Zugangstechniken: von DSL zu EPONs

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Teil 20 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Wie bereits erwähnt, werden Teilnehmer in Corporate Networks im Rahmen einer allgemeinen Verkabelungsstruktur üblicherweise via einer Ethernet-Schnittstelle oder mit einer WLAN-Infrastruktur versorgt. Diese einführende Darstellung wäre jedoch nicht vollständig ohne einige Bemerkungen zu Schnittstellen zu Provider-Netzen. Während heute die meisten Benutzer mit einer DSL-Variante versorgt werden, liegt die Zukunft bei den passiven optischen Ethernet-Verteilsystemen (EPON)

Zu Beginn nutzten private Teilnehmer das Internet über Modemverbindungen oder ISDN. Die hierbei mögliche Übertragungsgeschwindigkeit ist zwar ganz nett, begrenzt aber die Anwendungsmöglichkeiten deutlich. Nicht nur für schnellen Internet-Zugang, sondern auch für Video-Telefonieren oder Tele-Working wäre ein schneller Zubringeranschluss wünschenswert. Aufgrund ihrer Infrastruktur haben die Telekommunikations-Dienstleistungsanbieter große, sehr schnelle flächendeckende Netze. Nur mit der »letzten Meile«, dem Weg zwischen letztem Telco-Schaltkasten und Endteilnehmer, haperte es in der Vergangenheit. Unter einer verwirrenden Namensvielfalt haben sich die „DSL-Technologien“ etabliert, die die Möglichkeiten des bestehenden Kupfernetzes einfach durch andere Modulationstechniken besser ausnutzen. Die Zukunft liegt aber neben der Wireless-Versorgung auch bei EFM: Ethernet in the First Mile.

DSL – Digital Subscriber Line

DSL ist ein rein digitaler Teilnehmeranschluss, der jedem Teilnehmer zwei sog. B-Kanäle mit je 64 kbps und einen D-Kanal mit 16 kbps anbietet. Kommt Ihnen das bekannt vor? ISDN ist die durch die Standards ITU I.431 festgelegte europäische Variante von DSL. Das Verfahren verwendet keine besondere Kompression, aber Echo-Kompensation. Dies bedeutet, dass das Sendesignal vom Empfangssignal an beiden Enden getrennt wird. Dadurch kommt man mit zwei Leitern für eine Vollduplex-Übertragung aus, sonst bräuchte man ja vier.

HDSL – High Data Rate Digital Subscriber Line

HDSL ist einfach eine bessere Methode, Daten über Kupferkabelpaare zu versenden. Es braucht weniger Bandbreite und keine Zwischenverstärker. Mit verbesserter Modulationstechnik benötigt es je nachdem Bandbreiten zwischen 80 und 240 kHz und kann dabei ohne weiteres 4 km überbrücken. Allerdings benötigt es zwei Adernpaare.

SDSL – Single Line Digital Subscriber Line

SDSL ist die unmittelbare Verbesserung von HDSL und kommt mit nur einem Adernpaar für T1 und E1 aus. Es kommt aber nur knapp über 3.000 m weit ohne Zwischenverstärker. SDSL hat den Vorteil, dass das genutzte Übertragungsspektrum oberhalb der normalen Telefonie beginnt, so dass man auf einer SDSL-Leitung auch noch gleichzeitig mit einem konventionellen Apparat telefonieren kann.

ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line und T-DSL

Wie der Name schon sagt, überträgt ADSL einen asymmetrischen Datenstrom, bei dem viel mehr in Richtung Teilnehmer geht, als von diesem Teilnehmer kommt. Die Technologie wurde speziell für die Anbindung von Endteilnehmern entworfen und nicht wie die anderen genannten Technologien auch für die Verbindung von Nebenstellenanlagen und Multiplexern untereinander. Der Grund für die Asymmetrie liegt weniger in der Übertragungstechnologie als in der Gebäudeverkabelung. Signale auf nebeneinanderliegenden verbündelten Kabeln koppeln sich gegenseitig ein, und zwar umso mehr, je länger die Strecke oder je höher die Frequenz ist. Sendet man nun symmetrische Signale, wird alles besonders schlimm, weil von beiden Enden hohe Belastungen auf das Kabel zukommen. Sendet man aber nur von einer Seite mit hoher Datenrate und auf dem Rückweg mit einer wesentlich geringeren, so halten sich die störenden Effekte in Grenzen. Glücklicherweise haben gerade die interessanten Anwendungen eine hohe Asymmetrie: ein Internet-Anwender gibt eine kurze Adresse ein und bekommt daraufhin eine ganze HTTP/HTML-Seite, ein Video-Abonnent wünscht sich einen Film und bekommt diesen dann übers Netz, ein Musikhörer stellt sich seine Wunschtitel zusammen und bekommt sie dann übers Netz heruntergeladen. Die allermeisten modernen Anwendungen dieser Art kommen mit einem Verhältnis von 10:1 zum Teilnehmer (downstream) : vom Teilnehmer (upstream) aus.

ADSL wird nun für einen Bereich von Downstream-Geschwindigkeiten definiert, die von der notwendigen ohne Zwischenverstärker zu überbrückenden Distanz abhängen:

bis zu 6.000 m: 1,544 Mbps (T1)
bis zu 5.300 m: 2,048 Mbps (E1)
bis zu 4.000 m: 6,312 Mbps (DS2)
bis zu 3.000 m: 8,448 Mbps

Upstream-Geschwindigkeiten rangieren zwischen 16 und 640 kbps. Es gibt für alle Kombinationen passende Geräte, meistens solche, die auf verschiedene Geschwindigkeiten eingestellt werden können. Alle ADSL-Modempaare arbeiten in einem Frequenzbereich oberhalb des alten Sprachbandes, es ist also möglich, ADSL-Verbindungen aufzubauen, ohne die gute alte analoge Telefonie zu stören. ADSL ist von komplexer digitaler Signalverarbeitung und kreativen Verfahren abhängig, um so viel Information wie möglich durch ein konventionelles Telefonkabel zu jagen. T-DSL ist keine neue technische Variante, sondern ADSL von der Deutschen Telekom.

VDSL – Very high speed data rate Digital Subscriber Line

VDSL ist ebenfalls eine unsymmetrische Übertragungstechnologie mit noch höheren Datenraten, aber dafür auf geringeren Distanzen. Die Standardisierung ist noch nicht abgeschlossen, aber es zeichnen sich folgende Datenraten ab:

12,96 Mbps auf 1.500 m
25,82 Mbps auf 1.000 m
51,84 Mbps auf 330 m

Upstream Datenraten fallen in einen Bereich zwischen 1,6 und 2,3 Mbps. In verschiedener Hinsicht ist VDSL einfacher als ADSL. Kürzere Distanzen führen zu weniger Beschränkungen im Rahmen der Übertragungstechnik, so dass die grundsätzliche Transceiver-Technik weniger komplex ist, obwohl sie zehnmal schneller ist. VDSL wird in Deutschland z.B. von der Telekom angeboten und ist die technische Grundlage für HDTV-Dienste.

Ethernet in the First Mile

Wenn wir davon ausgehen, dass die optischen Netze eine neue Leistungs-Dimension in der WAN-Technik erschließen und dabei via des 10 GbEthernet Standards auch hier das Ethernet Päckchen das Maß aller Dinge ist, ist es nur logisch, darüber nachzudenken, wie man dies sinnvoll zum Endteilnehmer durchschleifen kann.

Ausgangsszenario für EFM ist das Multiservice Operator Network z.B. eines value-addenden Telco Providers, der neben der Basisleistung entweder selbst Mehrwerte anbietet oder dies Dritten ermöglicht und für die technische Realisierung sorgen muss. Dienstleistungen in einem typischen Multiservice-Operator-Netzwerk sind:

  • paketisierte Sprache
  • geswitchtes Digital-Video: Broadcast, Pay per View, VOD, Videotelefonie, HDTV
  • Daten: Internet Access, VPNs, …

An das Zugriffsnetz der Endteilnehmer werden dann folgende Anforderungen gestellt:

