Optische Freiraumübertragung 1

27.11.2002
Einführung in Funktionsweise und Anwendungen

Die Übertragung optischer Signale durch den freien Raum eröffnet in Hochgeschwindigkeits-LANs neue Möglichkeiten zur Kopplung von Netzsegmenten ohne die Verlegung von Kabeln.

Insbesondere im Entfernungsbereich bis etwa 2 km hat hat sich diese Technik in Ergänzung zur Lichtwellenleiter-Übertragung bewährt.

Optische Informationsübertragung

Für die Fortschritte in der Geschichte der drahtlosen Übertragungstechnik ist die Nutzung immer höherer Trägerfrequenzen charakteristisch. Beginnend mit den Langwellensendungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte die Entwicklung über die Mittel- und Kurzwelle zur Nutzung höherer Frequenzen bis in den cm-Wellenbereich für die Richtfunk- und Radartechnik. Ebenso stieg der Bandbreitebedarf für die zu übermittelnden Dienste. War es anfangs nur die weltumspannende drahtlose Telegrafie, so folgten Tonrundfunk- und Fernsehübertragungen mit ihren um Größenordnungen höheren Anforderungen an die Bandbreite. Diese neuen Bedingungen konnten durch die Entwicklung von Funksystemen mit immer höherer Trägerfrequenz erfüllt werden.

Der kontinuierlichen Weiterentwicklung waren jedoch Grenzen gesetzt. Die Erzeugung kohärenter Schwingungen im mm- und sub-mm-Wellenbereich (1 mm Wellenlänge entspricht einer Frequenz von 300 GHz) mit konventionellen Halbleitertechniken stößt an physikalische Grenzen, und die Ausbreitung dieser höchstfrequenten Wellen ist zunehmend durch molekulare Absorption und Streuung in den Bestandteilen der erdnahen Schichten der Atmosphäre behindert.

Fast unerwartet tat sich mit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960, einer kohärenten Strahlungsquelle im Lichtwellenbereich, ein neues Fenster für die Kommunikation sowohl für drahtlose als auch für leitungsgebundene Anwendungen auf. In der Folgezeit wurde bestätigt, das sich im optischen Wellenlängenbereich alle gegenwärtig denkbaren Forderungen an die Breitband-Übertragungstechnik erfüllen lassen. Hier werden quantenelektronische Prozesse genutzt, um Sende- und Empfangsbauelemente zu realisieren.

Die Nutzung des Lichtwellenbereichs für die Informationsübertragung ist gar nicht so neu. Mit dem Auge besitzt der Mensch einen außerordentlich empfindlichen Empfänger für Bildsignale der Umwelt mit einer Auflösung, für die bei der konventionellen seriellen Fernsehübertragung über 10 MHz Übertragungsbandbreite erforderlich sind. Aber auch die "codierte" optische Freiraumübertragung vom Feuerzeichen des Altertums bis zum Flügeltelegraphen des vorigen Jahrhunderts, bei der immer das Auge als Empfänger diente, hat eine lange Traditionslinie.

Hier wollen wir jedoch unter optischer Informationsübertragung eine vereinfachtes Grundprinzip verstehen, das den inzwischen erreichten hohen Stand der elektronischen digitalen Übertragungstechnik mit einbezieht.

Das Signal liegt auf der Sendeseite bereits in digitalisierter Form als elektrische Impulsfolge vor. Der optische Sender wandelt dieses Signal in eine Folge von Lichtimpulsen um und strahlt diese über eine Optik zur Strahlbündelung in Richtung zum Empfangsort ab. Von der Empfangsoptik auf der Gegenstelle wird die Strahlung auf den optoelektronischen Empfangswandler fokussiert und dort wieder in ein elektrisches Impulssignal umgesetzt. Zwischen Sender und Empfänger muss eine Sichtverbindung bestehen. Das ist eine wesentliche Voraussetzung für alle "drahtlosen" optischen Übertragungsverfahren, sieht man von einer Übertragung über kürzeste Entfernungen mit diffuser Strahlung innerhalb von Räumen ab. Das Prinzip der optischen Freiraumübertragung mit optoelektronischen Signalwandlungen beim Sender und Empfänger zeigt Bild 1.

Bild 1 Prinzip der optischen Freiraumübertragung

Bild 1 Prinzip der optischen Freiraumübertragung

Die "drahtgebundene" optische Übertragungstechnik mit Lichtwellenleitern, die in den letzten 20 Jahren vor allem die Weitverkehrstechnik revolutioniert hat, soll hier nicht weiter behandelt werden. Natürlich haben die Fortschritte, die vor allem im Bereich der optoelektronischen Wandlerbauelemente erzielt wurden, auch die optische Freiraumtechnik wesentlich mit gefördert.

