Kommunikation & Erkenntnisse der Wissenschaft

Kommunikation & Erkenntnisse der Wissenschaft Juerg Leuthold ETH Zurich, Switzerland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 1

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 10.11.2015 2

Global IP Forecast PB/Month EB/Month 150 100 50 IP Forecast 2005-2011 IP Forecast 2010-2015 2005-2011 IP Forecast 2014-2019 23% Annual Growth 40% Annual Growth 0 2005 2010 2015 2020 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 10.11.2015 4

2000: 128 kbit/sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 5

2015: 1 Gbit/Sekunde Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 6

2025: 10 Gbit/Sekunde und mehr! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 7

Mobilkommunikation Nokia 7110 Topmodel 2000 EB/Month 150 100 50 IP Forecast 2005-2011 IP Forecast 2010-2015 IP Forecast 2014-2019 Mobile Forecast 2013-2018 0 2005 2010 2015 2020 Year Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2015 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 8

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 www.dreamstime.com Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 9

An jedem Ort, zu jeder Zeit unterwegs zu Fuss Google Glasses 2 Quelle Google Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 10

An jedem Ort, zu jeder Zeit im Auto Die Welt, Mit dem Tiefflug-Display über die deutsche Autobahn, 21.7. 2012 by BMW Deutschland Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 11

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 10.11.2015 12

Bildschirme wachsen Gbit/s an Daten benötigt. Virtuelle Wände http://ex-blog.panasonic.co.jp/exhibition/2008/09/ceatec08_250.html Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 13

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 10.11.2015 14

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. 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 15

Neue Anwendungen Bald Realität! «Die Post geht in die Luft» NZZ 7.7.2015 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 10.11.2015 16

Uber erregt Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 18

Wo? Uber Wann? Wer? Wieviel? Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 19

Uber Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 20

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 10.11.2015 21

Kommunikations Infrastruktur pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 22

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 & Ausgänge @ 32.75 Gbit/s High-Speed IO Bandwidth [Gbit/s] 5000 4000 3000 2000 1000 0 1996 2000 2004 2008 2012 2016 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 23

Neue optische Komponenten Fortschritt: köhärente Empfänger A 190 THz = 190 10 12 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 10.11.2015 24

Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 25

Car-to-X Communications Car-to-car Car-to-Infrasturcture Frequency spectrum in the 5.9 GHz; IEEE 802.11 www.car-2-car.org Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 26

Kanal Kapazität Claude Elwood Shannon, 1918 2001 Mitarbeiter bei den Bell Labs Wissenschaftliche Arbeit zu Maximal möglicher Übertragungskapazität : A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 27 (1948) 379 423 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 28

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 10.11.2015 29

Höhere Frequenzen Mehr Kapazität A 1 0 0 1 Zeit t [s] A 1 1 0 0 0 1 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 10.11.2015 30

Mehr Leistung P Mehr Kapazität 1 0 10 11 01 00 100 101 111 110 010 011 001 000 1 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 10.11.2015 31

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 10.11.2015 32

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 www.corning.com/media/ Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 33

1.01 Pb/s Transmission über 53 km Glasfaser 100 101 111 110 010 011 001 000 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 10.11.2015 34

Herausforderung - Energieverbrauch Cisco CRS-1 Multi Shelf System http://newsroom.cisco.com 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 10.11.2015 35

Elektrische Signale auf Laser kodieren Kommerzieller Modulator Neuster Modulator - ETH Signal pad Suspended bridge Ground pad 3 Island 2 1 µm Ground pad 1 100 Gbit/s Dimension: 100 mm x 20 mm Verbrauch: 10 000 fj/bit 0.5 Watt im Modulator 5 Watt für Kühlung : 100x10 6 : 500 120 Gbit/s Dimension: 10 µm x 2 µm Verbrauch: 20 fj/bit 0.002 Watt C. Haffner et al; Nature Photonics, Aug. 2015 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 36

Kommunikations Infrastruktur ec.europa.eu/digital-agenda/ pubs.opengroup.org/architecture Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 37

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 10.11.2015 38

Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapzität Swisscom Atmospheric Attenuation [db/km] Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, 2011. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 39

Mehr & höhere Frequenzen Mehr Kapazität 28-38 GHz (Faktor10) Atmospheric Attenuation [db/km] 60 GHz 71-76 GHz ITU-R P.676-8, 2009. 92-95 GHz 240 GHz (Faktor 100 but LOS) Höhere Frequenz mehr Kapazität Frequency [GHz] Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, 2011. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 40

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, 2013. 7(12): p. 977-981. Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 41

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 10.11.2015 42

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 -50 0 1 2 3 4 5 Time [ns] Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 43

Mehr Antennen durch Massive MIMO 96 antenna @ 2.4 GHz 64 Antennen @ 240 GHz Entwicklung http://argos.rice.edu/ 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 10.11.2015 44

Gesundheit: Strahlenbelastung und Gehirntumor Quelle: Forschungsstiftung Strom Mobilkommunikation (FSM); ETH Zürich Leitgeb, 2014 Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 46

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 10.11.2015 47

Sicherheit Hacker übernehmen Kontrolle über Auto 21. Juli 2015 Grösste Gefahr: Fehlendes Sicherheitsbewusstsein bei Herstellern und Kunden! Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 48

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 10.11.2015 49