Optische Freiraumübertragung 2

27.11.2002
1. Einleitung - Technische Grundlagen und Rahmenbedingungen

LED/Laser ÜbertragungssystemAn der Schwelle des Informationszeitalters ist die Erschließung neuer Wege für eine Hochgeschwindigkeitsübertragung digitaler Signale eine der Hauptforderungen an die Nachrichtenelektronik.

Im optischen Frequenzbereich mit der Übertragungsmöglichkeit von Bitraten in der Größenordnung von Terabit pro sec. (1012 bit/s) können alle gegenwärtig denkbaren Forderungen an die Breitband-Übertragungstechnik erfüllt werden. Mit dem Laser als Sende-Strahlungsquelle wurde dieses Gebiet erschlossen und entscheidende Abschnitte der Datenhighways arbeiten heute im optischen Frequenzbereich.

Sowohl bei tieferen Trägerfrequenzen bis in den GHz-Bereich als auch bei optischen Frequenzen kann die Übertragung der Informationen sowohl über Kabel als auch durch den freien Raum erfolgen.

Die Kabelübertragung ist in der Regel stationär, und es wird eine Verbindung zwischen festen Punkten hergestellt. Durch parallele Verlegung mehrerer Kabel kann die Übertragungsbandbreite gegenüber dem einzelnen Kabel vervielfacht werden. Kabelnetze auf Kupferbasis haben gegenwärtig noch einen wesentlichen Anteil am Telefon-, Daten- und Fernsehnetz. Glasfaser-Kabelnetze mit ihren vergleichsweise hohen Bandbreiten und geringen Dämpfungen sind jedoch das Übertragungsmedium der Zukunft. Die Übertragungsbedingungen sind bei der Kabelübertragung zeitlich im wesentlichen konstant und die Übertragungssicherheit entspricht den Erfordernissen.

Die Übertragung durch den freien Raum ist ebenso im Hochfrequenzbereich wie bei optischen Frequenzen möglich. Die Rundfunktechnik oder heute besonders die Mobilfunktechnik gestatten auch dem beweglichen Teilnehmer die Verbindung zum Kommunikationsnetz. Allerdings stehen in den konventionellen Hoch- und Höchstfrequenzbereichen die Frequenzresourcen nicht unbegrenzt zur Verfügung, und insbesondere eine Breitbandübertragung ist problematisch. Die Atmosphäre ist in ihren Übertragungseigenschaften zeitlich nicht konstant, und je nach Wellenlängenbereich müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um dem durch Dämpfungsschwankungen und Reflexionen gestörten Übertragungskanal die erforderliche Sicherheit zu geben. Auch optische Wellen im nahen infraroten Bereich können als gerichtete Strahlen oder diffus durch die Atmosphäre übertragen werden. Bei der gerichteten Übertragung ist die räumliche Selektion so groß, daß es keine Probleme mit einer gegenseitigen Beeinflussung von Übertragungsstrecken gibt. Die nicht konstanten Übertragungsbedingungen der Atmosphäre insbesondere für die optische Strahlung erfordern jedoch eine sinnvolle Abgrenzung des Einsatzes dieser Übertragungstechnik.

Während in der Hochfrequenztechnik die Freiraum- und die Kabeltechnik gleichberechtigt nebeneinander stehen, dominiert im optischen Bereich zumindest bei kommerziellen Anwendungen die Kabelübertragung über Glasfasern. Hier sind kaum mehr Wünsche offen.

Bild 1: Freiraum- und Kabelübertragung

Bild 1: Freiraum- und Kabelübertragung

In Bild 1 sind die Freiraum- und die Kabelübertragung nebeneinander dargestellt. Das zu übertragende Signal liegt heute fast ausschließlich in digitaler Form als elektrische Impulsfolge vor. Es wird in den entsprechenden Frequenzbereich umgesetzt und dann entweder über das Kabel oder über die Antenne bzw. Optik durch die Atmosphäre zum Empfangsort weitergeleitet.

