Nesnelerin İnterneti Güvenli İletişim için Faz Modulation Teknikleri (iot) Cihazları

Giriş: Güvenli IoT İletişim için Büyüyen Imperative

Nesnelerin İnterneti (IoT) kendisini modern yaşamın kumaşına kazımıştır, endüstriyel otomasyon, akıllı evler, sağlık monitörleri ve kritik altyapıya sahip milyarlarca cihazı birbirine bağlar. 2030 yılına kadar, projeksiyonlar dünya çapında 25 milyar bağlantılı IoT cihazları tahmin etmektedir.Bu patlayıcı büyüme, özellikle de oldukça hafif bir şekilde kesintiye uğratmaktadır, veri koruma önlemleridir - yangın duvarları, antivirüs ve sertifika bazlı kimlik doğrulama sistemleri - kaynak-konuşturucu cihazlar için uygun olmayan.

Faz modulation, bir taşıyıcı dalgasının aşamasındaki benzersiz bir gürültü direnci ve direnç sunar, kesin senkronizasyon olmadan durdurmak için çekici bir aday yapar. Bu makale, IoT bağlantılarını güvence altına almak için cazip bir aday sunar.

IoT Context'de faz Modulation in the IoT Context

Faz modulation (PM) iki faz eyaletleri arasında geçiş yapmak için taşıyıcıya neden oluyor -tipik olarak 0° ve 180° arasındaki farkın sabit kalması, bu da veri sinyalinin ana etkisi gibi güçlü bağışıklık sağlar.

IoT senaryolarında, cihazlar genellikle elektromanyetik gürültünün yüksek seviyelerinde çalışır (örneğin, fabrikalar, hastaneler, kentsel bölgeler) ve çok fazla sempati yayılımı ile doğrudan bağlantı kurmalı ve daha az retransmisyon (AM) ve frekans modulation (FM) bu tür bozulmalara daha duyarlıdır. PM, aksine, sinyal gücü dalgalanmaları zaman güvenilir bir şekilde tespit edilebilir.Bu sağlamlık doğrudan daha düşük hata oranlarına ve daha az geri dönüşümlere ve daha az geri dönüşümlere ve daha az tasarruf sağlar.

Matematiksel olarak, bir faz ayarlanmış sinyal olarak ifade edilebilir:

[0](t) = A c cos(2TYf c t + {{(t)).

[FONT=0]A c[DÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ

Gürültü direncinin ötesinde, PM, izinsiz alıcıların tam faz referansını bilmeden sinyalini kodlamaya zor bir şekilde katkıda bulunur. Uygun senkronizasyon olmadan sinyali takip etmek sadece rastgele faz dalgalanmalarını görecek, etkili bir şekilde altta yatan miktarları ele geçirecektir.Bu özellik, düşük olasılık (LPI) iletişimini sağlamak için fiziksel katman güvenliğinden yararlanılmıştır.

Faz Modulation Teknikleri

Birkaç aşama modulation varyantları var, her biri veri oranı, karmaşıklık, güç verimliliği ve güvenlik arasında ticaret yapan. IoT'de kullanılan en yaygın formlar aşağıda tartışılmaktadır.

İkili Aşama Değiştir Anahtarlama (BPSK)

BPSK temel PSK programıdır. 180° tarafından ikili 0 ve 1. temsil etmek için ayrılmış iki aşama devleti kullanır - çünkü aşama değişikliği en yüksek olası (TYT)dir, BPSK PSK biçimleri arasında en yüksek gürültü bağışıklığı gösterir.In IoT applications where very low power and extreme reliable are required - such as medical implants or far environment servers -BPSK is often the modulation of choice.

Quadrature Faz Shift Keying (QPSK)

QPSK, dört faz devleti kullanarak veri oranını ikiye katladı (180, 90°, 180°, 20.5), en fazla iki miktar sembolünü simgeleyen. Bu 2-bit harita, daha genişleyen bant genişliği olmadan gerçekleştirilir. QPSK yaygın olarak Wi-Fi (802.11b/g/n) ve uydu iletişim. IoT için QPSK, özellikle de cihazlar daha büyük ödeme yükleri iletmeli, özellikle de daha iyi bir denge sağlar.

Diferansiyel Faz Geçiş Anahtarlama (DPSK)

DPSK, başarıcı semboller arasındaki faz farkı ile mutlak bir aşama referansı ihtiyacını ortadan kaldırır. A ikili “1”, 180°'nin bir aşamasıyla temsil edilebilir, “0” bir değişiklikle karşılıksız bir şekilde malın serbest bırakılması için uygun bir şekilde uygun olmayan IoT düğümleri ile karşı karşıya kalabilir.

Offset Quadrature Phase Keying (OQPSK)

OQPSK, QPSK'nin, dışsal yükselteçlerin (I) ve dörtlü (Q) bazı akışların yarı bir sembolü tarafından dengelendiğini gösteriyor. Bu şaşırtıcı derecede büyük faz atlayışlarını engelliyor (örneğin, 180° geçişleri) çünkü sürekli olarak devam ediyor ve akü-çaklı olmayan cihazlara müdahale ediyor.

