Evaluation, energy optimization, and spectrum analysis of an artificial noise technique to improve CWSN security

This paper presents the security evaluation, energy consumption optimization, and spectrum scarcity analysis of artificial noise techniques to increase physical-layer security in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs). These techniques introduce noise into the spectrum in order to hide real information. Nevertheless, they directly affect two important parameters in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs), energy consumption and spectrum utilization. Both are affected because the number of packets transmitted by the network and the active period of the nodes increase. Security evaluation demonstrates that these techniques are effective against eavesdropper attacks, but also optimization allows for the implementation of these approaches in low-resource networks such as Cognitive Wireless Sensor Networks. In this work, the scenario is formally modeled and the optimization according to the simulation results and the impact analysis over the frequency spectrum are presented.

Cognitive strategies for security in wireless sensor networks

Las redes de sensores inalámbricas son uno de los sectores con más crecimiento dentro de las redes inalámbricas. La rápida adopción de estas redes como solución para muchas nuevas aplicaciones ha llevado a un creciente tráfico en el espectro radioeléctrico. Debido a que las redes inalámbricas de sensores operan en las bandas libres Industrial, Scientific and Medical (ISM) se ha producido una saturación del espectro que en pocos años no permitirá un buen funcionamiento. Con el objetivo de solucionar este tipo de problemas ha aparecido el paradigma de Radio Cognitiva (CR). La introducción de las capacidades cognitivas en las redes inalámbricas de sensores permite utilizar estas redes para aplicaciones con unos requisitos más estrictos respecto a fiabilidad, cobertura o calidad de servicio. Estas redes que aúnan todas estas características son llamadas redes de sensores inalámbricas cognitivas (CWSNs). La mejora en prestaciones de las CWSNs permite su utilización en aplicaciones críticas donde antes no podían ser utilizadas como monitorización de estructuras, de servicios médicos, en entornos militares o de vigilancia. Sin embargo, estas aplicaciones también requieren de otras características que la radio cognitiva no nos ofrece directamente como, por ejemplo, la seguridad. La seguridad en CWSNs es un aspecto poco desarrollado al ser una característica no esencial para su funcionamiento, como pueden serlo el sensado del espectro o la colaboración. Sin embargo, su estudio y mejora es esencial de cara al crecimiento de las CWSNs. Por tanto, esta tesis tiene como objetivo implementar contramedidas usando las nuevas capacidades cognitivas, especialmente en la capa física, teniendo en cuenta las limitaciones con las que cuentan las WSNs. En el ciclo de trabajo de esta tesis se han desarrollado dos estrategias de seguridad contra ataques de especial importancia en redes cognitivas: el ataque de simulación de usuario primario (PUE) y el ataque contra la privacidad eavesdropping. Para mitigar el ataque PUE se ha desarrollado una contramedida basada en la detección de anomalías. Se han implementado dos algoritmos diferentes para detectar este ataque: el algoritmo de Cumulative Sum y el algoritmo de Data Clustering. Una vez comprobado su validez se han comparado entre sí y se han investigado los efectos que pueden afectar al funcionamiento de los mismos. Para combatir el ataque de eavesdropping se ha desarrollado una contramedida basada en la inyección de ruido artificial de manera que el atacante no distinga las señales con información del ruido sin verse afectada la comunicación que nos interesa. También se ha estudiado el impacto que tiene esta contramedida en los recursos de la red. Como resultado paralelo se ha desarrollado un marco de pruebas para CWSNs que consta de un simulador y de una red de nodos cognitivos reales. Estas herramientas han sido esenciales para la implementación y extracción de resultados de la tesis. ABSTRACT Wireless Sensor Networks (WSNs) are one of the fastest growing sectors in wireless networks. The fast introduction of these networks as a solution in many new applications has increased the traffic in the radio spectrum. Due to the operation of WSNs in the free industrial, scientific, and medical (ISM) bands, saturation has ocurred in these frequencies that will make the same operation methods impossible in the future. Cognitive radio (CR) has appeared as a solution for this problem. The networks that join all the mentioned features together are called cognitive wireless sensor networks (CWSNs). The adoption of cognitive features in WSNs allows the use of these networks in applications with higher reliability, coverage, or quality of service requirements. The improvement of the performance of CWSNs allows their use in critical applications where they could not be used before such as structural monitoring, medical care, military scenarios, or security monitoring systems. Nevertheless, these applications also need other features that cognitive radio does not add directly, such as security. The security in CWSNs has not yet been explored fully because it is not necessary field for the main performance of these networks. Instead, other fields like spectrum sensing or collaboration have been explored deeply. However, the study of security in CWSNs is essential for their growth. Therefore, the main objective of this thesis is to study the impact of some cognitive radio attacks in CWSNs and to implement countermeasures using new cognitive capabilities, especially in the physical layer and considering the limitations of WSNs. Inside the work cycle of this thesis, security strategies against two important kinds of attacks in cognitive networks have been developed. These attacks are the primary user emulator (PUE) attack and the eavesdropping attack. A countermeasure against the PUE attack based on anomaly detection has been developed. Two different algorithms have been implemented: the cumulative sum algorithm and the data clustering algorithm. After the verification of these solutions, they have been compared and the side effects that can disturb their performance have been analyzed. The developed approach against the eavesdropping attack is based on the generation of artificial noise to conceal information messages. The impact of this countermeasure on network resources has also been studied. As a parallel result, a new framework for CWSNs has been developed. This includes a simulator and a real network with cognitive nodes. This framework has been crucial for the implementation and extraction of the results presented in this thesis.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

WiMAX,Technology and Market.

