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Protezione dei template biometrici per sistemi di autenticazione basati su firma

2009-04-02T22:00:00Z

Protezione dei template biometrici per sistemi di autenticazione basati su firma Maiorana, Emanuele 2009-04-03 One of the most emerging technologies for automatic people recognition is biometrics. In contrast with traditional approaches, based on what a person knows (password) or what a person has (ID card, tokens), biometric based authentication relies on who a person is or what a person does. Biometric based recognition systems are then typically able to provide improved comfort and security for their users, when compared to traditional authentication methods. Unfortunately, the use of biometric data in an automatic recognition system also involves various risks not affecting other methods: if biometric data are somehow stolen or copied, they can be hardly replaced. Moreover, biometric data can contain relevant information regarding personality and health, which can be used in an unauthorized manner for malicious or undesired intents. It is also worth pointing out that, when a cross-matching among different biometric databases is performed, an unauthorized user tracking of the enrolled subjects can be done by means of users' biometric traits. This would unavoidably lead to users' privacy loss. Therefore, when designing a biometric based recognition system, the issues deriving from security and privacy concerns have to be carefully considered. Moreover, the adopted countermeasures should enhance biometric data resilience against attacks, while guaranteeing acceptable recognition performance. This Thesis is focused on the protection of the biometric templates employed in a sig- nature based authentication system. Signature biometrics is usually characterized by a high intra-user variability and a small forgeries inter-user variability, thus representing a challenging field of application for template protection techniques. The literature regarding biometric template protection and on-line signature based recognition is first reviewed. Then, we take into account both parametric and functional features based on-line signature verification approaches, and describe, for each of them, how to provide protection to the employed biometric templates. Specifically, we propose the use of cryptographic techniques and error correcting codes to secure global parametric features extracted from an on-line signature. Together with protection, also template cancelability and renewability are guaranteed. Moreover, the proposed authentication scheme is tailored to the signature variability of each user, thus obtaining a user adaptive system with enhanced performances with respect of a non-adaptive one. We then propose how to provide security to the templates employed in a functional feature based signature authentication system, by means of a feature transformation protection approach. Specifically, we introduce a set of non-invertible transforms, which can be applied to any sequence based biometric template to generate multiple transformed version of it. Retrieving the original data from the transformed one is computationally as hard as random guessing. The effectiveness of the proposed approach is tested by considering both a regional signature functions analysis (employing Hidden Markov Models) and a local signature functions analysis (employing Dynamic Time Warping). Moreover, the performances achievable with the fusion of these two approaches are also discussed. Eventually, we also propose the use of watermarking techniques to protect a set of dynamic signature features, by embedding it into a static representation of the signature itself. User authentication can be performed either by means of the only signature static image, or by using it together with the dynamic features embedded in the enrollment stage, by using a fusion approach. A multi-level authentication system, which is capable to provide two different levels of security, is then obtained. The proposed watermarking techniques are based on the properties of the Radon transform, being thus tailored to images, like those of a signature, with sharp edges. A procedure for the selection of the dynamic features which allow to guarantee the best recognition performances, as well as a novel approach which defines the minimum number of bits which should be employed to binarize a given feature without affecting the recognition performances, is proposed. The effectiveness of the proposed approaches is tested by employing the public MCYT on-line signature corpus, with signatures taken from 100 different subjects, as experimental database.; Una tra le tecnologie maggiormente innovative impiegate per il riconoscimento automatico di persone la biometria. In contrasto con gli approcci tradizionali, basati su ciò che una persona conosce (password), o su quello che una persona possiede (carta d'identità, tessere), l'autenticazione basata su dati biometrici utilizza ciò che una persona è, o ciò che una persona fa. I sistemi di riconoscimento biometrico sono pertanto in grado di garantire ai propri utenti, rispetto ai sistemi tradizionali di autenticazione, un comfort maggiore e una sicurezza superiore. Purtroppo, l'uso di dati biometrici in un sistema di riconoscimento automatico comporta anche vari rischi, nei quali non si incorre utilizzando invece altri approcci: se i dati biometrici impiegati vengono rubati o in qualche modo copiati, difficilmente possono essere sostituiti. Inoltre, i dati biometrici possono contenere informazioni riguardanti la personalità e la salute di una persona, e pertanto possono essere utilizzati per scopi non autorizzati, dannosi, o indesiderati dagli utenti. Vale anche la pena di sottolineare che, se viene effettuato un confronto tra differenti database di dati biometrici, i soggetti memorizzati nelle basi dati possono essere monitorati sulla base delle loro caratteristiche uniche. Ciò porta inevitabilmente ad una rilevante compromissione della privacy. Pertanto, nella progettazione di un sistema di riconoscimento biometrico, i problemi relativi alla sicurezza ed alla tutela della privacy devono essere attentamente valutati. Inoltre, le contromisure adottate dovrebbero migliorare la resistenza contro eventuali atttacchi ai dati biometrici, garantendo però delle prestazioni di riconoscimento accettabili. Questa tesi è focalizzata sulla protezione dei template biometrici impiegati in sistemi di autenticazione basati su firma. La firma viene comunemente impiegata come dato biometrico, ed è generalmente caratterizzata da un elevata variabilità intra-utente e una piccola variabilità inter-utente, rappresentando pertanto un campo di applicazione sfidante per la definizione di tecniche di protezione. Nella presente tesi viene inizialmente rivista la letteratura scientifica in materia di protezione dei template biometrici e di riconoscimento di firma dinamica. Dopodiché, si prendono in considerazione gli approcci basati su template parametrici e funzionali di firma, proponendo per ciasuno di essi un possibile schema di protezione dei template. In particolare, si propone l'uso di tecniche crittografiche per garantire protezione a caratteristiche parametriche estratte dalle firme. Tale sistema impiega codici a correzione d'errore, la cui capacità correttiva può essere determinata sulla base delle caratteristiche dell'utente. Si propone poi un metodo per garantire la sicurezza di template funzionali rappresentanti firme dinamiche, basato sulla definizione di trasformazioni non invertibili. L'efficacia del metodo proposto viene valuatata impiegando classificatori basati su Hidden Markov Models, o su tecniche di Dynamic Time Warping. Anche la fusione tra questi approcci viene considerata. Infine, si propone l'uso di tecniche di watermarking per proteggere una serie di caratteristiche dinamiche della firma, inserendole all'interno di una rappresentazione statica della firma stessa. L'autenticazione degli utenti può essere effettuata tramite la sola firma statica, o utilizzando insieme ad essa le caratteristiche dinamiche inserite in fase di registrazione dell'utente. La tecnica di watermarking proposta si basa sulle proprietà della trasformata Radon, essendo quest'ultima particolarmente adatta a trattare immagini con bordi evidenti, quali sono le immagini delle firme. L'efficacia dei metodi proposti viene valutata utilizzando il database pubblico di firme dinamiche MCYT, il quale contiene firme acquuisite da 100 soggetti diversi.

Multimedia mobile communications in heterogeneous wireless networks

2010-03-07T23:00:00Z

Multimedia mobile communications in heterogeneous wireless networks Vegni, Anna Maria 2010-03-08

Tecniche di classificazione e predizione delle attività motorie per telemonitoraggio e teleriabilitazione

2010-03-07T23:00:00Z

Tecniche di classificazione e predizione delle attività motorie per telemonitoraggio e teleriabilitazione Muscillo, Rossana 2010-03-08 Il presente lavoro di ricerca si colloca tra i concetti di tele riabilitazione e di tele monitoraggio, approfondendone degli aspetti a nostro avviso cruciali, tra la vastità delle implicazioni che i due concetti inevitabilmente portano con sé. A seguito dell’aumento dell’età media della popolazione questi due aspetti sono divenuti fondamentali per il sistema sanitatio nazionale e per il benessere della popolazione. Per tele monitoraggio si intende la possibilità di trasmettere a distanza parametri di interesse per la valutazione clinica di pazienti e per tele riabilitazione invece la possibilità di consentire ad un paziente, a seguito di un evento traumatico, di ricevere a domicilio terapie, indicazioni e ausilio durante la fase di riabilitazione. Ambedue gli aspetti richiedono innanzitutto uno studio a monte delle problematiche da affrontare, relativo alla sensoristica da utilizzare e alla combinazione più opportuna di soluzioni versatili e innovative, che consentano al paziente facilità di utilizzo e naturalità nei movimenti. La nostra analisi a questo proposito si è concentrata sui sensori inerziali dato che tramite essi è possibile acquisire informazioni riguardanti la velocità, l’accelerazione e la posizione dei segmenti corporei a cui il sensore viene rigidamente collegato. Subito a valle della problematica suddetta un aspetto fondamentale riguarda l’integrazione dei dati a disposizione e la possibilità di interpretare in modo consono le informazioni che da essi ne derivino. E’ infatti necessario classificare le situazioni di interesse e scartare quelle che non producono alcun tipo di conseguenza così come è necessario classificare un tipo di movimento rispetto ad un altro quando la problematica richiede un monitoraggio delle attività motorie quotidiane, che vengono analizzate in tutti i contesti medico/riabilitativi considerando l’impatto che esse hanno sulla qualità della vita. La classificazione diviene poi il cuore dell’analisi anche se stiamo parlano di tele riabilitazione, in quanto l’esecuzione della terapia riabilitativa, richiede il riconoscimento del task effettuato prima di poterne valutare la bontà di esecuzione. La teoria della classificazione è un aspetto enorme della conoscenza scientifica e abbiamo cercato di approfondirne criticamente gli aspetti ritenuti più opportuni rispetto ai problemi da noi posti inizialmente. Tra le innumerevoli tecniche, in una prima fase, ci si è concentrati sulle tecniche di Template Matching, tecniche che consentono il confronto tra il segnale da classificare e un segnale di riferimento, detto template, tipico della classe da riconoscere. In una seconda fase sono stati approfonditi gli aspetti relativi alla classificazione bayesiana, concentrandosi sia sulla scelte delle features caratteristiche che sul tipo di densità di probabilità condizionata, fattori che condizionano la forma del classificatore. Inoltre si è esplorato un approccio innovativo che, tramite l’utilizzo delle catene di Markov e del filtro di Kalman, implementi un classificatore bayesiano di tipo adattativo, variando la probabilità a priori al passo k in funzione dell’attività riconosciuta al passo k-1. Diversi approcci di classificazione sono stati implementati cercando la cooperazione di tecniche differenti, valutando i maggiori benefici che eventualmente ne derivino. Un ulteriore contributo alla classificazione è stato dato esplorando l’idea di classificare il gesto compiuto in maniera precoce, ovvero prima del termine del gesto stesso. A questo proposito è stata implementata una versione real-time dell’algoritmo del Dynamic Time Warping. Tutte le tecniche menzionate sono state applicate per il riconoscimento di attività motorie quotidiane, sia riferite agli arti inferiori che a quelli superiori e le diverse campagne sperimentali condotte hanno interessato sia popolazione giovane che anziana, in molteplicità di protocolli applicati e di set-up sperimentali. I risultati ottenuti e validati dalle nostre applicazioni ci hanno fornito una idea sulle numerose possibilità offerte dall’utilizzo di questa tipologia di sensori per fornire servizi innovativi di telemedicina. In particolare, durante il nostro lavoro, abbiamo ampiamente dimostrato come è possibile classificare, con una certa accuratezza e percentuali sempre al di sopra del 90%, e riconoscere l’atto motorio, tipicamente gesti dell’attività di vita quotidiana (ADL), utilizzando accelerometri biassiali e triassiali posizionati sul corpo del paziente. In tutti i casi l’obiettivo è stato sempre quello di migliorare le percentuali di riconoscimento del gesto, esplorando anche soluzioni cooperative di tecniche, senza perdere di vista i requisiti di basso costo, versatilità e facilità di utilizzo del set-up sperimentale. Tutti gli algoritmi proposti hanno anche puntato al risparmio computazionale in modo da consentire applicazioni in tempo reale. Tra gli sviluppi futuri del presente lavoro ci sono diverse possibilità riguardo al miglioramento delle performance di classificazione, in ottica sia adattiva che di tempo reale, ad esempio migliorando lo schema della classificazione che utilizza il RT_DTW ma in un contesto fatto di alberi di decisione e regole di decisione dinamiche. Naturalmente deve essere ampliato il set dei movimenti da riconoscere, cercando di proporre soluzioni che contengono il maggior numero possibile di attività quotidiane che un soggetto in condizioni normali/patologiche svolge. Un altro importante elemento di sviluppo sarà dato dalla possibilità di integrare differenti sistemi e tipologie di sensori, che siano in grado ad esempio anche di fornire informazioni relative all’ambiente circostante l’utente. Tutte queste possibilità naturalmente non possono darsi senza un approfondimento continuo delle tecniche di classificazione e senza la versatilità nel muoversi nell’immenso panorama teorico che comporta.

Electromagnetic scattering and radiation by objects embedded in a host medium

2010-03-07T23:00:00Z

Electromagnetic scattering and radiation by objects embedded in a host medium Ponti, Cristina 2010-03-08 L'attività di ricerca svolta nel triennio di dottorato si è articolata principalmente intorno a due temi: diffrazione elettromagnetica da oggetti cilindrici, di sezione arbitraria, sepolti in uno strato dielettrico; diffrazione elettromagnetica da strutture periodiche, con particolare riguardo al progetto di un'antenna con elevata direttività. Il primo filone di ricerca è stato incentrato sulla risoluzione del problema diretto di scattering di un'onda piana monocromatica da parte di un numero arbitrario di oggetti dielettrici o perfettamente conduttori, a sezione arbitraria e di lunghezza infinita, con assi paralleli, sepolti in un mezzo dielettrico stratificato, lineare, omogeneo ed isotropo. Si è pertanto sviluppato un metodo analiticonumerico, nel dominio spettrale, che consente di trattare qualsiasi stato di polarizzazione coerente dei campi elettromagnetici coinvolti, e che permette di ottenere risultati in zona di campo vicino e di campo lontano. Il metodo analitico è stato implementato in un codice di calcolo sviluppato in linguaggio Fortran, che è risultato versatile ed efficiente riguardo ai tempi di calcolo e all'accuratezza dei risultati. Inizialmente è stato risolto il problema dello scattering bidimensionale da cilindri perfettamente conduttori, a sezione circolare, sepolti in uno strato dielettrico, ed in una seconda fase si è affrontata l'estensione a diffusori dielettrici. Il metodo sviluppato è definito con l'acronimo di CWA (Cylindrical Wave Approach), poiché il campo diffuso dai cilindri è espresso mediante un'espansione modale in onde cilindriche, ossia nel prodotto tra una funzione di Hankel ed un fattore angolare esponenziale. La trattazione del problema tiene conto di tutti i contributi di campo che si originano dall'interazione tra l'onda piana monocromatica ed il sistema costituito dalle interfacce piane ed i diffusori cilindrici. Per quanto riguarda l'interazione dell'eccitazione con le interfacce, sono state calcolate le onde piane riflesse e trasmesse, mediante coefficienti di riflessione e trasmissione relativi ad uno strato dielettrico. I campi diffusi dai cilindri, riflessi e trasmessi attraverso le interfacce, sono stati espressi sfruttando lo spettro di onde piane di un'onda cilindrica. Tale approccio consente di valutare la riflessione e trasmissione delle onde cilindriche che costituiscono le basi di espansione per i campi diffusi dai cilindri, essendo i coefficienti di trasmissione e riflessione noti solamente per le onde piane. Rispetto a quanto già affrontato in precedenza per il problema di scattering da cilindri immersi in un mezzo semi-infinito, è stato necessario ricorrere alla definizione di opportune funzioni cilindriche riflesse e riflesse-trasmesse da associare alle riflessioni multiple che si verificano all'interno dello strato dielettrico. Una trattazione rigorosa del problema deve, infatti, tener conto, almeno da un punto di vista teorico, di infinite riflessioni subite dal campo diffuso da parte delle interfacce piane. L'implementazione numerica ha introdotto un troncamento su tali riflessioni multiple, sotto criteri che consentano di mantenere un'elevata accuratezza dei risultati. Il metodo analitico e la relativa implementazione numerica, in linguaggio Fortran, sono stati testati mediante prove di auto-consistenza e confronti con la letteratura, ottenendo un ottimo accordo. Tali test hanno inoltre evidenziato come il metodo possa essere esteso al caso di cilindri sepolti in uno strato che termina su un piano di massa, o contenuti in un mezzo semi-infinito, eventualmente coincidente con il mezzo di provenienza del campo di eccitazione. L'esecuzione del codice ha inoltre dimostrato la possibilità di simulare geometrie di interesse nell'ambito del GPR (Ground Penetrating Radar), ad esempio in riferimento all'individuazione di cavità o di sottoservizi. In seguito, per ottenere una caratterizzazione sempre più accurata degli scenari indagati dai sistemi GPR, il metodo è stato esteso considerando una linea di corrente come eccitazione del problema. Associando un'onda cilindrica al campo irradiato dalla linea di corrente, i campi che derivano dalla sua riflessione e trasmissione da parte delle interfacce possono essere valutati utilizzando il concetto di spettro di onde piane di un'onda cilindrica, coerentemente con quanto già formulato per le funzioni cilindriche relative ai campi diffusi. Questa estensione è stata affrontata per cilindri perfettamente conduttori sepolti all'interno di un semispazio dielettrico. Il secondo filone di ricerca ha avuto come argomento lo studio della diffrazione di un'onda piana monocromatica da parte di strutture EBG (Electromagnetic Band-Gap), e l'utilizzo di queste nell'ambito del progetto e della realizzazione di antenne ad elevata direttività. E' noto che tra le principali proprietà dei materiali EBG vi è la presenza di una banda proibita, ossia un intervallo di frequenze all'interno del quale risulta inibita la trasmissione delle onde elettromagnetiche attraverso la struttura. Tuttavia, un'interruzione della periodicità consente di evidenziare la comparsa di picchi di trasmissione all'interno di tale banda. Ciò suggerisce di pensare ad applicazioni per il filtraggio, selettivo in frequenza e nello spazio, della radiazione elettromagnetica proveniente da una determinata sorgente. In una prima fase è stato studiato il woodpile, un particolare EBG tridimensionale, la cui cella elementare è costituita dalla sovrapposizione di quattro strati di barre allineate in modo che le barre appartenenti a due strati consecutivi risultano ortogonali, mentre barre parallele sono traslate di mezzo periodo. Del woodpile è stata considerata una particolare configurazione in cui la periodicità della struttura risulta interrotta, ottenendo, in definitiva, che implementa il Metodo agli Elementi Finiti, è stato simulato il comportamento di cavità woodpile in allumina da impiegare nel range delle microonde. Dopo un'estesa caratterizzazione di tali cavità, è stato possibile pensare ad un'applicazione nell'ambito del progetto di antenne di tipo planare, che utilizzando uno strato della cavità woodpile come superstrato, presentano caratteristiche di maggiore direttività rispetto al radiatore di partenza. Come primo radiatore di base è stata progettata un'antenna a doppia slot, costituita da due identiche fessure rettangolari su piano di massa. In seguito si è considerato come radiatore di base un'antenna a microstriscia. Entrambi i progetti hanno evidenziato un incremento di direttività superiore ai 10 dB, rispetto ad una configurazione in cui non si utilizzi il superstrato woodpile, ed un notevole effetto di riduzione dell'ampiezza del fascio principale. In una seconda fase, è stata affrontata la realizzazione di un woodpile in allumina e di un'antenna a patch da utilizzare come radiatore di base per un'antenna a cavità con superstrato woodpile. Sono stati costruiti due strati di woodpile identici, ed un opportuno supporto che consente di effettuare misure in trasmissione sugli strati, in configurazione di cavità e di distanziare uno dei due strati da un'antenna a patch realizzata con un laminato Rogers RT/Duroid 5870. I risultati finora prodotti sulla cavità hanno confermato quanto evidenziato dalle simulazioni in merito al comportamento selettivo in frequenza, mentre da alcune misure recentemente eseguite sull'antenna, con e senza woodpile, è stato confermato l'effetto di incremento di direttività introdotto dall'EBG.

Next generation optical access networks

2010-03-07T23:00:00Z

Next generation optical access networks Sacchieri, Valentina 2010-03-08 This thesis reports some investigations on different aspects that characterize the next generation optical access networks (NGAN) and that contribute in improving the performance of such networks. Due to the increasing demand for high speed transmission services from private and business users, the development of access network is evolving to the use of optical technologies. Passive optical networks (PON) seems to be the most promising solution for NGAN. This kind of networks has a simple topology, where the optical line terminator (OLT) sends the downstream information broadcast to the end users (optical network units ONU). Therefore, data confidentiality is one of the major issues and it is critically important that data transmitted cannot be theft at any point along the communication link by a potential eavesdropper. Optical code division multiple access (OCDMA) seems to have all the advantages to be a valid solution, since many users share the same optical resources by assigning a specific code to each user and the encoded signal shows a noise-like waveform. On the other side, an authorized user can decipher the transmission by the use of the correct code. Various OCDMA schemes had been proposed and demonstrated. When multiple users send simultaneously information with different codes, it is very difficult for an eavesdropper to intercept the correct data, without knowing the code. However, when a single user is active in the network, the security is not guaranteed, because an unauthorized user can easily detect the signal with a standard power detector. To cope with this vulnerability, code switching scheme have been proposed, where both marks and spaces are encoded with two different codes. In this case the information is hidden for an eavesdropper using a simple energy detector, but the system is still vulnerable against a differential detection. In this work, two different solutions have been proposed in order to increase the confidentiality level of an OCDMA network. The first exploits the properties of a multiport encoder/decoder (E/D) with an arrayed waveguide grating (AWG) configuration. This device has input and output ports and by a single input laser pulse a set of phase shifted keyed (PSK) codes is generated. The code cardinality equals the number of the device output ports. It is possible to enlarge the code cardinality and generate by sending laser pulses into n-dimensional codes different encoder input ports at the same time. Consid- ering different configurations, the multiport E/D is able to perform bit and block coding using 1-dimensional and n-dimensional codes. Moreover, to enlarge the cardinality in the case of bit-ciphering, spectral phase codes have been introduced. The security performance of a point-to-point (P2P) transmission have been analyzed in terms of robustness against brute-force code searching, known-plaintext and chosen plaintext attacks. Another possible solution to increase the confidentiality level of an OCDMA transmission and to avoid simple differential detection is to make the transmitted signal fully distorted, by the introduction of scrambling in optical signal processing. The concept of scrambling is borrowed from electronic encoding and wireless communications, where it has been introduced for data protection. It could be performed by adding or modifying components of the original signal, to make the extraction of the original signal difficult from an unauthorized user. Optically, a signal can be scrambled by adding one or more encoders in cascade with the primary OCDMA encoder. A scrambled signal is fully distorted and has a multilevel eye diagram. Therefore, a potential attacker has to try all the possible combinations between the code words to break the transmission. The security performance have been analyzed in terms of robustness against brute-force attack. A P2P transmission and two multi-user configurations have been proposed and numerically simulated by transmissionMaker software. The encoder/decoder devices have been simulated as VPISuper Structured Fibre Bragg Gratings (SSFBGs) that generates 15 chip codes, realizing a simple, feasible and compatible with current optical technologies system. A critical parameter in the next generation optical networks is the spectral efficiency, vi because all the new applications, such ad video conferences or real time games, require high information density. Advanced modulation schemes, such as differential phase shift keying (DPSK) and differential quadrature shift keying (DQPSK), have been applied to increase the spectral efficiency in optical transmissions. On the other hand, OCDMA technique others extraordinary network capabilities, allowing a large number of users to share the same bandwidth. In this case, the spectral efficiency is simultaneous users transmitting at a bit rate η = KB/∆f , B and ∆f where K is the number of is the optical bandwidth. Therefore, the influence of different advanced modulation formats on OCDMA transmission have been investigated in terms of spectral efficiency and bit error rate (BER). In particular, the following modulation formats have been compared: on-off keying (OOK), DUOBINARY, DPSK and DQPSK. Both incoherent and coherent encoding techniques have been analyzed, considering optical orthogonal codes (OOC) and Gold codes respectively. Multiple access interference (MAI) and beat noises have been also taken into account. In the future optical networks, besides high-speed Internet, voice over IP and broadcast video, the service demand will evolve to high bit rate and customization, namely a wide variety demand of quality of service (QoS). Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Optical OFDM) is a promising candidate in such networks, thanks to the fact that it meets the twofold requirement of mitigating transmission impairments and providing high bit rates. Moreover, due to the small bandwidth occupied by a single OFDM channel, it is characterized by high spectral efficiency and high tolerance to the fibre dispersions. Applied to PON networks, this technique allows to dinamically allocate different subbands for different services. Traditional OFDM system uses the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm to process the signal. Exploiting the properties of the Hartley transform, a real-valued trigonometric transform, a different optical OFDM system has been proposed and numerically simulated, achieving good transmission distances suitable for optical access networks. Instead of the FFT algorithm, the signal processing has been performed by the Fast Hartley Transform (FHT) algorithm that gives a real valued signal. This simplifies the conversion of the OFDM signal into an optical signal and allows to halve the number of the necessary digital-to-analog (DAC) and analog-to-digital (ADC) converters, because vii only the in-phase component has to be processed. Moreover, the frequency separation and orthogonality between the subchannels are kept and, thanks to the kernel of the Hartley transform, each symbol of the data sequence is carried by two symmetrical subbands, increasing the frequency diversity. In order to extend optical transparency to the access networks, providing the same bandwidth of the fibre, optical wireless systems can be a suitable alternative when wired connections cannot be established. In free space optics transmissions light is used as a carrier, but, unlike optical fibres, the light beam is transmitted through the air. A transparent wireless optical system have been experimentally tested, in order to overcome the electricalto-optical-to-electrical (E-O-E) conversion impairments. The optical beam is transmitted directly into the free space channel by a trunked fibre and a system of lens capable to collimate the beam over long distances. At the receiver, the beam is focused into the core of a standard single mode fibre (SMF), by means of a focusing lens and a GRIN lens. Such a system allows an all-optical processing of the transmitted data, the use of Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) technique, to increase the bit rate, and provides a fast and cost-effective connection for the access segment.

Soluzioni tecnologiche per il monitoraggio domiciliare di pazienti con patologie cardiovascolari

2010-03-07T23:00:00Z

Soluzioni tecnologiche per il monitoraggio domiciliare di pazienti con patologie cardiovascolari Triventi, Michele 2010-03-08 Il lavoro svolto trae motivazione e si inserisce all’interno di progetti di ricerca coordinati dall’Istituto Superiore di Sanità, per rispondere alle esigenze di individuare ed implementare soluzioni tecnologiche per monitoraggio domiciliare di parametri cardiovascolari. Il lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione e presso le strutture del Reparto di Bioingegneria Cardiovascolare del Dipartimento di Tecnologie e Salute dell’Istituto Superiore di Sanità e presso il Biolab3 della Facoltà di Ingegneria dell’ Università RomaTre. Il Piano Sanitario Nazionale 2006-2008 mostra come negli ultimi 20 anni sia cambiata la demografia del Paese: l’aspettativa di vita infatti è cresciuta fino a raggiungere i 79.1 anni per gli uomini e gli 84.4 anni per le donne. Si sviluppa conseguentemente anche il bisogno di servizi socio‐sanitari, in quanto molte patologie richiedono non solo interventi sanitari per la gestione della fase acuta, ma soprattutto servizi inerenti la vita quotidiana e la gestione della non‐autosufficienza, che devono essere effettuati nei luoghi dove il cittadino ne ha più bisogno. Nasce così la necessità di portare al domicilio del paziente i percorsi terapeutici, realizzando forme di assistenza a domicilio, che evitino da un lato al paziente il disagio dell’accesso a strutture specialistiche, dall’altro che consentano di ridurre il carico di pazienti gestiti direttamente dalle strutture specialistiche. Infarto cardiaco e ictus sono patologie diffuse, con una elevata incidenza e mortalità, nonché con una elevata disabilità ad esito e con notevoli costi associati alla fase riabilitativa. Il paziente post evento cardiovascolare acuto, dimesso dalla struttura specialistica, deve seguire un percorso terapeutico/riabilitativo che si protrae nel tempo e coinvolge sia le strutture della medicina di base, che l’ambiente familiare/domiciliare del paziente stesso. I più recenti dati di letteratura evidenziano l’importanza del raggiungimento dei target terapeutici (pressione arteriosa, frequenza cardiaca e glicemia) in tempi relativamente brevi al fine di ridurre la probabilità di nuovi eventi acuti. La tecnologia dei dispositivi medici attuali mette a disposizione di parte della popolazione metodi di automisura di parametri di interesse cardiovascolare, utili a delineare un quadro complessivo dello stato di salute ed una stima del rischio di eventi acuti. Tuttavia, molteplici fattori possono limitare la fruibilità di questi strumenti in particolari tipologie di pazienti, che, per ragioni socio‐economiche o culturali, non siano in grado di seguire autonomamente il percorso terapeutico e assistenziale previsto. In questi casi si rende necessario da un lato l’aiuto di familiari o di personale volontario e dall’altro un ulteriore sforzo tecnologico verso la semplificazione delle procedure di misura e di invio dei dati ai centri clinici di riferimento. Da qui l’idea d’indirizzare gli sforzi verso lo studio di soluzioni tecnologiche e metodi per telemedicina, con particolare riguardo alla trasmissione in ambiente wireless di segnali di interesse cardiovascolare. Il lavoro è finalizzato alla necessità di rispondere a due specifiche esigenze cliniche: garantire una continuità terapeutica nel percorso di assistenza al paziente dimesso dalle struttura ospedaliera dopo evento cardiovascolare o cerebrovascolare acuto (infarto, ictus) ed identificare soggetti a rischio di aritmie cardiovascolari. Entrambe queste esigenze cliniche hanno un impatto rilevante per il sistema sanitario, data l’elevata incidenza di eventi cerebrovascolari e cardiovascolari (circa il 30% delle morti nei Paesi industrializzati). Le soluzioni proposte, che dunque rappresentano la piattaforma tecnologica su cui basare nuovi modelli di continuità assistenziale e di monitoraggio domiciliare, si basano sulla trasmissione quotidiana, completamente automatica e wireless di parametri cardiovascolari (pressione arteriosa e glicemia) e sulla messa a punto di algoritmi per il riconoscimento di aritmie sulla base della irregolarità della frequenza cardiaca, con trasmissione automatica del dato diagnostico ricavato sulla base di un tracciato di pochi minuti, effettuato in maniera autonoma dal paziente. Nella individuazione delle scelte progettuali e realizzative si è cercato di prendere in considerazione tutti quei fattori che nel passato si sono dimostrati critici al fine di un reale utilizzo di applicazioni di telemedicina. La scelta dell’utilizzo di una soluzione wireless, nel caso specifico rappresentata dal servizio SMS (Short Message Service) della rete GSM, è basata sulla copertura praticamente completa che tale servizio ha sul territorio nazionale e su considerazioni di tipo tecnico/economico. I parametri misurati (pressione, glicemia ed ECG in una forma semplificata) sono stati individuati sulla base della maturità tecnologica, validazione clinica ed usabilità dei dispositivi di automisura per uso domiciliare (pressurometro e misuratore di glicemia). Per il monitoraggio delle aritmie si è invece sviluppata una soluzione basata su una semplificazione dell’attuale tecnologia degli elettrocardiografi, sia dal punto di vista dell’usabilità (utilizzo di una sola derivazione ECG, attraverso l’applicazione di soli 3 elettrodi, in luogo dello standard rappresentato da ECG a 12 derivazioni/10 elettrodi), che della robustezza degli algoritmi di analisi (utilizzo della sola irregolarità del ritmo cardiaco, in luogo dell’analisi della morfologia dei complessi ECG). Inoltre al fine di ottimizzare la tempistica del monitoraggio ECG nel paziente con FA intermittente è stata effettuata un’analisi statistica della distribuzione degli eventi di FA in pazienti con fibrillazione atriale parossistica, ricavati dal follow‐up di pazienti affetti da FA impiantati con dispositivi di elettrostimolazione cardiaca permanente. Questo approccio rappresenta certamente un elemento di novità ed originalità nel progetto di dispositivi di telemedicina. Nelle fasi di progettazione e realizzazione delle soluzioni tecnologiche ed algoritmiche proposte si è quindi data molta importanza alla necessità di realizzare oggetti usabili in ambiente domiciliare, da pazienti con limitata alfabetizzazione informatica e confidenza tecnologica. La realizzazione dei prodotti finiti ha richiesto una analisi delle soluzioni e dei prodotti esistenti sul mercato al fine di determinarne l’integrabilità con le piattaforme ipotizzate; lo sviluppo di hardware dedicato per l’integrazione della strumentazione per l’acquisizione di pressione arteriosa, glicemia ed ECG, con i moduli di elaborazione dei segnali e trasmissione wireless attraverso la rete GSM; la messa a punto di nuovi algoritmi per il riconoscimento di aritmie sulla base della irregolarità della frequenza cardiaca; Lo sviluppo su microcontrollore di firmware per il controllo dell’hardware di trasmissione e per l’implementazione degli algoritmi di riconoscimento delle aritmie cardiache. Ciò ha portato alla effettiva realizzazione di due soluzioni, rispettivamente dedicate alle due problematiche cliniche descritte: continuità assistenziale post evento acuto e monitoraggio domiciliare di aritmie cardiache, con particolare attenzione alla fibrillazione atriale. Le due soluzioni realizzate non potevano quindi non essere sottoposte ad una adeguata sperimentazione clinica. Ciò è stato fatto all’interno di due protocolli sperimentali cha hanno coinvolto complessivamente più di 80 pazienti, afferenti rispettivamente a due centri clinici (Servizio di Fisiopatologia Clinica del Policlinico Umberto I, dott. Stefano Strano e l’ambulatorio per lo studio della Fibrillazione Atriale dell’Ospedale S. Filippo Neri, dott. Francesco Mele), nell’ambito dell’attività di ricerca svolta nel Reparto di Bioingegneria Cardiovascolare del Dipartimento di Tecnologie e Salute dell’Istituto superiore di Sanità, con fondi derivanti da due progetti di ricerca specifici (Dispositivo Medico Portatile per il rilevamento automatico di eventi cardio‐respiratori con servizio di tele monitoraggio, finanziato dalla Regione Lazio; Un modello di valutazione domiciliare per pazienti post evento cardiovascolare acuto mediante telemonitoraggio di parametri cardiovascolari, finanziato dal Ministero della Salute). L’elaborato di tesi è organizzato in 5 capitoli. Nel Primo Capitolo vengono introdotti gli aspetti relativi alle malattie cardiovascolari rilevanti per comprendere le motivazioni cliniche alla base delle soluzioni tecnologiche proposte. Viene sottolineato come le malattie cardiovascolari rappresentino, nei Paesi occidentali, la prima causa di morte, nonché la principale causa di invalidità e si descrivono i fattori di rischio che ne favoriscono l’insorgenza, tra i quali i più importanti sono ipertensione arteriosa, diabete mellito e fibrillazione atriale. Questi fattori sono infatti quelli per i quali vengono sviluppate le soluzione proposte. Nel Secondo Capitolo si evidenzia l’importanza e l’opportunità della cura del paziente post evento cardiovascolare acuto anche al di fuori delle strutture sanitarie, mediante lo sviluppo di soluzioni tecnologiche di telecardiologia finalizzate all’implementazione di modelli di continuità assistenziale. Si presenta, quindi, il progetto e la realizzazione di una piattaforma per la trasmissione quotidiana e completamente automatica di pressione arteriosa, frequenza cardiaca e glicemia attraverso lo standard SMS della rete GSM. I passi fondamentali illustrano le scelte di progetto, l’individuazione dei dispositivi, l’assemblaggio del sistema e la validazione clinica, attraverso uno studio condotto su 20 pazienti. Il Terzo Capitolo, dopo una introduzione sulla fibrillazione atriale, esplora la possibilità di operare il riconoscimento della stessa sulla base dell’irregolarità della frequenza cardiaca, alla luce anche di recenti dati in letteratura. L’irregolarità dei battiti cardiaci è, nella maggior parte dei casi, estratta dal segnale ECG, mediante riconoscimento dei complessi QRS, quindi, in questo capitolo, si fornisce anche un’ampia e dettagliata documentazione sugli algoritmi per il riconoscimento del complesso QRS del segnale ECG. In particolare, si focalizza l’attenzione sull’algoritmo di Pan e Tompkins e su due indici di misura della irregolarità della frequenza cardiaca: l’entropia delle sequenze RR (distanza tra due battiti consecutivi) ed il coefficiente di variazione delle sequenze delle differenze prime degli intervalli RR (ΔRR). Al fine di implementare una criterio automatico di decisione, basato sui valori di CV e EN, si illustra un decisore basato sulla calcolo della distanza di Mahalanobis. Il Quarto Capitolo è dedicato al progetto e la realizzazione di un dispositivo di telemedicina per il riconoscimento della fibrillazione atriale e delle aritmie in generale, basato sull’analisi statistica della variabilità degli intervalli RR, estratti a partire dal segnale ECG. In particolare, si evidenzia l’implementazione degli algoritmi su microcontrollore, la validazione sperimentale, utilizzando registrazioni di segnali ECG del database del MIT‐BIH e l’integrazione del sistema con un circuito di front‐end per l’acquisizione del segnale ECG. Infine, in seguito alla validazione clinica del dispositivo attraverso uno studio condotto su 61 pazienti con storia di fibrillazione atriale parossistica, si analizzano le prestazioni dell’algoritmo in termini di specificità e sensibilità. Nel Quinto Capitolo viene descritta l’analisi statistica della distribuzione degli eventi di FA in pazienti con fibrillazione atriale parossistica, ricavati dal follow‐up di pazienti affetti da FA impiantati con dispositivi di elettrostimolazione cardiaca permanente. L’analisi è effettuata al fine di ottimizzare la tempistica del monitoraggio ECG nel paziente con FA intermittente. Nelle Conclusioni, vengono analizzati e discussi i risultati ottenuti.

Comunicazioni multimediali su reti TETRA 2

2010-03-07T23:00:00Z

Comunicazioni multimediali su reti TETRA 2 Cancellaro, Michela 2010-03-08

Audio Digital Signal Processing: techniques and applications

2009-04-02T22:00:00Z

Audio Digital Signal Processing: techniques and applications Belardinelli, Carlo 2009-04-03 Dottorato in Ingegneria dell'Elettronica Biomedica, dell'Elettromagnetismo e delle Telecomunicazioni (XXI Ciclo) Università di Roma3 Rome, Italy Audio Digital Signal Processing: techniques and applications Carlo Belardinelli Tutor Professor Gaetano Giunta Abstract In questa tesi viene descritta la mia attività di ricerca durante il corso di dottorato in Elaborazione Elettronica del Segnale Audio. Durante questi tre anni ho sviluppato il quadro di riferimento teorico in questo ambito e realizzando poi diverse applicazioni pratiche che vengono riportate in dettaglio nei capitoli seguenti dopo un'introduzione generale (Capitolo II). In particolare sono stati sviluppati i concetti seguenti: Nel terzo capitolo viene presentato un sistema di marchiatura digitale audio che permette la valutazione della qualità di una trasmissione in sistemi di comunicazione di terza generazione senza influire sul payload dei contenuti inviati né tantomeno peggiorare la qualità dei contenuti musicali trasmessi, sviluppato durante il primo anno di corso presso il dipartimento di Elettronica Applicata dell'Università di RomaTre: i risultati raggiunti confermano l'efficacia del sistema che ne permette l'applicazione in sistemi di comunicazione radio mobile di terza generazione (UMTS) e internet WIFI (IEEE 802.11). In particolare un watermark fragile viene inserito tramite tecniche spread-spectrum nel dominio DCT all'interno della regione delle frequenze medio-alte dei frame del segnale musicale. Il principio base dell'idea consiste nell'ipotesi che poiché marchio e segnale audio marchiato sono entrambi sottoposti alle stesse operazioni di codifica/decodifica e viaggiano sullo stesso canale di trasmissione, il livello di degradazione del watermark dopo la ricezione è supposto essere proporzionale al livello di deteriorazione subita dal segnale audio stesso. In ricezione è infatti a disposizione la versione originale del marchio (avente un payload trascurabile): una volta estratti i wateramrk ricevuti dai frame del segnale audio, questi vengono mediati di modo da ottenere un'unica versione del marchio ricostruito che puo' essere utilizzato come riferimento per il calcolo del QoS (Quality of Service) della trasmissione. Infatti, mentre l'uso del PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality, standard ITU BS-1387) è stato utilizzato per provare l'effettiva completa trasparenza del marchio all'udito umano, i risultati delle sperimentazioni testimoniano la sensibilità del sistema di marchiatura fragile proposto nell'ottenere una stima blind della bontà della comunicazione: l'errore quadratico medio del marchio (MSE), difatti, non solo si rivela essere proporzionale al numero di errori introdotti dal canale, ma é strettamente proporzionale all'errore quadratico medio del segnale audio rivevuto in cui é stato inserito. Nel periodo da visiting student presso il Signal Processing Lab della University of Cambridge (UK), ho implementato e verificato le prestazioni di un Phase Vocoder Probabilistico applicato alla ricostruzione dei campioni andati perduti all'interno di un file musicale. Nel quarto capitolo viene illustrato come questa applicazione abbia prestazioni incoraggianti per quel che riguarda la stima di informazioni musicali a contenuto informativo residuo nullo tramite strumenti di calcolo probabilistico-bayesiani. Dopo aver utilizzato il Phase Vocoder come modello generativo del segnale audio, viene definita la versione stocastica dello spazio di stato. Il Phase Vocoder Probabilistico permette l'applicazione di un filtraggio di Kalman e di uno smoothing secondo le equazioni di Rauch-Tung-Striebel. L'algoritmo di Expectation Maximization permette la derivazione di una procedura ricorsiva che permette infine di stimare iterativamente i parametri del suddetto spazio di stato che meglio approssimano i campioni mancanti tramite maximum likelihood. Infine presso il Fraunhofer Institut di Magdeburg in Germania ho sviluppato le ricerche sul tema "Interaction of Sound in Virtual Reality". In questo contesto: o Ho sviluppato e testato la funzione audio della piattaforma grafica per realtà virtuale, elaborata dal Virtual Development and Training Centre in seno all'Istituto stesso, che permette in maniera agile di ottenere suoni 3D all'interno di scenari virtuali (capitolo V). La core function è implementata utilizzando l'API OpenAL in maniera da rendere la realizzazione di contesti sonori virtuali, che si integrano con la rispettiva rappresentazione visiva, intuitiva ma al tempo stesso completa per la creazione e diffusione tridimensionale del segnale acustico. Per quanto riguarda il punto di vista dell'usufruitore degli scenari virtuali, la spazializzazione del suono è implementata in maniera efficace di modo tale che l'elaborazione sonora avviene real-time anche con hardware non dedicato. L' Audio Core Function permette innovativi usi del suono in rappresentazioni 3D che sono stati testati tramite diversi scenari virtuali qui di seguito riportate. o Ho ideato e implementato il workflow per un plugin che permetta di visualizzare nello spazio virtuale (in particolare all'interno della Digital Factory) il campo acustico, simulato in maniera fedele da efficienti strumenti di CAE appositi, generato da macchinari industriali (capitolo VI). Il livello di pressione sonora (SPL) viene calcolato in maniera fedele tramite accurate simulazioni ed elaborati strumenti di calcolo ricorrendo al Boundary e Finite Element Methods. I valori di SPL ottenuti al termine dell'analisi acustica possono venire importati facilmente dalla piattaforma di Realtà Virtuale, poiché vengono salvati in formato altamente editabile. In questo modo é possibilie verificare in 3 dimensioni la conformità di progetti di nuovi siti industriali alle norme sulle soglie di rumore in ambienti lavorativi e apportare eventuali correzioni (applicando anche tecniche di Active Noise Control, ANC), prima che la fabbrica sia concretamente realizzata. L'attività di ricerca da me svolta durante il dottorato è stata oggetto di presentazioni in conferenze internazionali (quali la IEEE European Signal Processing Conference 2006 a Firenze o l'IEEE Workshop on Application of Signal Processing on Audio and Acoustics 2007 a New Paltz, New York) e ha mostrato l'efficacia delle tecniche di DSP per quanto riguarda il segnale audio. Nella società odierna in cui si sovraccaricano i sensi -e quindi anche e soprattutto l'udito- di contenuti informativi, una migliore gestione del contenuto dell'informazione sonora può dunque essere una chiave per un progresso che aiuti effettivamente a vivere meglio.

Applicazioni ingegneristiche dei metamateriali per la realizzazione di componenti a microonde e a frequenze ottiche

2009-04-02T22:00:00Z

Applicazioni ingegneristiche dei metamateriali per la realizzazione di componenti a microonde e a frequenze ottiche Lauro, Sebastian Emanuel 2009-04-03 Il lavoro svolto in questi anni di ricerca si è indirizzato principalmente sullo studio dei metamateriali: in particolar modo, si è scelto di focalizzare l'attenzione sull'utilizzo di materiali che presentano valori negativi della permittività o permeabilità in una determinata banda di frequenza. Sono stati affrontati, principalmente, tre argomenti: le linee di trasmissione accoppiate in microstriscia, caricate con materiali a permittività negativa; il progetto di nano-circuiti a frequenze ottiche; la progettazione di polarizzatori a microonde e frequenze ottiche. Nella prima parte di questa tesi, dunque, è stata studiata e analizzata l'influenza di una lamina a permittività negativa posta all'interno del substrato di due linee accoppiate in microstriscia: è stato dimostrato che è possibile progettare un accoppiatore direzionale a onda progressiva che presenti valori di accoppiamento elevati, mantenendo delle dimensioni molto piccole rispetto a delle configurazioni tradizionali. Inoltre, è stato mostrato che è possibile ridurre i fenomeni di diafonia presenti sui circuiti stampati. Successivamente, è stato utilizzato un approccio circuitale tipico delle microonde e delle basse frequenze per la progettazione di nano-circuiti a frequenze ottiche ed è stato mostrato che sono ancora soddisfatte le leggi di Kirchhoff; sono stati poi progettati dei filtri attraverso tale approccio circuitale. Nell'ultima parte del lavoro, infine, è stato mostrato che uno strato di un mezzo birifrangente che presenti un elemento negativo della permittività o permeabilità sull'asse straordinario si comporta da filtro polarizzatore la cui risposta è indipendente dall'angolo di incidenza su un'ampia banda di frequenza. Sono stati quindi ideati due distinti progetti di polarizzatori, rispettivamente a microonde a frequenze ottiche.

Gestione della sicurezza nelle comunicazioni radio di ultima generazione

2009-04-02T22:00:00Z

Gestione della sicurezza nelle comunicazioni radio di ultima generazione Blasi, Daniele 2009-04-03 ABSTRACT Oggi le comunicazioni che avvengono su portante radio sono largamente diffuse. I punti critici di questo tipo di trasmissione sono molteplici. Inanzitutto, dal momento in cui il segnale non è inviato su una portante fisica, c'è la possibilità che qualcuno, (spesso indicato in letteratura come man in the middle), possa impadronirsi del suo contenuto informativo. Chiaramente l'intruso, per avere accesso ai dati, deve essere in grado di risalire tutta la pila procollare utilizzata. Il primo scoglio che l'attaccante deve superare è a livello fisico. In genere ci si affida a tecniche standard di cifratura. Nel presente lavoro, sono proposti dei sistemi in cui i dati cifrati sono inviati su segnali che hanno delle proprietà tali da non poter essere demodulati con successo senza una conoscenza a priori di tali caratteristiche. Ad esempio possono essere sfruttati alcuni gradi di libertà della tecnica di modulazione impiegata come l'offset in fase della portante. Un altro aspetto importante è rappresentato dall'accesso alla risorsa condivisa, ossia al canale, che, nei sistemi reali è limitata in banda. Questo punto è critico essenzialmente per due motivi: a) un attaccante, una volta entrato in una rete privata, potrebbe venire in possesso di dati personali o riservati; b) l'uso di una parte della risorsa da parte di un utente non autorizzato, implica che la relativa porzione di banda non sia più disponibile per gli utenti autorizzati all'accesso, e quindi riduce la portata effettiva del sistema. Ad esempio nei sistemi che prevedono un autenticatore, o un punto di accesso, è proprio quest'ultimo che deve controllare se le richieste di accesso possono essere accolte. Per raggiungere questo obiettivo, dovrà verificare se il contenuto informativo e la pila protocollare utilizzata risultano idonei. Ovviamente l'autenticatore dovrà risalire la pila ISO-OSI a partire dal livello fisico fino ad arrivare a quello di applicazione per verificare se i dati (ad esempio una password) sono corretti. Affinché l'utente venga riconosciuto è, in genere, sufficiente che i dati siano impacchettati in modo tale che la posizione e la quantità di extra-informazione introdotta ad ogli livello sia quella corretta, e che il contenuto della parte dati del livello di rete, di sessione e di applicazione sia quello desiderato. Nella presente tesi verrà mostrato come questo sistema di autenticazione può essere notevolmente migliorato introducendo dei controlli anche a livello MAC (Medium Access Control) e fisico. Ad esempio il centro di autenticazione potrebbe dover verificare se il protocollo di accesso al canale è stato usato correttamente, se la matrice generatrice di un eventuale codice convoluzionale sistematico utilizzato è quella giusta, e infine se il segnale fisico soddisfa tutte le proprietà del caso. Dal punto di vista dell'attaccante, per eludere i meccanismi di sicurezza associati agli alti strati della pila ISO-OSI spesso ci si affida a software, disponibili sul web, in grado di ricercare in tempi relativamente brevi la soluzione. Di converso effettuare un reverse-engeegniring su codice convoluzionale o su un turbo codice non è un qualcosa alla portata di tutti sia da un punto di vista di know-how che di disponibilità di risorse di calcolo. Inoltre, apparati come analizzatori di spettro ad alta frequenza (1-30Ghz) e i demodulatori di segnali hardware o software ad alte prestazioni possono essere molto costosi dal momento in cui impiegano tecnologie avanzate come le schede DSP (Discrete Signal Processor) e FPGA (Field Programmable Gate Array). In alcuni casi, il canale radio può anche essere rumoroso e la tratta può essere soggetta al fenomeno dei cammini multipli, quindi i segnali modulati numericamente in transito potrebbero essere affetti da errori e da interferenza intersimbolica. Di vitale importanza quindi l'uso di strategie di equalizzazione e di codifica di canale adeguate. Nella maggior parte dei casi il problema dell'autenticazione e della correzione degli errori introdotti dal canale di comunicazione sono trattati in modo separato, il che comporta una notevole riduzione della capacità del sistema e quindi della banda effettiva. In questo lavoro è mostrato come sia possibile usare i codici a correzione dell'errore come dei veri e propri codici ad autenticazione, ossia la ridondanza dovuta all'algoritmo di FEC (Forward Error Correction) non serve solo a correggere, ma può essere considerata come un hash dei dati. Se l'hash ricevuto coincide con quello memorizzato (tramite un canale sicuro, ad esempio cablato, o dedicato) durante una fase detta di registrazione, l'utente è riconosciuto e quindi può accedere alle risorse di interesse. Nel capitolo 2 sono descritti i sistemi con autenticazione e tutela della privacy basati su un algoritmo di livello fisico incentrato sul phase-hopping. È anche descritta una variante dell'algoritmo che implica il coinvolgimento delle funzioni di hash. Un aspetto interessante di questa alternativa risiede nella possibilità di utilizzo l'hash come algoritmo di correzione dell'errore. L'incremento del guadagno di codifica è pagato però con un maggior costo computazionale e quindi conun ritardo di elaborazione del segnale più significativo. Viene mostrato comunque come a seconda della capacità di calcolo del sistema si può ridurre o aumentare la capacità correttiva e contestualmente il costo computazionale. Nel capitolo 3 sono descritti i Turbo Codici, prestando particolare attenzione alla struttura matematica sia del codificatore che del decodificatore. Viene illustrata inoltre la moderna tecnica congiunta di decodifica ed equalizzazione iterativa nota come Turbo Equalizzazione, ponendo l'attenzione agli aspetti in comune con i turbo codici e a come la stessa tecnica può rappresentare un valore aggiunto nell'ambito di un algoritmo di sicurezza di livello fisico. Nel capitolo 4, che rappresenta il cuore della tesi, viene fornita dapprima un'esaustiva trattazione matematica dei codici A-FEC ossia i codici di autenticazione. A tal proposito sono indagate formalmente le loro prestazioni in termini di probabilità di impersonificazione, sostituzione e inganno. Il modello generale viene particolarizzato ai permuted-A-Turbo-Codes per i quali viene elaborata una tecnica matematica per calcolare, sulla base di una procedura di Neyman-Pearson, la soglia impiegata nello step di verifica del codice. Tale soglia è inoltre adattativi, ossia dipendente dalle condizioni di rumorosità del canale. La forza di questo algoritmo risiede nella sua natura soft: l'utente è riconosciuto se il funzionale di verosimiglianza della parola di codice, usata come se fosse un hash, supera la soglia, dove quest'ultima sarà tanto più alta quanto migliori saranno le condizioni del canale. Tutto lo schema di codifica pilotata dall'opportuno insieme di chiavi e decodifica guidata dallo stesso insieme è stato simulato utilizzando come livello fisico dei segnali OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) con costellazioni QAM (Quadrature Amplitude Modulation) sulle sotto-portanti. L'algoritmo di sicurezza proposto nel capitolo 5 fa infine riferimento ad una tecnica di accesso al canale CSMA (Carrier Sense Multiple Access) in cui il protocollo p-persistent è sovrapposto ad una TDMA (Time Division Multiple Access) basata sul TH (Time Hopping).