Geschwindigkeitsrekord unter Realbedingungen

Forschung

11.2.2019

Erstmals ist es gelungen, in einem bestehenden Glasfasernetz Daten mit 500 Gigabit pro Sekunde über eine einzelne Wellenlänge zu übertragen. Möglich wurde die Rekord-Datenrate durch einen neuen Signalprozessor. Das Chip-Set nutzt ein Codierungsverfahren, das an der Technischen Universität München (TUM) erfunden wurde.

Glasfasern in Großaufnahme. — In einer einzelnen Faser eines Glasfaserkabels können Informationen auf mehr als hundert Kanälen übertragen werden.

Die neue Mobilfunkgeneration 5G soll nicht nur für schnelles mobiles Internet sorgen, sondern beispielsweise auch vernetzte Industrieroboter verlässlich kommunizieren lassen. Grundbedingung dafür sind Datennetze mit einer möglichst hohen Übertragungsrate. In einem städteübergreifenden Feldversuch zwischen München und Regensburg haben der Netzbetreiber M-Net und das Telekommunikationsunternehmen Nokia jetzt erstmals Daten mit 500 Gigabit pro Sekunde über eine einzelne Wellenlänge unter Realbedingungen durch ein Glasfaserkabel übertragen.

Glasfaserkabel bestehen aus tausenden Fasern. Durch jede einzelne werden Daten in Form von Lichtimpulsen im Infrarotbereich übertragen. Die Übertragungskapazität einer Faser ist auch deshalb so hoch, weil nicht das gesamte verwendete Lichtspektrum für ein einziges Signal genutzt wird. Jedes Signal nutzt jeweils nur eine bestimmte Wellenlänge, wodurch jede einzelne Faser noch einmal in mehr als 100 Kanäle aufgeteilt wird. Dadurch ergibt sich bei einer Datenrate von 500 Gigabit pro Sekunde je Wellenlänge eine Gesamtübertragungskapazität von mehr als 50 Terabit pro Sekunde. Nokia und M-Net geben an, auf kürzeren Strecken sogar 600 Gigabit pro Sekunde je Wellenlänge und eine Gesamtübertragungskapazität von 76,8 Terabit pro Sekunde zu erreichen.

Wahrscheinlichkeitsrechnung für optimale Übertragung

Auch in einem Glasfaserkabel sind solche Datenraten nur durch die richtige Übertragungstechnik zu erreichen. Hier kommt „Probabilistic Constellation Shaping“ (PCS), ins Spiel – ein Verfahren, das vor rund fünf Jahren an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TUM erfunden wurde. Dieses Verfahren nutzt Wahrscheinlichkeitsrechnung, um für jedes Signal das bestmögliche Verhältnis von Übertragungsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und benötigter Energie zu verwenden. Darüber hinaus beinhaltet es eine Fehlerkorrektur, durch die noch höhere Datenraten erreicht werden können.

Im Dezember 2015 wurden die drei Erfinder für ihren PCS-Algorithmus RateX mit einem der renommierten Bell Labs Preise ausgezeichnet. 2016 wurde in einem Feldversuch durch den Einsatz von PCS sogar eine Übertragungsrate von einem Terabit pro Sekunde und Wellenlänge erreicht. Für dieses Experiment kam allerdings ein spezielles Kabel mit besonders leitfähigen Glasfasern zum Einsatz. Beim aktuellen Feldversuch herrschten dagegen reale Bedingungen. Das Signal wurde über rund 320 Kilometer bestehende Glasfaserkabel übertragen. Als erster Netzbetreiber testete M-Net dabei einen Signalprozessor von Nokia, in dem PCS zum Einsatz kommt.

Schneller Transfer aus der Forschung in die Anwendung

„Es ist wirklich ungewöhnlich, dass ein Algorithmus schon nach rund fünf Jahren in Produkten verwendet wird“, sagt Gerhard Kramer, Professor für Nachrichtentechnik an der TUM, an dessen Lehrstuhl PCS erfunden wurde. „Ein Grund dafür ist sicher, dass sich mit PCS die Datenrate deutlich steigern lässt, ohne dass die Kabel selbst verändert werden müssten – es spricht aber auch für die außergewöhnliche Qualität des Algorithmus.“