Wie funktioniert eigentlich ein Handy?

Transkript

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

2 Spektrum elektromagnetischer Wellen Energie Mobilfunk und. Spektrum elektromagnetischer Wellen eine nicht erweiterbare Ressource Seite 4

3 Funkwellen sind teuer 2 Milliarden Euro für das exklusive Recht auf diesen Frequenzen zu funken! Seite 5

4 UHF Band Flugnavigation, Radar MHz MHz Radio Astronomie MHz ,4 MHz Mobile Satelliten Systeme Navigationssatelliten zivil / nicht zivil MHz UMTS LTE 2,5-2,79 GHz Erweiterungsband MHz 300 MHz 1GHz 2GHz 3GHz TV MHz Radar Flugsicherung MHz Bündelfunksysteme, Amateurfunk, Rettungsfunk, Gendarmerie, Radar MHz Meteorologie Satelliten 1668,4-1710MHz Richtfunk MHz MHz MHz (nicht zivil) MHz (nicht zivil) ISM, WLAN ISM Band ,5 MHz Quelle: ERO European Radiocommunications Office erstellt: T.Neubauer 28. Februar 2017 Ernst Bonek Seite 6

5 Abnahme der Empfangsleistung d Kugelfläche = 4πd 2 Seite 7

6 Das zellulare Prinzip Handy = cell phone Seite 8

7 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 Seite 9

8 Physikalisch-technische Probleme des Handys 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 Seite 10

9 Physikalisch-technische Probleme des Handys 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 Seite 11

10 Prinzip einer Sendeantenne Seite 12

11 Gebäudedämpfung 0, dB <0,001 >30dB 0,1 ~10dB ,01 20dB 0,99 Seite 13

12 Abnahme der Empfangsleistung d Handy funktioniert noch bei einer Empfangsleistung von nur 0, Watt! Seite 14

13 Handyantenne - Detail Seite 15

14 Prinzip vieler Handyantennen L H H+L λ 4 Seite 16

15 Antennen für welche Freqenzen? 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 MHz GPS, Galileo 19 cm 2450 MHz WLAN, Bluetooth 12 cm Seite 17

16 Handyantenne(n) Seite 18

17 Von wo empfangen? MEASURED A2 Seite 19

18 Basisstation sendet/empfängt anders Seite 20

19 Physikalisch-technische Probleme des Handys 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 Seite 21

20 (Fast) jedes Handygespräch läuft auch übers Festnetz öffentliches Telefonnetz Netzknoten ( Ortsamt ) Basisstation: Funkempfänger und sender + Antennen Netzknoten ( Ortsamt ) Seite 22

21 Funkwellen breiten sich über viele Wege aus Funkkanal ist ortsabhängig, frequenzabhängig, zeitvariabel Seite 23

22 Wie groß ist das Empfangssignal des Handys wirklich? Ein Schnappschuss Seite 24

23 Wie groß ist das Empfangssignal des Handys wirklich? Seite 25

24 Funkwellenechos verzerren das Signal Funkwellen-Echos Laufzeit der Funkwellen in µs (millionstel Sekunden) Laufzeit der Funkwellen Seite 26

25 Exkurs: Digitale Phasenmodulation Die Information steckt nicht in der Amplitude, sondern in der Phase der Funkwelle BPSK binary phase shift keying Seite 27

26 Funkwellenechos verzerren das Signal Seite 28

27 FDM/TDMA Kanal GSM Funkkanal 4,6 ms Zeitschlitz Zeit Seite 29 Ernst Bonek

28 Entzerrung des Funkkanals 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 H8KTE Er braucht 6 Millionen Additionen/ Multiplikationen pro Sekunde = 6 MOPS, damit die gesamter Sprachverzögerung nicht länger als 23 Millisekunden dauert Seite 30

29 20 msec=1/50 Sekunde 60 mal abtasten in 20 msec In 0-1-Folge codieren Überflüssiges weglassen Formanten übertragen 28. Februar 2017 Ernst Bonek Seite 31

