Securing communications requires the establishment of cryptographic keys, which is challenging in mobile scenarios where a key management infrastructure is not always present. In this paper, we present a protocol that allows two users to establish a common cryptographic key by exploiting special properties of the wireless channel: the underlying channel response between any two parties is unique and decorrelates rapidly in space. The established key can then be used to support security services (such as encryption) between two users. Our algorithm uses level-crossings and quantization to extract bits from correlated stochastic processes. The resulting protocol resists cryptanalysis by an eavesdropping adversary and a spoofing attack by an active adversary without requiring an authenticated channel, as is typically assumed in prior information-theoretic key establishment schemes. We evaluate our algorithm through theoretical and numerical studies, and provide validation through two complementary experimental studies. First, we use an 802.11 development platform with customized logic that extracts raw channel impulse response data from the preamble of a format-compliant 802.11a packet. We show that it is possible to practically achieve key establishment rates of ~ 1 bit/sec in a real, indoor wireless environment. To illustrate the generality of our method, we show that our approach is equally applicable to per-packet coarse signal strength measurements using off-the-shelf 802.11 hardware.

The multipath-rich wireless environment associated with typical wireless usage scenarios is characterized by a fading channel response that is time-varying, location-sensitive, and uniquely shared by a given transmitter-receiver pair. The complexity associated with a richly scattering environment implies that the short-term fading process is inherently hard to predict and best modeled stochastically, with rapid decorrelation properties in space, time, and frequency. In this paper, we demonstrate how the channel state between a wireless transmitter and receiver can be used as the basis for building practical secret key generation protocols between two entities. We begin by presenting a scheme based on level crossings of the fading process, which is well-suited for the Rayleigh and Rician fading models associated with a richly scattering environment. Our level crossing algorithm is simple, and incorporates a self-authenticating mechanism to prevent adversarial manipulation of message exchanges during the protocol. Since the level crossing algorithm is best suited for fading processes that exhibit symmetry in their underlying distribution, we present a second and more powerful approach that is suited for more general channel state distributions. This second approach is motivated by observations from quantizing jointly Gaussian processes, but exploits empirical measurements to set quantization boundaries and a heuristic log likelihood ratio estimate to achieve an improved secret key generation rate. We validate both proposed protocols through experimentations using a customized 802.11a platform, and show for the typical WiFi channel that reliable secret key establishment can be accomplished at rates on the order of 10 b/s.

The world is witnessing an unprecedented growth of cyber-physical systems (CPS), which are foreseen to revolutionize our world via creating new services and applications in a variety of sectors, such as environmental monitoring, mobile-health systems, intelligent transportation systems, and so on. The information and communication technology sector is experiencing a significant growth in data traffic, driven by the widespread usage of smartphones, tablets, and video streaming, along with the significant growth of sensors deployments that are anticipated in the near future. It is expected to outstandingly increase the growth rate of raw sensed data. In this paper, we present the CPS taxonomy via providing a broad overview of data collection, storage, access, processing, and analysis. Compared with other survey papers, this is the first panoramic survey on big data for CPS, where our objective is to provide a panoramic summary of different CPS aspects. Furthermore, CPS requires cybersecurity to protect them against malicious attacks and unauthorized intrusion, which become a challenge with the enormous amount of data that are continuously being generated in the network. Thus, we also provide an overview of the different security solutions proposed for CPS big data storage, access, and analytics. We also discuss big data meeting green challenges in the contexts of CPS.