Die optische Freiraum-Übertragung hat insbesondere innerhalb von Räumen zur Fernsteuerung von Geräten der Unterhaltungselektronik eine große Bedeutung erlangt. In zunehmendem Maße wird hier auch die Infrarot-Übertragung zur Datenübertragung zwischen dem PC und einer peripheren Einheit oder auch zwischen einer mobilen Endeinrichtung und dem Datennetz genutzt.

Wenig erschlossen ist bisher die optische gerichtete Übertragung durch den freien Raum, obwohl sie eine Reihe von Vorteile aufweist:

  • Schnelle Installationsmöglichkeit mit optischen LWL-Schnittstellen zum Netz
  • Transparenz für Datensignale bis gegenwärtig etwa 622 Mbps
  • Keine Restriktionen bezüglich Frequenzbandnutzung

Es bestehen aber auch Beschränkungen wie:

  • Es ist eine Sichtverbindung zwischen den Endpunkten der Strecke bzw. zwischen den Repeater-Punkten erforderlich
  • Die Langzeit-Übertragungssicherheit ist kleiner als bei Kabelverbindungen
  • Die Hauptanwendung liegt im Kurzstreckenbereich bis etwa 2 km

Im folgenden sollen einige Aspekte der optische Übertragung durch den freien Raum dargelegt werden. Dabei betrachten wir im einzelnen

  • den optischen Signalweg durch die Atmosphäre
  • besondere Maßnahmen zur Verbesserung der Übertragungssicherheit
  • Systeme und Anwendungen  

2. Der optische Signalweg bei der gerichteten Freiraum-Übertragung

Die Atmosphäre behindert die Übertragung im optischen Wellenlängenbereich stärker als bei den Funkwellen. Bei kurzen Übertragungsstrecken bis zu einigen hundert Metern ist bei geeigneter Gerätedimensionierung die Übertragungssicherheit im Jahresmittel >99 % und damit vor allem für eine speichergestützte Übertragung von Datenpaketen (Ethernet, FDDI) völlig ausreichend. Bei längeren Strecken und Echtzeitübertragung werden noch höhere Anforderungen an die Übertragungssicherheit gestellt. Um die Gerätetechnik optimal zu gestalten, sind deshalb genauere Kenntnisse über das Dämpfungsverhalten der Atmosphäre im optischen Bereich erforderlich. Es sind vor allen 5 Einflussgrößen, durch die eine optische Freiraum-Übertragung beeinträchtigt werden kann:

  • molekulare Absorption durch atmosphärische Gase
  • Streuung an Gasmolekülen und Aerosolen (Dunst, Nebel, Regen, Schnee)
  • Strahlauslenkungen durch den Brechungsindexgradient in der Atmosphäre
  • Intensitätsmodulation durch Turbulenzen bis in den kHz-Bereich
  • Strahlunterbrechungen durch Vogelflug, Kräne und sonstige bewegliche Hindernisse

Diese Beeinflussungen sind naturgegeben und nicht grundsätzlich zu vermeiden. Es muss jedoch bei der Entwicklung von optischen Freiraum-Übertragungssystemen dafür Sorge getragen werden, das die Wirkung dieser Beeinflussungen auf die Übertragungssicherheit minimiert wird. Besonders wichtig ist das bei einer Echtzeitübertragung, wo es im allgemeinen keine Möglichkeit gibt, fehlerhaft übertragene Daten zu wiederholen.

Die optische Freiraumübertragung wird in der Regel bei Wellenlängen um 850 nm durchgeführt. Hier stehen sowohl leistungsfähige Halbleiterstrahlungsquellen (Laser- und Lumineszenzdioden) als auch empfindliche Strahlungsempfänger (Si-PIN- und Avalanche-Fotodioden) zur Verfügung.

Nach dem in der Teleconnect GmbH entwickelten Prinzip [1] wird das digital in seiner Intensität modulierte optische Signal über einen LWL der Sendeoptik zugeführt. Auf der Empfangsseite befindet sich im Brennpunkt der Empfangsoptik wiederum ein LWL, mit dem die Strahlung nach Filterung der Empfangs-Fotodiode zugeleitet wird. In Bild 2 ist dieser Signalweg skizziert. Durch die Kopplung der Sende- und Empfangsoptiken mit den optoelektronischen Baueinheiten über flexible LWL wird eine konstruktive Trennung von Optik und Elektronik ermöglicht, und jede Baugruppe kann für sich optimiert werden.

