Estudi del desenvolupament i situació reglamentària de la ràdio cognitiva

Este proyecto estudia la tecnología Radio Cognitiva. El concepto clave de esta tecnología es que permite a usuarios sin licencia compartir el espectro radioeléctrico de forma oportunista con los usuarios con licencia. Para empezar, se analizarán las características principales, su funcionamiento y como coexisten con los usuarios principales. Más adelante, se explicaran los métodos que se usan para la gestión del espectro radioeléctrico y las actividades de estandarización para la implementación de las redes de radio cognitiva. Por último, se analizara la posibilidad de la implementación de esta tecnología en España, analizando las ventajas e inconvenientes de inicializar un mercado secundario del espectro radioeléctrico.

Fully Distributed Cooperative Spectrum Sensing for Cognitive Radio Networks

Cognitive radio networks (CRN) sense spectrum occupancy and manage themselves to operate in unused bands without disturbing licensed users. The detection capability of a radio system can be enhanced if the sensing process is performed jointly by a group of nodes so that the effects of wireless fading and shadowing can be minimized. However, taking a collaborative approach poses new security threats to the system as nodes can report false sensing data to force a wrong decision. Providing security to the sensing process is also complex, as it usually involves introducing limitations to the CRN applications. The most common limitation is the need for a static trusted node that is able to authenticate and merge the reports of all CRN nodes. This paper overcomes this limitation by presenting a protocol that is suitable for fully distributed scenarios, where there is no static trusted node.

A Secure and Anonymous Cooperative Sensing Protocol for Cognitive Radio Networks

Spectrum is an essential resource for the provision of mobile services. In order to control and delimit its use, governmental agencies set up regulatory policies. Unfortunately, such policies have led to a deficiency of spectrum as only few frequency bands are left unlicensed, and these are used for the majority of new emerging wireless applications. One promising way to alleviate the spectrum shortage problem is adopting a spectrum sharing paradigm in which frequency bands are used opportunistically. Cognitive radio is the key technology to enable this shift of paradigm.Cognitive radio networks are self-organized systems in which devices cooperate to use those spectrum ranges that are not occupied by licensed users. They carry out spectrum sensing in order to detect vacant channels that can be used for communication. Even though spectrum sensing is an active area of research, an important issue remains unsolved: the secure authentication of sensing reports. Not providing security enables the input of false data in the system thus empowering false results. This paper presents a distributed protocol based on wireless physical layer security, symmetric cryptography and one-way functions that allows determining a final sensing decision from multiple sources in a quick and secure way, as well as it preserves users¿ privacy.

Spectrum Sharing Models in Cognitive Radio

Spectrum scarcity demands thinking new ways tomanage the distribution of radio frequency bands so that its use is more effective. The emerging technology that can enable this paradigm shift is the cognitive radio. Different models fororganizing and managing cognitive radios have emerged, all with specific strategic purposes. In this article we review the allocation spectrum patterns of cognitive radio networks andanalyse which are the common basis of each model.We expose the vulnerabilities and open challenges that still threaten the adoptionand exploitation of cognitive radios for open civil networks.

A Secure Cooperative Sensing Protocol for Cognitive Radio Networks

Cognitive radio networks sense spectrum occupancyand manage themselves to operate in unused bands without disturbing licensed users. Spectrum sensing is more accurate if jointly performed by several reliable nodes. Even though cooperative sensing is an active area of research, the secureauthentication of local sensing reports remains unsolved, thus empowering false results. This paper presents a distributed protocol based on digital signatures and hash functions, and ananalysis of its security features. The system allows determining a final sensing decision from multiple sources in a quick and secure way.

Review of Robust Cooperative Spectrum Sensing Techniques for Cognitive Radio Networks

Cognitive radio networks sense spectrum occupancy and manage themselvesto operate in unused bands without disturbing licensed users. The detection capability of aradio system can be enhanced if the sensing process is performed jointly by a group of nodesso that the effects of wireless fading and shadowing can be minimized. However, taking acollaborative approach poses new security threats to the system as nodes can report falsesensing data to reach a wrong decision. This paper makes a review of secure cooperativespectrum sensing in cognitive radio networks. The main objective of these protocols is toprovide an accurate resolution about the availability of some spectrum channels, ensuring thecontribution from incapable users as well as malicious ones is discarded. Issues, advantagesand disadvantages of such protocols are investigated and summarized.

