Optische Freiraumübertragung
Außer der Richtfunktechnik, die es ermöglicht mittel elektromagnetischen
Wellen, respektive Mikrowellen, Informationen zu übertragen ist in letzter Zeit eine
Methode der Datenübermittlung entstanden die zur bekannten Funktechnik parallelen
aufweist: Die Technik der optischen Freiraumübertragung.
Heutige Systeme im Bereich der Lichtwellenleitertechnik ermöglichen
Übertragungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von mehreren Gigabit pro Sekunde
(vergleiche WDM & DWDM-Technik). Im optischen Frequenzbereich können gegenwärtig
alle Forderungen an die Breitbandübertragungstechnik erfüllt werden. Wo immer heute
große Datenmenge schnell transportiert werden müssen ist die Technik der
Informationsübermittlung mittels Laser nicht mehr wegzudenken.
Wo im Bereich des Richtfunks mittels Trägerfrequenzen Daten im
Gigahertzbereich durch
den freien Raum übermittelt werden ist dies auch durch Licht als Träger möglich. Die
Übertragung durch den freien Raum ist also ebenfalls optisch zu bewerkstelligen. Der
wesentliche Vorteil der optischen Freiraumübertragung besteht darin, daß die Frequenzen
aufgrund der Höhe der Trägerfrequenz, im Gegenteil zur Richtfunktechnik, sozusagen
unbegrenzt zur Verfügung stehen. Allerdings gelten für die optische Freiraumübertragung
ähnliche Gesetze wie für die Funkübertragung.
Die wesentlichen Problematiken bestehen in der Behinderung des Lichtes durch die
Atmosphäre, welche die Datenübermittlung bei derartigen optischen Systemen noch stärker
behindert als wir dies vom Gebiet des Richtfunks her kennen. Es zählen hier vor allem
fünf Faktoren:
- Intensitätsmodulation des Lichtstrahls durch Turbulenzen
- Streuung an den Molekülen von diversen Gasen und Aerosolen
- Schnee, Regen, Dunst u.s.w.
- Ablenkung beziehungsweise Auslenkung des optischen Strahls durch den
Brechungsindexgradient der Luft respektive der Atmosphäre
- Unterbrechung des Strahls durch nicht oder nur schwer kalkulierbare Faktoren wie
Vogelflug oder ähnliche bewegliche Hindernisse
Die obengenannten Faktoren sind absolut Naturgegeben und es ist Grundsätzlich nicht
möglich diese zu vermeiden. Für die geometrische Grunddämpfung des Signals ist die
Strahldivergenz und die Empfangsfläche wesentlich. Weiterhin müssen bei der Aufstellung
und Positionierung Schwankungen des Senders und Empfängers unter Windlast berücksichtigt
werden.
In Abhängigkeit der Streckenlänge ergeben sich bei 'normaldimensionierten' Systemen
etwa folgende Grunddämpfungen:
| Streckenlänge |
Dämpfung |
| 50m |
8 dB |
| 100m |
15dB |
| 200m |
20dB |
| 400m |
25dB |
| 800m |
32 dB |
| 1600m |
38-39dB |
Bei kurzen Übertragungsstrecken bis zu einigen 100 Metern besteht
bei geeigneten Einstrahlgeräten eine Übertragungssicherheit die im Jahresdurchschnitt
etwa bei 99% liegt. Diese Sicherheit reicht für Übertragungen von speichergestützten
Informationen völlig aus. Eher ungeeignet sind diese Systeme bei der Übertragung von
Informationen wie Sprache und Bildern bei denen sich ein Zeitversatz direkt auf die
Qualität auswirken würde. Große Bedeutung hat die optische Freiraumübertragung schon
heute durch den Datenaustausch zwischen Rechnern mit Sendern im Infrarotbereich erlangt.
Das Prinzip der Übertragung ist eine Kombination der Lichtwellenleitertechnik und der
Funkübertragung durch den freien Raum.
Das digital in seiner Intensität modulierte optische Signal wird der Sendeoptik
zugeführt. Die Trennung der Optik von der Elektronik erfolgt hierbei durch den
Lichtwellenleiter der bis zur Optik das Signal transportiert. Auf der Empfangsseite
befindet sich nach dem Brennpunkt der Optik ebenfalls ein Lichtwellenleiter mit dem die
Strahlung nach ihrer Filterung der Elektronik respektive dem opto-elektrischen Wandler
zugeführt wird.
DÄMPFUNG DURCH DIE ATMOSPHÄRE
Hauptgrund für die Dämpfung der Atmosphäre sind die in ihr enthaltenen Gase
deren Moleküle die Energie der Strahlungsquanten absorbieren. Für die in der Atmosphäre
enthaltenen Gase gibt es deshalb charakteristische Wellenbereiche in denen eine solche
molekulare Absorption auftritt. Im Bereich von 0.5mm bis 15mm Wellenlänge stellen die
Gase die wichtigste Komponente der Dämpfung dar. Im infraroten Bereich ist es vor allem
Wasserdampf der die Absorption bewirkt.
DÄMPFUNG DURCH AEROSOLE
Nebel und Wasserdampf können die optische Freiraumübertragung entscheidend
beeinflussen, weil das gesendete Licht von den Wassertropfen gebrochen wird. Wie bei der
Planung von Richtfunkstrecken muß man hier die meteorologischen Gegebenheiten
einbeziehen. Für die Übertragungssicherheit ist die statistische Nebelhäufigkeit und
die allgemeine Sichtweite zu berücksichtigen.
