Wegkreuzungen von Energie, Information und Kommunikation

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1 Wegkreuzungen von Energie, Information und Kommunikation Bringing the past into the future Autor Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Malleck Technische Universität Graz Institut für Elektrische Anlagen Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Malleck ist auch Senior Advisor an der Fachhochschule Technikum Wien

2 gestern heute morgen Energie Information Mensch Basistechnologie Technologies of the Decade on the Zukunftsthesen: shoulders of still-earlier pioneers: Entwicklungsstufen Smartphones in der totalen Vernetzung Social Networking Smalltalk Voice over der IP Dinge Künstliche LED lights Intelligenz übertrifft den Menschen Multicore CPUs Wir Cloud sind Computings das Büro Einfach Drone Aircrafts ist schön Intelligentes Planetary Rovers Verkehrsmanagement und mehr Mobilität 9. Flexible AC Transmission 7. Individualisierung und Aufstieg der 10. Digital Photography No-Names 11. Class D-Radio Quelle: Quelle: Hochleitner, Top 11 A.: Technologies Morgen, Wie of smarte the Decade, Technik IEEE unser Spectrum, Leben erleichtern January 2011 wird, Edition Steinbauer, Wien 2005

3 Energiespeicherung/-umwandlung Akkumulatoren... nach Entladung wieder aufladbar Johann Wilhelm Ritter ( ) 1801 Entdeckung der UV-Strahlung 1802 Erfindung des ersten Akkumulators: Rittersche Ladungssäule Wilhelm Josef Sinsteden ( ) 1854 Entwicklung des Bleiakkumulators 1997 Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren Kathodenmaterial LiFePO 4, Anode aus Graphit oder hartem Kohlenstoff mit eingelagertem Lithium Verwendung als Bleiakkumulatoren-Ersatz 1989 Lithium-Ionen-Akkumulatoren Oberbegriff für Lithium-Polymer-, Lithium-Cobaltdioxid-, Lithium-Titanat-, Lithium-Luft-, Lithium-Mangan-, Lithium-Eisenphosphatund Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren Verwendung in Mobiltelefonen, Digitalkameras, Notebooks,... und in Elektroautos, Lithium-Polymer-Akkumulatoren Elektrolyt ist in einem gelartigen Polymer gebunden, nicht flüssig wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren Verwendung in Solarfahrzeugen, Elektroautos, Modellbau, Mobiltelefonen, MP3-Player, Lithium-Anode mit Nano-Schutzschicht aus amorphem Kohlenstoff: längere Akku-Laufzeit, Effizienz 99% Quelle: Journal Nature Nanotechnology Brennstoffzellen... sind Energieumwandler 2012 Tragbare Brennstoffzellen mit USB-Port, Butangas zur Befeuerung. Eine Butangas-Kartusche erzeugt so viel Energie um ein Smartphone bis zu 14 Mal aufzuladen. Zum Vergleich, mit mobilen Akkupacks ist 2- bis 3-maliges Aufladen möglich Quelle: Two weeks of smartphone charging in your pocket Brookstone will carry a portable fuel cell USB charger from Lilliputian Systems able to deliver extended hours of charge time for smartphones and other electronics. Quelle:

4 Nikolai Tesla ( ) Wechselstrommotor: Elektrische Energie: DC vs. AC Entdeckung des Drehfeldes, Nutzung für synchrone und asynchrone Drehstrommotoren, Mehrphasentrafo, Drehstrom-Kraftübertragung DC versus AC: DC für Lichtanlagen nur 2 Meilen weit übertragbar Teslas Wechselstromsystem: 1888 Durchbruch, da AC über weite Entfernungen mit geringen Verlusten transportierbar, Energie für Maschinen in Industrieanlagen kv AC-Leitung über 175 km in Deutschland 1895 Niagara-Kraftwerk mit 11 MW und 22 kv AC-Leitung über 42 km Hochfrequenzströme: 1889 Tesla-Spule Elektrische Leuchten: 1891 Karborundum-Faden und Zirkonelektroden Funktechnik: 1893 Hochfrequenzoszillatoren MHz Sende- zu 30 km entferner Empfangsstation Funkfernsteuerung: 1898 ferngesteuerte Roboter mit eigener Intelligenz Solarenergie: 1898 Theorie über Sonnenwärme für drahtlose Telefone in Westentaschenformat Nils Bohr 1922: Teslas geniale Erfindung des polyphasen Systems und seine Forschungen im Bereich der hochfrequenten elektrischen Oszillationen bilden das Fundament, aus dem sich völlig neue Voraussetzungen für Industrie und Telekommunikation ergaben und hatten eine tiefe Wirkung auf unsere Zivilisation. Quelle: Wohinz, J. W. (Hg.): Nikola Tesla und die Technik in Graz, TU Graz, 2006 Josef Werndl ( ) Österreichische Waffenfabriksgesellschaft (OEWG) in Steyr: Anfang der 1880er-Jahre erzeugte OEWG Dynamos, Glüh- und Bogenlampen um Auftragslage am Waffenmarkt auszugleichen 1884 Straßenbeleuchtung in Steyr mit Glüh- und Bogenlampen, Gaslicht verblieb um Überlegenheit der elektrischen Beleuchtung zu demonstrieren Neuheit: Steyr war die erste größere Stadt die mit DC-Strom aus Wasserkraft beleuchtet wurde Kaum gewürdigt von der Fachwelt: Orte der Stromerzeugung, Beleuchtung und Kraftübertragung waren telefonisch verbunden

