Pictures of the Future Frühjahr 2005
Forschungskooperation TU München
Mobilfunk in Bewegung
In Zukunft werden Gespräche von Handy zu Handy hüpfen und sogar Funklöcher überspringen. An dieser Vision arbeiten Forscher von Siemens und der Technischen Universität München.
Spontanes Mobilfunknetz: Handys sollen künftig ohne Umweg über Basisstationen miteinander kommunizieren und Gespräche weiterleiten
So richtig mobil ist Mobilfunk eigentlich nicht: Eine Verbindung kommt nur zustande, wenn sich eine Basisstation mit fest installierten Sende- und Empfangsantennen in der Nähe befindet. Die wiederum ist per Kabel an die Vermittlungszentrale gekoppelt. Weltweit arbeiten Forscher derzeit an flexibleren Mobilfunknetzen der Zukunft. Handys oder Laptops sollen direkt miteinander Kontakt aufnehmen können, ohne Umweg über Basisstationen. Die Geräte bilden dann spontan Verbindungen untereinander – so genannte Ad-hoc-Netze. Damit können Daten sogar in Funklöchern empfangen werden. Das Gespräch hüpft von der letzten erreichbaren Basisstation einfach von Handy zu Handy weiter, bis es schließlich das gewünschte Gerät erreicht. So lassen sich Funkzellen flexibel und spontan (ad hoc) erweitern – und auch noch bedarfsgerecht, denn je mehr Handys in der Nähe sind, umso besser funktioniert’s. Im heutigen System bricht hingegen das Netz zusammen, wenn zu viele Menschen gleichzeitig telefonieren wollen.
In mehreren Forschungsprojekten arbeiten Siemens-Wissenschaftler mit der Technischen Universität München (TUM) an der nächsten – der vierten – Mobilfunkgeneration, die in etwa zehn Jahren marktreif sein könnte. Prof. Jörg Eberspächer, Leiter des Lehrstuhls für Kommunikationsnetze, ist sich aber sicher, dass Handys schon zu einem früheren Zeitpunkt soviel Intelligenz besitzen, dass sie zur umfassenden Ad-hoc-Kommunikation fähig sind. Bedeutend ist diese Technik vor allem, weil für künftige Multimedia-Übertragungen hohe Grundfrequenzen benötigt werden, da sich so mehr Daten transportieren lassen. Ihre Reichweite ist indes geringer als die der heute genutzten Frequenzen. Kritiker befürchten, dass daher viele weitere Mobilfunkmasten aufgestellt werden müssten. Ad-hoc-Netze könnten diese Zahl in Grenzen halten.
Für den Nutzer hat das flexible Netz noch einen anderen Vorteil: Da für ein Gespräch mit Ad-hoc-Nachbarn kein Umweg über die Telefonzentrale nötig ist, spart man Gebühren. Die Geräte müssen dann einen Teil der Arbeit bewältigen, die heute die Vermittlungszentralen übernehmen. Sie müssen Informationen aufnehmen und an die richtige Adresse weiterleiten. Zudem muss gewährleistet sein, dass die Ad-hoc-Verbindung stabil bleibt. Im vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt IPonAir (Internet Protocol on Air – Drahtloses Internet) arbeiten Eberspächer und seine Mitarbeiter mit Siemens und anderen Unternehmen an der Lösung derartiger Probleme. In Simulationen konnten die TUM-Ingenieure zeigen, dass sich die Gefahr des Abreißens der Verbindung dadurch verringern lässt, dass mehrere Ad-hoc-Pfade zwischen Sender und Empfänger aufgebaut werden. In weiteren Simulationen untersuchen die Forscher, welchen Einfluss Gebäude auf die Eigenschaften des Ad-hoc-Netzes haben. Wie stark streuen Hausecken das Signal? Wann kommt es zu störenden Überlagerungen? Ein weiteres Problem: Da sich die Ad-hoc-Teilnehmer ständig bewegen, müssen die Mobilgeräte spontan reagieren können, um die Kommunikation aufrechtzuerhalten. Zu klären ist dabei unter anderem, welche Sendeleistung nötig ist. Forscher um Prof. Joachim Hagenauer, Leiter des TUM-Lehrstuhls für Nachrichtentechnik, haben herausgefunden, dass sich durch das Ad-hoc-Hüpfen der Gespräche die Strahlungsleistung eines Mobiltelefons bis auf ein Sechzehntel reduzieren lässt, da das Handy seine Botschaft nur bis zum nächsten Gerät funken muss.
