Development of a secure and encrypted Long Range and Low Power wireless communication network (voice and data), based on noise tolerant modulation techniques, for the deployment of sensor networks for commercial and military purposes

Abstract

This thesis addresses the development of a hybrid communication network that integrates a private cellular network based on an OpenAirInterface (OAI) platform with a private Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). The hybrid network can provide secure, encrypted, long-range, low-power wireless communication, for both voice and data communications, in emergencies when public telecommunication networks are down. The network utilizes noise-tolerant modulation to ensure reliable performance in challenging and adverse environments. The cellular network is capable of extensive development of private networks with increased security in a derive-it-on-the-fly manner. Applications for this network range from Internet of Things (IoT) devices to high-bandwidth data services, allowing for superior flexibility and scalability. The combination of this cellular network and the private LoRaWAN takes the long-range, low-power capabilities of Long Range (LoRa) technology while ensuring both continued connectivity and data integrity on the cellular backbone. The LoRaWAN network described in this thesis provides a low-power, long-range communication solution, which can be utilized for a variety of challenges. When integrated with the OAI cellular network, the performance of the hybrid network will be further enhanced by utilizing the capabilities of the OAI cellular network. The hybrid network can support an extensive range of applications from environmental monitoring to industrial automation to secure military communications, all provide options for a complete, versatile, scalable solution.One important application of the hybrid communication network is an Emergency Communication System (ECS) that supports users with effective, reliable, secure, communication in emergencies. The ECS takes advantage of the hybrid network’s potential for providing continuous and uninterrupted connections in disasters, and remote or hard-to-reach areas, where traditional communication infrastructures might be compromised. This aspect of the system is vital for operational coordination of rescue operations, situational awareness and dispatch critical information during emergencies. To determine the appropriate protocols and communication technologies available and link them to the hybrid network, a state of the technology was conducted to review protocols and standards for wireless sensor networks in critical infrastructure. This state of the technology provided a significant basis of strengths and weaknesses of several protocols and communication technologies to help evaluate which protocols were the best suited for uninterrupted communications in emergencies. This justification was critical for developing and iterating research and industry objectives with a system capable of meeting the demands of emergency communications. In addition to the review of available protocols and communications for hybrid networks and the ECS, a systematic review and comparison of commercial and open-source IoT platforms for smart city applications was undertaken. The findings from that review helped select and develop the experimental platform by utilizing open-source software to develop the web platform. This was vital for decision making on open-source tools and technologies for cost-effective, flexible, and scalable interchangeable tools. The experimental platform provided a resilient environment to validate and use as a testing mechanism for the hybrid network and all its possible applications. The Experimental Communication Platform (ECP) was carefully developed to test and validate the proposed hybrid network and the ECS. The ECP includes the comprehensive developed setup of OAI for the private cellular network and a LoRaWAN infrastructure which will connect to the cellular backbone. Hardware components such as gateways, base stations and sensors were deployed to create a realistic but controlled testing space. The test utilized various software tools and applications built by the research team to monitor the ECS's network performance, data integrity, security measures, as well as hardware’s network performance. The tests and scenarios, conducted at manufacturing levels, were varied to better assess the network's performance in terms of range, power consumption, data integrity, and security. The tests conducted on the experimental platform from the dissertation present improvements to energy efficiency, data protection and overall performance for both the proposed hybrid networks and the ECS. The improvements and results of those performed on the experimental facilities make the hybrid network and the ECS extremely suitable for commercial sensor networks and use in the military. In conclusion, this work will push the boundaries of wireless communications science by bridging cellular and LoRaWAN technologies to comprise an effective and reliable solution for secure, low-power long-range transmissions. In the future, other research avenues with an innovative combination of emerging technologies and enhanced modes will be further explored to enhance the capacities and applications of the experimental platform.

Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η αξιολόγηση και η ανάπτυξη ενός υβριδικού δικτύου επικοινωνίας που ενσωματώνει ένα ιδιωτικό κυψελοειδές δίκτυο βασισμένο στο λογισμικό OpenAirInterface (OAI) με ένα ιδιωτικό δίκτυο Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). Αυτό το υβριδικό δίκτυο σχεδιάστηκε για να παρέχει ασφαλή και κρυπτογραφημένη ασύρματη επικοινωνία μακράς εμβέλειας, χαμηλής ισχύος, ικανή να μεταδίδει τόσο φωνή όσο και δεδομένα, σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης όπου τα δημόσια τηλεπικοινωνιακά δίκτυα δεν λειτουργούν. Το δίκτυο αξιοποιεί τεχνικές διαμόρφωσης ανθεκτικές στον θόρυβο και εξασφαλίζει αξιόπιστη απόδοση σε δύσκολα περιβάλλοντα. Το κυψελοειδές δίκτυο, προσφέρει εκτεταμένες δυνατότητες για τη δημιουργία ιδιωτικών δικτύων με ενισχυμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας. Υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από συσκευές Internet of Things (IoT) έως υπηρεσίες δεδομένων υψηλής ταχύτητας, εξασφαλίζοντας ευελιξία και επεκτασιμότητα. Ενσωματώνοντας αυτό το κυψελοειδές δίκτυο με ένα ιδιωτικό LoRaWAN, το σύστημα επωφελείται από τα χαρακτηριστικά μεγάλης εμβέλειας και χαμηλής ισχύος της τεχνολογίας LoRa, διατηρώντας ταυτόχρονα ισχυρή συνδεσιμότητα και ακεραιότητα δεδομένων μέσω της κυψελοειδούς υποδομής. Το δίκτυο LoRaWAN, όπως περιγράφεται στην έρευνά μας, παρέχει μια αποδοτική λύση για επικοινωνία χαμηλής ισχύος και μεγάλης εμβέλειας. Η ενσωμάτωσή του με το κυψελοειδές δίκτυο βελτιώνει τη συνολική απόδοση του δικτύου, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα και των δύο τεχνολογιών. Το υβριδικό δίκτυο υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από περιβαλλοντική παρακολούθηση και βιομηχανική αυτοματοποίηση έως ασφαλείς στρατιωτικές επικοινωνίες, προσφέροντας μια ευέλικτη και επεκτάσιμη λύση. Μια σημαντική εφαρμογή αυτού του υβριδικού δικτύου είναι το πειραματικό Σύστημα Έκτακτης Επικοινωνίας (ECS), σχεδιασμένο να παρέχει αξιόπιστη και ασφαλή επικοινωνία κατά τη διάρκεια εκτάκτων αναγκών. Το ECS αξιοποιεί τις δυνατότητες του υβριδικού δικτύου για να εξασφαλίσει συνεχή και αδιάλειπτη επικοινωνία σε περιοχές που πλήττονται από καταστροφές ή απομακρυσμένες περιοχές όπου μπορεί να έχει καταστραφεί η συμβατική υποδομή επικοινωνίας. Αυτό το σύστημα είναι κρίσιμο για τον συντονισμό των επιχειρήσεων διάσωσης, τη διάδοση κρίσιμων πληροφοριών και τη διατήρηση της επίγνωσης της κατάστασης σε σενάρια έκτακτης ανάγκης. Για την επιλογή των κατάλληλων πρωτοκόλλων και τεχνολογιών επικοινωνίας για το υβριδικό δίκτυο, πραγματοποιήθηκε επισκόπηση των πρωτοκόλλων και των προτύπων για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων σε κρίσιμες υποδομές. Αυτή η εκτενής ανάλυση παρείχε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα διαφόρων πρωτοκόλλων και τεχνολογιών, καθοδηγώντας την επιλογή των καταλληλότερων επιλογών για την εξασφάλιση αξιόπιστης και ασφαλούς επικοινωνίας κατά τη διάρκεια καταστάσεων έκτακτης ανάγκης. Αυτό το θεμελιώδες έργο ήταν κρίσιμο για τον σχεδιασμό ενός δικτύου ικανού να ανταποκριθεί στις αυστηρές απαιτήσεις επικοινωνίας έκτακτης ανάγκης. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μια λεπτομερής ανασκόπηση και σύγκριση των εμπορικών και ανοιχτού κώδικα πλατφορμών IoT για εφαρμογές έξυπνης πόλης. Αυτή η μελέτη ήταν καθοριστική για την επιλογή και την κατασκευή της ιδιωτικής πειραματικής πλατφόρμας, χρησιμοποιώντας λογισμικό ανοιχτού κώδικα για την δημιουργία της διαδικτυακή πλατφόρμα. Οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από αυτή τη σύγκριση βοήθησαν στην επιλογή των καλύτερων εργαλείων και τεχνολογιών ανοιχτού κώδικα, εξασφαλίζοντας την οικονομική αποδοτικότητα, την ευελιξία και την επεκτασιμότητα της πλατφόρμας. Η προκύπτουσα πειραματική πλατφόρμα παρείχε ένα ισχυρό περιβάλλον για τη δοκιμή και την επικύρωση του υβριδικού δικτύου και των εφαρμογών του. Η πειραματική πλατφόρμα επικοινωνιών (ECP) κατασκευάστηκε με μεγάλη προσοχή για να δοκιμαστεί και να επικυρωθεί το προτεινόμενο υβριδικό δίκτυο και το ECS. Περιλαμβάνει μια ολοκληρωμένη εγκατάσταση του OAI για το ιδιωτικό κυψελοειδές δίκτυο και μια υποδομή LoRaWAN συνδεδεμένη με αυτή την κυψελοειδή υποδομή. Διάφορα εξαρτήματα υλικού, όπως σταθμοί βάσης, αισθητήρες και πύλες, εγκαταστάθηκαν για τη δημιουργία ενός ρεαλιστικού και ελεγχόμενου περιβάλλοντος δοκιμών. Χρησιμοποιήθηκαν εργαλεία λογισμικού και εφαρμογές που αναπτύχθηκαν ειδικά για την παρακολούθηση της απόδοσης του δικτύου, της ακεραιότητας των δεδομένων και των μέτρων ασφαλείας. Πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες δοκιμές υπό διαφορετικά σενάρια για να αξιολογηθεί η απόδοση του δικτύου όσον αφορά την εμβέλεια, την κατανάλωση ισχύος, την ακεραιότητα των δεδομένων και την ασφάλεια.Τα αποτελέσματα από την πειραματική πλατφόρμα δείχνουν ότι το προτεινόμενο υβριδικό δίκτυο και το ECS επιτυγχάνουν σημαντικές βελτιώσεις στην ενεργειακή αποδοτικότητα, την ασφάλεια των δεδομένων και τη συνολική απόδοση σε σύγκριση με τις υπάρχουσες λύσεις. Αυτές οι βελτιώσεις καθιστούν το δίκτυο εξαιρετικά κατάλληλο για εμπορικά δίκτυα αισθητήρων και στρατιωτικές επιχειρήσεις. Συμπερασματικά, αυτή η έρευνα συμβάλλει στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας παρέχοντας μια βιώσιμη λύση για ασφαλή και αποδοτική μακράς εμβέλειας επικοινωνία μέσω της καινοτόμου ενσωμάτωσης των τεχνολογιών κυψελοειδούς και LoRaWAN. Μελλοντικά θα εξετασθεί η περαιτέρω βελτίωση των τεχνικών διαμόρφωσης και η ενσωμάτωση αναδυόμενων τεχνολογιών για την επέκταση των δυνατοτήτων και των εφαρμογών της πειραματικής πλατφόρμας.