Protecting Secret Key Generation Systems Against Jamming: Energy Harvesting and Channel Hopping Approaches

Jamming attacks represent a critical vulnerability for wireless secret key generation (SKG) systems. In this paper, two counter-jamming approaches are investigated for SKG systems: first, the employment of energy harvesting (EH) at the legitimate nodes to turn part of the jamming power into useful communication power, and, second, the use of channel hopping or power spreading in block fading channels to reduce the impact of jamming. In both cases, the adversarial interaction between the pair of legitimate nodes and the jammer is formulated as a two-player zero-sum game and the Nash and Stackelberg equilibria are characterized analytically and in closed form. In particular, in the case of EH receivers, the existence of a critical transmission power for the legitimate nodes allows the full characterization of the game's equilibria and also enables the complete neutralization of the jammer. In the case of channel hopping versus power spreading techniques, it is shown that the jammer's optimal strategy is always power spreading while the legitimate nodes should only use power spreading in the high signal-to-interference ratio (SIR) regime. In the low SIR regime, when avoiding the jammer's interference becomes critical, channel hopping is optimal for the legitimate nodes. Numerical results demonstrate the efficiency of both counter-jamming measures

Protecting Secret Key Generation Systems Against Jamming: Energy Harvesting and Channel Hopping Approaches

Jamming attacks represent a critical vulnerability for wireless secret key generation (SKG) systems. In this paper, two counter-jamming approaches are investigated for SKG systems: first, the employment of energy harvesting (EH) at the legitimate nodes to turn part of the jamming power into useful communication power, and, second, the use of channel hopping or power spreading in block fading channels to reduce the impact of jamming. In both cases, the adversarial interaction between the pair of legitimate nodes and the jammer is formulated as a two-player zero-sum game and the Nash and Stackelberg equilibria are characterized analytically and in closed form. In particular, in the case of EH receivers, the existence of a critical transmission power for the legitimate nodes allows the full characterization of the game's equilibria and also enables the complete neutralization of the jammer. In the case of channel hopping versus power spreading techniques, it is shown that the jammer's optimal strategy is always power spreading while the legitimate nodes should only use power spreading in the high signal-to-interference ratio (SIR) regime. In the low SIR regime, when avoiding the jammer's interference becomes critical, channel hopping is optimal for the legitimate nodes. Numerical results demonstrate the efficiency of both counter-jamming measures

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Applications of graph theory to wireless networks and opinion analysis

La teoría de grafos es una rama importante dentro de la matemática discreta. Su uso ha aumentado recientemente dada la conveniencia de los grafos para estructurar datos, para analizarlos y para generarlos a través de modelos. El objetivo de esta tesis es aplicar teoría de grafos a la optimización de redes inalámbricas y al análisis de opinión. El primer conjunto de contribuciones de esta tesis versa sobre la aplicación de teoría de grafos a redes inalámbricas. El rendimiento de estas redes depende de la correcta distribución de canales de frecuencia en un espacio compartido. Para optimizar estas redes se proponen diferentes técnicas, desde la aplicación de heurísticas como simulated annealing a la negociación automática. Cualquiera de estas técnicas requiere un modelo teórico de la red inalámbrica en cuestión. Nuestro modelo de redes Wi-Fi utiliza grafos geométricos para este propósito. Los vértices representan los dispositivos de la red, sean clientes o puntos de acceso, mientras que las aristas representan las señales entre dichos dispositivos. Estos grafos son de tipo geométrico, por lo que los vértices tienen posición en el espacio, y las aristas tienen longitud. Con esta estructura y la aplicación de un modelo de propagación y de uso, podemos simular redes inalámbricas y contribuir a su optimización. Usando dicho modelo basado en grafos, hemos estudiado el efecto de la interferencia cocanal en redes Wi-Fi 4 y mostramos una mejora de rendimiento asociada a la técnica de channel bonding cuando se usa en regiones donde hay por lo menos 13 canales disponibles. Por otra parte, en esta tesis doctoral hemos aplicado teoría de grafos al análisis de opinión dentro de la línea de investigación de SensoGraph, un método con el que se realiza un análisis de opinión sobre un conjunto de elementos usando grafos de proximidad, lo que permite manejar grandes conjuntos de datos. Además, hemos desarrollado un método de análisis de opinión que emplea la asignación manual de aristas y distancias en un grafo para estudiar la similaridad entre las muestras dos a dos. Adicionalmente, se han explorado otros temas sin relación con los grafos, pero que entran dentro de la aplicación de las matemáticas a un problema de la ingeniería telemática. Se ha desarrollado un sistema de votación electrónica basado en mixnets, secreto compartido de Shamir y cuerpos finitos. Dicha propuesta ofrece un sistema de verificación numérico novedoso a la vez que mantiene las propiedades esenciales de los sistemas de votación