Die Dämpfung einer optischen Übertragungsstrecke wird durch die Strahlgeometrie (Divergenz, Empfangsfläche) und durch die veränderliche "Durchsichtigkeit" der Atmosphäre bestimmt. Diese Dämpfungseinflüsse sollen im folgenden näher betrachtet werden.

Bild 2 Optischer Signalweg bei der Freiraumübertragung

Bild 2 Optischer Signalweg bei der Freiraumübertragung

2.1 Geometrische Grunddämpfung

Für die geometrische Grunddämpfung des Signals ist die Strahldivergenz und die Empfangsfläche wesentlich. Hinzu kommen Zusatzverluste durch Signalfilterung und Optikverluste.

Das Sendesignal mit der Leistung PS wird vom Sende-LWL mit dem Kerndurchmesser DK abgestrahlt. Das Ende des LWL befindet im Brennpunkt der Sendeoptik mit der Brennweite f. Die aus dem LWL austretende Strahlung wird mit dem Divergenzwinkel DK/f auf die Empfangsoptik projiziert. In der Regel ist die Projektionsfläche viel kleiner als die Empfangsfläche AE, der größte Teil der Strahlung geht folglich aus rein geometrischen Gründen verloren.

Zur Erzielung einer geringen Grunddämpfung sind ein kleiner Divergenzwinkel und eine große Empfangsfläche vorteilhaft. Aus Stabilitätsgründen sind jedoch dem Divergenzwinkel bei Systemen ohne Strahlnachführung Grenzen gesetzt. Die Strahlrichtung kann sich bei Sonnenbestrahlung des Aufstellungsortes z.B. auf dem Dach einen Hochhauses verändern. Außerdem muß man den Schwankungen des Geräteträgers bei Sturm und der Strahldurchbiegung durch einen variablen Brechungsindexgradienten in der Atmosphäre Rechnung tragen. Aus diesen Gründen sollten erfahrungsgemäß 2 mrad bei der Strahldivergenz nicht unterschritten werden. Die Größe der Empfangsfläche ist in der Praxis durch den steil ansteigenden Preis der Empfangsoptik mit dem Durchmesser ebenfalls begrenzt, und Durchmesser > 10 cm sind bei einer Forderung nach einem kleinen Empfgangswinkel zur Ausblendung von Hintergrundstrahlung kaum vertretbar.

Als Beispiel soll die geometrische Grunddämpfung für eine typische Strahlungkopf-Kombination angegeben werden.

  • Durchmesser des Sende-LWL: 100 ?m
  • Brennweite der Sendeoptik: 35 mm
  • Strahldivergenz: 3 mrad
  • Durchmesser der Empfangsoptik: 80 mm
  • Zusatzverluste: 2,5 dB

In Abhängigkeit von der Streckenlänge ergeben sich so die in Tabelle 1 angegebenen Grunddämpfungen. 

StreckenlängeGrunddämpfung
50 m8 dB
100 m14 dB
200 m20 dB
400 m26 dB
800 m32 dB
1600 m38 dB

Tabelle 1: Grunddämpfung in Abhängigkeit von der Streckenlänge

2.2 Dämpfung durch molekulare Absorption

Entspricht die Energie eines Strahlungsquants einer möglichen Energiedifferenz der Energiebanden eines Gasmoleküls, so kann das Strahlungsquant vom Molekül absorbiert werden. Für die in der Atmosphäre vorhandenen Gase gibt es deshalb charakteristische Wellenlängenbereiche, in denen molekulare Absorption auftritt. Bild 2.2 zeigt den gemessenen Transmissionsgrad der Atmosphäre im Wellenlängenbereich von 0,5 mm ... 15 mm unter sehr guten Sichtbedingungen [2]. Die Dämpfung der Strahlung ist hier fast ausschließlich auf molekulare Absorption zurückzuführen. Im nahen infraroten Wellenlängenbereich, in dem die optische Freiraumübertragung vorwiegend durchgeführt wird, sind vor allem die Wasserdampf-Absorptionsbande zu beachten. Wie man jedoch aus Bild 3 entnehmen kann, liegt der Transmissionsgrad in dem interessierenden Wellenlängenbereich bei der 5,4 km-Strecke noch über 30%. Die daraus resultierende Dämpfung von etwa 1 dB/km kann in der Regel gegenüber den anderen Dämpfungseinflüssen vernachlässigt werden.

