Begrenzungen bei der optischen Freistrahlübertragung
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Optische Freistrahlübertragung und deren Anwendung David Kneitschel Deutsche Telekom AG, Hochschule für Telekommunikation Leipzig, Gustav-Freytag-Str. 43-45, 04227 Leipzig Compiled 14. Januar 2010 In diesem Paper wird ein allgemeiner Überblick über Free-Space-Optic Systeme und deren Besonderheiten gegeben. Diverse Einflussfaktoren und typische Begrenzungen werden aufgezeigt und eine Pegelberechnung wird durchgeführt. Außerdem wird gezeigt, dass der optische Richtfunk einige Vorteile gegenüber anderen Übertragungstechniken mit sich bringt. Einleitung und Motivation führen. Bei herkömmlichen (sich in Ruhe befindenden) Free-Space-Optic Systemen im Outdoor-Bereich kann diese Problematik jedoch vernachlässigt werden. Eine weitere positive Eigenschaft ist, dass das Kapital eines FSO-Systems im Gegensatz zu kabelgebundenen Systemen nicht in der Erde vergraben ist und die Komponenten sehr kompakt sind, somit lassen sich diese Systeme ohne großen Aufwand demontieren und an einem beliebig anderen Ort wiederverwenden. Es gibt verschieden Möglichkeiten, Nachrichten von einem Ort zu einem Anderen zu übertragen. Oftmals ist es gerade in Großstädten nicht möglich, alle Teilnehmer mit Glasfasern oder ähnlichem in das bestehende Netz zu integrieren. Eine schon teilweise sehr verbreitete Möglichkeit ist die Richtfunktechnik,welche die Datenübertragung zwischen zwei festen Punkten ermöglicht. Beim Richtfunk kann man zwischen zwei Methoden unterscheiden, zum einen den klassischen elektrischen Richtfunk, welcher elektromagnetische Wellen im GHz-Bereich als Träger der Informationen nutzt und zum anderen den optischen Richtfunk, welcher das Licht als Träger der Informationen nutzt. Besonderheiten und Aufbau Eine optische Richtfunk-Übertragungsstrecke besteht aus zwei Endgeräten, welche jeweils eine Sendeeinheit und einen Empfänger haben. Als Sender werden wie bereits erwähnt LED´s oder Laser mit den Wellenlängen um 850nm oder 1550nm verwendet, als Empfänger nutzt man entsprechend an den Sender angepasste Photodioden. Einer der wahrscheinlich größten Vorteile von optischen Richtfunksystemen, Free-Space-Optic-Systeme (FSO) genannt, gegenüber klassischen Richtfunksystemen ist, dass es keine Regelungen oder erforderliche Zulassungen für die genutzten Frequenzbereiche gibt. Optische Systeme nutzen leistungsstarke LED´s oder Laser in den Wellenlängenbereichen um 850nm oder 1550nm, da sich diese bereits in der Glasfasertechnik als sehr vorteilhaft erwiesen haben und hohe Übertragungsbandbreiten ermöglichen. Da sich der Infrarotlicht-Bereich grundlegend vom elektromagnetischem Frequenzbereich anderer Funksignale unterscheidet, haben FSO-Systeme entscheidende Vorteile hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), Störverhalten bzgl. bestehender Funksysteme und Robustheit. Infrarotstrahlung kann anders als Microwellenstrahlung nicht durch Wände dringen. Diese Eigenschaft macht man sich bei IndoorSystemen, z.B. die drahtlose Kommunikation in einem Büro, zunutze. Sie führt dazu, dass die Frequenz- oder Wellenlängenbereiche innerhalb von Gebäuden mehrfach genutzt und die Datenübertragungskapazitäten sowie die Abhörsicherheit von Gebäuden wesentlich erhöht werden können. Jedoch tritt bei Indoor-Systemen das Problem der Mehrwegeausbreitung auf, welche in diesem Paper nicht weiter behandelt wird, aber in [5] nachgelesen werden kann. Die Mehrwegeausbreitung kann auch bei der car-to-car Kommunikation, welche in diesem Paper noch vorgestellt wird, zu Problemen Abbildung 1. Aufbau eines Netzwerkes mit integrierem FSO-System [1] Da Sender und Empfänger unabhängig voneinander arbeiten, ist ein Vollduplex-Betrieb möglich. FSO-Systeme dienen der kabellosen Datenübertragung und werden häufig am Rand eines bestehenden Netzes verwendet. Häufig kommen diese Systeme für LAN zu LAN Verbindungen auf Betriebsgeländen, LAN zu LAN Verbindungen innerhalb einer Stadt oder zum überwinden von Straßen oder Flüssen zum Einsatz. Der Lichtstrahl des Senders wird durch ein spezielles Linsensystem gebündelt und durch die Luft mit nahezu Lichtgeschwindigkeit gesendet. Im Empfänger erfolgt eine Verstärkung, Taktrückgewinnung