YüksekOrder PSK ve AmplitudePh-Phase Shift Keying (APSK)

IoT ağ geçidi veya daha yüksek bağlantıya ihtiyaç duyan temel istasyonlar için 8-PSK veya 16-APSK kullanılabilir.Bu şemalar sırasıyla 3 veya 4 bit sembolünü birleştirir, ancak daha iyi sinyal alma oranları sunar.Dersin olmayan güç yükselteçleri ile bir takımyıldız sunar.

IoT Security için Faz Modulation

Faz modulation'ın güvenlik özellikleri geleneksel şifrelemenin ötesine uzanır. Aşağıda, PM'i özellikle IoT ortamlarda etkili kılan temel faydalar vardır.

Eavesdrop'a Gelişen Direniş

Çünkü faz bilgisi görecelidir ve senkronize edilmiş bir referans gerektirir, pasif bir eavesdrop sadece sinyali engellememelidir, aynı zamanda taşıyıcı aşamasına da kilitlemelidir.Bir fazlı döngü (PLL) vericinin zamanlaması ile birlikte, alınan sinyal gürültü olarak görünür.Bu özellik kapak iletişimde görünür ve yapay faz dithering veya yayılabilir.

Improv Signal Integrity Under Adverse conditions

IoT cihazları sıklıkla çoklu sempatiyle ortamlarda çalışır, diğer kablosuz cihazlardan müdahale eder ve güç kısıtlayıcı iletileri ile sınırlıdır. PM –özellikle BPSK ve OQPSK – düşük maliyetli güç yükselteçlerinden kaçınan bir zarf.

Kriptografik ve Steganografik Yöntemlerle Uyumluluk

Faz modulation şifreleme yerini alamaz; standart takımyıldız noktalarının ötesindeki veri şifreleme standart (AES) veya benzer algoritmaların fiziksel bir tabakayı kullanarak, bir olumsuzluktan ayrı paketler eklemesi zorlanabilir.Ayrıca, standart takımyıldız işaretlerinin ötesindeki rotasyonlar veya doğrulama etiketleri ile şifrelenebilir - fiziksel katman steganography olarak bilinen bir teknik.

Intercept ve Low Probability of Tespit (LPI/LPD)

Askeri ve savunma IoT uygulamaları (örneğin, savaş sensörleri) sinyalin tespit edilmesi ve engellenmesi zor olan iletimleri gerektirir. PSK sinyalleri çok düşük güç spektral yoğunluğuyla, doğrudan eşdeğer bir akış aralığı gibi teknikleri kullanarak geniş bir şekilde yayılır.

Kaynakla İğrenilen IoT Cihazlarında Uygulamayı Değerlendirme

IoT cihazlarında işlenme aşaması, mühendislerin güvenlik, maliyet ve güç tüketimi için hitap etmesi gereken birkaç pratik ticaret düzenleme içerir.

senkronizasyon Kompleksi

Coherent PSK (BPSK, QPSK) alıcının yerel osilatörünü verici taşıyıcı aşamasıyla senkronize etmesini gerektirir. Bu, bir faz kilitlenmiş döngü veya dijital senkronizasyon algoritmasını gerektirir, bu da onları düşük seviyeli IoT düğümleri için daha uygun hale getirir.

C ⁇ Processing Processing

Dijital faz modülasyon ve demodülasyon gerçek zamanlı sinyal işleme gerektirir: Texas Instruments ve NXP gibi satıcılarla eşleştirilir, PPC'nin işlemesini ana MCU'dan yükletir.

Güç Verimliliği ve Aralığı

Constanten Developmente PSK şemaları, vericinin güçlendiricisinin, satışa yakın çalışmasına izin verir, verimlilik en yüksek 100-300 metre kapalı alana sahiptir ve yalnızca 10-20 mA'yı aktarma sırasında elde eder.

Düzenleme ve Coexistence

Birçok IoT grubu (örneğin, 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz) sıkı ⁇ maske gereksinimlerine sahiptir. OQPSK özellikle düşük bant emisyonlarını yaymak için tasarlanmıştır, cihazlara karşı askıya alma ve ETSI düzenlemeleri ile müdahale eder. Bu aynı zamanda genel ağ güvenilirliği artırmak - kendi başına güvenlik endişesini artırmak için de müdahale edilebilir.

Fiziksel Katman Güvenlik Çerçevelerinde Faz Modülasyonu

Fiziksel katman güvenliği (PLS) iletişim kanalının özelliklerini yalnızca üst düzey şifrelemeye güvenmeksizin, eavesdrop'ı önlemek için kullanır. Faz modulation birkaç PLS tekniğinde merkezi bir rol oynar.

Yapay gürültü ve Bilinçlendirme Obfuscation

Kontrollü faz gürültülerini kasıtlı olarak ekleyerek veya takımyıldız puanlarını gizli bir şekilde döndürerek, verici yalnızca amaçlanan alıcının - rotasyon kalıbını bilen – bu yaklaşımın yönsel modulation veya güvenli PSK olarak adlandırılabilir.

