Richtfunktechnik ist die Technik der leitungslosen Nachrichtenübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen, die
auf einen bestimmten Punkt gerichtet, ausgesendet werden und an diesem Punkt auch gerichtet empfangen werden. Das
bedeutet, dass jede Art des gerichteten Nachrichtenaustauschs mittels elektromagnetischer Wellen Richtfunk ist.
Somit wurden die ersten Richtfunktechniken bereits vor einigen hundert Jahren eingesetzt, als mit Hilfe von Licht und
Spiegeln Nachrichten über längere Strecken zwischen verschiedenen Standorten ausgetauscht wurden. Diese Technik
verwendete auch Galileo Galilei Ende das 16. Jahrhunderts um die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, was ihm jedoch
nicht gelang.
Später entwickelte sich der Richtfunk immer weiter und das, was wir heute unter Richtfunk verstehen, wurde erst zu
Beginn des letzten Jahrhunderts entwickelt und diente in erster Linie zur Übertragung von Sprache, Rundfunk und
Fernsehen. In der heutigen Zeit trifft man auf Richtfunktechniken, die im täglichen Leben zur Selbstverständlichkeit
geworden sind und die wir nicht mehr als Richtfunktechnik wahrnehmen. Dazu gehören zum Beispiel auch die
Infrarotfernbedienungen unserer Unterhaltungselektronik. Diese senden Informationen, in elektromagnetischen Wellen
(infrarotes Licht) kodiert, gerichtet aus, welche von einem anderen Gerät in einem bestimmten Winkel (gerichtet)
wieder empfangen werden.
Im Laufe der Zeit hat sich auch der Aufbau der zu übertragenen Informationen verändert. Wurden noch bis Mitte des
letzten Jahrhunderts hauptsächlich analoge Signale mittels Richtfunk übertragen, sind es heute fast nur noch digitale
Informationen.
Ein wichtiges Merkmal des Richtfunks ist es, dass in dem verwendeten Frequenzbereich eine Sichtverbindung zwischen
beiden Stationen bestehen muss. Das heißt, dass zum Beispiel bei optischem Richtfunk eine optische Sichtverbindung
bestehen muss und bei Richtfunk mit Röntgenstrahlung eine Sichtverbindung in diesem Frequenzbereich bestehen muss.
Übersicht
1.1 Wozu wird die Richtfunktechnik eingesetzt?
Richtfunk ermöglicht den Austausch von Informationen zwischen zwei unterschiedlichen Standorten. Im Rundfunk und
Fernsehen ist es üblich, dass die Sendeanstalten ihre Programme via Richtfunk an eine zentrale Sendestelle wie
Funk- oder Fernsehturm senden. Von dort aus werden dann die Programme über herkömmliche Techniken an den Endempfänger
gesendet. Auch im mobilen Sprechfunk, wie beim BOS-Funk (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben) in
Berlin, wird Richtfunk zur Überbrückung längerer Strecken verwendet. Dabei wird das Funkgespräch von einer
Relais-Station aufgefangen und via Richtfunk zum Beispiel an eine Funkleitstelle weitergeleitet.
Immer öfter wird Richtfunk auch in firmeninternen Bereichen eingesetzt. Der Grund dafür sind die verhältnismäßig
geringen Kosten im Vergleich zu einer Verkabelung oder Kabelmiete, wenn Daten zwischen zwei Firmenstandorten
übertragen werden sollen und herkömmliche Telefonverbindungen nicht dazu ausreichen. Bei der Errichtung einer
Richtfunkstrecke fallen einmalige Kosten für die Technik an und zusätzlich fallen danach lediglich Wartungskosten
und eventuelle Lizenzkosten für die genutzten Frequenzbereiche an.
Auf Grund der hohen Gebühren für Standleitungen wird Richtfunktechnik auch zur breitbandigen Anbindung von Firmen
und Privatverbrauchern an das Internet verwendet. Dabei muss jedoch der Internetprovider einen erhöhten Aufwand
betreiben, da er oft für jeden einzelnen Kunden eine extra Empfangsanlage errichten muss.
Das Haupteinsatzgebiet von Richtfunk ist derzeit jedoch der Mobilfunk. Da die einzelnen Funkzellen eines
Mobilfunkbetreiber untereinander vernetzt sein müssen wäre eine Verkabelung der Zellen untereinander viel zu teuer
und somit kommt Richtfunktechnik zum Einsatz. Die Mobilfunkbetreiber überbrücken damit teilweise Strecken von bis
zu 300 km.
Wo wird die Richtfunktechnik eingesetzt?
Prinzipiell kann Richtfunk überall dort eingesetzt werden, wo für den gewünschten Frequenzbereich eine
Sichtverbindung zwischen den Stationen hergestellt werden kann. Daher wird Richtfunk sowohl im Indor- als auch im
Outdor-Bereich eingesetzt.
Jedoch begrenzt sich die Verbreitung im Indor-Bereich auf Messehallen und große Räumen, da bestimmte Restriktionen
bei der Verwendung von Hoch- bzw. Ultrahoch-Frequenzen eingehalten werden müssen. Da die meisten verwendeten
Frequenzbereiche teilweise im Mikrowellenbereich liegen, dürfen sich zum Beispiel keine Personen längere Zeit
direkt in unmittelbarer Nähe einer Richtfunkstation aufhalten, da es sonst zu Zellschäden kommen kann.
Wenn Richtfunk im Indor-Bereich zum Einsatz kommt, wird in erster Linie auf optischen Richtfunk zurückgegriffen,
da dieser einen nicht so großen Einfluss auf das biologische Umfeld hat. Optischer Richtfunk wird jedoch auch im
Outdor-Bereich eingesetzt, wo nur eine Sichtverbindung mit geringer Toleranz möglich ist. In diesen Fällen werden
häufig Laser-Links verwendet. Ansonsten ist der Hauptanteil von Richtfunk im Outdor-Bereich zu finden und im
Mikrowellen-Frequenzbereich angesiedelt.
Übersicht
1.2Wie funktioniert die Richtfunktechnik?
Wie bereits oben erwähnt ist an sich jede Art von elektromagnetischer Welle für den Richtfunk geeignet, jedoch
kommt es dabei darauf an, wie gut sich Wellen einer bestimmten Wellenlänge an die Bedürfnisse von Richtfunk anpassen
lassen. Daher haben sich Frequenzen im Bereich zwischen 2 und 40 GHz und optischer Richtfunk durchgesetzt.
Übersicht
Mikrowellen-Richtfunk
Mikrowellen-Richtfunkstationen bündeln die Strahlung und richten diese mit Hilfe von Parabolantennen aus.
Parabolantennen sind so geformt, dass sie die in der Mitte der Antenne ausgestrahlten Radiowellen, so spiegeln,
dass diese nahezu parallel ausgestrahlt werden.
Eine absolute Parallelität kann auf Grund von äußeren Störeinflüssen nicht erreicht werden. Somit ist die
Ausstrahlung leicht kegelförmig. Es ist dabei darauf zu achten, dass durch diese Streuung ein "Belauschen"
der Verbindung möglich ist, ohne dass dies Auswirkungen auf die Qualität der Signale hat und somit nur sehr
aufwendig festgestellt werden kann.
Die Übertragung der Informationen erfolgt mit Hilfe verschiedenster Modulationsverfahren, die auf einer
Trägerfrequenz basieren. In Deutschland übliche Trägerfrequenzen für den Mikrowellen-Richtfunk sind 7, 13, 15, 23, 26
und 38 GHz. Diese Frequenzen sind teilweise noch in Frequenzbereiche unterteilt, die jeweils einen oder mehrere
Kanäle der Richtfunkstrecke bilden. Im digitalen Richtfunk werden häufig Kanalbandbreiten von 2 MBit/s verwenden
und für schnellere Verbindungen 34 MBit/s. Es gibt Richtfunkanlagen, die betreiben im 7 GHz Band 2 34 MBit/s-Kanäle
parallel. Prinzipiell können Richtfunkstrecken bis zu Geschwindigkeiten von 622 MBit/s skaliert werden.
