Experimentelle Untersuchung adaptiver flexibler digitaler Signalverarbeitung für hybride Modulationsformate E-Book

Dennis Clausen

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 253

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

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.

Leseprobe

Experimentelle Untersuchung adaptiver flexibler digitaler Signalverarbeitung für hybride Modulationsformate

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurswissenschaften (Dr.-Ing.)

der Technischen Fakultät

der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Dennis Clausen

Kiel 2020

1. Gutachter:

Prof. Pachnicke

2. Gutachter:

Prof. Hanik

3. Gutachter:

Prof. Höher

Tag der mündlichen Prüfung:

08. September 2020

Für meine Mutter

und Großeltern.

Ich vermisse euch sehr.

Impressum

Experimentelle Untersuchung adaptiver flexibler digitaler Signalverarbeitung für hybride Modulationsformate

Autor: Dennis Clausen

Lektorat: Susanne Clausen

Verlag & Druck: tredition GmbH, Halenreie 40-44, 22359 Hamburg

ISBN

978-3-347-23701-8 (Paperback)

978-3-347-23702-5 (Hardcover)

978-3-347-23703-2 (e-Book)

©2021 by Dennis Clausen

Das Werk, einschließlich seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlages und des Autors unzulässig. Dies gilt insbesondere für die elektronische oder sonstige Vervielfältigung, Übersetzung, Verbreitung und öffentliche Zugänglichmachung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

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Vorwort

Die vorliegende Arbeit ist während meiner Forschungstätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Nachrichtenübertragungstechnik an der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel entstanden. Mein Dank gilt daher Herrn Prof. Dr.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Stefan Pachnicke für die Möglichkeit der Forschungsarbeit, die interessante Aufgabenstellung und die Unterstützung.

Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Norbert Hanik für die Übernahme des Zweitgutachtens und die damit einhergehende investierte Zeit, sowie Prof. Dr.-Ing. Höher und Prof. Dr.-Ing. Höft für die Bildung einer freundlichen und fairen Prüfungskommission. Mein Dank gilt naürlich allen Beteiligten, mit denen ich während der Forschungstätigkeit im Rahmen dieser Arbeit zusammenarbeiten durfte.

Meinen Kollegen am Lehrtuhl danke ich in besonderem Maße für die gemeinsame Zeit und die stets herausragende Stimmung. Insbesondere möchte ich mich an dieser Stelle bei Johannes bedanken, der mich seit dem Kindergarten bis zur Dissertation begleitet und stets unterstützt hat. Ich danke Christian für die tollen Stunden im Labor und die gemeinsamen Erfolge, ob beruflicher oder privater Natur. Ein großer Dank gebührt Roi für die großartige Zusammenarbeit am Projekt SASER. Es war mir außerdem eine Ehre und Freude mit dir ein Büro teilen zu dürfen. Vielen Dank auch an Sandra und Petra für die umfangreiche Unterstützung in den Jahren am Lehrstuhl.

Ich danke allen meinen Freunden, denen ich viel zu oft absagen musste, um nicht zuletzt an dieser Dissertation zu arbeiten.

Der größte Dank gilt allerdings meiner Familie, die mich stets unterstützt und aufgebaut hat. Vor allem bedanke ich mich bei meiner Frau Susanne. Vielen Dank, dass du immer hinter mir gestanden und den Rücken freigehalten hast. Du hast mir nicht zuletzt durch unseren Sohn Fiete stets die nötige Motivation und Stärke gegeben, bis hierhin und noch viel weiter zu kommen. Ich freue mich auf unsere gemeinsame Zukunft. Ich bin auf dich und Fiete sehr stolz. Inbesondere danke ich ebenso meinem Vater, der mich immer unterstützt und mir alles das beigebracht hat, was ich brauchte um heute der zu sein, der ich bin. Wir waren und sind nicht immer einer Meinung, aber ich bin stolz einen Vater wie dich zu haben und sehe dies keineswegs als Selbstverständlichkeit an. Außerdem gebührt mein Dank meinen geliebten Großeltern, wie meiner geliebten Mutter, denen ich alles verdanke.

Zusammenfassung

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. In den letzten Jahren hat sich die tägliche Lebensgestaltung verändert. 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. In der optischen Nachrichtenübertragung kommen bereits verstärkt mehrstufige Modulationsformate wie dem Polarisationsmultiplexing oder der Quadraturamplitudenmodulation zum Einsatz. 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.

Das erstellte Konzept wurde durch ein WDM-Szenario mit einem Kanalabstand von 37,5 GHz realisiert und in Simulationen sowie Experimenten untersucht. Realisiert wurde ein numerisches Modell zur Untersuchung von Glasfasern bei Doppelbrechung mit der Umsetzung und Optimierung der Lösung zur Manakov-PMD-Gleichung durch die Split-Step-Methode. Diese Arbeit führt des Weiteren wichtige Aspekte der generellen digitalen Signalverarbeitung aus.

