kommunikation & erkenntnisse der wissenschaft - epfl · press release fraunhofer institute ipm,...
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Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 1 | |
Juerg Leuthold
ETH Zurich, Switzerland
Kommunikation & Erkenntnisse der Wissenschaft
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 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 10.11.2015 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 10.11.2015 4 | |
Global IP Forecast
Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2015
23% Annual Growth
Mobile Dienste werden zu einem Verbrauchsgut – so wie etwa Wasser getrieben von neuen Diensten
E=Exa=1018
2005 2010 2015 20200
50
100
150
IP Forecast 2005-2011
PB/M
onth
Year2005 2010 2015 2020
0
50
100
150 IP Forecast 2005-2011 IP Forecast 2010-2015
PB/M
onth
Year2005 2010 2015 2020
0
50
100
150 IP Forecast 2005-2011 IP Forecast 2010-2015 IP Forecast 2014-2019
PB/M
onth
Year
40% Annual Growth EB
/Mon
th
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2000: 128 kbit/Sekunde
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2015: 1 Gbit/Sekunde
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2025: 10 Gbit/Sekunde und mehr!
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Mobilkommunikation
Ref.: CISCO Gobal IP and Global Mobile Data Traffic Forecast, June 2015
Nokia 7110 – Topmodel 2000
2005 2010 2015 20200
50
100
150 IP Forecast 2005-2011 IP Forecast 2010-2015 IP Forecast 2014-2019 Mobile Forecast 2013-2018
EB/M
onth
Year
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An jedem Ort, zu jeder Zeit – alle mit allem
Internet der Dinge (IoT) Dinge sind vernetzt
Soziale Netzwerke Personen sind vernetzt
Meine Brille, Meine Jacke,….
© by www.dreamstime.com
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An jedem Ort, zu jeder Zeit – unterwegs zu Fuss
Quelle Google
Google Glasses 2
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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 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 10.11.2015 13 | |
http://ex-blog.panasonic.co.jp/exhibition/2008/09/ceatec08_250.html
Virtuelle Wände
Bildschirme wachsen
Gbit/s an Daten benötigt.
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3D-Bilder, 3D-Filme
• 250,000 Linsen. • Jeder der 30,000 Betrachtungswinkel erhält ein anderes Bild.
Press Release Fraunhofer Institute IPM, University of Kiel, und real-eyes.eu May 2010
Als bewegtes Bild: eher 100 Gbit/s
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3D Druck Teile werden gedruckt – statt Post-Pakete gibt es Datenpakete
Noa Raviv, Modedesign, Tel Aviv
3D-Druck erlaubt es • Einkäufe zu personalisieren • Erlaubt Kreationen, die sonst nicht möglich wären
3D-Druck in der Medizin bald unverzichtbar.
Rückenwirbel ersetzt.
Dr. Liu Zhongjun, Peking University, Aug. 2014
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Neue Anwendungen – Bald Realität!
Computer sehen mehr, schlafen nicht, und fahren präzsier. Behinderte Leute werden wieder mobil.
Daimlers autonomer Lkw schon 2015 auf Deutschlands Strassen. Ref.: 25. Juli 2015; FAZ
«Die Post geht in die Luft» NZZ 7.7.2015
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Inhalt
Die Trends
Die Infrastruktur – die Hardware hinter dem Erfolg!
Die Physik – setzt sie dem Wachstum Grenzen?
Die Gesellschaft – weitere Herausforderungen.
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“Uber” erregt
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“Uber” Wo? Wann? Wer? Wieviel?
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Uber
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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!
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Kommunikations Infrastruktur
pubs.opengroup.org/architecture
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Neue programmierbare Elektronik (FPGA)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1996 2000 2004 2008 2012 2016
High-Speed IO Bandwidth [Gbit/s]
Jahr 2015: Neuste FPGA Hardware < 20 kCHF
Kommunikation mit >4Tbit/s Bandbreite 128 Eingänge & Ausgänge @ 32.75 Gbit/s
Jahr 2000: 1 x 40 Gbit/s 60 kCHF
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Neue optische Komponenten
0Zeit t [s]
190 THz = 190·1012 HzA
25 Gb/s Photodioden Albis Opto, Rüschlikon
4 x 20 Gb/s Laser II-VI Laser Enterprise, Zürich
Fortschritt: köhärente Empfänger
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Kommunikations Infrastruktur
pubs.opengroup.org/architecture
ec.europa.eu/digital-agenda/
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Car-to-X Communications Car-to-car
Frequency spectrum in the 5.9 GHz; IEEE 802.11 www.car-2-car.org
Car-to-Infrasturcture
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Inhalt
Die Trends
Die Infrastruktur – die Hardware hinter dem Erfolg!
Die Physik – setzt sie dem Wachstum Grenzen?
Die Gesellschaft – weitere Herausforderungen.
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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
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Shannon Kanal-Kapazität
2log 1 S
N
PC BP
= ⋅ +
Verfügbare Frequenzbandbreite Verfügbares
Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) Lsg. 1:
Höhere Frequenzen – mehr Kapazität Lsg 2: Mehr Leistung – mehr Kapazität
Lsg 3: Anzahl der Sender vervielfachen
Bemerkung: Es werden hier nur streng physikalische Beschränkungen diskutiert. Kodierverfahren werden nicht diskutiert.
