Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

Wireless Sensor Networks for Monitoring Applications

Wireless Sensor Networks (WSNs) are getting wide-spread attention since they became easily accessible with their low costs. One of the key elements of WSNs is distributed sensing. When the precise location of a signal of interest is unknown across the monitored region, distributing many sensors randomly/uniformly may yield with a better representation of the monitored random process than a traditional sensor deployment. In a typical WSN application the data sensed by nodes is usually sent to one (or more) central device, denoted as sink, which collects the information and can either act as a gateway towards other networks (e.g. Internet), where data can be stored, or be processed in order to command the actuators to perform special tasks. In such a scenario, a dense sensor deployment may create bottlenecks when many nodes competing to access the channel. Even though there are mitigation methods on the channel access, concurrent (parallel) transmissions may occur. In this study, always on the scope of monitoring applications, the involved development progress of two industrial projects with dense sensor deployments (eDIANA Project funded by European Commission and Centrale Adritica Project funded by Coop Italy) and the measurement results coming from several different test-beds evoked the necessity of a mathematical analysis on concurrent transmissions. To the best of our knowledge, in the literature there is no mathematical analysis of concurrent transmission in 2.4 GHz PHY of IEEE 802.15.4. In the thesis, experience stories of eDIANA and Centrale Adriatica Projects and a mathematical analysis of concurrent transmissions starting from O-QPSK chip demodulation to the packet reception rate with several different types of theoretical demodulators, are presented. There is a very good agreement between the measurements so far in the literature and the mathematical analysis.

Progetto di un sistema wireless a microcontrollore per il monitoraggio di consumi elettrici

L’obiettivo che questo elaborato si pone è la realizzazione di un prototipo di smart meter distribuito che, in modalità Near-Real-Time, acquisisca ed invii ad un database remoto i consumi relativi ad ogni singolo carico elettrico presente in una abitazione.

Cooperative Wireless Systems

This Ph.D. dissertation reports on the work performed at the Wireless Communication Laboratory - University of Bologna and National Research Council - as well as, for six months, at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuit (IIS) in Nürnberg. The work of this thesis is in the area of wireless communications, especially with regards to cooperative communications aspects in narrow-band and ultra-wideband systems, cooperative links characterization, network geometry, power allocation techniques,and synchronization between nodes. The underpinning of this work is devoted to developing a general framework for design and analysis of wireless cooperative communication systems, which depends on propagation environment, transmission technique, diversity method, power allocation for various scenarios and relay positions. The optimal power allocation for minimizing the bit error probability at the destination is derived. In addition, a syncronization algorithm for master-slave communications is proposed with the aim of jointly compensate the clock drift and offset of wireless nodes composing the network.

Wireless Networks for Body-Centric Communications

Progress in miniaturization of electronic components and design of wireless systems paved the way towards ubiquitous and pervasive communications, enabling anywhere and anytime connectivity. Wireless devices present on, inside, around the human body are becoming commonly used, leading to the class of body-centric communications. The presence of the body with all its peculiar characteristics has to be properly taken into account in the development and design of wireless networks in this context. This thesis addresses various aspects of body-centric communications, with the aim of investigating network performance achievable in different scenarios. The main original contributions pertain to the performance evaluation for Wireless Body Area Networks (WBANs) at the Medium Access Control layer: the application of Link Adaptation to these networks is proposed, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance algorithms used for WBAN are extensively investigated, coexistence with other wireless systems is examined. Then, an analytical model for interference in wireless access network is developed, which can be applied to the study of communication between devices located on humans and fixed nodes of an external infrastructure. Finally, results on experimental activities regarding the investigation of human mobility and sociality are presented.

Context-aware wireless networks

This thesis investigates context-aware wireless networks, capable to adapt their behavior to the context and the application, thanks to the ability of combining communication, sensing and localization. Problems of signals demodulation, parameters estimation and localization are addressed exploiting analytical methods, simulations and experimentation, for the derivation of the fundamental limits, the performance characterization of the proposed schemes and the experimental validation. Ultrawide-bandwidth (UWB) signals are in certain cases considered and non-coherent receivers, allowing the exploitation of the multipath channel diversity without adopting complex architectures, investigated. Closed-form expressions for the achievable bit error probability of novel proposed architectures are derived. The problem of time delay estimation (TDE), enabling network localization thanks to ranging measurement, is addressed from a theoretical point of view. New fundamental bounds on TDE are derived in the case the received signal is partially known or unknown at receiver side, as often occurs due to propagation or due to the adoption of low-complexity estimators. Practical estimators, such as energy-based estimators, are revised and their performance compared with the new bounds. The localization issue is addressed with experimentation for the characterization of cooperative networks. Practical algorithms able to improve the accuracy in non-line-of-sight (NLOS) channel conditions are evaluated on measured data. With the purpose of enhancing the localization coverage in NLOS conditions, non-regenerative relaying techniques for localization are introduced and ad hoc position estimators are devised. An example of context-aware network is given with the study of the UWB-RFID system for detecting and locating semi-passive tags. In particular a deep investigation involving low-complexity receivers capable to deal with problems of multi-tag interference, synchronization mismatches and clock drift is presented. Finally, theoretical bounds on the localization accuracy of this and others passive localization networks (e.g., radar) are derived, also accounting for different configurations such as in monostatic and multistatic networks.

