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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?