Kommunikation & Erkenntnisse der Wissenschaft
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- Rudolph Vogt
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1 Kommunikation & Erkenntnisse der Wissenschaft Juerg Leuthold ETH Zurich, Switzerland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
2 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
3 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
4 Global IP Forecast PB/Month EB/Month IP Forecast IP Forecast IP Forecast % Annual Growth 40% Annual Growth Year E=Exa=10 18 Mobile Dienste werden zu einem Verbrauchsgut so wie etwa Wasser getrieben von neuen Diensten Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2015 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
5 2000: 128 kbit/sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
6 2015: 1 Gbit/Sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
7 2025: 10 Gbit/Sekunde und mehr! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
8 Mobilkommunikation Nokia 7110 Topmodel 2000 EB/Month IP Forecast IP Forecast IP Forecast Mobile Forecast Year Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2015 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
9 An jedem Ort, zu jeder Zeit alle mit allem Soziale Netzwerke Personen sind vernetzt Internet der Dinge (IoT) Dinge sind vernetzt Meine Brille, Meine Jacke,. by Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
10 An jedem Ort, zu jeder Zeit unterwegs zu Fuss Google Glasses 2 Quelle Google Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
11 An jedem Ort, zu jeder Zeit im Auto Die Welt, Mit dem Tiefflug-Display über die deutsche Autobahn, by BMW Deutschland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
12 Data Mining die Kunst Information zu nutzen 90% aller Mobiltelefone sind weniger als 3 m von Ihren Besitzern entfernt Google Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
13 Bildschirme wachsen Gbit/s an Daten benötigt. Virtuelle Wände Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
14 3D-Bilder, 3D-Filme 250,000 Linsen. Jeder der 30,000 Betrachtungswinkel erhält ein anderes Bild. Als bewegtes Bild: eher 100 Gbit/s Press Release Fraunhofer Institute IPM, University of Kiel, und real-eyes.eu May 2010 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
15 3D Druck Teile werden gedruckt statt Post-Pakete gibt es Datenpakete 3D-Druck erlaubt es Einkäufe zu personalisieren Erlaubt Kreationen, die sonst nicht möglich wären 3D-Druck in der Medizin bald unverzichtbar. Rückenwirbel ersetzt. Noa Raviv, Modedesign, Tel Aviv Dr. Liu Zhongjun, Peking University, Aug Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
16 Neue Anwendungen Bald Realität! «Die Post geht in die Luft» NZZ Daimlers autonomer Lkw schon 2015 auf Deutschlands Strassen. Computer sehen mehr, schlafen nicht, und fahren präzsier. Behinderte Leute werden wieder mobil. Ref.: 25. Juli 2015; FAZ Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
17 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
18 Uber erregt Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
19 Wo? Uber Wann? Wer? Wieviel? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
20 Uber Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
21 Uber gegründet 2009 Uber ist ein Geschäftsmodell basierend auf Idee Kommunikation mit grosser Bandbreite zu jeder Zeit an jedem Ort Hardware-Infrastruktur - Voraussetzung Kommunikation steht damit am Anfang einer Innovationskette! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
22 Kommunikations Infrastruktur pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
23 Neue programmierbare Elektronik (FPGA) Jahr 2000: 1 x 40 Gbit/s 60 kchf Jahr 2015: Neuste FPGA Hardware < 20 kchf Kommunikation mit >4Tbit/s Bandbreite 128 Eingänge & Gbit/s High-Speed IO Bandwidth [Gbit/s] Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
24 Neue optische Komponenten Fortschritt: köhärente Empfänger A 190 THz = Hz 4 x 20 Gb/s Laser II-VI Laser Enterprise, Zürich 0 Zeit t [s] 25 Gb/s Photodioden Albis Opto, Rüschlikon Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
25 Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
26 Car-to-X Communications Car-to-car Car-to-Infrasturcture Frequency spectrum in the 5.9 GHz; IEEE Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
27 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
28 Kanal Kapazität Claude Elwood Shannon, Mitarbeiter bei den Bell Labs Wissenschaftliche Arbeit zu Maximal möglicher Übertragungskapazität : A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 27 (1948) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
29 Shannon Kanal-Kapazität Lsg 3: Anzahl der Sender vervielfachen C PS = B log2 1+ PN Verfügbare Frequenzbandbreite Lsg. 1: Höhere Frequenzen mehr Kapazität Verfügbares Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) Lsg 2: Mehr Leistung mehr Kapazität Bemerkung: Es werden hier nur streng physikalische Beschränkungen diskutiert. Kodierverfahren werden nicht diskutiert. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
30 Höhere Frequenzen Mehr Kapazität A Zeit t [s] A Zeit t [s] 1 Hz 2 bit/s 2 Hz 4 bit/s Je höher die Frequenz desto mehr Kapazität! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
