Freie Fahrt auf der Datenautobahn

Forschung Kompakt / 2.12.2013

Unsere Kommunikationsnetze müssen immer größere Datenmengen verarbeiten und stoßen damit zunehmend an ihre Grenzen. Forscher haben ein Testgerät entwickelt, mit dem sich neue, effiziente Übertragungsformate schnell und unkompliziert testen lassen.

© Foto Fraunhofer HHI

Der Arbitrary Waveform Generator des HHI testet mit 70 Milliarden Abtastwerten pro Sekunde neue Übertragungsformate schnell und unkompliziert.

Auf unseren Datenautobahnen wird es immer voller: 4,3 Mrd Gigabyte schickten die Deutschen 2012 laut Bundesnetz- agentur via Breitband durch das virtuelle Verkehrsnetz. Rund 140 Mio Gigabyte wurden zusätzlich über die Mobilfunknetze übertragen. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an die Über- tragungsqualität und -schnelligkeit. Vor allem durch daten- intensive Anwendungen wie etwa Multimedia-Inhalte sind heutige Kommunikationsnetze oft bis an ihre Kapazitäts- grenzen ausgelastet – es drohen Staus auf der Daten- autobahn. Nur eine verbesserte Infrastruktur wird künftig in der Lage sein, die steigende Flut an Bits und Bytes schnell und zuverlässig zu transportieren. Doch wie im »realen« Verkehr kann man nicht einfach neue Straßen bauen. »Das verfügbare Funkfrequenz- spektrum ist vielerorts schon weitgehend ausgeschöpft. Das bedeutet, wir müssen die vorhandenen Frequenzen effizienter nutzen«, erklärt Dr. Klaus-Dieter Langer vom Fraun- hofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin. Gleiches gilt für das Festnetz: Vorhandene Kapazitäten mit modernster Technik auszuschöpfen ist oft günstiger als das Verlegen neuer Leitungen.

Langer und sein Team arbeiten deshalb daran, mehr Information in weniger Bandbreite zu übertragen. Dabei erproben die Berliner Forscher für die Übertragungstechnik bei Glas- fasern neue Modulationsformate. Das sind Methoden, um möglichst viele Bits in einer Frequenzeinheit unterzubringen. Das einfachste Modulationsformat besteht aus einer Abfolge der Werte 0 und 1, was durch Ein- und Ausschalten des Übertragungssignals erreicht wird. Die Forscher fügen in ihren Konzepten beispielsweise noch mehrere Zwischenwerte ein, um eine höhere Bitrate zu erreichen. »Gerade komplexe Modulations- formate erscheinen in der Theorie oft recht vielversprechend, zeigen aber dann im Versuch unerwartete Effekte«, sagt Langer. Um neue Übertragungstechniken auf ihre Praxistaug- lichkeit zu testen, nutzt man üblicherweise Signalgeneratoren, wie sie auch in der Schaltungsentwicklung zum Einsatz kommen. Ausgefeiltere Versionen – »Arbitrary Wave- form Generatoren«, kurz AWG – sind in der Lage, beliebige Signalfolgen zu kreieren. Ein derartiges Werkzeug kann Forschern und Entwicklern die Arbeit erheblich erleichtern. »Sonst müsste man für die benötigten Signale spezifische Schaltungen konstruieren. Das wäre gerade bei komplizierten Signalformen aber viel zu aufwändig«, erklärt Langer.

Weltweit schnellstes Analysegerät zum Test von Übertragungstechniken

Das Berliner Institut hat den derzeit schnellsten AWG weltweit entwickelt. Bei 70 GSa/s – 70 Milliarden Abtastwerten pro Sekunde – lassen sich beliebige Szenarien mit sehr hohen Datenraten und Signalfrequenzen unkompliziert und schnell durchspielen. Grundlage sind zwei Digital-Analog-Wandler mit jeweils 35 GSa/s und der höchsten auf dem Markt erhält- lichen Bandbreite. Ursprünglich hatten die HHI-Forscher ein Vorläufergerät für den Eigen- bedarf entwickelt – auf Grund des hohen Interesses steht die Technologie mittlerweile aber auch Kunden des Instituts offen. Mit dem High-End-AWG lassen sich auch bestehende Übertragungsverfahren verbessern: »Wir können beispielsweise das Signal gezielt ver- schlechtern und damit herausfinden, wie tolerant die Übertragung gegenüber Signal- schwankungen ist und wo es Schwachstellen gibt«, so Langer.

Die Erkenntnisse tragen dazu bei, die Übertragungstechniken für bestehende Breitband- und Funknetze zu verbessern und so die steigende Datenflut bewältigen zu können. »Dabei spielt die Schnelligkeit und die Energieeffizienz eine Rolle – zum Beispiel bei großen Datencentern, wie von Google«, so Langer. Aber auch für die Weiterentwicklung von End- geräten steigt der Bedarf an hocheffizienten Übertragungsverfahren – sie bilden die Grund- lage für schnellere Computer und kleinere, leistungsfähigere Geräte.