Im folgenden soll der Aufbau von Systemen zur optischen Freiraumübertragung genauer erläutert werden. Von der Wahl der Wellenlänge über die Eigenschaften der Atmosphäre führt der Weg über die Sende- und Empfangsbaugruppen bis zum praktischen Einsatz von Übertragungssystemen.

Wahl der Wellenlänge

Für die Nutzung eines bestimmten optischen Wellenbereichs für die Freiraum-Übertragung müssen 3 wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein:

  1. Es müssen Strahlungsquellen zur Verfügung stehen, die mit hohem Wirkungsgrad einen mit dem Signal modulierten elektrischen Strom in optische Strahlung umsetzen können. Nach Möglichkeit soll eine schnelle Modulierbarkeit gegeben sein. Eine hohe Strahlungsdichte ist für die Erzielung einer hohen Richtwirkung von Vorteil
  2. Die Atmosphäre muss für den gewählten Bereich durchlässig sein.
  3. Es müssen Empfänger verfügbar sein, die mit hohem Wirkungsgrad breitbandig modulierte optische Strahlung in den elektrischen Bereich rückwandeln können.

Bei diesen Erfordernissen erweist sich der nahe infrarote Bereich mit Wellenlängen um 850 nm als besonders günstig. Hier stehen relativ preisgünstige Halbleiterlaser- und Lumineszenzdioden auf der Basis von GaAlAs-Mischkristallen zur Verfügung. Ihre Modulierbarkeit ist bis in den Gbps Bereich bei Laserdioden und bis zu mehreren hundert Mbps bei LEDs gegeben. Die Atmosphäre ist gut durchlässig bezüglich molekularer Absorption. Mit Si-Fotodioden stehen optoelektronische Empfänger mit einem Quantenwirkungsgrad nahe 100% als PIN- oder Avalanchefotodioden (mit innerem Verstärkungseffekt) zur Verfügung. Weiterhin hat die Wahl des nahen Infrarot den Vorteil, das viele optische Bauelemente wie Filter und Linsen direkt aus dem Angebot für die konventionelle Optik übernommen werden können und somit relativ preisgünstig zu haben sind. In besonderen Fällen, so z.B. bei Wellenlängenmultiplex-Anwendungen können auch Wellenlängen um 1300 nm eingesetzt werden. Die Ausbreitungsverhältnisse sind hier sogar günstiger, jedoch sind die in diesem Bereich zur Verfügung stehenden Bauelemente für die Freiraumübertragung weniger gut geeignet.

Nach der Wahl des optimalen Wellenlängenbereichs sollen die Bestandteile der Freiraumübertragungsstrecke im einzelnen betrachtet werden.

Die Atmosphäre als optisches Übertragungsmedium

Die Atmosphäre ist bei den bisher in der Funktechnik genutzten Wellenlängen ein relativ sicheres Übertragungsmedium. Allerdings muß bei der Richtfunktechnik schon die quasioptische Ausbreitung und bei cm- Wellen die zunehmende Dämpfung durch Regen berücksichtigt werden. Kritischer ist die Situation im optischen Bereich. Es ist eine alltägliche Erfahrung, das insbesondere Nebel und dichter Schneefall die Sichtweite extrem behindern können. Die an den Wetterstationen bestimmte meteorologische Sichtweite ist auch ein Maß für die Dämpfung im nahen infraroten Wellenlängenbereich . Dafür liegen jahrzehntelang geführte Häufigkeitsstatistiken vor, so das ein recht guter Überblick zum Dämpfungsverhalten in der Atmosphäre gegeben ist. Schon vor längerer Zeit wurden Untersuchungen zum Vergleich der durch die Sichtweite bestimmten Dämpfung zur gemessenen Dämpfung im infraroten Bereich durchgeführt, und damit konnten die umfangreichen Sichtweitestatistiken auch für eine Prognose der Dämpfung im nahen infraroten Bereich genutzt werden. In Bild 2 sind Jahresmittelwerte für die Unterschreitunghäufigkeit der Dämpfung für den Raum Dresden wiedergegeben [1].

Bild 2 Prognose der relativer Unterschreitungshäufigkeit der Dämpfung bei 900 nm Wellenlänge im Raum Dresden

Bild 2 Prognose der relativer Unterschreitungshäufigkeit der Dämpfung bei 900 nm Wellenlänge im Raum Dresden

Die Dämpfung optischer Signale in der Atmosphäre ist neben den langsamen Änderungen durch Nebel, Regen und Schnee auch relativ schnellen Schwankungen durch Luftturbulenzen ausgesetzt. Diese Turbulenzen werden durch Fluktuationen des Brechungsindex der Luft verursacht und 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 in 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 oder auch durch wenig störungsempfindlichen Modulationsverfahren können diese Schwankungen weitgehend ausgeglichen werden.

