Groups 2010.09: Free/Open Spectrum (Digital Sustainability)

1. Weiden auf der digitalen Allmend Open Spectrum Matthias Roggo Moritz Viﬁan Herbstsemester 2010 ETH Zürich

2. Die Autoren Matthias Roggo, maroggo@student.ethz.ch Moritz Vifian, mvifian@student.ethz.ch studieren beide Elektrotechnik im 3. Semester. Hintergrund Dieser Bericht entstand im Rahmen der Vorlesung «Digitale Nachhaltigkeit in der Wissensgesellschaft» bei Dr. Marcus M. Dapp. Er darf gemäss folgender Creative Commons Lizenz verwendet werden: «Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 2.5 Schweiz», siehe http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ch/ Aufgabenstellung Neben den ganzen digitalen Ressourcen, die wir in der Vorlesung behandeln, gibt es noch eine noch weniger spürbare Ressource, die für die digitale Welt aber auch sehr bedeutsam ist: das Wellenspektrum zur Datenübertragung. Wofür setzt sich die «Free/Open Spectrum»| Bewegung ein? Worin wird ein Problem gesehen und wie sieht der «open spectrum» Lösungs- ansatz aus? Z.B. bei GSM und Wifi. Führt uns an das Thema heran, indem ihr uns folgende Initiativen/Projekte erklärt: Bereich GSM – Was kann man mit der Software openBTS anstellen? Erläutert in diesem Zusammen- hang auch wie das Mobilfunknetz (grob) funktioniert und welche Rolle darin Carrier, Telefongesellschaften, Gerätehersteller, und natürlich Kunden spielen. – Was würde sich ändern, wenn es mehr «open spectrum» gäbe? Bereich WiFi – Was wollen die Leute von http://start.freifunk.net/ erreichen? Wie erfolgreich sind sie dabei? Gibt es das in der Schweiz auch? – Was ist das FCC in den USA? Welche Rolle spielt es im Themenfeld "open spectrum"? Wie bewertet ihr die jüngste Entscheidung des FCC? 3

3. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Traditionelle Nutzung 6 1.1 Elektromagnetisches Frequenzspektrum: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1 Geschichte der «Funkerei» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Lizenzvergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Mobilfunk: GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1.1 Basisstation (Base Transceiver Station, BTS) und Funkzelle . . . 9 1.2.1.2 Basisstations-Steuereinrichtung (Base Station Controller, BSC) 9 1.2.1.3 Mobile Vermittlungsstelle (Mobile-services Switching Centre, MSC) 10 1.2.1.4 Betriebs- und Wartungszentrale (Operation and Maintenance Centre, OMC) . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Markt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3.1 Infrastruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3.2 «Markgleichgewicht» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3.3 Konkurrenzsituation in der Schweiz . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Internet: Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Umwege um beim Nachbarn was runterzuladen: Sternförmiges Netz . . 13 1.3.2 Kontrolle des Internets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 Ab in die digitale Allmend 13 2.1 Internet: WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.1 WLAN vs. GSM - Ein Technologievergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.2 Aufbau einer WLAN-Cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.2.1 Meshnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.2.2 Adhoc-Routing: B.A.T.M.A.N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2.3 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2.4 Haftung bei Missbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2.5 Alternative zu ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Mobilfunk: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1 GSM-Patente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 OpenBTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2.1 Was ist/Was kann openBTS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2.3 Mobilfunk ist kein Luxusgut. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2.4 Kommerzielle Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4

4. Inhaltsverzeichnis 2.2.2.5 Lizenz- und Patentprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Elektromagnetisches Frequenzspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Frei werdende Frequenzbänder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.2 FCC-Entscheid zur Handhabung frei gewordener Frequenzbereiche . . . 25 2.3.3 Open Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.4 Bells Blast – Breitfrequenzübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Fazit 27 5

5. 1 Traditionelle Nutzung Einleitung Dieser Bericht befasst sich mit den möglichen Perspektiven eines offeneren Frequenzspek- trums - open spectrum. Was hat eine Deregulation auf die zukünfte Entwicklung von WLAN und Mobilfunknetzen wie GSM für Auswirkungen, die heute beide auf der Prämisse «einge- schränkter und ﬁxer Arbeitsfrequenzbereich» aufbauen? Uns wurde sehr schnell klar: Weder der GSM- noch WLAN-Standart sind mit der Aufgabe dieser Grundannahme kompatibel. Unübersehbar ist jedoch, dass gerade in diesen beiden Bereichen vermeintliche Axiome umgestossen werden, was dynamischere Infrastrukturen ermöglicht – und das Erreichen eines Ziels, das allen drei Entwicklungen zugrunde liegt: Der massiven Reduktion der Grenzkosten, was eine dezentralere «digitale Allmend» in greifbare Nähe rückt. 1 Traditionelle Nutzung Der erste Teil unserer Arbeit befasst sich mit dem Status quo. Um zu verstehen, wie die heutigen Strukturen erforderlich geworden sind, benötigt man ein gewisses technisches Grundwissen. Dieses haber wir deshalb so kompakt als möglich auf den Infrastruktur-wesentlichen Bereich zusammengefasst. Unsere Fragestellung für den ersten Teil: – Was passiert eigentlich im «Äther»; welche Daten werden tagtäglich per Funk übertra- gen? – Wer verwaltet diese Ressource? – Welche Infrastruktur ist nötig, um ein GSM-Netz zu betreiben? – Wer verwaltet und kontrolliert eigentlich das Internet? 1.1 Elektromagnetisches Frequenzspektrum: Die Nutzung des Elektromagnetischen Spektrums reicht sehr weit zurück, und dennoch ist die Regulation heute noch ähnlich restriktiv wie anfangs des 20. Jahrhundert. Was sind die Hintergründe für das «Bewirtschaften» der Frequenzen? 1.1.1 Geschichte der «Funkerei» Zum ersten mal «gefunkt» Die ersten Experimente mit Radiowellen wurden 1888 von Heinrich Hertz durchgeführt, nachdem James Clerk Maxwell 1864 deren Existenz vorhergesagt hatte. So konnte Guglielmo Mar- 6

