Experimentelle Untersuchung adaptiver flexibler digitaler Signalverarbeitung für hybride Modulationsformate (eBook)

Dennis Clausen (Autor)

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2021 | 1. Auflage
248 Seiten
tredition (Verlag)
978-3-347-23703-2 (ISBN)

Infos

In der heutigen Zeit ist das Internet aus fast keinem Lebensbereich mehr wegzudenken. Im Privatbereich finden immer mehr internetfähige Mobilgeräte wie Laptops, Mobiltelefone oder Tablets ihren Einsatz. Was vor einem Jahrzehnt noch durch analoges Fernsehen bestimmt wurde, wird heute durch digitale Medien beeinflusst. Neben den Anforderungen des Mobilfunks wachsen gleichermaßen die Anforderungen an die dahinterliegenden optischen Übertragungssysteme. Bei den Überlegungen zur Erhöhung der Übertragungsraten muss sich verstärkt mit den linearen und nichtlinearen Störungen, sowie den Störungen imperfekter Bauteile in optischen Systemen beschäftigt werden. Diese limitierenden Effekte werden in dieser Arbeit mit besonderer Aufmerksamkeit betrachtet. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich zum einen auf die Erhöhung der Kanalrate durch moderne digitale Signalverarbeitung und zum anderen auf hochwertige Modulationsformate in unterschiedlichen optischen Übertragungssystemen. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Möglichkeit intensiv diskutiert, bei gegebenen Übertragungsbedingungen in Dual- Polarisations-Netzen mit Wellenlängenmultiplex, die Datenrate adaptiv zu gestalten. Dies ist Voraussetzung, um moderne durch Software bestimmte Konzepte zu unterstützen. Das Ziel der für diese Ausarbeitung zugrundeliegenden Forschungstätigkeit ist es, in kohärenten WDM-Netzen mit dichtem Raster von weniger als 50 GHz, die Datenrate adaptiv gestalten zu können. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Untersuchung, Optimierung und experimentellen Umsetzung der hybriden Modulation und deren digitalen Signalverarbeitung im Sender wie Empfänger. Die hybride Modulation bietet neben anderen Konzepten eine zentrale Abstraktionsmöglichkeit, indem die einzelnen Datenströme unabhängig voneinander moduliert werden können. Außerdem zeigt diese Arbeit, dass bereits gängige Konzepte der digitalen Signalverarbeitung auf eine hybride Modulation anwendbar sind.

Dennis Clausen wurde am 2. Juni 1984 in Niebüll geboren. Im Alter von 21 Jahren zog er nach Kiel und studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel auf Diplom. 2012 begann er seine Promotion am Lehrstuhl für Nachrichtenübertragungstechnik und widmet sich seither der digitalen Signalverarbeitung und Forschung. Schon als Kind beschäftigte Clausen die Elektro- und Informationstechnik. Mit dem Studium zum Diplom Wirtschaftsingenieur setzte er die ersten Bausteine seiner Ingenieurslaufbahn. Bereits in der Schulzeit faszinierte er sich nicht nur für die grundlegende Hardware und verbrachte ein Großteil seiner Freizeit mit der Programmierung dieser. Nach der Zeit am Lehrstuhl für Nachrichtenübertragungstechnik während der Promotion 2016 gründete er eine Familie, nutzte dieses Interesse und seine Verbundenheit zur norddeutschen Küste indem er als "Software-Engineer" im maritimen Bereich bei ELAC Sonar GmbH in Kiel began. Seit 2020 arbeitet Clausen als "Senior Software-Engineer" und "Software-Architect" im Bereich der Analyse, Planung, Design, Modellierung und Programmierung in individuellen Softwareprojekten im Bereich hydroakustischer Systeme und digitaler Signalverarbeitung. Neben der Leitung und Planung von Softwareprojekten für hydroakustische Sytsteme steht ebenso die Forschung im Bereich der Hydroakustik und Signalverarbeitung nach wie vor im Fokus.

Textauszug

Kapitel 1

Einführung

In der heutigen Zeit ist das Internet aus fast keinem Lebensbereich mehr wegzudenken. Im Privatbereich finden immer mehr internetfähige Mobilgeräte wie Laptops, Mobiltelefone oder Tablets ihren Einsatz [1]. Aber auch Geräte ohne bisherige Verbindung zum Internet wie Kühlschränke oder Waschmaschinen werden durch eine Anbindung, im Sinne des populären Internet der Dinge (engl.: Internet-of-Things, IoT), die Anzahl der Teilnehmer wachsen lassen (Abbildung 1.1). Unter anderem treibt dieser Trend Kommunikationstechniken wie Wi-Fi 6 (802.11ax) oder den Mobilfunkstandard der fünften Generation (5G) mit Datenraten bis zu 20 Gbit/s und Latenzzeiten von unter 1 ms voran [2, 3].