30 28. Februar 2017 Ernst Bonek Seite 32

31 Sprachcodierung 2G GSM: Übertragen wird nur Hz 160 Abtastwerte in 20 msec (= minimale Verzögerung) nur 1 MOPS 3G UMTS adaptiver Multiratencoder.amr 320 Abtastwerte in 20msec; 23 msec Verzögerung 40 MOPS 4G LTE: Hz EVS codec 32msec Verzögerung 86 MOPS Seite 33

32 Physikalisch-technische Probleme des Handys 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 Seite 34

33 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 Seite 35

34 Leistungsregelung GSM Sendeleistung Zeit Seite 36

35 Sendeleistung Basisstation GSM 900, alle Zeitschlitze einer Basisstation Taubstummengasse Wien 4 HF-Einhüllende nach Gleichrichtung Sendeleistung Zeit Quelle: Walter Ehrlich-Schupita Seite 37

36 Verlauf der Sendeleistung 0,16 Watt Sendeleistung {Watt} GSM ist mehr als 25 Jahre alt! 0,003 Watt GSM schlechte Versorgung GSM gute Versorgung 0, Watt UMTS gute Versorgung Seite 38

37 Wie lange hält eine Akku-Ladung? Netz GSM 900, GSM1800 UMTS LTE Gespräch: 9 Stunden Video, Apps: 3,5 Stunden Stand-by 14 Tage 14 Tage Im Stand-by sendet ein Handy ohne Apps praktisch nicht - auch nicht beim Zellwechsel! Wie alt ist der Akku? Wie viele Apps verwenden Sie? Wie oft schauen Sie Videos? Wie weit sind Sie von der nächsten Basisstation entfernt? (welcher Netzbetreiber?) Seite 39

38 Location Area (LA) Ein location area (= Rufbereich) umfasst rund Zellen Handy meldet sich erst bei Wechsel des LA, nicht beim Zellwechsel Seite 40

39 Physikalisch-technische Probleme des Handys 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 Seite 41

40 Die SIM-Karte Eine kleiner Halbleiter-Chip ohne den Sie nicht telefonieren können der Sicherheit gegen Abhören bringt der Telefonieren im Ausland ermöglicht Seite 42

41 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) Seite 43

42 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 Seite 44

43 Kann ich abgehört werden? ohne Mitwirkung des Netzbetreibers: de facto nicht besser am Festnetz als auf Funkweg nur mit richterlichem Auftrag ha,ha! 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 Seite 45

44 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 46

45 Was ist so neu an LTE? Vereinfachte Systemarchitektur (Node B) Alles IP, geringere Latenzzeit Nur Paketvermittlung 2.Generation 3. Gen. 4.Gen. Seite 47

46 Kanalbandbreite der 2.,3. und 4. Generation 4. Generation = LTE 20 MHz 3.Generation = UMTS 5 MHz Sprache und Daten flexibel, auf 3,84 Mcps gespreizt; IP-fähig 2. Generation = GSM 22,8 kbit/s in 200 khz Ernst Bonek Seite Februar 2017

47 Was ist so neu an LTE? Auswahl des Kanals über OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Seite 49

48 OFDMA in LTE! = 1 "#$%&'( Teilnehmer-Multiplex in Zeit und Frequenz möglich Seite 50

49 MIMO multiple-input multiple output Wundersame Vermehrung der übertragenen Information 2x2 Stream A, Code Word X Tx Rx 4x4 8x8 Stream B, Code Word Y Seite 51

50 Seite 52

51 Vision der ITU von 5G Enhanced mobile broadband Gigabytes in a second 3D video, UHD screens Smart home/building Work and play in the cloud Augmented reality Smart city Voice Future IMT Industry automation Mission critical application Self driving car Massive machine type communications Ultra-reliable and low latency communications Seite 53

52 5. Generation 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 Seite 54

53 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? 27. April 2011 Ernst Bonek