Security Boot Camp 2016 Verhoging van de maximumsnelheid
Security Boot. Camp 2016: Verhoging van de maximumsnelheid: gevolgen van een droom Prof. dr. ir. P. G. M. Baltus Centre for Wireless Technology, Eindhoven
Mijn achtergrond: Peter Baltus (bouwjaar 1960, Sittard) MSc TU/e 1985, Ph. D TU/e 2004 22+ jaar ervaring @ Philips/NXP: ADCs, Controllers, software, RF circuits & systemen scientist, cluster leader, development lab manager, program manager, architect, fellow California, Eindhoven, Tokyo, Nijmegen, Caen • • • Vanaf mei 2007 voltijd @ TU/e • • Directeur Centre for Wireless Technology, Eindhoven (CWTe) Hoogleraar hoogfrequente electronica (TU/e)
Overzicht • De droom… • Uitdagingen • 1 Tbps • Gevolgen • Conclusies
De Droom Een wereld zonder draden en kabels Bron: D. Sjaron Pruitt
De realiteit Draden zijn: • Goedkoper • Betrouwbaarder • Veiliger • Energiezuiniger Maar ook: • Lastiger te installeren • Minder flexibel En soms: • Onmogelijk • Lelijk
Uitdagingen: hoe het allemaal begon Er was eens… de eerste radio (~1890) “Marconi had het makkelijk…” (maar werd desondanks wereldberoemd) + Tesla, Branly, Lodge, Bose, Cervera, Popov, Braun, …
Uitdaging 1 e radio: signaal niveaus • Zenden: heel sterk signaal • Ontvangen: heel zwak signaal • Waarom? Uitsmeren van het signaal
Is dat een serieus probleem? • Kleine ontvangst antenne: 1 mm 2 • Afstand: 5 m • Oppervlak van de bol: A = 4 π r 2 = 100 π m 2 • Fractie van bol afgedekt door ontvangst antenne: 1 mm 2 / 100 π m 2 ≈ 0. 00003 (=3 * 10 -9) • Afstand: 5 km • Oppervlak van de bol: A = 4 π r 2 = 10000 π m 2 • Fractie van bol afgedekt door ontvangst antenne: 1 mm 2 / 10000 π m 2 ≈ 0. 00000003 (=3 * 10 -15)
Uitdagingen 1 e radio: zwak signaal en Ruis g akkin er m s n t e i r sme U Uit Verzw le ies t c f e R p. g. m. baltus@tue. nl
Uitdagingen 2 e radio: delen van het radio kanaal Stoorzende ss rs Lo Path Ruis Lo Path ss til Mu th a p p. g. m. baltus@tue. nl
Eerlijk zullen we alles delen: frequentie toewijzing Draadloos = success meer en snellere apparaten • Steeds gedetailleerdere toewijzing spectrum • Technologie beperkt toegang tot hoge frequenties • Toewijsbaar spectrum op lage frequenties raakt op
De mythe van het volle radiospectrum Demo van de eeuwige ruisvelden
De realiteit van de spectrum allocatie • Historisch gegroeid • Veranderen moeilijk/onmogelijk: • Uitschakelen analoge TV: moeilijk • Draadloze telefonie: onmogelijk • Schaarste is economische realiteit: > € 100 / Hz • Slimmer gebruik zou helpen: • Maar is het genoeg?
Trends in data snelheid draadloze systemen Edholm’s Law 2020: 1 Tbps 1 E+11 1 E+10 Wi. HD Datsnelheid 1 E+09 IEEE 802. 11 n IEEE 802. 11 g 1 E+08 IEEE 802. 11 b 1 E+07 DECT 1 E+06 GSM 1 E+05 1 E+04 Alpha pager 1 E+03 1 E+02 1 E+01 1966 Bron: Pager 1976 1986 1996 2006 Steven Cherry, “Edholm's Law of Bandwidth” IEEE Spectrum, 2004 2016 2026 Jaar
Trends: groei in aantal draadloze apparaten Source: http: //www. wwrf. ch
Is slimmer spectrum gebruik genoeg? Totale huidige spectrum tot 6 GHz onvoldoende voor 1 Tbps Slimmer gebruiken moet… …maar is niet genoeg
De rol van Nederlandse bedrijven en universiteiten Toen: Oost-Indië/Radio Malabar (dr. de Groot, 1923), Hiperlan, GSM (o. a. Rob Sluijter, ~1990), DECT, Bluetooth (prof. dr. ir. Jaap Haartsen, ~1995), … Nu: Vele onderzoeksgroepen (CWTe, CAT, wireless@tudelft, TNO, SRON, ASTRON, Dev. Lab, …) en bedrijven (Thales, NXP, RSC, Qualcomm, Broadcom, Greenpeak, …) Het gaat goed komen – (mede) dankzij NL!
