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Faszination Mobilfunk
1. Dezember 2014
Planetarium Wien
Ernst Bonek
Institute of Telecommunications Technische Universität Wien
Wofür verwenden Sie ihr Handy?
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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• Telefonieren • Internet surfen • Sozialkontakte pflegen, Gruppenzugehörigkeit
betonen • Navigation • Meine Sicherheit erhöhen • Überbrücken von Leerzeiten • Einfach Spaß • Anerkennung gewinnen • … • Ich verwende kein Handy
Ernst Bonek 1.Dezember 2014
Seite 3
Was Sie erwartet
Ein kurzer Rückblick
Warum Mobilfunk so ist, wie er ist
Neue Technik – 4. Generation (LTE), 5. Generation?
Fragen?
Autotelefonnetz C 450 MHz = 1.Generation
• Inbetriebnahme Nov.1984 • für Fahrzeugeinbau (auch tragbar 10 kg) • Anschaffungspreis ca. 50.000 öS = 4.000 € • erstes vollautomatisches Mobilfunknetz zellulares
Netz (Zellradius durchschnittlich 15 km)
1. Dezember Ernst Bonek
Seite 4
…aber
• Analog • Für jeden Kanal einen Sendeempfänger • Nicht verschlüsselt • Totale Zersplitterung in Europa (6 unvereinbare
Systeme)
Seite 5
Time
Frequency
Channel
Warum GSM gewann (2.Generation) Die digitalen Alternativen 1991: Iridium, Qualcomm CDMA • Politischer Wille in Europa • Kapazität hoch (8 Kanäle pro Frequenz) • SIM Karte • Internationales Roaming • Eine offene Norm
– Gegensatz zu US Philosophie: – Keine exzessiven Lizenzgebühren – Konsens statt Verdrängung wie
IBM, Microsoft, Apple,…
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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GSM (Global System for Mobile communication)
• Eine europäische Erfindung
Februar 2004 (Juni 2006, März 2008, Oktober 2014):
• 1 (2,3, 6.3*) Milliarden Verbindungen weltweit! = 70% (82%, 86.6%,89.9%) aller Mobiltelefone
• 541 (702) Netze in 197 (210) Ländern bzw Territorien (Nov 06, März 08), seit 2008 auch Nordkorea
mehr Länder als Coca Cola!
Dezember 2014 Ernst Bonek
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Source and current statistics: www.gsacom.com * 3gpp family=GSM, WCDMA(UMTS), LTE
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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Was Sie erwartet
Ein kurzer Rückblick
Warum Mobilfunk so ist, wie er ist
Neue Technik – 4. Generation (LTE), 5G
Fragen?
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
Seite 9
Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung
• Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen – Signalstärke ändert sich dramatisch – Echos der Funkwellen verzerren 0-1-Folgen
• Knappe Frequenzen
• Begrenzter Energievorrat
• Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Basisstation
Ortsamt 2
Basisstation: Funkempfänger und –sender + Antennen
öffentliches Telefonnetz
Jedes Handygespräch läuft übers Festnetz!
Ortsamt 1
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Mehrwegeausbreitung
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Gebäudedämpfung
0,01
<0,00120dB
1
1
1
1
0,99
20dB
~10dB
0,1
>30dB
0,01
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 13
d
Leistungsabnahme
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Wie groß ist das Signal?
Feldstärke-Anzeige am Handy: Mittelwert, 10 sek verzögert!
Echos verzerren die 0-1-Folgen
1. Dezember Ernst Bonek
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Funkwellen-Echos
Laufzeit der Funkwellen
Laufzeit der Funkwellen
Entzerrer braucht 6 MOPS!
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160 mal abtasten in 20 msec
In 0-1-Folge codieren Überflüssiges weglassen Formanten übertragen
GSM: 1 MOPS LTE: 86 MOPS
20 msec=1/50 Sekunde
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung
• Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen
• Knappe Frequenzen – Wiederverwendung -„Zellulares Prinzip“
– Interferenzbegrenzung!
• Begrenzter Energievorrat
• Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts
2GHz 3GHz1GHz300 MHz
UHF Band
Flugnavigation, Radar916-1215 MHz1300-1350MHz
Radio Astronomie1400-1427 MHz
1660-1668,4 MHzMobile Satelliten Systeme
Navigationssatellitenzivil / nicht zivil
1530-1660MHzUMTS
Erweiterungsband2500-2670 MHz
RadarFlugsicherung2700-3400 MHz
ISM Band2400-2483,5 MHz
Richtfunk1350-1400MHz1427-1530MHz
2030-2075MHz (nicht zivil)2205-2250MHz (nicht zivil)
Meteorologie Satelliten1668,4-1710MHz
Radar1215-1300MHz
Bündelfunksysteme, Amateurfunk, Rettungsfunk,
Gendarmerie, … Quelle: ERO European
Radiocommunications Office
TV470-862 MHz
erstellt: T.Neubauer
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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1. Dezember Ernst Bonek
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2GHz 3GHz1GHz
GSM1800
GSM1800
DECT
UMTS UMTS
UMTS Satellite
GSM 900
TETRA ISM
D-Netz
IRIDIUM
300 MHz
872890
905 917935 960915
950 MHz 1900 1980 2010 2110 2170 2200
1710 1785 1805 1880 19001621.35
1626.5410
430433.5
434.79450 470
MHz
MHz
MHz
UHF Band
880 925
EGSM
Quelle: , European Radiocommunications Office, erstellt:T. NeubauerERO
ISM, WLAN
LTE 2,5-2,79 GHz
„Digitale Dividende“
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Gleichkanal-Störung (Interferenz)
schon wieder Frequenz A !
