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.

Implementación de un piloto para el uso de tecnología móvil en la mejora de la sostenibilidad de los servicios de agua

Este trabajo de fin de grado propone realizar una prueba piloto de las tecnologías móviles para incrementar la sostenibilidad de los servicios de agua dentro del marco del programa de la ONG ONGAWA para la provisión de servicios básicos de Agua y Saneamiento en la región de Same, Tanzania. Dicha línea se ha denominado a nivel local con el nombre de “MAJI MOTO – Mobile and radio to increase water services sustainability”. Además de ONGAWA, en esta línea de trabajo también intervienen VOTO Mobile, Same District Council y Farm Radio International. La cobertura de agua en las zonas rurales de Tanzania es solo del 44%. A pesar de los esfuerzos realizados, los nuevos puntos de agua construidos no incrementan la disponibilidad de agua debido a la alta tasa de no funcionabilidad (38%). Pocos años después de la construcción, la mayoría de los sistemas construidos colapsan debido a la falta de mantenimiento técnico, una gestión financiera débil y otras dificultades provocados por los intereses e influencias políticas. La mala gestión y la deficiente capacidad de gobierno del agua son las principales razones por las que mantener el servicio de agua de manera permanente en zonas rurales sea actualmente insostenible y no permita el crecimiento de puntos de agua en estas zonas. Por otro lado, el 63% de las familias tanzanas tienen un teléfono móvil, y el 58% tienen al menos una tarjeta SIM activada. La mayoría tienen varias tarjetas de las diferentes compañías para adecuar la llamada que vayan a realizar al precio que les convenga. Incluso las personas más desfavorecidas (que cuentan con menos de 2$ al día y que viven zonas rurales y pobres), un 50% tienen acceso a un terminal móvil y su propia tarjeta SIM. El dinero que dedica cada familia a las comunicaciones es prácticamente la misma o superior al que va dedicado a los gastos médicos y muy superior a los gastos escolares o destinados a la adquisición de prendas de vestir. Dado este contexto, en este trabajo se han abordado dos tipos distintos de medidas basadas en tecnologías de teléfonos móviles para apoyar en una gestión más eficiente y transparente de los servicios de agua. Por un lado, se ha pilotado la plataforma que ofrece VOTO Mobile para establecer dos canales de comunicación, hasta ahora inexistentes, a través del uso del teléfono móvil: uno entre el Departamento de Agua del Distrito y los usuarios de los servicios de agua; y otro entre el mismo departamento del Distrito de Same y los COWSOs, que son las unidades locales que se encargan de la gestión y mantenimiento de los puntos de agua de sus municipios. Por otro lado, la implantación de un sistema de pago por móvil de las tarifas de los servicios de agua. En cuanto a la implantación de los dos canales de comunicación, se ha formado a varias personas del Distrito de Same en el uso de la ”VOTO Mobile Platform”, que ofrece la posibilidad de gestionar gran cantidad de contactos y mensajes, tanto entrantes como salientes. Por otro lado, se realizaron pruebas para analizar su viabilidad y su aceptación por parte de los usuarios. Con respecto al pago por móvil, se estudió su viabilidad en las zonas rurales y se analizaron las debilidades y fortalezas del sistema.