Übersicht
Optischer Richtfunk
Im optischen Richtfunk wird häufig mit Laser-Links gearbeitet. Dies sind auf Laserstrahlen basierende
Richtfunkstationen. Laser-Links können sehr genau ausgerichtet werden und können vor allem da eingesetzt werden,
wo nur eine Sichtverbindung mit minimaler Toleranz zulässig ist. Weiterhin haben Laser-Links, gegenüber
Mikrowellen-Richtfunkstationen, den Vorteil, dass ihre Streuung im normalen Umfeld wesentlich geringer ausfällt und
sie somit sicherer gegen Spionage sind. Sollten jedoch streuende Partikel, wie Rauch in die Sichtverbindung gelangen,
können diese den Link so streuen, dass eine Ableitung der Informationen problemlos möglich ist. Da Laser-Links sehr
genau sind, sind sie auch sehr störanfällig, was ihre Ausrichtung betrifft. Schon eine Abweichung von wenigen Minuten
kann die Datenübertragung erheblich stören, wie auch die Unterbrechung des Links durch einen lichtundurchlässigen
Stoff. Im optischen Richtfunk können je nach Umgebung und Einsatzgebiet weitaus höhere
Datenübertragungsgeschwindigkeiten als beim Mikrowellen-Richtfunk erreicht werden. Bei guter Ausrichtung der
Stationen und wenigen Störeinflüssen können Geschwindigkeiten bis 155 MBit/s und höher erreicht werden.
Übersicht
Modulationsverfahren
Sowohl im optischen als auch im Mikrowellen-Richtfunk werden die zu übertragenden Informationen auf eine
Trägerfrequenz aufmoduliert. Dazu gibt es verschiedene Modulationsverfahren:
2PSK
2 PSK steht für 2-wertige Phasenumtastung oder Phasenverschiebung (Phase Shift Keying). Dabei handelt es sich
um ein Modulationsverfahren, welches sich der Phasenänderung bedient, um die Daten zu kodieren. Beim 2 PSK können
jeweils zwei Zustände unterschieden werden (Binärkodierung), welche kodiert werden, indem dem einen Wert eine
Phase von 0° der Trägerfrequenz zugeordnet wird und dem anderen Wert eine Phase von 180° der Trägerfrequenz.
Dadurch kommt es bei jedem Wechsel von einem Zustand in den anderen zu einem Phasensprung von 180°
4PSK
Die 4 PSK arbeitet nach dem selben Prinzip wie die 2 PSK, nur dass hier vier Zustände, also ein Dibit, unterschieden
werden können. Den Kombinationen sind dabei folgende Phasenlagen zugeordnet:
00 315°
01 225°
10 45°
11 135°
4DPSK
Da die PSK-Techniken keine Taktrückgewinnung unterstützen, wurde mit 4 DPSK (Differential Phase Shift Keying)
eine Weiterentwicklung von 4 PSK erarbeitet. Dabei handelt es sich um eine Kodierung, die sich die Phasenverschiebung
zu Nutzen macht. Dabei wird die Information nicht mehr in der Phase selbst, sondern in der Phasenänderung kodiert.
Um eine Taktrückgewinnung zu erzielen, wechselt sich nach jedem übertragenem Datum (Dibit) die Phase der
Trägerfrequenz. 4 DPSK ist eine differenzielle Kodierung.
In der folgenden Tabelle sind den verschiedenen Kobinationen die entsprechenden Phasenverschiebungen zugewiesen:
00
0°
01
+90°
10
-90°
11
+180°
Diverse Amplituden-Modulation
Es existieren verschieden Amplitudenmodulationen (ASK - Amplitude Shift Keying), bei denen die Informationen in
der Intensität oder der Intensitätsänderung des Signals kodiert werden. Dabei wird lediglich die Amplitude des
Trägersignals verändert.
Diverse Frequenz-Modulation
Bei der Frequenzmodulation (FSK - Frequency Shift Keying) wird die Trägerfrequenz, je nach zu kodierender
Information um einen kleinen Teil in einem Frequenzband vergrößert oder verkleinert. Die gleiche Technik wird
auch bei UKW angewendet. Vorteile der Frequenzmodulation sind, dass die Modulations- und Demodulationsschaltungen
sehr einfach sind und die Trägerfrequenz eine konstante Amplitude hat. Nachteil ist jedoch, dass im Gegensatz zu
den anderen Modulationsarten das Spektrum des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes nur schlecht ausgenutzt wird.
Zur Übertragung von digitalen Daten, sind verschiedene Transfer- und Adressierungsprotokolle nötig. Hier haben
sich zwei Basisprotokolle durchgesetzt. PHD unterstützt den asynchronen Datentransfer und wird Schritt für
Schritt durch das von Alcatel entwickelte synchrone SDH abgelöst. Auf SDH können weitere Protokolle wie ATM oder
IP aufbauen, wobei ATM die am weitesten verbreitete Variante ist.
Es existieren ebenfalls zwei IEEE Arbeitsgruppen, die sich mit der Integration von Richtfunk in die IEEE 802
Standards befassen. Die Arbeitsgruppe um den Standard 802.6 (Metropolitan Area Network) ist derzeit inaktiv und
entwickelt den Standard nicht weiter. Mit IEEE 802.16 (Broadband Wireless Access) wird jedoch ein Standard für
Richtfunktechnik entwickelt, der alle relevanten Aspekte, wie einsetzbare Protokolle, Verfügbarkeit, Authentifikation
und QoS spezifiziert. Auf 802.16 kann unter anderem auch der Standard 802.2 (Logical Link Control) aufsetzen, der
auch bei Ethernet verwendet wird. Somit können oberhalb der OSI-Schicht "Data Link" alle Protokolle mit Richtfunk
verwendet werden, die auch mit Ethernet verwendet werden können.
Übersicht
1.4 Point-to-Multipoint
Da Richtfunk immer mehr Verbreitung findet, werden immer neue Technologien entwickelt, um den Aufbau von
Richtfunknetzen zu vereinfachen. Eine der Techniken, die sich durchsetzt, ist die "Point-to-Multipoint"- oder
"Wireless Local Loop"-Technik. Hierbei handelt es sich um eine Technik, bei der eine Basisstation mit nur einer
Richtfunkantenne Kontakt mit mehreren Netzwerkteilnehmern aufnehmen kann. Die Basisstation verwendet dazu spezielle
Antennenanlagen, die einen größeren Streuungswinkel haben und damit einen breiteren Bereich als herkömmliche
Richtfunkantennen abdecken können. Die Antennen der Netzwerkteilnehmer jedoch sind direkt auf die Basisstation
ausgerichtet.
Zu dieser Technik existieren schon einige Produkte, jedoch hat sich bisher noch kein einheitlicher Standard
durchgesetzt.
Besonders interessant ist diese Technik für Internet- und Telefon-Provider, da diese breitbandige Anschlüsse
zur Verfügung stellen können, ohne für jeden Kunden zusätzlichen Hardwareaufwand zu haben.
Übersicht
Außer der Richtfunktechnik, die es ermöglicht mittels elektromagnetischen Wellen, respektive Mikrowellen,
Informationen zu übertragen, ist eine Methode der Datenübermittlung entstanden, die zur bekannten Funktechnik
Parallelen aufweist:
Die Technik der optischen Freiraumübertragung.
Übersicht
2.1 Geschichte und Entwicklung der optischen Übertragung
Bereits im Altertum finden sich technische Methoden der Nachrichtenübertragung, bei denen keine physischen
Gegenstände oder Personen die jeweilige Entfernung überbrücken mussten. Man setzte bestimmte physikalische
Gesetze ein, wie Licht- oder Schallausbreitung, um mehr oder minder differenzierte Informationen zu übertragen.
