Übertragungseigenschaften des Freistrahlkanals

Die vorliegende Erfindung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 226 346.0 vom 21. Dezember 2015 in Anspruch, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Übertragung von Daten in einem optischen Freistrahlkanal im Falle verschlechterter Übertragungseigenschaften des Freistrahlkanals, wobei der Effekt der Kanalreziprozität genutzt wird.

Optische Punkt-zu-Punkt Freistrahl-Datenlinks (Free-Space Optics, FSO) leiden unter Signalfading, welches durch Brechungsindexturbulenz verursacht wird. Dieses Fading führt zu Unterbrechungen des Datenstroms und damit zur Datenverlusten und schlechter Übermittlungsqualität. Die Fadingverluste können durch konventionelle Fehlersicherungsverfahren (Error Control, EC) kompensiert werden, wie z. B. FEC (Forward Error Correction) oder ARQ (Automated Repeat Request). Damit verbunden ist aber immer eine Verzögerung in der Datenübermittlung, da mit diesen EC-Verfahren Einflusslängen verbunden sind, welche die Fadingzeiten überbrücken müssen (zum Erreichen eines "ergodischen Kanals"). Die Datenübermittlung wird daher typisch um das drei- bis zehn-fache (je nach EC-Effizienz) der Kanal-Fadedauern verzögert. Diese dauern typisch 1 bis 10 Millisekunden, jeder EC-gesicherte FSO Link verzögert also die Datenübertragung um typisch 50 bis 100 Millisekunden. Besteht ein Datennetzwerk aus mehreren solcher FSO-Links hintereinander, so entstehen Gesamtverzögerung von einigen 100ms, was für viele Kommunikationsanwendungen (Telefonie, Videokonferenz, Online-Gaming) unakzeptabel ist. Wie zuvor beschrieben, erfordert ein effizientes FEC-basiertes EC-Verfahren Einflusslängen und damit Verzögerungen, die sehr viel länger sind als das eigentlich zu kompensierende Fading-Ereignis. Bei ARQ orientiert sich die Verzögerung zwar an der Dauer des tatsächlichen aktuellen Fade Ereignisses. Es kommt dadurch aber zu unvorhersagbaren Variationen (Jitter) der Verzögerung, was ebenfalls in vielen Anwendungen nachteilig ist. Zudem können die "Repeat-Requesf'-Pakete im Rückkanal ebenfalls verloren gehen, was zu weiteren unvorher-sagbaren Übermittlungsverzögerungen und Verringerung der Datenübertragungsleistung führt.

Ein üblicher Weg zur Erfassung und Kompensation von Fading ist ein zusätzlicher Kommunikationskanal zwischen den Partnern, über den die aktuelle Qualität des empfangenen Signals ausgetauscht wird (Channel State Information, CSI). Die Partner können mit diesem Wissen entsprechend reagieren . Wenn Partner "A" weiß, dass sein Signal durch Brechungsindexfading gestört wird und bei "B" gerade eine geringe Signalamplitude empfangen wird, so kann "A" z.B. den FEC-Overhead erhöhen (mehr Bitfehler können dann korrigiert werden, allerdings verringert sich die Nettodatenrate dadurch vorübergehend etwas,) oder seine Datenrate verringern oder das Senden von Daten ganz einstellen (da "A" je nach Fading-Stärke sowieso davon ausgehen muss, dass nichts bei "B" ankommt). Weitere Adaptionsmethoden existieren. Der Nachteil hierbei ist aber, dass solch ein zusätzlicher Kommunikationskanal physikalisch eingerichtet werden muss. Nimmt man stattdessen den sowieso bestehenden FSO-Datenlink, so ist der Austausch der CSI ebenfalls vom Fading betroffen - die CSI kommt damit gar nicht erst beim Partner an.

In US-A-2005/0005225, US-A-2005/0238357, US-A-2015/0171961 und DE-B- 2014 208 075 B3 sind Einrichtungen und Verfahren für die optische Freistrahldatenübertragung beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verzögerungszeiten zur Fehlerkorrektur bei sich verschlechternden Übertragungseigenschaften eines optischen Freistrahl- kanals zu verringern. Außerdem soll ein neues EC-Verfahren angegeben werden.

