HHK: A Hardware-Oriented Cross-Location PPG Key Generation Architecture for Body Area Networks

Resumo Técnico: HHK – Uma Arquitetura de Geração de Chaves PPG Orientada a Hardware e Cruzada entre Locais

Declaração do Problema
Redes de Área Corporal Sem Fio (BANs) exigem estabelecimento frequente de chaves de sessão para garantir sigilo futuro e proteger dados de saúde sensíveis. No entanto, a criptografia de chave pública tradicional impõe custos computacionais e energéticos que excedem os orçamentos de nós vestíveis profundamente restritos, enquanto a pré-distribuição simétrica carece de sigilo futuro. A geração de chaves baseada em sinais fisiológicos oferece uma solução, permitindo que nós no mesmo corpo derivem chaves correspondentes a partir de dados biométricos compartilhados sem transmitir segredos.

Apesar de pesquisas anteriores, duas lacunas críticas permanecem:

1. Validação Ambulatorial: Estudos existentes estão amplamente confinados a ambientes controlados, estáticos ou de local único. BANs do mundo real operam em diversos locais corporais durante atividades diárias não restritas, onde artefatos de movimento e morfologias de onda dependentes do local degradam a extração do Intervalo Interbatimento (IBI) e o acordo de chaves.
2. Implementação em Hardware: Sistemas atuais de geração de chaves fisiológicas (por exemplo, H2K, FaceFinger, E2P) são implementados inteiramente em software em processadores hospedeiros. Essa abordagem é inadequada para nós BAN autônomos que carecem de processadores de propósito geral devido a restrições energéticas. Nenhum trabalho anterior implementou um pipeline completo de geração de chaves PPG cruzada entre locais em Nível de Transferência Registrador (RTL) sintetizável e o validou em silício.

Metodologia
O artigo propõe o HHK, uma arquitetura orientada a hardware que gera chaves usando o temporização do IBI a partir de sinais de Fotopletismografia (PPG) de luz verde em múltiplos locais corporais. O sistema opera independentemente em dois nós, trocando apenas dados auxiliares públicos.

O caminho de dados consiste nas seguintes etapas:

1. Processamento de Sinal: Amostras PPG brutas de 16 bits são processadas usando um pré-filtro causal de ponto fixo (Q15) para atenuar ruído sem multiplicadores de DSP.
2. Detecção de Batimento: Um detector de máximo local identifica pontos de pé do batimento, impondo um período refratário (150 BPM) para garantir carimbos de tempo válidos.
3. Alinhamento Cruzado entre Locais: Carimbos de tempo de batimento de diferentes locais (por exemplo, cabeça, pulso, tornozelo) são alinhados dentro de uma janela de tolerância de 300 ms. Apenas pares correspondentes contribuem para a sequência de IBI, eliminando erros de dessincronização comuns em comparações sequenciais ingênuas.
4. Quantização: A faixa do IBI é partitionada em quatro bins de frequência igual usando percentis de todo o conjunto de dados. Cada IBI é mapeado para um código Gray de 2 bits. Essa codificação Gray garante que cruzamentos de fronteira resultem em no máximo uma discordância de 1 bit, reduzindo a taxa de erro de canal efetiva.
5. Reconciliação de Chaves: Um código Polar de taxa 1/3 (N=128, K=42) com Decodificação por Cancelamento Sucessivo (SC) é empregado. O Nó A gera uma chave aleatória, a codifica e transmite dados auxiliares ($h = b_A \oplus c$). O Nó B usa esses dados auxiliares para decodificar sua própria sequência de bits e recuperar a chave compartilhada.
6. Gating de Movimento: Para lidar com ruído ambulatorial, o sistema usa métricas de movimento derivadas de IMU para gatear janelas de dados. Janelas com altos artefatos de movimento (excedendo um limiar de 0,08 g) ou frequências cardíacas inválidas (fora de 45–120 BPM) são descartadas antes do processamento.

Principais Contribuições

1. Benchmark Aberto para PPG Multi-Local: O HHK estabelece as taxas de acordo de chaves mais altas relatadas para geração PPG multi-local em dados ambulatoriais de vida livre (216 horas de 16 participantes). Ele reavalia cinco métodos anteriores sob condições idênticas, demonstrando que suas abordagens apenas em software falham em produzir chaves correspondentes neste conjunto de dados desafiador.
2. Primeira Arquitetura RTL Sintetizável: O artigo apresenta a primeira implementação RTL completa e sintetizável de um pipeline de geração de chaves PPG cruzada entre locais validado em silício. O projeto é livre de multiplicadores, utilizando apenas células lógicas padrão, tornando-o portátil para ASICs e adequado para nós de colheita de energia.

Resultados Experimentais
A validação foi conduzida usando o conjunto de dados WildPPG, coletado durante uma expedição montanhosa envolvendo neve, cavernas de gelo e transporte motorizado.

• Acordo de Bits Bruto: Após a quantização codificada em Gray, o acordo de bits bruto entre nós variou de 86,0% a 90,1% nos pares cabeça-pulso, cabeça-tornozelo e pulso-tornozelo.
• Acordo de Chaves: Após a reconciliação com código Polar, a taxa final de acordo de chaves variou de 51,3% a 69,8% por janela de 120 segundos. O par cabeça-pulso teve o melhor desempenho (69,8%), enquanto o par cabeça-tornozelo foi o mais desafiador (51,3%) devido à maior distorção de onda nas extremidades distais.
• Desempenho de Hardware: A síntese em um FPGA Xilinx XC7Z020 mapeou o caminho de dados para 18.760 LUTs e 20.971 flip-flops. O sistema opera a 10 MHz com uma latência de 3,2 ms por evento de geração de chave.
• Eficiência Energética: O custo energético por evento de geração de chave é de 48 µJ. Ao longo de uma janela de aquisição de 120 segundos, o consumo médio de energia é de 0,4 µW, bem dentro do orçamento de nós BAN de colheita de energia.
• Validação em Silício: A comparação bit-a-bit entre a simulação RTL e a execução física no FPGA confirmou zero discordância nas strings de bits brutos, dados auxiliares e vetores de reconciliação.

Significado e Alegações
Os autores afirmam que o HHK é a primeira arquitetura de geração de chaves RTL sintetizável para BANs validada em múltiplos locais corporais em dados ambulatoriais. Ao confiar na temporização do IBI em vez da morfologia da onda, a arquitetura é robusta às distorções cruzadas entre locais e aos artefatos de movimento inerentes a ambientes do mundo real. O artigo enfatiza que, embora métodos anteriores baseados em software alcancem alto acordo em laboratórios controlados, eles colapsam para um acordo próximo de zero quando aplicados a dados de vida livre sem as correções de erro específicas e otimizações de hardware fornecidas pelo HHK. A natureza livre de multiplicadores do projeto e seu perfil de baixo consumo de energia o tornam um candidato viável para implantação em nós biomédicos autônomos e profundamente restritos, onde métodos criptográficos tradicionais são inviáveis.