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Höhere Frequenzen – Mehr Kapazität
Je höher die Frequenz – desto mehr Kapazität!
0 1Zeit t [s]
1 Hz
A
2 bit/s
10
0 1Zeit t [s]
2 Hz
A
4 bit/s
1
0
1
0
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Mehr Leistung P – Mehr Kapazität
Anzahl bits = log2 (Anzahl Niveaus)
1
0
1 bit/Symbol
00
01
11
10
2 bit/Symbol
000001
3 bit/Symbol
011010110111101100
Mehr Sendeleistung – mehr Kapazität!
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Glasfaserkabel
Mehr Pfade – Mehr Sender – Mehr Kapazität
Glasfaser mit mehreren Kernen (MIMO=Mulitiple Input Multiple Output)
Glasfaser mit 1 Kern
Mehr Pfade – mehr Kapazität!
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Die Glasfaser
www.corning.com/media/
Die Glasfaser bietet: Hohe Übertragungsfrequenzen 190 THz Überträgt “hohe” Signal-Leistungen: 1 W und mehr Erhältlich als Kabel mit vielen Fasern 1000 und mehr
Verluste pro km (0.15 dB) oder: 70% nach 10 km
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 34 | |
1.01 Pb/s Transmission über 53 km Glasfaser
Bit-Rate: 222 x 5 x 2 1/1.20 = 1010 Tb/s x 45.7 Gbaud x 12
Ref. Proc. ECOC’2012, PDP 3C.1
000001011010110111101100
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 35 | |
Herausforderung - Energieverbrauch Cisco CRS-1 Multi Shelf System
Verarbeitet 92 Terabits pro Sekunde 1152 Eingänge zu 40 Gb/s Energieverbrauch 1020 kW
http://newsroom.cisco.com
Datenzentren: - zentrale & kühle Orte - genügend & günstige Energie - Datenschutz und politische Stabilität
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Elektrische Signale auf Laser kodieren
Kommerzieller Modulator
100 Gbit/s Dimension: 100 mm x 20 mm Verbrauch: 10’000 fJ/bit 0.5 Watt im Modulator 5 Watt für Kühlung
120 Gbit/s Dimension: 10 µm x 2 µm Verbrauch: 20 fJ/bit 0.002 Watt
C. Haffner et al; Nature Photonics, Aug. 2015
Neuster Modulator - ETH
: 500 : 100x106
Suspended bridge
Signal pad
Ground pad
Island
Ground pad
①
②
③
1 µm
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Kommunikations Infrastruktur
pubs.opengroup.org/architecture
ec.europa.eu/digital-agenda/
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 38 | |
Shannon Kanal-Kapazität
2log 1 S
N
PC BP
= ⋅ +
Frequenzbandbreite Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) Lsg. 1: Mehr Frequenzbänder – mehr Kapazität Höhere Frequenzen – mehr Kapazität
Lsg 2: Mehr Leistung – mehr Kapazität “Strahl-Lenkung” – mehr Kapazität
Lsg 3: Mehr Antennen in kleineren Zellen – mehr Kapazität MIMO Antennenverbund am Ort – 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 39 | |
Mehr & höhere Frequenzen – Mehr Kapzität
Atm
osph
eric
Atte
nuat
ion
[dB
/km
]
Frequency [GHz]
Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, 2011.
Swisscom
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 40 | |
Mehr & höhere Frequenzen – Mehr Kapazität
ITU-R P.676-8, 2009.
Atm
osph
eric
Atte
nuat
ion
[dB
/km
]
Frequency [GHz]
28-38 GHz 60 GHz 71-76 GHz
92-95 GHz 240 GHz
(Faktor 100 but LOS)
(Faktor10)
Höhere Frequenz – mehr Kapazität
Kallfass et al., IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology, vol.1, 2011.
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 41 | |
Bsp: 100 Gbit/s Mobilverbindung – 240 GHz
Ref.: Koenig, S., et al., Nature Photonics, 2013. 7(12): p. 977-981.
lens
tripod
horn antenna
Rx MMIC IQ-mixer module
MMIC LO multiplier (×6)
LO 20GHz
IQ outputsvariable attenuator
LO120GHz
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 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 10.11.2015 43 | |
Bsp: Strahllenkung
(a)
Time [ns]0 1 2 3 4 5-50
0
Ampl
itude
[mV]
Rx Signals for 8 Symbols SwitchingUser 1User 2
50
Experiment: 2 Users at different locations Each receives 5 Gbit/s
ETH: R. Bonjour, to be published
User 1 User 2
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 44 | |
Mehr Antennen durch “Massive MIMO”
http://argos.rice.edu/
96 antenna @ 2.4 GHz
MobiCom '13 Proceedings of the 19th annual international conference on Mobile computing & networking
10 Teilnehmer können gleichzeitig bedient werden.
64 Antennen @ 240 GHz
Entwicklung
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 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 10.11.2015 46 | |
Gesundheit: Strahlenbelastung und Gehirntumor
Leitgeb, 2014
Quelle: Forschungsstiftung Strom Mobilkommunikation (FSM); ETH Zürich
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 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 10.11.2015 48 | |
Sicherheit Hacker übernehmen Kontrolle über Auto
Grösste Gefahr: Fehlendes Sicherheitsbewusstsein bei Herstellern und Kunden!
21. Juli 2015
Institute of Electromagnetic Fields (IEF) Juerg Leuthold 10.11.2015 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!