Contribution à l'étude de la détection des signaux UWB. Etude et implémentation d'un récepteur ad hoc multicapteurs. Applications indoor de localisation

Cette thèse s inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l Information de l Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35 m conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d estimation de la distance entre deux dispositifs d un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSCThis thesis is part of the Electronics and Physics (EPH) department s research work at Institut Telecom SudParis in collaboration with the Information, Images and Information Processing (CITI) Department. The project included the development of a receiver architecture called Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC) that works with Transmitted Reference Ultra Wideband signals (TR-UWB), and which could achieve a good performance without channel estimation. The first part of this work included the design of a modular UWB communication system based on the TDSC method. This platform uses a 0.35 m CMOS chip conceived by the EPH laboratory. This gives the possibility to record real TR-UWB signals and to achieve functional tests. A second part of the thesis was to deepen the use of the TDSC method for detection of UWB signals and the synchronization procedure of the receiver using real signals acquired by the platform. A series of tests were conducted in this regard by using baseband signals as well as frequency translated signals, through cable channels and radio transmission. The results let us validate the TDSC detection and the synchronization procedure. Finally, a third line of work was the study and development of a distance estimation proposal based on the time of arrival (TOA) of TR-UWB signals, for indoor localization purposes. The study included a synthesis of several proposals and experimental works. Simulations were made and compared with other methods. Experimental results and their good convergence with the simulations let conclude that the proposal is a feasible solution to the measurement of the TOA, based on a TR-UWB receiver with low-complexity architectureEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Aplicación de un sistema de comunicaciones UWB en tiempo real

El objetivo de este trabajo es desarrollar una plataforma para transmitir datos en tiempo real en sistemas basados en redes de sensores. Para validar el nuevo concepto de detección de pulsos propuesto por el Laboratorio de Electrónica y Física (EPH) de la universidad Télécom SudParis (Evry, Francia), se diseñó y se realizó un circuito receptor VLSI (Very Large Scale Integration) en el laboratorio empleando la tecnología CMOS 0.35 μm. Este nuevo método de detección es llamado TDSC (Time Delayed Sampling & Correlation). Las prestaciones del chip TDSC empleado ya fueron comprobadas en proyectos anteriores mediante un sencillo emisor y un receptor realizados en tarjetas impresas de test. La finalidad de este proyecto final de carrera es continuar con la validación de este concepto mediante la transmisión de datos en un formato predefinido y, sobre todo, incorporar las operaciones de correlación y sincronización de datos entre el emisor y el receptor. Este es un punto importante para todo sistema de comunicaciones, pero especialmente en este caso porque tenemos que sincronizar la señal en una anchura de unos pocos nanosegundos. El trabajo realizado ha sido: proposición y diseño de nuevas tarjetas de de test emisoras y receptoras para hacer funcionar el sistema compuesto por un emisor y el receptor TDSC, implementación en un microcontrolador del proceso de transmisión de pulsos UWB (Ultra Wide Band), estudio del estado del arte de las comunicaciones LDR-UWB (Low Data Rate-Ultra Wide Band), especialmente de los diferentes tipos de receptores y las ventajas de cada uno y, finalmente, un estudio de la compatibilidad con la norma IEEE 802.15.4a de los protocolos utilizados en el emisor y en el receptor, sobre todo en las capas física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC)

