Στόχος της εργασίας αυτής είναι η υλοποίηση ενός συστήματος WiMAX στο Matlab Simulink, σύμφωνα με το πρότυπο της IEEE 802.16-2004.Το σύστημα ενσωματώνει όλα τα υποχρεωτικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του φυσικού στρώματος OFDM 256-σημείων FFT. Η εργασία αυτή οργανώνεται σε πέντε κεφάλαια στα οποία γίνεται μια αναλυτική περιγραφή κάθε στοιχείου του συστήματος λαμβάνοντας κάθε φορά υπόψη τις προδιαγραφές του προτύπου αλλά και τις αντίστοιχες θεωρητικές πτυχές οι οποίες είναι απαραίτητες για να γίνουν αντιληπτές κάθε φορά όλες οι μέθοδοι και οι διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια αναδρομή στο πώς και για ποιό λόγο ξεκίνησε η ανάπτυξη του προτύπου IEEE 802.16 και περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του. Ακόμη γίνεται μια σύγκριση μεταξύ του WiMAX και άλλων ασύρματων συστημάτων ευρείας πρόσβασης. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι βασικές παράμετροι που διέπουν την απόδοση του ασύρματου καναλιού ώστε να γίνουν αντιληπτοί οι περιορισμοί που αυτό εισάγει κατά τη διαδικασία της μετάδοσης. Επιπλέον αναλύεται η τεχνική διαμόρφωσης OFDM στην οποία βασίζεται το WiMAX και η οποία είναι κατάλληλη για περιπτώσεις ασύρματης μετάδοσης. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια εισαγωγή στις τεχνικές πολλαπλών κεραιών και κυρίως στην τεχνολογία ΜΙΜΟ. Η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη σε μια επικοινωνιακή ζεύξη δημιουργεί μια καινούρια διάσταση στις ασύρματες επικοινωνίες βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση των συστημάτων. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην περιγραφή της τεχνικής Alamouti η ο οποία και εφαρμόστηκε στην υλοποίηση του συστήματος. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι προδιαγραφές και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του φυσικού στρώματος του προτύπου IEEE 802.16. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται η υλοποίηση του συστήματος WiMAX(πομπός και δέκτης)η οποία πραγματοποιήθηκε στο Matlab Simulink. Παρουσιάζεται λεπτομερώς η σχεδίαση του κάθε μέρους του συστήματος και παρατίθενται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων τα οποία επιβεβαιώνουν την ορθότητα λειτουργίας του συστήματος που υλοποιήθηκε. / The purpose of this thesis is the implementation of a WiMAX system in Matlab Simulink, in compliance with the IEEE 802.16 standard. The system incorporates all the necessary features of the physical OFDM 256-FFT layer. The present topic is organized in five chapters, in which a detailed overview of every element of the system is given taking into account both the standard specifications and the corresponding theoretical aspects, which are necessary to understand all the different methods and processes that have been used. In Chapter 1 an overview is given explaining how and why IEEE 802.16 standard emerged and its main features are outlined. Moreover, a comparison is being made between WiMAX and other wireless broadband systems. Chapter 2 presents the main parameters that affect the performance of a wireless channel, so as to become clear the limitations that the channel itself inserts during the transmission process. Also, the OFDM modulation technique, in which WiMAX is based and it is appropriate for wireless transmission, is being analyzed. Chapter 3 introduces MIMO systems. The use of multiple antennas at the transmitter and/or at the receiver in a communication link opens a new dimension in reliable wireless communications, improving the performance of the system substantially. We are focusing on the Alamouti technique which was implemented in the system. Chapter 4 presents the specifications and the technical features of the IEEE 802.16 physical layer. Chapter 5 explores the implementation of the system (transmitter and receiver) that was made in Matlab Simulink. The design of each part of the system is being discussed in detail and the simulations results are given in order to provide proof for the right function of the implemented system.

Πολλά πρότυπα ασφαλούς επικοινωνίας, όπως το secure shell (SSH), IP security (IPsec), καθώς και διάφορες μορφές κρυπτογράφησης e-mail δημιουργήθηκαν για να προστατεύουν τις πληροφορίες κατά τη μεταφορά, διασφαλίζοντας το κανάλι επικοινωνίας. Ωστόσο, γίνεται αντιληπτό ότι τα δεδομένα σε αποθήκευση (data at rest) είναι επίσης ευάλωτα σε επιθέσεις και πρέπει να προστατευτούν. Το πρότυπο IEEE P1619, το οποίο έχει προταθεί από το IEEE, προσδιορίζει τα βασικά στοιχεία μιας αρχιτεκτονικής, η οποία παρέχει ασφάλεια σε sector-level-random-access διαμοιραζόμενα μέσα αποθήκευσης, επιλέγοντας ως το καταλληλότερο mode λειτουργίας το Electronic codebook (ECB). Βασικό μειονέκτημα αυτού του τρόπου κρυπτογράφησης είναι ότι κατά το ECB mode το ίδιο plaintext παράγει πάντα (κρυπτογραφείται) το ίδιο ciphertext, δημιουργώντας την ανάγκη για συχνή αλλαγή στο συμμετρικό κλειδί. Μια τέτοια πρακτική όμως δεν θα αποδίδει λόγω του απαιτούμενου χρόνου για την επέκταση των νέων κλειδιών. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζει το IEEE P1619, κάνοντας χρήση της θέσης (location) των δεδομένων ως την επιθυμητή μεταβαλλόμενη τιμή κλειδιού, εφαρμόζοντας block-cipher αλγόριθμους κρυπτογράφησης. Το νέο αυτό πρότυπο έχει προσελκύσει την προσοχή εταιριών, ως μια καλή λύση για τις απαιτήσεις των καταναλωτών για υψηλό επίπεδο ασφάλειας των δεδομένων σε συσκευές αποθήκευσης. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες ερευνούν ή/και παρουσιάζουν διάφορες αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση του προτύπου σε υλικό (hardware), με στόχο την υιοθέτησή τους σε μελλοντικά προϊόντα. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις στοχεύουν στην αξιοποίηση είτε πόρων του υπολογιστή (προσεγγίσεις λογισμικού) είτε ειδικού σκοπού υλικού, στοχεύοντας σε διαφορετικές απαιτήσεις, ανάλογων της εφαρμογής. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται σε ένα Narrow-block Tweak-able σχήμα κρυπτογράφησης (XTS-AES) και διερευνά διάφορες αρχιτεκτονικές που προσφέρουν μια ποικιλία χαρακτηριστικών. Αυτή είναι η πρώτη προσπάθεια διερεύνησης αρχιτεκτονικών προσεγγίσεων (υφιστάμενων και προτεινόμενων), με σκοπό να αναδειχθεί η καταλληλότερη αρχιτεκτονική για μια ποικιλία εφαρμογών. Το βασικό χαρακτηριστικό των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών είναι η μεγιστοποίηση της αξιοποίησης των πόρων που υλοποιούν το IEEE P1619, ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα κριτήρια σχεδιασμού, όπως είναι η υψηλή ταχύτητα, η μικρή επιφάνεια, το χαμηλό κόστος και η σχεδιαστική πολυπλοκότητα. / A standard for the protection of data in shared storage media has been proposed by IEEE, the IEEE P1619. It specifies the fundamental elements of an architecture that provides security in block-based shared storage media applying block-cipher encryption algorithms to blocks of data. The newly presented standard has attracted the attention of the market vendors, as a good solution to the demands of the consumers for higher security levels in storage devices. The manufacturers have already developed future platforms based on IEEE P1619. Recent research works introduced various approaches targeting their adoption in future products. The proposed approaches are aiming to exploit either computer resources (software approaches) or special purpose hardware. This work focuses on the Narrow-block Tweakable encryption scheme (XTS-AES transform) and explores various architectures offering a variety of characteristics to the final implementation. This is the first, to the authors knowledge, attempt to explore the various architecture approaches that have been proposed until now and additionally introduce new ones, with an aim to highlight the appropriate architecture for a variety of applications. The key feature of the proposed architectures is parallelism, with respect to data block processing. The target is to exploit in full the resources of the core(s) implementing the IEEE P1619 and achieve the highest performance, respecting various design criteria as low cost, and/or design complexity. Basic details regarding IEEE P1619 and its dominant unit (the XTS-AES transform) are offered, a summary of previous works is presented and several issues are considered for potential optimization of the system architecture. Novel architectures are introduced, exploring time-scheduling of the processes to be performed and the characteristics of the various architectures are analyzed and compared.

Στη διπλωματική αυτή μελετήσαμε και υλοποιήσαμε μηχανισμούς ασφαλείας στο επίπεδο προσπέλασης μέσου (MAC) σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων που βασίζονται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4. Συγκεκριμένα, ξεκινώντας από την υλοποίηση του επιπέδου MAC που υπάρχει στο TinyOS για την πλατφόρμα TelosB, αλλάξαμε το μηχανησμό backoff του CSMA-CA αλγορίθμου ώστε να γίνει συμβατός με το πρότυπο 802.15.4. Επίσης αναπτύξαμε της κατάλλήλες μεθόδους ώστε να ενσωματώσουμε στην υλοποίηση μηχανισμους ασφαλείας. Για το δεύτερο, αναπτύξαμε τον οδηγό (driver) για το ολοκληρωμένο CC2420 radio και κάναμε τις απαραίτητες πειραματικές μετρήσεις συγκρίνοντας το σύστημα σε τρείς λειτουργίες, δηλαδη χωρίς ασφάλεια, με ασφάλεια υλοποιημένη με λογισμικό (SW security) και με ασφάλεια χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμενο CC2420 (HW security). Τέλος, μελετήθηκαν οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης και διανομης των κλειδιών σε ένα δίκτυο και υλοποιήθηκαν δύο από αυτά τα μοντέλα. Το πρώτο βασίζεται στην πιθανολογική πρό-διανομη των κλειδιών ενώ το δεύτερο χρησιμοποιεί μηχανισμους ασυμμετρης κρυπτογραφίας, συγκεκριμένα ECC (elliptic curve cryptography) για να εγκαταστησει συμμετρικά κλειδιά στους κόμβους του δικτύου. / The thesis dealt with the implementation of the main medium access and security mechanisms in a wireless sensor network based on the IEEE 802.15.4 standard. More specifically, starting from the tinyos2.1 medium access implementation on the TelosB platform, the backoff mechanism was altered, in order to become fully 802.15.4 compliant, while the appropriate mechanisms were also developed in order to introduce the protocol's security features in the stack. For the latter, a driver for the CC2420 chip was developed and energy and performance meassurements were conducted, comparing the system under three modes of operation, namely with no security, with SW encryption/authentication and with HW encryption/authentication. Finally, the main mechanisms of key management and distribution in a deployed wireless sensor network were studied and developed. Specifically, we implemented two key management schemes. The first was a probalistic pre-distribution mechanism and the second an ECC (elliptic curve cryptography) mechanism of public cryptography in order to install symmetric keys on the motes.