2.3 Dämpfung durch Streuung an Aerosolen

Es ist allgemein bekannt, das Nebel die Sichtweite ganz entscheidend beeinflusst. Das vom Sichtziel ausgehende Licht wird zum großen Teil von den Wassertröpfchen des Nebels gestreut und gelangt so nicht in das Auge des Beobachters. Auch für die optische Freiraumübertragung stellt die Streuung an Wassertröpfchen das größte Hindernis dar, und die Übertragungssicherheit ist stark mit der Nebelhäufigkeit korreliert.

Für die Prognose der Übertragungssicherheit von optischen Freiraumübertragungssystemen ist die Kenntnis der Unterschreitungshäufigkeit der meteorologischen Sichtweite für das betreffende Gebiet eine wertvolle Hilfe. Dafür liegen Ergebnisse aus langjährigen statistischen Untersuchungen von Wetterbeobachtungsstellen vor [3]. Durch den bekannten Zusammenhang zwischen meteorologischer Sichtweite und der Dämpfung im infraroten Wellenlängenbereich können so Prognosewerte für die Unterschreitungshäufigkeit der Dämpfung im infraroten Wellenlängenbereich gewonnen werden. Durch eigene Ausbreitungsmessungen bei der Wellenlänge 0,9 mm in Dresden wurden diese Prognosen ergänzt. Als Beispiel zeigt Bild 4 die Prognose der relativen Unterschreitungshäufigkeit für Dresden.

Bild 4: Prognose der relativen Unterschreitungshäufigkeit für den Raum Dresden

Bild 4: Prognose der relativen Unterschreitungshäufigkeit für den Raum Dresden  

2.4 Dämpfung durch Turbulenzen

Die Dämpfung optischer Signale in der Atmosphäre ist neben langsamen Änderungen durch Nebel, Regen und Schnee auch relativ schnellen Schwankungen durch Luftturbulenzen ausgesetzt. Diese Turbulenzen mit Schwankungen des Brechungsindex der Luft in "Turbulenzzellen" führen zu Veränderungen der Strahlfokussierung, der Streuparameter und der Strahlauslenkung. Die Größe der Intensitätsschwankungen des Empfangssignals ist sowohl von den meteorologischen Bedingungen (Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit), von der Höhe der Strahlführung über der Erde oder über Gebäude, von der Art des Untergrundes (Asphaltstraße, Dächer, Wiese) und vor allem von der Größe der Empfangsfläche abhängig. Bei größeren Streckenlängen im km-Bereich können so Schwankungen über 10 dB mit einem Spektrum bis in den kHz-Bereich auftreten und bewirken damit eine Intensitäts-Störmodulation des optischen Signals. Durch eine geeignete Empfangstechnik mit Regelverstärkern und Begrenzern müssen diese Schwankungen weitgehend ausgeglichen werden.  

3. Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungssicherheit

Das Ziel bei der Entwicklung von optischen Freiraum-Übertragungssystemen ist, trotz der bekannten störenden Einflüsse in der Atmosphäre eine Informationsübertragung mit definierter Übertragungssicherheit zu gewährleisten.

Es soll zwischen den langsamen statischen Änderungen und den schnellen dynamischen Schwankungen der Streckendämpfung unterschieden werden.

Statischen Veränderungen kann durch einen großen Dynamikbereich des Empfängers begegnet werden. Weiterhin ist es möglich, die Sendeleistung adaptiv an die Dämpfung der Übertragungsstrecke anzupassen. Dazu wird die Streckendämpfung während des Betriebs mit einem Pilotsignal gemessen und die Sendeleistung entsprechend nachgeführt.

