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Informationsübertragung am theoretischen Limit

RateX: TUM-Team gewinnt einen Bell Labs-Preis

TUM Forscher (v.l.) Fabian Steiner, Georg Böcherer, und Patrick Schulte vor der Statue von Claude Shannon, Vater der Informationstheorie. (Bild: Denise Panyik-Dale/Alcatel-Lucent)
TUM Forscher (v.l.) Fabian Steiner, Georg Böcherer, und Patrick Schulte vor der Statue von Claude Shannon, Vater der Informationstheorie. (Bild: Denise Panyik-Dale/Alcatel-Lucent)

Forschung

Drei junge Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben einen der renommierten Bell Labs-Preise gewonnen. Das Team teilt sich mit einer anderen Forschergruppe den dritten Platz in einem weltweiten Wettbewerb zur Informations- und Kommunikationstechnologie. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich ein und dieselbe Sende- und Empfangseinheit (Transceiver) quer über alle Arten digitaler Kommunikationssysteme einsetzen lässt und dabei sicherstellt, dass die Übertragungsrate jeweils die theoretische Obergrenze erreicht. Ihre Methode könnte künftig alle digitalen Kommunikationssysteme – drahtlos, drahtgebunden, glasfaserbasiert und satellitengestützt  – flexibler machen und deren Konstruktionskosten senken.

Drei Forscher der TUM Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik teilen sich die von Alacatel-Lucent Bell Labs mit 25.000 US Dollar ausgelobte persönliche Auszeichnung: Der Postdoc Dr. Georg Böcherer sowie die Doktoranden Patrick Schulte und Fabian Steiner, die seit ihrem Master-Studium mit ihm an dem Projekt arbeiten. Die anderen beiden Preise gingen an je einen Professor der Carnegie Mellon University und der University of California, San Diego, beide in den USA.

Die Wissenschaft als Hoffnungsträger für wirtschaftliche Durchbrüche

Der Wettbewerb sucht innovative Ansätze "die das Potenzial haben, die Art, wie wir leben, arbeiten und miteinander kommunizieren, zu verändern." Aus den über 250 im April eingegangenen Vorschlägen wurden 20 Teams ausgewählt, um ihnen Forscher und Managern von Bell Labs zur Seite zu stellen, damit sie ihre  Ansätze weiterentwickeln und verfeinern können. Sieben Finalisten präsentierten ihre Ideen am Bell Labs Hautquartier in den USA. Die Kriterien für die Endauswahl umfassten das Innovationspotential, die technische Leistung, die Machbarkeit und die geschäftliche Bedeutung der Idee. Die Jury vergab einen ersten und zwei dritte Preise, der zweite Rang blieb unbesetzt.

"Nichts bringt die kreative Kraft der Forschung besser hervor, als im Wettbewerb die Gesellschaft zu verändern und die Wirtschaft voranzubringen,“ sagt Marcus Weldon, Präsident von Bell Labs und Chief Technology Officer von Alcatel-Lucent. "Der Bell Labs Preis ehrt das Zusammenspiel von Wissenschaft und Technik, das hier bei uns seit 90 Jahren gedeiht. Auf dieser Basis können wir uns eine Zukunft erträumen und Ideen entwickeln, aus denen dann die nötigen Technologien hervorgehen, um dorthin zu gelangen."

RateX – "eine universelle Methode"

Die Informationstheorie gibt eine Obergrenze für die Datenrate vor, mit der  zuverlässig über einen gegebenen Kanal übertragen werden kann. Die jeweiligen Kanaleigenschaften wie das Signal-Rausch-Verhältnis sind in diesem Limit bereits berücksichtigt. In den vergangenen Jahrzehnten entwickelten Ingenieure verschiedene Kodierungs- und Modulationsverfahren, um die Leistungsfähigkeit der Kommunikationssysteme zu optimieren. Zwei große Herausforderungen jedoch bleiben: Es gibt immer eine Lücke zwischen der theoretischen Vorhersage und dem, was die Technologie liefern kann, und keiner dieser Lösungsansätze ist universell, also über alle Kommunikationssysteme hinweg, anwendbar. Die Forscher der TUM nehmen nun für sich in Anspruch, diese beiden Hürden genommen zu haben.