6. 1.1 Elektromagnetisches Frequenzspektrum: coni bereits 1896 über eine Strecke von 5 km funken – diese unmodulierten oberwellenreichen Pulse konnten schon zur Übertragung von Morsesignalen genutzt werden. 1 Bald darauf folgten eine erste transatlantische Funkverbindung (1900) und die Ausrüstung erster Handelschiffe (1902) mit dieser neuen Technologie. Durch eine enge Zusammenar- beit mit dem englischen Staat gelang es Marconi innert Kürze, eine Monopolartige Stellung einzunehmen. Da Nachrichten, die mit Anlagen der Konkurrenz verschickt wurden, nicht weiterübermittelt werden durften (Marconi konnte dies durch den Einsatz eigener Funker sicherstellen), gerieten bisweilen Schiffe in Seenot, die ihr SOS nicht weiterleiten konnten.2 Internationale Rundfunkkonferenz Berlin 1906 Aufgrund dieser Vorfälle wurde an der Berliner Konferenz von 1906, an der 29 Staaten teilnah- men, erstmals der Grundsatz aufgestellt, dass Nachrichten unabhängig vom Gerätehersteller weiterverbreitet werden müssen. Dieses Prinzip findet auch heute noch Anwendung, etwa in der Kommunikation zwischen Internet-Servern. Erstmals wurden auch Frequenzbänder festgelegt, da mit der damaligen Stand der Technik mehrfaches Verwenden einer Frequenz unmöglich war: Seefunk (500 - 1000 kHz), Küstenstatio- nen (150 - 188 kHz) und militärische Stellen (188 bis 500 kHz) bekamen Spektren zugewiesen; Amateurfunker mussten sich nun auf den Kurzwellenbereich beschränken. Dies war der Beginn der Spektrumsregulierung, wie wir sie heute kennen. 3 1.1.2 Lizenzvergabe Die internationale Frequenzvergabe ist heute Aufgabe der Internationalen Fernmeldeuni- on (ITU), die auf den 1865 gegründeten Internationalen Telegraphenverein zurückgeht und als Organ der UNO fungiert. Diese regelt die Frequenzvergabe auf internationaler Ebene. Die Recommendations, die verschiedene ihrer Studiengruppen zu technische Fragenstellungen herausgeben, bekommen aber erst durch Normierungsbehörden und Ämter wie ISO (international), FCC (USA) oder das BAKOM (Schweiz) bindenden Charakter. Auf europäischer Ebene wird im Rahmen des CEPT (Conference Européenne des Administration des postes et des télécommunications) verhandelt.4 Die Frequenznutzung in der Schweiz ist in der Regel Konzessionspflichtig. Ausgeschlos- sen davon sind Militär und Zivilschutz, Frequenzen über 3 GHZ und gewisse Spektren bei geringen Leistungen. Für alles Andere erteilt das BAKOM räumlich, zeitlich und personell eingeschränkte Konzes- sionen, die für Private kostenpflichtig sind. Aufgrund der stark unterschiedlichen Konzessi- onstypen bewegen sich die Preise zwischen 12.- (Jedermannsfunk um 27 MHz) und 50’000.- 1 http://de.wikipedia.org/wiki/Funktechnik#Geschichte_und_Begriffsherkunft 2 http://www.heise.de/newsticker/meldung/100-Jahre-Frequenzregulierung-113217.html 3 http://de.wikipedia.org/wiki/Weltfunkkonferenz#Internationale_Funktelegrafiekonferenz.2C_Berlin_1906 4 http://de.wikipedia.org/wiki/Internationale_Fernmeldeunion 7

7. 1 Traditionelle Nutzung BTS: Base Station Controller – BTS: Base Transceiver Station MSC: Mobile Switching Center BTS BTS BTS AUSLAND MSC ANDERE PROVIDER MSC MSC Abbildung 1.1: GSM-Hierarchie (Satellitenfunk) jährlich. Beim mobilen Landfunk etwa bewegen sich die Kosten um 200.- pro 12,5 KHz und Jahr.5 Etwas anders funktionert es bei den «heiss umkämpften» Spektren für Radio und Fernsehen. Diese Konzessionen werden öffentlich ausgeschrieben und aufgrund von Inhalten und Zielgruppen vergeben; es besteht also ein Leistungsauftrag an den Nutzer der Konzession. . 1.2 Mobilfunk: GSM 1.2.1 Aufbau Anders als beim Rundfunk ﬁndet die Datenübertragung beim Mobilfunknetzen gezielt und in beide Richtungen statt. Dies führt zu gänzlich anderen Anforderungen an die Hardware: – Jedes Endgerät benötigt seinen eigenen «Kanal» 5 http://www.bakom.admin.ch/; «Konzessionsvorschriften» 8

8. 1.2 Mobilfunk: GSM – Die Endgeräte sind nicht mehr fix installiert! – Es wird gleichzeitig gesendet und empfangen (vollduplex) Das Global System for Mobile Communications löst dies, indem es hierarchisch organisiert ist. 1.2.1.1 Basisstation (Base Transceiver Station, BTS) und Funkzelle Die Basisstation spannt üblicherweise drei bis sechs Zellen mit etwa fünf Trägerfrequenzen auf, welche bei «klassischem GSM» pro Trägerfrequenz sieben Gespräche simultan übermitteln. Diese Dichte wird durch Zeitmultiplexing erreicht: Die verfügbare Zeit auf der Frequenz wird in acht Zeitschlitze von 577 µs aufgeteilt, von denen jeweils einer einem Empfänger zugeteilt ist6 . 7 Die Zellengrösse variiert von von Fall zu Fall stark: Während in dünn besiedelten Gebieten die Reichweite einer einzelnen Zelle bis zu 35 km betragen kann (grössere Zellen sind aufgrund der Signallaufzeit nicht möglich), beträgt die Reichweite von Zellen in Stadtzentren wenige hundert Meter. Folgende Faktoren bestimmen u. A. die Zellgrösse: – Nutzdichte – pro Zelle ist nur eine beschränkte Anzahl Nutzer möglich – Bebauung und Topographie – Gebäude und Hügel reflektieren Funksignale – Trägerfrequenz – Höherfrequente Signale werden stärker gedämpft («Pfadverlust») – Antennenleistung und -höhe8 Zu den Aufgaben der BTS gehören die Regelung der Signalstärke, Kompression und Ver- schlüsselung von Gesprächsdaten, Messung der Verbindungsqualität und das Ausführen von Frequenzwechseln (innerhalb der selben Zelle) bei zu starken Störungen. 1.2.1.2 Basisstations-Steuereinrichtung (Base Station Controller, BSC) Mehrere Basisstationen (üblicherweise 10 bis 100) werden durch einen BSC zusammengefasst, welche die Verbindungsqualität jeder Verbindung überwacht, um laufende Gespräche von Zelle zu Zelle zu verschieben. Was führt zu einem solchen Wechsel («Handover»)? – Der Empfänger verlässt die Zelle – Eine andere verfügbare Zelle bietet besseren Empfang – Sich schnell bewegende Teilnehmer zu einer grösseren Zelle übermittelt – Bessere Lastverteilung9 Solche Handovers finden aber nicht nur zwischen verschiedenen Basistationen, sondern auf allen Ebenen des Systems statt – also etwa auch zwischen den verschiedenen MSCs. 6 In Realität wird aber noch etwa die Hälfte die Zeit zur Signalkalibrierung benötigt 7 http://de.wikipedia.org/wiki/GSM#Physikalische_.C3.9Cbertragung_auf_der_Luftschnittstelle 8 http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_site 9 http://en.wikipedia.org/wiki/Handover 9

