LPDQ: a self-scheduled TDMA MAC protocol for one-hop dynamic lowpower wireless networks

Current Medium Access Control (MAC) protocols for data collection scenarios with a large number of nodes that generate bursty traffic are based on Low-Power Listening (LPL) for network synchronization and Frame Slotted ALOHA (FSA) as the channel access mechanism. However, FSA has an efficiency bounded to 36.8% due to contention effects, which reduces packet throughput and increases energy consumption. In this paper, we target such scenarios by presenting Low-Power Distributed Queuing (LPDQ), a highly efficient and low-power MAC protocol. LPDQ is able to self-schedule data transmissions, acting as a FSA MAC under light traffic and seamlessly converging to a Time Division Multiple Access (TDMA) MAC under congestion. The paper presents the design principles and the implementation details of LPDQ using low-power commercial radio transceivers. Experiments demonstrate an efficiency close to 99% that is independent of the number of nodes and is fair in terms of resource allocation.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

On Performance Evaluation And Enhancement Of Rfid Systems Complying With Iso 18000 3, Iso 18000-7 Standards

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Bu Yüksek Lisans Tezi iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, ISO 18000-3 ve ISO 18000-7 standartlarına uygun pasif ve aktif RFID sistemlerinin performans değerlendirmesini içermektedir. İkinci kısım ise, 18000-7 standardına uygun RFID sistemlerinin çoklu antenlerle başarım iyileştirilmesini içermektedir. Bu kısım ayrıca değişik sınırlı geri besleme metotlarının çoklu antenlerle birlikte etiket ve okuyucu tarafındaki detaylı karşılaştırmalarını da kapsamaktadır. Radyo frekans tanımlama (RFID) teknolojisi, kablosuz haberleşme alanında oldukça popüler olmaya başlamış ve birçok uygulama alanında yaygın bir şekilde dağılmıştır: temassız kredi kartları, e-pasaport, bilet sistemleri, giriş-çıkış kontrolleri, oyunlar, sağlık, ilaç, doküman ve basın yönetimi... Bu teknoloji, radyo dalgaları yardımıyla herhangi bir nesne ya da canlıyı tanımlama veya takip etmeyi kablosuz olarak sağlamaktadır. RFID sistemleri, kullandıkları frekans bantlarına göre üç gruba ayrılırlar: Düşük frekans (LF, 30-300 KHz), Yüksek Frekans (HF 3-30MHz) ve ultra yüksek frekans (UHF,300MHz-3GHz) / Mikrodalga (>3 GHz). RFID etiketleri ve okuyucuları birbirleriyle havadan haberleşirler. Haberleşme kanalının güvensiz olması ve hafif-siklet etiketlerin sınırlı kapasiteleri güvenlik ve mahremiyet açıklarına neden olur. Bir saldırgan etiketi taklit edebilir, izleyebilir, dinleyebilir veya DoS saldırısında bulunabilir. Bu açıklıklara ek olarak, bir etiket, bir düşman tarafından yaşam döngüsü boyunca farkedilememelidir. Eğer bir saldırgan bir etiketi tanıdıysa, artık onu kolayca takip de edebilir. Bu durumda, iki saldırı söz konusudur: (i) Bir saldırgan etiketin bütün geçmiş konuşmalarını deşifre edebilir veya (ii) gelecek konuşmalarında onu takip edebilir. Bu saldırılar sırasıyla geri dönük takip edilebilme ve ileriye dönük takip edilebilme atağı olarak adlandırılmaktadır. Litaratürde güvenlik ve mahremiyet sorunlarına çözüm olacak açık-anahtar şifreleme çözümleri bulunmaktadır, fakat bu çözümlerin hiçbir tanesi, sınırlı kapasiteleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılan hafif-siklet etiketler için uygun bir çözüm değildir. Bu yüzden, saldırganların sınırlı kapasitedeki etiketleri kandırmasını engellemek için çok sayıda hafi-siklet asıllama prokolleri önerilmiştir. Önemi artan güvenlik ve mahremiyet konuları genellikle yakın alan haberleşmelerinde kullanılan (kablosuz akıllı kartlar) HF RFID sistemleriyle ilgilidir. çünkü bu sistemler, birçok RFID uygulamalarında (e-pasaport, akıllı nüfus kartı, kredi kartları vb.) güvenlik ve mahremiyet gerektiren kişisel bilgileri saklamaktadır. Birçok araştırmacı, standartlara uygun olacak şekilde güvenlik ve mahremiyet problemlerine farklı protokol tasarımlarıyla çözümler sunmuşlardır. Bu protokollerin güvenlik ve mahremiyet konularındaki analizleri oldukça önemli olmasına rağmen, onların gerçek hayattaki verimlilikleri ise önem arz eden başka bir konudur. Maalesef, her bir yeni protokol tasarımının fiziksel olarak test edilebilmesi maliyet, zaman ve pratik uygulama açısından oldukça zordur. Protokollerin performansları, HF RFID uygulamalarının kalitesini etkilemektedir. Bu yüzden, farklı protokolleri değerlendirmek için birçok simülasyon ortamları geliştirilmiştir. Bunlardan hiçbiri kablosuz kanal etkisini göz önüne alacak şekilde protokollerin başarı sınırlarını göstermemiştir. Bu motivasyonla biz, bu tez çalışmasında PETRA simülasyon ortamına AWGN ve Rayleigh