5 Zentrale Stromversorgungen Übertragungseinrichtungen Stromversorgung für Kommunikationszentralen und Sendeanlagen, Rechenzentren, Computeranlagen im Medizinbereich, Überwachungssysteme im Flugverkehr, Blaulichtzentralen, usw. Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV: Netzspannung über Gleich-/Wechselrichter an Sammelschienen mit angeschlossener Pufferbatterie zum Überbrücken kurzer Netzausfälle, Notstromdiesel bei längeren Stromnetzausfällen in Flugzeugen: DC aus zumeist 800 Hz AC-Generator Raumfahrt: aus kleiner DC mit niederer Leistung müssen andere DC-Werte mit Konvertern im MHz-Arbeitsbereich (Gewichtsersparnis) und AC erzeugt werden Lokale Stromversorgungen Vorort über Ladegerät DC aus Stromnetz Lokalbatterie von Festnetz-Kommunikationszentrale... Endeinrichtungen DC direkt über Cu-Leitungen DC lokal generiert aus HF über LWL Vorort über Ladegeräte DC aus Stromnetz oder über Solar-Ladegeräte Anmerkung: ab 2017 gemeinsamer EU-Standard für Stecker von Smartphones und Tablets Festnetz: von Kommunikationszentrale DC über Cu-Leitungen Zentralbatterie Quelle: Zach, F.: Leistungselektronik: Ein Handbuch, Band 2, 4. Auflage, Springer Wien - New York 2010 oftmals für Cordlessfunktion, Anrufbeantworter, etc. zusätzlich DC über Ladegeräte aus Stromnetz

6 gestern heute morgen Energie Information Mensch More than Moore s Law und von Komponenten zu Systemen Basistechnologie

7 Faktor alle 20 Jahre: More than Moore s Law von bis Ära *) msec Tausend µsec Million nsec Milliarde psec Billion fsec Billiarde asec Trillion *) Zeichen pro Sekunde, Zeichen im Speicher, Teile im Computer Relais seit 1840, Röhren seit 1910, Transistor seit 1950, Mikroprozessor seit 1970 Quelle: Heinz Zemanek, TU Wien Prozessorleistung, Speicherkapazität und Bandbreite: Moore sches Gesetz Verdopplung der Packungsdichte von Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate Verdopplung der Speicherkapazität alle 12 Monate Gilder s Gesetz Verdopplung der Bandbreite auf Lichtwellenleiter LWL alle 6 Monate

8 gestern heute morgen Energie Mensch Basistechnologie Information 1. Flachanzeigen 2. Signaltechnik 3. Kryprografie und Kryproanalytik 4. Satellitenkommunikation 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet 6. Rechner 7. Rundfunk und Fernsehen 8. Smart Grids und Industrie 4.0

9 1. Flachanzeigen passive Flachanzeigetechniken elektrochrome Anzeige - Electrochrome Display ECD elektrophoretische Anzeige - Electrophoretic Display EPID elektronisches Papier magnetooptische Anzeige Flüssigkristallanzeigen - Liquid Crystal Display LCD Quelle: Kratzfest, bruchsicher: Apple baut iphone 6 mit Saphir The Wall Street Journal, Für den Bildschirm seines allerersten iphones verwendete der Konzern einst Glas statt Plastik... Material Jetzt schwenkt Apple auf Saphir um ein solideres, aber auch teureres... Quelle: Saphir zum Glas-Ersatz wird und die iphones der Zukunft besser schützt...

10 2. Signaltechnik Eisenbahnsignale und Stellwerkstechnik Formsignale 1840 Erfindung des Flügelsignals Fernstellung mit CO 2 -Druckgas beim Signal, später Drahtzüge zum Stellwerk Nachtzeichen zunächst mit Petroleumlampen, nach 1945 Propangaslaternen, mit Einführung elektromechanischer Stellwerke: Leuchtdioden Nunmehr rückstrahlende Signalflügel und -scheiben in Österreich Lichtsignale 1926 erste Lichtsignale - zunächst weißes Blinklicht, später gelbes Licht 1931 Salzkammergutbahn Stainach-Irdning Attnang-Puchheim versuchsweise mit rot-gelb-grün Licht 1949 Einführung des heute noch gebräuchlichen Licht-Verschubsignals mit vier weißen Lichtpunkten 1954 "Fahrt mit 60 km/h mit grün-grün Lampenkombination und vierbegriffiges Vorsignal 1980 neues Standardsignal mit in den Signalschirm integriertem Verschubsignal und rotes Licht unten links Signalnachahmer: weiße Lampenreihen mit Blinklicht Schutz- und Verschubsignale: weiße und rote Lampen Frei Stellwerke 1867 erstes mechanisches Stellwerk von Deutschland in Stettin 1894 weltweit erstes elektromechanisches Stellwerk, Stellelemente elektrisch gestellt, in Prerau, Mähren 1978 weltweit erstes elektronisches Stellwerk am Bahnhof Göteborg Central, Schweden 2007 IP-basierte Netzwerke in der Stellebene mit Stellentfernungen bis 90 km über LWL bei gesonderter Stromversorgung am Stellelement

