Information-Theoretic Secret Key Agreement from ECG Signals in Body Area Networks

Wireless Body Area Networks rely on resource-constrained sensors that ex-change sensitive physiological data over a shared wireless medium. Establishing fresh secret keys in this setting is challenging because conventional public-key mechanisms impose non-negligible implementation costs on small devices and because long-term confidentiality motivates alternatives that do not rely exclusively on computational hardness assumptions. This thesis investigates information-theoretic secret key agreement from electrocardiogram (ECG) signals in a two-terminal intra-body setting, where two sensors placed at different locations on the same body observe correlated, lead-dependent projections of the same cardiac activity. The work develops a non-parametric, end-to-end pipeline for raw-ECG key agreement, relaxing the jointly Gaussian source model and the scalar amplitude-threshold interface used by prior information-theoretic raw-ECG protocols. Canonical correlation, a Gaussian surrogate, neural mutual-information estimation, and finite-embedding information-rate analyses characterize the continuous ECG source before key generation, while operational rates are reported only after quantization, reconciliation, privacy amplification, and leakage accounting. The central component is an Information-Bottleneck-inspired quantizer that preserves the empirical dependence between Alice’s and Bob’s discrete outputs under a bit-error-rate constraint compatible with LDPC reconciliation. A vector variant operating on two-sample blocks provides the best tested operating point. Experiments on the MIT-BIH Arrhythmia Database and the PTB Diagnostic ECG Database show that the vector quantizer gives deployment-oriented locked Shannon key-rate estimates of the order of tens of bits per second and improves the interface between ECG-derived randomness and LDPC reconciliation relative to a scalar threshold. These rates are deliberately qualified by non-IID audits: the quantized stream remains strongly serially correlated, and under a conservative empirical block-min-entropy measure the extractable length collapses after reconciliation leakage and finite-length slack are subtracted. The thesis therefore supports ECG-based information-theoretic key agreement as a complementary keying primitive for constrained body-area devices, while identifying the temporal structure of the physiological source as the main obstacle to stronger security guarantees.

Le Wireless Body Area Networks si basano su sensori con risorse limitate che scambiano dati fisiologici sensibili attraverso un mezzo wireless condiviso. In questo contesto, stabilire chiavi segrete fresche rappresenta una sfida, poiché i meccanismi convenzionali a chiave pubblica comportano costi implementativi non trascurabili per dispositivi di piccole dimensioni e poiché la riservatezza a lungo termine motiva lo studio di alternative che non dipendano esclusivamente da assunzioni di complessità computazionale. Questa tesi studia il Secret Key Agreement con garanzie information-theoretic a partire da segnali elettrocardiografici, in uno scenario intra-corporeo a due terminali, in cui due sensori posizionati in punti diversi dello stesso corpo osservano proiezioni correlate e dipendenti dalla derivazione della medesima attività cardiaca. Il lavoro sviluppa una pipeline non parametrica ed end-to-end per SKA a partire da ECG grezzo, rilassando sia il modello di sorgente congiuntamente gaussiana sia l’interfaccia basata su soglie scalari di ampiezza impiegati nei precedenti protocolli information-theoretic basati su ECG grezzo. La correlazione canonica, un surrogato gaussiano, la stima neurale dell’informazione mutua e le analisi del tasso informativo con embedding finito vengono impiegate per caratterizzare la sorgente ECG continua prima della generazione della chiave, mentre i tassi operativi sono riportati solo dopo quantizzazione, riconciliazione, privacy amplification e contabilizzazione del leakage. Il componente centrale è un quantizzatore ispirato all’Information Bottleneck, progettato per preservare la dipendenza empirica tra le uscite discrete di Alice e Bob sotto un vincolo sul bit-error rate compatibile con la riconciliazione tramite codici LDPC. Una variante vettoriale, operante su blocchi di due campioni, fornisce il miglior punto operativo tra quelli testati. Gli esperimenti condotti sul MIT-BIH Arrhythmia Database e sul PTB Diagnostic ECG Database mostrano che il quantizzatore vettoriale consente di ottenere stime locked e orientate al deployment del tasso di chiave di Shannon dell’ordine di decine di bit al secondo, migliorando l’interfaccia tra la casualità derivata dall’ECG e la riconciliazione LDPC rispetto a una soglia scalare. Tali tassi sono tuttavia qualificati in modo esplicito mediante analisi non-IID: il flusso quantizzato rimane fortemente correlato nel tempo e, sotto una misura conservativa di block-min-entropy empirica, la lunghezza estraibile collassa dopo aver sottratto il leakage della riconciliazione e i margini dovuti alla lunghezza finita. La tesi supporta quindi il Secret Key Agreement information-theoretic basato su ECG come primitiva complementare per dispositivi body-area vincolati, identificando al contempo nella struttura temporale della sorgente fisiologica il principale ostacolo al raggiungimento di garanzie di sicurezza più forti.