28. Februar 2017 Planetarium Wien · • 800 MHz “Digitale Dividende”, GSM USA, LTE 37 cm •...

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Wie funktioniert eigentlich ein Handy? 28. Februar 2017 Planetarium Wien Ernst Bonek Institute of Telecommunications Technische Universität Wien

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  • Wie funktioniert eigentlich ein Handy?

    28. Februar 2017

    Planetarium Wien

    Ernst Bonek

    Institute of Telecommunications Technische Universität Wien

  • Ernst Bonek

    Spektrum elektromagnetischer Wellen

    28. Februar 2017 Seite 4

    Mobilfunk und….

    Spektrum elektromagnetischer Wellen – eine nicht erweiterbare Ressource

    Energie

  • Ernst Bonek

    Funkwellen sind teuer

    28. Februar 2017 Seite 5

    2 Milliarden Euro für das exklusive Recht auf diesen Frequenzen zu funken!

  • Ernst Bonek

    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

    28. Februar 2017

    ISM, WLAN

    LTE 2,5-2,79 GHz

    Seite 6

  • Ernst Bonek

    d

    Abnahme der Empfangsleistung

    28. Februar 2017 Seite 7

    Kugelfläche = 4πd2

  • Ernst Bonek

    Das zellulare Prinzip

    28. Februar 2017 Seite 8

    23 Februar 2017 2 Quelle:IKTacademy,Mobilnetze,DIJosefMatheis

    Mobile Access Network: GSM Characteristics

    Handy = cell phone

  • Ernst Bonek

    Wenn einer...

    •  zur selben Zeit •  auf derselben Frequenz •  in derselben Zelle •  ...telefoniert oder surft, stört er alle anderen

    => Interferenzbegrenzung von Mobilfunknetzen (lauter Schreien verbessert nicht die Verständigung)

    => so wenig wie möglich senden

    28. Februar 2017 Seite 9

  • Ernst Bonek

    1.  Knappe verfügbare Frequenzen 1.  Interferenzbegrenzung

    2.  Wiederverwendung -„Zellulares Prinzip“ 2.  Wellen und Antennen

    3.  Funkkanal a priori unbekannt

    4.  Handy muss seine Energie mitführen

    5.  …..aber Alle wollen telefonieren bzw. surfen

    Ihre Fragen

    28. Februar 2017 Seite 10

    Physikalisch-technische Probleme des Handys

  • Ernst Bonek

    1.  Knappe verfügbare Frequenzen, „Interferenz“

    2.  Wellen und Antennen

    3.  Funkkanal a priori unbekannt

    4.  Handy muss seine Energie mitführen

    5.  …..aber Alle wollen telefonieren bzw surfen

    28. Februar 2017 Seite 11

    Physikalisch-technische Probleme des Handys

  • Ernst Bonek

    Prinzip einer Sendeantenne

    28. Februar 2017 Seite 12

  • Ernst Bonek

    Gebäudedämpfung

    0,01

    30dB

    0,01

    28. Februar 2017 Seite 13

  • Ernst Bonek

    d

    Abnahme der Empfangsleistung

    28. Februar 2017 Seite 14

    Handy funktioniert noch bei einer Empfangsleistung von nur 0,000 000 000 000 1 Watt!

  • Ernst Bonek

    Handyantenne - Detail

    28. Februar 2017 Seite 15

  • Ernst Bonek

    Prinzip vieler Handyantennen

    28. Februar 2017 Seite 16

    L

    H

    H+L ≈ λ ⁄4

  • Ernst Bonek

    •  800 MHz “Digitale Dividende”, GSM USA, LTE 37 cm •  900 MHz GSM Welt, LTE 33 cm •  1800 MHz GSM Welt, LTE 17 cm •  1900 MHz PCS USA 16 cm •  2100 MHz UMTS, LTE 14 cm •  2600 MHz LTE 11 cm

    •  13,56 MHz NFC Near Field Communication 22 m •  1575.42 MHz GPS, Galileo 19 cm •  2450 MHz WLAN, Bluetooth 12 cm

    Antennen für welche Freqenzen?

    28. Februar 2017 Seite 17

  • Ernst Bonek

    Handyantenne(n)

    28. Februar 2017 Seite 18

  • Ernst Bonek

    Von wo empfangen?