11 3. Kryptografie und Kryptoanalytik Arthur Scherbius ( ) Erfindungen: 1905 Scherbius-Schaltung : verlustarme Drehzahlregelung einer Kaskade aus Drehstrom- und AC-Kommutatormotoren 1918 Chiffriermaschine nach dem Rotorprinzip 1923 erste Veröffentlichungen über ENIGMA 1930 Einsatz beim deutschen Militär Mit ENIGMA verschlüsselte Nachrichten konnten von den Alliierten seit Ende 1942 weitgehend dechiffriert werden Quelle: Marian Rejewski ( ) 1932 Entschlüsselung von ENIGMA durch den polnischen Mathematiker mit der elektromechanisch betriebenen kryptoanalytischen Maschine Bomba 1... Batterie 2... Tastatur 3, 7... Steckerbrett 4... Eintrittswalze 5... Walzensatz 6... Umkehrwalze 8... Steckkabel 9... Lampenfeld ENIGMA Funk-Verschlüsselungsmaschine Chiffriermaschinen ENIGMA Funk-Verschlüsselungsmaschine AG, Berlin 1933 Chiffriermaschinen AG, Berlin 1933 Quelle: Alan Mathison Turing ( ) 1936 Veröffentlichung On Computable Numbers 1936 Formulierung der Fragestellung zur Beurteilung menschlicher Intelligenz und Programmierung 1936 Konzept einer automatic machine : Turing Maschine 1939 Erfindung der Decodierungsmaschine Turing-Bombe in Bletchly Park zusammen mit Gordon Welchman ( ) 1940 Einsatz der ersten voll betriebsfähigen Turing- Welchman-Bombe 1948 Veröffentlichung Intelligent Machinery Quellen: und Turing-Bombe - Nachbau in Bletchley Park, bedient von einer Wren (Women s Royal Naval Service),

12 4. Satellitenkommunikation (1) Frühe Visionen Sir Arthur Charles Clarke ( ) 1945 erste visionäre Schriften von Arthur C. Clarke, dem Vater der Nachrichtensatelliten Realisierung der Vision mit 1. relativ kompakten, hoch zuverlässigen Repeatern auf Basis der Erfindungen von Transistor, Solarzellen und Wanderfeldröhren-Verstärkern aus den 1940er- bis 1950er-Jahren sowie 2. der Verfügbarkeit von Abschusseinrichtungen erforderlicher Leistung seit Mitte 1960er-Jahre John Robinson Pierce ( ) entwickelte ersten funktionsfähigen Halbleiter-Verstärker 1947 prägte Begriff Transistor entwickelte Elektronenkanone Pierce gun und Theorie zu der von Rudolf Kompfner erfundenen Wanderfeldröhre Telekommunikationssatelliten 1960 ECHO TELSTAR Harold A. Rosen (*1926) entwickelte erste geostationäre Kommunikationssatelliten erfand Satelliten zur Bahnstabilisierung rotieren zu lassen sowie dafür einen solaren Antrieb Evolution der zivilen Satellitenkommunikation 1957 SPUTNIK 1 83,6 kg schwere Stickstoff gefüllte Aluminiumkugel 58 cm Durchmesser, außen zwei Antennenpaare 2 zweistufige Funksender mit 1 Watt Leistung für codierte Kurzwellensignale mit 20,005 und 40,002 MHz 3 Silber-Zink-Akkumulatoren Quelle: Quelle: Evans, B.G., et al.: : 65 Years of Satellite History From Early Visions to Latest Missions, Proceedings of the IEEE 2011

13 4. Satellitenkommunikation (2) Mobilkommunikation über Satelliten umfasst maritime und aeronautische Kommunikation sowie Mobilkommunikation in allen Gebieten mit unzureichender terrestrischer Versorgung. Aktueller Trend zu höherer Durchsatz-Leistung Punkt-zu-Punkt Kommunikation 1. INMARSAT seit Iridium: seit 1987 globales Satellitenkommunikationssystem aus 66 aktiven Satelliten auf sechs Umlaufbahnen, onboard switching für Signalisierung und Benutzerdaten 2015 NEXT mit flexibler Bandbreitenzuordnung und privaten Gateways auf IP-Basis, bereit für globale M2M-Kommunikation 3. Globalstar: seit 1998 mit 48 Satelliten - ohne Kontakt untereinander - für Sprach- und Datenübertragung, Globalstar Air Interface GAI unterstützt Telefonie und Geräte nach SIM-Karten-basierter GSM-Norm. Solarzellen und große Nickel-Wasserstoff- Iridium-Satellit, Unteransicht Batterie zur Stromversorgung in Satelliten. Übergang auf full-ip Netz geplant Mobiles Broadcasting 1. WorldSpace/1worldspace: erstes digitales Radio-Sendesystem für portablen Empfang AfriStar, 2000 AsiaStar 2. Sirius Satellitenradio und XM Radio: Satellitenradio-Anbieter in USA und Kanada Satelliten: 2000 Sirius FM-1, Sirius FM-6 und 2001 XM-1 Rock 4,7 t, XM-5 6 t, 18 kw, geplante Lebensdauer 15 Jahre Small Satellite Terminal VSAT und Breitband-Satellitensysteme VSAT in Stern-, Maschen- oder Punkt-zu-Punktnetz Anschlussgeräte mobil nutzbar, Antennen auch auf LKW, Erweiterung Wi-Fi oder WiMAX möglich. Seit 1980 in X.25-Betrieb, dann DVB-RCS, IPoS, S-DOCIS, TCP/IP Satellitenkommunikation, mögliche Weiterentwicklungen: Spectrum-Sharing, onboard digitale Signalverarbeitung (bisher nur bei Iridium), non-geo und hybride Orbits, Internetdienste über Satelliten: % und %, Mbit/s und Mbit/s für Internet der Dinge, Ka/Q/V Band mit optischen Links und onboard Optoelektronik, multibeam Antennen, fragmentierte Satelliten,... Quelle: Evans B. G.,, et al.: : 65 Years of Satellite History From Early Visions to Latest Missions, Proceedings of the IEEE Polarsternpreis des ÖWF an Otto Koudelka, TU Graz TUGSAT-1 und an Werner Weiss, Universität Wien

