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

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COM-405 Mobile Networks

• Prof. Jean-Pierre Hubaux

http://mobnet.epfl.ch (redirected to Moodle)

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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” g Heterogeneity of the audience

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Web site

http://mobnet.epfl.ch/ Of particular relevance:

• Calendar
• Material (all slides used at the lectures, homeworks,…)
• Previous exams

Recommended book

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• D. P. Agrawal and Q.-A. Zeng

Introduction to Wireless and Mobile Systems Third Edition, 2011 Cengage (hard copy or e-book)

Other Textbooks

http://www.inf.fu-berlin.de/inst/ag-tech/resources/mobkom/mobile_communications.htm

• J. Schiller: Mobile Communications, Second Edition

Addison-Wesley, 2004

• 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

• M. Schwartz: Mobile Wireless Communications

Cambridge University Press, 2005

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Module A – Introduction (Part A1)

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

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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

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Upcoming application: road traffic

GSM, UMTS TETRA, ...

http://ivc.epfl.ch http://www.sevecom.org

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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, ...

• utdoor Internet access

travel guide with up-to-date location dependent information ad-hoc networks for multi user games Location-dependent advertising

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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,…

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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 ¡ ¡ ¡

Modern mobile phones

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Wireless enabled devices

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Satellite Communications

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

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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 ¡ ¡

Wireless “Last Mile”: WiMax

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IEEE ¡802.15.4 ¡Chipcon ¡Wireless ¡Transceiver ¡ 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 ¡ TelosB ¡Sensor ¡Mote ¡ MicaZ ¡ Imote2 ¡

Wireless sensors

Iris ¡Mote ¡ Cricket ¡Mote ¡

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

Radio-frequency Identification (RFID)

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Implantable ¡Cardioverter ¡Defibrillator ¡(ICD) ¡

Medical Implants

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 ¡ ¡

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Vehicular communications

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

20 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. ¡ ¡

Software Defined Radio

ApplicaVon: ¡CogniVve ¡Radios ¡ ¡è è ¡ ¡Dynamic ¡Spectrum ¡Access ¡ ¡

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Mobile devices

performance

Pager

• receive only
• tiny displays
• simple text

messages Mobile phones

• voice, data
• web access
• location based services

PDA

• simple graphical displays
• character recognition
• simplified WWW

Laptop

• functionally eq. to desktop
• standard applications

Wireless sensors

• Limited proc. power
• Small battery

RFID tag

• A few thousands
• f logical gates
• Responds only

to the RFID reader requests (no battery)

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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

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History of wireless communication (1/3)

g Many people in History used light for communication

heliographs, flags („semaphore“), ... 150 BC smoke signals for communication (Greece) 1794, optical telegraph, Claude Chappe

g Electromagnetic waves are of special importance:

1831 Faraday demonstrates electromagnetic induction

• J. Maxwell (1831-79): theory of electromagnetic Fields, wave

equations (1864)

• H. Hertz (1857-94): demonstrates

with an experiment the wave character

• f electrical transmission through space

(1886)

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History of wireless communication (2/3)

g 1895

Guglielmo Marconi

first demonstration of wireless telegraphy long wave transmission, high transmission power necessary (> 200kw)

g 1907

Commercial transatlantic connections

huge base stations (30 to 100m high antennas)

g 1915

Wireless voice transmission New York - San Francisco

g 1920 Discovery of short waves by Marconi

reflection at the ionosphere smaller sender and receiver, possible due to the invention of the vacuum tube (1906, Lee DeForest and Robert von Lieben)

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History of wireless communication (3/3)

g 1928 Many TV broadcast trials (across Atlantic, color

TV, TV news)

g 1933 Frequency modulation (E. H. Armstrong) g 1946 First public mobile telephone service in 25 US

cities (1 antenna per city…)

g 1976 Bell Mobile Phone service for NY city g 1979 NMT at 450MHz (Scandinavian countries) g 1982 Start of GSM-specification

goal: pan-European digital mobile phone system with roaming

g 1983 Start of the American AMPS (Advanced Mobile

Phone System, analog)

g 1984 CT-1 standard (Europe) for cordless telephones g 1992 First deployment of GSM g 2002 First deployment of UMTS g 2010 - 2013 LTE standards mature, first trials

Wireless systems: development over the last 25 years

cellular phones satellites wireless LAN cordless phones

1992: GSM 1994: DCS 1800 2001: UMTS/IMT-2000 CDMA-2000 (USA) 1987: CT1+ 1982: Inmarsat-A 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium 1989: CT 2 1991: DECT 199x: proprietary 1997: IEEE 802.11 1999: 802.11b, Bluetooth 1988: Inmarsat-C analog digital 1991: D-AMPS 1991: CDMA 1981: NMT 450 1986: NMT 900 1980: CT0 1984: CT1 1983: AMPS 1993: PDC 2000: GPRS 2000: IEEE 802.11a,g

NMT: Nordic Mobile Telephone DECT: Digital Enhanced Cordless Telecom. AMPS: Advanced Mobile Phone System (USA) DCS: Digital Cellular System CT: Cordless Telephone PDC: Pacific Digital Cellular UMTS (3G): Universal Mobile Telecom. System PAN: Personal Area Network LTE (4G): Long Term Evolution UMA: Universal Mobile Access

2005: VoIP-DECT 2012 LTE 2009: IEEE 802.11n 2010 UMA

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Areas of research in mobile communication

g Wireless Communication

transmission quality (bandwidth, error rate, delay) modulation, coding, interference media access ...

g Mobility

location dependent services, also called location based services location transparency quality of service support (delay, jitter) security ...

g Portability

integration (“system on a chip”) power consumption limited computing power, sizes of display, ... usability ...

g Security/privacy

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Reference model

Application Transport Network Data Link Physical Data Link Physical Application Transport Network Data Link Physical Data Link Physical Network Network Radio link

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Influence of mobile communication on the layer model

location-dependent services new applications, multimedia adaptive applications congestion and flow control quality of service addressing, routing, mobility management hand-over media access multiplexing modulation power management, interference attenuation frequency allocation

g Application layer g Transport layer g Network layer g Data link layer g Physical layer

security

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Overlay Networks - the global view

wide area metropolitan area campus-based in-house vertical hand-over horizontal hand-over Integration of heterogeneous fixed and mobile networks with varying transmission characteristics

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References (in addition to the recommended textbooks)

g B. Walke: Mobile Radio Networks, Wiley, Second

Edition, 2002

g T. Rappaport: Wireless Communications, Prentice

Hall, Second Edition, 2001

g A. Goldsmith: Wireless Communications,

Cambridge University Press, 2005

g D. Tse and P. Viswanath: Fundamentals of Wireless

Communication, Cambridge University Press, 2005