1d3 v2 presen1d3 coloqui nal de codigoscriptografia y areasrelacionadas

10o. Coloquio Nacional de Códigos, 10o. Coloquio Nacional de Códigos, Criptografía y Áreas RelacionadasCriptografía y Áreas Relacionadas

“Aplicaciones de telecomunicaciones con códigos para espectro expandido y

seguridad criptográfica”

Mini-cursos - día 1

Universidad Autónoma Metropolitana – IztapalapaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Área de redes y Telecomunicaciones

Dr. Enrique Rodríguez de la [email protected]

septiembre 2013 .

1

Índice� Día 1: Introducción

� Contexto Radios Cognitivos� Detección, decisión, cooperación, movilidad

� Redes de Telecomunicaciones (fundamentos)

� El uso de la codificación en las comunicaciones digitales

� Dia 2: Modulación y espectro expandido (spread

spectrum SS)

� Secuencia Directa (Direct Sequence -SS DS)

� Salto de Frecuencia (Frequency Hopping SS FH)

� Día 3: Fundamentos de seguridad informática� Anti- Jamming (DoS)

� Llaves para cifrado aplicada a espectro expandido

� Redes de Radios Cognitivos y trabajo futuro

2

Contexto• Gran diversidad de los sistemas de Telecomunicaciones

3

• Formas diversas para establecer la comunicación inalámbricaContexto

4

Contexto• Aumento en las aplicaciones de comunicaciones de datos

• Necesidad de mayor velocidad de transmisión

• Seguridad informática efectiva

5

Contexto• Existe un uso ineficiente de las regiones privadas del espectro#

• En tiempo, frecuencia y espacio

6# Wellens, Matthias; Wu, Jin; Mahonen, Petri;, “Evaluation of Spectrum Occupancy in Indoor andOutdoor Scenario in the Context of Cognitive Radio”, IEEE Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications, 2007

• Cambios en los parámetros de operación deacuerdo al entorno

• Ejemplos de parámetros que inducen los cambios son:

� Utilización de los canales de comunicación

� Cambios en el espectro de RF

� Potencia y/o energía

� Comportamiento de social

Redes de radios cognitivos

� Comportamiento de social

� Parámetros de Tx/Rx

7

Eb/No

Frecuencia

Tiempo

Redes de Radio Cognitivos

• Modelo de las comunicaciones inalámbricas en donde:

� la red de comunicación y

� los dispositivos de comunicación inalámbricos

� cambian sus parámetros de transmisión y recepción con la transmisión y recepción con la finalidad de:

�evitar interferencias con otros usuarios, que pueden ser:

� Licenciados (primarios)

� No licenciados (secundarios)

�conectarse a sistemas con diversas características

� adaptar las aplicaciones 8

Redes de Radios Cognitivos

• Las redes cognitivas pueden tener

�Radios Cognitivos Completos

• (Radio de Mitola)*: • en donde cada posible parámetro observable por un nodo inalámbrico es

considerado.

�Radio Cognitivo para el monitorización del espectro

• ‘Dynamic Spectrum Allocation’: • en donde solo se considera el espectro de frecuencia

9

*J. Mitola III and G.Q Maguire, Jr., “Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal”, IEEE Personal Communications (Wireless Communications), vol.6, no. 4, pp. 13-18, August 1999.

Introducción

• Modelo básico de comunicación electrónica

11

Introducción

12

Ancho de banda

Es un rango especifico de frecuencias acotado por una baja frecuencia y una alta frecuencia donde la señal permanece semejante. (Hertzios)

13

Modulación analógica

• Una forma de transportar la información se le conoce como modulación

– Modulaciones basadas fundamentalmente en: – Modulaciones basadas fundamentalmente en:

• Amplitud

• Frecuencia

• Fase

14

Modulación analógica

15

Lathi

16

Ecuaciones FM y PM

Sistemas de Comunicaciones electrónicas, Tomasi

17

Funciones de Bessel para varios

valores de n

18

Espectro de una señal de FM

19

Modulación

Códigos de linea

21

Introducción a los sistemas de modulación digital

• Amplitud Shift-Keying (ASK)

Modulación por desplazamiento de amplitud

• Frequency Shift-Keying (FSK)

Modulación por desplazamiento de frecuenciaModulación por desplazamiento de frecuencia

• Phase Shift-Keying (PSK)

Modulación por desplazamiento de fase

22

ASK, PSK, FSK

23

Amplitude-Shift Keying (ASK)Modulación por desplazamiento de amplitud

• Un uno digital (lógico) se representa con la presencia de una portadora)

• El cero se representa con la ausencia

( )π

• Donde la señal de la portadora es: Acos(2πfct)

( )