14 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (1) Elektrische Telegrafie Elektromagnetismus: Hans Christian Oersted ( ) Magnetisierbarkeit von Eisen: Dominique Arago ( ) und Humphry Davy ( ) Magnetnadel-Ablenkrichtung: André Marie Ampère ( ) Zusammenhang Stromstärke, Spannung, Widerstand: Georg Simon Ohm ( ) magnetische Induktion: Michael Faraday ( ) 1833 Induktionstelegraf in Göttingen entwickelt (Carl Friedrich Gauss, Wilhelm Weber) 1835 elektrischer Mehrfachnadeltelegraf in Bonn vorgestellt (Paul Schilling von Canstatt) 1837 Fünfnadeltelegraf bei Eisenbahn nahe London erprobt (William Cooke, Charles Wheatstone) Seriencode auf Übertragungsstrecken und Telegrafenrelais als Verstärkerelement 1840 Wheatstone erhält Patent für elektrischen Zeigertelegraf 1844 elektrische Telegrafenlinie entlang Washington-Baltimore-Bahn, 64 km lang (Samuel Morse) 1845 Einnadel- und Zweinadeltelegrafen entwickelt (William Cooke, Charles Wheatstone) 1846 Zeigertelegraf mit elektrischer Fortschaltung entwickelt (Werner von Siemens) telegrafische Verbindung Wien-Brünn für Staatsdepeschen und Eisenbahn 1848 elektrisches Staatstelegrafennetz in Preußen errichtet und Freigabe für kommerzielle Nutzung 1849 England: Aufbau eines privaten Telegrafennetzes 1850 Gründung des Deutsch-Österreichischen Telegrafen-Vereins DÖTV in Dresden Wheatstone Zeigertelegraf Ausdehnung des Welthandels erfordert internationale Kommunikation 1851 erstes Seekabel der Welt Dover-Calais wird verlegt 1852 Drucktelegraf erfunden (David Edward Hughes) 1858 erstes Transatlantik-Telegrafenkabel Europa-USA, nach 610 km Verlegung abgebrochen 1861 kontinentale Telegrafenlinie New York-San Francisco in Betrieb, km lang 1862 dauerhafte Transatlantik-Telegrafenkabelverbindung Europa-USA 1869 indo-europäische Telegrafenlinie London-Teheran-Kalkutta in Betrieb, km lang 1881 Einheitstelegrafenapparat durch DÖTV festgelegt

15 Quelle: Fernschreiber T100 Siemens von Nightflyer at de.wikipedia - Eigenes WerkTransferred from de.wikipedia; transferred to Commons by User:Sevela.p using CommonsHelper.. Lizenziert unter Creative Commons Attribution- Share Alike 3.0 über Wikimedia Commons - ens.jpg#mediaviewer/file:fernschreiber_t100_siemens.jpg Institut of 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (2) Elektrische Telegrafie Fortsetzung 1895 Ferdinand Schneider demonstriert drahtlose Telegrafie 1900 England kontrolliert mit km Telegrafenleitungen 70% des Weltkabelnetzes 1901 erste funktelegrafische Verbindung Europa-Amerika 1908 Löschfunkensender verbessert Funktelegrafie (Valdemar Poulsen) Durch Erfindung der Fernschreibmaschine eine Wendung in der Telegrafie 1914 Fernschreibmaschine im Telegrafenbetrieb eingesetzt 1918 Teilnehmerwähltelegrafie in Österreich verfügbar 1924 RAVAG und Radio-Austria AG begannen drahtlosen Telegrammverkehr Wien-Berlin und -London 1927 erste Bildtelegrafie-Verbindung in Europa Wien-Berlin Fernschreiber versuchsweise für den amtlichen Telegrafenbetrieb in Österreich eingesetzt 1939 erstes Fernschreib- Wählamt für 100 Teilnehmer am Börseplatz in Wien Quellen: Oberliesen, R.: Daten und Signale Geschichte technischer Informationsverarbeitung, Deutsches Museum 1987; Sequenz, H.: 100 Jahre Elektrotechnik in Österreich , Springer, Wien 1973 und Streifenschreiber Typendruck Schnelltelegraph Schreibapparat Schnelltelegraph Sendegeraet Blattschreiber Siemens Fernschreiber T100