9. 1 Traditionelle Nutzung 1.2.1.3 Mobile Vermittlungsstelle (Mobile-services Switching Centre, MSC) Die mobilen Vermittlungsstellen bündeln die BSC und verbinden so das Mobilfunk- mit dem Der «Carrier» stellt restlichen Telefonnetz eines Carriers. Damit das MSC den Verbindungsaufbau steuern kann, die nötige werden alle Teilnehmer im Einzugsbereich im sogenannten Visitor Location Register (VLR) Infrastruktur zur gespeichert und derer jeweiligen «Heim-MSC» gemeldet. Diese sichert in der Liste «ihrer» Verfügung, um Mobilfunkteilnehmer, dem Home Location Register (HLR) deren aktuellen Aufenthaltsort. So telefonieren zu können eingehende Anrufe dem jeweiligen MSC weitergeleitet werden.10 können. 1.2.1.4 Betriebs- und Wartungszentrale (Operation and Maintenance Centre, OMC) In erster Linie regelt das OMC die Auslastung des Netzes. Da zu den Aufgabenbereichen aber auch die Fehlererkennung, das Aufzeichen von Statistiken, die Behebung von Störungen, die Fernwartung und die Gebührenerfassung gehören, wird hier der Einsatz von (ja, menschlichen) Fachkräften unumgänglich. 11 1.2.2 Kosten Da die GSM-Technologie proprietär entwickelt und vermarktet wurde, ist es sehr schwierig, die Kosten für beispielsweise eine GSM-Basisstation einzuschätzen. Unsere Angabe bezieht sich daher auf eine versehentlich veröffentlichte Cisco-GSM-Hardware-Preisliste12 : Gemäss dieser belaufen sich die blossen Hardwarekosten einer BTS für 25 simultane Gespräche auf $500’000 bis $900’000. Dazu kommen die «Rights to use», die in diesem Fall $1’200’00 jährlich betragen. Ein (leider nicht zitierbarer) Mitarbeiter im Bereich Einkauf einer schweizer Mobilfunkﬁrma schätzt hingegen die Kosten einer «durchschnittlichen» BTS auf CHF 40’000.- bis 60’000.-, unabhängig ob 2G oder 3G. Nebst der Höhe dieser Beträge erstaunt auch, dass die Lizenzkosten die Hardwarekosten in der Regel weit übersteigen. Dies lässt sich – neben der nötigen Amortisation der Entwicklungs- kosten – auch auf nötigen Drittlizenzen zurückführen, da viele Teilbereiche von GSM noch immer Patenten von Ericsson, At&T, etc. unterliegen (siehe auch 2.2.1 auf Seite 21). 13 1.2.3 Markt 1.2.3.1 Infrastruktur Die Vergabe der Lizenzen erfolgt in den meisten Ländern im Ausschreibungsverfahren. Der Bietende muss einerseits bereit sein einen gewissen Betrag für das Frequenzspektrum aufzu- wenden. Andererseits hat er auch einen Leistungsauftrag zu erfüllen, ﬂächendeckendes Netz14 bereitzustellen. Für diesen Zweck bedarf es einer guten Infrastruktur, wie im vorhergehenden 10 http://de.wikipedia.org/wiki/Visitor_Location_Register 11 http://www2.nortel.com/go/product_assoc.jsp?segId=0&parId=0&catId=0&rend_id=768&contOid=100173228&prod_id=50086&l US 12 http://www.doretel.com/documents/CiscoGlobalPriceGuideList.xls 13 http://www.frlicense.com/GSM_FINAL.pdf 14 http://www.bakom.admin.ch/org/00577/index.html?lang=de 10

10. 1.2 Mobilfunk: GSM Abschnitt GSM-Netz erklärt. In der heutigen Vergabepolitik ist es nur möglich, Lizenzen für ein ganzes Land zu erhalten. Dies geschieht um kommerziell unattraktivere Gebiet zu schützen, sogenannter Service Public. Fallbeispiel UMTS In England wurden im Jahr 2000 fünf UMTS-Lizenzen für damals 75 Mil- liarden Deutsche Mark versteigert; dies entspricht 1300 DM pro Einwohner.15 In der Schweiz wurden, auch im Jahr 2000, eher bescheidene Summen dafür bezahlt: Orange, Sunrise und Swisscom mussten jeweils 50 Mio. CHF hinblättern.16 Bereits bei der Bewältigung der Lizenz- kosten scheint es eher unwahrscheinlich, dass eine Community – ohne finanzstarke Stiftung im Hintergrund – bei diesem Spiel mitmischen kann. Dazu kommt, dass sich UMTS im 2 GHz- Bereich abspielt, normales GSM aber auch 900 MHz als Trägerfrequenz hat. Es gilt: Je länger die Welle (kleinere Frequenz), desto grösser die Reichweite. Dies hat zur Konsequenz, dass für ein UMTS-Netz für die gleiche Abdeckung mehr Antennen errichtet werden müssen. Bei der UMTS-Lizenzierung lief also so einiges schief: Durch den masslosen Wettbewerb bei der Versteigerung der Lizenzen wurden kleinere und mittlere Unternehmen sowie Neueinsteiger faktisch von der Teilnahme ausgeschlossen. Für die vermeintlichen Sieger stellten aber die Unverkäuflichkeit der Lizenz und die hohen Infrastrukturkosten grosse Probleme dar. 1.2.3.2 «Markgleichgewicht» 1. Ist eine Technologie neu, findet ein ruinöser Wettbewerb statt. Die Preise sind meist nicht deckend, da jede Firma davon ausgeht, in (naher) Zukunft einen Grossteil der Kunden an sich zu binden. 2. Einzelne Firmen gehen Konkurs und/oder werden von der Konkurrenz aufgekauft. Die Preise steigen. 3. Die Angebote der Anbieter unterscheiden sich kaum noch. In der Theorie sollte nun das Optimum zwischen Preis und Leistung erreicht sein. 4. In der Realität kann es aber im nächsten Stadium zu einer Segmentierung kommen. Die Firmen Teilen Kunden untereinander auf und haben in ihrem jeweiligen Gebiet ein Monopol (gut zu Beobachten beim deutschen Strommarkt) 1.2.3.3 Konkurrenzsituation in der Schweiz In der Schweiz existieren nur 3 Mobilfunkunternehmen. Firma Marktanteil Umsatz 2009 Gewinn 2009 Swisscom 62% 12,001 Mia 1,9 Mia Sunrise 21% 2,001 Mia 158 Mio Orange 17% 1,296 Mia - 15 http://www.teltarif.de/arch/2000/kw18/s2059.html 16 http://www.bakom.admin.ch/dokumentation/medieninformationen/00471/index.html?lang=de&msg- id=2245 11

11. 1 Traditionelle Nutzung Problematisch an dieser Verteilung scheint, dass Swisscom auf den Gesamtumsatz bezogen gleich viel Gewinn macht wie die beiden anderen Unternehmen . Dies führt bei Neuinves- titionen dazu, dass die beiden Firmen Orange und Sunrise, welche eigentlich als flexible Konkurrenz die Preise tief halten sollten, kaum einen Spielraum haben. des iPhones Sunrise gar nicht mitmischen, da sie noch ein ungenügendes UMTS-Netz hatte; sie wurde von App- le verschmäht. Langfristig heisst das, dass die Marktmacht von Swisscom unter gegebenen Umständen kaum zu durchbrechen ist. Gegenüber dem EU-Raum zahlen die Schweizer erheblich mehr. Es stellt sich die Frage, ob dies mit dem hohen Wohlstand – die Kunden sind zu bequem zum Wechseln17 – «entschuldbar» ist, oder dass der Markt einfach zu wenig spielt. Bei der zweiten Möglichkeit sagt zum Beispiel Swisscom selbst, dass der Telekommarkt viel zu stark reguliert sei und somit kein echter Wettbewerb zustande komme. Ein andere Anschauungsweise ist, dass fast jeder unregulierte Wettbewerb früher oder später auf ein Marktmonopol hinausläuft. Motivation für Investitionen und tiefe Preisen ist eigentlich nur die langfristige Aussicht auf eine Monopolstellung. Wie kann also sichergestellt werden, dass sich nie ein Monopol ergibt, sich aber trotzdem ein Gleichgewicht einstellt?Redundante Antennen gäbe? Teilweise ist der Wettbewerb grotesk: Kaum hat ein Anbieter mit einer neuen Antenne ein Gebiet besser erschlossen, rückt die Konkurrenz nach. Anstatt einer einzigen Antenne ent- stehen gleich drei oder mehr. Klar ist, dass je nach Gebiet eine erhöhte Kapazität berechtigt Peak ist eine Spitze ist.. Problematisch ist aber die schlechte Skalierbarkeit. Ein Netz muss für den grössten Peak welche die ausgelegt sein; sprich: Obwohl die maximale Anzahl Benutzer nur während einer halben ausgewogene Stunde pro Tag erreicht wird, muss das Netzt auf diese Belastung ausgelegt sein, damit es Nutzung einer nie zusammenbricht. Bei jedem Unternehmer findet zwar ein sogenanntes Loadbalancing Infrastruktur statt, um die Anzahl Nutzer möglichst gleichmässig auf die verschiedenen Antennen zu ver- verunmöglicht teilen. Dieses könnte aber stark optimiert werden, falls die Kapazitäten von allen Anbietern gemeinsam verwaltet würden. Ein gemeinsames Netz wäre ökonomischer in Bezug auf Energieverbrauch und Strahlungs- emissionen. Andererseits profitieren Endbenutzer heute in der Ausfallsicherheit nicht von der Redundanz, da eigentlich kaum nationales Roaming stattfindet. Konkurrenzlos unter dem Aspekt der Skalierbarkeit sind sogenannte «Meshnetworks» (siehe Abschnitt 2.1.2.1 auf Seite 17). Bei dieser Form von Netzwerk agiert jeder Client (Handy) gleichzeitig auch als Server, über den kommuniziert werden kann. Dieser Cloud wächst dynamisch mit der Belastung, da jeder neue User auch gleichzeitig die Kapazität erhöht; es wären keine (so grossen) Grundkapazitäten mehr nötig. 17 http://www.tagesanzeiger.ch/digital/mobil/Schweizer-zahlen-2-Milliarden-zu-viel-fuers- Handy/story/27879682 12

