Design Optimization and Security For Communication Networks

In this work we introduce a new mathematical tool for optimization of routes, topology design, and energy efficiency in wireless sensor networks. We introduce a vector field formulation that models communication in the network, and routing is performed in the direction of this vector field at every location of the network. The magnitude of the vector field at every location represents the density of amount of data that is being transited through that location. We define the total communication cost in the network as the integral of a quadratic form of the vector field over the network area. With the above formulation, we introduce a mathematical machinery based on partial differential equations very similar to the Maxwell's equations in electrostatic theory. We show that in order to minimize the cost, the routes should be found based on the solution of these partial differential equations. In our formulation, the sensors are sources of information, and they are similar to the positive charges in electrostatics, the destinations are sinks of information and they are similar to negative charges, and the network is similar to a non-homogeneous dielectric media with variable dielectric constant (or permittivity coefficient). In one of the applications of our mathematical model based on the vector fields, we offer a scheme for energy efficient routing. Our routing scheme is based on changing the permittivity coefficient to a higher value in the places of the network where nodes have high residual energy, and setting it to a low value in the places of the network where the nodes do not have much energy left. Our simulations show that our method gives a significant increase in the network life compared to the shortest path and weighted shortest path schemes. Our initial focus is on the case where there is only one destination in the network, and later we extend our approach to the case where there are multiple destinations in the network. In the case of having multiple destinations, we need to partition the network into several areas known as regions of attraction of the destinations. Each destination is responsible for collecting all messages being generated in its region of attraction. The complexity of the optimization problem in this case is how to define regions of attraction for the destinations and how much communication load to assign to each destination to optimize the performance of the network. We use our vector field model to solve the optimization problem for this case. We define a vector field, which is conservative, and hence it can be written as the gradient of a scalar field (also known as a potential field). Then we show that in the optimal assignment of the communication load of the network to the destinations, the value of that potential field should be equal at the locations of all the destinations. Another application of our vector field model is to find the optimal locations of the destinations in the network. We show that the vector field gives the gradient of the cost function with respect to the locations of the destinations. Based on this fact, we suggest an algorithm to be applied during the design phase of a network to relocate the destinations for reducing the communication cost function. The performance of our proposed schemes is confirmed by several examples and simulation experiments. In another part of this work we focus on the notions of responsiveness and conformance of TCP traffic in communication networks. We introduce the notion of responsiveness for TCP aggregates and define it as the degree to which a TCP aggregate reduces its sending rate to the network as a response to packet drops. We define metrics that describe the responsiveness of TCP aggregates, and suggest two methods for determining the values of these quantities. The first method is based on a test in which we drop a few packets from the aggregate intentionally and measure the resulting rate decrease of that aggregate. This kind of test is not robust to multiple simultaneous tests performed at different routers. We make the test robust to multiple simultaneous tests by using ideas from the CDMA approach to multiple access channels in communication theory. Based on this approach, we introduce tests of responsiveness for aggregates, and call it CDMA based Aggregate Perturbation Method (CAPM). We use CAPM to perform congestion control. A distinguishing feature of our congestion control scheme is that it maintains a degree of fairness among different aggregates. In the next step we modify CAPM to offer methods for estimating the proportion of an aggregate of TCP traffic that does not conform to protocol specifications, and hence may belong to a DDoS attack. Our methods work by intentionally perturbing the aggregate by dropping a very small number of packets from it and observing the response of the aggregate. We offer two methods for conformance testing. In the first method, we apply the perturbation tests to SYN packets being sent at the start of the TCP 3-way handshake, and we use the fact that the rate of ACK packets being exchanged in the handshake should follow the rate of perturbations. In the second method, we apply the perturbation tests to the TCP data packets and use the fact that the rate of retransmitted data packets should follow the rate of perturbations. In both methods, we use signature based perturbations, which means packet drops are performed with a rate given by a function of time. We use analogy of our problem with multiple access communication to find signatures. Specifically, we assign orthogonal CDMA based signatures to different routers in a distributed implementation of our methods. As a result of orthogonality, the performance does not degrade because of cross interference made by simultaneously testing routers. We have shown efficacy of our methods through mathematical analysis and extensive simulation experiments.

Approaching near-capacity on a multi-antenna channel using successive decoding and interference cancellation receivers

In this paper, we address the problem of designing multirate codes for a multiple-input and multiple-output (MIMO) system by restricting the receiver to be a successive decoding and interference cancellation type, when each of the antennas is encoded independently. Furthermore, it is assumed that the receiver knows the instantaneous fading channel states but the transmitter does not have access to them. It is well known that, in theory, minimum-mean-square error (MMSE) based successive decoding of multiple access (in multi-user communications) and MIMO channels achieves the total channel capacity. However, for this scheme to perform optimally, the optimal rates of each antenna (per-antenna rates) must be known at the transmitter. We show that the optimal per-antenna rates at the transmitter can be estimated using only the statistical characteristics of the MIMO channel in time-varying Rayleigh MIMO channel environments. Based on the results, multirate codes are designed using punctured turbo codes for a horizontal coded MIMO system. Simulation results show performances within about one to two dBs of MIMO channel capacity.

Photon collisions with atoms and ions within an intermediate-energy R-matrix framework

Recent experimental advances in light technology necessitate the availability of sophisticated theoretical models which can incorporate an accurate treatment of double-electron continua. We describe here a new intermediate-energy R-matrix approach to photoionisation and photo-double-ionisation and illustrate its feasibilty by application to photoionisation and photo-double-ionisation of He, and photodetachment and photo-double-detachment of H^-. Results are shown to be in excellent agreement with previous theoretical and experimental studies. This work is a key step in the development of a multipurpose R-matrix code for multiple-electron ejection. © 2012 American Physical Society

Detecção multiutilizador do domínio da frequência para sistemas DS-CDMA

Os Sinais de Espalhamento de Espectro de Sequência Directa exibem propriedades cicloestacionárias que implicam redundância entre componentes de frequência espaçadas por múltiplos da taxa de símbolo. Nesta tese, é apresentado um cancelador de interferência multiutilizador (Cancelador por translação na frequência - FSC) que tira partido desta propriedade. Este cancelador linear opera no domínio da frequência no sinal espalhado de tal forma que minimiza a interferência e ruído na saída (Critério do Mínimo Erro Quadrado Médio). Além de testado para o caso de antena única, são avaliadas as performances das configurações de antenas múltiplas para o caso de beamforming e canais espacialmente descorrelacionados considerando sistemas síncronos e sistemas com desalinhamento no tempo dos perfis de canais (ambos UMTS-TDD). Essas configurações divergiam na ordem da combinação temporal, combinação espacial e detecção multiutilizador. As configurações FSC foram avaliadas quando concatenadas com o PIC-2D. Os resultados das simulações mostram consideráveis melhorias nos resultados relativamente ao RAKE-2D convencional e PIC-2D. Foi atingida performance próximo ao RAKE de utilizador único quando o FSC foi avaliado concatenado com PIC-2D em quase todas as configurações. Todas as configurações foram avaliadas com modulação QPSK, 8-PSK e 16-QAM. Foi introduzida codificação Turbo e identificou-se as situações da vantagem de utilização do FSC antes do PIC-2D. As modulações 8-PSK e 16-QAM foram igualmente testadas com codificação.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Kollisionsverlust bei zeitgerastertem Vielfachzugriff

In Zeitmultiplex-Vielfachzugriff-(TDMA-)Durchschalte-Vermittlungsnetzen mit verteilter Steuerung können Kollisionen von Zugriffsvorgängen auftreten. Es wird unterstellt, daß die den kollidierenden Zugriffsvorgängen zugehörigen Verbindungswünsche nicht weiterbehandelt werden und deshalb wegen Kollision zu Verlust gehen. Die zugehörige Verlustwahrscheinlichkeit -genannt Kollisionsverlust BK - wird allgemein berechnet. Die numerische Auswertung zeigt, daß für Fernsprechverkehr diese - gegenüber Systemen mit konzentrierter Steuerung - zusätzlichen Kollisionsverluste vernachlässigt werden können gegenüber den üblichen Planungsverlusten wegen Abnehmermangels.

Zeitmultiplex-Durchschalte-Vermittlungsnetz mit Vielfachzugriff und leitungsgebundener Signalübertragung

Für ein baumförmiges Zeitmultiplex-Durchschalte-Vermittlungsnetz mit Vielfachzugriff wird ein neues Funktionsprinzip vorgestellt. Dessen wesentliches Merkmal ist der geringe Bandbreitenbedarf. Die in solchen Vermittlungsnetzen bei verteilter Steuerung durch Zugriffskonflikte auftretenden Verluste an Verbindungswünschen werden berechnet. Außerdem werden die Einsatzmöglichkeiten solcher Vermittlungsnetze sowie deren verkehrstheoretische Bemessung bei Internverkehr untersucht.

Ein elementares Modell für reinen Internverkehr zwischen endlich vielen Teilnehmern

Es wird der Fall des reinen Internverkehrs zwischen endlich vielen Teilnehmern bei voller Erreichbarkeit der Verbindungswege an einem einfachen Modell behandelt. Die Verkehrsgrößen werden berechnet. Der Verlust wird nach seinen verschiedenen möglichen Entstehungsursachen spezifiziert. Die entsprechenden Verlustwahrscheinlichkeiten werden exakt berechnet. Für die numerische Berechnung werden Rekursionsformeln abgeleitet. Unter den genannten Voraussetzungen sind die angegebenen Beziehungen auch für kleinste Teilnehmeranzahlen gültig. Ein aktueller Anwendungsfall liegt bei der Bemessung der Sprechkreisanzahl in einem Nachrichtensystem mit dezentraler Vermittlungstechnik und Vielfachzugriff zu den vorhandenen Sprechkreisen vor.

Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.

Análisis de las diferentes técnicas de acceso para los servicios de multimedia en los sistemas inalámbricos de tercera generación (3G)

Tesis (Maestro en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Telecomunicaciones) - Universidad Autónoma de Nuevo León, 2002

Concurrent Aggregates (CA): An Object-Oriented Language for Fine-Grained Message-Passing Machines

Fine-grained parallel machines have the potential for very high speed computation. To program massively-concurrent MIMD machines, programmers need tools for managing complexity. These tools should not restrict program concurrency. Concurrent Aggregates (CA) provides multiple-access data abstraction tools, Aggregates, which can be used to implement abstractions with virtually unlimited potential for concurrency. Such tools allow programmers to modularize programs without reducing concurrency. I describe the design, motivation, implementation and evaluation of Concurrent Aggregates. CA has been used to construct a number of application programs. Multi-access data abstractions are found to be useful in constructing highly concurrent programs.

Assignment on Modulation

Considers Sampling, Pulse Amplitude Modulation, Multiple Access, Quantisation, Pulse Coded Modulation, Manchester Line Coding, Amplitude Modulation, Double SideBand Suppressed Carrier Modulation, Quadrature Amplitude Modulation and M-ary Shift Keying.

Causas de no trombolisis en ataque cerebrovascular

Introducción. El ataque cerebrovascular (ACV) ocupa el primer lugar en frecuencia entre todas las enfermedades neurológicas de la vida adulta, y el tercer lugar como causa más frecuente de muerte. Se aprobó para el manejo agudo, la terapia con activador del plasminógeno tisular recombinante (t-PA) en las primeras 4,5 horas después del inicio de los síntomas, demostrando mayor sobrevida y menos niveles de discapacidad. Sin embargo solo el 5-10% de pacientes reciben este manejo. Por estas razones es necesario conocer que factores se asocian con la no intervención terapéutica. Objetivo. Describir los factores asociados con la no trombolisis en pacientes con ataque cerebrovascular en un hospital de IV nivel en Bogotá, Colombia. Métodos. Estudio analítico de corte transversal, en un centro de cuarto nivel en Bogotá entre enero de 2009 y enero de 2011. Resultados. Se encontraron 178 pacientes en un promedio de edad de 65,9 años (DE± 10 años) con una relación hombre-mujer 1:1, la principal causa de no trombolisis fue la ventana mayor a 4.5 horas, 33,7% (n=60), 26,4% por cambios en imágenes diagnosticas, y 14% por puntajes leves o severos en las escala National Institute of Health Stroke Scale (NIHSS), historia quirúrgica 7.3% y laboratorios 4.5%. El tiempo promedio de atención fue 23 minutos (DE ± 21 min) para la activación del código de ACV, 39 minutos para valoración por neurología (DE ± 25 min), 46 minutos (DE ± 19,1 min) para toma de paraclínicos, 66 minutos para toma de imágenes y 97 minutos para trombolisis (DE ± 21min, DE ± 17 min, respectivamente). Se realizó trombolisis en 17 pacientes, 9,6%. No se encontró asociación significativa entre cultura de organización con trombolisis ni de tiempos de atención con trombolisis. Conclusiones. La principal razón de no trombolisis, fue la ventana mayor a 4.5 horas, no se encontró relación entre cultura de organización institucional con trombolisis. El tiempo promedio de trombolisis fue de 90 minutos. Deben instaurarse medidas para reducir el tiempo de llegada al hospital, y los tiempos de atención en urgencias. Deben realizarse nuevas evaluaciones del código ACV posterior a las estrategias de mejoría.

Avaliação de riscos e desenvolvimento de equipamento anti-queda para acesso vertical a espaços confinados

Na fábrica da EPAL, em Vale da Pedra, o risco de queda em altura no acesso vertical a espaços confinados, foi avaliado como sendo aceitável mediante a adoção de medidas de controlo que não existiam, ou que não eram adequadas, ou ainda que não eram utilizadas. Para responder a este problema, foi concebido, desenvolvido e ensaiado um inovador dispositivo portátil anti-queda. Este previne a queda no acesso entre o pavimento e os primeiros degraus de aberturas verticais conducentes a espaços confinados. Além da função preventiva, também pode fazer parte da proteção anti-queda, como ponto de ancoragem dos equipamentos de proteção contra quedas. Os ensaios realizados revelaram que, em comparação com as alternativas pré-fabricadas disponíveis, esta solução é mais adequada para prevenir quedas, por se adaptar a múltiplas configurações de acesso, com um dispositivo relativamente leve, fácil de transportar e de aplicar, estável e resistente. / In EPAL factory in Vale da Pedra, the risk of falling from a height in the vertical access to confined spaces, was evaluated as being acceptable by the adoption of control measures that did not exist, or were not suitable, or were not used. To respond to this problem, an innovative portable anti-falling device was designed, developed and tested. This prevents falling in access between the ground and the first steps of vertical openings leading to confined spaces. In addition to the preventive function, it can also be part of the fall-arrest protection, as anchor point of fall protection equipment. The tests revealed that, in comparison with the prefabricated alternatives available, this solution is best suited to prevent falls, due to its adaptability to multiple access settings, with a relatively light device, easy to carry and to use, stable and resistant.

Blind channel estimation for multi-rate multicarrier DS/CDMA communications

Multi-rate multicarrier DS/CDMA is a potentially attractive multiple access method for future wireless communications networks that must support multimedia, and thus multi-rate, traffic. Several receiver structures exist for single-rate multicarrier systems, but little has been reported on multi-rate multicarrier systems. Considering that high-performance detection such as coherent demodulation needs the explicit knowledge of the channel, based on the finite-length chip waveform truncation, this paper proposes a subspace-based scheme for timing and channel estimation in multi-rate multicarrier DS/CDMA systems, which is applicable to both multicode and variable spreading factor systems. The performance of the proposed scheme for these two multi-rate systems is validated via numerical simulations. The effects of the finite-length chip waveform truncation on the performance of the proposed scheme is also analyzed theoretically.