16 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (3) Telefonie Festnetz 1876: 1876: 1878: 1892: 1916: Entwicklung des Sprechkreises Reihenschaltung ohne und mit Stromversorgung, OB und ZB OB... Ortsbatterie ZB... Zentralbatterie Quellen: Oberliesen, R.: Daten und Signale Geschichte technischer Informationsverarbeitung, Deutsches Museum 1987 Battery: Mikrofonspeisung Overvoltage: Schutz gegen Fremdspannung Hochspannung, Blitz, elektrische Bahn Ringing: Rufwechselspannung zum Rufen des Endgerätes Signaling: Signalübertragung auf TN-Anschlussleitung Vermittlungsstelle - Endgerät Coding: Quell-Codierung analoges Sprachsignal Hybrid: Trennung der Übertragungsrichtungen Vollduplex auf 2-drähtigerTN-Anschlussleitung, Echo- und Pfeifvermeidung Testing: Prüfen von TN-Anschlussleitung und Endgerät Entwicklung der Fernsprechdichte in verschiedenen Ländern Quelle: Aschoff, V.: Einführung in die Nachrichtenübertragungstechnik, Heidelberg Taschenbücher, Springer, Berlin 1968

17 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (4) Telefonie Festnetz, Fortsetzung 1972 analoge Durchschaltung in rechnergesteuerten Vermittlungsstellen 1976 digitale Durchschaltung in rechnergesteuerten Vermittlungsstellen Mit ISDN wird auch die Teilnehmerleitung digital 1987 ISDN in Deutschland mit 750 Testern gestartet 1992 ISDN Pilotversuch in Österreich Quellen: Oberliesen, R.: Daten und Signale Geschichte technischer Informationsverarbeitung, Deutsches Museum 1987; und Sequenz, H.: 100 Jahre Elektrotechnik in Österreich , Springer, Wien 1973 Anfang 1990er Jahre: digitale Signalprozessoren mit hoher Rechenleistung ermöglichen neue Digital Subscriber Line DSL Verfahren 1996 US Telecommunications Act: Deregulierung des Telekommunikationsmarktes 1998 ADSL, 2005 ADSL2+ und 2006 VDSL/VDSL2 verfügbar DSL-Modem ca. 5 W Leistungsbedarf im Dauerbetrieb Quelle: ca.1998 Intelligent Network IN mit ZZK 7/INAP als Service Control Point an Vermittlungsstellen angebunden: Intelligenz wandert an den Netzrand 2001 ein Glasfaserkabel kann >10 Tbit/s übertragen Historischer Stand sowie Planung der Einführung von ISDN in verschiedenen Ländern Quelle: Frensch, J.: ISDN Start in eine neue Kommunikationsära, telcom report (12)1989 bis 2018 im Netz der Deutschen Telekom nur mehr IP-basierte Anschlüsse, kein POTS und ISDN mehr Quelle: Quelle:

18 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (5) Telefonie Mobilnetz Mobilfunkstandards der zweiten Generation: 1990 Global System for Mobile Communications GSM fertig spezifiziert, digitale Sprache und leitungsvermittelte Daten 1991 GSM-Probebetrieb in Deutschland (900 MHz), Betrieb ab 1992, dzt. in > 200 Staaten im Einsatz 1995 GSM-Weiterentwicklung DCS-1800 im Einsatz, bessere Sprachqualität, neue Leistungsmerkmale: Basisstation 20 W, HF-Leistung 0,3...2 W... High Speed Circuit Switched Data HSCSD: Erweiterung von CSD zur schnellen leitungsvermittelten Datenübertragung... General Packet Radio Service GPRS: paketorientierter Datenübertragungsdienst mit virtuellen dauerhaften Verbindungen in GSM-Netzen 2005 Enhanced Data Rates for GSM Evolution EDGE: Erhöhung der Datenübertragungsrate in GSM-Mobilfunknetzen, im Österreichischen Netz Mobilfunkstandards der dritten Generation: 2004 Universal Mobile Telecommunications System UMTS paketorientierte Vermittlung und Internet-Protokoll für neue mobile Kommunikationsdienste: Videotelefonie / Videokonferenz, Internet-Zugang, und Datentransfer, ecommerce / Online-Shopping, Finanzdienstleistungen / Mobile Banking, Musik/Video on Demand, Mobiles Radio und Fernsehen, Informationsdienste, Navigation, Telematik und in Deutschland kommerziell verfügbar. 2002/03 Beginn in Österreich.... High Speed Packet Access HSPA: Erweiterung von UMTS, die höhere Datenübertragungsraten ermöglicht, mit HSPA+ verbesserte spektrale Effizienz, maximale Datenübertragungsraten und Verzögerungszeiten Weiterentwickelung für "always-on Internet-Endgeräte mit optimiertem Mehrantennenkonzept und zellübergreifenden Kooperationstechniken 2009 Long Term Evolution LTE, mit UMTS- Grundschema, Downloadraten 300 Mbit/sec, ging erstmals in Schweden in Betrieb Mobilfunkstandards der vierten Generation:... LTE-Advanced ist Erweiterung von LTE (Software-Update in Basisstationen): höhere Datenübertragungsraten und Bandbreiten bis Mbit/sec, geringe Latenzzeit, Frequenzbereiche länderspezifisch ca. 800 bis MHz. Mehrantennentechnik, koordinierter Mehrpunktsende/-empfang, Parallelbetrieb verschiedener Basisstationen in heterogenen Netzen möglich 2014 erste LTE-Advanced-Endgeräte am Markt Quelle: Wikipedia Zukunftsthemen: Cooperative Communications, including physical-layer techniques, routing techniques, and cross-layer design. Cognitive Spectrum sharing networks,...