12. 1.3 Internet: Ethernet 1.3 Internet: Ethernet 1.3.1 Umwege um beim Nachbarn was runterzuladen: Sternförmiges Netz Wie auch beim GSM-Netz ist die Struktur des Internets historisch bedingt. Bei der Gründung des Internets hatten nur sehr wenige Personen per Kabel Zugang auch gab es noch kein WLAN. Daher war es nötig, zu jedem Client eine eigene Leitung zu legen, da kaum die Möglichkeit bestand, dass sich User untereinander direkt verbinden konnten. Fast zwanzig Jahre später aber hat sich die Situation fundamental geändert: Fast jede Person, in der Schweiz zumindest, hat einen PC mit WLAN. Unter diesen Umständen scheint es in vielen Fällen doch unsinnig, dass z.B. beim P2P trotzdem die ganzen Daten einen Umweg über den Internet Service Provider (ISP) machen. Grosser Umweg Wenn Dieter Inkscape per BitTorrent herunterladen möchte und sein Nach- bar Klaus dieses zufällig am Verteilen ist, so fallen sofort zwei Nachteile auf: Der Uplink18 beträgt bei den heutigen Breitbandanschlüssen meist kaum ein Zehntel des Downlinks19 , während man per WLAN mit einer deutlich höheren Bandbreite direkt kommunizieren könnte. Falls nun mein Nachbar bei einem anderen ISP20 ist, machen meine Daten unter Umstän- de eine völlig unnötige Reise durch die halbe Schweiz. Man beachte den 90er-Charme der Grafik 1.2 auf der nächsten Seite. 1.3.2 Kontrolle des Internets In der jetzigen Baumstruktur ist eine lückenlose Kontrolle des Datenverkehrs theoretisch möglich. Angesichts der Cyberkriminalität und Terrorismus hat die EU auch ein sogenanntes Gesetz zur «Vorratsdatenspeicherung» entworfen. Es verpflichtet alle Telekommunikationsan- bieter ihre Verbindungsdaten für sechs Monate – ohne konkreten Verdacht – zu speichern21 . Darunter fallen auch alle Internetverbindungen. Die ISP wehren sich aber dagegen, da sie letztendlich in die Pflicht genommen werden, ihre Kunden zu überwachen und andererseits auch eine gewisse Verantwortung tragen. Dazu sehen durch immer mehr Überwachung viele Personen in Deutschland ihre Grundrechte verletzt. Falls aber ein ISP z.B. aufgrund von Urhe- berrechtsklagen oder einer Gesetzgebung bestimmte Daten drosseln oder ganz blockieren müssen, wird auch «Neutralität» des Internets verletzt.22 18 Übertragungsrate zum Provider hin 19 Übertragungsrate vom Provider weg 20 Internet Service Provider 21 http://www.zeit.de/politik/deutschland/2010-11/terrorwarnung-vorratsdatenspeicherung 22 http://de.wikipedia.org/wiki/Netzneutralität 13

13. 2 Ab in die digitale Allmend Halbe Schweiz Andere Hälfte der Schweiz Cablecom Swisscom Klaus Dieter Abbildung 1.2: Klassisches Internet (Etwas angestaubt) 14

14. Abbildung 1.3: Sternförmiges Internet mit Hierarchie 15

15. 2 Ab in die digitale Allmend 2 Ab in die digitale Allmend Seit Erfindung von GSM und Ethernet, sowie dem Beschluss, Frequenzen grundsätzlich einem bestimmten Dienst zuzuordnen sind einige Jahrzehnte Vergangen. Innerhalb dieser Zeitspanne haben die Dinge eine unglaubliche Dynamik entwickelt: – Die Marktdurchdringung bei Mobilfunk und Internetzugang liegt fast bei 100% – Hardwarekosten sind im Elektronikbereich eingebrochen – Mobilfunk ist Voraussetzung um an der modernen Gesellschaft teilzunehmen – Internet ist keine nette Spielerei mehr, sondern unabdingbar um an Information zu gelangen Unsere Gesellschaft befindet sich in einer Zeit, da unsere digitale Infrastruktur fast die Funktion eines Allgemeinguts erfüllt. Wir versuchen also in diesem Teil darauf einzugehen, wie eine angepasste Nutzung dieses Gut in Zukunft ausschauen kann und hoffentlich wird. 2.1 Internet: WLAN WLAN ist überall. Doch wie steht es eigentlich mit der Nutzung? In der modernen Hardware steckt viel mehr Potenzial, als sich bloss zu einem Hotspot zu verbinden bzw. den Endgeräten Internetanbindung zu Verfügung zu stellen. Damit diese Möglichkeiten aber auch ausge- schöpft werden, bedarf es neuer Software und Treibern rund um die bewährten Komponente. Auf diese technischen Neuereung versuchen wir in diesem Abschnitt einzugehen. Zugang zum Internet Kaum jemand hatte vor dreissig oder auch nur fünzehn Jahren mit einer derartigen Entwicklung gerechnet. Nun ist es aber an der Zeit, grundlegende Konzepte zu überdenken. Jeder hat Zugang zur Hardware, die nötig ist, ein kleins bis mittleres WLAN aufzubauen. Früher waren dafür Komponenten nötig, die nur eine Institution finanzieren konnte. Wieso sollte ich mich heute noch in Abhängigkeit eines ISP begeben und Geld dafür bezahlen? 16

16. 2.1 Internet: WLAN 2.1.1 WLAN vs. GSM - Ein Technologievergleich1 2 3 GSM WLAN Frequenzen 0,9 GHz, 1,8 GHz 2 GHz, 5 GHz Steuerung durch Netz durch Client max. Daten pro Kanal 14,4 kBit/s 150 MBit/s (n) max. Leistung 50 W / Kanal 100 - 1000 mW Vermaschung BSC/MSC Router Struktur bekannt & statisch dynamisch Routing-Datenbank Zentral (MSC) verteilt Kanäle 124 16 K. mit Multiplexing 992 - Bandbreite 200 kHz 20 MHz Beim Vergleich der beiden Technologien fällem vor allem die unterschiedlichen Schwer- punkte auf: GSM hat das Ziel, möglichst viele Endgeräte zu bedienen, während beim WLAN eine hohe Datenrate im Vordergrund steht. Die Zukunft liegt aber bei einer Kombination aus beidem. Von der Mobilfunkseite her existieren bereits Protokolle wie 3G oder in Zukunft 4G. Auf der WLAN-Seite wird es in Zukunft auch Protokolle geben, die mehr Geräte auf der gleichen Frequenz zulassen, je nach dem auf Kosten der Bandbreite. 2.1.2 Aufbau einer WLAN-Cloud Um ein dynamisches Netzwerk aufzubauen, braucht es neue Konzepte. So ist es unmöglich jedes Mal die Routing-Tabelle zu editieren, wenn ein Endgerät von Accesspoint A zu B wech- selt. Und wieso sollte man sich in Abhängigkeit eines ISP’s begeben, wenn man über WLAN doch eigentlich Zugang zu fünf verschiedenen hätte? In diesem Abschnitt erläutern wir die technischen und rechtlichen Voraussetzungen, damit ein Internet von allen für alle auch funktionieren kann. 2.1.2.1 Meshnetwork4 «Vermaschte Netzwerke» unterscheiden sich von normalen Netzwerken. In den meisten Haus- halten gibt es den Router (Server), meist mit Anbindung ans Internet, und die Clients (No- tebook, Drucker, Fernseher, etc.). In einem Meshnetzwerk hingegen wäre zum Beispiel der Fernseher mit dem Router verbunden. Wenn ich jetzt dummerweise mit dem Notebook in die Küche gehe, habe ich normalerweise keinen Empfang mehr. Dank dem Mesh aber kann ich mich einfach über den Fernseher mit dem Internet verbinden. In einem Haushalt erscheint das nicht so spektakulär, aber mit diesem Verfahren kann ich so direkt mit einem Kollegen per VoIP telefonieren, der ein Kilometer von mir entfernt ist und sich im gleichen Mesh beﬁndet. Das ganze Netzwerk wird als Datenwolke bezeichnet. 1 http://de.wikipedia.org/wiki/Wlan 2 http://www.izmf.de/html/de/2116.html 3 http://de.wikipedia.org/wiki/GSM 4 http://wiki.freifunk.net/Meshing 17

17. 2 Ab in die digitale Allmend Jeder in dieser Wolke ist nun erreichbar und kann auch jeden erreichen. Diese Technologie ist Grundstein für dezentrales flächendeckende WLAN. 2.1.2.2 Adhoc-Routing: B.A.T.M.A.N.5 Bei einem normalen Netzwerk sind die Teilnehmer fix und somit auch die Routingpfade statisch. Bei einem adhoc-Mesh hingegen läuft dieser Prozess dynamisch ab. So sind die möglichen Pfade bei einem normal ge- routeten eindeutig. Bei BATMAN hingegen kennt nicht jeder Knotendas gesamte Netzwerk, aber jeder kennt wieder jemanden, und der kennt jemanden, usw; dies wird als kollek- tive Intelligenz bezeichnet. Nun ist es Zufall, wo der Pfad durchgeht. Auf gut Glück wird ein Request an die nächsten Knoten geschickt, diese tun rekursiv wieder dasselbe, usw. Beim klassischen IP mit dem darunter- liegenden Ethernet hingegen läuft alles schön struktu- riert und zentralisiert ab. Abbildung 2.1: Cloud in Berlin, freifunk.net 2.1.2.3 Handover Im WLAN-Standart sind Handovermechanismen, also unterbrechungsfreier Wechsel zwischen verschiedenen Accesspoints vorgesehen. In der Realität führt aber das enge Frequenzspektrum (Überlappungen) zu Problemen. Dazu fehlt beim jetztigen Stand ein geeigneter Mechanismus: Das Endgerät sucht erst nach der nächsten Station, wenn der Kontakt abgebrochen ist. Nötig wäre ein vorausschauendes «anklopfen» bei allen potentiellen Hotspots. Beim GSM-Netz übernimmt die Basisstations-Steuereinrichtung (BSC) diese Aufgabe (siehe 1.2.1.2 auf Seite 9). Bei einem Mesh ist eine solche Struktur gar nicht möglich und auch nicht gewollt. Da eine normale WLAN-Karte nur auf einem Kanal senden kann, ist ein Frequenzhopping nötig, um einen anderen Router aufzuspüren, was zu einem Unterbruch des Datenstroms führen würde. Eine Alternative wäre die Kenntnis, wo sich der nächste Accesspoint geografisch befindet und so (auf gut Glück) direkt Daten ins neue Netzwerk zu senden. Für Notebooks spielt ein unterbrechungsfreies Handover nicht eine grosse Rolle. Problema- tisch ist es hingegen bei VoIP-Telefonen die über WLAN kommunizieren. 2.1.2.4 Haftung bei Missbrauch So wolkig die Aussichten mit dem Cloud, Adhoc, Mesh und sonstigen Networking auch sind, so bleibt doch die Rechtsfrage als wichtiges Kriterium, ob das System sich durchsetzen. Gegeben sei ein sehr böser Mensch, der sich beim Schweizer Geheimdienst einhackt. Dazu missbraucht er das Projekt Freifunk. Wer trägt nun die Schuld, wenn der Endtäter nicht auszumachen 5 BATMAN-Protokoll: http://de.wikipedia.org/wiki/B.A.T.M.A.N. 18

18. 2.1 Internet: WLAN Klassisches IP Batman OLSR – Von Masche zu Aufbau – Baum – Grosse Masche Masche – nur die nächste – nur den Routern Netzwerkstruktur Umgebung – allen bekannt bekannt bekannt – vom Endgerät – zufällig, rekursiv – Eindeutig, von aufgrund der Pfad von Endgerät zu Routern geführt Struktur Endgerät berechnet Anwendung – Heimnetz – Pilotversuche – Backbone – Fällt ein Knoten – Neue Topologie aus, ist der – Dynamische muss zuerst an gesamte Redundanz Neuﬁndung des alle Unterbaum Pfades kommuniziert gegen oben werden abgeschnitten – Ausfallsicher – Endgerät hat keine Intelligenz – Parallele – Ausfallsicher Datenrouten Vorteile – Standart – Leistungsfähig möglich – Einfacher – Skalierbar – Unbegrenzte Aufbau Grösse – Schlechte – Leistung der – Gesamte Redundanz Endgeräte Topologie muss Nachteile – Flaschenhälse erhöht bekannt sein Tabelle 2.1: Drei Routing-Protokolle 19

19. 2 Ab in die digitale Allmend ist: Jeder, der die Daten im Mesh weitergeleitet hat? Die Personen, die die Anbindung ans Internet ermöglicht haben? Macht es einen Unterschied, ob ich mein Netz gratis zur Verfügung gestellt habe oder ob ich Geld dafür verlange? Oder lässt sich bei einem so komplex struk- turierten Netzwerk die Schuldfrage nicht klären? Das Projekt Freifunk antwortet mit einem «PicoPeeringAgreement» (PPA) auf solche Fragen. Es wird als minimaler Konsens beim Peering, also dem Verbinden von Netzwerken, verstanden, der die Grundlage für das wohlwollenende Miteinander regelt. Die ersten beiden Punkte über den freien Transit: – Der Eigentümer bestätigt, freien Transit über seine freie Netzwerkinfrastruktur anzubie- ten – Der Eigentümer bestätigt, die Daten, die seine freie Netzwerkinfrastruktur passieren, weder störend zu beeinträchtigen noch zu verändern. Innerhalb des allgemein formulierten Picopeering-Abkommen ist die Rechtsfrage nicht voll- ständig geklärt. Das Abkommen hält aber in Punkt 5.1 fest, dass der Eigentümer eine eigene Nutzungsbestimmung formulieren kann. Momentanes Recht Grundsätzlich liegt die Schuld in der Schweiz und in Deutschland beim «Betreiber» eines WLAN-Hotspots. Dies bestätigt ein aktuelles Urteil vom Mai 2010 des deutschen Bundesgerichtshof6 , nach dem jedem Besitzer eine aktuelle Sicherung seines Netzes zumutbar ist und gemäss dem Prinzip der «Störerhaftung» für fremde Urheberrechts- verletzungen auf dem eigenen Netz belangt werden kann. Aus der Schweiz liegen noch keine Präzedenzfälle vor.7 Diese Haltung ist natürlich nur mit einer Betrachtungsweise von WLAN als blosse «letzte Meile» zwischen Internetanschluss und Laptop nachvollziehbar, die auf der früher sehr spärlichen Verbreitung basiert. Langfristiges Ziel der Freifunk-Bewegung ist, dass jeder Knoten seine Bedingungen in maschinenlesbarer Form zur Verfügung stellt. Von der Lizenz her kompatible Knoten könnten sich so automatisch Verbinden. Wenn es nun zu einem Konﬂikt kommen sollte, merkt das der Router und verweigert die Vermaschung. 2.1.2.5 Alternative zu ADSL Wo nur wenige zahlungskräftige Kunden wohnen oder wo der Staat noch keine Telefonlei- tungen aufgebaut hat, dort lohnt es sich aus ﬁnanzieller Sicht kaum, in die Infrastruktur zu investieren. Auch für Gebiete, die einer starken saisonalen Zu- und Abwanderung ausgesetzt sind, gilt dasselbe. Die Alternative ist ein Internetzugang mit grosser Kapazität zu einem zen- tralen Hotspot hin. Die Feinverteilung, sog. letzte Meile, verursacht überproportional hohe Kosten, da sie pro Benutzer und damit linear steigt. Bei Verwendung eines Meshs aber entfallen diese fast ganz. 6 http://juris.bundesgerichtshof.de/cgi-bin/rechtsprechung/document.py? Gericht=bgh&Art=pm&Datum=2010&Sort=3&nr=51934&pos=3&anz=104 7 http://www.weka-it.ch/praxisreport_view.cfm?nr_praxisreport=954 20