Sender und Strahlbündelung

Der Sender hat die Aufgabe, das in elektrischer Form vorliegende Digitalsignal inden optischen Bereich zu transformieren und geeignet abzustrahlen.

Von den verfügbaren Strahlungsquellen sind es vor allem GaAlAs Lumineszenz- und Laserdioden, die den Anforderungen nach hohem Wirkungsgrad, hoher Strahldichte und einer Modulationsfähigkeit bis in den GHz-Bereich weitgehend gerecht werden. Mit dem elektrischen Digitalsignal wird entweder die Strahlungsintensität direkt gesteuert, oder es wird ein hochfrequenter Zwischenträger in der Phase oder Frequenz digital moduliert. Die direkte Phasenmodulation der optischen Welle bei Laserdioden ist bei der Ausbreitung durch die Atmosphäre im betrachteten Wellenlängenbereich nicht sinnvoll, da die Kohärenz durch Beeinflussungen in der Atmosphäre zumindest teilweise zerstört wird.

Mit Lumineszenzdioden wird in einem durch entsprechende Dotierung eng begrenztem Halbleitergebiet eine hohe Strahlungsdichte generiert. Diese infrarote Punktquelle mit z.B. 100 ?m Durchmesser und einer Strahldichte von 10 W/cm2 wird dann mit der Sendeoptik in die Empfängerebene abgebildet. Der Strahldivergenzwinkel kann durch Wahl der Brennweite der Sendeoptik in weiten Grenzen variiert werden. Energetisch günstig ist natürlich ein schmaler Winkel, damit möglichst viel von der ausgesendeten Sendestrahlung auf den Empfänger konzentriert wird. Da man jedoch davon ausgehen muss, daß der Aufstellungsort des Senders gewissen Schwankungen ausgesetzt ist, sollten bei Systemen ohne eine aufwendige automatische Strahlnachführung Divergenzwinkel unter 2 mrad (0,1 Grad) vermieden werden. LEDs strahlen inkohärent mit einer spektralen Bandbreite, die etwa 3% der optischen Mittenfrequenz beträgt.

Mit Laserdioden kann bei verbessertem Wirkungsgrad eine höhere Leistungsdichte erzielt werden (Faktor >10 gegenüber LEDs). Sie werden deshalb vor allem in Systemen für größere Reichweiten eingesetzt. Ansonsten sind Laser mit hoher Kohärenz eher ungünstig für die Freiraumübertragung, da Auslöschungseffekte durch Interferenzen sich nachteilig auf den Störabstand auswirken können. Außerdem treten bei kleinen Strahldurchmessern in Sendernähe Strahlungsdichten auf , die bei direktem Blick in die Sendeoptik Augenschädigungen hervorrufen können. Es sind in diesen Fällen besondere Schutzmaßnahmen vorgeschrieben.

Neben diesen konventionellen kantenemittierenden Laserdioden stehen seit kurzem auch oberflächenemittierende Laserdioden zur Verfügung. Bei einem mittleren Leistungsniveau von einigen mW zeichnen sie sich durch Modulierbarkeit bis in den GHz-Bereich und durch geringe Kohärenz aus. Damit sind diese Strahlungsquellen auch für die Freiraum-Übertragung besonders gut geeignet.

Empfänger

Der Empfänger bündelt mit seiner Empfangsoptik die Signalstrahlung auf den optoelektronischen Wandler. Es besteht die Forderung, mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad die optische Strahlung zu demodulieren und ein elektrisches Empfangssignal mit geringer Bitfehlerhäufigkeit zu erhalten. Als Wandler können in dem ausgewählten Wellenlängenbereich Si - Fotodioden mit oder ohne innerem Verstärkungseffekt eingesetzt werden. Nach der elektronischen Signalaufbereitung in Regel- und Begrenzerverstärkern und einer evt. erforderlichen Demodulation des Zwischenträgers steht das digitale Signal wieder zur Weiterleitung zur Verfügung.

Zwei Besonderheiten des optischen Freiraumempfangs sollen noch erwähnt werden.

Durch die Hintergrundstrahlung (Tageslicht, Licht von Beleuchtungseinrichtungen) wird ein Störsignal im Empfänger erzeugt, das die Grenzempfindlichkeit herabsetzt. Es gibt zwei Wege, den Einfluß der Hintergrundstrahlung zu minimieren.