Mit einer Kette von Feuerzeichen, einem relativ einfachen Signal, meldeten die Griechen den Fall Trojas, während
die Trommelsprache vieler primitiver Völker einfache Informationen übertragen konnte bzw. kann. Optische Telegraphen
sind schon aus dem antiken Rom, Byzanz oder China bekannt. Hier wurde teilweise die Zeit zwischen zwei Signalen mit
Hilfe von Wasseruhren gemessen oder die Stellung von Zeigern als Zeichen benutzt. In verschiedenen mittelalterlichen
Handschriften (z.B. Ambraser Sammlung ca. 1450, Veit Wulff von Senfftenberg 1568) und Druckschriften (Porta 1589)
wurde über optische Telegraphen für militärische Zwecke oder für den Seeverkehr und andere Zwecke berichtet. Man
erkennt aus diesen Angaben, dass das Thema schon seit sehr langer Zeit von Interesse ist.
Für seinen privaten Gebrauch richtete 1763 Richard Lovell Edgeworth zwischen London und Newmarket einen optischen
Telegraphen ein und nach weiteren Entwicklungen und Versuchen gelang es Claude Chappe 1792 seine Erfindung eines
optischen Telegraphen dem Konvent der französischen Republik vorzulegen. Eine 70 km lange Teststrecke zwischen
Pelletier St. Fargeau über Ecouai nach St. Martin du Therte zeigte 1793 die Brauchbarkeit der Einrichtung, so dass
1794 eine 225 km lange Linie von Paris nach Lille mit 22 Stationen eröffnet werden konnte. Diese Erfindung wurde
im gleichen Jahr in Deutschland /Karlsruhe) nachgebaut. Es folgten dauernde Telegraphielinien in Schweden (1794),
Deutschland (1798, zwischen Berlin und Frankfurt am Main), Dänemark (1802), Russland (1825), Österreich (1835),
usw. Die optischen Telegraphen wurden in Frankreich 1852 und Deutschland 1853 wieder eingestellt, da die technische
Entwicklung andere Möglichkeiten bot.
Übersicht
2.2 Optische Informationsübertragung
Für die Fortschritte in der Geschichte der drahtlosen Übertragungstechnik ist die Nutzung immer höherer
Trägerfrequenzen charakteristisch. Beginnend mit den Langwellensendungen zu Beginn des 20 Jahrhunderts führte
die Entwicklung über die Mittel- und Kurzwelle zur Nutzung höherer Frequenzen bis in den cm-Wellenbereich für
die Richtfunk- und Radartechnik. Ebenso stieg der Bandbreitenbedarf für die zu übermittelnden Dienste. War es
anfangs nur die weltumspannende drahtlose Telegrafie, so folgten Tonrundfunk- und Fernsehübertragungen mit ihren
um Größenordnungen höheren Anforderungen an Bandbreite. Diese neuen Bedingungen konnten durch die Entwicklung von
Funksystemen mit immer höherer Trägerfrequenz erfüllt werden.
Der kontinuierlichen Weiterentwicklung waren jedoch Grenzen gesetzt. Die Erzeugung kohärenter Schwingungen im
mm- und sub-mm-Wellenbereich (1mm Wellenlänge entspricht einer Frequenz von 300GHz) mit konventionellen
Halbleitertechniken stößt an physikalische Grenzen und die Ausbreitung dieser höchstfrequenten Wellen ist
zunehmend durch molekulare Absorption und Streuung in den Bestandteilen der erdnahen Schichten der Atmosphäre
behindert.
Fast unerwartet tat sich mit der Erfindung des Lasers im Jahre 1960, einer kohärenten Strahlungsquelle im
Lichtwellenbereich, ein neues Fenster für die Kommunikation, sowohl für drahtlose, als auch für leitungsgebundene
Anwendungen auf. In der Folgezeit wurde bestätigt, dass sich im optischen Wellenlängenbereich alle gegenwärtig
denkbaren Forderungen an die Breitband-Übertragungstechnik erfüllen lassen. Hier werden quantenelektronische
Prozesse genutzt, um Sende- und Empfangsbauelemente zu realisieren.
Übersicht
2.3 Erste optische Richtfunksysteme
Die ersten optischen Freiraum-Übertragungssysteme wurden als "Lichtsprechgeräte" serienmäßig im zweiten Weltkrieg
mit mechanisch modulierten Glühlampenstrahlern als Sender und Photowiederständen als Empfänger hergestellt. Nach
der Erfindung des Lasers begann dann in den 60er Jahren weltweit eine rege Forschungstätigkeit zur Nutzung des
optischen Wellenlängenbereichs für die breitbandige Informationsübertragung. Zunächst war man ausschließlich auf
die Atmosphäre als Übertragungsmedium angewiesen. Die grundlegenden optischer Freiraumübertragung stammen aus dieser
Zeit.
In Europa wurden die ersten Kommunikationsversuche mit sichtbarem Helium und Argon Lasern in den 60er durch die
damalige deutsche Post und die englische Telekom durchgeführt.
Mit Leistungen bis zu 40 Watt wurden damals Versuchsstrecken mit Distanzen bis zu 30 Kilometern überbrückt.
Die umfangreichen Untersuchungen und Forschungen auf diesem Gebiet ergaben jedoch vorerst keine sehr erfreulichen
Erkenntnisse.
Aufgrund der starken Dämpfungen, bewirkt durch die witterungsbedingten äußeren Schwankungen und atmosphärischen
Einflüssen, wurde damals diese Lösung für unbrauchbar erklärt und nicht intensiv weiterverfolgt. Ein Grund dafür
waren nicht zuletzt die Fortschritte im Bereich des Mikrowellen-Richtfunks.
Nachdem sich in den Folgejahren das Glasfaserkabel als außerordentlich dämpfungsarmes und breitbandiges
Übertragungsmedium bewährt hatte, wurde die Hauptentwicklungsrichtung im optischen Bereich auf die Kabelübertragung
mit Lichtwellenleitern gelenkt.
Seit Anfang der 90er Jahre wurden neue Forschungen und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der optischen
Freiraumübertragung gemacht. Optische Richtfunksysteme entwickelten sich vom "Bastlerprodukt" zu zuverlässigen
Lösungen, einsetzbar in vielen Anwendungen.
Während den letzten Jahren wurde die maximale Übertragungsbandbreite auf heute bis zu 1,25 Gbit/s gesteigert,
die Zuverlässigkeit der Komponenten wurde weiter verbessert und die Größe der Geräte auf ein handliche
Maß reduziert.
Übersicht
2.4 Was ist optische Richtfunktechnologie?
Außer der Richtfunktechnik, die es ermöglicht mittels elektromagnetischer Wellen, respektive Mikrowellen,
Informationen zu übertragen, ist in letzter Zeit eine Methode der Datenübermittlung entstanden, die zu bekannten
Funktechnik Parallelen aufweist:
Die Technik der optischen Freiraumübertragung oder optischen Richtfunktechnologie.
Im optischen Frequenzbereich können gegenwärtig alle Forderungen an die Breitbandübertragungstechnik erfüllt
werden. Wo immer heute große Datenmengen schnell transportiert werden müssen, ist die Technik der
Informationsübermittlung mittels LED und Laser eine effiziente Alternative zu konventionellen Übertragungssystemen.
Wo im Bereich des Richtfunks mittels Trägerfrequenzen Daten im Gigaherzbereich 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 konventionellen Richtfunktechnik, sozusagen
unbegrenzt zur Verfügung stehen. Allerdings gelten für die optische Richtfunkübertragung ähnliche Gesetze wie
für die Funkübertragung.
Die wesentlichen Problematiken liegen in der Behinderung des Lichtes durch die Atmosphäre, welche die
Datenübermittlung bei derartigen optischen Systemen noch stärker behindert als wir das vom Gebiet des
konventionellen 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, usw.