    28. Februar 2017 Seite 19

    SI MU LATED ZA

    - - - E ,

    MEASURED A2

    Ref= 1 OdB 10 dB/div

    Figure 2: Calculated and measured radiation patterns of the RCDLA for f = 1895MHz

    1 .am 2 0 0 2.1m Fr- in GHz

    Figure 3 : Measured and simulated VSWR of t h e KCDLA (no additional matching structures)

    U 42 Y

    all dimensions in millimeters ‘L

    Figure 4: Dirnensions of the RCTLA

    850

  • Ernst Bonek

    Basisstation sendet/empfängt anders

    28. Februar 2017 Seite 20

  • Ernst Bonek

    1.  Knappe verfügbare Frequenzen, „Interferenz“

    2.  Wellen und Antennen

    3.  Funkkanal a priori unbekannt 1.  Signalstärke ändert sich dramatisch 2.  Echos der Funkwellen verzerren 01-Folgen

    4.  Handy muss seine Energie mitführen

    5.  …..aber Alle wollen telefonieren bzw. surfen

    28. Februar 2017 Seite 21

    Physikalisch-technische Probleme des Handys

  • Ernst Bonek

    Netzknoten (“Ortsamt”)

    Basisstation: Funkempfänger und –sender + Antennen

    öffentliches Telefonnetz

    Netzknoten (“Ortsamt”)

    28. Februar 2017 Seite 22

    (Fast) jedes Handygespräch läuft auch übers Festnetz

  • Ernst Bonek

    Funkwellen breiten sich über viele Wege aus

    28. Februar 2017 Seite 23

    Funkkanal ist ortsabhängig, frequenzabhängig, zeitvariabel

  • Ernst Bonek

    Wie groß ist das Empfangssignal des Handys wirklich?

    28. Februar 2017 Seite 24

    Ein Schnappschuss

  • Ernst Bonek 28. Februar 2017 Seite 25

    Wie groß ist das Empfangssignal des Handys wirklich?

  • Ernst Bonek

    Funkwellenechos verzerren das Signal

    Funkwellen-Echos

    Laufzeit der Funkwellen in µs (millionstel Sekunden)

    Laufzeit der Funkwellen

    28. Februar 2017 Seite 26

  • Ernst Bonek

    Exkurs: Digitale Phasenmodulation

    28. Februar 2017 Seite 27

    BPSK binary phase shift keying

    Die Information steckt nicht in der Amplitude, sondern in der Phase der Funkwelle

    1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1

  • Ernst Bonek 28. Februar 2017 Seite 28

    Funkwellenechos verzerren das Signal

  • Ernst Bonek

    GSM Funkkanal

    •  FDM/TDMA

    Seite 29

    Zeit

    Kanal Zeitschlitz

    4,6 ms

  • Ernst Bonek

    •  Daher brauchen Handys einen sog. Entzerrer oder “Equalizer”

    •  Dieser “Equalizer” macht die Verzerrungen des Funkkanals rückgängig und das Handy kann die 0-1 Folgen richtig schätzen

    Entzerrung des Funkkanals

    28. Februar 2017 Seite 30

    Er braucht 6 Millionen Additionen/Multiplikationen pro Sekunde = 6 MOPS, damit die gesamter Sprachverzögerung nicht länger als 23 Millisekunden dauert

    H8KTE

  • Ernst Bonek Seite 31

    160 mal abtasten in 20 msec

    In 0-1-Folge codieren Überflüssiges weglassen Formanten übertragen

    20 msec=1/50 Sekunde

    28. Februar 2017

  • Ernst Bonek Seite 32 28. Februar 2017

  • Ernst Bonek

    Sprachcodierung

    •  GSM: Übertragen wird nur 300-3400 Hz •  160 Abtastwerte in 20 msec (= minimale Verzögerung) •  “nur” 1 MOPS

    28. Februar 2017 Seite 33

    •  UMTS adaptiver Multiratencoder .amr •  320 Abtastwerte in 20msec; 23 msec Verzögerung •  40 MOPS

    •  LTE: 50-14000 Hz •  EVS codec 32msec Verzögerung •  86 MOPS

    2G 3G 4G

  • Ernst Bonek

    1.  Knappe verfügbare Frequenzen, „Interferenz“

    2.  Wellen und Antennen

    3.  Funkkanal a priori unbekannt

    4.  Handy muss seine Energie mitführen 1.  im Gegensatz zur Basisstation!

    5.  …..aber Alle wollen telefonieren bzw. surfen

    28. Februar 2017 Seite 34

    Physikalisch-technische Probleme des Handys

  • Ernst Bonek

    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 des Handys wird auf Befehl der Basisstation auf das nötige Minimum reduziert

    28. Februar 2017 Seite 35

  • Ernst Bonek

    Leistungsregelung GSM

    28. Februar 2017 Seite 36

    Sen

    dele

    istu

    ng

    Zeit

  • Ernst Bonek

    Sendeleistung Basisstation

    Quelle: Walter Ehrlich-Schupita

    GSM 900, alle Zeitschlitze einer Basisstation Taubstummengasse Wien 4 HF-Einhüllende nach Gleichrichtung

    Sen

    dele

    istu

    ng

    Zeit

    28. Februar 2017 Seite 37

  • Ernst Bonek

    Verlauf der Sendeleistung Se

    ndel

    eist

    ung

    {Wat

    t}

    0,16 Watt

    0,003 Watt

    0,000 000 3 Watt

    GSM ist mehr als 25 Jahre alt!