Wireless communication is the transfer of information from one place to another without using wires. From the earliest times, humans have felt the need to develop techniques of remote communication. From this need arose the smoke signals, communication by sun reflection in mirrors and so on. But today the telecommunications electronic devices such as telephone, television, radio or computer. Radio and television are used for one-way communication. Telephone and computer are used for two-way communication. In wireless networks there is almost unlimited mobility, we can access the network almost anywhere or anytime. In wired networks we have the restriction of using the services in fixed area services. The demand of the wireless is increasing very fast; everybody wants broadband services anywhere anytime. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is a broadband wireless technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005 that appears to solve this demand. WIMAX is a system that allows wireless data transmission in areas of up to 48 km of radius. It is designed as a wireless alternative to ADSL and a way to connect nodes in wireless metropolitan areas network. Unlike wireless systems that are limited in most cases, about 100 meter, providing greater coverage and more bandwidth. WIMAX promises to achieve high data transmission rates over large areas with a great amount of users. This alternative to the networks of broadband access common as DSL o Wi-Fi, can give broadband access to places quickly to rural areas and developing areas around the world. This paper is a study of WIMAX technology and market situation. First, the paper is responsible for explaining the technical aspects of WIMAX. For this gives an overview of WIMAX standards, physical layer, MAC layer and WiMAX, Technology and Market Beijing University of Post and Telecommunications 2 WIMAX network architecture. Second, the paper address the issue of market in which provides an overview of development and deployment of WIMAX to end the future development trend of WIMAX is addressed. RESUMEN: Por comunicaciones inalámbricas se entiende la transferencia de información desde un lugar a otro sin la necesidad de un soporte físico como es por ejemplo el cable. Por lo que remontándose a los principios de la existencia del ser humano, nos damos cuenta de que el ser humano siempre ha sentido la necesidad de desarrollar técnicas para lograr comunicarse a distancia con sus semejantes. De dicha necesidad, surgieron técnicas tan ancestrales como puede ser la comunicación mediante señales de humo o por reflexión de los rayos solares en espejos entre otras. La curiosidad del ser humano y la necesidad de comunicarse a distancia fue la que llevó a Alexander Graham Bell a inventar el teléfono en 1876. La aparición de un dispositivo que permitía comunicarse a distancia permitiendo escuchar la voz de aquella persona con la que se quería hablar, supuso una revolución no solo en el panorama tecnológico, si no también en el panorama social. Pues a parte de permitir comunicaciones a larga distancia, solventó el problema de la comunicación en “tiempo real”. A raíz de este invento, la tecnología en materia de comunicación ha ido avanzando significativamente, más concretamente en lo referido a las comunicaciones inalámbricas. En 1973 se realizó la primera llamada desde un terminal móvil aunque no fue hasta 1983 cuando se empezó a comercializar dicho terminal, lo que supuso un cambio de hábitos y costumbres para la sociedad. Desde la aparición del primer móvil el crecimiento del mercado ha sido exponencial, lo que ha repercutido en una demanda impensable de nuevas aplicaciones integradas en dichos dispositivos móviles que satisfagan las necesidades que día a día autogenera la sociedad. Tras conseguir realizar llamadas a larga distancia de forma inalámbrica, el siguiente paso fue la creación de los SMS (Short Message System) lo que supuso una nueva revolución además de abaratar costes al usuario a la hora de comunicarse. Pero el gran reto para la industria de las comunicaciones móviles surgió con la aparición de internet. Todo el mundo sentía la necesidad de poder conectarse a esa gran base de datos que es internet en cualquier parte y en cualquier momento. Las primeras conexiones a internet desde dispositivos móviles se realizaron a través de la tecnología WAP (Wireless Application Protocol) hasta la aparición de la tecnología GPRS que permitía la conexión mediante protocolo TCP/IP. A partir de estas conexiones han surgido otras tecnologías, como EDGE, HSDPA, etc., que permitían y permiten la conexión a internet desde dispositivos móviles. Hoy en día la demanda de servicios de red inalámbrica crece de forma rápida y exponencial, todo el mundo quiere servicios de banda ancha en cualquier lugar y en cualquier momento. En este documento se analiza la tecnología WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) que es una tecnología de banda ancha basada en el estándar IEEE 802.16 creada para brindar servicios a la demanda emergente en la banda ancha desde un punto de vista tecnológico, donde se da una visión de la parte técnica de la tecnología; y desde el punto de vista del mercado, donde se analiza el despliegue y desarrollo de la tecnología desde el punto de vista de negocio. WiMAX es una tecnología que permite la transmisión inalámbrica de datos en áreas de hasta 48Km de radio y que está diseñada como alternativa inalámbrica para ADSL y para conectar nodos de red inalámbrica en áreas metropolitanas. A diferencia de los sistemas inalámbricos existentes que están limitados en su mayoría a unos cientos de metros, WiMAX ofrece una mayor cobertura y un mayor ancho de banda que permita dar soporte a nuevas aplicaciones, además de alcanzar altas tasas de transmisión de datos en grandes áreas con una gran cantidad de usuarios. Se trata de una alternativa a las redes de acceso de banda ancha como DSL o Wi-Fi, que puede dar acceso de banda ancha a lugares tales como zonas rurales o zonas en vías de desarrollo por todo el mundo con rapidez. Existen dos tecnologías de WiMAX, WiMAX fijo (basado en el estándar IEEE 802.16d-2004) y WiMAX móvil (basado en el estándar IEEE 802.16e-2005). La tecnología fija está diseñada para comunicaciones punto a multipunto, mientras que la fija lo está para comunicaciones multipunto a multipunto. WiMAX móvil se basa en la tecnología OFDM que ofrece ventajas en términos de latencia, eficiencia en el uso del espectro y soporte avanzado para antenas. La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente al desvanecimiento debido a las condiciones meteorológicas y frente a las interferencias de RF. Una vez creada la tecnología WiMAX, poseedora de las características idóneas para solventar la demanda del mercado, ha de darse el siguiente paso, hay que convencer a la industria de las telecomunicaciones de que dicha tecnología realmente es la solución para que apoyen su implantación en el mercado de la banda ancha para las redes inalámbricas. Es aquí donde entra en juego el estudio del mercado que se realiza en este documento. WiMAX se enfrenta a un mercado exigente en el que a parte de tener que dar soporte a la demanda técnica, ha de ofrecer una rentabilidad económica a la industria de las comunicaciones móviles y más concretamente a las operadoras móviles que son quienes dentro del sector de las telecomunicaciones finalmente han de confiar en la tecnología para dar soporte a sus usuarios ya que estos al fin y al cabo lo único que quieren es que su dispositivo móvil satisfaga sus necesidades independientemente de la tecnología que utilicen para tener acceso a la red inalámbrica de banda ancha. Quizás el mayor problema al que se ha enfrentado WiMAX haya sido la situación económica en la que se encuentra el mundo. WiMAX a comenzado su andadura en uno de los peores momentos, pero aun así se presenta como una tecnología capaz de ayudar al mundo a salir hacia delante en estos tiempos tan duros. Finalmente se analiza uno de los debates existentes hoy en día en el sector de las comunicaciones móviles, WiMAX vs. LTE. Como se puede observar en el documento realmente una tecnología no saldrá victoriosa frente a la otra, si no que ambas tecnologías podrán coexistir y trabajar de forma conjunta.

