Nokia, Telekom und TU München übertragen bei Feldversuch 1 Terabit/s

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Dazu wurden das Glasfasernetz der Deutschen Telekom, eine als Probalistic Constellation Shaping bezeichnete Modulationstechnik und der von Münchner Forschern entwickelte RateX-Algorithmus genutzt. Damit rückt der praktisch ereichbare Wert knapp an die theoretisch überhaupt mögliche maximale Rate der optischen Datenübertragung heran.

In einem gemeinsam durchgeführten Feldversuch haben die Nokia Bell Labs, die Deutsche Telekom T-Labs und die Technische Universität München einen Rekordwert bei der Übertragung von Daten über Glasfaser erzielt. Wie die Partner mitgeteilt haben, gelang ihnen dies mittels einer verbesserten Modulationstechnik. Damit wurde eine Netto-Übertragungsrate von 1 Terabit/s erreicht.

Dieser Wert liegt nur wenig unter dem als Shannon-Limit bezeichneten, theoretischen Höchstwert. Die nach dem Informatik-Pionier Claude Shannon benannte, und auch als Shannon-Hartley-Gesetz bezeichnete, maximale Bitrate für einen Übertragungskanal steht in Abhängigkeit von Bandbreite und Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Nokia Bell Labs (Grafik: Nokia)

Um die Möglichkeiten auszureizen, wurde eine als Probalistic Constellation Shaping (PCS) bezeichnete Modulationstechnik verwendet. Sie baut auf dem Format Quadrature Amplitude (QAM) auf und dient dazu, über einen definierten Kanal eine höhere Übertragungskapazität zu erreichen. PCS soll den Forschungspartnern zufolge künftig dazu beitragen, Flexibilität und Leistung von optischen Übertragungssystemen zu steigern, ohne die Komplexität optischer Netze zu erhöhen. Vereinfacht gesagt sorgt PCS dafür, dass der Technologie inhärente Störungen bei der Datenübertragung deutlich reduziert werden, indem bevorzugt weniger störanfällige Signale gesendet werden.

Laut Gerhard Kramer, Professor an der Technischen Universität in München, ermöglicht Probabilistic Constellation Shaping “eine schnellere Übertragung von Daten über längere Strecken mit einer bislang ungekannten Flexibilität. Die enge Zusammenarbeit mit Nokia Bell Labs, welche die Technik weiter entwickelten, und den Deutschen Telekom T-Labs, die sie unter echten Bedingungen getestet haben, bestätigt unsere Arbeit.”

“Künftige optische Netze werden nicht nur deutlich höhere Übertragungsraten bieten, sondern auch dynamisch auf Kanalkonditionen und die Anforderungen des Datenverkehrs reagieren müssen“, ergänzt Markus Weldon, Präsident der Nokia Bell Labs & CTO von Nokia. “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.”

Nicht der erste, aber offenbar der praxistauglichste Versuch

Bereits im Juli 2012 hatte der chinesische Telekommunikationsanbieter ZTE ebenfalls in einem Feldversuch in Deutschland Übertragungsraten von 1 TBit/s erreicht. Das gelang zusammen mit einem nicht genannten, “großen Netzbetreiber” allerdings in einem Versuchsnetz, das acht Städte in Deutschland verbindet. Der aktuelle Test wurde dagegen unter “Realweltbedingungen” durchgeführt.

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

Außerdem verfolgt ZTE einen anderen Ansatz, um die Leistung an das Shannon-Limit anzunähern. Genaueres dazu hatte das Unternehmen nicht mitgeteilt. Es erklärte lediglich: “In weiteren Experimenten wurde der Kompromiss zwischen der Spektrumeffizienz und der Übertragungsdistanz in 1-Terabitkanälen untersucht, um die Möglichkeiten einer dynamischen Spektrumzuteilung in vorhandenen optischen Infrastrukturen zu ermitteln.” Im Feldtest von Nokia, Telekom und TU München scheinen – auf einem anderen Weg – diese “Möglichkeiten einer dynamischen Spektrumzuteilung” nun geschafft zu sein.

Denn mit PCS lassen sich mehr Daten über eine gegebene Distanz übertragen oder derselbe Datendurchsatz über eine längere Strecke realisieren. Im Gegensatz zu früheren Versuchen werden nach Auskunft eines Nokia-Experten gegenüber silicon.de nicht einfach mehr Übertragungskanäle verwendet, sondern wird “die spektrale Effizienz einer Wellenlänge deutlich erhöht”. Das sei wichtig, weil sich Kernnetze ihren physischen Grenzen nähern. Um die Kosten im Griff zu behalten, kann daher – stark vereinfacht gesagt – nicht nur die Datenautobahn verbreitert werden, sondern muss ein effizientes Verkehrsleitsystem her.

Glasfaser ist erst der Anfang

Der jetzt vorgestellte Ansatz überzeugt außerdem wohl durch seine Einfachheit. Die ist auf die RateX-Methode zurückzuführen, für die die Münchner Forscher Fabian Steiner, Georg Böcherer und Patrick Schulte im vergangenen Jahr einen Bell-Labs-Preis erhalten haben. Damit wurde ihre Leistung ausgezeichnet, die Lücke zwischen theoretisch möglichem und praktisch machbaren zu überbrücken – und dies nicht nur in Bezug auf Glasfaser, sondern über alle Kommunikationssysteme hinweg.

Laut Professor Gerhard Kramer, Inhaber des Lehrstuhls für Nachrichtentechnik an der TU München, erzeugt RateX “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.” Zusätzlich könnte der RateX-Algorithmus mit einem Chip gleich mehrere Komponenten ersetzen, die heute in verschiedenen Kommunikationssystemen verwendet werden. Möglich wäre das nach Ansicht von Professor Kramer innerhalb von “zehn bis fünzehn Jahren”. Da sich RateX einfach an den jeweiligen Kanal anpasst, könnte es sowohl für drahtlose Kurzstrecken-Verbindungen im Internet der Dinge als auch für Glasfaserleitungen im Backbone zum eisnatz kommen.

Laut Mitentwickler Georg Böcherer wird die Vereinfachung durch RateX durch die Einführung einer zusätzlichen Komponente erreicht: Der sogenannte “Distribution Matcher” wandelt ihm zufolge “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 mit einem neuartigen Ansatz für die Kombination von Fehlerkorrektur und Modulation (dem Probalistic Constellation Shaping) rücken die praktisch erreichbaren Übertragungsraten so an die theoretisch vorgegebenen Obergrenzen heran.

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