  • Einsatz eines optisches Bandpassfilters für das Nutzsignal und damit Ausblendung der Hintergrundstrahlung
  • Minimierung des Empfangswinkels durch entsprechende Wahl von Demodulatorfläche und Brennweite

Die durch Turbulenzen erzeugte Stör-Intensitätsmodulation der Strahlung mit einem Spektrum bis etwa 1 kHz kann auf der Sendeseite durch einen großen Strahlquerschnitt und auf der Empfangsseite durch eine große Empfangsfläche verringert werden. Die restliche Störmodulation wird durch Filterung des demodulierten elektrischen Signals, ein automatische Verstärkungsregelung und Begrenzung des Digitalsignals weitgehend eliminiert.

Anwendungen

Die ersten optischen Freiraum-Übertragungssysteme wurden als "Lichtsprechgeräte" serienmäßig im zweiten Weltkrieg mit mechanisch modulierten Glühlampenstrahlern als Sender und Photowiderständen als Empfänger hergestellt. Nach der Erfindung des Lasers begann dann in den 60er Jahren weltweit eine rege Forschungstätigkeit zur Nutzung des optischen Wellenlängenbereichs für die breitbandige Informationsübertragung. Zunächst war man ausschließlich auf die Atmosphäre als Übertragungsmedium angewiesen, und die grundlegenden Arbeiten zur Freiraumübertragung stammen aus dieser Zeit. Nachdem sich in den Folgejahren das Glasfaserkabel als außerordentlich dämpfungsarmes und breitbandiges Übertragungsmedium bewährt hatte, wurde die Hauptentwicklungsrichtung auf die Kabelübertragung mit Lichtwellenleitern gelenkt, und heute können alle denkbaren Anforderungen der drahtgebundenen Breitband-Übertragungstechnik mit der LWL-Systemem erfüllt werden.

Besonders in lokalen Netzen gibt es jedoch immer wieder Anforderungen, einzelne Segmente mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit drahtlos zu verbinden, wenn eine Kabelübertragung aus baulichen Gründen ausscheidet. Hier bietet sich der Einsatz der optischen Freiraumübertragung im Entfernungsbereich bis etwa 3 km an. Von besonderem Vorteil ist, das im optischen Wellenlängenbereich keine gegenseitigen Beeinflussungen zu befürchten sind, und es deshalb keine Zulassungsprobleme für den Betrieb der Anlagen gibt.

Optische Freiraum-Übertragungssysteme (vielfach auch Optische Richtfunksysteme genannt) werden heute von einer Reihe Firmen in Europa und Übersee hergestellt. Die Angebotspalette recht vom einfachen LED-System mit 200 m Reichweite bis zum Lasersystem mit einer propagierten Reichwerte bis zu 5 km. Die Übertragungsgeschwindigkeiten liegen im Bereich 10 Mbps ... 155 Mbps.

Bei den von der Teleconnect GmbH entwickelten optischen Freiraumsystemen wird die LWL-Übertragung mit der Übertragung in der freien Atmosphäre kombiniert [2]. Der Ausgangspunkt ist, das die Signale an optischen LWL-Schnittstellen zur Verfügung stehen. Im Prinzip kann die aus dem Sende-LWL austretende modulierte Strahlung direkt über die Sendeoptik, die Atmosphäre und die Empfangsoptik in den Empfangs-LWL eingekoppelt werden. In der Regel sind jedoch zum Dämpfungsausgleich sowie zur Wellenlängen- und Querschnittsanpassung optolektronische Zwischenverstärker erforderlich. Diese Zwischenverstärker haben LWL-Schnittstellen an den Ein- und Ausgängen und sind transparent in einem weitem Bitratenbereich (z.B. 1 Mbps ... 32 Mbps bzw. 20 Mbps ... 160 Mbps). Sie können somit vielfältigen Anforderungen in digitalen Übertragungsnetzen, so z.B. in Ethernet, Token-Ring, FDDI oder ATM Anwendungen, entsprechen. Durch die konstruktive Trennung der Optikeinheit (optische Antenne) von den Verstärkereinheiten ist ein modularer Systemaufbau für unterschiedliche Bandbreiten und Reichweiten einfach möglich. Der Betriebszustand des optischen Übertragungssystems wird überwacht und die entsprechenden Informationen stehen dem Netzwerkmanagement über eine separate LWL-Verbindung zur Verfügung. Das Aufbauprinzip der Teleconnect Freiraumübertragungssysteme zeigt Bild 3.

