Raumfahrt

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Das Ziel: Breitbandversorgung aus dem All

DLR und ADVA stellen neuen Weltrekord in optischer Freistrahl-Datenübertragung auf

Donnerstag, 10. Mai 2018

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  • Während den Messungen
    Während den Messungen

    DLR Wissenschaftler während der Messkampagne beim DLR Weilheim.

  • Der optische "Satellitenterminal" beim Hohenpeißenberg.
    Der optische "Satellitenterminal" beim Hohenpeißenberg.

    Der optische "Satellitenterminal" beim Hohenpeißenberg. Der Effekt der Satellitenbewegung wird durch eine seitlich Verschiebung der Senderlaser (auf die Schiene) nachgebildet. So können die DLR Wissenschaftler der Kanalbedingungen untersuchen.

  • Optisches "Bodenterminal"
    Optisches "Bodenterminal"

    Der optische "Bodenterminal" mit adaptiver Optik beim DLR Weilheim mit DLR Wissenschaftlern.

Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Kommunikation, Digitalisierung, Industrie 4.0

Achtzehn Monate nach ihrem letzten Rekord haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), diesmal zusammen mit ADVA - Anbieter von Open Networking Lösungen -, mit 13,16 Terabits pro Sekunde einen neuen Weltrekord in der optischen Freistrahl-Datenübertragung aufgestellt. Mit dieser Datenrate könnten alle gedruckten Bücher der Welt in etwa einer halben Minute übertragen werden. Auch könnte damit der gesamte, für 2020 prognostizierte, Internetverkehr von 144 Petabytes pro Tag in Deutschland übertragen werden. Das eigentliche Ziel ist jedoch ein anderes, nämlich die ländlichen Gebiete, die heute nicht an ein terrestrisches Breitbandnetz angeschlossen sind, vom Satelliten aus zu versorgen. Für die Versorgung von Gesamteuropa im Jahr 2020 reichen laut BATS-Studie drei bis vier Terabits pro Sekunde aus.

Breitbandinternetzugang als Schlüssel zur Digitalisierung

Digitalisierung ist die neue Revolution, die unsere Gesellschaft verändert, die Lebensqualität der Bürger verbessert und die Effizienz der wirtschaftlichen Prozesse erhöht. Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sind Elemente hierzu. Allen Entwicklungen der Digitalisierung ist gemeinsam, dass sie einen Breitbandanschluss benötigen. "Satelliten spielen eine Schlüsselrolle, um den Breitbandanschluss in der Fläche anbieten zu können", erklärt Prof. Christoph Günther, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation. Das Versorgungsgebiet wird hierfür vom Satelliten aus mit zahlreichen Strahlen ausgeleuchtet. Man kann sich diese Strahlen 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.

Neuer Weltrekord in Laserkommunikation für Satelliten

Der neue Weltrekord ist aus der Zusammenarbeit von DLR und ADVA entstanden. Das DLR hat das Konzept und die optischen Systeme zur atmosphärischen Übertragung beigesteuert. In der gemeinsamen Demonstration wurde den 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. Jeder hat das Flimmern über einer heißen Straße gesehen. Das gleiche Phänomen tritt auch hier auf. Das empfangene Signal, das auf der zwei Zentimeter großen Empfangsapertur auftrifft, muss am Empfänger in eine Glasfaser mit einigen Mikrometer Durchmesser (dünner als ein Haar) 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 der Firma 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-Technologie, konkret ADVAs FSP 3000 CloudConnectTM, ermöglicht. Die Daten wurden mit 53 Lasern auf unterschiedlichen Frequenzen mit einem Abstand von 50 Gigahertz (Wavelength Division Multiplex) übertragen. Dabei wurden die jeweiligen Laser mit Dual Polarization 16 QAM (Quadratur-Amplitude Modulation) moduliert und mit Soft-Decision Vorwärtsfehlerkorrektur auf einer Nutzdatenrate von 200 Gigabit/s pro Kanal empfangen. Zusätzlich wurde ein 100 Gigabit/s System des DLR benutzt, um die Verzerrungen des Signals durch atmosphärische Turbulenzen zu analysieren.

Die Distanz, die bei den Versuchen überbrückt wurde, betrug 10.45 Kilometer und entspricht in Bezug auf das Turbulenzverhalten der schlechtesten denkbaren Verbindung von einer Bodenstation zu einem geostationären Satelliten.

Ziel: Hohe Verfügbarkeit der Verbindung

Eine hohe Verfügbarkeit der Verbindung ist Voraussetzung, um Telekommunikationsdienste anbieten zu können. Hierfür ist es notwendig, dass die Verbindung kaum Schwund (kurzzeitige Ausfälle) aufweist. Selbst sehr kurze Unterbrechungen führen, auf Grund der hohen Datenraten, zu enormen Verlusten. Bei einem Unterbruch 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 hoch 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. Solchen Ansätze sind notwendig, um die Stabilität der Übertragung weiter zu steigern und die Komplexität des Systems möglichst stark zu vereinfachen. Das soll in den kommenden Monaten weiter vorangetrieben werden.

 

Zuletzt geändert am:
10.05.2018 16:14:52 Uhr

Kontakte

 

Andreas Schütz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Leitung Media Relations, Pressesprecher

Tel.: +49 2203 601-2474

Fax: +49 2203 601-3249