Freie Fahrt auf der Datenautobahn

Auf unseren Datenautobahnen wird es immer voller: 4,3 Mrd Gigabyte schickten die Deutschen 2012 laut Bundesnetzagentur via Breitband durch das virtuelle Verkehrsnetz. Rund 140 Mio Gigabyte wurden zusätzlich über die Mobilfunknetze übertragen.

Gleichzeitig steigen die Ansprüche an die Übertragungsqualität und -schnelligkeit. Vor allem durch datenintensive Anwendungen wie etwa Multimedia-Inhalte sind heutige Kommunikationsnetze oft bis an ihre Kapazitätsgrenzen ausgelastet – es drohen Staus auf der Datenautobahn.

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 Funkfrequenzspektrum ist vielerorts schon weitgehend ausgeschöpft. Das bedeutet, wir müssen die vorhandenen Frequenzen effizienter nutzen«, erklärt Dr. Klaus-Dieter Langer vom Fraunhofer-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 Glasfasern 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 Modulationsformate erscheinen in der Theorie oft recht vielversprechend, zeigen aber dann im Versuch unerwartete Effekte«, sagt Langer. Um neue Übertragungstechniken auf ihre Praxistauglichkeit zu testen, nutzt man üblicherweise Signalgeneratoren, wie sie auch in der Schaltungsentwicklung zum Einsatz kommen. Ausgefeiltere Versionen – »Arbitrary Waveform 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 erhältlichen Bandbreite. Ursprünglich hatten die HHI-Forscher ein Vorläufergerät für den Eigenbedarf 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 verschlechtern 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 Endgeräten steigt der Bedarf an hocheffizienten Übertragungsverfahren – sie bilden die Grundlage für schnellere Computer und kleinere, leistungsfähigere Geräte.