Cooperative communication in wireless networks: algorithms, protocols and systems

Current wireless network solutions are based on a link abstraction where a single co-channel transmitter transmits in any time duration. This model severely limits the performance that can be obtained from the network. Being inherently an extension of a wired network model, this model is also incapable of handling the unique challenges that arise in a wireless medium. The prevailing theme of this research is to explore wireless link abstractions that incorporate the broadcast and space-time varying nature of the wireless channel. Recently, a new paradigm for wireless networks which uses the idea of 'cooperative transmissions' (CT) has garnered significant attention. Unlike current approaches where a single transmitter transmits at a time in any channel, with CT, multiple transmitters transmit concurrently after appropriately encoding their transmissions. While the physical layer mechanisms for CT have been well studied, the higher layer applicability of CT has been relatively unexplored. In this work, we show that when wireless links use CT, several network performance metrics such as aggregate throughput, security and spatial reuse can be improved significantly compared to the current state of the art. In this context, our first contribution is Aegis, a framework for securing wireless networks against eavesdropping which uses CT with intelligent scheduling and coding in Wireless Local Area networks. The second contribution is Symbiotic Coding, an approach to encode information such that successful reception is possible even upon collisions. The third contribution is Proteus, a routing protocol that improves aggregate throughput in multi-hop networks by leveraging CT to adapt the rate and range of links in a flow. Finally, we also explore the practical aspects of realizing CT using real systems.PhDCommittee Chair: Sivakumar, Raghupathy; Committee Member: Ammar, Mostafa; Committee Member: Ingram, Mary Ann; Committee Member: Jayant, Nikil; Committee Member: Riley, Georg

Design techniques for smart and energy-efficient wireless body sensor networks

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 26/10/2012Las redes inalámbricas de sensores corporales (en inglés: "wireless body sensor networks" o WBSNs) para monitorización, diagnóstico y detección de emergencias, están ganando popularidad y están llamadas a cambiar profundamente la asistencia sanitaria en los próximos años. El uso de estas redes permite una supervisión continua, contribuyendo a la prevención y el diagnóstico precoz de enfermedades, al tiempo que mejora la autonomía del paciente con respecto a otros sistemas de monitorización actuales. Valiéndose de esta tecnología, esta tesis propone el desarrollo de un sistema de monitorización de electrocardiograma (ECG), que no sólo muestre continuamente el ECG del paciente, sino que además lo analice en tiempo real y sea capaz de dar información sobre el estado del corazón a través de un dispositivo móvil. Esta información también puede ser enviada al personal médico en tiempo real. Si ocurre un evento peligroso, el sistema lo detectará automáticamente e informará de inmediato al paciente y al personal médico, posibilitando una rápida reacción en caso de emergencia. Para conseguir la implementación de dicho sistema, se desarrollan y optimizan distintos algoritmos de procesamiento de ECG en tiempo real, que incluyen filtrado, detección de puntos característicos y clasificación de arritmias. Esta tesis también aborda la mejora de la eficiencia energética de la red de sensores, cumpliendo con los requisitos de fidelidad y rendimiento de la aplicación. Para ello se proponen técnicas de diseño para reducir el consumo de energía, que permitan buscar un compromiso óptimo entre el tamaño de la batería y su tiempo de vida. Si el consumo de energía puede reducirse lo suficiente, sería posible desarrollar una red que funcione permanentemente. Por lo tanto, el muestreo, procesamiento, almacenamiento y transmisión inalámbrica tienen que hacerse de manera que se suministren todos los datos relevantes, pero con el menor consumo posible de energía, minimizando así el tamaño de la batería (que condiciona el tamaño total del nodo) y la frecuencia de recarga de la batería (otro factor clave para su usabilidad). Por lo tanto, para lograr una mejora en la eficiencia energética del sistema de monitorización y análisis de ECG propuesto en esta tesis, se estudian varias soluciones a nivel de control de acceso al medio y sistema operativo.Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

Synoptic analysis techniques for intrusion detection in wireless networks

Current system administrators are missing intrusion alerts hidden by large numbers of false positives. Rather than accumulation more data to identify true alerts, we propose an intrusion detection tool that e?ectively uses select data to provide a picture of ?network health?. Our hypothesis is that by utilizing the data available at both the node and cooperative network levels we can create a synoptic picture of the network providing indications of many intrusions or other network issues. Our major contribution is to provide a revolutionary way to analyze node and network data for patterns, dependence, and e?ects that indicate network issues. We collect node and network data, combine and manipulate it, and tease out information about the state of the network. We present a method based on utilizing the number of packets sent, number of packets received, node reliability, route reliability, and entropy to develop a synoptic picture of the network health in the presence of a sinkhole and a HELLO Flood attacker. This method conserves network throughput and node energy by requiring no additional control messages to be sent between the nodes unless an attacker is suspected. We intend to show that, although the concept of an intrusion detection system is not revolutionary, the method in which we analyze the data for clues about network intrusion and performance is highly innovative