- Ablenkung bzw. 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
Übersicht
2.5 Gründe für den optischen Richtfunk
Besonders in lokalen Netzen gibt es immer wieder Anforderungen, einzelne Segmente mit hoher Bandbreite (Bitrate)
drahtlos zu verbinden, wenn eine Kabelübertragung aus baulichen Gründen ausscheidet. Hier bietet sich der Einsatz
der optischen Richtfunkübertragung im Entfernungsbereich bis ca. 3 km.
Von besonderem Vorteil ist, dass im optischen Wellenlängenbereich keine gegenseitigen Beeinflussungen zu befürchten
sind und es deshalb keine Zulassungsprobleme für den Betrieb der Anlagen gibt. Eine Richtfunkübertragung im
Gbit/s-Bereich ist gegenwärtig nur mit der optischen Technik möglich.
Optische Richtfunkübertragungen - Vielfach auch "Optische Richtfunksysteme" genannt - werden heute von einer
Reihe von Firmen in Europa und Übersee hergestellt. Die Palette reicht vom einfachen LED-System mit 200 m Reichweite
bis zum Lasersystem mit einer propagierten Reichweite bis zu 7 km. Hierbei ist jedoch zu bemerken, dass insbesondere
in unseren Klimazonen 3 km maximale Distanz als realistisch gelten.
Bis etwa zu dieser Distanz kann eine Verfügbarkeit von über 99 % angenommen werden und ist somit auch kommerziell
vertretbar. Größere Reichweiten sind zwar bei entsprechenden äußeren Bedingungen problemlos möglich, Wettereinflüsse
aber verhindern dann einen zuverlässigen Dauerbetrieb.
Die Bitrate liegen bei handelsüblichen Geräten derzeit im Bereich zwischen 10 Mbit/s und 1,25 Gbit/s. In absehbarer
Zukunft werden auch Systeme mit 2,5 Gbit/s verfügbar sein.
Übersicht
2.6 Zukunftsaussichten - Markt
Optische Richtfunksysteme werden nach übereinstimmenden Prognosen führender Marktforschungsinstitute in den kommenden
Jahren einen weiteren Aufschwung erleben. Wichtige Gründe dafür sind die Flexibilität der Lösungen, ihre geringen
Folgekosten und die einfache Installation. Der Ausbau des Serviceangebots und die ständige Weiterentwicklung
innovativer Produkte helfen zusätzlich, die Wachstumschancen zu erhöhen.
Die Einsatzgebiete für Netzwerke und deren drahtlose Verbindung untereinander liegen bei Gebäuden, die nicht oder
nur schwer mit Kupfer- bzw. Glasfaserkabeln zu verkoppeln sind. Hauptabnehmer für drahtlose Systeme sind Industrie
und Handel.
Das nachfolgende Diagramm zeigt die Prognosen der zu erwartenden Umsätze und Anzahl installierter Systeme in den
nächsten Jahren. Diese Zahlen beruhen auf Marktuntersuchungen und Befragungen bekannter Hersteller von optischen
Richtfunksystemen weltweit.
Obwohl die Schwäche im IT-Markt Neuinvestitionen verlangsamt, sind Richtfunklösungen für die Kopplung von
Unternehmensnetzen weiter stark gefragt. Schnelle Realisationszeiten und schnelle Amortisation von Richtfunklösungen
bringen den einsetzenden Unternehmen enorme Vorteile und Ersparnisse. Hohe Bandbreiten für datenintensive Anwendungen
kostengünstig einzusetzen, sind für immer mehr Unternehmen ein Argument, diese Technologie für sich zu entdecken.
Zunehmend ein interessanter Absatzmarkt für optische Richtfunksysteme sind Länder mit noch schlecht erschlossenen
Kupfer- oder Glasfasernetzen wie z.B. die Ost-Staaten. Gerade in diesen Ländern könnten mit optischen
Richtfunksystemen lange Wartezeiten für bauliche Veränderungen elegant umgangen werden. Ebenso sind keine
langwierigen Abklärungen für Genehmigungen sowie Probleme mit öffentlichen Grundstücken zu befürchten.
In Europa wird sich die Entwicklung von optischen Richtfunksystemen in Grenzen halten, da wenn immer möglich auf
Kupfer- oder Glasfaserleitungen zurückgegriffen wird. Dennoch lassen sich immer wieder komfortable und kostengünstige
Lösungen im Zusammenhang optischen Systemen und Glasfaserverbindungen realisieren.
IP basierende Vernetzung erscheint in allen Bereichen immer wichtiger. Neben den konventionellen
Informatikanwendungen steigern auch neue Technologien wie etwa Voice over IP Video over IP den Nutzwert
IP-basierender Netzwerke. Der Trend zur Vernetzung und immer leistungsfähigeren Netzwerken scheint ungebrochen.
Optische Richtfunksysteme sind im allgemeinen protokolltransparent (OSI Layer 1) aufgebaut. Neue Systeme sind
teilweise mit bereits integrierten Netzwerkinterfaces (ATM, Ethernet) erhältlich.
Optische Richtfunkkommunikation eignet sich hervorragend für LAN Interconnecting, also die Kopplung zweier LAN's;
z.B. zwischen zwei Gebäuden oder Arealen.
Vergleichbare Bandbreiten bieten bisher nur Lichtwellenleiterverbindungen (Glasfaser). Oftmals ist es jedoch mit
sehr hohem baulichen Aufwand verbunden, eine Kabelverbindung zum Gewünschten Endpunkt zu realisieren. Bereits eine
öffentliche Straße oder geologische Hindernisse wie etwa ein Fluss erschweren die Realisation enorm und könne die
Kosten in die Höhe treiben.
Optische Richtfunktechnologie bietet sich hier als eine sinnvolle Alternative an. Geringer Installationsaufwand,
verhältnismäßig niedrige Anschaffungskosten und in unseren Klimazonen mögliche Distanzen bis zu 3 km bei sehr guten
Verfügbarkeitswerten zeichnen diese Technologie aus. Weiter sind keine Betriebskonzessionen notwendig. Heutige
Systeme sind zudem augensicher und stellen kein Sicherheitsrisiko für das Umfeld dar.
Optische Richtfunksysteme ermöglichen leistungsfähige Punkt zu Punkt Verbindungen zwischen zwei Standorten mit
direkter Sichtverbindung. Ist keine direkte Sicht vorhanden, kann eine Verbindung oftmals trotzdem über ein weiteres
Gebäude realisiert werden. Man baut in diesem Fall einfach zwei Punkt zu Punkt Verbindungen auf, mit einer
Relais-Zwischenstation, welche technisch gesehen einfach aus Sender/Empfänger-Einheiten besteht, die z.B. via
Glasfasertechnologie miteinander verbunden sind.
Übersicht
2.8.1 Punkt zu Punkt Telefonieverbindung
Obwohl die meisten Systeme protokolltransparent sind, sind auch Produkte mit integrierten
Telekommunikationsschnittstellen (E1, E3/T1, T3) erhältlich. So kann z.B. mit entsprechenden Produkten eine E1
(30 Sprachkanäle) Direktverbindung zwischen zwei Punkten realisiert werden.
Übersicht
2.8.2 Backup Lösung für Mietleitungen oder Glasfaserverbindungen
Gerade in Firmen und Umgebungen wo Netzwerkunterbrechungen sehr schnell enorme Kosten verursachen würden, wie z.B.
Banken, Kreditkarten Transaktionszentren, Börse, etc. könne optische Richtfunksysteme eine interessante
Backupvariante zu bestehender Infrastruktur dienen.
Im Normalzustand wird der Datenverkehr über bestehende Glasfaser- oder Kupferleitungen abgewickelt, da aber auch
diese Verbindungen im allgemeinen keine 100% Verfügbarkeit bieten (z.B. Mietleitung-Ausfall durch Provider,
Zerstörung durch Bauarbeiten oder Blitzeinschlag, etc.) stellt die optische Richtfunktechnologie eine
leistungsstarke Backuplösung für den Notfall dar.
Übersicht
2.8.3 Mobiltelekommunikation
Kaum ein Markt ist in den letzten Jahren so sprunghaft gewachsen wie die Mobiltelekommunikation. Immer mehr User auf
immer mehr Netzen nehmen die Möglichkeit, drahtlos zu kommunizieren, in Anspruch. Optische Richtfunktechnologie bietet
mit vielfältigen Systemen, speziell für den Telekommarkt, interessante Möglichkeiten zur Vernetzung von Mikrozellen
und Basisstationen in GSM Netzen. Kommende mobile Netzwerke der 3. Generation (UMTS) werden noch mehr Bandbreite zur
Verfügung stellen müssen. Eine leistungsfähige Koppelung der Antennen und Basisstationen ist also ein Muss. Vielfach
kommt hier heute noch die konventionellen Mikrowellen-Richtfunktetechnologie zum Einsatz. Da aber die einzelnen
Funkzellen in modernen GSM Netzen immer kleiner werden, werden auch die zu realisierenden Distanzen zwischen Antennen
und Basisstationen immer kleiner. Diese Tatsache spricht sehr für den Einsatz optischer Richtfunktechnologie in
diesem Umfeld. Distanzen bis etwa 2 km können mit sehr hohen Verfügbarkeiten realisiert werden. Die Investitionen
im Vergleich zu konventionellem Richtfunk sind wesentlich niedriger. Außerdem treten keine Probleme mit der
Beschaffung von Funklizenzen und Betriebskonzessionen auf. Nicht zuletzt ist in der Bevölkerung ein immer
größeres Misstrauen gegenüber elektromagnetischer Strahlung vorhanden. Die optische Variante erscheint hier
wieder als positive Variante.
Insbesondere in Ländern, wo die Vernetzung von Städten und Ortschaften noch nicht so weit fortgeschritten ist,
ist optische Richtfunktechnologie sehr effizient einsetzbar. Es gibt bereits Orte und Städte im Osten Europas,
wo sämtliche Lizenzen für Mikrowellen-Richtfunk bereits verwendet werden. Optische Kommunikation bietet hier die
momentan einzige einsetzbare Alternative für Service und Telco Provider.
Übersicht
2.8.4 Service Provider
Optischer Richtfunk stellt eine Interessante Variante zur Erschließung der "letzten Meile" dar. Provider können
so leistungsfähige Verbindungen zwischen ihrer bestehenden Infrastruktur (z.B. MAN) zum Endkunden realisieren.
Sind dafür bei einer neuen Kabelverlegung oft immense Baukosten zu erwarten, könne diese mittels der optischen
Richtfunktechnologie vielfach drastisch reduziert werden.
Ein weiteres Einsatzgebiet im Bereich von Carrier Services ist der schon erwähnte Einsatz als Backup Lösung.
Übersicht
2.8.5 Überwachungs- und Sicherheitsbereich
Da optische Richtfunksystemein verschiedenen Leistungsvarianten und somit auch in unterschiedlichen Preisklassen
erhältlich sind, bietet sich diese Technologie auch für den Einsatz im Überwachungs- und Sicherheitsbereich an.
Immer mehr finden auch in diesem Umfeld IP basierende Kameras und Lösungen ihre Verwendung. Mit optischem Richtfunk
können so weiter entfernte Areale oder auch nur Einzelstandorte von Kameras an das bestehende Netzwerk angekoppelt
werden. Im Gegensatz etwa zu Wireless Lan kann eine deutlich höhere Bandbreite und auch eine größere Distanz
zwischen den Punkten realisiert werden.
Eine interessante Variante, die sogenannten LED-Systeme, bieten sich überall an, wo Bandbreiten in Bereichen von
einigen Mbit/s ausreichen und Distanzen auf ein paar Hundert Meter beschränkt sind. LED-Systeme sind im Vergleich
zu echten Laser-Systemen günstiger und erfüllen gerade im Umfeld von Überwachung und Sicherung häufig alle
Anforderungen.
Übersicht
3 Technologie
Die optischen Richtfunksysteme übertragen Daten durch die freie Atmosphäre. Dabei verwenden sie für die
Signalübertragung modulierte Laser-Lichtsignale, die eng gebündelt, geradlinig abgestrahlt werden.
Für die Verbindung von Datennetzwerken sind die optischen Richtfunksysteme mit Lichtwellenleiter- (LWL-)
Schnittstellen ausgerüstet. Der Ausgangspunkt ist, dass die Signale an optischen LWL-Schnittstellen zur Verfügung
stehen. Im Prinzip kann die aus dem Sende-LWL austretende modulierte Strahlung direkt über die Sendeoptik, die
Atmosphäre und die Empfangs-LWL eingekoppelt werden. In der Regel sind jedoch zum Dämpfungsausgleich sowie zur
Wellenlängen- und Querschnittsanpassung optoelektronische Zwischenverstärker erforderlich. Diese Zwischenverstärker
haben LWL-Schnittstellen an den Ein- und Ausgängen und sind transparent in einem weiten Bitratenbereich. Alle
Signale werden protokollunabhängig und transparent übertragen, ohne jede inhaltliche Veränderung oder Ergänzung.
Hierzu ist zu bemerken, dass neuere Systeme auch mit bereits integrierten Ethernet, ATM oder E1/T1/E3/T3
Schnittstellen auf dem Markt erhältlich sind.
Für die Konfiguration der Signalverbindungen lassen sich die optischen Richtfunksysteme wie Lichtwellenleiterkabel
betrachten. Zur Abdeckung von unterschiedlichen Anforderungen stehen verschiedene Systemausführungen zur Verfügung,
je nach Hersteller, die sich in der Zahl der Datenübertragungskanäle, in der Übertragungsbandbreite und in der
Ausführung der LWL-Schnittstellen unterscheiden.
Der Betriebszustand des optischen Übertragungssystems kann je nach Hersteller und Typ überwacht werden und die
entsprechenden Informationen stehen dem Netzwerkmanagement über eine separate LWL- oder Kupfer-Verbindung zur
Verfügung.
Übersicht
3.1.1 Funktionsprinzip
Die optischen Richtfunksysteme bestehen aus zwei gleichen optischen Sende- und Empfangsgeräten, die in gegenseitigem
Sichtkontakt montiert werden. Jedes Sende- und Empfangsgerät enthält als Hauptkomponente einen Lasersender und
einen Laserempfänger für die atmosphärische Signalübertragung.
Vorhanden sind außerdem alle für den Betrieb erforderlichen elektronischen Schaltungen für Signalmodulation
-demudolation, Spannungsversorgung und Überwachungsfunktion, einschließlich der Lichtwellenleiter-Schnittstellen
(oder bereits integrierte Network Interfaces).
Über die in die Rückwand integrierten LWL-Ports können die optischen Richtfunksysteme direkt in lokale Netze
integriert werden.
Der Lasersender wandelt Signale aus dem LWL-Datenstz in leistungsstarke Lichtsignale um, die durch die frei
Atmosphäre zum entfernt installierten Sende- und Empfangsgerät übertragen werden. Die Lichtsignale werden dort
vom Laserempfänger aufgenommen und in der originalen Signalform über den LWL-Ausgangsport wieder in das Datennetz
eingespeist. Die einzigartige, konstruktive Zusammenfassung von Lasersender und Laserempfänger in einer kompakten
Anordnung, garantiert ein Höchstmaß an Witterungsschutz, Zuverlässigkeit und Bedienungskomfort.
Da die Achsen der Lasersender und Laserempfänger werkseitig präzise in die Geräteachsen justiert werden, ist eine
optimale Ausrichtung der atmosphärischen Signalverbindung auf einfachste Weise, mit Hilfe von Zielfernrohren,
möglich. Dies erleichtert die präzise Feineinstellung der beiden optischen Richtfunksysteme.
Übersicht
3.1.2 Senderteil und Strahlenbündelung
Der Sender hat die Aufgabe, digitale Datensignale via Sendeoptik zum Empfänger zu übertragen.
