A Game Theory based Contention Window Adjustment for IEEE 802.11 under Heavy Load

The 802.11 families are considered as the most applicable set of standards for Wireless Local Area Networks (WLANs) where nodes make access to the wireless media using random access techniques. In such networks, each node adjusts its contention window to the minimum size irrespective of the number of competing nodes, so in saturated mode and excessive number of nodes available, the network performance is reduced due to severe collision probability. A cooperative game is being proposed to adjust the users’ contention windows in improving the network throughput, delay and packet drop ratio under heavy traffic load circumstances. The system’s performance evaluated by simulations indicate some superiorities of the proposed method over 802.11-DCF (Distribute Coordinate Function)

Towards reliable geographic broadcasting in vehicular networks

In Vehicular ad hoc Networks (VANETs), safety-related messages are broadcasted amongst cars, helping to improve drivers' awareness of the road situation. VANETs’ reliability are highly affected by channel contention. This thesis first addresses the issue of channel use efficiency in geographical broadcasts (geocasts). Constant connectivity changes inside a VANET make the existing routing algorithms unsuitable. This thesis presents a geocast algorithm that uses a metric to estimate the ratio of useful to useless packet received. Simulations showed that this algorithm is more channel-efficient than the farthest-first strategy. It also exposes a parameter, allowing it to adapt to channel load. Second, this thesis presents a method of estimating channel load for providing feedback to moderate the offered load. A theoretical model showing the relationship between channel load and the idle time between transmissions is presented and used to estimate channel contention. Unsaturated stations on the network were shown to have small but observable effects on this relationship. In simulations, channel estimators based on this model show higher accuracy and faster convergence time than by observing packet collisions. These estimators are also less affected by unsaturated stations than by observing packet collisions. Third, this thesis couples the channel estimator to the geocast algorithm, producing a closed-loop load-reactive system that allows geocasts to adapt to instantaneous channel conditions. Simulations showed that this system is not only shown to be more efficient in channel use and be able to adapt to channel contention, but is also able to self-correct suboptimal retransmission decisions. Finally, this thesis demonstrates that all tested network simulators exhibit unexpected behaviours when simulating broadcasts. This thesis describes in depth the error in ns-3, leading to a set of workarounds that allows results from most versions of ns-3 to be interpreted correctly

Enhanced Collision Resolution for the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function

The IEEE 802.11 standard relies on the Distributed Coordination Function (DCF) as the fundamental medium access control method. DCF uses the Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm to regulate channel access. The backoff period determined by BEB depends on a contention window (CW) whose size is doubled if a station suffers a collision and reset to its minimum value after a successful transmission. BEB doubles the CW size upon collision to reduce the collision probability in retransmission. However, this CW increase reduces channel access time because stations will spend more time sensing the channel rather than accessing it. Although resetting the CW to its minimum value increases channel access, it negatively affects fairness because it favours successfully transmitting stations over stations suffering from collisions. Moreover, resetting CW leads to increasing the collision probability and therefore increases the number of collisions. % Quality control editor: Please ensure that the intended meaning has been maintained in the edits of the previous sentence. Since increasing channel access time and reducing the probability of collisions are important factors to improve the DCF performance, and they conflict with each other, improving one will have an adverse effect on the other and consequently will harm the DCF performance. We propose an algorithm, \gls{ECRA}, that solves collisions once they occur without instantly increasing the CW size. Our algorithm reduces the collision probability without affecting channel access time. We also propose an accurate analytical model that allows comparing the theoretical saturation and maximum throughputs of our algorithm with those of benchmark algorithms. Our model uses a collision probability that is dependent on the station transmission history and thus provides a precise estimation of the probability that a station transmits in a random timeslot, which results in a more accurate throughput analysis. We present extensive simulations for fixed and mobile scenarios. The results show that on average, our algorithm outperformed BEB in terms of throughput and fairness. Compared to other benchmark algorithms, our algorithm improved, on average, throughput and delay performance

Novel channel sensing and access strategies in opportunistic spectrum access networks

textTraditionally radio spectrum was considered a commodity to be allocated in a fixed and centralized manner, but now the technical community and the regulators approach it as a shared resource that can be flexibly and intelligently shared between competing entities. In this thesis we focus on novel strategies to sense and access the radio spectrum within the framework of Opportunistic Spectrum Access via Cognitive Radio Networks (CRNs). In the first part we develop novel transmit opportunity detection methods that effectively exploit the gray space present in packet based networks. Our methods proactively detect the maximum safe transmit power that does not significantly affect the primary network nodes via an implicit feedback mechanism from the Primary network to the Secondary network. A novel use of packet interarrival duration is developed to robustly perform change detection in the primary network's Quality of Service. The methods are validated on real world IEEE 802.11 WLANs. In the second part we study the inferential use of Goodness-of-Fit tests for spectrum sensing applications. We provide the first comprehensive framework for decision fusion of an ensemble of goodness-of-fit tests through use of p-values. Also, we introduce a generalized Phi-divergence statistic to formulate goodness-of-fit tests that are tunable via a single parameter. We show that under uncertainty in the noise statistics or non-Gaussianity in the noise, the performance of such non-parametric tests is significantly superior to that of conventional spectrum sensing methods. Additionally, we describe a collaborative spatially separated version of the test for robust combining of tests in a distributed spectrum sensing setting. In the third part we develop the sequential energy detection problem for spectrum sensing and formulate a novel Sequential Energy Detector. Through extensive simulations we demonstrate that our doubly hierarchical sequential testing architecture delivers a significant throughput improvement of 2 to 6 times over the fixed sample size test while maintaining equivalent operating characteristics as measured by the Probabilities of Detection and False Alarm. We also demonstrate the throughput gains for a case study of sensing ATSC television signals in IEEE 802.22 systems.Electrical and Computer Engineerin

Secure OFDM System Design for Wireless Communications

Wireless communications is widely employed in modern society and plays an increasingly important role in people\u27s daily life. The broadcast nature of radio propagation, however, causes wireless communications particularly vulnerable to malicious attacks, and leads to critical challenges in securing the wireless transmission. Motivated by the insufficiency of traditional approaches to secure wireless communications, physical layer security that is emerging as a complement to the traditional upper-layer security mechanisms is investigated in this dissertation. Five novel techniques toward the physical layer security of wireless communications are proposed. The first two techniques focus on the security risk assessment in wireless networks to enable a situation-awareness based transmission protection. The third and fourth techniques utilize wireless medium characteristics to enhance the built-in security of wireless communication systems, so as to prevent passive eavesdropping. The last technique provides an embedded confidential signaling link for secure transmitter-receiver interaction in OFDM systems

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

Mobile Ad-Hoc Networks

Being infrastructure-less and without central administration control, wireless ad-hoc networking is playing a more and more important role in extending the coverage of traditional wireless infrastructure (cellular networks, wireless LAN, etc). This book includes state-of the-art techniques and solutions for wireless ad-hoc networks. It focuses on the following topics in ad-hoc networks: vehicular ad-hoc networks, security and caching, TCP in ad-hoc networks and emerging applications. It is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks