Wireless Network Security

Overview

Current Wireless Systems

5G Cellular Systems (LTE-Advanced)

• Much higher data rates than 4G/LTE (peak 1.3 Gbps)
  • 4G systems has 100 Mbps peak rates
• Greater spectral efficiency (bits/s/Hz)
  • Massive MIMO, Device to Device, Internet of Things
• Introducing new spectrum for communication
  • mmWave band for faster communication
• Low packet latency (<1ms)
• Cloud and edge computing for networking based on SDN/NFV
• Feasible to support real-time and live-streaming applications

4G Wireless LANs/WiFi (802.11ac)

• 802.11b (Old-1990s)
  • Standard for 2.4GHz ISM band (80 MHz)
  • Direct sequence spread spectrum (DSSS)
  • Speeds of 11 Mbps, approx. 500 ft range
• 802.11a/g (Middle Age -> mid-late 1990s)
  • Standard for 5GHz band (300MHz)/also 2.4GHz
  • OFDM in 20 MHz with adaptive rate/codes
  • Speeds of 54 Mbps, approx, 100-200 ft range
• 802.11n/ac WiFi4/5 (Current)
  • Standard in 2.4GHz and 5GHz band
  • Adaptive OFDM/MIMO in 20/40/80/160 MHz
  • Antennas: 2-4, up to 8
  • Speeds up to 600 Mbps/10 Gbps
• 802.11ax WiFi6 (Latest)
  • Standard in 2.4 GHz and 5 GHz band
  • Most characteristics are similar to WiFi 5
  • Speeds up to 9.6 Gbps, approx. 200 ft range

mmWave massive MIMO systems 毫米波大规模 MIMO 系统

• MIMO：Multiple-Input Multiple-Output 指无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。
• 毫米波有很大的非单调性路径损耗
• 毫米波的天线很小：非常适合大规模 MIMO
• 瓶颈: 信道估计和系统复杂性
• 非相干设计具有重大前景

Satellite Systems 卫星系统

• 覆盖范围很广
• 有不同的轨道高度
  • 地球同步轨道 GEOs（39000 公里）
  • 低地轨道 LEOs（2000 公里）
• 为单向传输而优化
  • 广播和电影广播
  • 大部分的双向系统破产了
• 全球定位系统 GPS
  • 卫星信号被用来确定位置
  • 在手机、导航设备中很受欢迎

Bluetooth 蓝牙

• 替代电缆的射频技术（成本低）
• 短距离通信（10 米，可扩展至 100 米）
• 频段：2.4GHz（拥挤）
• 1 个数据（700Kbps）和 3 个语音通道，最高可达 3Mbps
• 受到电信、个人电脑和消费电子公司的广泛支持

IEEE 802.15.4/Zigbee Radios

• 低速率、低功率、低成本的安全无线电
• 是对 WiFi 和蓝牙的补充
• 频段：784MHz、868MHz、915MHz、2.4GHz
• 数据速率：20Kbps、40Kbps、250Kbps
• 范围：10-100 米视线范围
• 支持大型网状网络或星形集群
• 支持低延时设备
• CSMA-CA 信道接入
• 应用：电灯开关、电表、交通，以及管理其他低功率传感器

Emerging Wireless Systems

• 6G Cellular and Advanced WiFi Systems

Ad hoc/mesh wireless network 无线临时网络

• 点对点通信
  • 没有骨干基础设施或集中控制
• 路由可以是多跳的
• 拓扑结构是动态的
• 完全连接，有不同的链路 SINR

Cognitive radio networks 感知无线电网络

• 感知无线电支持在现有拥挤频谱中添加新用户而不影响已授权用户的体验
• Multiple paradigms 多种范式
  • (MIMO) Underlay：将干扰控制在一个阈值之内
  • 交织发现/利用未使用的时间/频率/空间空隙
  • Overlay 叠加：听到/转发主要信息，并消除其对感知接收者的干扰

Wireless Sensor Network 无线感知网络

• 🔋能源的传输和处理是驱动约束 driving constraint
• 🗂️联合压缩 joint compression：数据流向集中的地点
• 🕸️每个节点速率低，但有几十到几千个节点
• 🤖在网络中而非设备中体现智能

Energy-constrained radios 低功耗无线电设备

• 通过缓慢地发送比特使传输能量最小化
  • 会导致电路能量消耗增加
• 短距离网络必须同时考虑发送和处理/电路的能量
  • 复杂的编码/解码不总是节能的
  • MIMO 技术不一定是节能的
  • 长传输时间不一定是最优的
  • 多跳路由不一定是最优的
  • Sub-Nyquist 采样可以减少能量，有时是最优的
• 可能的能源来源
  • 🔋电池和传统的充电机制
  • 📶无线电力传输
    • 在长距离和高功率的场景下缺乏研究
  • 与能量收集无线电 Energy Harvesting Radios 通信
    • 间歇性和随机的能量到达
    • 通信变得依赖于能量
    • 可以结合信息和能量传输
    • 需要新的无线电和网络设计原则