Abbildung 1.1: Globale Geräte mit Internetzugang von 2017 bis 2022 nach [1]

In den letzten Jahren hat sich die tägliche Lebensgestaltung verändert. So wird die aktuelle Generation der Menschheit als Digital Natives bezeichnet [4]. Was vor einem Jahrzehnt noch durch analoges Fernsehen (engl.: Television, TV) bestimmt wurde, wird heute durch digitale Medien beeinflusst [5]. In der heutigen modernen Lebensgestaltung hält das sogenannte Streaming von hochauflösenden Filmen bis zu einer Auflösung von 8k und hohem Dynamikumfang (engl.: High Dynamic Range, HDR) immer mehr Einzug. Nach [6] sorgen die beiden größten Video-on-Demand (VOD) Dienste Netflix und Youtube für 26,23% des Downstreaminternetaufkommens. Das Streaming von Videomaterial trägt mit 57,69% unter allen Internetapplikationen am meisten zum Wachstum bei [6]. Aber auch die Nutzung des weltweiten Netzes (engl.: World Wide Web, WWW) durch Verkaufsportale wie Amazon, Alibaba und Ebay oder soziale Medien wie Facebook, Reddit und Instagram sorgen für einen steigenden Datenverkehr. Das Surfen im WWW beanspruchte im Jahr 2018 17,01% des Internetverkehrs.

Auch die Gamingbranche ist im Aufschwung, und das professionelle Computerspielen entwickelt sich zu einem Phänomen der Masse, und findet immer mehr Akzeptanz in der Gesellschaft. Durch Spiele wie League of Legends mit einer weltweiten Spielerbasis von mehr als 100 Millionen Spielern bei maximal 8 Millionen gleichzeitig spielenden Nutzern, steigen die Belastungen des Netzes. Die Gamingbranche nahm 2018 bereits 7,78% des Internetverkehrs in Anspruch [6]. Die Einführung von Streamingangeboten im Spielebereich wie Stadia von Google werden den Einfluss von Gaming an den Netzbelastungen in den nächsten Jahren weiter steigern [7].

Nicht nur im privaten Sektor, sondern auch im Businessbereich, sorgt die wachsende Nachfrage nach stärkerer Vernetzung von Firmen und Systemen für wachsenden Datenverkehr. Was bisher als geschlossenes System behandelt wurde, wird sich in den nächsten Jahren immer mehr zu einem Konglomerat von Systemen bestehend aus Subsystemen entwickeln [8, 9]. Das bedeutet, dass ein derzeit größtenteils abgeschlossenes System wie beispielsweise ein Schiff auf See, möglicherweise immer weniger abhängig vom Rest der Welt agieren wird, sondern in einem Verbund von vernetzen Systemen operiert. Auch ein Schiff selbst ist ein System, bestehend aus vielen kleinen Systemen, was grob gesagt mit dem Konzept IoT einhergeht. Die Weltschifffahrt wird voraussichtlich im Vergleich zu Diensten wie Netflix nur einen kleinen Teil des Datenverkehrs ausmachen, soll aber hier verdeutlichen, was die steigende globale Vernetzung für Anforderungen an zukünftige Netze mit sich bringt. Es steigen nicht nur die Anforderungen an Datenrate und Latenz, sondern auch die Anzahl an teilnehmenden Nutzern sowie Maschinen. Die wachsende Globalisierung und räumliche Trennung wie Aufteilung von Geschäftsfeldern trägt ebenso zu wachsenden Anforderungen an das Internet bei.

Prognosen besagen einen weiterhin starken Anstieg der Nutzung des Internets in privater wie professioneller Umgebung. Die Prognosen zum Wachstum des Internetverkehrs nach [1] sind in Abbildung 1.2 für unterschiedliche Regionen aufgezeigt. Nicht nur die stetig steigende Gesamtbelastung an die vorhanden Netze, sondern auch das Abverlangen von Adaptivität eines Netzes und die kurzfristig unterschiedlichen Belastungen stellen eine Herausforderung für die zukünftige Entwicklung der Netze dar. Während Streamingdienste und Gamingangebote vornehmlich zur Primetime am Abend verwendet werden, sorgt der Verkehr, hervorgerufen durch das WWW oder andere Dienste, tagsüber für eine Belastung der Netze.

Abbildung 1.2: Internetverkehr von 2017 bis 2022 aufgeschlüsselt nach Kontinenten [1]

1.1 Bedeutung für optische Netze

Neben den Anforderungen des Mobilfunks wachsen gleichermaßen die Anforderungen an die dahinterliegenden optischen Übertragungssysteme. So wird es nicht nur in den meisten Netzen im IPv4-Adressenraum auf der Netzwerkebene im Open Systems Interconnection Modell (OSI-Modell) knapp, sondern es wachsen auch die Anforderungen in den verfügbaren Kanälen des optischen Backends auf physikalischer Ebene [10, 11].

