基于ARM Linux的门禁系统的设计与实现

门禁系统主要负责对出入通道进行管制，是社区楼宇安全监控系统的一部分。传统的门禁系统通常采用密码识别、卡片识别的方式进行验证，由于密码、卡片容易被盗用、丢失，系统安全性不高。在通信方式上传统门禁系统通常采用RS485或者RS232连接，传输距离、速度和连接终端数均受限制。本文提出的人像识别门禁系统解决方案采用ARM-Linux系统平台，依靠社区宽带综合业务网的传输和存储能力，结合密码、RFID和人像识别三种识别方式，利用网络技术和生物识别技术达到识别率高、响应速度快、扩展能力强的要求，并能够与驻地网的其它业务集成，提供业务级的联动服务。此外，该门禁系统还支持用户使用电话开门，由服务器完成对用户来电的识别和防伪验证。本文工作的主要贡献是：参与了ARM-Linux系统的裁剪、移植和声卡驱动的修改；建立了ARM-Linux交叉编译环境；完成了门禁前端软件系统的整体设计和实现；完成了服务器软件电话呼叫响应子系统的设计。

Planning the deployment of fault-tolerant wireless sensor networks

Since Wireless Sensor Networks (WSNs) are subject to failures, fault-tolerance becomes an important requirement for many WSN applications. Fault-tolerance can be enabled in different areas of WSN design and operation, including the Medium Access Control (MAC) layer and the initial topology design. To be robust to failures, a MAC protocol must be able to adapt to traffic fluctuations and topology dynamics. We design ER-MAC that can switch from energy-efficient operation in normal monitoring to reliable and fast delivery for emergency monitoring, and vice versa. It also can prioritise high priority packets and guarantee fair packet deliveries from all sensor nodes. Topology design supports fault-tolerance by ensuring that there are alternative acceptable routes to data sinks when failures occur. We provide solutions for four topology planning problems: Additional Relay Placement (ARP), Additional Backup Placement (ABP), Multiple Sink Placement (MSP), and Multiple Sink and Relay Placement (MSRP). Our solutions use a local search technique based on Greedy Randomized Adaptive Search Procedures (GRASP). GRASP-ARP deploys relays for (k,l)-sink-connectivity, where each sensor node must have k vertex-disjoint paths of length ≤ l. To count how many disjoint paths a node has, we propose Counting-Paths. GRASP-ABP deploys fewer relays than GRASP-ARP by focusing only on the most important nodes – those whose failure has the worst effect. To identify such nodes, we define Length-constrained Connectivity and Rerouting Centrality (l-CRC). Greedy-MSP and GRASP-MSP place minimal cost sinks to ensure that each sensor node in the network is double-covered, i.e. has two length-bounded paths to two sinks. Greedy-MSRP and GRASP-MSRP deploy sinks and relays with minimal cost to make the network double-covered and non-critical, i.e. all sensor nodes must have length-bounded alternative paths to sinks when an arbitrary sensor node fails. We then evaluate the fault-tolerance of each topology in data gathering simulations using ER-MAC.

WLAN Security Processor

A novel wireless local area network (WLAN) security processor is described in this paper. It is designed to offload security encapsulation processing from the host microprocessor in an IEEE 802.11i compliant medium access control layer to a programmable hardware accelerator. The unique design, which comprises dedicated cryptographic instructions and hardware coprocessors, is capable of performing wired equivalent privacy, temporal key integrity protocol, counter mode with cipher block chaining message authentication code protocol, and wireless robust authentication protocol. Existing solutions to wireless security have been implemented on hardware devices and target specific WLAN protocols whereas the programmable security processor proposed in this paper provides support for all WLAN protocols and thus, can offer backwards compatibility as well as future upgrade ability as standards evolve. It provides this additional functionality while still achieving equivalent throughput rates to existing architectures. © 2006 IEEE.