sönümlemeli kanal modellerini ekleyerek iyileştirmede bulunduk. Bu kanallarda haberleşen ISO/IEC 18000-3 standardına uygun olan RFID sistemlerindeki protokollerin performans sınırlarını gösterdik. Bu amaca yönelik olarak, güvenli ve mahrem bir kimlik tanıma protokolünü, yeni geliştirdiğimiz simülasyon ortamına uyguladık ve pasif RFID sistemlerin gerçek hayatta kullanılmadan önceki performans değerlendirmesini gözlemledik. Biz RFID protkollerinin en iyi başarıyı AWGN kanalı altında sergilediğini gösterdik. Bu başarım göstergesi bize aslında protokolün başarım üst sınırını vermektedir çünkü AWGN kanal kablosuz haberleşme ortamları içerisinde ideal kanal olarak kabul edilmektedir. Ayrıca, kablosuz kanalın etilerini göstermek için Petra simülasyon ortamının sonuçlarını ekledik. Bunun aynı sıra, Rayleigh sönümlemeli kanalda başarım sonuçlarını elde ettik. Bu sonuçlar ise bize RFID protokollerin başarım alt sınırını vermektedir çünkü Rayleigh sönümlemeli kanalın bozucu etikeleri AWGN kanalına göre daha çoktur ve en kötü kanal yapılarında birisidir. AWGN kanalında çerçeve hata oranı sinyal gürültü oranına göre üstsel olarak azalırken, Rayleigh sönümlemeli kanalda linear olarak azaldığı simülasyonlarla gösterilmiştir. RFID etiketleri aynı zamanda enerji kaynaklarına göre üç gruba ayrılır: pasif, yarı-pasif ve aktif etiketler. Pasif RFID etiketlerin kendi enerji kaynakları yoktur. Bunun yerine bu etiketler, okuyucudan yayınlanan enerjiyi kullanırlar. Yarı-pasif ve aktif etiketlerde ise kendilerine ait bir enerji kaynakları vardır. Aktif etiketlerle yarı-pasif etiketlerin farkı ise yarı-pasif etiketlerin ilk konuşmayı başlatmaması ve okuyucudan gelen sorgu ile konuşabilmesidir. Kendi enerji kaynağını, okuyucudan gelen sorgu ile kullanmaya başlar. Aktif RFID etiketleri ise okuyucu ile kendi konuşma başlatabildiği gibi ondan gelen sorgu ile de konuşmaya başlayabilir. Aktif RFID etiketleri, birçok uygulamada sahip oldukları görünürlük, güvenlik, kaliteli ve uzak mesafeli haberleşme kabiliyetleri açısından tercih edilebilmektedir. Bir aktif RFID etiketi, içerisindeki veriyi iç enerji kaynağı yardımıyla oldukça uzak mesafelere iletilebilir. Ancak batarya süresi, etiketin aktif parçaları sebebiyle azalmaktadır. Böylece bu, haberleşme mesafesiyle enerji tüketimi arasında kayıp-kazanç dengesine dönüşmektedir (yani mesafe artarken, enerji tüketiminde artma veya tam tersi). Bununla birlikte iletim mesafesinin artması, girişim problemlerine de neden olabilir çünkü bir okuyucunun okuma ortamında olabilecek etiketler ve/veya okuyucular haberleşmede zorluklara zemin hazırlayabilir. ISO/IEC 18000-7 bir aktif RFID standardıdır. Bu standardın etiketleri 433 MHz frekansında çalışmaktadır. Biz fark ettik ki, bu standartta uyan aktif bir RFID etiketi, Rayleigh sönümlemeli kanalda tatmin edici bir haberleşme gerçekleştirebilmesi için oldukça fazla enerji tüketmektedir. Bu tezde ikinci olarak biz, ISO/IEC 18000-7 standardındaki aktif RFID sistemlerinin haberleşme kalitesi ve enerji verimliliği açısından performanslarını iyileştirdik. Simülasyon sonuçlarımız göstermiştir ki, gerek etiket gerekse hem etiket hem de okuyucu tarafındaki çoklu anten tasarımları, sınırlı geri besleme tekniklerinin kullanılmasıyla çerçeve hata oranlarını düşürmüş ve enerji kaynağının yaşam süresini arttırmıştır.This M.Sc. thesis is mainly two folds: First part includes the performance evaluation of passive and active RFID systems complying with ISO 18000-3 and ISO 18000-7 standards respectively. Second part shows the performance improvement of active RFID systems with multiple antennas in ISO 18000-7 standard. It also includes a detailed comparison of different limited feedback schemes for multiple antennas at tag side and both tag-reader side. Radio Frequency IDentification (RFID) has become very popular in wireless technologies and pervasively deployed in many applications area, such as contactless credit cards, e-passports, ticketing systems, access control, gaming, healthcare, pharmaceuticals, document and media management. This technology provides wireless communication with an object or someone to automatically identify or track by using radio waves. RFID systems can be grouped into three basic ranges by their using operating frequency: Low frequency (LF, 30-300 KHz), high fequency (HF 3-30MHz) and ultra high frequency (300MHz-3GHz) / microwave (>3 GHz). RFID tags and readers communicate with each other over air interface. This insecure channel and the limited capabilities of RFID tags cause security and privacy vulnerabilities. An adversary may do tag impersonating, tracking, eavesdropping, and denial of service (DoS) attack. Besides the vulnerabilities, a tag might be distinguishable in its life-span by an