Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing

Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird

JTIT

kwartalni

Train Localisation using Wireless Sensor Networks

Safety and reliability have always been concerns for railway transportation. Knowing the exact location of a train enables the railway system to react to an unusual situation for the safety of human lives and properties. Generally, the accuracy of localisation systems is related with their deployment and maintenance costs, which can be on the order of millions of dollars a year. Despite a lot of research efforts, existing localisation systems based on different technologies are still limited because most of them either require expensive infrastructure (ultrasound and laser), have high database maintenance, computational costs or accumulate errors (vision), offer limited coverage (GPS-dark regions, Wi-Fi, RFID) or provide low accuracy (audible sound). On the other hand, wireless sensor networks (WSNs) offer the potential for a cheap, reliable and accurate solutions for the train localisation system. This thesis proposes a WSN-based train localisation system, in which train location is estimated based on the information gathered through the communication between the anchor sensors deployed along the track and the gateway sensor installed on the train, such as anchor sensors' geographic coordinates and the Received Signal Strength Indicator (RSSI). In the proposed system, timely anchor-gateway communication implies accurate localisation. How to guarantee effective communication between anchor sensors along the track and the gateway sensor on the train is a challenging problem for WSN-based train localisation. I propose a beacon driven sensors wake-up scheme (BWS) to address this problem. BWS allows each anchor sensor to run an asynchronous duty-cycling protocol to conserve energy and establishes an upper bound on the sleep time in one duty cycle to guarantee their timely wake-up once a train approaches. Simulation results show that the BWS scheme can timely wake up the anchor sensors at a very low energy consumption cost. To design an accurate scheme for train localisation, I conducted on-site experiments in an open field, a railway station and a tunnel, and the results show that RSSI can be used as an estimator for train localisation and its applicability increases with the incorporation of another type of data such as location information of anchor sensors. By combining the advantages of RSSI-based distance estimation and Particle Filtering techniques, I designed a Particle-Filter-based train localisation scheme and propose a novel Weighted RSSI Likelihood Function (WRLF) for particle update. The proposed localisation scheme is evaluated through extensive simulations using the data obtained from the on-site measurements. Simulation results demonstrate that the proposed scheme can achieve significant accuracy, where average localisation error stays under 30 cm at the train speed of 40 m=s, 40% anchor sensors failure rate and sparse deployment. In addition, the proposed train localisation scheme is robust to changes in train speed, the deployment density and reliability of anchor sensors. Anchor sensors are prone to hardware and software deterioration such as battery outage and dislocation. Therefore, in order to reduce the negative impacts of these problems, I designed a novel Consensus-based Anchor sensor Management Scheme (CAMS), in which each anchor sensor performs a self-diagnostics and reports the detected faults in the neighbourhood. CAMS can assist the gateway sensor to exclude the input from the faulty anchor sensors. In CAMS, anchor sensors update each other about their opinions on other neighbours and develops consensus to mark faulty sensors. In addition, CAMS also reports the system information such as signal path loss ratio and allows anchor sensors to re-calibrate and verify their geographic coordinates. CAMS is evaluated through extensive simulations based on real data collected from field experiments. This evaluation also incorporated the simulated node failure model in simulations. Though there are no existing WSN-based train localisation systems available to directly compare our results with, the proposed schemes are evaluated with real datasets, theoretical models and existing work wherever it was possible. Overall, the WSN-based train localisation system enables the use of RSSI, with combination of location coordinates of anchor sensors, as location estimator. Due to low cost of sensor devices, the cost of overall system remains low. Further, with duty-cycling operation, energy of the sensor nodes and system is conserved

Proceedings of the Third Edition of the Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS 2006)

Ce fichier regroupe en un seul documents l'ensemble des articles accéptés pour la conférences WONS2006/http://citi.insa-lyon.fr/wons2006/index.htmlThis year, 56 papers were submitted. From the Open Call submissions we accepted 16 papers as full papers (up to 12 pages) and 8 papers as short papers (up to 6 pages). All the accepted papers will be presented orally in the Workshop sessions. More precisely, the selected papers have been organized in 7 session: Channel access and scheduling, Energy-aware Protocols, QoS in Mobile Ad-Hoc networks, Multihop Performance Issues, Wireless Internet, Applications and finally Security Issues. The papers (and authors) come from all parts of the world, confirming the international stature of this Workshop. The majority of the contributions are from Europe (France, Germany, Greece, Italy, Netherlands, Norway, Switzerland, UK). However, a significant number is from Australia, Brazil, Canada, Iran, Korea and USA. The proceedings also include two invited papers. We take this opportunity to thank all the authors who submitted their papers to WONS 2006. You helped make this event again a success

Impacts of Mobility Models on RPL-Based Mobile IoT Infrastructures: An Evaluative Comparison and Survey

With the widespread use of IoT applications and the increasing trend in the number of connected smart devices, the concept of routing has become very challenging. In this regard, the IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks (PRL) was standardized to be adopted in IoT networks. Nevertheless, while mobile IoT domains have gained significant popularity in recent years, since RPL was fundamentally designed for stationary IoT applications, it could not well adjust with the dynamic fluctuations in mobile applications. While there have been a number of studies on tuning RPL for mobile IoT applications, but still there is a high demand for more efforts to reach a standard version of this protocol for such applications. Accordingly, in this survey, we try to conduct a precise and comprehensive experimental study on the impact of various mobility models on the performance of a mobility-aware RPL to help this process. In this regard, a complete and scrutinized survey of the mobility models has been presented to be able to fairly justify and compare the outcome results. A significant set of evaluations has been conducted via precise IoT simulation tools to monitor and compare the performance of the network and its IoT devices in mobile RPL-based IoT applications under the presence of different mobility models from different perspectives including power consumption, reliability, latency, and control packet overhead. This will pave the way for researchers in both academia and industry to be able to compare the impact of various mobility models on the functionality of RPL, and consequently to design and implement application-specific and even a standard version of this protocol, which is capable of being employed in mobile IoT applications

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp