Analysis of key predistribution schemes in wireless sensor networks

Combinatorial designs are used for designing key predistribution schemes that are applied to wireless sensor networks in communications. This helps in building a secure channel. Private-key cryptography helps to determine a common key between a pair of nodes in sensor networks. Wireless sensor networks using key predistribution schemes have many useful applications in military and civil operations. When designs are efficiently implemented on sensor networks, blocks with unique keys will be the result. One such implementation is a transversal design which follows the principle of simple key establishment. Analysis of designs and modeling the key schemes are the subjects of this project.

Cooperative routing for collision minimization in wireless sensor networks

Cooperative communication has gained much interest due to its ability to exploit the broadcasting nature of the wireless medium to mitigate multipath fading. There has been considerable amount of research on how cooperative transmission can improve the performance of the network by focusing on the physical layer issues. During the past few years, the researchers have started to take into consideration cooperative transmission in routing and there has been a growing interest in designing and evaluating cooperative routing protocols. Most of the existing cooperative routing algorithms are designed to reduce the energy consumption; however, packet collision minimization using cooperative routing has not been addressed yet. This dissertation presents an optimization framework to minimize collision probability using cooperative routing in wireless sensor networks. More specifically, we develop a mathematical model and formulate the problem as a large-scale Mixed Integer Non-Linear Programming problem. We also propose a solution based on the branch and bound algorithm augmented with reducing the search space (branch and bound space reduction). The proposed strategy builds up the optimal routes from each source to the sink node by providing the best set of hops in each route, the best set of relays, and the optimal power allocation for the cooperative transmission links. To reduce the computational complexity, we propose two near optimal cooperative routing algorithms. In the first near optimal algorithm, we solve the problem by decoupling the optimal power allocation scheme from optimal route selection. Therefore, the problem is formulated by an Integer Non-Linear Programming, which is solved using a branch and bound space reduced method. In the second near optimal algorithm, the cooperative routing problem is solved by decoupling the transmission power and the relay node se- lection from the route selection. After solving the routing problems, the power allocation is applied in the selected route. Simulation results show the algorithms can significantly reduce the collision probability compared with existing cooperative routing schemes.

Sensor Intelligence for Tackling Energy-Drain Attacks on Wireless Sensor Networks

In this paper we propose a model for intelligent agents (sensors) on a Wireless Sensor Network to guard against energy-drain attacks in an energy-efficient and autonomous manner. This is intended to be achieved via an energy-harvested Wireless Sensor Network using a novel architecture to propagate knowledge to other sensors based on automated reasoning from an attacked sensor.

A Survey on Mobile Anchor Node Assisted Localization in Wireless Sensor Networks

Localization is one of the key technologies in Wireless Sensor Networks (WSNs), since it provides fundamental support for many location-aware protocols and applications. Constraints on cost and power consumption make it infeasible to equip each sensor node in the network with a Global Position System (GPS) unit, especially for large-scale WSNs. A promising method to localize unknown nodes is to use mobile anchor nodes (MANs), which are equipped with GPS units moving among unknown nodes and periodically broadcasting their current locations to help nearby unknown nodes with localization. A considerable body of research has addressed the Mobile Anchor Node Assisted Localization (MANAL) problem. However to the best of our knowledge, no updated surveys on MAAL reflecting recent advances in the field have been presented in the past few years. This survey presents a review of the most successful MANAL algorithms, focusing on the achievements made in the past decade, and aims to become a starting point for researchers who are initiating their endeavors in MANAL research field. In addition, we seek to present a comprehensive review of the recent breakthroughs in the field, providing links to the most interesting and successful advances in this research field.

Dynamic Resource Allocation in Wireless Heterogeneous Networks

Deployment of low power basestations within cellular networks can potentially increase both capacity and coverage. However, such deployments require efficient resource allocation schemes for managing interference from the low power and macro basestations that are located within each other’s transmission range. In this dissertation, we propose novel and efficient dynamic resource allocation algorithms in the frequency, time and space domains. We show that the proposed algorithms perform better than the current state-of-art resource management algorithms. In the first part of the dissertation, we propose an interference management solution in the frequency domain. We introduce a distributed frequency allocation scheme that shares frequencies between macro and low power pico basestations, and guarantees a minimum average throughput to users. The scheme seeks to minimize the total number of frequencies needed to honor the minimum throughput requirements. We evaluate our scheme using detailed simulations and show that it performs on par with the centralized optimum allocation. Moreover, our proposed scheme outperforms a static frequency reuse scheme and the centralized optimal partitioning between the macro and picos. In the second part of the dissertation, we propose a time domain solution to the interference problem. We consider the problem of maximizing the alpha-fairness utility over heterogeneous wireless networks (HetNets) by jointly optimizing user association, wherein each user is associated to any one transmission point (TP) in the network, and activation fractions of all TPs. Activation fraction of a TP is the fraction of the frame duration for which it is active, and together these fractions influence the interference seen in the network. To address this joint optimization problem which we show is NP-hard, we propose an alternating optimization based approach wherein the activation fractions and the user association are optimized in an alternating manner. The subproblem of determining the optimal activation fractions is solved using a provably convergent auxiliary function method. On the other hand, the subproblem of determining the user association is solved via a simple combinatorial algorithm. Meaningful performance guarantees are derived in either case. Simulation results over a practical HetNet topology reveal the superior performance of the proposed algorithms and underscore the significant benefits of the joint optimization. In the final part of the dissertation, we propose a space domain solution to the interference problem. We consider the problem of maximizing system utility by optimizing over the set of user and TP pairs in each subframe, where each user can be served by multiple TPs. To address this optimization problem which is NP-hard, we propose a solution scheme based on difference of submodular function optimization approach. We evaluate our scheme using detailed simulations and show that it performs on par with a much more computationally demanding difference of convex function optimization scheme. Moreover, the proposed scheme performs within a reasonable percentage of the optimal solution. We further demonstrate the advantage of the proposed scheme by studying its performance with variation in different network topology parameters.

JOINT ENERGY BEAMFORMING AND TIME ASSIGNMENT FOR COOPERATIVE WIRELESS POWERED NETWORKS

Wireless power transfer (WPT) and radio frequency (RF)-based energy har- vesting arouses a new wireless network paradigm termed as wireless powered com- munication network (WPCN), where some energy-constrained nodes are enabled to harvest energy from the RF signals transferred by other energy-sufficient nodes to support the communication operations in the network, which brings a promising approach for future energy-constrained wireless network design. In this paper, we focus on the optimal WPCN design. We consider a net- work composed of two communication groups, where the first group has sufficient power supply but no available bandwidth, and the second group has licensed band- width but very limited power to perform required information transmission. For such a system, we introduce the power and bandwidth cooperation between the two groups so that both group can accomplish their expected information delivering tasks. Multiple antennas are employed at the hybrid access point (H-AP) to en- hance both energy and information transfer efficiency and the cooperative relaying is employed to help the power-limited group to enhance its information transmission throughput. Compared with existing works, cooperative relaying, time assignment, power allocation, and energy beamforming are jointly designed in a single system. Firstly, we propose a cooperative transmission protocol for the considered system, where group 1 transmits some power to group 2 to help group 2 with information transmission and then group 2 gives some bandwidth to group 1 in return. Sec- ondly, to explore the information transmission performance limit of the system, we formulate two optimization problems to maximize the system weighted sum rate by jointly optimizing the time assignment, power allocation, and energy beamforming under two different power constraints, i.e., the fixed power constraint and the aver- age power constraint, respectively. In order to make the cooperation between the two groups meaningful and guarantee the quality of service (QoS) requirements of both groups, the minimal required data rates of the two groups are considered as constraints for the optimal system design. As both problems are non-convex and have no known solutions, we solve it by using proper variable substitutions and the semi-definite relaxation (SDR). We theoretically prove that our proposed solution method can guarantee to find the global optimal solution. Thirdly, consider that the WPCN has promising application potentials in future energy-constrained net- works, e.g., wireless sensor network (WSN), wireless body area network (WBAN) and Internet of Things (IoT), where the power consumption is very critical. We investigate the minimal power consumption optimal design for the considered co- operation WPCN. For this, we formulate an optimization problem to minimize the total consumed power by jointly optimizing the time assignment, power allocation, and energy beamforming under required data rate constraints. As the problem is also non-convex and has no known solutions, we solve it by using some variable substitutions and the SDR method. We also theoretically prove that our proposed solution method for the minimal power consumption design guarantees the global optimal solution. Extensive experimental results are provided to discuss the system performance behaviors, which provide some useful insights for future WPCN design. It shows that the average power constrained system achieves higher weighted sum rate than the fixed power constrained system. Besides, it also shows that in such a WPCN, relay should be placed closer to the multi-antenna H-AP to achieve higher weighted sum rate and consume lower total power.

Trajectory Privacy Preservation in Mobile Wireless Sensor Networks

In recent years, there has been an enormous growth of location-aware devices, such as GPS embedded cell phones, mobile sensors and radio-frequency identification tags. The age of combining sensing, processing and communication in one device, gives rise to a vast number of applications leading to endless possibilities and a realization of mobile Wireless Sensor Network (mWSN) applications. As computing, sensing and communication become more ubiquitous, trajectory privacy becomes a critical piece of information and an important factor for commercial success. While on the move, sensor nodes continuously transmit data streams of sensed values and spatiotemporal information, known as ``trajectory information". If adversaries can intercept this information, they can monitor the trajectory path and capture the location of the source node. This research stems from the recognition that the wide applicability of mWSNs will remain elusive unless a trajectory privacy preservation mechanism is developed. The outcome seeks to lay a firm foundation in the field of trajectory privacy preservation in mWSNs against external and internal trajectory privacy attacks. First, to prevent external attacks, we particularly investigated a context-based trajectory privacy-aware routing protocol to prevent the eavesdropping attack. Traditional shortest-path oriented routing algorithms give adversaries the possibility to locate the target node in a certain area. We designed the novel privacy-aware routing phase and utilized the trajectory dissimilarity between mobile nodes to mislead adversaries about the location where the message started its journey. Second, to detect internal attacks, we developed a software-based attestation solution to detect compromised nodes. We created the dynamic attestation node chain among neighboring nodes to examine the memory checksum of suspicious nodes. The computation time for memory traversal had been improved compared to the previous work. Finally, we revisited the trust issue in trajectory privacy preservation mechanism designs. We used Bayesian game theory to model and analyze cooperative, selfish and malicious nodes' behaviors in trajectory privacy preservation activities.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Métriques de routage dans les réseaux maillés sans fil

Ces dernières années, les technologies sans fil ont connu un essor fulgurant. Elles ont permis la mise en place de réseaux sans fil à hautes performances. Les réseaux maillées sans fil (RMSF) sont une nouvelle génération de réseaux sans fil qui offrent des débits élevés par rapport aux réseaux Wi-Fi (Wireless Fidelity) classiques et aux réseaux ad-hoc. Ils présentent de nombreux avantages telles que leur forte tolérance aux pannes, leur robustesse, leur faible coût etc. Les routeurs des RMSF peuvent disposer de plusieurs interfaces radio et chaque interface peut opérer sur plusieurs canaux distincts, c’est des RMSF multiples-radios, multiples-canaux. Ce type de réseau peut accroître de manière considérable les performances des RMSF. Cependant plusieurs problèmes subsistent et doivent être résolus notamment celui du routage. Le routage dans les RMSF demeure un défi majeur. Le but des protocoles de routage est de trouver les meilleures routes i.e. des routes qui maximisent les débits et minimisent les délais, lors de l’acheminement du trafic. La qualité des routes dans les RMSF peut être fortement affectée par les interférences, les collisions, les congestions etc. Alors les protocoles doivent être en mesure de détecter ces problèmes pour pouvoir en tenir compte lors de la sélection des routes. Plusieurs études ont été dédiées aux métriques et aux protocoles de routage dans les RMSF afin de maximiser les performances de celles ci. Mais la plupart ne prennent pas en considération toutes les contraintes telles que les interférences, le problème des stations cachées etc. Ce mémoire propose une nouvelle métrique de routage pour RMSF. Nous avons mis en place une nouvelle métrique de routage pour RMSF appelée MBP (Metric Based on Probabilities). Cette métrique est destinée aux RMSF mono-radio ou multiples-radios. Elle permet d’éviter les routes à forte ii interférence. Les résultats des simulations ont montré que MBP présente des améliorations par rapport à certaines métriques : ETT, WCETT et iAWARE qui sont connues dans le domaine.

Le support de VoIP dans les réseaux maillés sans fil WiMAX en utilisant une approche de contrôle et d'assistance au niveau MAC

Les réseaux maillés sans fil (RMSF), grâce à leurs caractéristiques avantageuses, sont considérés comme une solution efficace pour le support des services de voix, vidéo et de données dans les réseaux de prochaine génération. Le standard IEEE 802.16-d a spécifié pour les RMSF, à travers son mode maillé, deux mécanismes de planifications de transmission de données; à savoir la planification centralisée et la planification distribuée. Dans ce travail, on a évalué le support de la qualité de service (QdS) du standard en se focalisant sur la planification distribuée. Les problèmes du système dans le support du trafic de voix ont été identifiés. Pour résoudre ces problèmes, on a proposé un protocole pour le support de VoIP (AVSP) en tant qu’extension au standard original pour permettre le support de QdS au VoIP. Nos résultats préliminaires de simulation montrent qu’AVSP offre une bonne amélioration au support de VoIP.

Routage adaptatif et stabilité dans les réseaux maillés sans fil

Grâce à leur flexibilité et à leur facilité d’installation, les réseaux maillés sans fil (WMNs) permettent un déploiement d’une infrastructure à faible coût. Ces réseaux étendent la couverture des réseaux filaires permettant, ainsi, une connexion n’importe quand et n’importe où. Toutefois, leur performance est dégradée par les interférences et la congestion. Ces derniers causent des pertes de paquets et une augmentation du délai de transmission d’une façon drastique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et à la stabilité dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la conception d’une métrique de routage et à la sélection des passerelles permettant d’améliorer la performance des WMNs. Dans ce contexte nous proposons un protocole de routage à la source basé sur une nouvelle métrique. Cette métrique permet non seulement de capturer certaines caractéristiques des liens tels que les interférences inter-flux et intra-flux, le taux de perte des paquets mais également la surcharge des passerelles. Les résultats numériques montrent que la performance de cette métrique est meilleure que celle des solutions proposées dans la littérature. Dans une deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à certaines zones critiques dans les WMNs. Ces zones se trouvent autour des passerelles qui connaissent une concentration plus élevé du trafic ; elles risquent de provoquer des interférences et des congestions. À cet égard, nous proposons un protocole de routage proactif et adaptatif basé sur l’apprentissage par renforcement et qui pénalise les liens de mauvaise qualité lorsqu’on s’approche des passerelles. Un chemin dont la qualité des liens autour d’une passerelle est meilleure sera plus favorisé que les autres chemins de moindre qualité. Nous utilisons l’algorithme de Q-learning pour mettre à jour dynamiquement les coûts des chemins, sélectionner les prochains nœuds pour faire suivre les paquets vers les passerelles choisies et explorer d’autres nœuds voisins. Les résultats numériques montrent que notre protocole distribué, présente de meilleurs résultats comparativement aux protocoles présentés dans la littérature. Dans une troisième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d’instabilité des réseaux maillés sans fil. En effet, l’instabilité se produit à cause des changements fréquents des routes qui sont causés par les variations instantanées des qualités des liens dues à la présence des interférences et de la congestion. Ainsi, après une analyse de l’instabilité, nous proposons d’utiliser le nombre de variations des chemins dans une table de routage comme indicateur de perturbation des réseaux et nous utilisons la fonction d’entropie, connue dans les mesures de l’incertitude et du désordre des systèmes, pour sélectionner les routes stables. Les résultats numériques montrent de meilleures performances de notre protocole en comparaison avec d’autres protocoles dans la littérature en termes de débit, délai, taux de perte des paquets et l’indice de Gini.

AIGA: um ambiente integrado de gerência para redes em malha sem fio IEEE 802.11s

A Wireless Mesh Network (WMN - Wireless Mesh Network) IEEE 802.11s standard to become operational it is necessary to configure the parameters that meet the demands of its users, as regards, for example, the frequency channels, the power antennas, IPs addresses, meshID, topology, among others. This configuration can be done via a CLI (Command - Line Interface) or a remote interface provided by the equipment manufacturer, both are not standardized and homogeneous, like black boxes for the developers, a factor that hinders its operation and standardization. The WMN, as a new standard, is still in the testing phase, and tests are necessary to evaluate the performance of Path Discovery Protocol, as in this case of HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), which still has many shortcomings. The configuration and test creation in a WMN are not trivial and require a large workload. For these reasons this work presents the AIGA, a Management Integrated Environment for WMN IEEE 802.11s, which aims to manage and perform testbeds for analyzes of new Path Discovery Protocols in a WMN