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Optischer Richtfunk

Optischer Richtfunk, auch Optische Freiraum(daten)übertragung, Laserlink oder optische Freiraumkommunikation (kurz FSO, vonenglischfree-space optical communication) genannt, ist Datenübertragung mit einem ungeführten Licht- oder Infrarot-Strahl. Es werden Entfernungen von einigen 100 m bis zu wenigen Kilometern auf der Erde sowie bis zu Tausenden von Kilometern im Weltraum überbrückt. Die Daten sind zum Beispiel Sprache, Videosignale oder digitale Informationen.

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

Der Begriff „Optischer Richtfunk“ wurde geprägt, da eine große Ähnlichkeit zum Richtfunk besteht, der jedoch auf der quasioptischen Ausbreitung von Funkwellen kurzer Wellenlänge beruht. Der englische Begriff Free-Space Optics bringt zum Ausdruck, dass es sich im Gegensatz zu Lichtwellenleitern um frei strahlende Sender handelt.

Kommerzielle FSO-Systeme erreichen Entfernungen bis zu einigen Kilometern mit Datenraten bis zu 2,5 GBit/s.

Optische Freiraumübertragung kann überall dort eingesetzt werden, wo hochbitratige Verbindungen benötigt werden und Glasfaserkabel nicht vorhanden beziehungsweise zu teuer sind.

Inhaltsverzeichnis

Anwendungsbeispiel für optischen Richtfunk
  • 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
  • kombinierte Sprach-Daten-Verbindungen
  • Einsatz zur Wiederherstellung von zer- bzw. gestörten Verbindungen (Disaster Recovery)
  • Einsatz zur Verbindung von Netzen und Digipeater im Amateurfunk
  • Einsatz in Bereichen mit existierendem Datenverkehr per Hochfrequenz zur Vermeidung von Interferenzen
  • Einsatz in Bereichen mit Medien, welche undurchlässig für Wellen niedrigerer Frequenz sind
  • Verzicht auf die Anmietung einer Standleitung eines Telekommunikationsanbieters (siehe: Letzte Meile).
  • Kommunikation zwischen Objekten mit variierenden Relativgeschwindigkeiten
  • Kommunikation zwischen Satelliten, sowie Satelliten und Bodenstationen (siehe: Laser Communication Terminal)
  • Kommunikation mit geringer Latenz (Synchronisation mehrerer Schrittmotoren)

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 Richtübermittlung am Atlantikwall ein. Die Einheiten des Ministeriums für Staatssicherheit der DDR setzten gleichfalls ein eigenes Lichttelefon im Grenzbereich ein. 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-Technik 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 technischer Eigenschaften von FSO, welche sich in den letzten Jahren auch für die zivile Nutzung als interessant herausstellten.

Auch die Entwicklung preiswerter Laserdioden brachte die Entwicklung voran, da sie effizient und gut bündelbar hohe Strahlungsleistungen zur Verfügung stellen und sehr einfach mit sehr hohen Bandbreiten moduliert werden können.

Die Freiraum-Datenübertragung mit Licht erfordert freie Sicht zwischen Sender und Empfänger. Es handelt sich um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Sowohl auf Sender- als auch auf Empfängerseite sind Bündelungselemente (Spiegel oder Linsen) vorhanden, in deren Brennpunkt der Sender oder der Empfänger sind. Als Sender werden Leuchtdioden, Laserdioden, Laser oder Halbleiterlaser verwendet. Die Kollimation erfolgt mit Linsen oder Spiegeln. Als Empfänger dienen Fotodioden. Prinzipiell können Bauteile verwendet werden, die auch für die optische Datenübertragung in Glasfasern verwendet werden, oft setzt man jedoch Sender im sichtbaren Spektralbereich ein, um die Justage zu erleichtern.

Bei der Freiraum-Datenübertragung mit Licht gibt es auf der Erde folgende Störeinflüsse:

Während das Umgebungslicht meistens kompensiert werden kann, ist das Flimmern, aber besonders der Streueinfluss durch Aerosole und Niederschlag reichweitenbegrenzend beziehungsweise Quelle von Unzuverlässigkeit. Je kürzer die Wellenlänge, umso störender ist Dunst und Nebel. Diese Einflüsse wirken sich auf optische Richtfunksysteme 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 Leistungen der Sender sind aus Sicherheitsgründen beschränkt. Die Laser 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.

