Opto-Antenne: Funksignale direkt via Glasfaser übertragen

| Autor / Redakteur: Piet Demeester / Sebastian Gerstl

"Radio over Fiber": Die am IDLab des belgischen Forschungsinstituts imec entwickelte Opto-Antenne soll den Datendurchsatz von Mobilfunkantennen verbessern, stützt sich aber auf Glasfaser-Technologie.
"Radio over Fiber": Die am IDLab des belgischen Forschungsinstituts imec entwickelte Opto-Antenne soll den Datendurchsatz von Mobilfunkantennen verbessern, stützt sich aber auf Glasfaser-Technologie. (Bild: Imec)

Um den Bedarf an höherem Datenvolumen in Zukunft decken zu können, ist laut Imec-Institut der Einsatz von optischer Technologie unumgänglich. Dazu zählen Small-Cell-Antennen, die ohne elektrischen Verstärker direkt per Glasfaser versorgt werden.

Cloud Computing Applikationen zählen zum Mainstream der IT-Welt. Auch der prognostizierte siebenfache Anstieg des globalen mobilen Datenverkehrs bis 2021 ist ein Trendindikator für den wachsenden Bedarf an breitbandiger High-Speed-Konnektivität. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, fokussiert die internationale Forschungs-Community immer stärker auf die Weiterentwicklung der optischen Kommunikationssysteme, mit Licht als Transportmedium für die erwarteten riesigen Datenmengen, die es von einem Ort zum anderen zu übermitteln gilt.

Immer höhere Übertragungsraten

Als Lichtleiter für die zu übertragenden Daten nutzen optische Kommunikationssysteme flexible transparente Fasern aus Glas oder Kunststoff, mit Durchmessern in der Größenordnung der Dicke eines menschlichen Haares. Im Vergleich zu traditionellen Kupferkabeln ermöglichen sie die beträchtlich schnellere Übertragung umfangreicher Datenmengen über größere Entfernungen.

Auf der ECOC (European Conference on Optical Communication) im September 2017 meldeten japanische Forscher einen grundlegenden Fortschritt in Bezug auf den Datendurchsatz, der sich mit einer einzigen optischen Faser bewältigen lässt: Sie erreichten Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 Petabit (10 Millionen Gigabit) pro Sekunde. Das ist eine wesentliche Errungenschaft, die zweifellos den Aufbau und den Betrieb von interkontinentalen faser-optischen Kommunikationsnetzen revolutionieren wird.

Bei der Entwicklung von immer leistungsfähigeren optischen Kommunikationssystemen müssen zunehmend schnellere und effizientere optische Transmitter und Empfänger an beiden Enden des Übertragungswegs eingesetzt werden. Genau das ist der Ansatz und die Stärke des IDLab, einer Forschergruppe von Imec, die an der belgischen Universität Gent angesiedelt ist.

Die Grenzen der Glasfasertechnik erweitern

Die Forschungen am IDLab, speziell im Bereich der Kommunikation über Lichtwellenleiter, zielen auf die Verbesserung der Performance von vier Technologien, insbesondere auf:

  • Datenzentrum Interconnect über Kurzstrecken: der Einsatz von Lichtleitern zur Verbindung der Server eines Datenzentrums mit einem Ethernet Switch – zum Zugriff auf Netzwerk-Ressourcen oder zur Ermöglichung der Server-zu-Server-Kommunikation;
  • Passive optische Netzwerke (PON): Netzwerk-Architekturen, in denen eine einzige optische Faser mehrere Endstellen (Wohnungen und Büros) mit breitbandiger High-Speed Konnektivität versorgt;
  • Kohärente Weitverkehrs-Technologie: Fernübertragung sehr großer Datenmengen per Lichtwellenleiter – mit Einsatz der Amplituden- und Phasenmodulation des Lichts, und der Übertragung mit zwei Radio-over-Fiber für 5G (und darüber hinaus): Da 5G-Netze das Aufstellen vieler kleinen Funkzellen erfordern, erlaubt die Radio-over-Fiber-(Funksignal-Übertragung per Lichtleiter)-Technologie das Verteilen von Mobilfunksignalen an diese Zellen mit hohen Frequenzen und das direkte Umsetzen aus der optischen in die elektrische Domain, bevor sie über eine Antenne verstärkt und ausgestrahlt werden. Damit fällt eine Frequenzumsetzung innerhalb der Zelle weg. Die geringere Komplexität ermöglicht kosteneffizientere Implementierungen.

