LoRa-PRIME：一种基于周期性比特反转与改进自适应量化技术的新型密钥生成框架，用于增强LoRa中继网络的抗协作干扰能力

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：LoRa-PRIME: A Novel Secret Key Generation Framework Based on Periodic Bit Reversal and Modified Adaptive Quantization for Robust Cooperative Jamming LoRa Relay Networks

　　

摘要：

物理层密钥生成技术为资源受限的物联网设备提供了一种轻量级的安全解决方案。然而，现有的大多数方法都是针对直接连接设计的，并未明确考虑中继辅助的LoRa网络。本文提出了LoRa-PRIME这一密钥生成框架，它结合了信道探测、Savitzky–Golay预处理、改进的自适应双阈值量化算法、Bose–Chaudhuri–Hocquenghem纠错机制、用于提升随机性的周期性反转加密技术以及SHA-256加密算法来增强隐私性。实验是在室内视距环境、室内非视距环境以及室外非视距环境下，使用真实的LoRa设备进行的。Savitzky–Golay滤波提高了信道相关性（例如，在室内视距环境中的相关性从0.7595上升到了0.8443），从而有助于可靠地提取密钥。与Sky-Glow相比，4位改进型自适应双阈值量化算法实现了更高的密钥一致性率（高达0.9745）和更快的密钥生成速度（高达33.04比特/秒），同时将每条密钥的生成时间缩短到了7.75秒。周期性反转加密技术提升了随机性质量，在室内视距环境中，符合NIST标准的密钥数量从4个增加到了14个，其他环境中也取得了类似的改善效果。复杂度分析表明，该技术的 scalability约为线性级O(N)，其中超过85%的执行时间用于信道探测，而信号处理和加密操作带来的开销则相对较小。实测结果显示，每生成一条密钥所需的能量为6.619焦耳，这一数值低于其他几种已报道的基于LoRa的密钥生成方案。这些结果表明，LoRa-PRIME为基于中继辅助的LoRa物联网应用提供了一种高效且实用的密钥生成解决方案。