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Topologieoptimierung fliegender Kommunikationsnetzwerke

Prognosen der Kommunikationsindustrie sagen weiterhin eine jährliche Verdoppelung des Datenaufkommens im Mobilfunk voraus. Damit Datendienste für die Flugzeugkabine mit der technischen Entwicklung Schritt halten können, werden künftig Lösungen notwendig, die weitaus größere Kapazitäten als heutige Datenverbindungen bieten. Aus dieser Motivation heraus werden bei Bauhaus Luftfahrt fliegende Kommunikationsnetzwerke mit Laserverbindungen untersucht. Im Konzept sind Flugzeuge nicht nur Datennutzer, die senden und empfangen, sondern sie bilden ein großflächiges Netzwerk, um Daten untereinander zu verteilen. Während das Konzept revolutionäre Verbesserungen bezüglich Konnektivität, Bandbreite und Kosten verspricht, stellt die Optimierung der Topologie eine wesentliche Herausforderung dar, insbesondere im Hinblick auf Robustheit und die Anbindung an das Internet.

Design und Optimierung dieser Netzwerke setzen ein genaues Verständnis von Technologie-potenzialen und Architekturen voraus. Innerhalb der Rahmenbedingungen, die das Luftverkehrssystem vorgibt, muss das Netzwerk unter Berücksichtigung von Verbindungsdynamik und Datenvolumina auf Konnektivität und Durchsatz optimiert werden. Da sich die räumliche Verteilung der Teilnehmer ständig verändert und Verbindungen aufgrund von Reichweite-Limitierungen und Wettereinflüssen dynamisch wechseln, ist Robustheit eine wesentliche Voraussetzung, die durch die geschickte Platzierung von Internetgateways unterstützt werden kann. Die Auswertung von Bitrate-Entfernungsstatistiken („Flugzeug-zu-X“) zeigt, dass die Umverteilung von Gateways entlang einer Luftstraße sowohl die Konnektivität als auch Technologieanforderungen optimieren kann. Das Ergebnis ebnet den Weg zu optimierten Technologie- und Architekturentscheidungen für zukünftige Implementierungen.

  • Reduktion des Bandbreitenbedarfs bei Umverteilung von Gateways: Häufigkeitsverteilung der Bitrate-Entfernungsanforderung an Links für zwei Topologien mit Gateways an den Rändern eines Korridors (links) und in der Mitte (rechts). Umverteilung zum Zentrum verringert den Bandbreitenbedarf und verbessert die Konnektivität (s. u.).Reduktion des Bandbreitenbedarfs bei Umverteilung von Gateways: Häufigkeitsverteilung der Bitrate-Entfernungsanforderung an Links für zwei Topologien mit Gateways an den Rändern eines Korridors (links) und in der Mitte (rechts). Umverteilung zum Zentrum verringert den Bandbreitenbedarf und verbessert die Konnektivität (s. u.).
  • (Netzwerk-)Konnektivitätsstatistiken aller Flugzeuge: In Szenario 1 sind nur 25 % aller Flugzeuge zu jeder Zeit verbunden, während 100 % nie erreicht werden. In Szenario 2 sind 50 % aller Flugzeuge stets verbunden, also doppelt so viele im Vergleich.(Netzwerk-)Konnektivitätsstatistiken aller Flugzeuge: In Szenario 1 sind nur 25 % aller Flugzeuge zu jeder Zeit verbunden, während 100 % nie erreicht werden. In Szenario 2 sind 50 % aller Flugzeuge stets verbunden, also doppelt so viele im Vergleich.