Optimization of Arq Parameters of Stanag 5066 for the HFDVL Modem

The reliability of bidirectional communication link can be guaranteed with Automatic Repeat Request Procedures (ARQ). The standard STANAG 5066 describes the ARQ procedure for HF communications that can either be applied to existing HF physical layers modems or adapted to future physical layer designs. In this contribution the physical layer parameters of an HF modem (HFDVL), developed by the authors over the last decade, are chosen to optimize the performance of the ARQ procedure described in STANAG 5066. Besides the interleaving length, constellation size and coding type, the OFDM-based HFDVL modem permits the selection of the number of receiver antennas. It will be shown that this parameter gives additional degrees of freedom and permits reliable communication over low SNR HF communication links.

Nuevas arquitecturas de transpondedores de microondas = New transponder architectures at microwave frequencies = Nouvelles architectures des transpondeurs d’hyperfréquences

En la última década, los sistemas de telecomunicación de alta frecuencia han evolucionado tremendamente. Las bandas de frecuencias, los anchos de banda del usuario, las técnicas de modulación y otras características eléctricas están en constante cambio de acuerdo a la evolución de la tecnología y la aparición de nuevas aplicaciones. Las arquitecturas de los transceptores modernos son diferentes de las tradicionales. Muchas de las funciones convencionalmente realizadas por circuitos analógicos han sido asignadas gradualmente a procesadores digitales de señal, de esta manera, las fronteras entre la banda base y las funcionalidades de RF se difuminan. Además, los transceptores inalámbricos digitales modernos son capaces de soportar protocolos de datos de alta velocidad, por lo que emplean una elevada escala de integración para muchos de los subsistemas que componen las diferentes etapas. Uno de los objetivos de este trabajo de investigación es realizar un estudio de las nuevas configuraciones en el desarrollo de demostradores de radiofrecuencia (un receptor y un transmisor) y transpondedores para fines de comunicaciones y militares, respectivamente. Algunos trabajos se han llevado a cabo en el marco del proyecto TECRAIL, donde se ha implementado un demostrador de la capa física LTE para evaluar la viabilidad del estándar LTE en el entorno ferroviario. En el ámbito militar y asociado al proyecto de calibración de radares (CALRADAR), se ha efectuado una actividad importante en el campo de la calibración de radares balísticos Doppler donde se ha analizado cuidadosamente su precisión y se ha desarrollado la unidad generadora de Doppler de un patrón electrónico para la calibración de estos radares. Dicha unidad Doppler es la responsable de la elevada resolución en frecuencia del generador de “blancos” radar construido. Por otro lado, se ha elaborado un análisis completo de las incertidumbres del sistema para optimizar el proceso de calibración. En una segunda fase se han propuesto soluciones en el desarrollo de dispositivos electro-ópticos para aplicaciones de comunicaciones. Estos dispositivos son considerados, debido a sus ventajas, tecnologías de soporte para futuros dispositivos y subsistemas de RF/microondas. Algunas demandas de radio definida por software podrían cubrirse aplicando nuevos conceptos de circuitos sintonizables mediante parámetros programables de un modo dinámico. También se ha realizado una contribución relacionada con el diseño de filtros paso banda con topología “Hairpin”, los cuales son compactos y se pueden integrar fácilmente en circuitos de microondas en una amplia gama de aplicaciones destinadas a las comunicaciones y a los sistemas militares. Como importante aportación final, se ha presentado una propuesta para ecualizar y mejorar las transmisiones de señales discretas de temporización entre los TRMs y otras unidades de procesamiento, en el satélite de última generación SEOSAR/PAZ. Tras un análisis exhaustivo, se ha obtenido la configuración óptima de los buses de transmisión de datos de alta velocidad basadas en una red de transceptores. ABSTRACT In the last decade, high-frequency telecommunications systems have extremely evolved. Frequency bands, user bandwidths, modulation techniques and other electrical characteristics of these systems are constantly changing following to the evolution of technology and the emergence of new applications. The architectures of modern transceivers are different from the traditional ones. Many of the functions conventionally performed by analog circuitry have gradually been assigned to digital signal processors. In this way, boundaries between baseband and RF functionalities are diffused. The design of modern digital wireless transceivers are capable of supporting high-speed data protocols. Therefore, a high integration scale is required for many of the components in the block