Bei Up- und Downlinks zu/von Satelliten oder zwischen Satelliten sind höhere Leistungen möglich und wegen der fehlenden Streuung und Absorption im Weltraum sowie der guten Bündelung der Laser können sehr große Entfernungen überbrückt werden. Für Up- und Downlink müssen die verwendeten Wellenlängen in einem atmosphärischen Fenster liegen. Gegenüber Funkverbindungen sind bis 1000fach höhere Datenraten möglich, wobei die optischen Systeme kompakter sind.

Blick in den Lichtstrahl (Amateurprojekt RONJA, kollimierte rote LED)

Die wesentlichen Vorteile gegenüber Richtfunk sind:

Richtfunk und optische Freiraumübertragung haben den gemeinsamen Vorteil im Vergleich zu Glasfaserkabeln, dass die Investition nicht in die Erde vergraben wird, also bei Bedarf auch anderswo genutzt werden kann.

Gegenüber dem terrestrischen Richtfunk hat die optische Übertragungsstrecke in Luft in Bodennähe folgende Nachteile:

  • stärkere Abhängigkeit von Niederschlägen, Dunst und Nebel
  • mögliche Blendwirkung beim Verwenden sichtbarer Wellenlängen

Das Versagen der Verbindungen bei Nebel, Schnee und Regen ist ein wesentlicher Grund, dass sich die Methode nicht stärker durchsetzt.

  • Olivier Bouchet, Herve Sizun, Christian Boisrobert: Free-Space Optics. Propagation and Communication. Iste Publishing Company, London u. a. 2006, ISBN 1-905209-02-9.
  • Hamid Hemmati (Hrsg.): Deep Space Optical Communications. John Wiley & Sons, Hoboken NJ 2006, ISBN 0-470-04002-5.
  • Arun K. Majumdar, Jennifer C. Ricklin (Hrsg.): Free-Space Laser Communications. Principles and Advances (= Optical and Fiber Communications Reports. Vol. 2). Springer, New York NY u. a. 2008, ISBN 978-0-387-28652-5.
  • Heinz Willebrand, Baksheesh S. Ghuman: Optischer Richtfunk. Optische Freiraumübertragung in öffentlichen und privaten Netzen. Hüthig, Heidelberg 2003, ISBN 3-7785-3967-1.
  • S. Heißmeyer; L. Overmeyer; A. Müller: Indoor Positioning of Vehicles using an Active Optical Infrastructure. In: 3rd International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN). Sydney 2012, ISBN 978-1-4673-1955-3,S.1–8, doi:10.1109/IPIN.2012.6418914.
  • Vorschrift D 877/5, Gebrauchsanweisung für Lichtsprechgerät 80/80 mm, 1944
  1. siehe Fotos auf privater Website: Lichtsprechgerät 1, Lichtsprechgerät 2 (Memento desOriginals vom 24. Juli 2011 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.laud.no, Lichtsprechgerät 2 (Memento desOriginals vom 2. März 2008 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.laud.no
  2. Infrarot-Lichtsprechgerät JO-4.03 „Palme“. In: Deutsches Spionagemuseum. Abgerufen am 2. Juni 2020 (deutsch).
  3. https://technologieforum.badw.de/fileadmin/user_upload/Files/Technologie/Praesentationen/2016-Guenther-Satellitenkommunikation-mit-Licht.pdf C. Günther, C. Fuchs, D. Giggenbach, F. Moll, R. Mata Calvo, J. Poliak, R. Barrios, C. Schmidt: Satellitenkommunikation mit Licht - zu höchsten Datenraten und perfekter Sicherheit, Powerpoint-Präsentation, Deutsches Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt.