Dynamische Veränderungen mit Schwankungen bis in den kHz-Bereich müssen zunächst rein optisch minimiert werden. Auf der Empfangsseite ist das durch eine große Empfangsfläche möglich. Der Durchmesser der Turbulenzzellen, in denen die Schwankungen korreliert sind, beträgt nur wenige cm. Werden z.B. 2 Empfangslinsen in einem Abstand angeordnet, der wesentlich größer ist als die der Durchmesser der Turbulenzzellen, so sind die Schwankungen der entsprechenden Empfangssignale nicht mehr vollständig korreliert, und nach optischer Addition hat das resultierende Signal eine verdoppelte Intensität bei verringerter Streuung der Schwankungen.

Weiterhin können die Turbulenzeinflüsse durch mehrere parallele Sendestrahlen, die alle in gleicher Weise mit dem zu übertragenden Signal moduliert sind, verringert werden.

* Bemerkung: Es können Vergleichsbilder mit den Schwankungen bei einer und vier Empfangsoptiken eingefügt werden. Es ist nur fraglich, ob ein so tiefes Eindringen in die Materie dem gewünschten Gesamtrahmen entspricht.*

Diese Überlegungen zur Verminderung der Turbulenzeinflüsse führten zur Konzeption eines optische Mehrstrahl-Übertragungssystems , das in Bild 5 mit seinem prinzipiellen Aufbau dargestellt ist.

Bild 5: Blockschaltbilder eines Mehrstrahl-Übertragungssystems

Bild 5: Blockschaltbilder eines Mehrstrahl-Übertragungssystems

Das von 4 parallel angesteuerten LED- oder Laser-Sendern kommende Signal wird über LWL 4 Sendeoptiken zugeführt. Diese fokussieren die Strahlung in die Empfangsebene. Das Empfangssignal wird von 4 Optiken aufgenommen und über ein LWL Additionsglied auf den optischen Empfänger geführt. Diese Mehrstrahlanordnung führt insbesondere bei hohe Forderungen an die Übertragungssicherheit von Echtzeit-Signalen ohne ein Fehler-Sicherungsprotokoll zur deutlichen Verbesserung der Übertragungssicherheit.

4. Systeme und Anwendungen

Mit der in den letzten Jahren zunehmenden Akzeptanz von Optischen Freiraum-Übertragungssystemen eröffnet sich ein breiterer Markt zum Einsatz dieser Systeme. In Deutschland bieten derzeit, mit steigender Tendenz, ca. 5 Unternehmen Produkte auf diesem Gebiet an. Zur Abgrenzung von diesen ist es notwendig, neue, von Anwendern gewünschte/nachgefragte Features in das System zu integrieren:

Eine wesentliche, von den Anwendern geforderte Maßnahme ist in diesem Rahmen die Verbesserung der Dynamik optischer Freiraum-Verbindungen. Da die typische erreichbare Empfängerdynamik bei etwa 25 dB liegt, müssen neue Wege beschritten werden. Der in unseren Augen beste Weg stellt sich in adaptiver Mehrstrahltechnik dar, welche es ermöglicht, in Abhängigkeit von der Streckendämpfung mehr oder weniger Leistung abzustrahlen und somit bei schwierigen Witterungsbedingungen, unter denen einfache, d.h. mit Einstrahltechnik betriebene Systeme ausfallen, eine längere Signalübertragung aufrecht zu erhalten. Besonders sinnvoll erscheint diese Maßnahme vor allem bei Echtzeitübertragung, wo sich Fehlerbursts minimieren lassen und damit die Akzeptanz dieser Systeme außerhalb der herkömmlichen LAN-Kopplung zum Beispiel im SDH-Bereich steigen wird.

Natürlich werden auch zukünftig Einstrahlsysteme wie das MonoLink-System der GoC/Teleconnect GmbH eine große Rolle vor allem im Kurzstreckenbereich bis etwa 500 m spielen. Bei diesen Systemen kommt es dem Anwender im besonderen darauf an, investitionssichere und flexible Lösungen angeboten zu bekommen. Darum wurden auch hier neue Lösungsansätze gesucht und gefunden. Alle Systeme sind modular aufgebaut, d.h. durch tauschen entsprechender Steckkarten lässt sich sowohl Bandbreite als auch Dynamik flexibel und kundenspezifisch erhöhen. Das bedeutet, das sowohl Einstrahlsysteme der Serie MonoLink als auch Mehrstrahlsysteme der Serie MultiLink mit den jeweiligen Kundenbedürfnissen mitwachsen. Die Austauschbarkeit einzelner Karten des Gesamtsystems ermöglicht außerdem eine schnelle Serviceleistung des Technikers vor Ort, der langwierige Abbau und Austausch kompletter Systeme im Schadensfall entfällt, lange Unterbrechungszeiten können dadurch minimiert werden.

