La sécurité des communications sans fil omniprésentes devient, ces dernières années, de plus en plus une exigence incontournable. Bien que la cryptographie symétrique assure largement la confidentialité des données, la difficulté concerne la génération et la distribution de clés secrètes. Récemment, des études indiquent que les caractéristiques inhérentes du canal de propagation peuvent être exploitées afin de consolider la sécurité. En particulier, le canal radio fournit en effet une source d'aléa commune à deux utilisateurs à partir de laquelle des clés secrètes peuvent être générées. Dans la présente dissertation, nous nous intéressons au processus de génération de clés secrètes (SKG), tout en reliant les propriétés du canal radio à la qualité des clés générées. D'abord nous développons un modèle du canal stochastique, traitant la sécurité du point de vue de l'espion, qui montre une mémoire de canal résiduelle bien au-delà d'une distance de quelques longueurs d'onde (scénarios spatialement non-stationnaires). Ensuite, nous exploitons les degrés de liberté (DOF) du canal et analysons leur impact sur la performance de SKG dans différentes conditions, tout en considérant des canaux plus réalistes en environnements extérieur et intérieur (respectivement grâce à des données déterministes simulées et à des mesures). Les résultats montrent que, même pour des bandes modérées (comme standardisées dans la norme IEEE 802.11), le seul DoF de fréquence ou de son association avec le DoF spatial est souvent suffisant pour générer des longues clés, à condition d'utiliser une méthode efficace de quantification des coefficients complexes du canal. / Nowadays, the security of ubiquitous wireless communications becomes more and more a crucial requirement. Even though data is widely protected via symmetric ciphering keys, a well-known difficulty is the generation and distribution of such keys. In the recent years therefore, a set of works have addressed the exploitation of inherent characteristics of the fading propagation channel for security. In particular, secret keys could be generated from the wireless channel, considered as a shared source of randomness, available merely to a pair of communicating entities. ln the present dissertation, we are interested in the approach of secret key generation (SKG) from wireless channels, especially in relating the radio channel properties to the generated keys quality. We first develop a stochastic channel model, focusing on the security with respect to the eavesdropper side, which shows a residual channel memory weil beyond a few wavelengths distance (spatially nonstationary scenarios). Then, we analyze the channel degrees of freedom (DoF) and their impact on the SKG performance in different channel conditions, especially by considering more realistic channels in both outdoor and indoor environments (respectively through simulated ray tracing data and through measurements). The results show that, even for moderately wide band (such as standardized in IEEE 802.11), the sole frequency DOF or its association with the spatial DOF is often enough for generating long keys, provided an efficient quantization method of the complex channel coefficients is used.

Dans cette thèse on s’est intéressé aux méthodes de génération de clés secrètes symétriques en utilisant la couche physique ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB). Les travaux ont été réalisés selon trois axes, les deux premiers concernant la communication point-à-point et le dernier, les communications coopératives. Tout d’abord, la quantification des signaux typiques IR-UWB (soit directement échantillonnés, soit estimés) a été investiguée, principalement du point de vue du compromis entre la robustesse (ou réciprocité) des séquences binaires obtenues et leur caractère aléatoire. Différents algorithmes de quantification valorisant l’information temporelle offerte par les canaux IR-UWB pour améliorer ce compromis ont alors été proposés. Ensuite, des études concernant les échanges publics nécessaires à l’étape de réconciliation (visant la correction d’éventuels désaccords entre les séquences binaires générées de part et d’autre du lien) ont montré qu’il était possible d’être plus robuste face aux attaques passives en utilisant des informations de plus haut niveau, inhérentes à cette technologie et disponibles à moindre coût (ex. via une estimation précise du temps de vol aller-retour). Finalement, une nouvelle méthode a été développée afin d’étendre les schémas de génération de clé point-à-point à plusieurs nœuds (trois dans nos études) en utilisant directement la couche physique fournie par les liens radio entre les nœuds. / Emerging decentralized wireless systems, such as sensor or ad-hoc networks, will demand an adequate level of security in order to protect the private and often sensitive information that they carry. The main security mechanism for confidentiality in such networks is symmetric cryptography, which requires the sharing of a symmetric key between the two legitimate parties. According to the principles of physical layer security, wireless devices within the communication range can exploit the wireless channel in order to protect their communications. Due to the theoretical reciprocity of wireless channels, the spatial decorrelation property (e.g., in rich scattering environments), as well as the fine temporal resolution of the Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) technology, directly sampled received signals or estimated channel impulse responses (CIRs) can be used for symmetric secret key extraction under the information-theoretic source model. Firstly, we are interested in the impact of quantization and channel estimation algorithms on the reciprocity and on the random aspect of the generated keys. Secondly, we investigate alternative ways of limiting public exchanges needed for the reconciliation phase. Finally, we develop a new signal-based method that extends the point-to-point source model to cooperative contexts with several nodes intending to establish a group key.