Van-Lan Dao försvarar sin doktorsavhandling i datavetenskap

Van-Lan Dao försvarar sin doktorsavhandling inom forskarutbildningsämnet datavetenskap fredagen den 13 oktober 2023 klockan 13:30 i sal Paros (Västerås) och via Zoom.

Titel: “Using Outage Probability to Tailor Communication Protocols Suitable for Cyber-Physical Systems Operating in Confined Areas”.

Utsedd opponent är Professor Viktoria Fodor, KTH.

Betygsnämnden utgörs av: Professor Mats Bengtsson, KTH; Professor Fredrik Brännström, Chalmers; Principle Researcher Stefan Parkvall, Ericsson.

Utsedd reserv är Professor Jens Zander, KTH.

Avhandlingen har nummer 385.

Sammanfattning

Vissa typer av trådlösa närverk kopplar samman maskiner och människor som samarbetar inom ett begränsat område, exempelvis ett stenbrott, en gruva, en hamn eller en byggarbetsplats. För att garantera att kommunikationen mellan olika noder i sådana system fungerar smidigt, måste de trådlösa kommunikationsprotokollen leva upp till stränga krav, även då olika typer av störningar inträffar. Arbetet i den här doktorsavhandlingen syftar till att hitta prestandamått som är lämpliga både för att designa och för att utvärdera trådlösa nätverk som används för att koppla samman olika aktörer som samarbetar inom avgränsade områden. Med tanke på bristen på spektrum och den ökade risken för cyberattacker som uppmärksammats den senaste tiden, behöver kommunikationsprotokollen också anpassas för att prestera bra när de utsätts för kraftiga störningar och/eller cyberattacker. För att vara användbara i praktiken krävs mått som kan utvärderas under körning, så att de inte bara kan användas för att utveckla, välja eller skräddarsy kommunikationsprotokollen, utan också för att optimera deras prestanda direkt under körning.

Litteraturundersökningen som genomförts i denna avhandling visar att ett tillförlitlighetsmått som använder tröskelvärden för den så kallade” outage probability” (sannolikheten för avbrott i den trådlösa kommunikationen) är värdefullt för att utveckla såväl som för att kontinuerligt optimera kommunikationsprotokoll. Problemet är att sannolikheten för avbrott definieras som sannolikheten att en enskild trådlös länk kommer att drabbas av ett avbrott. Det inbegriper alltså inte tillförlitligheten för hela nätverket inom det begränsade området.

Avhandlingen visar att det är möjligt att formulera övergripande prestandamått som kan användas för att utvärdera sannolikheten för avbrott för varje enskilt paket från en specifik källa till en specifik slutdestination även då paketet tillåts använda alla tillgängliga länkar i nätverket. På så sätt är det möjligt att utvärdera den totala sannolikheten för avbrott i kommunikationen för alla paket som ska kommuniceras inom hela nätverket. Sannolikhetsmåttet för avbrott i kommunikationen kan därmed definieras för olika systemmodeller och uttryckas i sluten form för avbrott på en specifik länk, ett specifikt paket, alla länkar eller alla paket i nätverket, och detta både med och utan närvaron av en angripare och/eller starka störningar. Dessa tillförlitlighetsmått kan således användas för att analysera effekterna av flera viktiga parametrar såsom fördelning av signalstyrka mellan noderna, nodernas relativa positioner, användningen av särskilda relänoder eller av omsändningar.

Analysen gör det därigenom möjligt att tillhandahålla en uppsättning allmänna riktlinjer för att skräddarsy kommunikationsprotokollen och förbättra kommunikationssäkerheten för alla legitima noder i nätverket. Att ha väldefinierade matematiska uttryck för tillförlitlighetsmåtten möjliggör också omräkning och justering av parametrar snabbare och därmed hitta den bästa lösningen för att förbättra kommunikationens tillförlitlighet direkt under körning.

Avhandlingsarbetet visar hur sannolikheten för avbrott kan användas för att förbättra systemets prestanda i flera exempelscenarier, inklusive system som tillåter att flera användare kommunicerar samtidigt, eller de som har mobila accesspunkter och/eller relänoder. Att analysera sannolikheten för avbrott i kommunikationen kan därmed appliceras på ett befintligt kommunikationssystem för att förbättra tillförlitligheten, robustheten och flexibiliteten samtidigt som en låg fördröjning kan bibehållas.