Performance analysis of a metro WDM ring networks with variable-length packets under symmetric and asymmetric traffic

In this paper, we discuss and evaluate two proposed metro wavelength division multiplexing (WDM) ring network architectures for variable-length packet traffic in storage area networks (SANs) settings. The paper begins with a brief review of the relevant architectures and protocols in the literature. Subsequently, the network architectures along with their medium access control (MAC) protocols are described. Performance of the two network architectures is studied by means of computer simulation in terms of their queuing delay, node throughput and proportion of packets dropped. The network performance is evaluated under symmetric and asymmetric traffic scenarios with Poisson and self-similar traffic. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Detecting Anomalies in Graphs with Numeric Labels

This paper presents Yagada, an algorithm to search labelled graphs for anomalies using both structural data and numeric attributes. Yagada is explained using several security-related examples and validated with experiments on a physical Access Control database. Quantitative analysis shows that in the upper range of anomaly thresholds, Yagada detects twice as many anomalies as the best-performing numeric discretization algorithm. Qualitative evaluation shows that the detected anomalies are meaningful, representing a com- bination of structural irregularities and numerical outliers.

Cross-layer Energy-Efficiency Optimization of Packet Based Wireless MIMO Communication Systems

Energy in today's short-range wireless communication is mostly spent on the analog- and digital hardware rather than on radiated power. Hence,purely information-theoretic considerations fail to achieve the lowest energy per information bit and the optimization process must carefully consider the overall transceiver. In this paper, we propose to perform cross-layer optimization, based on an energy-aware rate adaptation scheme combined with a physical layer that is able to properly adjust its processing effort to the data rate and the channel conditions to minimize the energy consumption per information bit. This energy proportional behavior is enabled by extending the classical system modes with additional configuration parameters at the various layers. Fine grained models of the power consumption of the hardware are developed to provide awareness of the physical layer capabilities to the medium access control layer. The joint application of the proposed energy-aware rate adaptation and modifications to the physical layer of an IEEE802.11n system, improves energy-efficiency (averaged over many noise and channel realizations) in all considered scenarios by up to 44%.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Establishment of stackable community networks

Uma das áreas de investigação em Telecomunicações de interesse crescente prende-se com os futuros sistemas de comunicações móveis de 4a geração e além destes. Nos últimos anos tem sido desenvolvido o conceito de redes comunitárias, no qual os utilizadores se agregam de acordo com interesses comuns. Estes conceitos têm sido explorados de uma forma horizontal em diferentes camadas da comunicação, desde as redes comunitárias de comunicação (Seattle Wireless ou Personal Telco, p.ex.) até às redes de interesses peer-to-peer. No entanto, estas redes são usualmente vistas como redes de overlay, ou simplesmente redes de associação livre. Na prática, a noção de uma rede auto-organizada, completamente orientada ao serviço/comunidade, integralmente suportada em termos de arquitetura, não existe. Assim este trabalho apresenta uma realização original nesta área de criação de redes comunitárias, com uma arquitetura subjacente orientada a serviço, e que suporta integralmente múltiplas redes comunitárias no mesmo dispositivo, com todas as características de segurança, confiança e disponibilização de serviço necessárias neste tipo de cenários (um nó pode pertencer simultaneamente a mais do que uma rede comunitária). Devido à sua importância para os sistemas de redes comunitárias, foi dado particular atenção a aspetos de gestão de recursos e controlo de acessos. Ambos realizados de uma forma descentralizada e considerando mecanismos dotados de grande escalabilidade. Para isso, é apresentada uma linguagem de políticas que suporta a criação de comunidades virtuais. Esta linguagem não é apenas utilizada para o mapeamento da estrutura social dos membros da comunidade, como para, gerir dispositivos, recursos e serviços detidos pelos membros, de uma forma controlada e distribuída.