Bild 3 Prinzipieller Aufbau eines Teleconnect Freiraumübertragungssystems

Bild 3 Prinzipieller Aufbau eines Teleconnect Freiraumübertragungssystems

Zur Verbesserung der Übertragungssicherheit insbesondere bei größeren Streckenlängen wurde neben der Grundversion nach Bild 3 mit einer Sende/Empfangseinheit (MonoLink) eine Mehrstrahlversion (MultiLink)entwickelt. Der Multilink-Strahlungskopf enthält in einer Matrix-Anordnung 4 Sende- und 4 Empfangsoptiken, die über LWL-Koppelstellen in Verbindung mit optoelektronischen Verstärkern für die im folgenden aufgeführten Anwendungsbereiche konfiguriert werden können:

  • 4 Strahl - Raummultiplexsystem

Über alle Strahlen wird die gleiche Information übertragen. Die durch Turbulenzen hervorgerufenen Intensitätsschwankungen des Signals sind in den 4 Empfangskanälen nicht korreliert, so das neben einer Erhöhung der mittleren Empfangsleistung eine Echtzeit-Mittelung während der optischen Impulsdauer erfolgt. Das Ergebnis ist eine Verringerung der Bitfehlerhäufigkeit insbesondere bei einer Echtzeitübertragung ohne Fehlerkorrekturmöglichkeit.

  • System mit automatischer Leistungsanpassung

Mit einem Pilotstrahl wird eine Dämpfungsmessung der Atmosphäre durchgeführt und je nach Erfordernis die Signal-Sendeleistung z.B. durch Umschaltung vom LED- auf Laserstrahlung den Erfordernissen angepasst. Der Schwundreserve und damit die Übertragungssicherheit wird so wesentlich verbessert.

  • Wellenlängenmultiplexsystem

Für die einzelnen Kanäle werden Sender mit unterschiedlicher Wellenlänge eingesetzt und auf der Empfangsseite erfolgt die Selektion mit optische Bandpassfiltern. Das ist besonders für die Fälle interessant, wo mehrere asynchrone Signale auf einer Strecke übertragen werden sollen, ohne komplizierte Zeitmultiplexsysteme mit Mehrfachabtastung und Taktanpassungen zu realisieren.

Die Sicherheit der Freiraumübertragung hängt von den Geräteparametern, der Streckenlänge und natürlich von den örtlichen klimatischen Gegebenheiten ab. So liegen z.B. im Stadtgebiet in der Regel günstigere Bedingungen vor als in einer Wiesenlandschaft. Als Beispiel ist in Bild 4 die erforderliche Systemreserve für eine bestimmte Übertragungssicherheit in Abhängigkeit von der Streckenlänge für den Raum Dresden dargestellt.

 

Bild 4 Erforderliche Systemreserve für eine bestimmte Übertragungssicherheit im Raum Dresden

Bild 4 Erforderliche Systemreserve für eine bestimmte Übertragungssicherheit im Raum Dresden

Bild 5 Installation eines MultiLink - Übertragungssystems der GoC Dabei kann z.B. bei einer Schwundreserve von 40 dB auf einer 500 m Strecke während des ganzen Sommers kein einziger witterungsbedingter Ausfall auftreten, einige dichte Nebellagen und starke Schneefälle im Winterhalbjahr aber zu einer ganzjährig gemittelten Übertragungssicherheit von nur 99% führen. Aber die Praxis hat gezeigt, das die Freiraumstrecke in den meisten Fällen für die Übertragungssicherheit im Netz gar keinen bestimmenden Einfluss hat, sondern hier andere Einflussgrößen des Netzbetriebs maßgeblich sind. In besonders sensiblen Anwendungsfällen ist außerdem eine Ersatzschaltung über das Kabelnetz in Erwägung zu ziehen, die dann aber in der Regel die Übertragungsgeschwindigkeit durch die Schmalbandigkeit der Kabelverbindung kurzzeitig herabsetzt.

Bild 5 zeigt die Installation eines MultiLink - System, das in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für optische Communication GmbH (GoC) entwickelt wurde, auf dem Dach eines Hochhauses.

Literatur
[1] Kube,E.: Nachrichtenübertragung mit Lichtstrahlen in der Atmosphäre. Nachrichtentechnik 19 (1969), H.6, S.201-207
[2] Kube,E.: LAN-Kopplung über optische Freiraum-Übertragungssysteme. NET 49 (1995), H.5, S. 15-18 
 

Bild 5 Installation eines MultiLink - Übertragungssystems der GoC  

Quelle: IK Ingenieur der Kommunikationstechnik 1/97
Author: Dr.-Ing. Erhard Kube, Projektleiter in der Teleconnect GmbH Dresden

Mit freundlicher Genehmigung der GOC GmbH

 

 


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