COM-405 Mobile Networks Prof. Jean-Pierre Hubaux - PowerPoint PPT Presentation

COM-405 Mobile Networks Prof. Jean-Pierre Hubaux http://mobnet.epfl.ch (redirected to Moodle) 1

About this course g The course is about the system aspects of mobile networking g Therefore, it covers: - networking issues (MAC, network and transport layers, principally) - estimation of network capacity and resource management - wireless security/privacy issues g It does not cover: - radio propagation models - modulation and equalization techniques - source or channel coding - speech coding or other signal processing aspects - software-centric aspects (e.g., operating systems, mobile agents, smart phone programming) g It is focused on mechanisms , and avoids as much as possible a detailed (and boring) description of standards g However, it does propose an insight on IEEE 802.11 and on the security of WLANs and cellular networks g Acronyms are abundant and we have to cope with them … g The course is also an attempt to get closer to the “real world” 2 g Heterogeneity of the audience

Web site http://mobnet.epfl.ch/ Of particular relevance: - Calendar - Material (all slides used at the lectures, homeworks, … ) - Previous exams 3

Recommended book D. P. Agrawal and Q.-A. Zeng Introduction to Wireless and Mobile Systems Third Edition, 2011 Cengage (hard copy or e-book) 4

Other Textbooks - M. Schwartz: Mobile Wireless Communications Cambridge University Press, 2005 - J. Schiller: Mobile Communications , Second Edition Addison-Wesley, 2004 http://www.inf.fu-berlin.de/inst/ag-tech/resources/mobkom/mobile_communications.htm - W. Stallings: Wireless Communications & Networks , Second Edition, Prentice Hall, 2005 http://www.WilliamStallings.com/Wireless/Wireless2e.html - L. Buttyan and JP Hubaux: Security and Cooperation in Wireless Networks Cambridge University Press, 2008 http://secowinet.epfl.ch

Module A – Introduction (Part A1) 6

Wireless communication and mobility g Aspects of mobility: user mobility : users communicate “anytime, anywhere, with anyone” device portability : devices can be connected anytime, anywhere to the network g Wireless vs. mobile Examples û û stationary computer (desktop) û ü Cable-Internet laptop in a hotel ü û wireless LANs in historic buildings ü ü smart phone g The demand for mobile communication creates the need for integration of wireless networks or mobility mechanisms into existing fixed networks: telephone network è cellular telephony (e.g., GSM, UMTS, LTE) local area networks è Wireless LANs (e.g., IEEE 802.11 or “WiFi”) Internet è Mobile IP

Examples of applications (1/2) g Person to person communication (e.g., voice, SMS) g Person to server (e.g., location-based services, timetable consultation, telebanking) g Vehicles position via GPS local ad-hoc network with vehicles close-by to prevent accidents, guidance system, adaptive cruise control transmission of news, road condition, weather, music via Digital Audio Broadcasting vehicle data (e.g., from buses, trains, aircrafts) transmitted for maintenance g Disaster situations replacement of a fixed infrastructure in case of earthquakes, hurricanes, fire etc. g Military networks 8

Upcoming application: road traffic GSM, UMTS TETRA, ... http://ivc.epfl.ch http://www.sevecom.org 9

Examples of applications (2/2) g Traveling salespeople direct access to customer files stored in a central location consistent databases for all agents mobile office g Replacement of fixed networks Sensors trade shows networks LANs in historic buildings g Entertainment, education, ... outdoor Internet access travel guide with up-to-date location dependent information ad-hoc networks for multi user games Location-dependent advertising 10

Location dependent services g Location aware services what services, e.g., printer, fax, phone, server etc. exist in the local environment g Follow-on services transmission of the actual workspace to the current location g Information services „push“: e.g., current special offers in the shop nearby „pull“: e.g., where is the closest Migros? g Support services caches, intermediate results, state information etc. „follow“ the mobile device through the fixed network g Location-Based Services (LBSs) Foursquare, Facebook Mobile, … 11

Modern mobile phones Quad ¡band ¡GSM ¡ ¡ ¡ ¡(850, ¡900, ¡1800, ¡1900 ¡MHz) ¡ ¡ GPRS/EDGE ¡ ¡ Tri ¡band ¡UMTS/HSDPA ¡ ¡ ¡ ¡(850, ¡1900, ¡2100 ¡MHz) ¡ ¡ LTE ¡(4G) ¡ ¡ GPS ¡+ ¡accelerometers ¡ ¡ WiFi ¡(802.11b/g/a/n) ¡ ¡ Bluetooth ¡ ¡ ¡ 12

Wireless enabled devices 13

Satellite Communications Global ¡PosiVoning ¡System ¡(GPS) ¡ 30 ¡satellites ¡currently ¡ Supports ¡1100 ¡concurrent ¡phone ¡calls ¡ Orbit ¡alVtude: ¡approx. ¡20,200 ¡km ¡ Orbit ¡alVtude: ¡approx. ¡780 ¡km ¡ Frequency: ¡1575.42 ¡MHz ¡(L1) ¡ Frequency ¡band: ¡1616-­‑1626.5 ¡MHz ¡ Bit-­‑rate: ¡50 ¡bps ¡ Rate: ¡25 ¡kBd ¡ CDMA ¡ FDMA/TDMA ¡ BTCC-­‑45 ¡Bluetooth ¡GPS ¡Receiver ¡ Iridium ¡9555 ¡Satellite ¡Phone ¡ ¡ 14 European ¡aTempt: ¡Galileo ¡

Wireless “Last Mile”: WiMax WiMAX ¡GP3500-­‑12 ¡omnidirec6onal ¡ antenna ¡ Frequency ¡band: ¡3400-­‑3600 ¡MHz ¡ Gain: ¡12 ¡dBi ¡ Impendence: ¡50 ¡ � ¡ Power ¡raVng: ¡10 ¡WaT ¡ VerVcal ¡beamwidth: ¡10 � ¡ ¡ ¡ WiMAX ¡PA3500-­‑18 ¡ direc6onal ¡antenna ¡ Frequency ¡band: ¡3200-­‑3800 ¡MHz ¡ Gain: ¡12 ¡dBi ¡ Impendence: ¡50 ¡ � ¡ Power ¡raVng: ¡10 ¡WaT ¡ VerVcal ¡beamwidth: ¡17 � ¡ Horizontal ¡beamwidth: ¡20 � ¡ 15 ¡

Wireless sensors Imote2 ¡ Cricket ¡Mote ¡ TelosB ¡Sensor ¡Mote ¡ Iris ¡Mote ¡ IEEE ¡802.15.4 ¡Chipcon ¡Wireless ¡Transceiver ¡ MicaZ ¡ Frequency ¡band: ¡2.4 ¡to ¡2.4835 ¡GHz ¡ Data ¡rate: ¡250 ¡kbps ¡ RF ¡power: ¡-­‑24 ¡dBm ¡to ¡0 ¡dBm ¡ Receive ¡SensiVvity: ¡-­‑90 ¡dBm ¡(min), ¡-­‑94 ¡dBm ¡(typ) ¡ Range ¡(onboard ¡antenna): ¡50m ¡indoors ¡/ ¡125m ¡outdoors ¡ 16

Radio-frequency Identification (RFID) SDI ¡010 ¡RFID ¡Reader ¡ ISO14443-­‑A ¡and ¡B ¡(13.56 ¡MHz) ¡ OperaVng ¡distance: ¡1cm ¡ CommunicaVon ¡speed: ¡up ¡to ¡848 ¡Kbit/s ¡ RFID ¡tag ¡ 17

Medical Implants Implantable ¡Cardioverter ¡Defibrillator ¡(ICD) ¡ OperaVng ¡frequency: ¡175kHz ¡ Range: ¡few ¡cenVmeters ¡ Medical ¡Implant ¡CommunicaVon ¡Service ¡(MICS) ¡ Frequency ¡band: ¡402-­‑405 ¡MHz ¡ Maximum ¡transmit ¡power ¡(EIRP): ¡25 ¡microwaT ¡ Range: ¡few ¡meters ¡ ¡ 18

Vehicular communications Dedicated ¡short-­‑range ¡communica6ons ¡(DSRC) ¡ Frequency ¡band ¡(US): ¡5.850 ¡to ¡5.925 ¡GHz ¡ Data ¡rate: ¡6 ¡to ¡27 ¡Mbps ¡ 19 Range: ¡up ¡to ¡1000m ¡ 19 ¡

Software Defined Radio Tuning ¡Frequency: ¡ 30KHz ¡-­‑ ¡30MHz ¡(conVnuous) ¡ Tuning ¡Steps: ¡ 1/5/10/50/100/500Hz ¡& ¡1/5/9/10KHz ¡ Antenna ¡Jacket ¡/ ¡Impedance: ¡ BNC-­‑socket ¡/ ¡50Ohms ¡ Max. ¡Allowed ¡Antenna ¡Level ¡: ¡ +10dBm ¡typ. ¡/ ¡saturaVon ¡at ¡-­‑15dBm ¡typ. ¡ Noise ¡Floor ¡(0.15-­‑30MHz ¡BW ¡2.3KHz): ¡ Standard: ¡< ¡-­‑131dBm ¡(0.06μV) ¡typ. ¡ HighIP: ¡< ¡-­‑119dBm ¡(0.25μV) ¡typ. ¡ Frequency ¡Stability ¡(15min. ¡warm-­‑up ¡ period): ¡ +/-­‑ ¡1ppm ¡typ. ¡ ¡ ApplicaVon: ¡CogniVve ¡Radios ¡ ¡ è è ¡ ¡Dynamic ¡Spectrum ¡Access ¡ ¡ 20

Mobile devices Laptop Wireless sensors • functionally eq. to desktop • Limited proc. power • standard applications • Small battery Mobile phones • voice, data • web access • location based services RFID tag Pager • A few thousands • receive only of logical gates PDA • tiny displays • Responds only • simple graphical displays • simple text to the RFID reader • character recognition messages requests (no battery) • simplified WWW performance 21

Wireless networks in comparison to fixed networks g Higher data loss-rates due notably to interferences emissions of e.g., engines, lightning, other wireless networks, micro- wave ovens g Restrictive regulations of frequencies Usage of frequencies has to be coordinated, useful frequencies are almost all occupied (or at least reserved) g Lower transmission rates From a few kbit/s (e.g., GSM) to a 100s of Mbit/s (e.g. WLAN) g Higher jitter g Lower security (higher vulnerability) g Radio link permanently shared è need of sophisticated MAC g Fluctuating quality of the radio links g Unknown and variable access points è authentication procedures g Unknown location of the mobile station è mobility management 22