Electronic health records for mobile citizens: a secure and collaborative architecture

Durante as ultimas décadas, os registos de saúde eletrónicos (EHR) têm evoluído para se adaptar a novos requisitos. O cidadão tem-se envolvido cada vez mais na prestação dos cuidados médicos, sendo mais pró ativo e desejando potenciar a utilização do seu registo. A mobilidade do cidadão trouxe mais desafios, a existência de dados dispersos, heterogeneidade de sistemas e formatos e grande dificuldade de partilha e comunicação entre os prestadores de serviços. Para responder a estes requisitos, diversas soluções apareceram, maioritariamente baseadas em acordos entre instituições, regiões e países. Estas abordagens são usualmente assentes em cenários federativos muito complexos e fora do controlo do paciente. Abordagens mais recentes, como os registos pessoais de saúde (PHR), permitem o controlo do paciente, mas levantam duvidas da integridade clinica da informação aos profissionais clínicos. Neste cenário os dados saem de redes e sistemas controlados, aumentando o risco de segurança da informação. Assim sendo, são necessárias novas soluções que permitam uma colaboração confiável entre os diversos atores e sistemas. Esta tese apresenta uma solução que permite a colaboração aberta e segura entre todos os atores envolvidos nos cuidados de saúde. Baseia-se numa arquitetura orientada ao serviço, que lida com a informação clínica usando o conceito de envelope fechado. Foi modelada recorrendo aos princípios de funcionalidade e privilégios mínimos, com o propósito de fornecer proteção dos dados durante a transmissão, processamento e armazenamento. O controlo de acesso _e estabelecido por políticas definidas pelo paciente. Cartões de identificação eletrónicos, ou certificados similares são utilizados para a autenticação, permitindo uma inscrição automática. Todos os componentes requerem autenticação mútua e fazem uso de algoritmos de cifragem para garantir a privacidade dos dados. Apresenta-se também um modelo de ameaça para a arquitetura, por forma a analisar se as ameaças possíveis foram mitigadas ou se são necessários mais refinamentos. A solução proposta resolve o problema da mobilidade do paciente e a dispersão de dados, capacitando o cidadão a gerir e a colaborar na criação e manutenção da sua informação de saúde. A arquitetura permite uma colaboração aberta e segura, possibilitando que o paciente tenha registos mais ricos, atualizados e permitindo o surgimento de novas formas de criar e usar informação clínica ou complementar.

Design and performance of wireless cooperative relaying

In recent years, a new paradigm for communication called cooperative communications has been proposed for which initial information theoretic studies have shown the potential for improvements in capacity over traditional multi-hop wireless networks. Extensive research has been done to mitigate the impact of fading in wireless networks, being mostly focused on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Recently, cooperative relaying techniques have been investigated to increase the performance of wireless systems by using diversity created by different single antenna devices, aiming to reach the same level of performance of MIMO systems with low cost devices. Cooperative communication is a promising method to achieve high spectrum efficiency and improve transmission capacity for wireless networks. Cooperative communications is the general idea of pooling the resources of distributed nodes to improve the overall performance of a wireless network. In cooperative networks the nodes cooperate to help each other. A cooperative node offering help is acting like a middle man or proxy and can convey messages from source to destination. Cooperative communication involves exploiting the broadcast nature of the wireless medium to form virtual antenna arrays out of independent singleantenna network nodes for transmission. This research aims at contributing to the field of cooperative wireless networks. The focus of this research is on the relay-based Medium Access Control (MAC) protocol. Specifically, I provide a framework for cooperative relaying called RelaySpot which comprises on opportunistic relay selection, cooperative relay scheduling and relay switching. RelaySpot-based solutions are expected to minimize signaling exchange, remove estimation of channel conditions, and improve the utilization of spatial diversity, minimizing outage and increasing reliability.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

Adding local priority-based dispatching mechanisms to P-NET networks: a fixed priority approach

In this paper we address the real-time capabilities of P-NET, which is a multi-master fieldbus standard based on a virtual token passing scheme. We show how P-NET’s medium access control (MAC) protocol is able to guarantee a bounded access time to message requests. We then propose a model for implementing fixed prioritybased dispatching mechanisms at each master’s application level. In this way, we diminish the impact of the first-come-first-served (FCFS) policy that P-NET uses at the data link layer. The proposed model rises several issues well known within the real-time systems community: message release jitter; pre-run-time schedulability analysis in non pre-emptive contexts; non-independence of tasks at the application level. We identify these issues in the proposed model and show how results available for priority-based task dispatching can be adapted to encompass priority-based message dispatching in P-NET networks.