31 Mehr Leistung P Mehr Kapazität bit/ Symbol 2 bit/ Symbol 3 bit/ Symbol Mehr Sendeleistung mehr Kapazität! Anzahl bits = log 2 (Anzahl Niveaus) Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
32 Mehr Pfade Mehr Sender Mehr Kapazität Glasfaserkabel Glasfaser mit 1 Kern Glasfaser mit mehreren Kernen (MIMO=Mulitiple Input Multiple Output) Mehr Pfade mehr Kapazität! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
33 Die Glasfaser Verluste pro km (0.15 db) oder: 70% nach 10 km Die Glasfaser bietet: Hohe Übertragungsfrequenzen Überträgt hohe Signal-Leistungen: Erhältlich als Kabel mit vielen Fasern 190 THz 1 W und mehr 1000 und mehr Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
34 1.01 Pb/s Transmission über 53 km Glasfaser Ref. Proc. ECOC 2012, PDP 3C.1 Bit-Rate: 222 x 45.7 Gbaud x 5 x 2 x 12 1/1.20 = 1010 Tb/s Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
35 Herausforderung - Energieverbrauch Cisco CRS-1 Multi Shelf System Verarbeitet 92 Terabits pro Sekunde 1152 Eingänge zu 40 Gb/s Energieverbrauch 1020 kw Datenzentren: - zentrale & kühle Orte - genügend & günstige Energie - Datenschutz und politische Stabilität Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
36 Elektrische Signale auf Laser kodieren Kommerzieller Modulator Neuster Modulator - ETH Signal pad Suspended bridge Ground pad 3 Island 2 1 µm Ground pad Gbit/s Dimension: 100 mm x 20 mm Verbrauch: fj/bit 0.5 Watt im Modulator 5 Watt für Kühlung : 100x10 6 : Gbit/s Dimension: 10 µm x 2 µm Verbrauch: 20 fj/bit Watt C. Haffner et al; Nature Photonics, Aug Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
37 Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
38 Shannon Kanal-Kapazität Lsg 3: Mehr Antennen in kleineren Zellen mehr Kapazität MIMO Antennenverbund am Ort mehr Kapazität C PS = B log2 1+ PN Frequenzbandbreite Lsg. 1: Mehr Frequenzbänder mehr Kapazität Höhere Frequenzen mehr Kapazität Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) Lsg 2: Mehr Leistung mehr Kapazität Strahl-Lenkung mehr Kapazität Bemerkung: Es werden hier nur streng physikalische Beschränkungen diskutiert. Kodierverfahren werden nicht diskutiert. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
39 Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapzität Swisscom Atmospheric Attenuation [db/km] Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
40 Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapazität GHz (Faktor10) Atmospheric Attenuation [db/km] 60 GHz GHz ITU-R P.676-8, GHz 240 GHz (Faktor 100 but LOS) Höhere Frequenz mehr Kapazität Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
41 Bsp: 100 Gbit/s Mobilverbindung 240 GHz MMIC LO multiplier ( 6) Rx MMIC IQ-mixer module horn antenna LO 20GHz LO 120GHz lens variable attenuator IQ outputs tripod Ref.: Koenig, S., et al., Nature Photonics, (12): p Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
42 Mehr Leistung beim Empfänger durch Strahllenkung Die Energie wird dahin gelenkt, wo sie gebraucht wird Mehr Energie beim Teilnehmer Weniger Strahlenbelastung Mehr Teilnehmer können gleichzeitg bendient werden Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
43 Bsp: Strahllenkung User 2 User 1 Experiment: 2 Users at different locations Each receives 5 Gbit/s (a) Amplitude [mv] Rx Signals for 8 Symbols Switching 50 User 1 User 2 0 ETH: R. Bonjour, to be published Time [ns] Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
44 Mehr Antennen durch Massive MIMO GHz GHz Entwicklung 10 Teilnehmer können gleichzeitig bedient werden. MobiCom '13 Proceedings of the 19th annual international conference on Mobile computing & networking Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
45 Inhalt Die Trends Die Infrastruktur die Hardware hinter dem Erfolg! Die Physik setzt sie dem Wachstum Grenzen? Die Gesellschaft weitere Herausforderungen. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
46 Gesundheit: Strahlenbelastung und Gehirntumor Quelle: Forschungsstiftung Strom Mobilkommunikation (FSM); ETH Zürich Leitgeb, 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
47 Missbrauch - Cybermobbing Amanda Todd (15) Kompromitierendes Bild gelangt ins Internet. Das Bild wird herumgereicht: Familie, Freunde und Mitschüler geschickt.. Sie wird es nicht mehr los und geht. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
48 Sicherheit Hacker übernehmen Kontrolle über Auto 21. Juli 2015 Grösste Gefahr: Fehlendes Sicherheitsbewusstsein bei Herstellern und Kunden! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
49 Schlussfolgerung Um die Märkte der Zukunft zu verstehen, muss man die Bandbreite erahnen, welche wir in 10 Jahren haben werden. Die Märkte der Zukunft, die Lebensqualität, der Sozialstaat, setzt Kommunikation als Infrastruktur voraus. Die Physik setzt der Kommunikation noch keine Grenzen Die Herausforderung an die Wissenschaft: die Hardware, Software & Netze der Zukunft zu erfinden Die Herausforderung an die Gesellschaft: Gesetzliche & regulatorische Anpassungen vornehmen, selbst wenn der Nutzer noch keinen Nutzen sieht. Danke! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold
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