Cognitive radio in sistemi di comunicazione satellitari

La tesi descrive alcune applicazioni in ambito satellitare delle tecniche di radio cognitiva. In particolare si analizza la loro possibile implementazione in uno scenario dual-satellite in banda Ka nel quale l'utente primario si avvale dello standard DVB-S2 per la trasmissione. A seguire la verifica delle performance degli algoritmi di spectum sensing per la detection del segnale primario attraverso simulazioni in ambiente matlab con curve ROC e curve di probabilità di detection in funzione del rapporto segnale rumore.

Improvement of a fully distributed decision making protocol for CRN

Abstract¿La deteción del espectro libre para las comunicaciones inalámbricas en un momento puntual es una tarea compleja cuyo desarrollo se simplica al realizarse de forma distribuida por una red de radio cognitiva. Sin embargo existes dificultades y vulnerabilidades de seguridad que han de ser tenidas en cuenta y solventadas a la hora de autenticar y validar los nodos de la red. Este artículo presenta una propuesta de mejora del protocolo fully distributed decision making protocol for CRN con el fin de llevar a cabo esta tarea de detección del espectro de una manera eficiente y segura.

Improvement of a fully distributed decision making protocol for CRN

Este artículo presenta una propuesta de mejora del protocolo fully distributed decision making protocol for CRN con el fin de llevar a cabo la tarea de detección del espectro libre para las comunicaciones inalámbricas de una manera eficiente y segura.

Detección Robusta por Grupos de Señales Primarias

La radio cognitiva es una tecnología inalámbrica propuesta para usar eficientemente los recursos del espectro radioeléctrico permitiendo así reducir la carga existente en las bandas de frecuencia de uso libre.Las redes de radio cognitiva son capaces de escanear el espectro y adaptar sus parámetros para operar en las bandas no ocupadas. Para evitar interferir con usuarios con licencia que operan en un determinado canal, la sensibilidad de las redes tiene que ser muy alta. Ello se consigue con métodos de detección cooperativos. Los métodos de detección cooperativa actuales tienen una carencia de robustez ya sea frente a ataques puntuales o continuos.En este artículo presentamos un método de fusión por grupos que tiene presente el comportamiento de los usuarios a corto y largo plazo. Al realizar la fusión de los datos, el método se basa en dar mayor peso a los grupos de usuarios con mayor unanimidad en sus decisiones.Los resultados de las simulaciones prueban que en presencia de atacantes el método de fusión por grupos propuesto consigue una detección superior a otros métodos, cumpliendo los requisitos de sensibilidad mínimos de las redes de radio cognitiva incluso con un 12 de usuarios reiteradamente maliciosos o un 10 de atacantes puntuales.

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.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

El proyecto de radio en Educación de Adultos.

En el Centro Educativo Santa Elena de Buenos Aires se desarrolla, desde hace cinco años, el proyecto de Radio como instrumento integrador de experiencias entre los conocimientos previos del grupo y los contenidos curriculares, apuntando a una práctica enriquecedora de lectura y escritura. Esta experiencia relaciona los medios de comunicación y la alfabetización de adultos como promotores de procesos educativos y circuitos de producción cognitiva. Se presentan las diferentes etapas del proyecto: la elección del tema, la búsqueda de datos, el tratamiento de la información, la producción de rimas y coplas, entrevistas y reportajes, el establecimiento del guión, la elección de voces y el rol del delegado y, por último el proceso de musicalizar y compaginar. Se aportan también algunos datos sobre el día que se puso en marcha y las conclusiones que se derivaron de él.

Sintonizando emoções : o futebol e o radio : uma viagem nas ondas da midia radiofonica

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física