Misure sperimentali su sistemi wireless per la localizzazione indoor

Tesi sperimentale, basata sulla configurazione di un sistema wireless per la localizzazione indoor e l'uso di esso per fare misure.

Valutazione di tecniche di copertura per futuri sistemi wireless indoor

Si è scelto di analizzare in modo approfondito tecniche di copertura radio e di trasmissione basate sull’uso di array di antenne ( facenti parte della famiglia Multiple Input Multiple Output, MIMO) in alcune tipologie tipiche di scenari indoor, come ad esempio ambienti commerciali o uffici in strutture multipiano. Si è studiato l’utilizzo di array di antenne di varie tipologie e a varie frequenze per implementare tecniche di diversità oppure tecniche a divisione di spazio (beam-switching, beamforming) per servire contemporaneamente utenti in diverse celle o in diversi settori senza ricorrere ad altre tecniche di divisione (di frequenza, tempo o codice), che invece verranno utilizzate in conbinazione combinate in sistemi di futura generazione.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low–power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis’ research. A brief description of the chapters’ content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front–end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co–simulation based on the Reciprocity Theorem, the above–mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto–Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on–body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low–energy consumption devices. Hence the problem related to the so–called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene–based technology for detection/rectification purposes.

Studio di geometrie di antenne su pcb per trasmissione wireless ultra-wideband

La presente tesi tratta la progettazione e la simulazione via software di geometrie di antenne da realizzare direttamente su Printed Circuit Board (PCB) per schede di trasmissione dati wireless Ultra Wide Band. L’obiettivo principale di questo studio è la realizzazione di un prototipo per impieghi biomedici umani (ad esempio trasmissione di dati provenienti da un ECG). Lo scopo del lavoro svolto è quello di trovare la miglior soluzione di integrazione per un’antenna il più possibile compatta da realizzare poi direttamente sul substrato dove verrà stampato il circuito del trasmettitore stesso. L’antenna verrà quindi realizzata esclusivamente attraverso microstrisce conduttrici (le medesime che formeranno i collegamenti tra i vari componenti del circuito) prendendo in considerazione le grandezze parassite di ogni conduttore, quali resistenza, induttanza, capacità ecc. In conclusione, il circuito di trasmissione wireless completo di antenna sopra descritto è attualmente in fase di realizzazione e nel prossimo futuro verrà testato in laboratorio.

Una rassegna delle tecnologie di rete wireless WRAN IEEE 802.22 e mobile WiMAX IEEE 802.16e

Lo scopo di questa tesi è quello di illustrare gli standard IEEE 802.22 WRAN e IEEE 802.16e Mobile WiMAX. Di questi standard verranno analizzate le caratteristiche principali, i metodi di funzoinamento ed alcuni protocolli. Nel primo capitolo viene fatta una breve spiegazione delle tecnologie wireless con un focus sullo spettro radio, sulle tecniche di modulazione dell’onda radio, sugli scenari operativi LOS, nLOS ed NLOS, sulle tecniche di duplexing e le tecniche di accesos multiplo, inoltre vengono brevente illustrate alcune delle problematiche che affliggono le trasmissioni senza fili ed infine vengono illustrate i quattro più comuni livelli di QoS. Nel secondo capitolo viene illustrato lo standard IEEE 802.22 con un focus sullo stato dell’arte della tecnologia WRAN, come si è sviluppato lo standard e per quali motivi è stato redatto, lo spettro di frequeza utilizzato e come, il funzionamento delle Cognitive Radio, i dispositivi che caratterizzano le reti WRAN e la topologia di rete utilizzata. In seguito sono spiegati nello specifico i livelli fisico e MAC e le loro caratteristiche e metodi di funzionamento. Nel terzo capitolo vengono illustrate le caratteristiche dello standard IEEE 802.16e cercando di riprendere gli stessi punti toccati nel capitolo precedente con una caratterizzazione dello standard nei suoi particolari.

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per applicazioni di energy harvesting

Progetto di un nodo wireless, alimentato attraverso l'Energy Harvesting, in grado di misurare la temperatura ambiente ed inviarla ad un sistema ricevente che la visualizzerà su uno schermo LCD.

Comunicazioni wireless ieee 802.15.4 in sistemi a microcontrollore

Studio e realizzazione di una rete wireless di microcontrollori dotati di sensori, che comunicano mediante protocollo ZigBee (basato sul protocollo IEEE 802.15.4).