Kurz vor dem Shannon-Limit

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 lässt sich die Leistungs­fähigkeit der Glasfaser­netze erhöhen, um dem weltweit wachsenden Daten­verkehr auch zukünftig gerecht werden zu können. In einem Feldversuch haben die Forscher gezeigt, wie sich die Flexibilität und Leistungs­fähigkeit von Glasfaser­netzen maximieren lassen, 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 konnten die Forscher über das Glasfasernetz der Deutschen Telekom eine Netto-Übertragungs­rate von einem Terabit in einem engen Wellenlängen­band erreichen.

Das ist nahe der theoretisch maximalen Rate der Informations­übertragung des optischen Kanals, die durch das sogenannte Shannon-Limit einer Glasfaser definiert ist. 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“.

Der Feldtest nutzte 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 – 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 man die Übertragungs­rate für den jeweiligen Übertragungs­kanal optimieren und die Reichweite wird um bis zu dreißig Prozent erhöhen. Diese Forschungs­arbeiten stellen einen wichtigen Meilenstein dar, um zu überprüfen, ob sich PCS einsetzen lässt, um die Leistungsfähigkeit von optischen Kommunikations­techniken in Zukunft noch zu erhöhen.

Die optische Glasfasertechnologie wurde vor fünfzig 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.

„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 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.“

TUM / DE