Von den verfügbaren Strahlungsquellen sind es vor allem GaAIAs Lumineszenz- und Laserdioden, die den Anforderungen
nach hohem Wirkungsgrad, hoher Strahldichte und einer Modulationsfähigkeit bis in den GHz-Bereich weitgehend
gerecht werden. Mit dem elektrischen Digitalsignal wird entweder die Strahlungsintensität direkt gesteuert,
oder es wird ein hochfrequenter Zwischenträger in der Phase oder Frequenz digital moduliert. Die direkte
Phasenmodulation der optischen Welle bei Laserdioden ist bei der Ausbreitung durch die Atmosphäre im betrachteten
Wellenlängenbereich nicht sinnvoll, da die Kohärenz durch Beeinflussungen in der Atmosphäre zumindest teilweise
zerstört wird.
Mit Lumineszenzdioden wird in einem durch entsprechende Dotierung eng begrenztem Halbleitergebiet eine hohe
Strahlungsdichte generiert. Diese Infrarote Punktquelle mit z.B. 100 µm Durchmesser und einer Strahldicht von
10 W/cm2 wird dann mit der Sendeoptik in die Empfängerebene abgebildet. Der Strahlendivergenzwinkel kann durch
Wahl der Brennweite der Sendeoptik in weiten Grenzen variiert werden. Energetisch günstig ist natürlich ein
schmaler Winkel, damit möglichst viel von der ausgesendeten Sendestrahlung auf den Empfänger konzentriert wird.
Da man jedoch davon ausgehen muss, dass der Aufstellungsort des Senders gewissen Schwankungen ausgesetzt ist,
sollten bei Systemen ohne eine aufwendige automatische Strahlnachführung Divergenzwinkel unter 2 mrad (0,1°)
vermieden werden. LED's strahlen inkohärent mit einer spektralen Bandbreite, die etwa 3 % der optischen
Mittelfrequenz beträgt.
Mit Laserdioden kann bei verbessertem Wirkungsgrad eine höhere Leistungsdichte erziehlt werden. (Faktor > 10
gegenüber LED'S). Sie werden deshalb vor allem in Systemenfür größere Reichweiten eingesetzt. Ansonsten sind
Laser mit hoher Kohärenz eher ungünstig für die optische Richtfunkübertragung, da Auslöscheffekte durch
Interferenzen sich nachteilig auf den Störabstand auswirken können. Außerdem treten bei kleinen Strahldurchmessern
in Sendernähe Strahlungsdichten auf, die bei direktem Blick in die Sendeoptik Augenschädigungen hervorrufen können.
Es sind in diesen Fällen besondere Schutzmaßnahmen vorgeschrieben.
Übersicht
3.1.3 Empfängerteil
Der Empfänger bündelt mit seiner Empfangsoptik die Signalstrahlung auf den optoelektronischen Wandler. Es besteht
die Forderung, mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad die optische Strahlung zu demodulieren und ein elektrisches
Empfangssignal mit geringer Bitfehlerhäufigkeit zu erhalten. Als Wandler können in dem ausgewählten
Wellenlängenbereich Si-Fotodioden mit oder ohne innerem Verstärkungseffekt eingesetzt werden. Nach der
elektronischen Signalaufbereitung in Regel- und Begrenzverstärkern und einer eventuell erforderlichen Demodulation
des Zwischenträgers steht das digitale Signal wieder zur Weiterleitung zur Verfügung.
Durch die Hintergrundstrahlung (Tageslicht, Licht von Beleuchtungseinrichtungen) wird ein Störsignal im Empfänger
erzeugt, das die Grenzempfindlichkeit herabsetzt. Es gibt zwei Wege den Einfluss der Hintergrundstrahlung zu
minimieren:
- Einsatz eines optischen Bandpassfilters für das Nutzsignal und damit Ausblendung der Hintergrundstrahlung
- Minimierung des Empfangswinkels durch entsprechende Wahl von Demodulatorfläche und Brennweite
Die durch Luftturbulenzen erzeugte Stör-Intensitätsmodulationder Strahlung mit einem Spektrum bis etwa 1 kHz kann
auf der Sendeseite durch einen großen Strahlenquerschnitt und auf der Empfangseite durch eine große Empfangsfläche
verringert werden. Die restliche Störmodulation wird durch Filterung des demodulierten elektrischen Signals, eine
automatische Verstärkungsregelung und Begrenzung des Digitalsignals weitgehend eliminiert.
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3.1.4 Notwendige äußere Bedingungen
Für den Einsatz eines optischen Richtfunksystems sind zwei Bedingungen zu beachten:
- direkte Sichtverbindung zwischen den zwei Stationen
- Luftliniendistanz zwischen den zwei Punkten
Übersicht
3.1.5 Übertragungsbandbreite und maximale Reichweite
Für die Digitaldatenübertragung stehen je nach Hersteller verschiedene optische Richtfunksysteme zur Auswahl.
In Europa und anderen gemäßigten Klimazonen sind Distanzen bis zu 3 km mit optischen Richtfunksystemen zu
realisieren. Der Grund für diese Einschränkung liegt an den Witterungsbedingungen wie Regen, Nebel, Schnee etc.,
welche optische Kommunikation stark beeinflussen können.
Technisch sind bei absolut klaren Sichtverhältnissen tatsächlich Distanzen von 10 km und mehr zu überbrücken.
Forschungen haben ergeben, dass so in Tucson, Arizona (USA), eine optische Richtfunkverbindung Distanzen bis etwa
5 km bei einer Verfügbarkeit vom 99,9 % realisiert werden können. Selbst bei 16 km würde der dieser Wert noch
über 99,4 % liegen. Der Grund dafür ist, dass es in dieser Region so gut wie nie regnet, kein Nebel auftritt und
fast immer absolut klare und trockene Wetterverhältnisse herrschen.
Analysiert man jedoch die Klimaverhältnisse in unseren Breitengraden, so wird man zu der Einsicht kommen, dass
diese Daten bei uns Utopie sind.
Bei reduzierter Sicht sinkt die Verfügbarkeit der Systeme unter Umständen drastisch; ein kommerzieller Betrieb
ist so nicht möglich.
Heute wir bei einer Installation eine Verfügbarkeit der Verbindung von größer als 99,9 % vorausgesetzt. In
direkter Abhängigkeit davon sinkt somit die maximale Reichweite auf ca.
3 km.
Die Reichweite und Bandbreite sind außerdem abhängig von den verwendeten Sendesystemen. Nachfolgend eine kurze
Beschreibung der zwei Arten:
Übersicht
3.1.6 LED-Systeme
LED-Systeme verwenden in der Sendereinheit LED Dioden. Diese Dioden zeichnen sich durch geringe Kosten aus.
Systeme mit LED Dioden haben eine sehr hohe geometrische Grundddämpfung, verursacht durch den großen Divergenzwinkel
der Sendediode von einigen Grad.
Deshalb sind große Distanzen mit diesem System nicht zu realisieren. Sie werden deshalb als kostengünstige Lösung
für Übertragungen bis zu einigen hundert Metern eingesetzt. LED-Systeme bieten Datenraten bis zu ca. 10 Mbit/s
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3.1.7 Halbleiter-Laser-Systeme
Bei diesen Systemen kommen die teureren, aber deutlich leistungsfähigeren Halbleiter-Laserdioden zum Einsatz. Der
Divergenzwinkel ist sehr klein (> 1,5mrad). Somit sind Strecken bis zu einigen Kilometern realisierbar. Sie
ermöglichen Bandbreiten bis zu 1,25 Gbit/s.
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3.1.8 Wellenlängen in der optischen Richtfunktechnik
Für die Nutzung eines bestimmten optischen Wellenbereichs für die optische Freiraumübertragung müssen drei
wesentliche Vorraussetzungen erfüllt sein:
1. Es müssen Strahlungsquellen zur Verfügung stehen, die mit hohem Wirkungsgrad einen mit dem Signal modulierten
elektrischen Strom in optische Strahlung umsetzen können. Nach Möglichkeit soll eine schnelle Modulierbarkeit
gegeben sein. Eine hohe Strahlungsdichte ist für die Erzielung einer hohen Richtwirkung von Vorteil.