Optischer Richtfunk
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Optischer Richtfunk Technik zur Ubertragung von in der Regel digitalen Daten mittels Licht Sprache Beobachten Bearbeiten Weitergeleitet von Laserlink Optischer Richtfunk auch Optische Freiraum daten ubertragung Laserlink oder optische Freiraumkommunikation kurz FSO von englisch free space optical communication genannt ist Datenubertragung mit einem ungefuhrten Licht oder Infrarot Strahl Es werden Entfernungen von einigen 100 m bis zu wenigen Kilometern auf der Erde sowie bis zu Tausenden von Kilometern im Weltraum uberbruckt Die Daten sind zum Beispiel Sprache Videosignale oder digitale Informationen Ein 8 Strahl FSO Gerat das uber etwa 2 km eine Datenrate von 1 Gb s erreicht Die grosse Linse in der Mitte gehort zum Empfanger die kleineren aussen zum Sender Der Begriff Optischer Richtfunk wurde gepragt da eine grosse Ahnlichkeit zum Richtfunk besteht der jedoch auf der quasioptischen Ausbreitung von Funkwellen kurzer Wellenlange beruht Der englische Begriff Free Space Optics bringt zum Ausdruck dass es sich im Gegensatz zu Lichtwellenleitern um frei strahlende Sender handelt Kommerzielle FSO Systeme erreichen Entfernungen bis zu einigen Kilometern mit Datenraten bis zu 2 5 GBit s Optische Freiraumubertragung kann uberall dort eingesetzt werden wo hochbitratige Verbindungen benotigt werden und Glasfaserkabel nicht vorhanden beziehungsweise zu teuer sind Inhaltsverzeichnis 1 Anwendungen 2 Geschichte 3 Technische Eigenschaften 4 Vor und Nachteile 5 Siehe auch 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseAnwendungen Bearbeiten Anwendungsbeispiel fur optischen Richtfunk LAN zu LAN Verbindungen auf Betriebsgelanden Fast Ethernet Gigabit Ethernet LAN zu LAN Verbindungen innerhalb einer Stadt Uberwindung von Verkehrswegen und Hindernissen zum Beispiel Strassen und Flussen schnell bereitzustellender Breitband Zugang zu Metronetzen von Telecom Anbietern Carriern temporarer Netzausbau kombinierte Sprach Daten Verbindungen Einsatz zur Wiederherstellung von zer bzw gestorten Verbindungen Disaster Recovery Einsatz zur Verbindung von Netzen und Digipeater im Amateurfunk Einsatz in Bereichen mit existierendem Datenverkehr per Hochfrequenz zur Vermeidung von Interferenzen Einsatz in Bereichen mit Medien welche undurchlassig fur Wellen niedrigerer Frequenz sind Verzicht auf die Anmietung einer Standleitung eines Telekommunikationsanbieters siehe Letzte Meile Kommunikation zwischen Objekten mit variierenden Relativgeschwindigkeiten Kommunikation zwischen Satelliten sowie Satelliten und Bodenstationen siehe Laser Communication Terminal Kommunikation mit geringer Latenz Synchronisation mehrerer Schrittmotoren Geschichte BearbeitenBereits im Jahre 1880 hat Alexander Graham Bell das Photophone zur Ubertragung 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 Lichtsprechgerat gebaut von Carl Zeiss Jena und setzte ein Lichtsprechgerat 80 80 vor allem in Befestigungseinrichtungen so zur Richtubermittlung am Atlantikwall ein 1 Die Einheiten des Ministeriums fur Staatssicherheit der DDR setzten gleichfalls ein eigenes Lichttelefon im Grenzbereich ein 2 In beiden Fallen wurde die kurze Reichweite durch den Vorteil der Abhorsicherheit ausgeglichen Ab ca 1960 gab es Bastelanleitungen fur Lichttelefone mit denen Sprachubertragung bis etwa 100 m moglich war Als Sender wurden Gluhlampen benutzt Mit der Entwicklung der Laser Technik Mitte der 1960er Jahre wurden erste ernsthafte Versuche mit Lichttelefonen unternommen Besonders im militarischen Bereich wurden diese Entwicklungen gefordert Mit der Entwicklung leistungsstarkerer Glasfasern zur optischen Datenubertragung geriet der optische Richtfunk wieder in den Hintergrund Fur das Militar und die Weltraumforschung wurde diese Entwicklungstatigkeit jedoch nie eingestellt Dies hat seinen Grund in einer Reihe vorteilhafter technischer Eigenschaften von FSO welche sich in den letzten Jahren auch fur die zivile Nutzung als interessant herausstellten Auch die Entwicklung preiswerter Laserdioden brachte die Entwicklung voran da sie effizient und gut bundelbar hohe Strahlungsleistungen zur Verfugung stellen und sehr einfach mit sehr hohen Bandbreiten moduliert werden konnen Technische Eigenschaften BearbeitenDie Freiraum Datenubertragung mit Licht erfordert freie Sicht zwischen Sender und Empfanger Es handelt sich um Punkt zu Punkt Verbindungen Sowohl auf Sender als auch auf Empfangerseite sind Bundelungselemente Spiegel