20. 2.2 Mobilfunk: 2.2 Mobilfunk: Ein Mobiltelefon enthält im GSM-Standart sehr aufwändige Codecs, um die Datenmenge klein zu halten. Heute aber fällt einerseits das Problem der begrenzten Bandbreite nicht mehr so ins Gewicht, andererseits hat ein handelüblicher (sog. «Commodity»-) Computer schon längst genug Leistung, um mit den Codecs umgehen zu können. Das reguläre GSM-Netz basiert auf sehr teuren (aufgrund der kleinen Stückzahl und kaum interoperabilen Komponenten (siehe auch Abschnitt 1.2.2 auf Seite 10). Welche Entwicklungen seit der Einführung des GSM- Standarts könnten es ermöglichen, diese Infrastruktur dezentral zu Verfügung zu stellen? Expiration Year 2.2.1 GSM-PatenteAuslaufend Essentielle Patente 2008 155 3 Wie in Abbildung 2.2 erkennbar, sind derzeit noch viele 2009 154 1 Patente im Zusammenhang mit GSM hängig8 , die in 200 2010 152 2 der Regel auf eine Schutzdauer von 20 Jahren gewährt Essentielle Patente Auslaufend 2011 150 2 wurden. Die Grafik basiert auf Daten von Fairfield Re- 2012 146 4 sources International, Inc., einer Beratungsfirma für 2013 144 2 150 «geistige Eigentümer» (und deren Profitpotenzial). Es 136 8 2014 2015 ist absehbar, dass durch17 Auslaufen dieser Patente 119 ein 2016 auch Hürden verschwinden, alternative GSM-Netze zu 102 17 100 2017 betreiben. 84 18 2018 60 24 2019 2.2.2 OpenBTS 39 21 2020 24 15 50 2021 2.2.2.1 Was ist/Was kann openBTS? 13 11 2022 76 OpenBTS ist eine Serversoftware für Mobilfunknetze. 2023 34 Sie soll es ermöglichen, die Kosten auf einen Zehn- 0 2024 03 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 tel zu senken: dank dem Gebrauch von handelsübli- 0 chen Komponenten, sogenannten Commodities. Aus- Abbildung 2.2: GSM-Patente serdem zielt die Plattform dank niedrigem Energiever- brauch auf autarke Anwendungen. Denkbare Szenari- os sind9 : – Langfristige Vision sind sog. «Wireless Local Loops10 » in dünn besiedelten Gebieten, wo kein Festnetzanschluss möglich oder kommerziell uninteressant ist, zu den reinen Selbstkosten – Marktorientierte Lösungungen zur Finanzierung d der Projektarbeit – Autarke Umgebungen wie Ölplattformen, Schiffe, etc. – Krisenhilfe: Schneller Aufbau mit sehr wenig Hardware 8 http://www.frlicense.com/GSM_FINAL.pdf 9 http://www.slideshare.net/eCommConf/david-a-burgesss-presentation-at-ecomm-2009 10 http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_local_loop 21

21. 2 Ab in die digitale Allmend – Femtozellen: Mobilfunk im lokalen Rahmen Hinter OpenBTS stehen vor allem zwei Personen: David A. Burgess und Harvind S. Samra. Sie sind beide gleichzeitig die Inhaber von Kestrel Signal Processing 11 . 2.2.2.2 Hardware David Burgess schätzt auf seiner Website12 die Kosten einen Sendemast aufzustellen auf 200’000 US-Dollar – pro Jahr! Weiter stellt er einige Berechnungungen anhand der Hardware in Afrika an: So kostet es einen Mobilfunkanbieter an die 6$ pro Monat und Benutzer ein Mobilfunknetz zu betreiben. Schon dieser Selbskostenpreis übersteigt bei vielen Einwohnern das Budget. Enormer Energieverbrauch Ein Grossteil dieses Preis’ entsteht durch den immensen Ener- giehunger der normalen GSM-Hardware. So benötigt ein Sendemast samt Antennensteuerung und IP-Backhaul an die 10 kW, was beim Generatorbetrieb etwa 100 Liter Treibstoff pro Tag bedeutet; das heisst ein – meist abgelegener – Sendemast muss fast täglich betankt werden. Durch Einsatz von handelsüblichen Komponenten strebt das Projekt eine Minimierung der Leistung auf ein paar hundert Watt an. Erst bei einer solchen Leistung kann eine Anlage mit Solarenergie autark versorgt werden. Dies hat zur Folge das die teuren Unterhalts- und War- tungsarbeiten entfallen. Erklärtes Ziel durch alle Einsparungen ist es, die Kosten auf 1$ pro Monat zu senken. Development Kit Die Firma Kestrel Signal Processing verkauft für 3’500 Dollar ein GSM-Kit. Zusammen mit dem Asterisk, einer offenen VoIP-Plattform, und OpenBTS ist es möglich ist, eine vollständige GSM-Basisstation zu betreiben, die völlig autonom und ohne Integration in ein bestehendes Netzwerk funktioniert. 2.2.2.3 Mobilfunk ist kein Luxusgut. . . 13 Afrika hat im letzten Jahrzehnt einen wahren Handyboom erlebt. Durch das Fehlen von Festnetzleitungen und den guten geograﬁschen Voraussetzungen – die theoretische Reichweite in der Ebene liegt bei 35 km – hat sich das Mobiltelefon als Segen für den Kontinent erwiesen. Vorzeigeland ist Kenia, wo die Netzabdeckung bereits bei 95% liegt und jede(r) Zweite ein Mobiltelefon besitzt. Ausserdem hat sich ein System zum Bezahlen per Handy – M-Pesa – etabliert, das sich grosser Beliebtheit erfreut. . . .sondern nachhaltige Entwicklungshilfe Gerade in weitläuﬁgen, dünnbesiedelten Ge- genden ist man froh, nicht mehr Kilometer zurückzulegen um bloss mit jemanden zu sprechen. Ausserdem traut man der automatischen Zahlungsüberweisung, diese «haue niemanden übers 11 http://www.kestrelsp.com/team.html 12 http://openbts.blogspot.com/2009/01/what-stuff-costs-part-2-opex.html 13 NZZ Folio 05/10: Viehandel per SMS 22