    GSM schlechte Versorgung GSM gute Versorgung

    28. Februar 2017 Seite 38

    UMTS gute Versorgung

  • Ernst Bonek

    Wie lange hält eine Akku-Ladung?

    •  Wie alt ist der Akku? •  Wie viele Apps verwenden Sie? •  Wie oft schauen Sie Videos?

    Im Stand-by sendet ein Handy ohne Apps praktisch nicht

    - auch nicht beim Zellwechsel!

    Netz Stand-by

    GSM 900, GSM1800

    Gespräch: 9 Stunden

    14 Tage

    UMTS LTE

    Video, Apps: 3,5 Stunden

    14 Tage

    28. Februar 2017 Seite 39

    •  Wie weit sind Sie von der nächsten Basisstation entfernt? (welcher Netzbetreiber?)

  • Ernst Bonek

    Location Area (LA)

    •  Ein „location area“ (= Rufbereich) umfasst rund 50-100 Zellen •  Handy meldet sich erst bei Wechsel des LA, nicht beim

    Zellwechsel

    28. Februar 2017 Seite 40

  • Ernst Bonek

    1.  Knappe verfügbare Frequenzen, „Interferenz“

    2.  Wellen und Antennen

    3.  Funkkanal a priori unbekannt

    4.  Handy muss seine Energie mitführen

    5.  …..aber Alle wollen telefonieren bzw. surfen 1.  SIM 2.  Einbuchen 3.  Verschlüsselung

    28. Februar 2017 Seite 41

    Physikalisch-technische Probleme des Handys

  • Ernst Bonek

    Die SIM-Karte Eine kleiner Halbleiter-Chip •  ohne den Sie nicht telefonieren können •  der Sicherheit gegen Abhören bringt •  der Telefonieren im Ausland ermöglicht

    28. Februar 2017 Seite 42

  • Ernst Bonek

    Sicherheit in Mobilfunknetzen

    •  IMEI (International Mobile Equipment Identity) *#06# •  IMSI (International Mobile Subscriber Identity) •  Authentifikation •  Vertraulichkeit auf dem Funkweg, Anonymität des

    Teilnehmers durch drei Verschlüsselungsalgorithmen A3, A5, A8 (A5 unterschiedlich stark in verschiedenen Ländern)

    28. Februar 2017 Seite 43

  • Ernst Bonek

    Wie weiß der Netzbetreiber, wo ich bin? •  Basisstationen senden immer ein Leuchtturmsignal •  HLR Home Location Register

    –  Wenn ich erstmalig zu Hause einschalte, sucht mein Handy nach einem „Leuchtturm“, nimmt also mit der nächstgelegenen Basisstation meines Betreibers Kontakt auf. Im AuthenticationCenter (AuC) weise ich mich aus (=Berechnung der Krypto-Schlüssel)

    –  Mein – ungefährer - Aufenthaltsort (+- 20 km!) wird in der Datenbank (=HLR) meines Betreibers vermerkt – ich bin „eingebucht“

    •  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 empfängt er 3 Kryptovariable von meinem Heimatbetreiber und vergleicht seine Berechnungen mit denen auf meiner SIM

    –  Dann lässt er mich mit einer TSIN in sein Netz

    •  Wenn ein Anruf für mich ansteht –  Weist er mir eine TMSI zu verschlüsselt er mein Gespräch mit A5

    28. Februar 2017 Seite 44

  • Ernst Bonek

    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!

    28. Februar 2017 Seite 45

  • Ernst Bonek

    Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

    www.nt.tuwien.ac.at/about-us/staff/ernst-bonek/

    28. Februar 2017 Seite 46

  • Ernst Bonek

    Was ist so neu an LTE?

    •  Vereinfachte Systemarchitektur (Node B) •  Alles IP, geringere Latenzzeit •  Nur Paketvermittlung

    http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte

    2.Generation 3. Gen. 4.Gen.

