KI macht Glasfasern Beine

Die Datenübertragungsrate in Glasfasernetzen bleibt bisher hinter den theoretischen Möglichkeiten zurück, da die damit einhergehende Erhöhung der Signalbandbreite zu Informationsverlusten beim Empfänger führt. Forschende am Institut für Nachrichtenübertragung (INÜ) der Universität Stuttgart konnten die spektrale Effizienz, also die Zahl der Informationseinheiten, die pro Hertz und Sekunde in der verfügbaren Bandbreite übertragen werden, auf Weltrekordniveau erhöhen und setzen dabei auf Künstliche Intelligenz (KI). 

In der Nachrichtentechnik erfordern hohe Datenübertragungsraten hohe Leistungen beziehungsweise sehr viel Energie. Anders als zum Beispiel in der Funktechnik vergrößert sich in der optischen Übertragungstechnik allerdings bei hohen Leistungen die Signalbandbreite während der Ausbreitung. Das führt zu Informationsverlusten beim Empfänger. Aus diesem Grund bleibt man in der Praxis heute weit unterhalb der theoretisch möglichen Datenübertragungsrate.

Um das zu ändern, werden Signalformen gesucht, die sich möglichst robust und ohne Bandbreitenaufweitung auf der Faser ausbreiten. Ein bereits bekannter Ansatz hierfür ist die optische Übertragung über die so genannte Solitonen-Impulsformung. Da mit dieser bisher jedoch nur geringe spektrale Effizienzen erreicht werden konnten, blieben die erzielbaren Datenraten gemessen an der möglichen Kanal-Kapazität dennoch sehr gering.

Um Daten nicht nur robust, sondern auch mit hoher spektraler Effizienz über die Glasfaser übertragen zu können, hat es das Team am INÜ geschafft, Impulsformen mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz über eine numerische Modellierung der Glasfaser zu trainieren. Damit ist es das erste Team weltweit, welches mithilfe von KI neue Signalformen generieren konnte, die für die kohärente optische Übertragung einsetzbar sind. Die erreichten spektralen Effizienzen übersteigen bei hohen Eingangsleistungen und gleichzeitig verringerter Rechenkomplexität diejenigen herkömmlicher Verfahren bei weitem und ebnen den Weg für eine weitere Erhöhung der über Glasfaser erzielbaren Datenraten. 

Großen Wert legte das Team auf die Interpretierbarkeit der Ergebnisse. Dabei zeigt sich, dass eine geschickt gewählte Prä- und Post-Kompensation der Störungen in Kombination mit einem nichtlinearen Empfänger zu dem angesprochenen Gewinn geführt hat. Darüber hinaus ist damit der Weg frei für neue Systeme mit sehr viel höheren Datenraten bei gleichzeitig längeren Übertragungsdistanzen. Aktuell sind die Forschenden auf der Suche nach einer interpretierbaren, nichtlinearen und dennoch trainierbaren Senderstruktur. Dies soll der Schlüssel sein für eine noch weitere Erhöhung der spektralen Effizienz der Glasfaser.