22. 2.2 Mobilfunk: Ohr». Auf den ersten Blick gibt es also keinen Grund zur Sorge; der Markt scheint zu funktionieren. Und dennoch sind die Preise insbesondere in abgelegen Regionen sehr hoch. So kostet der Zugang zum Mobilfunk 15-35% des Einkommens, wogegen es beim den Durch- schnittseuropäer 1.5% des Budgets ausmacht. Es zeichnet sich auch ein Klumpenrisiko ab: M-Pesa wird zwar von allen genutzt und ist somit ein Quasistandard; es ist aber keine freie Plattform. Der Monopolist könnte diese Abhängigkeit marktverzerrend ausnutzen. Neuerdings haben aber auch europäische und amerikanische Mobilfunkunternehmen den sogenannten «Merging Markets»14 für sich entdeckt. Gegen diese Investitionsvolumina haben afrikanische Volkswirtschaften, die Unternehmen keine Chance. Könnten aber Startups auf günstigere Hardware und eine freie noch kaum westliche Software zurückgreifen, blieben diese konkurrenzfähig. Infrastruktur besitzten werden als Merging Market 2.2.2.4 Kommerzielle Nutzung bezeichnen Das Vorbild Asterisk ist eine Open-Source VoIP-Telefonzentrale und wird von digium entwickelt. Das Geschäftsmodell basiert auf dem offenen Kern Asterisk, wozu die Firma pro- prietäre Erweiterungen bereitstellt; unter anderem den patentgeschützten Codec «G.729». Die Grundlage ist also eine offene Lösung, auf der aufbauend die Firma mit Support und Lizenzen zur kommerziellen Pro-Version Geld verdient. Abgesehen davon, dass in Zusammen- hang mit OpenBTS fast immer Asterisk für die Telefonie zum Einsatz kommt, sieht auch das «Geschäftsmodell» ähnlich aus. Burning Man Einen ersten Praxistest hat OpenBTS am Burning Man Festival in Nevada bestanden. In einer Gegend ohne sonstige Netzabdeckung erhielt das Projekt eine Sonderkon- zession für ihren Feldversuch15 . Zum ersten Mal fand das Experiment 2008 statt, während der Woche im Jahr 2010 kamen ein paar beindruckende Zahlen zustande: – 40’000 Unique Mobiltelefon-IDs wurden verzeichnet – 7000 Gespräche wurden geführt und 50’000 SMS versandt – Betrieben wurde die Anlage mit Solarpanels Niue Die 260 km2 grosse Insel nordöstlich von Neuseeland mit 1’700 Einwohnern hat nicht einmal einen Hafen; geschweige denn ist sie kommerziell interessant für ein Mobilfunkunter- nehmen. Im Jahre 2010 wurde zusammen mit einer Telefonﬁrma ein permanentes OpenBTS- System installiert. Bezahlt wurde das Projekt von der Insel selbst16 . 2.2.2.5 Lizenz- und Patentprobleme Zwar hat das Projekt schon zwei Proben bestanden. Der endgültigen Nutzung im kommerziellen Umfeld stehen aber noch rechtliche Probleme im Weg. 14 http://www.nzz.ch/nachrichten/wirtschaft/aktuell/ringen_um_den_afrikanischen_mobilfunk_1.5638585.html 15 http://openbts.blogspot.com/2010/09/man-burns-in-341-days.html 16 http://openbts.blogspot.com/search/label/niue 23

23. 2 Ab in die digitale Allmend Übertragungsweg ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 Kabel 9% 15% 16% 21% 30% 38% Satellit 39% 47% 57% 66% 74% 79% Antenne 46% 57% 86% 95% 100% 100% Tabelle 2.2: Digitalisierungsgrad TV-Funk in Deutschland Die GPL-Lizenz, welche seit September 2008 in Version 3 für das openBTS-Projekt verwendet wird, fordert in Abschnitt 6 den Zugang zum gesamten Quellcode – also auch bei sämtlichen Produkten, in denen openBTS verwendet wird und der Entwickler die Lizenzen für die GSM-Nutzung erworben hat. Abschnitt 11 wiederum fordert, dass der Entwickler alle Patente, die zur Nutzung der zur Verfügung gestellten Software nötig sind, auf den «Kunden» ausdehnt. Da die GSM-Lizenzen kostenpflichtig sind und nur eingeschränkt erteilt werden, scheint dies sämtliche kommerzielle Nutzung von openBTS zu verunmöglichen. Die «Lösung» findet sich in einer rechtlichen Spitzfindigkeit: Abschnitt 6 fordert zwar den Zugang zum Quellcode, aber nicht ausdrücklich durch den «Verkäufer». Dadurch ist es möglich, ein GSM-System ohne GSM-Patente auf openBTS-Basis zu verkaufen, indem der openBTS-Code durch beliebige Dritte zu Verfügung gestellt wird, welche diesen nicht auf GPLv3-Basis erhalten haben (und somit eine beliebige Lizenz verwenden zu können). Als «Dritte» könnten hierbei Kestrel Signal Processing, Inc. und die Free Software Foundation kommen; beide erhielten den openBTS-Code ausserhalb der GPL.1718 2.3 Elektromagnetisches Frequenzspektrum Nach gut einhundert Jahren könnte sich hier Paradigmenwechsel abzuzeichnen, der eine flexiblere Handhabung des Spektrums zum Ziel hat. Die sehr starke Regulierung verhindert derzeit beispielsweise Technologien, die ermöglichen würden, dass sich zwei Notebooks über kurze Distanz mit 10 GHz (kurze Welle für hohe Übertragungsrate auf kurzer Distanz) verbinden, der Link zum Internet aber auf 1 GHz stattfindet, um eine grössere Reichweite zu erzielen. Mehrere Entwicklungen regen hier Visionen an: 2.3.1 Frei werdende Frequenzbänder Heute werden noch viele Fernseh- und Radioprogramme digital und analog ausgestrahlt. Während in der Schweiz die analoge Verbreitung von Fernsehprogrammen im November 2007 eingestellt wurde19 (Deutschland: siehe Tabelle 20 ), wird EU-weit geplant, bis Ende 2012 sämtlichen Rundfunk nur noch digital zu Verfügung zu stellen21 . Da auf dem Frequenzband 17 http://openbts.blogspot.com/2009/01/gpl-gsm-and-patents.html 18 http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.html 19 http://www.sf.tv/unternehmen/comm.php?docid=20070416_dig 20 http://www.alm.de/fileadmin/forschungsprojekte/GSDZ/Digitalisierungsbericht_2010/Chartreport_Digitalisierungsbericht_201 21 http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=IP/05/595&format=HTML&aged=0&language=DE&guiLanguage=en 24