chain. One of the goals of this research work is to investigate new configurations in the development of RF demonstrators (a receiver and a transmitter) and transponders for communications and military purposes, respectively. A LTE physical layer demonstrator has been implemented to assess the viability of LTE in railway scenario under the framework of the TECRAIL project. An important activity, related to the CALRADAR project, for the calibration of Doppler radars with extremely high precision has been performed. The contribution is the Doppler unit of the radar target generator developed that reveals a high frequency resolution. In order to assure the accuracy of radar calibration process, a complete analysis of the uncertainty in the above mentioned procedure has been carried out. Another important research topic has been the development of photonic devices that are considered enabling technologies for future RF and microwave devices and subsystems. Some Software Defined Radio demands are addressed by the proposed novel circuit concepts based on photonically tunable elements with dynamically programmable parameters. A small contribution has been made in the field of Hairpin-line bandpass filters. These filters are compact and can also be easily integrated into microwave circuits finding a wide range of applications in communication and military systems. In this research field, the contributions made have been the improvements in the design and the simulations of wideband filters. Finally, an important proposal to balance and enhance transmissions of discrete timing signals between TRMs and other processing units into the state of the art SEOSAR/PAZ Satellite has been carried out obtaining the optimal configuration of the high-speed data transmission buses based on a transceiver network. RÉSUMÉ Les systèmes d'hyperfréquence dédiés aux télécommunications ont beaucoup évolué dans la dernière décennie. Les bandes de fréquences, les bandes passantes par utilisateur, les techniques de modulation et d'autres caractéristiques électriques sont en constant changement en fonction de l'évolution des technologies et l'émergence de nouvelles applications. Les architectures modernes des transcepteurs sont différentes des traditionnelles. Un grand nombre d’opérations normalement effectuées par les circuits analogiques a été progressivement alloué à des processeurs de signaux numériques. Ainsi, les frontières entre la bande de base et la fonctionnalité RF sont floues. Les transcepteurs sans fils numériques modernes sont capables de transférer des données à haute vitesse selon les différents protocoles de communication utilisés. C'est pour cette raison qu’un niveau élevé d'intégration est nécessaire pour un grand nombre de composants qui constitue les différentes étapes des systèmes. L'un des objectifs de cette recherche est d'étudier les nouvelles configurations dans le développement des démonstrateurs RF (récepteur et émetteur) et des transpondeurs à des fins militaire et de communication. Certains travaux ont été réalisés dans le cadre du projet TECRAIL, où un démonstrateur de la couche physique LTE a été mis en place pour évaluer la faisabilité de la norme LTE dans l'environnement ferroviaire. Une contribution importante, liée au projet CALRADAR, est proposée dans le domaine des systèmes d’étalonnage de radar Doppler de haute précision. Cette contribution est le module Doppler de génération d’hyperfréquence intégré dans le système électronique de génération de cibles radar virtuelles que présente une résolution de fréquence très élevée. Une analyse complète de l'incertitude dans l'étalonnage des radars Doppler a été effectuée, afin d'assurer la précision du calibrage. La conception et la mise en oeuvre de quelques dispositifs photoniques sont un autre sujet important du travail de recherche présenté dans cette thèse. De tels dispositifs sont considérés comme étant des technologies habilitantes clés pour les futurs dispositifs et sous-systèmes RF et micro-ondes grâce à leurs avantages. Certaines demandes de radio définies par logiciel pourraient être supportées par nouveaux concepts de circuits basés sur des éléments dynamiquement programmables en utilisant des paramètres ajustables. Une petite contribution a été apportée pour améliorer la conception et les simulations des filtres passe-bande Hairpin à large bande. Ces filtres sont compacts et peuvent également être intégrés dans des circuits à micro-ondes compatibles avec un large éventail d'applications dans les systèmes militaires et de communication. Finalement, une proposition a été effectuée visant à équilibrer et améliorer la transmission des signaux discrets de synchronisation entre les TRMs et d'autres unités de traitement dans le satellite SEOSAR/PAZ de dernière génération et permettant l’obtention de la configuration optimale des bus de transmission de données à grande vitesse basés sur un réseau de transcepteurs.