Improving quality-of-service in wireless sensor networks by mitigating “Hidden-Node Collisions”

Wireless sensor networks (WSNs) emerge as underlying infrastructures for new classes of large-scale networked embedded systems. However, WSNs system designers must fulfill the quality-of-service (QoS) requirements imposed by the applications (and users). Very harsh and dynamic physical environments and extremely limited energy/computing/memory/communication node resources are major obstacles for satisfying QoS metrics such as reliability, timeliness, and system lifetime. The limited communication range of WSN nodes, link asymmetry, and the characteristics of the physical environment lead to a major source of QoS degradation in WSNs-the ldquohidden node problem.rdquo In wireless contention-based medium access control (MAC) protocols, when two nodes that are not visible to each other transmit to a third node that is visible to the former, there will be a collision-called hidden-node or blind collision. This problem greatly impacts network throughput, energy-efficiency and message transfer delays, and the problem dramatically increases with the number of nodes. This paper proposes H-NAMe, a very simple yet extremely efficient hidden-node avoidance mechanism for WSNs. H-NAMe relies on a grouping strategy that splits each cluster of a WSN into disjoint groups of non-hidden nodes that scales to multiple clusters via a cluster grouping strategy that guarantees no interference between overlapping clusters. Importantly, H-NAMe is instantiated in IEEE 802.15.4/ZigBee, which currently are the most widespread communication technologies for WSNs, with only minor add-ons and ensuring backward compatibility with their protocols standards. H-NAMe was implemented and exhaustively tested using an experimental test-bed based on ldquooff-the-shelfrdquo technology, showing that it increases network throughput and transmission success probability up to twice the values obtained without H-NAMe. H-NAMe effectiveness was also demonstrated in a target tracking application with mobile robots - over a WSN deployment.

Efficient aggregate computations in large-scale dense WSN

We focus on large-scale and dense deeply embedded systems where, due to the large amount of information generated by all nodes, even simple aggregate computations such as the minimum value (MIN) of the sensor readings become notoriously expensive to obtain. Recent research has exploited a dominance-based medium access control(MAC) protocol, the CAN bus, for computing aggregated quantities in wired systems. For example, MIN can be computed efficiently and an interpolation function which approximates sensor data in an area can be obtained efficiently as well. Dominance-based MAC protocols have recently been proposed for wireless channels and these protocols can be expected to be used for achieving highly scalable aggregate computations in wireless systems. But no experimental demonstration is currently available in the research literature. In this paper, we demonstrate that highly scalable aggregate computations in wireless networks are possible. We do so by (i) building a new wireless hardware platform with appropriate characteristics for making dominance-based MAC protocols efficient, (ii) implementing dominance-based MAC protocols on this platform, (iii) implementing distributed algorithms for aggregate computations (MIN, MAX, Interpolation) using the new implementation of the dominance-based MAC protocol and (iv) performing experiments to prove that such highly scalable aggregate computations in wireless networks are possible.

Using a prioritized MAC protocol to execute the database operation join in networked embedded computer systems

Database query languages on relations (for example SQL) make it possible to join two relations. This operation is very common in desktop/server database systems but unfortunately query processing systems in networked embedded computer systems currently do not support this operation; specifically, the query processing systems TAG, TinyDB, Cougar do not support this. We show how a prioritized medium access control (MAC) protocol can be used to efficiently execute the database operation join for networked embedded computer systems where all computer nodes are in a single broadcast domain.