Secure Neighbor Discovery and Ranging in Wireless Networks

This thesis addresses the security of two fundamental elements of wireless networking: neighbor discovery and ranging. Neighbor discovery consists in discovering devices available for direct communication or in physical proximity. Ranging, or distance bounding, consists in measuring the distance between devices, or providing an upper bound on this distance. Both elements serve as building blocks for a variety of services and applications, notably routing, physical access control, tracking and localization. However, the open nature of wireless networks makes it easy to abuse neighbor discovery and ranging, and thereby compromise overlying services and applications. To prevent this, numerous works proposed protocols that secure these building blocks. But two aspects crucial for the security of such protocols have received relatively little attention: formal verification and attacks on the physical-communication-layer. They are precisely the focus of this thesis. In the first part of the thesis, we contribute a formal analysis of secure communication neighbor discovery protocols. We build a formal model that captures salient characteristics of wireless systems such as node location, message propagation time and link variability, and we provide a specification of secure communication neighbor discovery. Then, we derive an impossibility result for a general class of protocols we term "time-based protocols", stating that no such protocol can provide secure communication neighbor discovery. We also identify the conditions under which the impossibility result is lifted. We then prove that specific protocols in the time-based class (under additional conditions) and specific protocols in a class we term "time- and location-based protocols," satisfy the neighbor discovery specification. We reinforce these results by mechanizing the model and the proofs in the theorem prover Isabelle. In the second part of the thesis, we explore physical-communication-layer attacks that can seemingly decrease the message arrival time without modifying its content. Thus, they can circumvent time-based neighbor discovery protocols and distance bounding protocols. (Indeed, they violate the assumptions necessary to prove protocol correctness in the first part of the thesis.) We focus on Impulse Radio Ultra-Wideband, a physical layer technology particularly well suited for implementing distance bounding, thanks to its ability to perform accurate indoor ranging. First, we adapt physical layer attacks reported in prior work to IEEE 802.15.4a, the de facto standard for Impulse Radio, and evaluate their performance. We show that an adversary can achieve a distance-decrease of up to hundreds of meters with an arbitrarily high probability of success, with only a minor cost in terms of transmission power (few dB). Next, we demonstrate a new attack vector that disrupts time-of-arrival estimation algorithms, in particular those designed to be precise. The distance-decrease achievable by this attack vector is in the order of the channel spread (order of 10 meters in indoor environments). This attack vector can be used in previously reported physical layer attacks, but it also creates a new type of external attack based on malicious interference. We demonstrate that variants of the malicious interference attack are much easier to mount than the previously reported external attack. We also provide design guidelines for modulation schemes and devise receiver algorithms that mitigate physical layer attacks. These countermeasures allow the system designer to trade off security, ranging precision and cost in terms of transmission power and packet length

Ultra Large Bande Radio par Impulsions (Contributions à la Définition du Récepteur TDSC)

Ce mémoire de thèse consiste à étudier la partie acquisition du détecteur d'un récepteur Ultra Large Bande impulsionnelle (ULB- IR) basé sur le principe TDSC (Time Delayed Sampling & Correlation) c'est-à-dire émission d'un doublet d'impulsions ultra brèves et corrélation de ces deux impulsions à la réception avec la précision du retard réalisée numériquement. Ceci permet de récupérer l'énergie des trajets multiples de la propagation. Une validation matérielle a été menée sur la faisabilité du circuit. Il s'est agit de mesures avec des appareils standards et des composants discrets. L'analyse des données a permis de valider le principe dans la bande des 300MHz, et d aborder la conception en ULB. L étude large bande a d abord porté sur la détermination du nombre de cellules des registres à décalage du corrélateur. Ce nombre doit être minimal pour la conception du circuit en faible complexité tout en tenant compte des performances du système. L'optimisation est ainsi un compromis entre la bande passante liée à la technologie 0.35 m CMOS et le taux d'erreur en détection bruitée liée au nombre de cellules. Cette optimisation a été faite dans un environnement caractérisant le canal large bande. L architecture du TDSC permet des structures particulières pour la synchronisation des symboles qui la rendent extrêmement rapide. Les performances de ces structures de synchronisation ont été étudiées en termes de rapidité et de précision. Une dernière étude prenant en compte l'accès multiple amène finalement à définir quelques structures optimisées du récepteur TDSC pour une intégration dans la technologie envisagée.This thesis studies different aspects of the correlation process for a new TR-UWB detection method called Time Delayed Sampling & Correlation (TDSC). The TDSC concept is based on inter-correlation between two waveforms captured by two time delayed samplers. This method overcomes the major difficulties in a traditional TR-UWB detection methods based on wide band delay lines. The concept first has been validated by simulation with real data from an experimental setup in 300MHz band. Then, the objective has been to determine different design parameters for silicon integration. A study has focused on the length of the correlation window of the receiver. We give an optimum size of the register file in the waveform samplers which insures optimal detection performances and a large bandwidth for the low cost 0.35 m CMOS technology with indoor communication channels. We proposed a synchronization scheme with lowest complexity for TDSC. A multiple correlator acquisition structure in conjunction with a training sequence is used to estimate the signal correlation. We also presented an analytical expression for the synchronization probability. Finally the performance of the synchronization solution in a multi-user environment has been verified with a theoretical analysis.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF