TEIL 1: Drahtlose optische Übertragung

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1 TEIL 1: Drahtlose optische Übertragung Version vom 14. Oktober 2014 Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 1

2 Literatur: [1] J. G. Proakis and M. Salehi, Grundlagen der Kommunikationstechnik. Pearson Studium, [2] J. Kahn and J. Barry, Wireless Infrared Communications, Proceedings of the IEEE, pp , Feb [3] M. Wolf and M. Haardt, Comparison of OFDM and Frequency Domain Equalization for Dispersive Optical Channels with Direct Detection, in 14th International Conference on Transperent Optical Networks (ICTON) 2012, (Coventry, UK), July [4] M. Uysal and H. Nouri, Optical Wireless Communications An Emerging Technology, in 16th International Conference on Transperent Optical Networks (ICTON) 2014, (Graz), July [5] S. Personick, Optical Detectors and Receivers, Journal of Lightwave Technology, vol. 26, no. 9, pp , Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 2

3 Kapitel 1 Überblick Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 3

4 1.1 Einführung Elektromagnetisches Spektrum (Bild aus [4]) IR: infrared IR-Kommunikation ca. 750 nm bis 1600 nm VL: visible light visible light communication (VLC) ca. 390 nm bis 750 nm UV: ultraviolet UV-Kommunikation Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 4

5 1.1 Einführung Warum drahtlose optische Übertragung? knappe Funkresourcen enorm großer Spektralbereich (Bandbreite) verfügbar keine Regulierung robust gegenüber elektromagnetischen Interferenzen räumliche Begrenzung der Strahlung (hoher reuse -Faktor, sicher gegenüber Abhören) prinzipiell kostengünstige Lösungen möglich Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 5

6 1.2 Klassifikation Anwendungsfelder (Bild aus [4]) Kategorisierung neben der Wellenlänge (IR, VL, UV) vor allem über die Reichweite Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 6

7 1.2 Klassifikation Inter- und Intra-Chip-Kommunikation (Bild aus [4]) Systeme mit kurzer Reichweite WPAN: IrDA, Giga-IR (1 Gbps standardisiert), 10 Gbps demonstriert body area networks (auch über OLEDs) Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 7

8 1.2 Klassifikation Systeme mit mittlerer Reichweite (1), Bild aus [4] VLC-basierende WLANs ( LiFi ) LED-Lampen nicht nur für Beleuchtung, sondern auch für die Downlink-Datenkommunikation nutzen 1,5 Gbit/s wurden demonstriert besonders interessant auch in Fabriken etc. Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 8

9 1.2 Klassifikation Systeme mit mittlerer Reichweite (2), Bild aus [4] Unterwasser-Kommunikation ( nm) Car-to-Car- und Infrastructure-to-Car Kommunikation (VLC) KFZ-LED Beleuchtung, Ampel-Lichter sowie Straßenbeleuchtung auch für die Kommunikation nutzen Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 9

10 1.2 Klassifikation Systeme mit hoher Reichweite, Bild aus [4] FSO: free space optical FSO-Links für letzte Meile, Verbindungen zwischen Häusern, Netzwerke in Katastrophen-Szenarios Satelliten-Kommunikation (Inter-Satellit, Satellit-Erde), Kommunikation zwischen Flugzeugen, Schiffen, etc. Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 10

11 2 Besonderheiten gegenüber Funk Kein multipath-fading bzgl. des optischen Trägers (1) zum Vergleich: Kanal-Verstärkungsfaktor (in db) eines Funk-Kanals über dem Ort des Empfängers bei 2,4 GHz Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 11

12 2 Besonderheiten gegenüber Funk Kein multipath-fading bzgl. des optischen Trägers (2) Sendesignal ist intensitätsmoduliertes Breitbandrauschen unmoduliertes Sendesignal ist ein spread spectrum Signal (echtes Rauschen statt pseudozufälliges Rauschen) riesiger frequency diversity gain die Photodiode ist inhärent ein spatial diversity Empfänger Abmessungen groß gegenüber der Wellenlänge equal gain square law combining mit riesiger Diversitätsordnung Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 12

13 2 Besonderheiten gegenüber Funk Intensitätsmodulation und Direktempfang (1) bei geringer Kohärenz des Senders unvermeidlich Direktmodulation des Lasers / der LED Informationsaufprägung durch Intensitätsänderung, im Ausnahmefall durch Wellenlängenvariation Modell Übertragungsstrecke: für spezielle Anwendungen (Gebäudeverbindungen etc.) auch externe Modulation und Verfahren wie DPSK, MSK, etc. möglich Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 13

14 2 Besonderheiten gegenüber Funk Intensitätsmodulation und Direktempfang (2) Behauptung: LTI-System kann auf Basis der Momentanleistungen p tx (t) und p rx (t) modelliert werden Beweis (für Profis, die SS2 gehört haben): x(t) und y(t) seien normierte Feldstärkeverläufe (komplexes Basisband) mit p tx (t) = x(t) 2 und p rx (t) = y(t) 2 die Impulsantwort (komplexes Basisband) des Mehrwegekanals sei am Ort (x,y) gegeben durch L 1 k=1 g k(x,y)δ(t k/b) dann gilt für den Photostrom L 1 R y(t,x,y) 2 = g k (x,y) 2 x(t k/b) 2 L 1 + L 1 k= l=0,l k k=1 g k (x,y)g l (x,y)x(t k/b)x (t l/b) die Doppelsumme verschwindet nach Mittelung über die Detektorfläche (B ist die Signalbandbreite, R die Diodenempfindlichkeit) Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 14

15 2 Besonderheiten gegenüber Funk Grenzen der Empfängerempfindlichkeit (1) Funk: thermisches Rauschen ist ausschlaggebend Rauschleistungsdichte: N 0 = k B T = K SNR: η = P N 0B Optik: Warum gilt N 0 = k B T hier nicht? weil k B T eine Näherung für Φ(f) = h f e h f k BT 1 Max Planck, um 1900 darstellt, die nur bei niedrigen Frequenzen gilt Beispiel: Φ(f = 300 THz) = W/Hz siehe auch [5] Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 15

16 2 Besonderheiten gegenüber Funk Grenzen der Empfängerempfindlichkeit (2) Optik: thermisches Rauschen hat verschwindenden Einfluss stattdessen dominiert das Quantenrauschen die Leistungsdichte muss modifiziert werden zu [5]: Φ(f) = h f + h f e h f k BT 1 h f Empfängerempfindlichkeit sinkt mit wachsendem f Beispiel Optik: idealer Photonenzähler: P min = 87 dbm (OOK, 1 Mbit/s, λ = 1 µm, BER: 10 9 ) Beispiel Funk: P min = 98.5 dbm (OOK, 1 Mbit/s, 300 K, BER: 10 9 ) Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 16

17 2 Besonderheiten gegenüber Funk Vereinfachtes Modell der Übertragungsstrecke Quantenrauschen durch empfangenes Hintergrundlicht bei realen Freiraumempfängern dominiert meist das Quantenrauschen des empfangenen Hintergrundlichts ggb. dem des Nutzsignals dessen Leistungsdichte ist im Elektrischen (Photostrom): N 0 = qrp bg in A 2 /Hz (P bg : optische Leistung Störlicht, R: Diodenempfindlichkeit) erweitertes Modell der Übertragungsstrecke: Dr. Mike Wolf, Fachgebiet Nachrichtentechnik Optische Telekommunikationstechnik II 17