Zu Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Übertragung von Daten in einem optischen Freistrahlkanal im Falle verschlechterter Übertragungseigenschaften des Freistrahlkanals vorgeschlagen, mit den folgenden Schritten :

Bereitstellen von Terminals mit symmetrischer Terminalgeometrie d.h. mit gleicher Terminalkonstruktion, bei der über dieselbe Apertur längs einer gemeinsamen Strahlachse ein Sendestrahl gesendet und ein Empfangsstrahl empfangen wird,

in jedem Terminal empfangsseitig erfolgendes Ermitteln der Empfangsleistung und

in jedem Terminal senderseitig erfolgendes Ergreifen von Maßnahmen beim Senden von Daten in dem Fall der Verringerung der ermittelten Empfangsleistung und/oder des Unterschreitens mindestens eines vorgebaren Schwellwerts seitens der Empfangsleistung zur Aufrechterhaltung einer sicheren Datenübertragung und/oder einer Übertragung von Daten, und zwar insbesondere mit dem Ziel der empfangsseitigen Durchführung einer Korrektur der empfangenen Daten.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe dient darüber hinaus erfindungsgemäß die Verwendung des Phänomens der Reziprozität eines optischen Freistrahlkanals zwischen zwei Terminals mit gleicher Terminalgeometrie, d. h. gleicher Terminalkonstruktion, wobei Sende- und Empfangsstrahlen in beiden Terminals jeweils dieselbe Apertur passieren, zur Aufrechterhaltung der Datenübertragung bei sich verschlechternden Übertragungseigenschaften des Freistrahlkanals, indem

in jedem Terminal die Empfangsleistung des Empfangsstrahls ermittelt wird und

in jedem Terminal im Falle der Verringerung der ermittelten Empfangsleistung und/oder des Unterschreitens mindestens eines vorgebaren Schwellwerts seitens der Empfangsleistung zur Aufrechterhaltung einer sicheren Datenübertragung und/oder einer Übertragung von Daten Maßnahmen ergriffen werden, und zwar insbesondere mit dem Ziel der empfangsseitigen Durchführung einer Korrektur der empfangenen Daten,

wobei ergriffene Maßnahmen wieder beendet werden, wenn die ermittelte Empfangsleistung wieder ansteigt und/oder den mindestens einen

Schwellwert übersteigt.

Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Erfindung macht sich den Effekt der "Kanalreziprozität" zunutze (zur "Kanalreziprozität" siehe Dirk Giggenbach, William Cowley, Ken Grant, and Nicolas Perlot, "Experimental verification of the limits of optical Channel intensity reciprocity", Appl. Opt. 51, 3145-3152, May 2012; Nicolas Perlot, Dirk

Giggenbach, "Scintillation correlation between forward and return spherical waves", Appl. Opt. 51, 2888-2893, May 2012). Die Kanalreziprozität beruht auf der Tatsache, dass bei symmetrischen Terminalgeometrien (wie sie bei bidirektionalen Inter-HAP (High Altitude Plattform)-Links der Fall sind) und wenn Sende- und Empfangsstrahl über die selbe Apertur gesendet bzw. empfangen werden ("mono-static terminal layout"), die Intensität des Signals auf der Strahlachse bei beiden Partner gleich ist. Das bedeutet, dass beide Partner dieselbe Empfangsleistungsamplitude detektieren, und damit der eine Partner bereits ohne jegliche zusätzliche Kommunikation und Verzögerung weiß, dass das Signal beim anderen Partner fadet.

Wie in der Zeichnung ersichtlich, sind die beiden Signale in der Realität nicht absolut identisch (Korrelationskoeffizient kleiner 1). Dies wird verursacht durch :

• zu große Empfangsapertur: der Korrelationskoeffizient sinkt wenn die Empfangsapertur größer als die Intensitätsspeckle wird, da dann auch nicht-identische Intensitätsflächen empfangen werden. • Unterschiedliche Pointingqualität der beiden Terminalmechaniken unterschiedliche Fades erzeugt durch ungenügende Strahlausrichtesteuerung.

• Stark asymmetrische Brechungsindexstruktur entlang des Linkpfades; z.B. können starke Turbulenzen in der Nähe eines Partners die Intensitätsstrukturgrößen so stark beeinflussen, dass nur noch sehr kleine Aperturen gute Reziprozität erzeugen.