=ts( )tfA cπ2cos

0

1 binario

0 binario

Wireless Communications and Networks, Stallings

24

Amplitude-Shift Keying (ASK)Modulación por desplazamiento de

amplitud

• Es susceptible a cambios de ganancia

• Técnicas de modulación ineficiente• Técnicas de modulación ineficiente

• Utilizado para aplicaciones de bajo costo

• Se utiliza también en aplicaciones sobre fibra óptica


25

B-FSK

• Dos dígitos binarios se representan por dos

diferentes frecuencias

• donde f1 y f2 son frecuencias de portadora que son opuestas

( )

=ts( )tfA 12cos π

( )tfA 22cos π

1 binario

0 binario


26

Multiple Frequency-Shift Keying

(MFSK)• Se utilizan mas de dos frecuencias

• Es mas eficiente en el uso del ancho de banda pero mas susceptible al ruido

( ) tfAts π2cos= Mi ≤≤1

• f i = f c + (2i – 1 – M)f d• f c = the carrier frequency

• f d = the difference frequency

• M = number of different signal elements = 2 L

• L = number of bits per signal element

( ) tfAts ii π2cos= Mi ≤≤1


27

BPSK Coherente, Ref: Haykin

Multiple Frequency-Shift Keying

(MFSK)• Total bandwidth required

2Mfd

• Minimum frequency separation required 2fd=1/Ts

• Therefore, modulator requires a bandwidth of

Wd=2L/LT=M/TsWd=2 /LT=M/Ts


29

Phase-Shift Keying (PSK)

• Dos niveles para la fase PSK (BPSK)

• Utiliza dos fases para representar dos digitos binarios

( )

=ts( )tfA cπ2cos 1 binario( )

=ts

( )c

( )ππ +tfA c2cos

1 binario

0 binario

=( )tfA cπ2cos

( )tfA cπ2cos−

1 binario

0 binario


30

Phase-Shift Keying (PSK)

• Cuatro niveles PSK (QPSK)

• Cada elemento representa mas de 1 bit

+

42cos

ππ tfA c 11

( )

=ts

4

+

4

32cos

ππ tfA c

−

4

32cos

ππ tfA c

−

42cos

ππ tfA c

01

00

10


31

Quadrature Amplitude

Modulation• QAM es una combinación de ASK and PSK

• Dos señales diferentes enviadas simultaneamente sobre la misma

portadora

( ) ( ) ( ) tftdtftdts cc ππ 2sin2cos 21 +=


32


Modulation


33


Modulation


34

Modulación


35

Análisis espectralRepaso de algunos conceptos:

• Un proceso que cuantifica las diversas intensidades de cada frecuencia se llama análisis espectral

• Matemáticamente el análisis espectral está relacionado con la transformada de Fourier

• La transformada contiene información sobre la intensidad en determinada frecuencia, y también de su fasedeterminada frecuencia, y también de su fase

• Esta información se puede representar como un vector bidimensional o como un número complejo

• En las representaciones gráficas, se representa el módulo al cuadrado del número complejo, y el gráfico resultante se conoce como espectro de potencia o densidad espectral de potencia

36

Ruido externo

atmosférico

extraterrestreextraterrestre

Ruido humano

Ruido

Ruido eléctrico: Toda energía eléctrica no deseada en la banda de frecuencia útil del filtro paso banda del canal de comunicaciones.

Ruido externo:Ruido atmosférico: se produce naturalmente en la tierra: f<30MHz f<30MHz

Ruido extraterrestre: solar y cósmico (cuerpo negro):8MHz<f<1.5GHz

Ruido humano: luces fluorescentes, maquinaria etc..:

Ruido interno: térmico, disparo y tiempo de transito.38

Ruido

Ruido de tiempo de tránsito: modificaciones en la corriente de los portadores, por ejemplo: se da en transistores. Retardos en la movilidad de iones, electrones, etc.. Se agrava a altas frecuencias.

Ruido de disparo: emisión aleatoria de electrones (transistores), difusión aleatoria de portadores minoritarios y la generación aleatoria de huecos-electrones (semiconductores en general)

Ruido correlacionado: es el ruido que se producen por el Ruido correlacionado: es el ruido que se producen por el efecto de las señales en si.

Distorsión armónica y intermodulación (se crea cuando dos señales son amplificadas en un dispositivo no lineal.

39

Ruido blanco

El ruido blanco es una señal aleatoria (proceso estocástico) que sus señales no están correlacionadas estadísticamente

Como consecuencia, su densidad espectral de potencia es una constante y su gráfica es plana.

La señal contiene todas las frecuencias y la misma potencia. Su nombre viene de la luz blanca, que tiene presente todas las frecuencias.Su nombre viene de la luz blanca, que tiene presente todas las frecuencias.

Imagen en B/N representa ruido blanco, los píxeles no están correlacionados entre sí.Si la imagen fuese en color, entonces la "nieve" sería de colores aleatorios.

