Neuer Modulationsansatz zur schnelleren Übertragung von Daten

Glasfaser überträgt ein Terabit pro Sekunde

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

Forschung

Dank einer neuen Modulationstechnik haben Nokia Bell Labs, Deutsche Telekom T-Labs und die Technische Universität München (TUM) in einem Feldtest einen Rekord im Hinblick auf Übertragungskapazität und spektrale Effizienz bei der optischen Datenübertragung erzielt. Mit diesem technologischen Durchbruch kann die Leistungfähigkeit der Glasfasernetze erhöht werden, um dem weltweit wachsenden Datenverkehr auch zukünftig gerecht werden zu können.

In einem Feldversuch haben Nokia Bell Labs, Deutsche Telekom T-Labs und die TU München gezeigt, dass sich die Flexibilität und Leistungsfähigkeit von Glasfasernetzen maximieren lässt, wenn einstellbare Übertragungsraten dynamisch an die Übertragungsbedingungen und die Anforderungen des Datenverkehrs angepasst werden.

Während des Experiments im Rahmen des Safe and Secure European Routing (SASER) Projekts konnte über das Glasfasernetz der Deutschen Telekom eine Netto-Übertragungsrate von einem Terabit in einem engen Wellenlängenband erreicht werden.

Das ist nahe der theoretisch maximalen Rate der Informationsübertragung des optischen Kanals, die durch das  sogenannte Shannon-Limit einer Glasfaser definiert wird. Das Shannon Limit wurde 1948 von Claude Shannon, einem Pionier der Netztechnik und Forscher bei den Bells Labs, entdeckt. Shannon gilt als „Vater der Informationstheorie“.

Neuer Modulationsansatz

Der Feldtest nutzt einen neuen Modulationsansatz, der als Probabilistic Constellation Shaping (PCS) bekannt ist. Dieser verwendet das Quadrature Amplitude Modulation (QAM)-Format, um eine höhere Übertragungskapazität über einen definierten Kanal zu erreichen und so die spektrale Effizienz optischer Kommunikation signifikant zu verbessern.

PCS modifiziert die Wahrscheinlichkeit, mit der Konstellationspunkte – sozusagen das Alphabet für Übertragungen – genutzt werden. Normalerweise werden alle Konstellationspunkte gleich häufig angesteuert. PCS jedoch setzt gezielt Konstellationspunkte mit großer Amplitude mit geringerer Häufigkeit ein.

Um Signale zu übertragen nutzt es verstärkt Konstellationspunkte mit kleinerer Amplitude, die im Durchschnitt weniger anfällig für Rauschen und Störungen sind. Damit kann die Übertragungsrate für den jeweiligen Übertragungskanal optimiert werden und die Reichweite wird um bis zu 30 Prozent erhöht.

Maximale Übertragungskapazität

Diese Forschungsarbeiten stellen einen wichtigen Meilenstein dar, um zu überprüfen, ob PCS eingesetzt werden kann, um die Leistungsfähigkeit von optischen Kommunikationstechniken in Zukunft noch zu erhöhen.

Die optische Glasfasertechnologie wurde vor 50 Jahren eingeführt. Auch vor dem Hintergrund der aufstrebenden 5G-Mobilfunktechnik, entwickeln sich Glasfaser-basierte Übertragungssysteme stetig weiter und unterstützen Telekommunikationsunternehmen und Firmen dabei, dem stetig wachsenden Datenverkehr gerecht zu werden. Dieser wächst jährlich mit einer kumulierten Rate von bis zu 100 Prozent.

PCS ist nun Teil dieser Entwicklung, indem es dazu beiträgt, die Flexibilität und Leistung von optischen Übertragungssystemen zu erhöhen. Dadurch lassen sich große Datenmengen schneller und über größere Entfernungen übertragen, ohne dass die Komplexität optischer Netze steigt.

Die Ergebnisse des gemeinsamen Experiments werden am 19. September 2016 auf der European Conference on Optical Communication (ECOC) in Düsseldorf vorgestellt.

Höhere Übertragungsraten und mehr Dynamik für zukünftige Netze

„Um unseren Kunden auch bei zukünftigen Diensten ein gutes Anwendererlebnis zu bieten, brauchen wir höhere Kapazität, Reichweite und Flexibilität in den bestehenden optischen Übertragungsnetzen“, sagt Bruno Jacobfeuerborn, Director Technology Telekom Deutschland und CTO Deutsche Telekom. „Die Deutsche Telekom bietet eine einzigartige Netzinfrastruktur, um solch innovative Übertragungstechnologien zu testen und vorzuführen. Dies gilt für die Übertragungsebene wie auch für höhere Netzebenen.

„Informationstheorie ist die Mathematik der digitalen Technik“, sagt Professor Gerhard Kramer, Inhaber des Lehrstuhls für Nachrichtentechnik der Technischen Universität in München. „2016 feiern wir den hundertsten Geburtstag von Claude E. Shannon. Es ist daher besonders spannend zu sehen, wie seine Ideen Industrie und Gesellschaft weiterhin beeinflussen.“

„Probabilistic Constellation Shaping, eine Technologie, die mit dem Bell Labs Prize ausgezeichnet wurde, wendet die Prinzipien von Shannon an“, führt Gerhard Kramer weiter aus. „Die Technik ermöglicht eine schnellere Übertragung von Daten über längere Strecken mit einer bislang ungekannten Flexibilität. Die enge Zusammenarbeit mit Nokia Bell Labs, welche die Technik weiterentwickelten, und den Deutschen Telekom T-Labs, die sie nun unter realen Bedingungen getestet haben, bestätigt unsere Arbeit. Sie belegt, dass der Bereich ´Engineering` der Technischen Universität München Forschung auf höchstem Niveau betreibt und dass der Bereich ´Lehre` unseren Studenten das notwendige intellektuelle Rüstzeug mitgibt, um im globalen Umfeld erfolgreich zu sein.“

Markus Weldon, Präsident der Nokia Bell Labs & CTO von Nokia sagt „Künftige optische Netze werden nicht nur deutlich höhere Übertragungsraten bieten, sondern auch dynamisch auf Kanalkonditionen und die Anforderungen des Datenverkehrs reagieren müssen. Die Vorteile von Probabilistic Constellation Shaping ermöglichen es Netzbetreibern und Unternehmen, optische Netze näher am Shannon-Limit zu betreiben. Dies ermöglicht die Vernetzung von Rechenzentren im großen Stil und bietet die notwendige Flexibilität und Leistung für Netze im digitalen Zeitalter.“