Tecnología y equipos para redes ultrarrápidas

Este proyecto de fin de carrera se realiza bajo la supervisión y aprobación de la empresa BT S.A.U. Este documento pretende ser un manual básico para dar a conocer al lector los elementos, herramientas y procedimientos para llevar a cabo un proyecto de tendido de fibra óptica en España. Se compone de 5 temas cuyos contenidos paso a resumir a continuación. Tema 1. En él, se muestra una explicación a las redes de acceso y las distintas topologías FTTx necesarias para llegar al cliente, además de las tecnologías y elementos utilizados para su conexión. Tema 2. Se explicará la regulación española para el tendido de redes de acceso necesarios como son la Regulación OBA, coubicación en las centrales de Telefónica, y la Regulación MARCO, compartición de la infraestructura de Telefónica con otros operadores. Tema 3. Aquí se explica la herramienta NEON, necesaria para la “comunicación” con Telefónica para las peticiones de la compartición de su infraestructura y un apartado para la legislación municipal para el despliegue de redes de fibra. Tema 4. Expondremos el procedimiento de trabajo en campo. Hablaremos de los procedimientos del tendido de cable, las obras civiles, y finalmente las medidas para comprobar el enlace. Tema 5. Explicaremos un ejemplo de despliegue real, desde la viabilidad hasta finalmente el tendido. Tema 6. Por último, expondré mis conclusiones y trabajos futuros. Este proyecto está orientado desde un punto de vista de la infraestructura (Capa Física, Modelo OSI). ABSTRACT. This thesis project is carried out under the supervision and approval of the company BT S.A.U. This document is intended as a basic manual to expose the reader items, tools, and procedures to carry out a deployment of optical fiber project in Spain. It is composed of 5 topics whose contents I summarize below. Topic 1. In it, shows an explanation to access networks and different topologies FTTx necessary to reach the customer, as well as technologies and elements used for connection. Topic 2. In this topic will be explained the Spanish regulation for the access networks needed such as the regulation of OBA, co-location in Telefonica’s central, and the framework regulation, sharing of Telefonica infrastructure with other operators. Topic 3. Here we explain the tool NEON, necessary for the "communication" with Telefónica for requests for infrastructure sharing, and a section for municipal legislation for the deployment of fiber networks. Topic 4. We will exhibit work in field procedure. We will discuss the procedures of laying cable, civil works, and finally measures to check the link. Topic 5. We will present an example of an actual deployment, from viability until finally laying. Topic 6. Finally, I shall explain my conclusions and future work. This project is from a point of view of the infrastructure (physical layer, OSI model).