In der optischen Nachrichtenübertragung kommen bereits verstärkt mehrstufige Modulationsformate wie Polarisationsmultiplex (engl. Polarization Division Multiplexing, PDM) oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM) zum Einsatz [12]. Die Frage, wie man die immens ansteigende angeforderte Übertragungskapazität technisch bei minimalen Kosten gewährleisten kann, wird in Zeiten der wirtschaftlichen Globalisierung immer zentraler.

Bei den Überlegungen zur Erhöhung der Übertragungsraten muss sich verstärkt mit den linearen und nichtlinearen Störungen sowie den Störungen imperfekter Bauteile in optischen Systemen beschäftigt werden. Diese limitierenden Effekte bedürfen bei einer Untersuchung besonderer Aufmerksamkeit. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich zum einen auf die Erhöhung der Kanalrate durch moderne digitale Signalverarbeitung (engl.: Digital Signal Processing, DSP) und zum anderen hochwertige Modulationsformate in unterschiedlichen optischen Übertragungssystemen. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Möglichkeit bei gegebenen Übertragungsbedingungen in dual Polarization (engl. Dual Polarization, DP) Netzen mit Wellenlängenmultiplex (engl.: Wavelength Division Multiplexing, WDM) die Datenrate adaptiv zu gestalten intensiv diskutiert. Dies ist Voraussetzung, um moderne durch Software bestimmte Konzepte zu unterstützen.

1.2 Software Defined Networks

Durch Software bestimmte Netze (engl.: Software-defined Networks, SDN) trennen die Datenebene von der Steuerungsebene und zentralisieren die Netzsteuerung in einer SDN-Steuerung. Bei dem SDN-Ansatz interagieren die Nutzer des Netzwerks, wie beispielsweise ein Internetanbieter (engl.: Internet Service Provider, ISP) mit den Netzcontrollern, um Netzwerkdienste aufzubauen bzw. zu implementieren. Die Controller werden durch eine zentrale Einheit gesteuert und präferieren Dienste nach ihrer Dienstgüte (engl.: Quality of Service, QoS).

SDN ermöglicht so unter anderem die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen, so dass mehrere virtuelle Netzwerke über eine bestimmte installierte physische Netzwerkinfrastruktur betrieben werden können. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften optischer (photonischer) Kommunikationskomponenten und der hohen optischen Übertragungskapazitäten, stellt die SDN-basierte optische Vernetzung eine besondere Herausforderung dar. Sie birgt aber genauso ein großes Potenzial [13]. Beispielshalber kann ein umfassendes Wissen über ein Netzwerk und die Anforderungen an dasselbe dazu verwendet werden, die Übertragungsqualität in Form von maximaler Ausnutzung der Kapazität zu optimieren [14]. So kann in sogenannten automatisch schaltenden Transportnetzen (engl.: Automatically Switched Transport Networks, ASTN) durch schnelle Berechnung spezifischer Pfadeigenschaften das Netz neu alloziert werden [15].

Konkret bedeutet dies, dass Kanäle eines optischen WDM-Systems dynamisch alloziert werden. Die Verteilung der Bandbreite kann so den Anforderungen an das Netzwerk angepasst werden. So kann nach benötigter Reichweite innerhalb des optischen Netzwerkes das Modulationsformat und die verwendeten Streckenabschnitte je nach Belegung innerhalb des Netzwerkes variieren. Um dies zu gewährleisten, bedarf es sowohl einer Umstellung der Empfänger und Sender als auch der Hardware des Netzwerkes. Ziel eines SDN-Netzes ist es, was Anforderung und Steuerung anbelangt, ein durchgängig transparentes flexibles Netz zu gewährleisten. Diese Arbeit beleuchtet unterschiedliche Möglichkeiten eine flexible Modulation mit einfacher DSP zu erreichen. Insbesondere wird das Konzept der flexiblen hybriden Modulation (engl. Flexible Hybrid Modulation, Flex-PAM) untersucht und validiert. Darunter fällt die Möglichkeit, eine Datenraten flexible DSP zu realisieren.

1.3 Strukturierung der Arbeit

Die Untersuchungen dieser Arbeit werden messtechnisch und mit Hilfe von Simulationen zur Validierung geeigneter DSP durchgeführt. Es werden dabei Einflüsse sowie Nebeneffekte berücksichtigt, beschrieben und erklärt....

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 2.2.2021
• Verlagsort: Ahrensburg
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Geisteswissenschaften
• Themenwelt: Technik
• Schlagworte: adaptiv • Digitale Signalverarbeitung • Experiment • Modulationsformate • Nachrichtentechnik • Optik
• ISBN-10: 3-347-23703-X / 334723703X
• ISBN-13: 978-3-347-23703-2 / 9783347237032