DÄMPFUNG DURCH LUFTSCHICHTEN
Mit unterschiedlichen Luftschichten, Regen und Schnee ändert sich der
Brechungsindex der Luft. Veränderungen und Turbulenzen führen hier zu Abweichungen der
Strahlfokussierung, Streuparameter und der Auslenkung des Strahls. Ebenfalls spielen
Komponenten wie direkter Sonneneinfall in Sender und Empfänger sowie, wie schon vorher
erwähnt, die Windgeschwindigkeiten eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Ebenfalls
relevant ist die Art des Untergrundes auf den die Apparate positioniert werden und die
Höhe der Geräte. Asphalt heizt sich bei Sonneneinstrahlung relativ stark auf und gibt
die Wärme noch mehrere Meter über Boden wieder ab. Die Temperaturunterschiede die
dadurch in der Luft resultieren wirken sich nachhaltig auf die Sende- und Empfangsoptik
aus.
ÜBERTRAGUNGSSICHERHEIT
Langsamen statischen Änderungen der Strecke kann durch einen großen
Dynamikbereich des Empfängers entgegengewirkt werden. Die Sendeleistung kann der Länge
der Übertragungsstrecke angeglichen werden. Die dynamische Anpassung erfolgt hier mittels
eines mitgeführten Pilotsignals. Kompensationen der durch die Atmosphäre entstehenden
Dämpfung und Störung können bei optischen Systemen mittels einer Übertragungstechnik
ähnlich den Diversity-Systemen gelöst werden. Mehrere LED- oder Lasersender werden
parallel geschaltet und die Strahlen äquivalent moduliert. Das Empfangssignal wird von
mehreren nebeneinander platzierten Optiken aufgenommen und nach optischer Addition werden
größere Intensitäten des Signals sowie eine Verringerung der Störungen erreicht. Diese
Mehrstrahleinrichtungen erreichen große Übertragungssicherheit.
BESTEHENDE SYSTEME
Für den Einsatz solcher Systeme bieten sich vielfältige Möglichkeiten.
Einziger Nachteil ist die Beschränkung der Streckenlänge die heute bei ca. 5 km liegt.
Einstrahlelemente bieten sich vor allem in den Bereichen an, in denen kurze
Ausfallzeiten in Kauf genommen werden können, wie zu Beispiel in der zeitunabhängigen
Datenübertragung wobei die Endsysteme (DEE) über ausreichende
Fehlerkompensationsmechanismen verfügen. Die Systeme können die Leistungsabstrahlung der
Güte der Übertragungsstrecke anpassen. Leider liegt der Dynamikumfang 'nur' bei etwa 25
dB.
Die Zukunft der optischen Mehrstrahlsysteme liegt vor allem bei der
Echtzeitübertragung von Daten. Sie sind in allgemeinen auch dann noch Betriebssicher,
wenn zu schlechte Witterungen für Einkanalsysteme herrschen.
Die Anzahl der Fehlerbursts lässt sich bei Mehrkanalsystemen entscheidend minimieren.
Alle Systeme sind modular aufgebaut wobei entsprechend flexible Lösungen für den Kunden
geboten werden. Ebenfalls ermöglichen modulare Systeme natürlich, defekte Karten auf
einem einfachen Weg zu ersetzten was eine schnelle Fehlerbehebung ermöglicht.
NACHTEILE
Neben den Vorteilen bestehen auch Beschränkungen der Systeme die insbesondere
folgende sind:
Die Hauptanwendung der Systeme besteht im Kurzstreckenbereich bis etwa 2-3 km.
Weiter ist die Übertragungssicherheit kleiner als bei Kabelverbindungen und es ist
natürlich eine Sichtverbindung zwischen den Systemen bzw. den Repeatern der Systeme
notwendig.
ANWENDUNGEN
Optische Freiraumübertragungssysteme heben ihren Einsatzschwerpunkt bei der
LAN- Kopplung, beispielsweise zwischen benachbarten Gebäuden. Ihre Vorteile sind eine
schnelle Installationsmöglichkeit mit optischen LWL-Schnittstellen zum Netz sowie hohe
Datenübertragungsraten bis zu 622 Gbit/s.
 
Weiterhin besteht keine Restriktion bezüglich der
Frequenzbandnutzung. Eine Anbindung an eine Überwachungseinheit erfolgt in einfachsten
Fall mittels einer Schnittstelle an einen PC welcher mit entsprechender Software die
Überwachung des Übertragungssystems realisiert. Eine solche Einheit bietet den Anwender
die Möglichkeit, jederzeit klare Aussagen über die Streckensicherheit und Stabilität
des Systems zu treffen. Besonders bei der Übertragung von Sprachkanälen ist das von
Vorteil, während eine solche Überwachung bei einem System in dem TCP/IP unterstützte
Daten übertragen werden nicht besonders sinnvoll erscheint
.
KOPPLUNGSMÖGLICHKEITEN
 
BILDER VON SYSTEMEN IM EINSATZ
Systeme der Firma CBL GmbH ·
Darmstädter Straße 81 · 64839 Münster
Literaturverzeichnis
[1] Kube, E.:
LAN-Kopplung über optische Freiraum-Übertragungssysteme
NET 49(1995), Heft 5, S. 15 ... 18
[2] Taylor, J.H., Yates, H.W.:
Atmospheric transmission in the infrared
J.O.A.S. 47(1957), S. 223
[3] Kube, E.: Nachrichtenübertragung mit Lichtstrahlen in
der Atmosphäre
Nachrichtentechnik 19 (1969),H.6, S. 201 ... 207
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Schaumreiniger Preis : 3,95 Euro