19 5. Elektrische Telegrafie und Telefonie, Internet (6) Telefony goes Internet 1960: ZB 2000: ZB+OB 2005: SIP Phone Quelle: Verizon : Mobiltelefone 2010: Smartphone 2014: Smartwatch Quelle: von li nach re: Motorola 8900X-2, Nokia 2146 orange 5.1, Nokia 3210, Nokia 3510, Nokia 6210, Ericsson T39, HTC Typhoon

20 Quelle: NAMA Machine d'anticythère 1. Lizenziert unter Creative Commons Attribution 2.5 über Wikimedia Commons - A8re_1.jpg#mediaviewer/File:NAMA Institut of Automatisiertes Rechnen 6. Rechner (1) 1700 v.chr. Rechenbretter bei den Ägyptern 450 Herodot beschreibt das Rechnen mit Steinen 300 Aristoteles berichtet über Volkszählung mit Rechenbrett bei den Griechen um 100 Mechanismus von Antikythera: analog arbeitendes, kalendarisch-astronomisches Rechengerät für div. Kalender, ältester bekannter Analogrechner, erforscht von Derek John de Solla Price ( ) um 50 Abakus, verbreitetes Rechengerät der Griechen um 28 Vitruvius berichtet über Zählräder für Wegmessgeräte um 60 n.chr. Heron beschreibt frühe Automaten und mechanische Zählräder um 1500 Leonardo da Vinci ( ) beschreibt Zählräder in Wegmessgeräten Mechanisierung der Arbeit Mechanismus von Antikythera: Vorderseite von Fragment A um 1510 Peter Henlein ( ) baut eine Taschenuhr in Nürnberg 1623 Wilhelm Schickard ( ) beschreibt im Brief an Kepler eine Rechenmaschine 1643 Blaise Pascal ( ) zeigt in Paris Zweispeziesrechenmaschine mit 6 Stellen 1673 Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) zeigt in London seine Vierspeziesrechenmaschine mit Staffelwalzen und dezimaler Stellenverschiebung 1703 Leibnitz begründet das duale Zahlensystem 1709 Giovanni Poleni ( ) versucht eine Sprossenradrechenmaschine zu bauen 1779 Philipp Matthäus Hahn ( ) beschreibt seine Staffelwalzenmaschine Leibniz Vier-Spezies-Rechenmaschine Rechenautomaten, erste Datenverarbeitungssysteme 1805 Joseph-Marie Jacquard ( ) automatisiert Musterwebstuhl mit Serienlochkarten 1820 Charles Xavier Thomas ( ) entwickelt und produziert mechanische Rechenmaschine in Paris Charles Babbage ( ) Analytical Engine mechanische Rechenmaschine, Vorläufer des Computers Der Erfinder: 1822 Babbage zeigt in London Modell seines programmierbaren mechanischen Rechenautomaten Babbage sche Differenziermaschine

21 Automatisiertes Rechnen Fortsetzung 6. Rechner (2) Analogrechner vs. Digitalrechner ca.1873 Lord Kelvin ( ) entwarf Analogrechner, Sondermaschinen zu Gezeitenvorhersage, Schusstrajektorien, Hermann Hollerith ( ) erhält Patent auf Lochkartensystem zur Datenverarbeitung 1890 Volkszählungen in USA und Österreich mit Hollerith-Lochkartenmaschinen Anfang der 1900er Jahre: Arthur Joseph Hungerford Pollen ( ) weltweit erster elektromechanischer Analogrechner zur Lösung von Differenzialgleichungen durch Integration 1913 Einführung addierender und druckender Lochkartenmaschinen 1928 Lochkartenmaschinen werden für wissenschaftliche Berechnungen verwendet 1931 Einführung alphanumerischer Lochkartenmaschinen 1933 Wiener Erfinder Gustav Tauschek ( ): Trommelspeicher-Patent Lord Kelvin's Gezeitenvorhersagemaschine 1936 Deutsche Hollerith Maschinen Gesellschaft: Produktion schreibender Tabelliermaschine Quelle: John Vincent Atanasoff ( ) entwirft elektronische Rechenkreise Bell Labs Model I: erste Vorführung eines Fernzugriffs auf einen Rechner 1940 Konrad Zuse ( ): Z3 erster programmierbarer elektromechanischer Rechner, Berlin 1943 Project Whirlwind: Im 2. Weltkrieg kontaktierte die US Navy das Massachusetts Institute of Technology MIT zum Bau eines Flugsimulators. Das MIT baute zuerst einen großen analogen Rechner, der jedoch zu ungenau und unflexibel war. Wegen ENIAC entschied man sich zum Bau eines Digitalrechners 1944 Colossus: kryptografischer Spezialrechner mit Elektronenröhren in England im Einsatz, vgl. in Kapitel 3 Kryptografie und Kryptoanalytik Alan Mathison Turing ( ) Harvard Mark I: vollständig aus elektromechanischen Bauteilen gebaut in Cambridge, Massachusetts 5 t Gewicht, 16 m Frontlänge Colossus Mark II Mark I, rechtes Segment Trommelspeicher Quellen: Colossus von Unbekannt - This file is from the collections of The National Archives (United Kingdom), catalogued under document record FO850/234. For high quality reproductions of any item from The National Archives collection please contact the image library.diese Markierung zeigt nicht den Urheberrechts-Status des anhängenden Werks an. Es ist in jedem Falle zusätzlich eine normale Lizenz-Vorlage erforderlich. Siehe Commons:Lizenzen für weitere Informationen.English français italiano +/. Lizenziert unter Public domain über Wikimedia Commons - bzw. Harvard Mark I Computer - Right Segment. Lizenziert unter Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 über Wikimedia Commons - #mediaviewer/file:harvard_mark_i_computer_-_right_segment.jpg