Neue Perspektiven: Radio-over-Fiber

Prognostizierter Anstieg des globalen mobilen Datenverkehrs: bis 2021 soll das aufgewendete mobile Datenvolumen im Vergleich zu 2017 auf das Siebenfache ansteigen.
Prognostizierter Anstieg des globalen mobilen Datenverkehrs: bis 2021 soll das aufgewendete mobile Datenvolumen im Vergleich zu 2017 auf das Siebenfache ansteigen. (Bild: Statista)

Der neueste Zweig der Forschungsagenda am IDLab nennt sich Radio-over-Fiber (RoF). Pet Demeester zufolge wird diese Technologie im Verlauf des Jahres 2018 zunehmend an Bedeutung gewinnen. Sie soll speziell den Bereich der Mobilfunk-Technologie mit kleinen Zellen (‘small cells’) massiv vorantreiben. Kleine Zellen bedingen eine große Anzahl von Antennen, die jeweils nur einen kleinen Bereich versorgen und eine sehr schnelle und breitbandige Versorgung ermöglichen. Dabei gilt: Je kleiner die Zelle, desto höher die erzielbare Bitrate.

Der Trend in Richtung immer kleinerer Zellen ist an sich nichts Neues. Doch die angestrebte Aggregation von mehr und mehr Funktionalität und deren Verlagerung aus den Basisstationen der kleineren Zellen in ein als ‘Cloud Radio Access Network’ (Cloud RAN) bezeichnetes Funknetz mit Cloud-Zugriff, oft auch Centralized RAN genannt, setzt eine neue Entwicklung in Gang.

Traditionelle Mobilfunknetze sind mit einer Vielzahl von selbstständigen Basisstationen konfiguriert, wobei jede dieser Basisstationen ihre eigenen Signale von den mobilen Terminals empfängt, verarbeitet und an diese zurückgibt, und das Datenaufkommen der mobilen Terminals an das Netzwerk vermittelt. Jede Basisstation hat dazu ihre eigenen Kühleinrichtungen, Backup-Batterien, Monitorsysteme, etc.

In zukünftigen Systemen, die mit einer wachsenden Anzahl kleiner Zellen betrieben werden, ist die Wertschöpfung mit zentralisiertem RAN offensichtlich: Die Aufteilung der Funktionalität und gemeinsame Nutzung der Hardware-Installationen im Netz senken die Kosten, und RoF wird zu einer fundamentalen Voraussetzung zur möglichst einfachen und kosteneffektiven Kommunikation zwischen einem Cloud RAN und seinen entfernten Antennen.

Das Imec konzentriert sich auf dieses Technologiefeld, da in den Augen der Forscher diese Zusammenhänge von den meisten internationalen Forschungseinrichtungen bis heute nicht in allen Details untersucht worden sind. Das IDLab hat dagegen auf diesem Gebiet bereits einige Fortschritte erzielt, darunter etwa die so genannte Opto-Antenne. Das ist eine passive Antenne, die direkt mit einem Lichtwellenleiter verbunden ist und keinen (elektrischen) Verstärker mehr benötigt, um ein HF-Signal zu erzeugen. Da alle ihre aktiven Funktionalitäten im Cloud RAN residieren, könnte unsere Opto-Antenne auf einfache Weise in eine Vielzahl von Baumaterialien (Bodenfliesen, Tapeten, etc.) integriert werden, um eine sehr schnelle drahtlose Konnektivität über kurze Strecken zu erzielen. In ersten Tests haben die Foscher des IDLab damit Bitraten von 0,5 Gbit/s bei Entfernungen von bis zu 20 cm realisiert.

Eine optische Zukunft

Piet Demeester, Leiter des IDLab, einer Gruppe von Imec-Forschern an der Universität Gent, Belgien.
Piet Demeester, Leiter des IDLab, einer Gruppe von Imec-Forschern an der Universität Gent, Belgien. (Bild: imec)

"Wenn man große Datenmengen über längere Entfernungen übertragen will, ist es offensichtlich, dass die optische Technologie auch weiterhin die am besten geeignete Methode ist – nicht nur für den Einsatz im Festnetz, sondern auch im drahtlosen Bereich" sagt Piet Demeester, Leiter des IDLab. "Auch unsere Forschungsarbeiten auf dem Gebiet von RoF werden grundlegend dazu beitragen, diese Konzepte in die Realität umzusetzen. Da das verfügbare Spektrum der mobilen Kommunikation und deren spektrale Effizienz die Grenzen ihrer Skalierbarkeit erreichen, ist die Einrichtung immer kleinerer Funkzellen der Schlüssel zur weiteren Erhöhung der Bitraten in der drahtlosen Kommunikation. Dazu sind besonders kosten-effiziente Technologien wie RoF gefordert."

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