Sistema de gestión de infraestructuras de telecomunicaciones

Las infraestructuras de telecomunicaciones son las que forman la capa física para la transmisión de la información de la que se componen las comunicaciones. Según el modelo OSI la capa física se encarga de convertir la trama que recibe (del nivel de enlace) en una serie de bits que envía a través del medio de transmisión correspondiente hacia el sistema destino, liberando a la capa superior de las funciones que imponga la naturaleza particular del medio de transmisión que se utilice. Para ello define las características mecánicas, eléctricas y funcionales de la interconexión al medio físico estableciendo además una interfaz con su capa superior (el nivel de enlace). Dependiendo del medio y el modo de transmisión así como de la topología de la red, el tipo de codificación y configuración de la línea y el tipo de comunicación deseada se requiere de un equipamiento u otro, por lo que la infraestructura de comunicaciones cambia. La complejidad de las redes de comunicaciones (multitud de servicios a multitud de destinos) hace que la gestión de la capa física (o de infraestructura) de las comunicaciones sea un reto difícil para los gestores de las telecomunicaciones en las empresas u organismos públicos. Ya que conseguir una correcta administración de las infraestructuras de telecomunicaciones es un factor clave para garantizar la calidad del servicio, optimizar los tiempos de provisión a los clientes y minimizar la indisponibilidad de la red ante incidencias. Si bien existen diferentes herramientas para la gestión de las telecomunicaciones la mayoría de estas soluciones contempla de manera limitada la capa física, dejando a los gestores con una multitud de aproximaciones, más o menos manuales, para entender y conocer qué pasa en su red a nivel físico y lo que puede ser aún más grave, sin la capacidad de reacción rápida ante la aparición de una incidencia. Para resolver este problema se hace necesaria la capacidad de gestión extremo a extremo de los circuitos y de todas sus conexiones intermedias. Esto es, se necesita implantar una metodología que modele la red de comunicaciones de manera que se pueda representar en un sistema informático y sobre él facilitar la gestión de los circuitos físicos y de sus infraestructuras asociadas. Por ello, la primera parte del proyecto consistirá en la descripción del tipo de infraestructura de telecomunicaciones a gestionar, el estudio de las soluciones actuales de gestión de red y el análisis de las estrategias que se están considerando para permitir la gestión de la capa física. La segunda parte estará dedicada a la definición de una metodología para la representación de la capa física en un sistema informático, de manera que se proporcione una solución completa a las organizaciones para la gestión eficaz de su infraestructura de telecomunicaciones. Y la tercera parte se centrará en la realización de un ejemplo real (piloto) de implantación de esta metodología para un proyecto concreto de una red de comunicaciones. Con objeto de mostrar las prestaciones de la solución propuesta. ABSTRACT. Telecommunications infrastructures have the physical layer component for the transfer of data. As defined in OSI model the physical layer performs the conversion of data received to binary digits which are sent through the transmission devices towards the target system, thus freeing the top layer from defining the functional specifics of each device used. This requires the full definition of the mechanical, electrical and functional features within the physical environment and the implementation of an interface with the top layer. Dependencies on the environment and the transmission modes as well as the network’s topology, the type of protocol and the line’s configuration and the type of communication selected provide specific requirements which define the equipment needed. This may also require changes in the communications environment. Current networks’ complexity (many different types of services to many nodes) demand an efficient management of the physical layer and the infrastructure in enterprises and the public sector agencies thus becoming a challenging task to the responsible for administering the telecommunications infrastructure which is key to provide high quality of service with the need to avoid any disruption of service. We have in the market different tools supporting telecommunications management but most of these solutions have limited functionality for the physical layer, leaving to administrators with the burden of executing manual tasks which need to be performed in order to attain the desired level of control which facilitates the decision process when incidents occur. An adequate solution requires an end to end capacity management of the circuits and all intermediate connections. We must implement a methodology to model the communications network to be able of representing an entire IT system to manage circuitry and associated infrastructure components. For the above purpose, the first part of the Project includes a complete description of the type of communications infrastructure to manage, the study of the current solutions available in network management and an analysis of the strategies in scope for managing the physical layer. The second part is dedicated to the definition of a methodology for the presentation of the physical layer in an IT system with the objective of providing a complete solution to the responsible staffs for efficiently managing a telecommunications infrastructure. The third part focuses on the deployment of a pilot using this methodology in a specific project performed on a communications network. Purpose is to show the deliverables of the proposed solution.

Integrated luminescent chemical microsensors based on GaN LEDs for security applications using smartphones

Development of PCB-integrateable microsensors for monitoring chemical species is a goal in areas such as lab-on-a-chip analytical devices, diagnostics medicine and electronics for hand-held instruments where the device size is a major issue. Cellular phones have pervaded the world inhabitants and their usefulness has dramatically increased with the introduction of smartphones due to a combination of amazing processing power in a confined space, geolocalization and manifold telecommunication features. Therefore, a number of physical and chemical sensors that add value to the terminal for health monitoring, personal safety (at home, at work) and, eventually, national security have started to be developed, capitalizing also on the huge number of circulating cell phones. The chemical sensor-enabled “super” smartphone provides a unique (bio)sensing platform for monitoring airborne or waterborne hazardous chemicals or microorganisms for both single user and crowdsourcing security applications. Some of the latest ones are illustrated by a few examples. Moreover, we have recently achieved for the first time (covalent) functionalization of p- and n-GaN semiconductor surfaces with tuneable luminescent indicator dyes of the Ru-polypyridyl family, as a key step in the development of innovative microsensors for smartphone applications. Chemical “sensoring” of GaN-based blue LED chips with those indicators has also been achieved by plasma treatment of their surface, and the micrometer-sized devices have been tested to monitor O2 in the gas phase to show their full functionality. Novel strategies to enhance the sensor sensitivity such as changing the length and nature of the siloxane buffer layer are discussed in this paper.

Microstructure and mechanical properties of physical vapor deposited Cu/W nanoscale multilayers: Influence of layer thickness and temperature

Based on our previous knowledge on Cu/Nb nanoscale metallic multilayers (NMMs), Cu/WNMMs show a good potential for applications as heat skins in plasma experiments and armors, and it could be expected that the substitution of Nb byWwould increase the strength, particularly at high temperatures. To check this hypothesis, Cu/WNMMs with individual layer thicknesses ranging between 5 and 30 nm were deposited by physical vapour deposition, and their mechanical properties were measured by nanoindentation. The results showed that, contrary to Cu/Nb NMMs, the hardness was independent of the layer thickness and decreased rapidlywith temperature, especially above 200 °C. This behavior was attributed to the growth morphology of theWlayers aswell as the jagged Cu/W interface, both a consequence of the lowW adatom mobility during deposition. Therefore, future efforts on the development of Cu/Wmultilayers should concentrate on optimization of theWdeposition parameters via substrate heating and/or ion assisted deposition to increase the W adatom mobility during deposition.