La figura muestra una típica imagen en la pantalla de un televisor analógico cuando no está sintonizado.

40

Ruido blanco

Ejemplos de ruido blanco:•la tele o en la radio cuando no sintonizas ningún canal•cuando pones la aspiradora •la secadora de pelo, •cuando enciendes maquinaria en general

41

Ruido blanco

La autocorrelación de una señal de ruido blanco tendrá un fuerte pico en τ = 0 y valores cercanos a cero y sin ninguna estructura para cualquier otro τ.

Esto muestra que el ruido blanco carece de periodicidad.

42

Relación señal/ruidoLa relación señal/ruido (en inglés Signal to Noise Ratio SNR o S/N) se define como la relación que hay entre la intensidad o potencia de la señal y la intensidad o potencia del ruido que la corrompe.

43

Eye Diagram

44


Modulation


45

Modulación adaptable

• La modulación adaptable es util para poder aprovechar el ancho de banda modificando parámetros como:

• Tamaño de la constelación

• Potencia de transmisión• Potencia de transmisión

• Tasa de símbolos

• Adaptación en términos de BER y de la eficiencia espectral

46

F.G Stremler

47

Ref: Sklar

48

Esquema general

49

Monitorización

• Análisis espectral• Análisis espectral• Detección de oportunidades

• Tiempo de ejecución

• Detección ciega basada en niveles de energía

• Digitalizar la ocupación del espectro• Vector de ocupación• Binario

• Ocupado o desocupado50

Monitorización

• Aproximación:• Dispositivos detección de

energía

• Desventajas• Confiabilidad de la lectura

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Acceso al Medio

52

Acceso al Medio

53

� Algoritmo de decisión� Prioridades en atributos

� Validación numérica

Enrique Rodriguez-Colina, Carlos Ramirez-Perez y C. Ernesto Carrillo A:, “Multiple attribute dynamic decision

making for cognitive radio networks”, IEEE Wireless and Optical Communications Networks (WOCN), junio 2011.

• Algoritmo preliminar basado en intercambio de mensajes

Acceso al Medio

54

J. Hernández-Guillen, E. Rodriguez-Colina, R. Marcelín-Jiménez, M. Pascoe Chalke, “CRUAM-MAC:

A Novel Cognitive Radio MAC protocol for Dynamic Spectrum Allocation,” IEEE LATINCOM, 2012

Esquema general

55

Fundamentos de los Radios Cognitivos

Dependiendo de su distribución en el espectro, los dispositivos de CR

pueden ser identificados como:

� Radios Cognitivos operando en bandas licenciadas

Estos operan coexistiendo en con usuarios primarios un ejemplo: en E.U.A. estos sistemas están pensados para que operen en las bandas de TV digitalestos sistemas están pensados para que operen en las bandas de TV digital

� Radios Cognitivos que operan fuera de las bandas licenciadas

Estos radios operan fuera de las bandas licenciadas del espectro,

• la mayoría con bancos de pruebas experimentales

• en bandas de frecuencia de uso libre

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Considerando las observaciones previas se pueden definir los radios como en operación ~

�Underlay (capa subyacente):

Utilizan las mismas bandas de frecuencia que los primarios operando con baja potencia o con técnicas de espectro expandido con baja potencia o con técnicas de espectro expandido

� Overlay (sobre capa):

Los CR ocupan bandas de frecuencia que no se utiliza por usuarios con licencia, así que la interferencia a usuarios licenciados no es considerable

~. A. M. Wyglinski, M. Nekovee, and Y. T. Hou, Cognitive Radio Communications and Networks, Principles and Practice, vol. ISBN 978-0-12-374715-0 (alk. paper): Elsevier, 2010.

57


A. M. Wyglinski, M. Nekovee, and Y. T. Hou, Cognitive Radio Communications and Networks, Principles and Practice, vol. ISBN 978-0-12-374715-0 (alk. paper): Elsevier, 2010.

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FUNCIONES PRINCIPALESIntroducción

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Funciones principales• Ian F. Akyildiz3 et al. plantean a

bloques las funciones que sedeben realizar para hacer un usooportunista del espectro:

� ‘Spectrum Sensing’Monitorización del espectro

� ‘Spectrum decision’ Toma dedecisiones y selección del espectrodisponibledisponible

� ‘Spectrum sharing’ coordinación ycompartición del espectro

� ‘Spectrum mobility’ los radioscognitivos deben continuar lacomunicación en otra porción libredel espectro, moviéndose defrecuencia o espacio cuando llegaun primario

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F. Akyildiz, W.Y. Lee, M.C. Buran, and S. Mohanty, “A survey on spectrum management in cognitive radio

networks”, IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 4, pp. 40-48, April 2008.

1d3 v2 presen1d3 coloqui nal de codigoscriptografia y areasrelacionadas

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