22 Speicherprogrammierbare Computer 6. Rechner (3) John von Neumann ( ) Der Erfinder: 1945 EDVAC Report mit Beschreibung des Speicherprogrammierprinzips Quelle: Eniac von Unbekannt - U.S. Army Photo. Lizenziert unter Public domain über Wikimedia Commons Electronic Numerical Integrator and Computer ENIAC an Moore School, Philadelphia vorgestellt: erster rein elektronischer Universalrechner mit Vakuumröhren, Dioden, Relais, ENIAC auf einem Bild der US-Armee Widerständen, Kondensatoren, Grundfläche 10 m x 17 m, 27 t, 174 kw Leistungsverbrauch, 1954 längster ununterbrochen fehlerfreier Betrieb: 116 Stunde. ENIAC wurde 1955 abgeschaltet 1947 Williams Röhre (Frederic Calland Williams und Tom Kilburn): Kathodenstrahlröhre mit phosphoreszierenden elektrischen Ladungspunkten am Schirm, als Arbeitsspeicher in Röhrenrechner, beispielsweise im ersten wissenschaftlichen Rechner, dem Defense Calculator IBM 701, eingesetzt 1948 Selective Sequence Electronic Calculator SSEC: Hybridcomputer mit Röhren und mechanischen Relais, stand im IBM-Hauptquartier in Manhattan, berechnete Positionen zur Apollo-Mondlandung Manchester (U.K.) Baby Computer: erste Demonstration des Speicherprogrammierprinzips Williams Röhre Card-Programmed Electronic Calculator CPC: als Universalrechner von Northern Aircraft entwickelt 1949 Electronic Delay Storage Automatic Calculator EDSAC: erster voll betriebsfähiger speicherprogrammierter Rechner Cambridge, England 1950 Standards Eastern Automatic Computer SEAC: erster speicherprogrammierter elektronischer Rechner, US National Bureau of Standards 1951 LEO: erster kommerzieller Rechner bei der marktbeherrschenden englischen Restaurantkette J. Lyons & Co., England UNIVAC: erstes kommerzielles speicherprogrammiertes Computersystem in USA Whirlwind fertiggestellt: 35 Stunden Betrieb pro Woche bei 90%-iger Auslastung des elektrostatischen Röhrenspeichers 1952 IBM 701: erstes speicherprogrammiertes Computersystem von IBM in USA 1955 Transistorized Airborne DIgital Computer TRADIC von AT&T Bell Laboratories: erster volltransistorisierter Computer mit 800 Transistoren anstelle von Vakuumröhren, 100 W Leistungsaufnahme, also ein Zwanzigstel vergleichbarer Röhrenrechner. TRADIC benötigte < 0,1 m 3 Quellen: Ceruzzi, P. E.: Inventing the Computer, Proceedings of the IEEE, June 2013 und

23 Quelle: and Koomey, Jonathan G., et al.: Implication of Historical Trends in th Electrical Efficiency of Computing, IEEE Analysis of the History of Computing, 2011 Institut of 6. Rechner (4) Computer-Rechenleistung pro kwh verdoppeltet sich alle 1,6 Jahre seit 1940 Computer-Rechenleistungen pro kwh = Anzahl Computer-Berechnungen pro Stunde bei Volllast Computing efficiency gemessener trends Efficiency Energieverbrauch pro trends: Stunde bei Volllast PCs (kwh) only Trends der Computer-Rechenleistung Trends der PC-Rechenleistung Beim Computer stiegen Rechengeschwindigkeit und Kosten schneller als elektrischer Leistungsverbrauch 21 Quelle: Koomey, J. G.: Assessing trends in the electrical efficiency of computation over time, Lawrence Livermore National Laboratory, November 16, 2010 Zukunftsthemen: - True North -Chip von IBM mit 5,4 Milliarden Transistoren soll 1 Milliarde Neuronen und 256 Millionen Synapsen nachbilden bei 0,02 W Leistungsverbrauch - The Machine von Hewlett Packard rechnet mit Memristoren Memory and Resistor bei um Größenordnungen höherer Rechenleistung und geringerem Leistungsverbrauch 22