Security devices based on liquid crystals doped with a colour dye

Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in security devices. Employing liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. Rubbed polyimide is used as alignment layer on each substrate of the LC cell. By rubbing the polyimide in different directions in each substrate it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a greyscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant colour dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display can obviously be used as backlight as well.

Computation of nonlinear streaky structures in boundary layer flow

En esta tesis se integran numéricamente las ecuaciones reducidas de Navier Stokes (RNS), que describen el flujo en una capa límite tridimensional que presenta también una escala característica espacial corta en el sentido transversal. La formulación RNS se usa para el cálculo de “streaks” no lineales de amplitud finita, y los resultados conseguidos coinciden con los existentes en la literatura, obtenidos típicamente utilizando simulación numérica directa (DNS) o nonlinear parabolized stability equations (PSE). El cálculo de los “streaks” integrando las RNS es mucho menos costoso que usando DNS, y no presenta los problemas de estabilidad que aparecen en la formulación PSE cuando la amplitud del “streak” deja de ser pequeña. El código de integración RNS se utiliza también para el cálculo de los “streaks” que aparecen de manera natural en el borde de ataque de una placa plana en ausencia de perturbaciones en la corriente uniforme exterior. Los resultados existentes hasta ahora calculaban estos “streaks” únicamente en el límite lineal (amplitud pequeña), y en esta tesis se lleva a cabo el cálculo de los mismos en el régimen completamente no lineal (amplitud finita). En la segunda parte de la tesis se generaliza el código RNS para incluir la posibilidad de tener una placa no plana, con curvatura en el sentido transversal que varía lentamente en el sentido de la corriente. Esto se consigue aplicando un cambio de coordenadas, que transforma el dominio físico en uno rectangular. La formulación RNS se integra también expresada en las correspondientes coordenadas curvilíneas. Este código generalizado RNS se utiliza finalmente para estudiar el flujo de capa límite sobre una placa con surcos que varían lentamente en el sentido de la corriente, y es usado para simular el flujo sobre surcos que crecen en tal sentido. Abstract In this thesis, the reduced Navier Stokes (RNS) equations are numerically integrated. This formulation describes the flow in a three-dimensional boundary layer that also presents a short characteristic space scale in the spanwise direction. RNS equations are used to calculate nonlinear finite amplitude “streaks”, and the results agree with those reported in the literature, typically obtained using direct numerical simulation (DNS) or nonlinear parabolized stability equations (PSE). “Streaks” simulations through the RNS integration are much cheaper than using DNS, and avoid stability problems that appear in the PSE when the amplitude of the “streak” is not small. The RNS integration code is also used to calculate the “streaks” that naturally emerge at the leading edge of a flat plate boundary layer in the absence of any free stream perturbations. Up to now, the existing results for these “streaks” have been only calculated in the linear limit (small amplitude), and in this thesis their calculation is carried out in the fully nonlinear regime (finite amplitude). In the second part of the thesis, the RNS code is generalized to include the possibility of having a non-flat plate, curved in the spanwise direction and slowly varying in the streamwise direction. This is achieved by applying a change of coordinates, which transforms the physical domain into a rectangular one. The RNS formulation expressed in the corresponding curvilinear coordinates is also numerically integrated. This generalized RNS code is finally used to study the boundary layer flow over a plate with grooves which vary slowly in the streamwise direction; and this code is used to simulate the flow over grooves that grow in the streamwise direction.

Inverse kinematics of a 6 DoF human upper limb using ANFIS and ANN for anticipatory actuation in ADL-based physical Neurorehabilitation

Objective: This research is focused in the creation and validation of a solution to the inverse kinematics problem for a 6 degrees of freedom human upper limb. This system is intended to work within a realtime dysfunctional motion prediction system that allows anticipatory actuation in physical Neurorehabilitation under the assisted-as-needed paradigm. For this purpose, a multilayer perceptron-based and an ANFIS-based solution to the inverse kinematics problem are evaluated. Materials and methods: Both the multilayer perceptron-based and the ANFIS-based inverse kinematics methods have been trained with three-dimensional Cartesian positions corresponding to the end-effector of healthy human upper limbs that execute two different activities of the daily life: "serving water from a jar" and "picking up a bottle". Validation of the proposed methodologies has been performed by a 10 fold cross-validation procedure. Results: Once trained, the systems are able to map 3D positions of the end-effector to the corresponding healthy biomechanical configurations. A high mean correlation coefficient and a low root mean squared error have been found for both the multilayer perceptron and ANFIS-based methods. Conclusions: The obtained results indicate that both systems effectively solve the inverse kinematics problem, but, due to its low computational load, crucial in real-time applications, along with its high performance, a multilayer perceptron-based solution, consisting in 3 input neurons, 1 hidden layer with 3 neurons and 6 output neurons has been considered the most appropriated for the target application.