Frequenz A
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 21
Mobilfunknetze sind interferenzbegrenzt!
• Mehrfache Nutzung derselben Frequenzen („Zellular“)
• Jeder, der telefoniert oder surft, stört alle anderen
=> Interferenzbegrenzung von Mobilfunknetzen (lauter Schreien hilft nicht!)
=> Sendeleistung sparen
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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• Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen
• Knappe Frequenzen
• Begrenzter Energievorrat
• Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts
Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Energie sparen! Der Akku ist der wunde Punkt, daher….Energie sparen! Sender und Empfänger teilen sich Energieverbrauch
• Handy sendet nicht im Stand-by-Betrieb
• Auch Teile des Empfänger werden stillgelegt, wenn nicht benötigt
• DTX = Handy sendet nur wenn ich spreche
• Sendeleistung reduzieren im Zusammenarbeit mit Basisstation
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Sendeleistung GSM-Handy
SendeleistungHandy
Zeit
Einschalten“Senden” = grünes Telefon drücken
Telefonieren
2W
1W
0,1W
1W
0,5W
0,05W
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Acht Handyfonierer teilen sich eine Frequenz
Quelle: Walter Ehrlich-Schupita
GSM 900, alle Zeitschlitze einer Basisstation Taubstummengasse Wien 4 HF-Einhüllende nach Gleichrichtung
Sen
dele
istu
ng
Zeit
Verlauf der Sendeleistung Se
ndel
eist
ung
{Wat
t}
0,16 Watt
0,003 Watt
0,000 000 3 Watt
GSM ist 25 Jahre!
GSM schlechte Versorgung GSM gute Versorgung UMTS gute Versorgung
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Wie lange hält eine Akku-Ladung?
• Wie alt ist der Akku? • Wie oft telefonieren Sie? • Wie oft schauen Sie Videos? • Wie weit sind Sie von der nächsten Basisstation
entfernt? (welcher Netzbetreiber?)
Im Stand-by sendet das Handy praktisch nicht!
Netz Stand-by
GSM 900, GSM1800
Gespräch: 9 Stunden
14 Tage
UMTS Video: 3,5 Stunden
14 Tage
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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• Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen
• Knappe Frequenzen
• Begrenzter Energievorrat
• Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts
Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Die SIM-Karte Eine kleiner Halbleiter-Chip • ohne den Sie nicht telefonieren können • der Sicherheit gegen Abhören bringt • der Telefonieren im Ausland ermöglicht
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Wie weiß der Netzbetreiber, wo ich bin? • Basisstationen senden immer ein Leuchtturmsignal • HLR Home Location Register
– Wenn ich erstmalig einschalte, sucht mein Handy nach einem „Leuchtturm“, nimmt also mit der nächstgelegenen Basisstation meines Betreibers Kontakt auf.
– Mein – ungefährer - Aufenthaltsort (+- 20 km!) wird in der Datenbank (=HLR) meines Betreibers vermerkt
• Roaming, VLR Visitor Location Register – Bin ich im Ausland, vergewissert sich der lokale Betreiber bei meinem
Betreiber zu Hause, ob ich brav gezahlt habe. Dann lässt er mich ein und trägt mich in sein VLR ein und empfängt 3 Zufallszahlen, mit denen er mein erstes Gespräch verschlüsselt
• Location Update – Wenn ich den „Location Area“ nicht verlasse und nicht telefoniere,
fragt mich der Betreiber alle paar Stunden: „Bist du noch da?“ Mein Handy antwortet: trrt, trrt, trrt
– Dieses Verfahren spart Akkuleistung und dem Betreiber Televerkehr, den er nicht verrechnen kann
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 31
Location Area (LA)
• Ein „location area“ (= Rufbereich) umfasst rund 50-100 Zellen
• Handy meldet sich bei Wechsel des LA
Sicherheit in Mobilfunknetzen
• IMEI (International Mobile Equipment Identity) • IMSI (International Mobile Subscriber Identity) • Authentifikation • Vertraulichkeit auf dem Funkweg durch drei Verschlüsselungsalgorithmen A3, A5, A8 (verschieden stark in verschiedenen Ländern)
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 33
Kann ich abgehört werden?
• ohne Mitwirkung des Netzbetreibers: de facto nicht
• besser am Festnetz als auf Funkweg
• nur mit richterlichem Auftrag
• seit der Verknüpfung des Mobilfunks mit dem Internet („Apps“) ist das Makulatur
• Google, Facebook und Apple wissen Alles über Sie – und sagen‘s der NSA
– ha,ha!