attacker. If it is once recognized by an adversary, it will be easily able to be traceable. At that situation, there might be two attacks. (i) An attacker might track the previous interactions of the tag or (ii) he may track the future ones. These two attacks are called backward traceability and forward traceability, respectively. There are public-key cryptography solutions in literature but none of them are convenient for the low-cost tags used in lots of applications because of their limitations. It needs to find much light-weight approaches. Therefore, many light-weight authentication protocols are proposed to have a win against the adversaries that deceive the capacity-restricted tags. A growing security and privacy concerns are most commonly related with high frequency (HF) RFID devices, using near field communication (NFC), such as contactless smart cards (CSC), because they are used to store secure and private personal information in many RFID applications: e-passport, govern ID, credit cards etc. Many researches offer different protocol designs to overcome the security and privacy problems for the standards. Although, their security and privacy analysis are quite important, their effectiveness is also another vital point for real world RFID applications/systems. Unfortunately, it is a troublesome to physically test every new protocol desings because of cost, time and it is also impractical. The performance of the protocols affects the quality of HF RFID applications. Therefore, many simulation environments have been improved to evaluate the performance of these kinds of protocols. However, none of them shows the success bounds of the protocols by considering wireless channel effect. Motivated by this need, in this thesis, firstly, we improve the PETRA simulation environment by adding two channel models, AWGN channel, Rayleigh fading channel and show the performance bounds of an RFID authentication protocol in these channels for ISO/IEC 18000-3 standard. For this purpose, we implement a secure authentication protocol in our new simulation environment to understand the effect of the wireless channel in a real life scenario. This work may guide the protocol designers to test their protocols and observe the performance of passive RFID systems before using them on real systems. We show that RFID protocols perform best performance in AWGN channel. This performance gives us the upper bound performance because the AWGN channel is an ideal case in wireless communication environment. We added the results of Petra simulation environment to evaluate the wireless channel effect. On the other hand, the performance of RFID protocols in Rayleigh fading channels gives the lower bound of the performance. The effects of the Rayleigh fading channel are extremely severe when it is compared to the AWGN channel. The FER curve is inversely linear proportional with the SNR for Rayleigh fading while it is exponentially decreasing for AWGN channel. RFID tags can also be categorized in three groups by using energy source such as passive, semi-passive and active (battery assisted) tags. Passive RFID tags do not have own internal energy source. Instead, they use the radio energy transmitted by the reader. Semi-passive and active RFID tags have their own energy source. The difference between them is that semi-passive tags do not talk first and they are powered up by the reader’s request. The energy source is used after the request. Active tags might talk to RFID reader first or answer its first request. Active RFID tags are preferred in many applications for their advantages: Visibility, security, quality and high distance communication. An active tag can transmit its data at great range by using its internal source. However, the battery life is decreased by the active parts of the tag. Hence, it causes a trade-off between communication distance and power consumption. In addition to this, the increased transmission distance might also cause interference problem because a large number of tags or multi-reader multi-tag environment within the range of a reader grounds communication difficulties. ISO/IEC 18000-7 is an active RFID standard that their tags operatea at 433 MHz. We realize that a tag consumes too much energy source to perform a satisfactory communication compliance with the standard in Rayleigh fading channel. In this thesis, secondly, we aim to ameliorate an active RFID system performance from the perspective of better communication and energy efficiency. Our simulation results show that multiple-antenna designs at tag side and tag-reader side using limited feedback schemes significantly decreases the frame error rates and increases the battery lifetime.Yüksek LisansM.Sc

