Mathematischer Trick pusht Datenübertragung

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Schon bald ist der sogenannte capacity crunch und damit die Belastungsgrenze optischer Fasernetzwerke erreicht. Statt teurer Verlegung neuer optischer Fasern, lässt sich das Problem mit Hilfe der nichtlinearen Fouriertransformation lösen.

Nie zuvor war die Datenübertragung so schnell wie heute. Dennoch steuern in den optischen Netzwerken die Datenraten auf ihr theoretisches Maximum zu. Für Dr.-Ing. Sander Wahls von der TU Delft, Niederlande, ist dieser „capacity crunch“, wie er jenen Punkt anschaulich bezeichnet, ab dem man versucht, mehr Daten durch die optischen Fasernetzwerke zu übertragen als eigentlich „reinpassen“, bald erreicht. „Das würde dann unweigerlich zu Übertragungsfehlern führen, denen man nicht mehr Herr werden könnte“, so Wahls. Weil vor allem optische Netzwerke heute das Rückgrat der Informationsgesellschaft bilden und der Datenverkehr im Internet seit Jahren exponentiell ansteigt, ist schnelles Handeln notwendig.

Wie es im Übrigen um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Datennetze bestellt ist, hat Professor Volkmar Brückner in „Das globale Netz - Wirkungsweise und Grenzen der Datenübertragung im globalen Netz“ analysiert. Demnach ließe sich durch das Verlegen optischer Fasern der bevorstehende Engpass vermeiden. Doch dieses Vorhaben ist sehr teuer und aufwendig, insbesondere bei Unterseekabeln. Für Wahls aber lässt sich das Problem einfacher lösen, Er schlägt einen mathematischen Lösungsansatz vor. Um die Übertragungsqualität in den bestehenden Fasern zu verbessern, setzt er auf die nichtlineare Fouriertransformation. Er hat dazu einen effektiven Algorithmus zur Berechnung entwickelt.

Nichtlineare Fouriertransformation verbessert Datenübertragung

Sein Thema entdeckte Wahls, der an der TU Berlin Mathematik studierte und dort dann in Elektrotechnik promovierte, über seinen Onkel, der als Professor für Hydromechanik und Küsteningenieurswesen in Braunschweig zu Wasserwellen forschte. „Er ist vor einigen Jahren auf nichtlineare Fouriertransformationen aufmerksam geworden und hat sie in einem Forschungsprojekt mit sehr interessanten Ergebnissen untersucht. Davon hat er mir dann einmal erzählt. Allerdings habe ich das erst mal nur zur Kenntnis genommen, da Wasserwellen zu der Zeit sehr weit von meiner eigenen Forschung waren“, verrät Wahls.

Schließlich erfuhr er aber von einem Verfahren, welches die nichtlineare Fouriertransformation in der optischen Datenübertragung anwendet, so dass mehr Daten in die Fasern „passen“. In der Datenübertragung sieht er eine praktische Einsatzmöglichkeit für seinen Algorithmus: „Es handelt sich um ein Methode, welche die nichtlineare Fouriertransformation mit besonders wenigen Rechenschritten ermittelt. Für die praktische Realisierung eines Kommunikationssystems ist dies von zentraler Bedeutung, da es die Anforderungen an die Hardware und somit die Kosten drastisch reduziert“, erklärt Wahls die Vorteile.

Johann-Philipp-Reis-Preis

Für seine Arbeit zur numerischen Berechnung der nichtlinearen Fouriertransformation erhielt der Mathematiker nun vor Kurzem in Friedrichsdorf den mit 10.000 Euro dotierten Johann-Philipp-Reis-Preis für herausragende, innovative Leistungen auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik. In der Telekommunikationsbranche ist diese Auszeichnung für Nachwuchswissenschaftler hoch angesehen. Sie wird alle zwei Jahre vom VDE gemeinsam mit der Deutschen Telekom AG und den hessischen Städten Friedrichsdorf und Gelnhausen vergeben, in denen der Erfinder Reis lebte.

Für den VDE-Vorstandsvorsitzenden Hans Heinz Zimmer ist Wahls Entwicklung auch deshalb interessant, weil „die Methode eine attraktive Alternative zu heutigen Entzerrverfahren für nichtlineare Effekte bietet, in welchen die optische Faser aufwendig über ihre gesamte Länge simuliert werden muss“. Wie das Problem bisher gelöst wurde, erklärt Zimmer auch: „Im Alltag sprechen wir oft einfach lauter, falls uns jemand nicht versteht. Diese einfache Strategie zur Verbesserung der Übertragungsqualität wird auch in vielen Kommunikationssystemen genutzt. In optischer Faser versagt sie allerdings ab einer gewissen Sendeleistung. Die Ursache sind sogenannte nichtlineare Effekte, welche zur Folge haben, dass das Verhalten des optischen Kommunikationskanals stark von der Sendeleistung abhängt“.