1 Tbps technologie Problemen van hoge frequenties: • Electronica: Moore’s law • Krimpende antennes… …maar waarom eigenlijk? Krimpende antennes: afnemend signaal Vaste antenne grootte telefoon: gelijk signaal Vaste antennes telefoon & basis: toenemend signaal! Oorzaak: bundelvorming
1 Tbps technologie: draaiende antennes • Het kan: • Niet door muren: >= 1 cel / kamer Hogere systeemcapaciteit Verbeterde veiligheid • Veel bandbreedte: > 300 GHz frequenties • Bundelvorming: Draaiende antennes Source: NRAO/AUI 2013
1 Tbps technologie: virtueel draaiende antennes Vervang 1 grote antenne door veel kleine: Delay Delay
1 Tbps technologie: virtueel draaiende antennes Virtueel draaien door aanpassen delays: Delay Delay
1 Tbps: speculaties & wilde ideeën • Virtueel gat in de muur
Gevolgen • Technologie mobiel & wireless groeit naar elkaar toe • • Cel grootte Bundelvorming Frequenties En ook: Spectrum efficientie, Qo. S, Handover, enz. • Business modellen blijven zeer verschillend?
Bijvangst: draadloze energie Een kort verhaal om de noodzaak van batterijloze draadloze apparaten beter te begrijpen Warning & Disclaimers: Contains nocturnal bedroom scenes With consenting adults Contains violent language
02: 45 AM
02: 45 AM Snurk
02: 45 AM Snur k
02: 45 AM Snurk
02: 46 AM
02: 46 AM BEEP!!!
Lieve Peter, wordt wakker! Dat @#$% brandalarm Piept weer! 02: 46 AM Huh? Wat ? Ja schat!
02: 46 AM Waar is die stomme zaklamp? Oef…. Knal… …Stommel
02: 46 AM Gevonden!
Niet die in mijn kantoor! 02: 47 AM BEEP!!!
Ook niet die in de meterkast… 02: 48 AM BEEP!!!
Dan zal het wel boven zijn? 02: 49 AM BEEP!!!
02: 50 AM Deze ook niet… BEEP!!!
Gevonden!!! Het is die op zolder! 02: 51 AM BEEP!!! Maar ik kan er niet bij! Ik moet de @#&* ladder beneden halen…
02: 52 AM BEEP!!!
02: 53 AM BEEP!!!
02: 54 AM BEEP!!!
Ja! Gelukt! Nu weer vlug naar bed…. 02: 55 AM
2: 57 AM Ik ga dromen over batterijloze apparaten Snurk The (happy? ) End
Bijvangst: batterijloze draadloze sensoren • • Kleinste draadloze temperatuur sensor 0. 2 mm^3 1. 6 mg 0 m. W gemiddeld vermogensgebruik! Zien = geloven…
Amplitude Bijvangst: filteren van signalen naar sterkte Frequency
Bijvangst: verbeterde veiligheid Beperken radiosignalen tot “virtuele draad” in de ruimte Speculatie: beperken radiosignalen tot “virtueel punt” in de ruimte Delay Delay
Conclusies Draadloze technologie heeft fundamentele uitdagingen • Die opgelost moeten worden voor: • Groei aantal apparaten • Groei datasnelheid • Die opgelost kunnen worden: • 1 Tbps lijkt haalbaar • Op basis van huidige kennis • Op basis van huidige technologieën • Interessante spin-offs: • Draadloze energie overdracht • Onderdrukken stoorzenders • Verbetering veiligheid
Bedankt voor uw aandacht! Heeft u vragen?
Uitdagingen 1 e radio: geen directe verbinding Informatie zit in de vorm van het signaal
Uitdagingen 2 e radio: delen van het radio kanaal Informatie zit in de vorm van het signaal
Is dat een serieus probleem? • Gewenste zender: t s r e e k • Afstand: 5 km • Oppervlak van de bol: A = 4 π r 2 = 10000 π m 2 • Fractie van bol afgedekt door ontvangst antenne: 1 mm 2 / 10000 π m 2 ≈ 0. 00000003 (=3 * 10 -15) • Stoorzender: 0 0 x 0 • Afstand: 5 m • Oppervlak van de bol: A = 4 π r 2 = 100 π m 2 • Fractie van bol afgedekt door ontvangst antenne: 1 mm 2 / 100 π m 2 ≈ 0. 00003 (=3 * 10 -9) 0 1 ! r
Trends in data snelheid draad systemen Edholm’s Law 1 E+11 1 E+10 Datsnelheid 1 E+09 2020: 1 Tbps ng i d bin r e v d a ra d d hei l e Sn ? 1 E+08 1 E+07 1 E+06 1 E+05 1 E+04 1 E+03 1 E+02 1 E+01 1966 Bron: Pager 1976 1986 1996 2006 Steven Cherry, “Edholm's Law of Bandwidth” IEEE Spectrum, 2004 2016 2026 Jaar Crossover: ~ 2030?
Gebeurt dit echt? • Voorbeeld: • Recente groei 3 G verkeer: − 280% / jaar (2004 -2009) − 370% / jaar (2009 -2014) • Totale verkeer groeit sneller dan Edholm’s Law (!) • Groei energie verbruik van mobiele netwerken: 2000 grote windmolens/jaar extra!
Cell grootte
- Slides: 56