Ein besonderer Schwerpunkt wurde bei der Entwicklung auch auf den immer wieder vom Kunden gewünschten Aspekt der Managementfähigkeit optischer Freiraum-Übertragungssysteme in entsprechenden Netzwerken gelegt. Dabei wurde von uns ein neuer Weg beschritten:
Eine in der Outdoor-Unit integrierte Prozessor-Karte sammelt alle Daten der Übertragungsstrecke und schickt diese über eine optische V.24-Leitung zu einem entsprechenden Endgerät. Diese optische Schnittstelle (OMI-Optisches Management Interface) am Strahlungskopf hat den Vorteil, das vorhandene optische Fasern genutzt und teurer, längenabhängiger Kupferdraht nicht zusätzlich verlegt werden muss.

Im einfachsten Fall erfolgt nun die Anbindung dieser V.24 direkt an einen PC und realisiert über eine entsprechende Software eine Outband-Überwachung des Übertragungssystems. Dies Variante kommt vor allem da zu Einsatz, wo Sprachkanäle oder sonstige nicht TCP/IP unterstützte Daten übertragen werden.

Wird vom Anwender ein SNMP-Inband-Management z.B. unter HP-OpenView gewünscht, wird die beschriebene V.24 -Schnittstelle direkt auf eine im Haus GoC/Teleconnect entwickelten Proxy-Agent gegeben, der die Einbindung in die beim Kunden vorhandene Netzwerkumgebung (z.B. Ethernet, TokenRing) realisiert. Über einen Manager können nun alle Daten der Station abgefragt und statistisch erfasst werden.

Beide Varianten geben dem Anwender nun erstmals die Möglichkeit klare und dokumentierbare Aussagen über Streckensicherheit und Stabilität des Systems zu treffen und erfüllen somit die häufigsten vom Kunden gewünschten Anforderungen.

Selbstverständlich kann nun über diese Managementmöglichkeit auf einfachste Art und Weise ein Backup-Pfad geschaltet werden, denn die Information eines Ausfalls der Strecke vom Agent kann direkt verwendet und als Umschaltkriterium z.B. auf eine ISDN-Wählleitung genutzt werden.

5. Fazit

Aufgrund der langjährigen Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der optischen Freiraum-Übertragung konnte eine neue Generation drahtloser Übertragungssysteme im Infrarot-Bereich auf den Markt gebracht werden, die durch die beschriebenen Features dem Kunden breite Einsatzmöglichkeiten offen lässt und sicherlich dazu beitragen wird, die Akzeptanz solcher Systeme weiter zu erhöhen. Tatsache ist auch, das damit die Entwicklung keinesfalls abgeschlossen ist, sondern unser Bestreben auch weiterhin dahin gehen wird, möglichst viele sinnvolle Erweiterungsmöglichkeiten zu schaffen und diesem interessanten Teilbereich der Kommunikation neue Impulse zu geben.  

Literaturverzeichnis

[1] Kube, E.:
LAN-Kopplung über optische Freiraum-Übertragungssysteme - NET 49(1995), Heft 5, S. 15 ... 18  

[2] Taylor, J.H., Yates, H.W.:
Atmospheric transmission in the infrared - J.O.A.S. 47(1957), S. 223    

[3] Kube, E.: Nachrichtenübertragung mit Lichtstrahlen in der Atmosphäre
Nachrichtentechnik 19 (1969),H.6, S. 201 ... 207

Quelle: "taschenbuch der telekom praxis 1997"

  • von Dipl.- Wirts.-Ing. Ron Behr, Geschäftsführer der GoC mbH Dreieich
  • und Dr.-Ing. Erhard Kube, Projektleiter in der Teleconnect GmbH Dresden

Mit freundlicher Genehzmigung der GOC GmbH


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