24. 2.3 Elektromagnetisches Frequenzspektrum Abbildung 2.3: White Spaces im USA-TV-Rundfunk eines analogen Senders heute vier bis fünf digitale Programme in besserer Qualität übertragen werden können, werden künftig immer mehr Bereiche ungenutzt bleiben. Dieses Phänomen beschränkt sich aber nicht nur auf den Rundfunk: Auch im Mobilfunkbe- reich wurden die Spektren des ehemaligen B- (1972 - 1994)22 und C-Netzes (1985 - 2000)23 frei und werden heute z. T. anders genutzt (Motorola Freenet 24 ). 2.3.2 FCC-Entscheid zur Handhabung frei gewordener Frequenzbereiche Die Federal Communications Commission ist die Behörde der USA, welche die Zulassung von Kommunikationsgeräten regelt. Ihr Spielraum liegt in der Auslegung der Normen, welche durch ISO, ITU und Weitere festgelegt werden – also ähnlich dem der nationalen Regulierungs- behörden in Europa, nur dass die FCC ungleich einﬂussreicher ist. 25 Im September 2010 gab sie überraschend bekannt, dass die «white spaces» (nicht mehr genutzten Stellen) im Frequenzband des Fernsehrundfunks künftig zur Mobilkommunikation freigegeben werden können, nachdem aus Angst vor Interferenzen lange Zeit gezögert wurde26 . Die FCC zeichnet dabei zusammen mit Google, Microsoft und Dell die Vision eines «WiFi on steroids», das aufgrund von Geodaten und einer Frequenznutzungsdatenbank (inklusive sämt- licher Bühnen mit Funkmikrophonen!) die Signalstärke und Frequenznutzung selbständig regelt. Da diese Frequenzen viel tiefer liegen (siehe Graﬁk 2.327 ) führt dies zu geringerem Pfad- verlust (siehe Seite 9) und somit – theoretisch – bis zu mehreren Kilometern Reichweite. Die Datenrate wird auf 15 - 20 MB/s geschätzt.28 22 http://de.wikipedia.org/wiki/B%2DNetz 23 http://de.wikipedia.org/wiki/C%2DNetz 24 http://de.wikipedia.org/wiki/Freenet_(Funkanwendung) 25 http://de.wikipedia.org/wiki/Federal_Communications_Commission 26 http://skunkpost.com/news.sp?newsId=3171 27 http://www.fcc.gov/jointconference/presentations/White_Space_Access_to_the_Future.pp 28 http://www.fcc.gov/oet/projects/tvbanddevice/Welcome.html 25

25. 2 Ab in die digitale Allmend 2.3.3 Open Spectrum Die Open-Spectrum-Bewegung verfolgt einen noch radikaleren Ansatz: Ihr Ziel ist es, die «permission economy»29 zu verlassen und stattdessen auf eine grundsätzliche Regulierung des Spektrums zu verzichten. Dies hört sich utopisch an, jedoch führen sie eine Argumente dafür ins Feld: Exklusivität Die Prämisse, dass das elektromagnetische Spektrum eine begrenzte Resource ist, wird widerlegt: Fehlerkorrektur würden immer besser, so dass dieses «Gut» nicht knapper, sondern immer einfacher verfügbar wird. Zudem sei das Spektrum weder nach oben noch nach unten streng beschränkt. Als Beispiel dazu wird die Blast-Technologie von Bell genannt, die in Abschnitt 2.3.4 kurz erläutert wird. Umstellung Neue Hardware wird beim Endbenutzer nötig. Diese soll die bisherigen Tech- nologien unterstützen («legacy mode»), und würde zugleich durch bessere Übertragungsraten (also bessere Bild- und Tonqualität) Kaufanreize setzen. Interferenz Wie lässt sich verhindern, dass Interferenzen auftreten? Interferenz – bisher behandelt als ob es ein Naturgesetz wäre – sei ein Überbleibsel aus der Funktechnologie des frühen 20. Jahrhunderts. Anders als etwa Signaldämpfung durch Mauern ist sind Interferenzen keine Verformung des Signals, sondern blosse Überlagerungen von zwei intakten Signalen, was mit heutiger Signalverarbeitung berücksichtigbar sei. So ist es nicht etwa deshalb schwer, bei zwei gleichzeitig sprechenden Personen etwas zu verstehen, weil die Schallwellen des einen die des anderen verformen, sondern weil unser Gehirn dieses Feature schlichtweg nicht unterstützt. 2.3.4 Bells Blast – Breitfrequenzübertragung 30 31 Streuung von Wellen an Gebäuden und Autos wird in Städten oft zum Problem: Das Signal trifft mehrfach zeitverzögert beim Empfänger ein, da es auch auf «Umwegen» zum Ziel gelangt (siehe Abb. 2.4). Dass sich dieser Raumfaktor auch vorteilhaft ausnutzen lässt, hat 1996 Gerard J. Foschini an den Bell Labo- ratories gezeigt.32 Anstelle einer einzelnen Sender- und Empfängerantenne tritt Abbildung 2.4: Echos hierbei ein Verbund von Antennen, welche durch kluge Signal- verarbeitung die Richtungen der Signale interpretieren können. Dadurch werden nicht nur die «Echos» kompensiert, sondern gleichzeitig auch die Datenrate 29 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.64.6230&rep=rep1&type=pdf 30 http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_Laboratories_Layered_Space-Time 31 http://www.nytimes.com/2003/01/16/technology/what-s-next-bouncing-signals-push-the-limits-of- bandwidth.html 32 http://www.bell-labs.com/project/blast/ 26

26. massiv erhöht – und zwar umso stärker, je mehr Reﬂektionen auftreten. Bisher konnten Über- tragungsraten von 20 - 40 Bit/sHz (Bits pro Sekunde und Hertz genutzter Bandbreite) erreicht werden. Im Bereich des derzeitigen 3G-Netzes wären so bis zu 20 MBit/s möglich. 33 3 Fazit Was bedeutet mehr OpenSpectrum die zukünftige Entwicklung unserer Kommunikation? Wäre in den drei Bereichen Frequenzbewirtschaftung, GSM-Netz und WLAN ein gemeinschaftliches Modell denkbar? Wie man an Beispielen wie freifunk sieht, sind Maschennetzwerke zumindest für die «letzte Meile» zwischen Internetprovider und Benutzer bereits machbar. Für die Skalierbarkeit braucht es noch verbesserte Protokolle und zum Teil Gesetzesänderungen, um die Hemm- schwelle für neue Nutzer zu senken. Auch in schlecht erschlossenen Gebieten sind Maschen- netzwerke bereits eine nötige Erweiterung des «klassischen» Internets. Der Zugang zum Rest der Welt über externe Provider bleibt jedoch in absehbarer Zeit ein Knackpunkt; denn Band- breite ist begrenzt und verhält sich wie ein materielles Gut. OpenBTS öffnet Türen für Bastler und Mobilfunknetze in Extremst-Rand-Regionen. Die Vermittlung von Anrufen ist aber bereits in Netzen mit wenigen Antennen derart komplex, dass die Vision eines Community-GSM noch weit entfernt ist: Dezentrale Protokolle stecken erst in den Kinderschuhen. Der Massenmarkt wird sich zudem stets an der «Front» der technischen Entwicklung orientieren, die auch in Zukunft jeweils mit Patenten geschützt sein wird. Ein Umbruch in der Spektrumsverwaltung bahnt sich an, wie der besprochene FCC-Entscheid zeigt – jedoch strikt in der «permission economy»: Deregulierungen werden bloss in einzelnen Frequenzbereichen Zugelassen, und auch dort nur unter gewissen Hardwareeinschränkungen (beschränkte Leistung). Ein dynamisches Open Spectrum, das die technischen Fortschritte voll ausspielen kann, wird in den nächsten Jahrzehnten durch den «Rucksack» von alter Hardware gebremst bleiben, die nach wie vor auf scharfe Trennung der Kanäle angewiesen ist. Gerade in Strukturschwachen Ländern sind «veraltete» , aber konkurrenzlos günstige Systeme wie AM-Rundfunkt ein erstes Tor zur Welt, das nicht verschlossen werden darf. Die Perspektiven bleiben also und faszinieren uns nach wie vor. Die Arbeit am Bericht hat bei uns Spuren hinterlassen. Nicht nur, dass der nächste gekaufte Router mit offener Firmware laufen wird – unser Blick auf geschlossene System ist auch geschärft. Alles was uns jetzt fehlt, ist der Versuch einer Implementation eines Mesh-Routing-Protokolls, um wieder Bodenkontakt zu kriegen. 33 http://www.nytimes.com/2003/01/16/technology/what-s-next-bouncing-signals-push-the-limits-of- bandwidth.html 27

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