Abstract

In today’s world, the Internet has become an indispensable part of almost every aspect of life. In the private sector, more and more Internet-enabled mobile devices such as laptops, cell phones or tablets are being used. In the last few years, the daily way of life has changed. What a decade ago was still determined by analog television is today influenced by digital media.

In addition to the requirements of mobile radio, the demands on the optical transmission systems behind it are growing in equal measure. Multi-stage modulation formats such as polarization multiplexing or quadrature amplitude modulation are already increasingly being used in optical transmissions. When considering ways to increase transmission rates, greater attention must be paid to linear and nonlinear interference as well as interference from imperfect components in optical systems. These limiting effects are given special attention in this thesis. The focus of this work is on the one hand on increasing the channel rate by modern digital signal processing and on the other hand on high-quality modulation formats in different optical transmission systems. In addition, this thesis discusses the possibility to design the data rate adaptively under given transmission conditions in dual polarization networks with wavelength division multiplexing. This is a prerequisite for supporting modern concepts determined by software.

The goal of the research activity on which this work is based is to be able to design the data rate adaptively in coherent wavelength division multiplexing networks with a dense grid of less than 50 GHz. The main focus is on the investigation, optimization and experimental implementation of hybrid modulation and its digital signal processing in transmitter and receiver. Among other concepts, hybrid modulation offers a central abstraction possibility by allowing the individual data streams to be modulated independently of each other. Furthermore, this thesis shows that already common concepts of digital signal processing are applicable to hybrid modulation.

The developed concept was realized by a WDM scenario with a channel spacing of 37.5 GHz and investigated in simulations and experiments. A numerical model for the investigation of glass fibers under birefringence was realized with the implementation and optimization of the solution to the Manakov-PMD equation by the split-step method. This work also performs important aspects of general digital signal processing.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