    28. Februar 2017 Seite 47

  • Ernst Bonek

    Kanalbandbreite der 2.,3. und 4. Generation

    28. Februar 2017 Seite 48

    2. Generation = GSM 22,8 kbit/s in 200 kHz

    3.Generation = UMTS 5 MHz

    4. Generation = LTE 20 MHz

    Sprache und Daten flexibel, auf 3,84 Mcps gespreizt; IP-fähig

  • Ernst Bonek

    Was ist so neu an LTE?

    •  Auswahl des Kanals über OFDM •  Orthogonal Frequency Division Multiplex

    28. Februar 2017 Seite 49

  • Ernst Bonek

    OFDMA in LTE

    28. Februar 2017 Seite 50

    Teilnehmer-Multiplex in Zeit und Frequenz möglich

    ∆! = 1 ⁄ "#$%&'(

  • Ernst Bonek

    Wundersame Vermehrung der übertragenen Information 2x2 4x4 8x8

    U.S. Cellular® 2010. All rights reserved. For more information, contact [email protected]

    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

    MIMO … multiple-input multiple output

    28. Februar 2017 Seite 51

  • Ernst Bonek 28. Februar 2017 Seite 52

  • Ernst Bonek

    Vision der ITU von 5G

    28. Februar 2017 Seite 53

    12 Rec. ITU-R M.2083-0

    – Massive machine type communications: This use case is characterized by a very large number of connected devices typically transmitting a relatively low volume of non-delay-sensitive data. Devices are required to be low cost, and have a very long battery life.

    Additional use cases are expected to emerge, which are currently not foreseen. For future IMT, flexibility will be necessary to adapt to new use cases that come with a wide range of requirements.

    Future IMT systems will encompass a large number of different features. Depending on the circumstances and the different needs in different countries, future IMT systems should be designed in a highly modular manner so that not all features have to be implemented in all networks.

    Figure 2 illustrates some examples of envisioned usage scenarios for IMT for 2020 and beyond.

    FIGURE 2

    Usage scenarios of IMT for 2020 and beyond

    M.2083-02

    Gigabytes in a second

    Smart home/building

    Voice

    Smart city

    3D video, UHD screens

    Work and play in the cloud

    Augmented reality

    Industry automation

    Mission critical application

    Self driving car

    Massive machine typecommunications

    Ultra-reliable and low latencycommunications

    Enhanced mobile broadband

    Future IMT

    5 Capabilities of IMT-2020 IMT for 2020 and beyond is expected to provide far more enhanced capabilities than those described in Recommendation ITU-R M.1645, and these enhanced capabilities could be regarded as new capabilities of future IMT. As ITU-R will give a new term IMT-2020 to those systems, system components, and related aspects that support these new capabilities, the term IMT-2020 is used in the following sections.

    A broad variety of capabilities, tightly coupled with intended usage scenarios and applications for IMT-2020 is envisioned. Different usage scenarios along with the current and future trends will result in a great diversity/variety of requirements. The key design principles are flexibility and diversity to serve many different use cases and scenarios, for which the capabilities of IMT-2020, described in the following paragraphs, will have different relevance and applicability. In addition, the constraints on network energy consumption and the spectrum resource will need to be considered.

    The following eight parameters are considered to be key capabilities of IMT-2020:

    Peak data rate Maximum achievable data rate under ideal conditions per user/device (in Gbit/s).

  • Ernst Bonek

    5. Generation

    28. Februar 2017 Seite 54

    •  Zunächst viel Ankündigung

    •  Millimeterwellen ( GHz) – Ausbreitung ähnlich Licht

    •  Massives MIMO: 100 und mehr Antennen auf der Basisstation, aber nicht immer alle aktiv

    •  Antennendiagrammformung

    •  1000 Mbit/s unterwegs, 20Gbit/s maximal

    •  Vollduplex

  • Ernst Bonek 27. April 2011

    Kann man mit Handys Eier kochen?

    Ein Beispiel für den Physikunterricht •  1 Ei wiegt 50 g und besteht hauptsächlich aus Wasser

    (m= 50g) •  Eiweiß stockt bei ca 65°, also rund 45° über

    Raumtemperatur (ΔT=45°) •  Um 1 g Wasser um 1° zu erwärmen, braucht man 1 cal •  1 cal = 4,2 Ws (= 4,2 Joule)

    Wieviel Energie brauchen wir also um ein Ei hart zu kochen?

    Antwort: 50 x 45 x 4,2 Joule = 9450 Joule oder Ws Ein 900 MHz Handy liefert maximal 0,25 W mittlere

    Leistung.. Also?