• Zu hohe Time-of-Flight (-> Distanz) lässt die Brechungsindexstruktur entlang des Pfades ändern während die Strahlen noch in beiden Richtungen unterwegs sind. Rechnet man mit der Lichtgeschwindigkeit c=300 km/ms und nimmt einer Änderung der Brechungsindexstruktur durch Seitenwind von etwa 30 m/s an so lässt sich abschätzen, dass dies im ungünstigen Fall ab 300 km Distanz ein Problem werden kann. Hierbei ist noch zu unterscheiden, ob die HAPs durch Antrieb geostationär gehalten werden und somit gegen den Seitenwind stehen (wodurch es zu einer großen Relativgeschwindigkeit des Links im Seitenwind kommen kann), oder ob die HAPs antrieblos mit dem Wind driften (wie bei "Loon", einem Forschungsprojekt von Google, bei dem die HAPs als Ballons ausgeführt sind) - dann ist der virtuelle Seitenwind sehr viel geringer und es dürfte kaum zu einer Verringerung der Signalkorrelation kommen.

Die Erfindung betrifft also ein adaptive Übertragungsformat: Da "A" weiß, wann bei "B" die Empfangsqualität sinkt, kann "A" proaktiv reagieren, um die Datenübertragung verzögerungsfrei aufrechtzuerhalten und die Datenrate zu optimieren :

1) z.B. sendet "A" in diesem Zeitraum zusätzliche FEC-Information (FEC- Code mit erhöhter Rate), sichert also die Daten robuster ab. "B" nutzt diese zusätzliche Information, um die Datenpakete trotz erhöhter

Fehlerrate korrekt zu korrigieren .

2) Eine weitere Möglichkeit ist, dass "A" seine Datenpakete während eines Fades mehrfach sendet (umso öfter je stärker der Fade ist), und somit "B" die mehrfach empfangenen verschlechterten Daten mit entsprechenden Algorithmen kombiniert, um sie letztendlich wieder korrekt darzustellen. Hierzu können Standard-Diversitätsempfangsverfahren wie z. B. "Se- lection Combining", "Equal Gain Combining" oder "Maximum Ratio

Combining" angewandt werden, und zwar auf Bit-Ebene (dazu müssen analoge Samples der Bits gespeichert werden, bis die Wiederholung des Bits vorliegt und somit die Kombination erfolgen kann) oder auf Basis der bereits entschiedenen Bits oder Bytes (z.B. Mehrheitsentscheidung von einer ungeraden Anzahl von Bits). ) "A" kann zudem proaktiv FEC-Redundanzinformationen (eigene FEC- Pakete) nachschicken; dies ist quasi ein Hybrid-ARQ, und zwar ohne die Verzögerung, welche normalerweise bei hybrid-ARQ durch die FEC- Anforderungskommunikation entsteht. ) Mit einem variablen Datenraten-Verfahren (vDR) kann "A" weiterhin zusätzlich die Signal-Surges (Amplitudenerhöhungen) ausnutzen, um während eines Surges mehr Daten zu senden als im Mittel möglich wäre (wenn man sich sonst an der mittleren Empfangsleistung orientiert). Die Kanalkapazität wird also besser ausgenutzt. ) vDR-Verfahren - (Variation 1) : Eine frei variable Datenrate kann zusammen mit entsprechenden Empfängertypen ("schrotrauschbegrenzt") dazu genutzt werden, dass die Empfangsenergie pro Datenbit konstant ist. D.h. wenn die Empfangsleistung niedrig ist, verlängert der Sender die Bitdauer (bei konstanter Sendeleistung), damit beim Empfänger dieselbe Energie pro Bit wie bei größerer Empfangsleistung erzeugt wird. So bleibt die "Bitqualität" bzw. die Bitfehlerrate konstant. Entsprechende hier nicht behandelte Synchronisierungsalgorithmen stellen sicher, dass der Empfänger die jeweilige Datenrate korrekt identifiziert. ) vDR- Verfahren -(Variation 2) : zusammen mit einem optischen Sendeverstärker, der eine konstante mittlere Leistung erzeugt (Fiber Amplifier, wie in der opt. Telekommunikation üblich) kann die Pulsenergie des Datenstroms erhöht werden, wenn die Auszeiten im Datenstrom verlängert werden. Hierzu kann die RZ-Modulation (Return-to-Zero) in einer Abwandlung eingesetzt werden : Standardmäßig wird hier die "ON"-Phase im binären Datenstrom verkürzt (das Signal kehrt zur Null zurück - bleibt also nicht wie beim konventionellen On/Off-Keying während des ganzen "1"-Bits an). Entsprechend enthält der Puls dieselbe Energie, aber eine höhere Spitzenleistung, was zu einer besseren Bitfehlerrate führt. Zur Datenratenvariation belässt man nun die On-Puls-Länge gleich, aber ändert die Off-Zeit nach dem Puls. Die Energie (und Peakleistung) im Puls konstanter Dauer nimmt somit beim Sender zu. Dies kann damit genutzt werden, um die Pulsleistung beim Sender während eines Fades konstant zu halten. Der Empfänger sieht somit immer gleich starke Pulse, nur die Off-Zeiten danach variieren - und somit die effektive Datenrate. Umgekehrt kann das Austastverhältnis während eines Surges so geändert werden, dass die Peakleistung verringert wird und somit eine höhere effektive Datenrate erzeugt wird. Die Kanalkapazität wird somit optimal genutzt.

