Optische Freiraumübertragungstechnik

Ein 8-Strahl-FSO-Gerät, das über etwa 2 km eine Datenrate von 1 Gb/s erreicht. Die große Linse in der Mitte ist der Empfänger, die kleineren außen herum die Sender.

Bei Optischem Richtfunk, englisch: Free Space Optics (FSO), auch Optische Freiraumdatenübertragung, Laserlink, Infrarotlink oder Optische Freiraumübertragung genannt, handelt es sich um eine Technik zur Übertragung von in der Regel digitalen Daten (damit auch Sprache, Video etc.) mittels Licht.

Da derzeitige Systeme im richtfunkähnlichen Punkt-zu-Punkt-Betrieb arbeiten, hat sich im deutschsprachigen Raum der Begriff Optischer Richtfunk eingeprägt. Der englische Begriff Free-Space Optics (FSO) ist wegen des fehlenden Bezugs zur Funktechnik innerhalb eines entsprechenden Kontextes treffender.

Kommerzielle FSO-Systeme erreichen Entfernungen bis zu einigen Kilometern mit Datenraten bis zu 2,5 Gigabit/s (STM-16, ein Netzwerkprotokoll aus der SDH-Welt). Free-Space Optics kann überall dort eingesetzt werden, wo hochbitratige Verbindungen benötigt werden und Glasfaserkabel nicht vorhanden beziehungsweise zu teuer sind.

Anwendungen

• LAN-zu-LAN-Verbindungen auf Betriebsgeländen (Fast Ethernet; Gigabit Ethernet).
• LAN-zu-LAN-Verbindungen innerhalb einer Stadt
• Überwindung von Verkehrswegen und Hindernissen (zum Beispiel Straßen und Flüssen)
• Schnell bereitzustellender Breitband-Zugang zu Metronetzen von Telecom-Anbietern (Carriern)
• Temporärer Netzausbau
• Erhöhung der Übertragungssicherheit durch zusätzliche Verbindung mittels FSO (Redundanz)
• Kombinierte Sprach-Daten-Verbindungen
• Einsatz zur Wiederherstellung von Verbindungen (Disaster Recovery)
• Einsatz zur Verbindung von Netzen und Digipeater im Amateurfunk

Da der Strahl verhältnismäßig schmal verläuft, ist diese Art der schnurlosen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sehr abhörsicher. Außerdem ist die Elektromagnetische Umweltverträglichkeit gut und die Beeinflussung der Umwelt durch Elektromagnetische Felder kann so auf ein Mindestmaß reduziert werden.

Geschichte

Bereits im Jahre 1880 hat Alexander Graham Bell das Photophone zur Übertragung von Sprache mittels Licht zum Patent angemeldet. Diese Entwicklung setzte sich jedoch wegen des Booms der elektrischen Telefonie nicht durch.
Die deutsche Wehrmacht entwickelte ein sog. Lichtsprechgerät, gebaut von Carl Zeiss Jena, und setzte ein Lichtsprechgerät 80/80 vor allem in Befestigungseinrichtungen, so zur Richt-Übermittlung am Atlantikwall ein.^[1] Die Einheiten des Ministerium für Staatssicherheit der DDR setzten gleichfalls ein eigenes Lichttelefon im Grenzbereich ein.^[2]. In beiden Fällen wurde die kurze Reichweite durch den Vorteil der Abhörsicherheit ausgeglichen.
Ab ca. 1960 gab es Bastelanleitungen für Lichttelefone, mit denen Sprachübertragung bis etwa 100 m möglich war. Als Sender wurden Glühlampen benutzt.
Mit der Entwicklung der Laser-Technologie Mitte der 1960er Jahre wurden erste ernsthafte Versuche mit Lichttelefonen unternommen. Besonders im militärischen Bereich wurden diese Entwicklungen gefördert. Mit der Entwicklung leistungsstärkerer Glasfasern zur optischen Datenübertragung geriet der optische Richtfunk wieder in den Hintergrund. Für das Militär und die Weltraumforschung wurde diese Entwicklungstätigkeit jedoch nie eingestellt. Dies hat seinen Grund in einer Reihe vorteilhafter technologischer Eigenschaften von FSO, welche sich in den letzten Jahren auch für die zivile Nutzung als interessant herausstellten.