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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Was Sie erwartet
• Warum Mobilfunk so ist, wie er ist
• NeueTechnik – 4. Generation (LTE), 5G
• Fragen?
Was ist so neu an LTE?
• Vereinfachte Systemarchitektur (Node B) • Alles IP, geringere Latenzzeit • Nur Paketvermittlung
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 35
http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte
2.Generation 3. Gen. 4.Gen.
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 36
Wie groß ist die Feldstärke?
Was ist so neu an LTE?
• Auswahl des Kanals über OFDM • Orthogonal Frequency Division Multiplex
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 38
Wundersame Vermehrung der Datenübertragung: MIMO … multiple-input multiple output 2x2 4x4 8x8
U.S. Cellular® 2010. All rights reserved. For more information, contact erik.neitzel@uscellular.com.7
DL MIMO Techniques in LTE
• Transmission Modes 3 and 4: Spatial Multiplexing (SM)– The original signal is split into multiple, different
streams– Each stream is transmitted from a different
transmit antenna in the same frequency channel
– The signals from each transmit antenna arrive at the receiver with different spatial signatures, allowing the receiver to independently decode each stream, creating a parallel channel
– Used in areas of higher SNR– Increases the capacity of the channel, but does
not improve coverage– Theoretical increase in capacity of N-times the
spectral efficiency, where:• NxM MIMO• N= Number of transmit antennas• M= Number of receive antennas• M≥N
– In reality, the effectiveness of the capacity gain depends on:
• Channel conditions• Transmit antenna correlation• Receive antenna correlation
Tx Rx
Stream A, Code Word X
Stream B, Code Word Y
SNR
Spec
tral E
ffici
ency LTE MIMO Mode 3
and Mode 4 using SM
Source: ZTE, Ericsson, Alcatel-Lucent, 3GPP
Was ist so neu an LTE?
Handyantenne(n)
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Moderne Basisstation
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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900/1800 MHz 2G (GSM) λ=33/16 cm 2100 MHz 3G(UMTS) λ=14cm 2600 MHz 4G (LTE) λ=11cm 2x Antennen sind jeweils 5 λ lang
λ…Wellenlänge
SMART UP YOUR NETWORKwww.symena.com
pg. 11SMART UP YOUR NETWORKMIMO overview
Commercial in confidencepage 11
Vertical/Horizontal versus X-Pol antennas for MIMO
MIMO requires independent channels LOW correlation
Example 2x2 MIMO: Vertical polarization antenna:
the de-correlation has to happen in the propagation channel� LOS MIMO gain: 0
X-Pol antennaOrthogonality of polarizations used for sending different information. Orthogonality remains high in good signal level conditions� LOS MIMO gain: ~1.4-1.8
NoMIMO 2x2 4x4
MIMO für LTE
Jedes Handygespräch läuft übers Festnetz
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 42
Wohin soll die Antennengruppe senden?
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
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5. Generation?
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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• Viel Ankündigung
• Millimeterwellen (> 30 GHz) – Ausbreitung ähnlich Licht
• Massives MIMO: 100 und mehr Antennen auf der Basisstation, aber nicht immer alle aktiv
• 1000 Mbit/s unterwegs
Ernst Bonek 1. Dezember 2014
Seite 45
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
www.nt.tuwien.ac.at/about-us/staff/ernst-bonek/
1. Dezember 2014 Ernst Bonek
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Was Sie erwartet
Ein kurzer Rückblick
Warum Mobilfunk so ist, wie er ist
Neue Technik – 4. Generation (LTE), 5G
Fragen?
Oberster Sanitätsrat
Unter Berücksichtigung des aktuellen Stands der wissenschaftlichen Forschung ergibt sich folgende Bewertung aus gesundheitlicher Sicht bzw. können folgende Schlussfolgerungen und Empfehlungen getroffen werden: 1. Auch seit der Veröffentlichung der umfassenden wissenschaftlichen Übersichten (ICNIRP1, SCENIHR2, US National Cancer Institute3, IARC4) hat sich aus der wissenschaftlichen Faktenlage keine wesentliche Änderung der Beurteilung ergeben: gesicherte Erkenntnisse hinsichtlich gesundheitlich bedeutsamer Effekte liegen für Expositionen oberhalb der Grenz- bzw. Richtwerte vor, während für den Niedrigexpositionsbereich bislang eine gesundheitliche Schädigung nicht mit ausreichender Sicherheit nachgewiesen werden konnte.
27. August 2014 Ernst Bonek
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(Oder, wenn man es weniger geschwollen ausdrücken will: dass es im Niedrigexpositionsbereich keinen Nachweis einer gesundheitlichen Schädigung gibt. )
Quelle: Gesichtspunkte zur aktuellen gesundheitlichen Bewertung des Mobilfunks Empfehlung des Obersten Sanitätsrates Ausgabe 05/14