SecuCode: Intrinsic PUF Entangled Secure Wireless Code Dissemination for Computational RFID Devices

The simplicity of deployment and perpetual operation of energy harvesting devices provides a compelling proposition for a new class of edge devices for the Internet of Things. In particular, Computational Radio Frequency Identification (CRFID) devices are an emerging class of battery-free, computational, sensing enhanced devices that harvest all of their energy for operation. Despite wireless connectivity and powering, secure wireless firmware updates remains an open challenge for CRFID devices due to: intermittent powering, limited computational capabilities, and the absence of a supervisory operating system. We present, for the first time, a secure wireless code dissemination (SecuCode) mechanism for CRFIDs by entangling a device intrinsic hardware security primitive Static Random Access Memory Physical Unclonable Function (SRAM PUF) to a firmware update protocol. The design of SecuCode: i) overcomes the resource-constrained and intermittently powered nature of the CRFID devices; ii) is fully compatible with existing communication protocols employed by CRFID devices in particular, ISO-18000-6C protocol; and ii) is built upon a standard and industry compliant firmware compilation and update method realized by extending a recent framework for firmware updates provided by Texas Instruments. We build an end-to-end SecuCode implementation and conduct extensive experiments to demonstrate standards compliance, evaluate performance and security.Comment: Accepted to the IEEE Transactions on Dependable and Secure Computin

Contributions to the development of active RFID systems at the 433 MHz band

Donat el potencial de la tecnologia RFID activa, aquesta tesi contribueix al seu desenvolupament centrant-se en les capes més baixes de la pila de protocols, és a dir, la capa física i la capa d'enllaç de dades. Aquestes capes determinen l'abast de la comunicació entre l'interrogador i les etiquetes, el nombre d'etiquetes que un interrogador pot llegir per segon i el consum d'energia que utilitzen les etiquetes en el procés, que en són els paràmetres de rendiment clau. A la capa física la tesi avalua els aspectes de propagació de la banda 433 MHz en diferents entorns i els compara amb la banda 2.4 GHz. Els resultats demostren que, per a la mateixa potència de transmissió, els sistemes RFID actius que funcionen a la banda 433 MHz aconsegueixen un millor abast de comunicació gràcies a unes millors característiques de propagació. A la capa d'enllaç de dades la tesi proposa LPDQ (Low-Power Distributed Queuing), un nou protocol d'accés al medi, i el compara amb FSA (Frame Slotted ALOHA). LPDQ combina LPL (Low-Power Listening) per a la sincronització de xarxa i DQ (Distributed Queuing) per a la transmissió de dades. En comparació amb el cas òptim de FSA, LPDQ aconsegueix un rendiment proper al màxim teòric (99.5%) independentment del nombre d'etiquetes i redueix el consum d'energia de les etiquetes en més d'un 10%.Dado el potencial de la tecnología RFID activa, esta tesis contribuye a su desarrollo centrándose en las capas más bajas de la pila de protocolos, es decir, la capa física y la capa de enlace de datos. Estas capas determinan el alcance de la comunicación entre el interrogador y las etiquetas, el número de etiquetas que un interrogador puede leer por segundo y el consumo de energía que utilizan las etiquetas en el proceso, que son los parámetros de rendimiento clave. En la capa física la tesis evalúa los aspectos de propagación de la banda 433 MHz en diferentes entornos y los compara con la banda 2.4 GHz. Los resultados demuestran que, para la misma potencia de transmisión, los sistemas RFID activos que funcionan en la banda 433 MHz consiguen un mejor alcance de comunicación gracias a unas mejores características de propagación. En la capa de enlace de datos la tesis propone LPDQ (Low-Power Distributed Queuing), un nuevo protocolo de acceso al medio, y lo compara con FSA (Frame Slotted ALOHA). LPDQ combina LPL (Low-Power Listening) para la sincronización de red y DQ (Distributed Queuing) para la transmisión de datos. En comparación con el caso óptimo de FSA, LPDQ consigue un rendimiento cercano al máximo teórico (99.5%) independientemente del número de etiquetas y reduce el consumo de energía de las etiquetas en más de un 10%.Given the potential of active RFID technology, this thesis contributes to its development by focusing on the lowest layers of the stack, that is, the physical and data-link layers. These layers determine the tag communication range, packet throughput and energy consumption, which are key performance parameters. At the physical layer, the thesis studies propagation aspects of the 433 MHz band in different environments and compares it to the 2.4 GHz band, which is also used in active RFID systems. The results demonstrate that active RFID systems operating at the 433 MHz band can achieve a better communication range at the same transmit power due to better propagation characteristics. At the data-link layer, the thesis proposes LPDQ (Low-Power Distributed Queuing), a new MAC (media access control) protocol, and compares it to FSA (Frame Slotted ALOHA). LPDQ combines LPL (Low-Power Listening) for network synchronization and DQ (Distributed Queuing) for data transmission. Compared to the optimal FSA case, LPDQ can achieve a performance close to the theoretical maximum (99.5%), regardless of the number of tags, and reduces tag energy consumption by more than 10%