Maßgeblichen Einfluss hatte auch die Entwicklung preiswerter Diodenlaser, die überdies sehr einfach mit sehr hohen Bandbreiten moduliert werden können.

Technologische Eigenschaften und technische Herausforderungen

FSO ist eine Technologie, die transparente Datenübertragung erlaubt. Da Licht genutzt wird, sind theoretisch sogar höhere Übertragungsraten möglich als mit Glasfaser-Übertragungstechnik, da das Problem der Dispersion nahezu entfällt.
Bei der Datenübertragung mit Licht durch den freien Raum gibt es verschiedene Einflüsse in der Atmosphäre, die technologisch zu überwinden sind, wie beispielsweise:

• Luftflimmern
• Umgebungslicht
• Abschattung
• Witterungseinflüsse
• Umweltverschmutzung / Rauch

Diese Einflüsse wirken sich auf Optische Richtfunk-Systeme dahingehend aus, dass das Signal gedämpft wird und/oder die Fehlerrate in der Übertragung steigt. Um diesen Einflüssen aus dem Weg zu gehen, werden durch Hersteller verschiedene technische Kniffe angewendet, wie zum Beispiel eine "Diversity-Architektur" (mehrere Sender und mehrere Empfänger in einem gewissen Abstand) und genügend "Fademargin" (Leistungsreserve gegen witterungsbedingte Signaldämpfungen). Die möglichen Leistungsreserven sind aus Sicherheitsgründen beschränkt. Derartige Lasersysteme sollten keine Gefahr für Mensch und Tier darstellen. Kommerzielle Systeme halten in der Regel die Laserklassen 1 und 1M ein, die keine Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb solcher Anlagen erfordern.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen kabellosen Übertragungstechnologien

Die wesentlichen Vorteile sind:

• Sehr schneller Aufbau
• Lizenzfreier Betrieb
• Im engen Lichtstrahl begründete hohe Datensicherheit
• Hohe Bitraten (siehe auch: Datendurchsatz)
• Keine Fresnelzone notwendig
• Geringerer Einfluss von Regen und Schnee auf die Übertragung
• Fullduplex Übertragung
• Netzwerkprotokoll-Transparenz
• Keine Interferenzprobleme
• Günstigeres EMV/EMVU-Verhalten

Demgegenüber hat auch Mikrowellenrichtfunk Stärken, die in professionellen Lösungen nicht selten größere Entfernungen unterstützen und einer geringeren Dämpfung bei Nebel aufweisen. Beide Technologien haben den gemeinsamen Vorteil im Vergleich zu Glasfaserkabel, dass die Investition nicht in die Erde vergraben wird, also bei Bedarf auch anderweitig genutzt werden kann (beispielsweise bei Umzug).

Die wesentlichen Nachteile sind:

• Probleme beim Anflug in Luftverkehr
• Probleme im Bereich der Sternenkartographie

In bestimmten Bereichen sind grüne Laser problematisch z.B. im Luftverkehr oder der Sternenkartographie. Tests im Bereich des Amateurfunks haben gezeigt, dass sich diese Effekte z.B. durch die Verwendung von Infrarot anstatt grünem Licht minimieren lassen.

Siehe auch

RONJA

• Richtfunk
• RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access)
• Laser Communication Terminal (LCT)
• Optische Kommunikation

Literatur

• Heinz Willebrand, Baksheesh S. Ghuman: Optischer Richtfunk, Huethig, ISBN 3-7785-3967-1
• Ernst Sutter: Schutz vor optischer Strahlung, VDE-Schriftenreihe, ISBN 3-8007-2667-X

Weblinks

• Informative private Website zum optischen Richtfunk
• Website der DLR zum EU-HAPCOS, Datenübertragung mittels hochfliegender Plattformen

Belege

1. ↑ siehe Fotos auf privater Website: Lichtsprechgerät 1, Lichtsprechgerät 2, Lichtsprechgerät 2
2. ↑ Newsletter des Museum in der „Runden Ecke“ mit dem Museum im Stasi-Bunker