Brücke für neue Kooperationen
Die Zusammenarbeit bei Innovation und Talentförderung hat für Siemens und die Technische Universität München (TUM) erhebliche Bedeutung. Die Partner betreiben daher seit 2001 das Center for Knowledge Interchange (CKI). "Das CKI führt die Praxis-Erfahrung der Forscher von Siemens mit dem wissenschaftlichen Expertenwissen der TUM-Kollegen zusammen", sagt Martin Zißler, der auf der Seite der TUM das CKI leitet. Es vermittelt wechselseitig fachliche Ansprechpartner und kümmert sich um die unbürokratische Abwicklung von Kooperationsverträgen. Da die Konditionen bereits grundsätzlich geklärt sind, bedarf es für den Beginn einer neuen Projektkooperation nur noch weniger Vereinbarungen. "Das CKI eröffnet natürlich auch berufliche Perspektiven für die in gemeinsamen Projekten tätigen Jungforscher – insbesondere für solche mit Unternehmergeist, die technologisches Fachwissen mit betriebswirtschaftlichem Verständnis verknüpfen können", erklärt Prof. Hubertus von Dewitz, Siemens-CKI-Manager. Mehr als 50 Projekte hat das CKI in den vergangenen zwei Jahren betreut. www.tum.de/cki
Datentausch unter Gleichen Eine intensive Zusammenarbeit gibt es derzeit auch bei einer anderen Kommunikationstechnik, die in ihren Grundzügen dem Ad-hoc-Prinzip ähnelt – der Peer-to-Peer-Kommunikation (P2P). Populär wurde dieses Verfahren vor wenigen Jahren mit dem Aufkommen der Internet-Tauschbörsen, in denen etwa Musikdateien direkt von einem Computer ohne Umweg über zentrale Server zu einem anderen geschickt werden. "Peer" bezeichnet dabei einen einzelnen Computer oder Nutzer. Inzwischen macht P2P mehr als die Hälfte des Verkehrs im Internet aus und belastet die Breitbandverbindungen mit ungeheuren Datenmengen, denn die Anfrage nach einem Musikstück wird ungerichtet abgeschickt. Sie verbreitet sich lawinenartig über die Datenleitungen, bis sie schließlich rein zufällig irgendwo in der Welt auf den Computer trifft, in dessen Speicher die gewünschte Datei schlummert. Die Datenkommunikation kann dabei durchaus zigfach über Meere und Kontinente verlaufen, auch wenn der gesuchte Rechner im Haus nebenan steht. Im Projekt "PeerThings" treiben Siemens-Forscher jetzt Verfahren voran, die diesen Datenverkehr strukturieren. Das Prinzip: Alle Informationen bekommen ihren wohl geordneten Platz – allerdings nicht auf einem einzigen Server, sondern verteilt auf den vielen tausend Computern der Peers. Zu diesem Zweck wird jede Information – das können Musikstücke sein oder Name und Kontaktdaten eines Peers – automatisch in einen Zahlenwert umgewandelt. Jeder Computer der P2P-Gemeinschaft wiederum ist für einen bestimmten Abschnitt auf dem Zahlenstrahl zuständig. Ein Musikstück mit der Ordnungsnummer 60 000 würde z.B. auf einem Computer abgelegt, der die Werte zwischen 50 000 und 65 000 verwaltet. Sendet jetzt jemand eine Anfrage ins Internet ab, wird zielgerichtet nach dem entsprechenden Zahlenwert gefahndet. "Natürlich funktioniert das ganze System nur, wenn die Computer der Nutzer mit dem Internet verbunden sind", sagt PeerThings-Projektleiter Dr. Markus Böhm von Siemens Communications – nur dann steht die Information zur Verfügung. Da aber bereits viele Nutzer über Flatrates verfügen, ist ein solches System realisierbar.
Technische Basis ist das Resource Management Framework, das vor drei Jahren im Team von Alan Southall und Steffen Rusitschka von Siemens Corporate Technology erfunden und weiterentwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Software-Gerüst, das die Rechenvorschriften für die Verwaltung und den Betrieb der P2P-Datenbank enthält. Mit Hilfe des Frameworks hat das Team ein anwendungsreifes System entwickelt. Die TUM-Ingenieure aus der Eberspächer-Gruppe simulierten dabei das Framework. Die Ergebnisse stimmen die Forscher optimistisch: Es funktioniert selbst mit 1,5 Millionen Teilnehmern. Zudem arbeitet es auch dann stabil, wenn die Nutzer im Schnitt nur rund eine Stunde online sind, weil Daten an mehreren Orten vorliegen. Eberspächer glaubt an dieses globale Wissensnetz: "Ich denke, dass es in Zukunft nicht mehr darauf ankommen wird, dass wir wissen, wo wir Information finden, sondern darauf, dass sie uns binnen kürzester Zeit zur Verfügung steht." Seine Vision ist die Verschmelzung von Ad-hoc- und P2P-Technik. Eines seiner liebsten Beispiele ist die Taxisuche in der Münchener Innenstadt. In Zukunft könnte ein Knopfdruck genügen, und schon findet die Anfrage per Multihop von Handy zu Handy den Weg zum nächstgelegenen Peer – dem Taxifahrer, der um die Ecke auf Kundschaft wartet.
Tim Schröder