Faszination Mobilfunk

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1 Faszination Mobilfunk Planetarium Wien Institute of Telecommunications Technische Universität Wien

2 Telefonieren Internet surfen Wofür verwenden Sie ihr Handy? Sozialkontakte pflegen, Gruppenzugehörigkeit betonen Navigation Meine Sicherheit erhöhen Überbrücken von Leerzeiten Einfach Spaß Anerkennung gewinnen Ich verwende kein Handy Seite 2

3 Was Sie erwartet Ein kurzer Rückblick Warum Mobilfunk so ist, wie er ist Neue Technik 4. Generation (LTE), 5. Generation? Fragen? 1.Dezember 2014 Seite 3

4 Autotelefonnetz C 450 MHz = 1.Generation Inbetriebnahme Nov.1984 für Fahrzeugeinbau (auch tragbar 10 kg) Anschaffungspreis ca ös = erstes vollautomatisches Mobilfunknetz zellulares Netz (Zellradius durchschnittlich 15 km) 1. Dezember Seite 4

5 aber Analog Für jeden Kanal einen Sendeempfänger Nicht verschlüsselt Totale Zersplitterung in Europa (6 unvereinbare Systeme) Frequency Channel Time Seite 5

6 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, Seite 6

7 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! Source and current statistics: * 3gpp family=gsm, WCDMA(UMTS), LTE Dezember 2014 Seite 7

8 Was Sie erwartet Ein kurzer Rückblick Warum Mobilfunk so ist, wie er ist Neue Technik 4. Generation (LTE), 5G Fragen? Seite 8

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 Seite 9

10 Basisstation öffentliches Telefonnetz Jedes Handygespräch läuft übers Festnetz! Ortsamt 2 Basisstation: Funkempfänger und sender + Antennen Ortsamt 1 Seite 10

11 Mehrwegeausbreitung Seite 11

12 Gebäudedämpfung 0, dB <0,001 >30dB 0,1 ~10dB ,01 20dB 0,99 Seite 12

13 Leistungsabnahme d Seite 13

14 Wie groß ist das Signal? Feldstärke-Anzeige am Handy: Mittelwert, 10 sek verzögert! Seite 14

15 Echos verzerren die 0-1-Folgen Funkwellen-Echos Laufzeit der Funkwellen Entzerrer braucht 6 MOPS! Laufzeit der Funkwellen 1. Dezember Seite 15

16 20 msec=1/50 Sekunde 160 mal abtasten in 20 msec In 0-1-Folge codieren Überflüssiges weglassen Formanten übertragen GSM: 1 MOPS LTE: 86 MOPS Seite 16

17 Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen Knappe Frequenzen Wiederverwendung - Zellulares Prinzip Interferenzbegrenzung! Begrenzter Energievorrat Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts Seite 17

18 UHF Band Flugnavigation, Radar MHz MHz Radio Astronomie MHz ,4 MHz Mobile Satelliten Systeme Navigationssatelliten zivil / nicht zivil MHz UMTS 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 Band ,5 MHz Quelle: ERO European Radiocommunications Office erstellt: T.Neubauer Seite 18

19 UHF Band TETRA ISM IRIDIUM ISM, WLAN DECT GSM 1800 GSM MHz MHz Digitale Dividende 300 MHz 1GHz 2GHz 3GHz EGSM LTE 2,5-2,79 GHz D-Netz UMTS Satellite GSM 900 UMTS UMTS MHz MHz Quelle: ERO, European Radiocommunications Office, erstellt:t. Neubauer 1. Dezember Seite 19

20 Gleichkanal-Störung (Interferenz) Frequenz A schon wieder Frequenz A! Seite 20

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 Seite 21

22 Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen Knappe Frequenzen Begrenzter Energievorrat Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts Seite 22

23 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 Seite 23

24 Sendeleistung GSM-Handy 2W 1W Sendeleistung Handy 0,5W 1W 0,05W 0,1W Einschalten Senden = grünes Telefon drücken Telefonieren Zeit Seite 24