2. Die Atmosphäre muss für den gewählten Bereich durchlässig sein.
3. Es müssen Empfänger verfügbar sein, die mit hohem Wirkungsgrad breitbandig modulierte optische Strahlung in
den elektrischen Bereich rückwandeln können.
Bei diesen Erfordernissen erweist sich der nahe infrarote Bereich mit Wellenlängen um
800 nm und 1550 nm als besonders günstig. Hier stehen relativ preisgünstige Halbleiterlaser- und Lumineszenzdioden
auf der Basis von GaAIAs-Mischkristallen zur Verfügung. Ihre Modulierbarkeit ist bis in den Gbit/s-Bereich bei
Laserdioden und mehreren hundert Mbit/s bei LED's gegeben. Die Atmosphäre ist gut durchlässig bezüglich molekularer
Absorption. Mit Si-Fotodioden stehen optoelektronische Empfänger mit einem Quantenwirkungsgrad nahe 100 % als
PIN- oder Avalanchfotodioden (mit innerem Verstärkungseffekt) zur Verfügung.
Weiterhin hat die Wahl des nahe Infrarot den Vorteil, dass viele optische Bauelemente wie Filter und Linsen direkt
aus dem Angebot der konventionellen Optik übernommen werden können uns somit relativ preisgünstig zu haben sind.
In besonderen Fällen, so z.B. bei Wellenlängenmultiplex-Anwendungen können auch Wellenlängen um 1300 nm eingesetzt
werden. Die Ausbreitungsverhältnisse sind hier sogar günstiger, jedoch sind die in diesem Bereich zur Verfügung
Bauelemente für die optische Freiraumübertragung weniger gut geeignet.
Heutige uns bekannte optische Richtfunksysteme arbeiten mit Wellenlängen um 800, 1300 und 1550 nm. Die Komponenten
(Laser) der 800 nm Technologie sind wesentlich günstiger, deshalb verwenden die meisten Hersteller diesen
Wellenlängenbereich.
Die Hersteller der 1550 nm Systeme argumentieren mit einer höheren Verfügbarkeit, aufgrund geringerer Dämpfung,
insbesondere bei schwierigen Wetterbedingungen.
Übersicht
3.2 Mono/Multilink als Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungssicherheit
Preisgünstigere Systeme verwenden in der Regel die sogenannte Monolink oder Einstrahl Technologie. Die Übertragung
erfolgt dabei mit nur einem optischen Strahl. Teurere und leistungsfähigere Systeme verwenden jedoch meistens
mehrere Sendeeinheiten, also mehrere Laserdioden, zum Übertragen des Signals. Die Übertragungssicherheit der
Systeme wird mit dieser Multilink (Mehrstrahl) Technik wesentlich erhöht.
Das Ziel bei der Entwicklung von optischen Richtfunksystemen ist, trotz der bekannten störenden Einflüsse in der
Atmosphäre, eine Informationsübertragung mit definierter Übertragungssicherheit zu gewährleisten.
Es soll zwischen den langsamen statischen Änderungen und den schnellen dynamischen Schwankungen der Streckendämpfung
unterschieden werden.
Statischen Veränderungen kann durch einen großen Dynamikbereich des Empfängers begegnet werden. Weiterhin ist es
möglich, die Sendeleistung adaptiv an die Dämpfung der Übertragungsstrecke anzupassen. Dazu wird die Streckendämpfung
während des Betriebs mit einem Pilotsignal gemessen und die Sendeleistung entsprechend nachgeführt.
Dynamische Veränderungen mit Schwankungen bis in den kHz-Bereich müssen zunächst rein optisch minimiert werden.
Auf der Empfangsseite ist das durch eine große Empfangsfläche möglich. Der Durchmesser der Turbulenzen, in denen
die Schwankungen korreliert sind, beträgt nur wenige cm. Werden z.B. zwei Empfangslinsen in einem Abstand angeordnet,
der wesentlich größer ist als die der Durchmesser der Turbulenzen, so sind die Schwankungen der entsprechenden
Empfangssignale nicht mehr vollständig korreliert. Nach optischer Addition hat das resultierende Signal eine
verdoppelte Intensität bei verringerter Streuung der Schwankungen.
Weiterhin können die Turbulenzeinflüsse durch mehrere parallele Sendestrahlen, die alle in gleicher Weise mit dem
zu übertragenden Signal moduliert sind, verringert werden.
Diese Überlegungen zur Verminderung der Turbulenzeinflüsse führten zur Konzeption eines optischen
Mehrstrahl-Übertragungssystems.
Das von vier parallel angesteuerten LED- oder Laser- Sendern kommende Signal wird über Lichtwellenleiter den 4
Sendeoptiken zugeführt. Diese fokussieren die Strahlung in die Empfangsebene. Das Empfangssignal wird von vier
Optiken aufgenommen und über ein LWL-Additionsglied auf den optischen Empfänger geführt. Diese Mehrstrahlanordnung
führt insbesondere bei hohen Forderungen an die Übertragungssicherheit von Echtzeit-Signalen ohne ein
Fehler-Sicherungsprotokoll zur deutliche Verbesserung der Übertragungssicherheit.
Übersicht
3.3 Verfügbarkeit / Witterungseinflüsse
Die Dämpfung einer optischen Übertragungsstrecke wird durch die Strahlgeometrie (Divergenz, Empfangsfläche) und
durch die veränderliche "Durchsichtigkeit" der Atmosphäre bestimmt.
Die Dämpfung optischer Signale in der Atmosphäre ist neben den langsamen Änderungen durch Nebel, Regen und Schnee
auch relativ schnellen Schwankungen durch Luftturbulenzen ausgesetzt. Diese Turbulenzen werden durch Fluktuation des
Brechungsindex der Luft verursacht und führen zu Veränderungen der Strahlfokussierung, der Streuparameter und der
Strahlauslenkung. Die Größe der Intensitätsschwankungen des Empfangssignals ist sowohl von meteorologischen
Bedingungen (Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit), von der Höhe der Strahlführung über der Erde oder über
Gebäude, von der Art des Untergrundes (Asphaltstraße, Dächer, Wiese) und vor allem von der Größe der Empfangsfläche
abhängig. Bei größeren Streckenlängen im Km-Bereich können so Schwankungen über 10 dB mit einem Spektrum bis in den
KHz-Bereich auftreten und bewirken damit eine Intensitäts-Störmodulation des optischen Signals. Durch eine geeignete
Empfangstechnik mit Regelverstärkern und Begrenzern oder auch durch wenig störempfindliche Modulationsverfahren
können diese Schwankungen weitgehend ausgeglichen werden.
Die Richtfunksysteme nutzen für die atmosphärische Signalübertragung optische Signale, d.h. Strahlung im
kurzwelligen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Auch wenn die Wellenlänge im nicht-sichtbaren, infraroten
Bereich liegt, ergeben sich die Haupteinflüsse der Atmosphäre, wie im sichtbaren Bereich, durch Änderung der
Sichtweite.
Bei Fernsicht tritt kaum eine Schwächung der Signale ein. Bei schlechtem Wetter können die Signale sehr stark
edämpft werden. Grobe Regentropfen oder Schneeflocken, aber auch feinste Wassertröpfchen und Schwebeteilchen
bei Dunst und Nebel, absorbieren und streuen die Laser-Lichtsignale mehr oder weniger stark. Bei schönem
Sonnenwetter wird die Unterscheidung zwischen dem Nutz-Lichtsignal und der Stör-Hintergrundstrahlung schwieriger.