oder Linsen vorhanden in deren Brennpunkt der Sender oder der Empfanger sind Als Sender werden Leuchtdioden Laserdioden Laser oder Halbleiterlaser verwendet Die Kollimation erfolgt mit Linsen oder Spiegeln Als Empfanger dienen Fotodioden Prinzipiell konnen Bauteile verwendet werden die auch fur die optische Datenubertragung in Glasfasern verwendet werden oft setzt man jedoch Sender im sichtbaren Spektralbereich ein um die Justage zu erleichtern Bei der Freiraum Datenubertragung mit Licht gibt es auf der Erde folgende Storeinflusse Luftflimmern Umgebungslicht Streuung und Dampfung durch Niederschlag Nebel Rauch Wahrend das Umgebungslicht meistens kompensiert werden kann ist das Flimmern aber besonders der Streueinfluss durch Aerosole und Niederschlag reichweitenbegrenzend beziehungsweise Quelle von Unzuverlassigkeit Je kurzer die Wellenlange umso storender ist Dunst und Nebel Diese Einflusse wirken sich auf optische Richtfunksysteme dahingehend aus dass das Signal gedampft wird und oder die Fehlerrate in der Ubertragung steigt Um diesen Einflussen aus dem Weg zu gehen werden durch Hersteller verschiedene technische Kniffe angewendet wie zum Beispiel eine Diversity Architektur mehrere Sender und mehrere Empfanger in einem gewissen Abstand und genugend Fademargin Leistungsreserve gegen witterungsbedingte Signaldampfungen Die Leistungen der Sender sind aus Sicherheitsgrunden beschrankt Die Laser sollten keine Gefahr fur Mensch und Tier darstellen Kommerzielle Systeme halten in der Regel die Laserklassen 1 und 1M ein die keine Sicherheitsmassnahmen beim Betrieb solcher Anlagen erfordern Bei Up und Downlinks zu von Satelliten oder zwischen Satelliten sind hohere Leistungen moglich und wegen der fehlenden Streuung und Absorption im Weltraum sowie der guten Bundelung der Laser konnen sehr grosse Entfernungen uberbruckt werden Fur Up und Downlink mussen die verwendeten Wellenlangen in einem atmospharischen Fenster liegen Gegenuber Funkverbindungen sind bis 1000fach hohere Datenraten moglich wobei die optischen Systeme kompakter sind 3 Vor und Nachteile Bearbeiten Blick in den Lichtstrahl Amateurprojekt RONJA kollimierte rote LED Die wesentlichen Vorteile gegenuber Richtfunk sind lizenzfreier Betrieb mit Richtfunk vergleichbare Datensicherheit hohe theoretische Bitraten siehe auch Datendurchsatz gute elektromagnetische Vertraglichkeit einfache Justage bei Verwenden sichtbarer Wellenlangen Verwendbarkeit von Lasern als Sender sie haben eine geringe Divergenz wodurch der Kollimations Aufwand geringer ist Richtfunk und optische Freiraumubertragung haben den gemeinsamen Vorteil im Vergleich zu Glasfaserkabeln dass die Investition nicht in die Erde vergraben wird also bei Bedarf auch anderswo genutzt werden kann Gegenuber dem terrestrischen Richtfunk hat die optische Ubertragungsstrecke in Luft in Bodennahe folgende Nachteile starkere Abhangigkeit von Niederschlagen Dunst und Nebel mogliche Blendwirkung beim Verwenden sichtbarer Wellenlangen Das Versagen der Verbindungen bei Nebel Schnee und Regen ist ein wesentlicher Grund dass sich die Methode nicht starker durchsetzt Siehe auch BearbeitenRichtfunk RONJA Reasonable Optical Near Joint Access Optische Kommunikation Li FiLiteratur BearbeitenOlivier Bouchet Herve Sizun Christian Boisrobert Free Space Optics Propagation and Communication Iste Publishing Company London u a 2006 ISBN 1 905209 02 9 Hamid Hemmati Hrsg Deep Space Optical Communications John Wiley amp Sons Hoboken NJ 2006 ISBN 0 470 04002 5 Arun K Majumdar Jennifer C Ricklin Hrsg Free Space Laser Communications Principles and Advances Optical and Fiber Communications Reports Vol 2 Springer New York NY u a 2008 ISBN 978 0 387 28652 5 Heinz Willebrand Baksheesh S Ghuman Optischer Richtfunk Optische Freiraumubertragung in offentlichen und privaten Netzen Huthig Heidelberg 2003 ISBN 3 7785 3967 1 S Heissmeyer L Overmeyer A Muller Indoor Positioning of Vehicles using an Active Optical Infrastructure In 3rd International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation IPIN Sydney 2012 ISBN 978 1 4673 1955 3 S 1 8 doi 10 1109 IPIN 2012 6418914 Vorschrift D 877 5 Gebrauchsanweisung fur Lichtsprechgerat 80 80 mm 1944Weblinks BearbeitenWebsite der DLR zum EU HAPCOS Datenubertragung mittels hochfliegender Plattformen Modulatedlight org englischsprachige Seite die sich mit der Nachrichtenubermittlung per Licht beschaftigt Lichtsprechen de deutschsprachige Seite die sich mit 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