Übertragungsrekord für die Satellitenkeule

Die "letzte Meile" per Freistrahl mit 13,16 Terabit pro Sekunde überbrückt

| Autor / Redakteur: Hendrik Härter / Rainer Graefen

Forscher des DLR haben zusammen mit ADVA eine Möglichkeit entwickelt, Daten per Freistrahl mit 13,16 TBits/s zu übertragen. Damit soll in Zukunft der Breitbandausbau im ländlichen Raum vorangetrieben werden.
Forscher des DLR haben zusammen mit ADVA eine Möglichkeit entwickelt, Daten per Freistrahl mit 13,16 TBits/s zu übertragen. Damit soll in Zukunft der Breitbandausbau im ländlichen Raum vorangetrieben werden. (Bild: DLR)

Wissenschaflter des DLR konnten Daten über einen Freistahl mit 13,16 Terabit pro Sekunde übertragen. Damit soll künftig der ländliche Raum mit Breitband-Internet versorgt werden. Doch noch gibt es Datenschwund auf der Strecke.

Einen neuen Rekord bei der optischen Freistrahl-Datenübertragung hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aufgestellt. Ganze 13,16 Terabit pro Sekunde konnten übertragen werden. Damit ließen sich alle gedruckten Bücher der Welt in einer halben Minute versenden. Ziel der Forscher des DLR zusammen mit ADVA – Anbieter von Open Networking Lösungen ist es, ländliche Gebiete nicht mehr über ein terrestrisches Breitbandnetz zu versorgen, sondern direkt vom Satelliten aus. Für die Versorgung von Gesamteuropa im Jahr 2020 reichen laut BATS-Studie drei bis vier Terabit pro Sekunde aus.

Satelliten spielen für eine vernetzte Gesellschaft eine zentrale Rolle. Mit ihrer Hilfe soll der Breitbandanschluss in der Fläche realisiert werden. Das Versorgungsgebiet wird hierfür vom Satelliten aus mit zahlreichen Strahlen ausgeleuchtet. Die Strahlen kann man sich wie Keulen vorstellen, die von Satelliten die Erde beleuchten und Kommunikationssignale zur Verfügung stellen. Die Funkfrequenzen werden dabei ständig wiederverwendet, wodurch eine enorme Kommunikationskapazität zwischen Nutzern und Satelliten entsteht. Um diese Kapazität ausschöpfen zu können, muss sie auch zwischen Internet und Satelliten bereitgestellt werden. Das erfolgt durch optische Freiraumübertragung, wie sie in dem Versuch getestet wurde. Die optische Freiraumübertragung transportiert die großen Datenströme in ähnlicher Weise wie es die Glasfaser in den terrestrischen Transportnetzen tut.

Laserkommunikation für Satelliten

Bei der Zusammenarbeit hat die DLR das Konzept und die optischen Systeme zur atmosphärischen Übertragung beigesteuert. In der gemeinsamen Demonstration wurde der Einfallswinkel der auf den Empfänger auftreffenden Wellenfront korrigiert. Die Wellenfrontverzerrungen (Phasenfluktuationen des Strahlprofils) entstehen dabei durch Temperaturunterschiede in der Atmosphäre, die als Turbulenz benannt werden.

Das empfangene Signal, das auf der zwei Zentimeter großen Empfangsapertur auftrifft, muss am Empfänger in eine Glasfaser mit einigen Mikrometer Durchmesser eingekoppelt werden, um danach verstärkt und weiterverarbeitet werden zu können, wie es in der Faserkommunikation üblich ist. An dieser Stelle endet der Beitrag des DLR. Danach kamen das Faserkommunikationsequipment, beziehungsweise die Demultiplexer und Empfängerbänke von ADVA zum Einsatz, die bereits heute in Glasfasernetzen eingesetzt werden.

Der fast achtfache Anstieg des Datenvolumens in einem um 40 Prozent schmaleren Spektrum, das heißt 40 Prozent effizienter im Vergleich zu dem vom DLR geschafften Rekord im Jahr 2016, wurde Dank der ADVA-Technik ermöglicht. Die Daten wurden mit 53 Lasern auf unterschiedlichen Frequenzen mit einem Abstand von 50 GHz per Wavelength Division Multiplex übertragen. Dabei wurden die jeweiligen Laser mit Dual Polarization 16 QAM moduliert und mit Soft-Decision-Vorwärtsfehlerkorrektur auf einer Nutzdatenrate von 200 Gigabit/s pro Kanal empfangen. Zusätzlich wurde ein System mit 100 GBit/s des DLR benutzt, um die Verzerrungen des Signals durch atmosphärische Turbulenzen zu analysieren.

Datenschwund möglichst gering halten

Die Distanz, die bei den Versuchen überbrückt wurde, betrug 10,45 km und entspricht in Bezug auf das Turbulenzverhalten der schlechtesten denkbaren Verbindung von einer Bodenstation zu einem geostationären Satelliten. Eine hohe Verfügbarkeit der Verbindung ist Voraussetzung, um Telekommunikationsdienste anbieten zu können. Hierfür ist es notwendig, dass die Verbindung kaum Schwund aufweist. Selbst sehr kurze Unterbrechungen führen, auf Grund der hohen Datenraten, zu enormen Verlusten. Bei einer Unterbrechung von nur einer Millisekunde fehlt bereits ein Gigabit an Daten. Dieses muss entweder über komplexe Fehlerkorrekturalgorithmen rekonstruiert werden oder nochmals übertragen werden. Letzteres reduziert nicht nur die Kapazität, sondern vergrößert auch die Latenz und ist damit unerwünscht.

Um den Schwund zu minimieren, hat das DLR in einem weiteren Experiment höhere Ordnungen der Verzerrung in einer adaptiven Optik korrigiert. Die Ausfälle konnten dabei in Richtung Satellit zu Boden weiter reduziert werden. Die dabei erfolgte Schätzung des Kanals wurde auch verwendet, um den Signalen in der Richtung Boden zu Satellit die inverse Verzerrung aufzuprägen, sodass sich am Hohenpeißenberg (virtueller Satellit) eine deutlich erhöhte Verfügbarkeit einstellte.

Im Gegensatz zum Hohenpeißenberg bewegt sich ein echter Satellit jedoch im Verhältnis zur Bodenstation. Auch die sich daraus ergebenden Veränderungen konnten hergestellt werden und auch hier bestätigten die Messungen die Erwartungen. Damit hat sich das Versuchsfeld als ideal für die Verifikation verschiedener Ansätze erwiesen. Solche Ansätze sind notwendig, um die Stabilität der Übertragung weiter zu steigern und die Komplexität aus dem Systems herauszunehmen. Das soll in den kommenden Monaten weiter vorangetrieben werden.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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