Ihre "RateX" Methode vereint erstmals drei wesentliche Funktionen, und zwar in einer Weise, dass sie der Branche ein beispielloses Maß an Flexibilität bietet. "Die Lösung ist elegant." sagt Prof. Gerhard Kramer, Inhaber des Lehrstuhls für Nachrichtentechnik. "Sie erzeugt eine saubere Trennung von Signalformung, Fehlerkorrektur und Modulation innerhalb der Übertragungsschicht des Open Systems Interconnection (OSI)-Modells. Es handelt sich um eine universelle Methode, die künftig zu der generellen Verfahrensweise in diesem Bereich werden könnte."

Viele Komponenten, die heute in verschiedenen Kommunikationssystemen eingesetzt sind, könnten mit der Einführung des RateX Algorithmus durch einen einzigen Chip ersetzt werden. Ein solcher Chip wäre nicht nur weniger komplex und bräuchte weniger Strom als die heutige Technologie, er böte zudem Vorteile hinsichtlich Kosten und Zuverlässigkeit beim Übergang zur Massenproduktion. Innerhalb von zehn oder fünfzehn Jahren könnten Milliarden solcher Chips im Einsatz sein – falls, wie Kramer erwartet, das RateX Verfahren zum Standard für 5G Mobilfunk, DSL, glasfaserbasierte, satellitengestützte und weitere Kommunikationstechnologien wird.

Die Lösung, um die Lücke zwischen erreichbarer und theoretischer Übertragungskapazität zu schließen, lag laut Georg Böcherer in der Einführung einer zusätzlichen Komponente, dem sogenannten “Distribution Matcher“. "Diese Komponente hat eine einzige Funktion," erklärt er. „Sie wandelt gleichverteilte Bits in eine Folge von Symbolen um, die einer erwünschten Verteilung folgen. Diese Zuordnung ist reversibel, so dass wir aus der Abfolge von Symbolen die Bits wieder rekonstruieren können."

Kombiniert man diesen “Distribution Matcher“ mit einem neuartigen Ansatz für die Kombination von Fehlerkorrektur und Modulation sollten die praktisch erreichbaren Übertragungsraten an die theoretisch vorgegebenen Obergrenzen heranreichen. Die ersten Experimente mit Glasfaser und kabelgebundenen DSL Systemen bestätigen diese Annahme. In der Praxis würden sich so für alle Arten von Kommunikationssystemen höhere Datenraten, größere Reichweiten und ein niedrigerer Energieverbrauch ergeben. Weil sich RateX sehr einfach an den jeweiligen Kanal anpasst, wäre es außerdem sowohl für die drahtlosen Kurzstrecken-Verbindungen, die im künftigen  Internet der Dinge allgegenwärtig sein werden, geeignet, als auch für die erdumspannenden, langen Glasfaser-Übertragungsleitungen.
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Diese Forschung wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Form einer Alexander von Humboldt-Professur und vom TUM Institute for Advanced Study unterstützt.

Publikationen

Bandwidth Efficient and Rate-Matched Low-Density Parity-Check Coded Modulation
Georg Böcherer, Fabian Steiner, and Patrick Schulte, IEEE Transactions on Communications, 63, 12, 4651-4665, Dec. 2015 – DOI: 10.1109/TCOMM.2015.2494016

Constant Composition Distribution Matching, Patrick Schulte and Georg Böcherer,
IEEE Transactions on Information Theory, 62, 1, 430-434, Jan 2016 – DOI: 10.1109/TIT.2015.2499181

Experimental Demonstration of Capacity Increase and Rate-Adaptation by Probabilistically Shaped 64-QAM
F. Buchali, G. Böcherer, W. Idler, L. Schmalen, P. Schulte, and F. Steiner
Proceedings of ECOC 2015, European Conference on Optical Communication.
DOI: 10.1109/ECOC.2015.7341688

Kontakt

Dr. Georg Böcherer
Tel.: +49 089 289 23458
E-Mail: georg.boecherer@tum.de
Web: http://www.lnt.ei.tum.de/en/people/senior-researchers/boecherer/

TUM Forscher (v.l.) Fabian Steiner, Georg Böcherer, und Patrick Schulte vor der Statue von Claude Shannon, Vater der Informationstheorie. (Bild: Denise Panyik-Dale/Alcatel-Lucent)
TUM Forscher (v.l.) Fabian Steiner, Georg Böcherer, und Patrick Schulte vor der Statue von Claude Shannon, Vater der Informationstheorie. (Bild: Denise Panyik-Dale/Alcatel-Lucent)