New methodology for the integration of biometric features in speaker recognition systems applied to security environments

La cuestión principal abordada en esta tesis doctoral es la mejora de los sistemas biométricos de reconocimiento de personas a partir de la voz, proponiendo el uso de una nueva parametrización, que hemos denominado parametrización biométrica extendida dependiente de género (GDEBP en sus siglas en inglés). No se propone una ruptura completa respecto a los parámetros clásicos sino una nueva forma de utilizarlos y complementarlos. En concreto, proponemos el uso de parámetros diferentes dependiendo del género del locutor, ya que como es bien sabido, la voz masculina y femenina presentan características diferentes que deberán modelarse, por tanto, de diferente manera. Además complementamos los parámetros clásicos utilizados (MFFC extraídos de la señal de voz), con un nuevo conjunto de parámetros extraídos a partir de la deconstrucción de la señal de voz en sus componentes de fuente glótica (más relacionada con el proceso y órganos de fonación y por tanto con características físicas del locutor) y de tracto vocal (más relacionada con la articulación acústica y por tanto con el mensaje emitido). Para verificar la validez de esta propuesta se plantean diversos escenarios, utilizando diferentes bases de datos, para validar que la GDEBP permite generar una descripción más precisa de los locutores que los parámetros MFCC clásicos independientes del género. En concreto se plantean diferentes escenarios de identificación sobre texto restringido y texto independiente utilizando las bases de datos de HESPERIA y ALBAYZIN. El trabajo también se completa con la participación en dos competiciones internacionales de reconocimiento de locutor, NIST SRE (2010 y 2012) y MOBIO 2013. En el primer caso debido a la naturaleza de las bases de datos utilizadas se obtuvieron resultados cercanos al estado del arte, mientras que en el segundo de los casos el sistema presentado obtuvo la mejor tasa de reconocimiento para locutores femeninos. A pesar de que el objetivo principal de esta tesis no es el estudio de sistemas de clasificación, sí ha sido necesario analizar el rendimiento de diferentes sistemas de clasificación, para ver el rendimiento de la parametrización propuesta. En concreto, se ha abordado el uso de sistemas de reconocimiento basados en el paradigma GMM-UBM, supervectores e i-vectors. Los resultados que se presentan confirman que la utilización de características que permitan describir los locutores de manera más precisa es en cierto modo más importante que la elección del sistema de clasificación utilizado por el sistema. En este sentido la parametrización propuesta supone un paso adelante en la mejora de los sistemas de reconocimiento biométrico de personas por la voz, ya que incluso con sistemas de clasificación relativamente simples se consiguen tasas de reconocimiento realmente competitivas. ABSTRACT The main question addressed in this thesis is the improvement of automatic speaker recognition systems, by the introduction of a new front-end module that we have called Gender Dependent Extended Biometric Parameterisation (GDEBP). This front-end do not constitute a complete break with respect to classical parameterisation techniques used in speaker recognition but a new way to obtain these parameters while introducing some complementary ones. Specifically, we propose a gender-dependent parameterisation, since as it is well known male and female voices have different characteristic, and therefore the use of different parameters to model these distinguishing characteristics should provide a better characterisation of speakers. Additionally, we propose the introduction of a new set of biometric parameters extracted from the components which result from the deconstruction of the voice into its glottal source estimate (close related to the phonation process and the involved organs, and therefore the physical characteristics of the speaker) and vocal tract estimate (close related to acoustic articulation and therefore to the spoken message). These biometric parameters constitute a complement to the classical MFCC extracted from the power spectral density of speech as a whole. In order to check the validity of this proposal we establish different practical scenarios, using different databases, so we can conclude that a GDEBP generates a more accurate description of speakers than classical approaches based on gender-independent MFCC. Specifically, we propose scenarios based on text-constrain and text-independent test using HESPERIA and ALBAYZIN databases. This work is also completed with the participation in two international speaker recognition evaluations: NIST SRE (2010 and 2012) and MOBIO 2013, with diverse results. In the first case, due to the nature of the NIST databases, we obtain results closed to state-of-the-art although confirming our hypothesis, whereas in the MOBIO SRE we obtain the best simple system performance for female speakers. Although the study of classification systems is beyond the scope of this thesis, we found it necessary to analise the performance of different classification systems, in order to verify the effect of them on the propose parameterisation. In particular, we have addressed the use of speaker recognition systems based on the GMM-UBM paradigm, supervectors and i-vectors. The presented results confirm that the selection of a set of parameters that allows for a more accurate description of the speakers is as important as the selection of the classification method used by the biometric system. In this sense, the proposed parameterisation constitutes a step forward in improving speaker recognition systems, since even when using relatively simple classification systems, really competitive recognition rates are achieved.

Effect of layer thickness on the high temperature mechanical properties of Al/SiC nanolaminates

Composite laminates on the nanoscale have shown superior hardness and toughness, but little is known about their high temperature behavior. The mechanical properties (elastic modulus and hardness) were measured as a function of temperature by means of nanoindentation in Al/SiC nanolaminates, a model metal–ceramic nanolaminate fabricated by physical vapor deposition. The influence of the Al and SiC volume fraction and layer thicknesses was determined between room temperature and 150 °C and, the deformation modes were analyzed by transmission electron microscopy, using a focused ion beam to prepare cross-sections through selected indents. It was found that ambient temperature deformation was controlled by the plastic flow of the Al layers, constrained by the SiC, and the elastic bending of the SiC layers. The reduction in hardness with temperature showed evidence of the development of interface-mediated deformation mechanisms, which led to a clear influence of layer thickness on the hardness.