25 Acht Handyfonierer teilen sich eine Frequenz GSM 900, alle Zeitschlitze einer Basisstation Taubstummengasse Wien 4 HF-Einhüllende nach Gleichrichtung Sendeleistung Zeit Quelle: Walter Ehrlich-Schupita Seite 25

26 Verlauf der Sendeleistung 0,16 Watt Sendeleistung {Watt} GSM ist 25 Jahre! 0,003 Watt GSM schlechte Versorgung GSM gute Versorgung UMTS gute Versorgung 0, Watt Seite 26

27 Wie lange hält eine Akku-Ladung? Netz GSM 900, GSM1800 UMTS Gespräch: 9 Stunden Video: 3,5 Stunden Stand-by 14 Tage 14 Tage Im Stand-by sendet das Handy praktisch nicht! 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?) Seite 27

28 Mobile Kommunikation - die technische Herausforderung Viele Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen Knappe Frequenzen Begrenzter Energievorrat Viele Teilnehmer unbekannten Aufenthalts Seite 28

29 Die SIM-Karte Eine kleiner Halbleiter-Chip ohne den Sie nicht telefonieren können der Sicherheit gegen Abhören bringt der Telefonieren im Ausland ermöglicht Seite 29

30 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 Seite 30

31 Location Area (LA) Ein location area (= Rufbereich) umfasst rund Zellen Handy meldet sich bei Wechsel des LA Seite 31

32 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) Seite 32

33 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 33

34 Was Sie erwartet Warum Mobilfunk so ist, wie er ist NeueTechnik 4. Generation (LTE), 5G Fragen? Seite 34

35 Was ist so neu an LTE? Vereinfachte Systemarchitektur (Node B) Alles IP, geringere Latenzzeit Nur Paketvermittlung 2.Generation 3. Gen. 4.Gen. Seite 35

36 Wie groß ist die Feldstärke? Seite 36

37 Was ist so neu an LTE? Auswahl des Kanals über OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Seite 37

38 Was ist so neu an LTE? Wundersame Vermehrung der Datenübertragung: DL MIMO MIMO Techniques multiple-input in LTE multiple output 2x2 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: 4x4 8x8 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 Spectral Efficiency Tx Stream A, Code Word X Stream B, Code Word Y LTE MIMO Mode 3 and Mode 4 using SM Rx SNR Source: ZTE, Ericsson, Alcatel-Lucent, 3GPP U.S. Cellular All rights reserved. For more information, contact erik.neitzel@uscellular.com. 7 Seite 38

39 Handyantenne(n) Seite 39

40 Vertical/Horizontal versus X-Pol antennas for MIMO Moderne Basisstation MIMO requires independent channels LOW correlation λ Wellenlänge Example 2x2 MIMO: Vertical polarization antenna: the de-correlation has to happen in the propagation channel LOS MIMO gain: 0 No MIMO 2x2 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 4x4 MIMO für LTE X-Pol antenna Jedes Orthogonality of polarizations used for sending different information. Handygespräch Orthogonality remains high in good läuft übers signal level conditions Festnetz LOS MIMO gain: ~ Seite 40

41 Seite 41

42 Seite 42

43 Wohin soll die Antennengruppe senden? Seite 43

44 Viel Ankündigung 5. Generation? Millimeterwellen (> 30 GHz) Ausbreitung ähnlich Licht Massives MIMO: 100 und mehr Antennen auf der Basisstation, aber nicht immer alle aktiv 1000 Mbit/s unterwegs Seite 44

45 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 45

46 Was Sie erwartet Ein kurzer Rückblick Warum Mobilfunk so ist, wie er ist Neue Technik 4. Generation (LTE), 5G Fragen? Seite 46

47 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 (ICNIRP 1, SCENIHR 2, US National Cancer Institute 3, IARC 4 ) 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. (Oder, wenn man es weniger geschwollen ausdrücken will: dass es im Niedrigexpositionsbereich keinen Nachweis einer gesundheitlichen Schädigung gibt. ) 27. August 2014 Seite 47 Quelle: Gesichtspunkte zur aktuellen gesundheitlichen Bewertung des Mobilfunks Empfehlung des Obersten Sanitätsrates Ausgabe 05/14