Anomaly Detection in RFID Networks

Available security standards for RFID networks (e.g. ISO/IEC 29167) are designed to secure individual tag-reader sessions and do not protect against active attacks that could also compromise the system as a whole (e.g. tag cloning or replay attacks). Proper traffic characterization models of the communication within an RFID network can lead to better understanding of operation under “normal” system state conditions and can consequently help identify security breaches not addressed by current standards. This study of RFID traffic characterization considers two piecewise-constant data smoothing techniques, namely Bayesian blocks and Knuth’s algorithms, over time-tagged events and compares them in the context of rate-based anomaly detection. This was accomplished using data from experimental RFID readings and comparing (1) the event counts versus time if using the smoothed curves versus empirical histograms of the raw data and (2) the threshold-dependent alert-rates based on inter-arrival times obtained if using the smoothed curves versus that of the raw data itself. Results indicate that both algorithms adequately model RFID traffic in which inter-event time statistics are stationary but that Bayesian blocks become superior for traffic in which such statistics experience abrupt changes

Sulautettu ohjelmistototeutus reaaliaikaiseen paikannusjärjestelmään

Asset tracking often necessitates wireless, radio-frequency identification (RFID). In practice, situations often arise where plain inventory operations are not sufficient, and methods to estimate movement trajectory are needed for making reliable observations, classification and report generation. In this thesis, an embedded software application for an industrial, resource-constrained off-the-shelf RFID reader device in the UHF frequency range is designed and implemented. The software is used to configure the reader and its air-interface operations, accumulate read reports and generate events to be reported over network connections. Integrating location estimation methods to the application facilitates the possibility to make deploying middleware RFID solutions more streamlined and robust while reducing network bandwidth requirements. The result of this thesis is a functional embedded software application running on top of an embedded Linux distribution on an ARM processor. The reader software is used commercially in industrial and logistics applications. Non-linear state estimation features are applied, and their performance is evaluated in empirical experiments.Tavaroiden seuranta edellyttää usein langatonta radiotaajuustunnistustekniikkaa (RFID). Käytännön sovelluksissa tulee monesti tilanteita joissa pelkkä inventointi ei riitä, vaan tarvitaan menetelmiä liikeradan estimointiin luotettavien havaintojen ja luokittelun tekemiseksi sekä raporttien generoimiseksi. Tässä työssä on suunniteltu ja toteutettu sulautettu ohjelmistosovellus teolliseen, resursseiltaan rajoitettuun ja kaupallisesti saatavaan UHF-taajuusalueen RFID-lukijalaitteeseen. Ohjelmistoa käytetään lukijalaitteen ja sen ilmarajapinnan toimintojen konfigurointiin, lukutapahtumien keräämiseen ja raporttien lähettämiseen verkkoyhteyksiä pitkin. Paikkatiedon estimointimenetelmien integroiminen ohjelmistoon mahdollistaa välitason RFID-sovellusten toteuttamisen aiempaa suoraviivaisemin ja luotettavammin, vähentäen samalla vaatimuksia tietoverkon kaistanleveydelle. Työn tuloksena on toimiva sulautettu ohjelmistosovellus, jota ajetaan sulautetussa Linux-käyttöjärjestelmässä ARM-arkkitehtuurilla. Lukijaohjelmistoa käytetään kaupallisesti teollisuuden ja logistiikan sovelluskohteissa. Epälineaarisia estimointiominaisuuksia hyödynnetään, ja niiden toimivuutta arvioidaan empiirisin kokein