und Dekodierung des Signals. Einige Geräte haben zwar eine integrierte Backuplösung (WLAN oder Mircowellentechnik), aber um die von den 1 Herstellern angegebene Verfügbarkeit von > 99% zu erreichen, muss eine uneingeschränkte Sichtverbindung zwischen den Endgeräten bestehen. Es dürfen keine extremen Wettereinflüsse wie sehr starker Nebel auf das System einwirken und die Geräte müssen so montiert sein, dass sie keinen starken Gebäudeschwankungen ausgesetzt sind. Weiterhin arbeiten diese Systeme protokollunabhängig und können somit leicht in bestehende Netzinfrastrukturen integriert werden. FSO-Systeme ermöglichen ähnlich wie Glasfasersysteme hohe Übertragungsraten bis zu 1,25Gbit/s über Entfernungen bis hin zu 5km. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei der Datenübertragung mit Licht durch den freien Raum diverse Einflüsse auftreten, welche nicht vernachlässigt werden dürfen. Abbildung 3. geometrische Dämpfung in Abhängigkeit der Divergenz [modifiziert nach [8]] Einflussfaktoren und typische Begrenzungen Für FSO-Systeme wird häufig eine empirisch vereinfachte Formel zur Berechnung dieser Streuverluste verwendet. 0,195∗S 0, 55 17 ∗ (2) as = S λ Die entscheidensten Störfaktoren sind die geometrische Dämpfung, die atmosphärische Dämpfung, Luftflimmern und Turbulenzen. Durch die geometrische Dämpfung kommt nur ein Teil der gesendeten Leistung auch am Empfänger an, was eine Reduktion der Übertragungsleistung zur Folge hat. Mit Formel (1) lässt sich die geometrische Dämpfung ermitteln. α∗R (1) ageom = 20log de as - Dämpfung in Abhängigkeit von der Sichtweite in dB km S - Sichtweite in km λ - Wellenlänge in µm Die Sichtweite ist hierbei als die Entfernung definiert, mit der ein Mensch mit bloßem Auge größere Gebäude noch erkennen kann. Diese Sichtweite wird durch Wettereinflüsse (Nebel, Dunst) stark beeinflusst. Abbildung 4 zeigt den Verlauf von aS für die Wellenlängen 800nm und 1550nm. R - Übertragungsstrecke in km α - Öffnungswinkel (Divergenz) in mrad de - Durchmesser Empfänger in m Abbildung 2. Darstellung des Öffnungswinkel (Divergenz) [modifiziert nach [2]] Bei den meisten optischen Sendern liegt die Divergenz zwischen 2mrad (0.1◦ ) und 25mrad (1,4◦ ). Der Öffnungswinkel wird relativ klein gehalten, um eine große Systemreserve zu erreichen, welche zum Beispiel bei der Überwindung von großen Entfernungen von Nöten ist. In den Endgeräten werden möglichst große Linsen von 20-30cm verwendet, um eventuell auftretende Gebäudeschwankungen zu kompensieren. Typisch für eine Sichtweite von 1,5 km und einem Linsendurchmesser von 20 cm ist eine geometrische Dämpfung zwischen 15dB (bei α = 1mrad) und 35dB (bei α = 6mrad). Abbildung 4. Streuverluste in Abhängigkeit der Sichtweite [2] Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass sich die einzelnen Bereiche der Luft unterschiedlich stark erwärmen, wodurch eine zufällige Änderung des Brechungsindex hervorgerufen wird. Diese sogenannten Turbulenzen können eine Veränderung der Streuparameter, der Strahlfokussierung und der Strahlauslenkung zur Folge haben. Turbulenzen sind zum einen abhängig von Wettereinflüsse wie Sonneinstrahlung oder starkem Wind, zum anderen kann ein falsch gewählter Montageort von Sender Molekulare Absorption und Streuung des Lichts sind Störgrößen, welche nicht vernachlässigt werden dürfen. 2 bzw. Empfänger ebenfalls starke Turbulenzen hervorrufen. Aus diesem Grund sollten die Komponenten eines Free-Space-Optic Systemes nicht in unmittelbarer Nähe von heißen Oberflächen montiert werden. Zu beachten ist, dass Teerdächer und Asphaltstraßen an heißen Tagen ebenfalles starkes Hitzeschillern hervorrufen können. Es ist jedoch mittels geeigneter Empfangstechnik, bestehend aus Regelverstärkern und Begrenzern, möglich, diese Turbulenzen auszugleichen. Als Richtwert kann eine Dämpfung von 2-3 dB/km angenommen werden. Für eine Übertragungsstrecke von 1 km, einem Durchmesser der empfangenden Optik von 20cm und einer Divergenz von 2mrad würde sich eine Gesamtdämpfung von 32dB ergeben. Die Gesamtdämpfung setzt sich zusammen aus einer geometrischen Dämpfung von 20dB, Verluste durch Sendeoptik und Frontscheiben, welche mit 5dB angegeben werden, die Streuverluste betragen bei klarem Wetter ca. 1dB und für