Planetarium Dez2014 v4 - nt. · PDF fileUMTS UMTS UMTS Satellite GSM 900 TETRA ISM ... (Node B) • Alles IP, geringere Latenzzeit ... Source: ZTE, Ericsson,

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

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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

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…aber

•  Analog •  Für jeden Kanal einen Sendeempfänger •  Nicht verschlüsselt •  Totale Zersplitterung in Europa (6 unvereinbare

Systeme)

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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,…


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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


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Was Sie erwartet



Neue Technik – 4. Generation (LTE), 5G

Fragen?

1. Dezember 2014 Ernst Bonek

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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


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Mehrwegeausbreitung


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Gebäudedämpfung

0,01

<0,00120dB

1

1

1

1

0,99

20dB

~10dB

0,1

>30dB

0,01


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d

Leistungsabnahme


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Wie groß ist das Signal?

Feldstärke-Anzeige am Handy: Mittelwert, 10 sek verzögert!

Echos verzerren die 0-1-Folgen


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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


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•  Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen

•  Knappe Frequenzen –  Wiederverwendung -„Zellulares Prinzip“

–  Interferenzbegrenzung!



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


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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“


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Gleichkanal-Störung (Interferenz)

schon wieder Frequenz A !

Frequenz A


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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


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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


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Sendeleistung GSM-Handy

SendeleistungHandy

Zeit

Einschalten“Senden” = grünes Telefon drücken

Telefonieren

2W

1W

0,1W

1W

0,5W

0,05W


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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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Seite 27

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


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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


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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

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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)


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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!


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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


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

2.Generation 3. Gen. 4.Gen.


Seite 36

Wie groß ist die Feldstärke?


•  Auswahl des Kanals über OFDM •  Orthogonal Frequency Division Multiplex


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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 [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


Handyantenne(n)


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Moderne Basisstation


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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


Seite 41


Seite 42

Wohin soll die Antennengruppe senden?


Seite 43

5. Generation?


Seite 44

•  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


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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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


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Was Sie erwartet



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

Seite 47

(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

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