assumes a cryptographic key is safely shared without any leakage to attackers. However, the security relying on such assumption is increasingly questioned in the IoT scenario due to the following concerns. First, the increasing number of devices in IoT systems make it extremely hard if not impossible to distribute and manage secret keys. Second, IoT nodes are often vulnerable to physical attacks since they are deployed in a distributed fashion and possibly in unprotected environments. Third, IoT nodes are typically resource limited, indicating that an attacker would possess relatively more computation resources to break the adopted cryptography system.

(Target) In this topic, we will study physical layer authentication (PLA) to address the above concerns. In contrast with conventional authentication solutions (that place a burden on managing secret keys), the PLA scheme identifies a device by exploring some “born” physical features of radio waves transmitted by the device. Such physical features are induced in the radio frequency (RF) chain, which presents hardware imperfections being randomly generated during manufacturing and is out of human’s control. Thus, they can serve as unforgeable identities for authentication of wireless devices. Particularly, we will (1) collect raw IQ data of radio frames transmitted under various WiFi standards, such as IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax , Bluetooth, and etc., (2) extract radiometric features from the collected raw data to identify/authenticate transmitting devices and (3) design practical applications on top of it.

背景: IoT（モノのインターネット）の広範な普及に伴い、これらのネットワークにおける効果的な認証システムの構築することが極めて難しく、急務である。従来の認証方法は通常、ネットワークOSI（Open Systems Interconnection）モデルの上位層で実装されるものであり、例えばレイヤー3のIPsecやレイヤー4のTLS、アプリケーション層での認証などで実装される。ここで、これらは暗号鍵が安全に攻撃者に漏れることなく共有されることを前提としている。しかし、IoT環境においては以下の懸念から、この前提に基づくセキュリティの信頼性が疑問視されるようになっている。まず、IoTシステムのデバイス数が増加することで、秘密鍵の配布や管理が極めて難しく、事実上不可能であるという問題がある。さらに、IoTノードは分散して設置されることが多く、保護されていない環境下では物理的な攻撃に対して脆弱である。また、IoTノードは一般的にリソースが限られているため、攻撃者が相対的に多くの計算リソースを持ち、採用された暗号鍵や暗号システムを破る可能性が高くなる。

目標: この研究では、上記の懸念に対処するために物理層認証（PLA）を検討する。従来の認証方法（秘密鍵の管理に依存するもの）とは異なり、PLAではデバイスから送信される無線波の「生まれ持った」物理的特徴を利用してデバイスを識別する。これらの物理的特徴は、製造過程でランダムに生成されるハードウェアの瑕疵に起因し、人間の制御が難しく、コストも高いため、制御を超えている。したがって、無線デバイスの認証において偽造不可能な識別子として利用することができる。特に、この研究では、(1) IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax や Bluetooth など、さまざまな WiFi 規格の無線電波の生データ（IQデータ）を収集し、(2) 収集した生データからradiometric（放射）特徴を抽出して送信デバイスの識別および認証を行い、(3)それに基づいてさまざまな応用を設計する。

Wiretap coding, proposed by A. D. Wyner in 1975, are designed for noisy communication channels to ensure both reliable data transmission and secure communication even in the presence of potential eavesdroppers. These codes leverage the randomness introduced by the transmitter to enhance the confidentiality of the message, making the signal impossible for eavesdroppers to decipher amidst the background noise. Over recent years, wiretap codes have gained significant interest due to the additional security layer they offer, which is crucial in wireless communication environments that are especially susceptible to eavesdropping. Our research focuses on evaluating the theoretical performance of physical layer security and developing techniques to improve the performances. Our previous works have explored the performance boundaries of physical layer security in scenarios involving correlated fading wiretap channels, multicasting systems, and extensive wireless networks. Currently, our research focus is on coding theorems for wireless communication, including the radio communication and optical communications.

ワイヤータップコードは、1975年にA. D. Wynerによって提案されたもので、ノイズの多い通信チャネルにおいて、信頼性のあるデータ伝送と潜在的な盗聴者の存在下でも安全な通信を実現するように設計されている。これらのコードは、送信者が導入するランダム性を活用し、メッセージの機密性を高めることで、背景ノイズの中で盗聴者が信号を解読できないようにする。近年、ワイヤータップコードは、特に盗聴に対して脆弱な無線通信環境において、追加のセキュリティレイヤーを提供することから、大きな注目を集めている。我々の研究は、物理層セキュリティの理論的性能の評価と性能向上のための技術開発に焦点を当てている。これまでの研究では、相関フェージングワイヤータップチャネル、多重放送システム、大規模無線ネットワークなどのシナリオにおける物理層セキュリティの性能限界を探求してきた。現在の研究の焦点は、無線通信および光通信を含む符号理論にある。