Fine-grained performance analysis of massive MTC networks with scheduling and data aggregation

Abstract. The Internet of Things (IoT) represents a substantial shift within wireless communication and constitutes a relevant topic of social, economic, and overall technical impact. It refers to resource-constrained devices communicating without or with low human intervention. However, communication among machines imposes several challenges compared to traditional human type communication (HTC). Moreover, as the number of devices increases exponentially, different network management techniques and technologies are needed. Data aggregation is an efficient approach to handle the congestion introduced by a massive number of machine type devices (MTDs). The aggregators not only collect data but also implement scheduling mechanisms to cope with scarce network resources. This thesis provides an overview of the most common IoT applications and the network technologies to support them. We describe the most important challenges in machine type communication (MTC). We use a stochastic geometry (SG) tool known as the meta distribution (MD) of the signal-to-interference ratio (SIR), which is the distribution of the conditional SIR distribution given the wireless nodes’ locations, to provide a fine-grained description of the per-link reliability. Specifically, we analyze the performance of two scheduling methods for data aggregation of MTC: random resource scheduling (RRS) and channel-aware resource scheduling (CRS). The results show the fraction of users in the network that achieves a target reliability, which is an important aspect to consider when designing wireless systems with stringent service requirements. Finally, the impact on the fraction of MTDs that communicate with a target reliability when increasing the aggregators density is investigated

Physical layer security for IoT applications

The increasing demands for Internet of things (IoT) applications and the tremendous increase in the volume of IoT generated data bring novel challenges for the fifth generation (5G) network. Verticals such as e-Health, vehicle to everything (V2X) and unmanned aerial vehicles (UAVs) require solutions that can guarantee low latency, energy efficiency,massive connectivity, and high reliability. In particular, finding strong security mechanisms that satisfy the above is of central importance for bringing the IoT to life. In this regards, employing physical layer security (PLS) methods could be greatly beneficial for IoT networks. While current security solutions rely on computational complexity, PLS is based on information theoretic proofs. By removing the need for computational power, PLS is ideally suited for resource constrained devices. In detail, PLS can ensure security using the inherit randomness already present in the physical channel. Promising schemes from the physical layer include physical unclonable functions (PUFs), which are seen as the hardware fingerprint of a device, and secret key generation (SKG) from wireless fading coefficients, which provide the wireless fingerprint of the communication channel between devices. The present thesis develops several PLS-based techniques that pave the way for a new breed of latency-aware, lightweight, security protocols. In particular, the work proposes: i) a fast multi-factor authentication solution with verified security properties based on PUFs, proximity detection and SKG; ii) an authenticated encryption SKG approach that interweaves data transmission and key generation; and, iii) a set of countermeasures to man-in-the-middle and jamming attacks. Overall, PLS solutions show promising performance, especially in the context of IoT applications, therefore, the advances in this thesis should be considered for beyond-5G networks

Solutions for large scale, efficient, and secure Internet of Things

The design of a general architecture for the Internet of Things (IoT) is a complex task, due to the heterogeneity of devices, communication technologies, and applications that are part of such systems. Therefore, there are significant opportunities to improve the state of the art, whether to better the performance of the system, or to solve actual issues in current systems. This thesis focuses, in particular, on three aspects of the IoT. First, issues of cyber-physical systems are analysed. In these systems, IoT technologies are widely used to monitor, control, and act on physical entities. One of the most important issue in these scenarios are related to the communication layer, which must be characterized by high reliability, low latency, and high energy efficiency. Some solutions for the channel access scheme of such systems are proposed, each tailored to different specific scenarios. These solutions, which exploit the capabilities of state of the art radio transceivers, prove effective in improving the performance of the considered systems. Positioning services for cyber-physical systems are also investigated, in order to improve the accuracy of such services. Next, the focus moves to network and service optimization for traffic intensive applications, such as video streaming. This type of traffic is common amongst non-constrained devices, like smartphones and augmented/virtual reality headsets, which form an integral part of the IoT ecosystem. The proposed solutions are able to increase the video Quality of Experience while wasting less bandwidth than state of the art strategies. Finally, the security of IoT systems is investigated. While often overlooked, this aspect is fundamental to enable the ubiquitous deployment of IoT. Therefore, security issues of commonly used IoT protocols are presented, together with a proposal for an authentication mechanism based on physical channel features. This authentication strategy proved to be effective as a standalone mechanism or as an additional security layer to improve the security level of legacy systems