Tubulenzen und Flimmer wird eine Dämpfung von je 3dB angenommen. Geht man von einer typischen 12dBm Sendeleistung und einer geforderten Empfangleistung von -16dB bis -40dB aus, erhält man eine Systemreserve von 20dB/km. [2] [4] den, in [6] wird eine Anwendung der Freistrahlübertragung in zukünftigen Rechnersystemen vorgestellt. Diese Beispiele zeigen, dass Kommunikation mit Licht viele Anwendungsmöglichkeiten bietet. Free-Space-OpticSysteme bringen wie alle Übertragunssysteme einige Einflussfaktoren mit sich, welche aber zunehmend durch entsprechende Technik und angewendete Verfahren minimiert werden können. So werden zum Beispiel mehrere LED´s oder Laser in einem Gerät als sogenannte Mehrstrahlsysteme verwendet, um kurzzeitige Unterbrechungen durch Vögel oder ähnliches zu vermeiden. Sollte es jedoch trotzdem zu einer Unterbrechung des Signalflusses kommen, werden durch angewendete Techniken wie Token Ring oder Ethernet die verloren gegangenen Informationen erneut gesendet. FSO-Systeme vereinen die Vorteile der Glasfasertechnik mit den Vorteilen kabelloser Übertragungssysteme. Das bedeutet, dass hohe Übertragungsraten von derzeit 1,25Gbit/s, ohne teure Glasfaserleitungen verlegen zu müssen, erreicht werden können. Der optische Richtfunk ist für Entfernungen bis zu einigen hundert Metern nicht nur eine kostengünstige und leistungsfähige Alternative zum Mikrowellenrichtfunk, sondern, bei Berücksichtigung der in diesem Paper vorgestellten Bedingungen, sogar die bessere Variante, um zwei Netze oder Komponenten miteinander zu verbinden. Bei größeren Entfernungen sollte eine Abwägung der gezeigten Einflussfaktoren für den vorgesehenen Standort erfolgen. Free-Space-Optic Systeme werden in den nächsten Jahren mehr und mehr gefragt sein, um den steigenden Bandbreitenbedarf abdecken zu können. car-to-car Kommunikation Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von FSOSystemen neben dem klassischen optischen Richtfunk ist die car-to-car Kommunikation. Die Forschungsund Entwicklungsabteilungen arbeiten mehr und mehr an der Technik zur Fahrzeugkommunikation. Es gibt bereits einige Systeme, die den Fahrer eines Kfz´s bei seiner Fahraufgabe unterstützen. Die hier eingesetzten Sensoren können jedoch nur Daten im unmittelbaren Umfeld des Fahrzeuges aufnehmen. Zukünftige Systeme sollen die Menge an Informationen erheblich erhöhen, indem die Fahrzeuge untereinander Daten austauschen. Solche Daten könnten z.B. Fahrbahnverlauf, Witterungs- (Regen, Schnee, Glatteis etc.), Baustellen-, Abstands- oder Stauwarnung sein. Um dies realisieren zu können, ist eine Vernetzung der Fahrzeuge von Nöten. Einige Autohersteller verwenden bereits heute LED´s als Beleuchtungsmittel, was ein guter Grundstein für die car-to-car Kommunikation ist. In [7] wird näher auf die Möglichkeiten einer flächendeckenden Vernetzung von Fahrzeugen eingegangen. Die optische Datenübertragung eignet sich für die Interfahrzeugkommunikation gut, da mit Ihr eine gerichtete Verbindung möglich und die Störanfälligkeit durch andere Funksender sehr gering ist. Bei der International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles [3] im Juni 2009 stellte BMW ein Pilotprojekt zur car-to-car Kommunikation vor, was zeigt das solche Systeme nicht mehr lange auf sich warten lassen. Literatur [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Zusammenfassung Die vorgestellte car-to-car Kommunikation ist nur ein Bereich, in der FSO-Systeme zukünftig eingesetzt wer3 www.cbl.de Beat Reist, P. P.: Studie über optische Richtfunksysteme, Telematikschule Bern TS, Diplomarbeit, 2002. – http://www.kaos.ch/sors/frameset.asp Boelsterl, K. : BMW Group zeigt ihre Sicherheitsphilosophie auf der ESV Konferenz. In: automobilsport.com (2009) CBL: Kommunikation mit Licht - So alt wie die Menschheit. Gesellschaft für optische Kommunikationssysteme mbH Edgar Voges, K. P.: Optische Kommunikationstechnik. Springer Verlag, 2002. – ISBN 3540672133 Holzer, J. : Optische Freistrahlübertragung in zukünftigen Rechnersystemen. Universität Heidelberg, 2004 Iske, D.-I. B.: Optische Interfahrzeugkommunikation mittels lichttechnischer Einrichtungen. Universität Paderborn, 2002 Jäckels, L. : Grenzen optischen Richtfunks. In: Funkschau (2002). – www.funkschau.de