Allen diesen Verfahren gemeinsam ist, dass sie praktisch keine Übermittlungsverzögerung erzeugen. Zusätzlich wird die Datenübertragungskapazität des optischen Kanals besser ausgenutzt.

Mit der Erfindung wird also erreicht, dass die Verzögerungszeiten in Folge aufwendigerer Fehlerkorrekturen bei verschlechterten Kanalbedingungen verringert werden können. Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für Kommunikationsnetzwerke, die aus vielen HAP besteht, welche durch FSO- Links über mehrere Hundertkilometer Distanz miteinander vernetzt sind. Solche HAP-Netzte befinden sich derzeit in Planung durch z. B. Unternehmen wie Google und Facebook.

Ein Aspekt der Erfindung ist also in dem Ergreifen von Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Freistrahldatenkommunikation bei sich verschlechternden Kanaleigenschaften (z. B. witterungs- bzw. atmosphärenbedingt) zu sehen, was wegen der Kanalreziprozität, die erfindungsgemäß ausgenutzt wird, spontan erfolgen kann, da jedes Terminal jederzeit "aus eigenen aktuellen Erfahrungen weiß", wie groß die Leistung des Empfangssignals beim jeweils anderen Terminal ist.

FSO-Kommunikationsterminals für optische Inter-HAP Datenlinks haben für

Reziprozität ideale Eigenschaften :

Sende- und Empfangsstrahl werden normalerweise schon aus Platz- und Gewichtsgründen durch dieselbe Apertur geführt (monostatisch).

Die Aperturgrößen sind aus Gewichtsgründen moderat groß (ca. 5 bis 10 cm Durchmesser) und damit in jeden Fall kleiner als die Intensitätsstrukturgrößen in der Stratosphäre.

Der optische Pfad zwischen zwei weit auseinander liegenden HAPS in der Stratosphäre hat die stärkste Brechungsindexturbulenz in der Mitte, was die Reziprozitätsqualität maximiert (Korrelationskoeffizient sehr nahe bei 1).

Gebiete der Erfindung können sein :

Optische (stratosphärische) Inter-Platform Links in HAP- Kommunikationsnetzwerken

Jegliche atmosphärische FSO-Links durch monostatische Terminalstrukturen (Ground-Ground, Aircraft-Aircraft, Aircraft-Ground, Schiff-Schiff, etc.).

Aufgrund der Kanalreziprozität kann ein Terminal also anhand der Empfangsleistung, mit der es aktuell ein Signal empfängt, davon ausgehen, dass ein von ihm ausgesendeter Sendestahl an dem Terminal am anderen Enden des Freistrahlkanals mit der gleichen Empfangsleistung empfangen wird. Somit kann das Terminal senderseitig bereits Vorkehrungen zur Sicherstellung einer im Wesentlichen fehlerfreien Datenübertragung treffen. Je nachdem, wie gering die Empfangsleistung ist (Unterschreitung mehrerer unterschiedlicher Schwellenwerte), können entsprechend aufwändigere Maßnahmen zur Sicherstellung der fehlerfreien Datenübertragung getroffen werden. Wenn die Empfangsleistung anschließend wieder größer wird, so können die Maßnahmen wieder eingestellt werden(,ggf. nach und nach).

ABKURZUNGSVERZEICHNIS

Free-Space Optics FSO

Error Control EC

Forward Error Correction FEC

Automated Repeat Request ARQ

Channel State Information CSI

High Altitude Plattform HAP

Variabel-Datenratenverfahren vDR