Kanal Reciprocity'den Gizli Anahtar Nesil

Bir bağlantının her iki ucunda ölçülen kablosuz kanal değişkenleri son derece ilişkili ve bu özel yol için eşsizdir. Cihazların mevcut modografik anahtarlar üretmesi için ortak rastgele aşama verilerini çıkarabilir. BPSK/OQPSK transceivers bu aşama farkları ek donanım olmadan yapabilir.

Faz Modulation ile Kooperatif Jamming

Multinode IoT ağları, meşru müdahaleler, kanal kullanımı için birkaç bit oranındaki gizli işaretleri artırdığını gösteren faz-moderleri iletebilir.Bu kooperatif rejit, bağlantıyı iptal eder.

Kriptografik Protokollerle Faz Modülasyonunu Bütünleştirmek

IoT'de sağlam uçlu güvenlik için, faz modülasyonu geleneksel kriptografi ile birlikte kullanılmalıdır: kombinasyon, pasif eavesdrop ve sinyal enjeksiyonu sağlarken, şifreleme, veriyi bile modülasyon kırılırsa korur.

Bir pratik uygulama, QPSK gibi şifreli kriptografik ilkelleri kullanmak için tasarlanmıştır. Örneğin, bir IoT Gateway, belirli bir aşama serisini düzenli olarak yayınlayabilir (konstrasyon açma) QPSK. hafif kriptografik ilkelleri kullanarak başlayan bir başka engeli de içerir.

IEEE 802.15.9 ( anahtar yönetim protokollerinin geçiş) ve O-RAN'ın güvenlik kontrolleri, faz bazlı anahtar çıkarma ve modulation tabanlı doğrulama dahil olmak üzere fiziksel katman geliştirmelerini benimsemeye başlıyor.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Güçlülerine rağmen, IoT'deki faz modülasyonu, araştırmacıların ve mühendislerin aktif olarak ele alınması gereken birkaç engelle karşı karşıyadır.

Donanım Sınırları ve Maliyetleri

Precise faz modulation stabil oscillators (kristal veya TCXO) ve lineer karıştırıcılar için birçok ultra-düşük IoT çipleri, RC osilatörleri zayıf faz stabilitesi ile kullanır, tutarlı PSK pratik olarak çalışır.

Adaptasyon ve Makine Öğrenme

Statik PSK programları, BPSK, QPSK ile daha yüksek siparişler arasında geçiş yapan ve kanal kalitesi ortaya çıkmaktadır. Makine öğrenme modelleri, en iyi modülasyon siparişini ve faz-rotasyon modelini en üst düzey güvenlik için tahmin edebilirken, azimli IoT ağlarını simüle etmeye söz vermişlerdir.

Massive MIMO ve mmWave ile entegrasyon

Sonraki nesil IoT (örneğin, 5G-NR RedCap) büyük MIMO ve milimetre dalga frekansları kullanıyor. Bu yüksek frekanslarda faz modulation, uzaysal olarak kısıtlanan iletişimin daraltılmasına izin veriyor – eavesdrop, çatlakların fiziksel olarak büyük anten dizileri üzerinde tutarlı sinyal işleme meydan okumaları yapması gerekiyor.

KuantumResistant Modulation

kuantum hesaplama ilerlemeleri olarak, geleneksel halk anahtar kriptografi hala kırılgan olabilir. Faz modulation bir geçiş yolu sunar: kuantum anahtar dağılımı (QKD) faz destekli zayıf koherent puls kullanarak uygulanabilir.QKD hala çok karmaşık olsa da, QKD, yüksek çözünürlükte QKD üzerinde yüksek değerli IoT geri dönüşümlü olabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Faz modulation teknikleri, IoT iletişimini fiziksel katmanda sağlamak için güçlü, enerji değişkeni bir şekilde sağlar. aşamanın doğal özelliklerini kullanarak - gürültüye karşı, çeşitli cihazlarla ilgili zorluk ve uyumluluk için farklı avantajları sunar.

Pratik dağıtım senkronizasyon karmaşıklığının, işlemenin ve düzenleyici kısıtlamalar konusunda dikkatli bir denge gerektirir. Ancak, yarı iletken teknoloji geliştikçe ve uyarlanabilir modulation algoritmaları olgun, faz modulation güvenli IoT ağlarının temel taşı haline gelmek için hazırlanmaktadır.For developers and system architectures, understand and Canonating these techniques will be necessary to building trust in the more connection world of smart devices.

[FONT=0]Further okuma: [Dönetici: · 1] Derin bir şekilde fiziksel katman güvenlik temellerine, bkz.ENGT:2).IEEE Xplore: IoT için fiziksel bir katman güvenlik: A Survey) Uygulamalı uygulama kılavuzları için, düşük güç radyolarında OQPSK'ye yönelik pratik uygulama kılavuzları için bakınız[T: 7)