1.1 Bedeutung für optische Netze

1.2 Software Defined Networks

1.3 Strukturierung der Arbeit

2 Grundlagen der Nachrichtenübertragung optischer Netze

2.1 Digitale Nachrichtenübertragungssysteme

2.2 Signalraum

2.3 Digitale Modulation

2.3.1 Pulsamplitudenmodulation

2.3.2 Quadraturamplitudenmodulation

2.4 Analogisierung

2.5 Pulsformung

2.6 Abtastung und Neuabtastung

2.6.1 Abtastung analoger Daten

2.6.2 Abtastung digitaler Daten

2.7 Empfangsfilter

2.8 Vorwärtsfehlerkorrektur

2.9 Ratenadaption

2.9.1 Ratenadaptive Vorwärtsfehlerkorrektur

2.9.2 Probabilistische Formgebung

2.9.3 Hybride Modulation

2.10 Zusammenfassung

3 Kohärente faser-optische WDM-Systeme

3.1 Einführung

3.2 Systeme

3.3 Die Glasfaser

3.3.1 Lineare Effekte der Faser

3.3.1.1 Dämpfung

3.3.1.2 Chromatische Dispersion

3.3.1.3 Polarisationsmodendispersion

3.3.2 Nichtlineare Effekte der Glasfaser

3.3.2.1 Nichtlineare Phasenmodulation

3.3.2.2 Stimulierte Lichtstreuung

3.3.2.3 Nichtlinearitäten bei Doppelbrechung

3.4 Komponenten und Bauteile

3.4.1 Laser

3.4.2 Elektro-optische Modulatoren

3.4.2.1 Mach-Zehnder-Modulator

3.4.2.2 IQ-Modulator

3.4.2.3 Vorspannungsregelung

3.4.3 Digital-Analog-Wandler

3.4.4 Analog-Digital-Wandler

3.4.5 Filter

3.4.5.1 Elektrische Filter

3.4.5.2 Optische Filter

3.4.5.3 Digitale Filter

3.4.6 Verstärker

3.4.6.1 Elektrische Verstärker

3.4.6.2 Optische Verstärker

3.4.7 Photodetektor

3.4.8 Kohärenter Detektor

3.5 Simulation von Systemen

3.5.1 Split-Step-Fouriermethode

3.6 Recirculating-Loop

3.7 Zusammenfassung

4 Störungen in optischen Systemen

4.1 Deterministische Störungen

4.1.1 Dispersives Verhalten

4.1.2 Nichtlinearitäten der Faser

4.1.3 Frequenzabweichungen der Laser

4.1.4 IQ-Ungleichgewicht

4.1.5 Taktfrequenzabweichungen

4.2 Stochastische Störungen

4.2.1 Rauschen

4.2.2 Phasenrauschen

4.2.3 Taktfrequenzzittern

4.2.4 Quantisierung

4.3 Gütezahlen in optischen Systemen

4.3.1 Signal-zu-Rauschverhältnis

4.3.2 Optisches Signal-zu-Rauschverhältnis

4.3.2.1 Relation zum Signal-zu-Rauschverhältnis

4.3.2.2 Betrachtung aus systemspezifischer Sicht

4.3.3 Bitfehlerverhältnis

4.3.3.1 Bitfehlerrate und Signal-zu-Rauschverhältnis

4.3.4 Q-Faktor

4.3.5 Betrag des Fehlervektors

4.3.6 Image Rejection Ratio

4.3.7 Spektrale Effizienz

4.3.8 Benötigtes OSNR

4.3.9 Signal-zu-Störungsverhältnis

4.3.10 Effektive Anzahl an Bits

4.4 Zusammenfassung

5 Digitale Signalverarbeitung

5.1 Frontendkorrektur

5.2 Entzerrung

5.2.1 Vorverzerrung

5.2.2 Schmetterlingsentzerrer

5.2.3 Statische Entzerrung am Empfänger

5.2.4 Adaptive Entzerrung am Empfänger

5.2.4.1 Least-Mean-Squares-Algorithmus

5.2.4.2 Constant-Modulus-Algorithmus

5.2.4.3 Adaptive Entzerrung in rauschbehafteten nichtlinearen Systemen

5.3 Trägerrückgewinnung

5.3.1 Frequenzrückgewinnung

5.3.2 Phflsenrückgewinnung

5.4 Taktrückgewinnung

5.5 Zusammenfassung

6 Hybride Modulation

6.1 Modulation und Demodulation

6.2 Theorie

6.2.1 Operationsstrategien

6.2.1.1 Konstante Leistungsverteilung

6.2.1.2 Gleiche euklidische Distanz

6.2.1.3 Gleiche Bitfehlerrate

6.2.1.4 Minimale Bitfehlerrate

6.2.2 Vergleich der Strategien

6.3 Digitale Signalverarbeitung

6.3.1 Senderseitige Signalverarbeitung

6.3.2 Empfängerseitige Signalverarbeitung

6.4 Numerische Evaluation

6.4.1 Simulationsaufbau

6.4.2 Optische Übertragung

6.4.3 Frontend Korrektur

6.4.4 Einfluss von Bandbegrenzungen

6.4.5 Einfluss von Quantisieiungsrauschen

6.4.6 Gewinn durch Vorverzerrung

6.4.7 Einfluss optischer Modulation

6.4.8 Einfluss zeitlicher Schräglage des Senders

6.4.9 Einfluss der SSMF

6.5 Experimentelle Evaluation

6.6 Zusammenfassung

7 Fazit

7.1 Zusammenfassung

7.2 Schlussfolgerung

7.3 Ausblick

A Anhang zur optischen Theorie

B Anhang zur hybriden Modulation

C Eingesetzte Laborgeräte

D Glossar

E Stichwortverzeichnis

F Symbolverzeichnis

G Literaturverzeichnis

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. Beginnend mit der Einleitung ist die Zielrichtung dieser Arbeit die Erörterung, Problembetrachtung und Umsetzung flexibler Modulation und gliedert sich in insgesamt sieben Kapitel.

Kapitel 2 liefert die Rahmenbedingungen und die nachrichtentechnischen theoretischen Grundlagen dieser Arbeit. Beginnend finden sich hier die Anmerkungen zu den digitalen Nachrichtenübertragungssystemen und deren Modulation.

In Kapitel 3 wird auf die Komponenten und Bauteile kohärenter faser-optischer WDM-Systeme eingegangen. Danach folgt eine kurze Erläuterung der Schlüsselkomponenten. Diese werden zur näheren Abhandlung über die Simulationen und Messungen im Labor wiederaufgegriffen und dienen zur Darstellung von Implementationen und Erklärungen.

Kapitel 4 zeigt die unterschiedlichen Störungsarten in optischen Systemen auf. Dieser Abschnitt widmet sich im Detail den Störungen in einem modernen kohärenten optischen Übertragungssystem mit WDM. Hier werden sämtliche untersuchte Störungen definiert und die Auswirkungen auf die Qualität einer Übertragung genau dargelegt. Außerdem werden die in dieser Arbeit vorkommenden Gütezahlen eingeführt und konkretisiert.

In Kapitel 5 werden die verwendeten Algorithmen und Module der DSP bestimmt und mit anderen Komponenten der vorherigen Kapitel verknüpft. Hier sollen neben der Erläuterung spezifischer umgesetzter Algorithmen ein Überblick einer modernen DSP zur hybriden Modulation gegeben werden.

Kapitel 6 bildet das Hauptkapitel mit der Diskussion der hybriden Modulation und dem Bezug zu den in Kapitel 2 theoretischen Grundlagen, den auftretenden Störungen aus Kapitel 4 und den jeweiligen Algorithmen aus Kapitel 5. Kapitel 6 ist aufgeteilt in analytische theoretische Betrachtungen, eine kurze Beschreibung der DSP, die numerische Evaluation und experimentelle Ergebnisse.

Kapitel 7 bildet das Fazit mit Zusammenfassung und Bewertung der durchgeführten Untersuchungen. Hier werden die untersuchten Elemente in Kürze zusammengefasst und dargestellt.