24 Quelle: Poulsen-Lichtbogen-Sender von Clemens PFEIFFER - CANON PowerShot G7. Lizenziert unter Creative Commons Attribution 2.5 über Wikimedia Commons File:Poulsen-Lichtbogen-Sender.jpg Institut of Rundfunk 7. Rundfunk und Fernsehen (1) 1886 Heinrich Rudolf Hertz ( ) reproduzierte die Maxwell'sche Theorie und damit die Beobachtungen von David Edward Hughes: Oszillator erzeugt Funken, der in einem Empfänger in der Nähe eine Spannung erzeugt 1887 Entwicklung der heutigen Schallplatte (Emil Berliner) 1889 Heinrich R. Hertz berichtet in Heidelberg über die Beziehung zwischen Licht und Elektrizität und Ernst Lecher ( ) über ein Messverfahren zur Erforschung elektrischer Wellen 1893 Hochfrequenzoszillatoren (Nikolai Tesla) MHz Sende- zu 30 km entferner Empfangsstation (Nikolai Tesla) Guglielmo Marconi ( ): Patent für ersten Radioempfänger 1897 erste funktelegrafische Übertragung von Morsezeichen (Guglielmo Marconi) 1898 Vlademar Poulsen ( ): Patent für Magnettonverfahren zur Schallaufzeichnung 1903 Poulsen-Lichtbogen: ungedämpfte HF-Schwingungen, erste drahtlose Tonübertragung 1907 weltweit erste erfolgreiche Sprachsignalübertragung über den Atlantik (Vlademar Poulsen) 1906/10 Entwicklung der Verstärkerröhre (Robert von Lieben/Lee de Forest) 1914 Gründung der ersten Österreichischen Radioröhrenfabrik (E. Schrack, R. von Ettenreich) 1920 erste öffentliche Rundfunkübertragung mit Poulsen-Sender in Königs-Wusterhausen, Deutschland Poulsen-Lichtbogen-Sender 1924 Genfer Wellenplan am 14. November 1926 in Kraft getreten Präsentation der Schrack schen Balanceschaltung als erster Telefonie-Röhrensender O sterreichs Wien-Stubenring: offizieller Mittelwelle-Sendebetrieb mit 350 W 1926 Wien-Rosenhügel bis 1933: zunächst 565 khz-sender mit 7 kw Quelle: 1933 Wien-Bisamberg: zunächst 100 kw-großsendeanlage bis zur Zerstörung 1945 Quellen: Oberliesen, R.: Daten und Signale Geschichte technischer Informationsverarbeitung, Deutsches Museum 1987 und Sequenz, H.: 100 Jahre Elektrotechnik in Österreich , Springer, Wien Fünfzylinder- und 1 Vierzylinder-Dieselmaschine, Baujahr 1932 autarke Stromversorgung der Sendeanlage Bisamberg die Anfänglich ohne Netzanschluss war Quelle:

25 Quelle: Bildtelegraph-3 von Jodo - Eigenes Werk. Lizenziert unter Creative Commons Attribution-Share Alike über Wikimedia Commons - Bildtelegraph-3.JPG#mediaviewer/File:Bildtelegraph-3.JPG Institut of Fernsehen 7. Rundfunk und Fernsehen (2) elektrische Fernübertragung von Bildern 1843 Alexander Bain ( ) erhält Patent für elektro-telegrafische Bildzerlegung: erstes Faxgerät 1848 Frederick Collier Bakewell ( ) erfindet Kopiertelegrafen, Geber ist nichtleitende Walze, beschrieben mit leitender Tinte, nach Bains Prinzip der zeilenweisen Bildabtastung 1855 Giovanni Caselli ( ) einfache Zeichnungen per Draht übertragen: Amiens Paris 1865 erster kommerzieller Telefax-Dienst Paris Lyon 1873 Willoughby Smith ( ): beweist Lichtabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Selen 1875 Werner von Siemens ( ) beschreibt eine Fotozelle aus Selen George B. Carey: Idee zur Bilderübertragung mit Feld aus Selen-Fotozellen (wird 1909 realisiert) 1881 Shelford Bidwell ( ) baut den Telephotograph 1904 Arthur Korn ( ) erfand Apparatur zur zeilenweisen Bildabtastung mit Lichtstrahl auf Selen-Fotozelle; erste telegrafische Bildübermittlung München Nürnberg 1907 regelmäßiger Betrieb telegrafischer Bildübermittlung mit der Korn-Apparatur Paris Berlin London 1923 erstmals Bild von Rom nach New York mit der Korn-Apparatur übertragen 1938 Bildtelegraph von Siemens & Halske: scannen von Originalbildern auf rotierender Rolle, Fotozelle erfasst Punkt-Helligkeiten, Übertragung im Telefonnetz Übertragung bewegter Bilder: mechanisches und elektronisches Fernsehen 1883 Paul Nipkow ( ) erfand Bildzerlegung Elektrisches Teleskop, Nipkow-Scheibe: mechanisches Fernsehen 1884 Versuche zur Bildabtastung (Paul Nipkow) 1897 Entwicklung der Kathodenstrahlröhre (Ferdinand Braun) 1897 Poulsen-Lichtbogen zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen 1906/10 Entwicklung der Verstärkerröhre (Robert von Lieben/Lee de Forest) 1927 Philo Taylor Farnsworth ( ) weltweit erste Demonstration Bildübertragung auf rein elektronischem Weg, Senderöhre: erzeugt Ladungsbild auf Fotokathode 1928 John Logie Baird ( ) technische Entwicklung des Fernsehens auf Grundlage der Nipkow-Scheibe: transatlantische Übertragung eines Fernsehbildes von London nach New York, Telefonleitungen und Kurzwelle über Atlantik erster Farb-Fernseher mit synchron rotierenden Farbfiltern vor Kamera und Empfänger Bildtelegraph (1940) von Siemens & Halske Aufnahme- und Wiedergabe-Prinzip nach J. L. Baird