Außerdem können, verursacht durch feine Temperaturunterschiede in den durchquerten Luftschichten, starke
Signalstärkeschwankungen am Empfänger auftreten, die die Detektion erschweren. Die optischen Richtfunksysteme
sind Hochleistungssysteme, die durch stetige Optimierungsentwicklungen auch bei schlechten Wetterbedingungen
Verfügbarkeit garantieren sollen.
Die wesentlichen Problematiken bestehen in der Behinderung des Lichtes durch die Atmosphäre, welche die
Datenübermittlung bei derartigen optischen Systemen stark behindert. Es zählen hier vor allem fünf Faktoren:
1. Intensitätsmodulation des Lichtstrahl durch Turbulenzen
2. Streuung an den Molekülen von diversen Gasen und Aerosolen
3. Schnee, Regen, Dunst, usw.
4. Ablenkung bzw. Auslenkung des optischen Strahls durch den Brechungsindexgradient der Luft respektive der
Atmosphäre
5. Unterbrechung des Strahls durch nicht oder nur schwer kalkulierbare Faktoren wie Vogelflug oder ähnliche
bewegliche Hindernisse
Diese 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 normal dimensionierten Systemen etwa folgende Grunddämpfungen:
Bei kurzen Übertragungsstrecken bis zu einigen hundert 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.
Übersicht
3.4 Geometrische Grunddämpfung
Für die geometrische Grunddämpfung des Signals ist die Strahldivergenz und die Empfangsfläche von wesentlicher
Bedeutung. Hinzu kommen Zusatzverluste durch Signalfilterung und Optikverluste.
Das Sendesignal mit der Leistung PS wird vom Sende-LWL mit dem Kerndurchmesser abgestrahlt. Das Ende des LWL
befindet sich im Brennpunkt der Sendeoptik mit der Brennweite f. Die aus dem LWL austretende Strahlung wird mit
dem Divergenzwinkel DK/f auf die Empfangsoptik projiziert. In der Regel ist die Projektionsfläche viel kleiner
als die Empfangsfläche AE. Der größte Teil der Strahlung geht folglich aus rein geometrischen Gründen verloren.
Übersicht
3.5 Modulation
Nachrichtentechnik
das Verfahren, um einen Informationsinhalt auf eine Trägerwelle zu geben. Dazu kann man entweder die Ausschlagweite
(Amplitude) der Trägerwelle verändern (Amplitudenmodulation) oder auch ihre Frequenz beeinflussen
(Frequenzmodulation). Die Amplitudenmodulation (Abkürzung AM) wird u. a. zum Modulieren des Fernsehbildträgers
verwendet. Die Frequenzmodulation (Abkürzung FM) braucht eine größere Bandbreite und wird nur im UKW-Bereich
verwendet. Bei der digitalen Modulation wird die Nachricht in ein Digitalsignal umgeformt, das nach geeigneter
Verschlüsselung entweder als pulsförmiges Signal direkt übertragen oder einer Trägerschwingung aufgeprägt wird.
Auf der Empfangsseite wird die Nachricht mit einem Demodulator und einem Digital-Analog-Wandler wieder
zurückgewonnen.
Heutige Systeme im Bereich der Lichtwellenleitertechnik ermöglichen Übertragungsgeschwindigkeiten in der
Größenordnung von mehreren Gigabit pro Sekunde. 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 Gigaherzbereich 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.
Übersicht
3.5.1 Funktionsweise
Mit der Laser-Technik (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist es möglich, schnell
modulierbare Lichtquellen zu entwickeln. Sie sind die Voraussetzung für breitbandige und zuverlässige optische
Übertragungssysteme, die Daten mit Transferraten bis in den Gigabit-Bereich übermitteln können.
Aktuelle Systeme dienen in erster Linie der Übertragung digitaler Signale in Daten- und Telekommunikations-Netzen.
Die als Impulsfolgen vorliegenden Daten werden mit Hilfe einer Strahlenquelle in Form einer Laserdiode oder
Leuchtdiode (LED) direkt durch die Atmosphäre zu einer Empfangsstation gesendet. Alle optischen Systeme benötigen
dabei hochwertige Optiken zur Strahlenbündelung und zur Erzeugung einer möglichst optimalen Apertur. Im Empfänger
wandeln Fotodioden die optischen Signale in elektrische Impulse zur Weiterverarbeitung um.
Als Strahlenquelle stehen bei optischen Richtfunk-Systemen zwei verschiedene Technologien zur Auswahl:
Luminiszenz-Dioden oder VCSEL-Laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Beide Quellen arbeiten im nahen
Infrarotbereich bei ca. 850nm und haben eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren.
Das zu übertragende Signal steht steuert dabei entweder direkt die Strahlungsintensität oder es moduliert einen
hochfrequenten Zwischenträger in Phase und Frequenz. Beide Sendequellen liefern ein stark divergentes Licht,
sodass sie spezial angepasste Linsen- oder Spiegel-Optiken benötigen.
Ziel ist es, einen möglichst homogenen, nahezu parallelen Strahl mit kleiner Divergenz zu erzeugen.
Um augensichere Systeme zu konstruieren, sollte die abgestrahlte Leistung nicht höher als 10 bis 20 mW pro Sender
bei Aperturen von mehr als 10cm2 liegen. Moderne optische Übertragungslösungen erfüllen die Anforderungen der
Laserklasse 1m. Mit dieser Sicherheitsklasse entfallen einige Sicherheitsbestimmungen, die mit Systemen der
Laserklasse II lb noch verbunden waren.
Bei den Empfängern stehen ebenfalls zwei verschiedene Technologien zur Verfügung. Einfache Empfänger nutzen so
genannte PIN-Dioden (Positiv Intrinsic Negative).
Um die Systemreserve zu steigern, lassen sich APD-Dioden (Avalanche Photo Diode), die eine bis zu 10 dB höhere
Empfindlichkeit aufweisen, einsetzen.
Bei beiden Systemen bündeln großeEmpfangslinsen das einfallende Signal wieder auf die Dioden. Typischerweise
verfügt ein Empfänger mit PIN-Diode bei 10 MHz Bandbreite über eine Empfindlichkeit von ungefähr -40 dBm. Eine
möglichst große Empfangsfläche hat bei optischen Systemen die gleiche Bedeutung wie der Antennengewinn bei
Mikrowellen-Systemen.
Während der Einsatz von Mikrowellen-Richtfunksystemen eine Lizenz erfordert, ist diese für optische Systeme
nicht nötig. Für Firmen-Niederlassungen, die hohe Bandbreiten bei Distanzen bis zu 2.000m benötigen, bieten
sich zur drahtlosen Vernetzung optische Systeme an. Derzeit bewegt sich die Übertragungskapazität zwischen
einigen Megabit und bis hin zu mehr als einem Gigabit pro Sekunde. Optische Lösungen sind im Vergleich zu
Mietleitungen oder Mikrowellen-Richtfunksystemen gleicher Bandbreite kostengünstiger. Insbesondere entfallen
laufende Miet- oder Lizenzkosten. Eine Frequenzkoordinierung und -zuteilung durch die Regulierungsbehörde für
Telekommunikation und Post (RegTP) wie für Mikrowellen-Richtfunksysteme ist für optische Systeme nicht notwendig.
Für den breiten Einsatz spricht, dass in Ballungszentren wie Berlin, Frankfurt oder München in einigen
Frequenzbändern kaum noch Lizenzen für Mikrowellen-Richtfunksysteme erhältlich sind. Nur unter eingeschränkten
Bedingungen erteilt die RegTP eine Sende-Erlaubnis im 23-, 26-, oder 38-GHz-Band.
Übersicht
3.5.2 Dämpfung
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:
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.
Übersicht
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.
Übersicht
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.
Übersicht
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.
Übersicht
3.6 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.
Übersicht
3.7 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.
Übersicht
3.8 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
- die Übertragungssicherheit ist kleiner als bei Kabelverbindungen
- es ist eine Sichtverbindung zwischen den Systemen bzw. den Repeatern der Systeme notwendig
Übersicht
3.9 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.
Übersicht