  • Bandbreite 100 Mbps oder 1 Gbps per Haushalt, 10 Mbps oder weniger sind nicht ausreichend um in der Qualität mit CATV vergleichbare Video-Dienstleistungen anbieten zu können, vor allem vor dem Hintergrund mehrerer zu unterstützender Endgeräte in einem Haushalt
  • Alle Dienstleistungen über IP (über Ethernet) mit einer IP Kontrollebene
  • Genügend QoS-Verfahren, um die Dienstleistungen, geringe Verzögerung, Dienstleistungen mit geringen Verlusten zu gewährleisten, wobei allerdings IP DiffServ mit Zugriffskontrollen ausreichend erscheint
  • Passive Komponenten werden bevorzugt (Ethernet Passive Optical Network EPON)
  • Bestehende Telefonleitungen und CATV-Coax sollten nach Möglichkeit ebenfalls benutzt werden können.
  • Grundsätzlich ist die Verwendung von Kupfer nur mehr ein politischer Kompromiss und es gibt eine Reihe von Gründen, in den nächsten Jahren die Optische Übertragungstechnik bis zum Endkunden durch zu leiten. Hier stehen die PONs (Passive Optical Network) im Vordergrund.

    Generell muss man sich bei einem PON überlegen, dass es nicht wirklich eine skalierbare Architektur bietet. Ein PON besteht letztlich aus einem Link zu einem größeren Netzwerk, einem passiven Verteiler und Leitungen zu den Endknoten. Der Link muss in jedem Fall mehr als 1 Gbps können, denn wenn man z.B. 32 Endteilnehmer mit einem PON bedient, dann kämen bei einem Gbps ja nur ca. 30 Mbps beim Endteilnehmer an, dafür könnte man gleich VDSL nehmen. Allerdings, welchen Wert man auch immer nimmt, einen größeren Technologieschritt macht das PON nicht ohne größere Änderungen in der Struktur mit. Die Fiber Optic selbst ist dabei nicht so sehr ein Problem wie die Verlegung.

    Diesen Bedenkenbereichen stehen allerdings auch eine große Zahl von Vorteilen gegenüber. PONs reduzieren wegen ihres Konzentrator-Charakters die Anzahl der Leitungen in den Links. Man benötigt keine aktiven Komponenten beim Kunden, anders als bei VDSL und man benötigt keinerlei Stromversorgung. Hinsichtlich der Kapazität sind PONs eher den flexiblen Architekturen zuzuordnen. Der Standard G.983 für APONs ist verfügbar und wäre auch für das Ethernet Protokoll Profil nutzbar. Allerdings ist er über 10 Jahre alt und müsste ohnehin renoviert werden.

    PONs, VDSL- und CATV-Netze liegen nicht so weit auseinander, dass es völlig unmöglich wäre, für sie eine gemeinsame MAC-Layer zu schaffen. Insgesamt geht man aber davon aus, dass die Kupferinfrastruktur an Boden gegenüber der Fiber Optic verliert.

    Zusammenfassend hat die IEEE Arbeitsgruppe folgende Grobziele ins Auge gefasst:

  • Definition eines Standards für Fiber-To-The Home FTTH und andere Nutzer
  • Benutzung der einfachsten Protokolle, die Flexibilität und schnelle Upgrades berücksichtigen
  • Möglichst einfaches CPE Equipment (Customer Premises Environment)
  • Möglichkeit, mit existierender Technologie zu beginnen
  • Einbeziehung von Kupfervarianten
  • Einbeziehung möglichst vieler Anbieter (Telcos, CATV, …)
  • Möglichkeit der Einbeziehung normalen Telefonverkehrs
  • Standardisierung der Erweiterungsmethode
  • Garantierte Bandbreite mit hochverfügbarem Service für den Endnutzer
  • Symmetrische, skalierbare und leicht änderbare Bandbreite
  • Für den Betreiber: leichte Verwaltbarkeit (Abrechnungsmöglichkeit, flexible Subnetzgranularität, Kontrolle und Feedback über Latenz, Statistik und Security)
  • Möglichkeiten zur schnellen Fehlerisolation
  • Schnelle und flexible Konfiguration
  • Insgesamt konzentriert sich die Diskussion momentan stark auf die EPONs. (Ethernet Passive Optical Network). Ein EPON hat eine Punkt-zu-Vielpunkt-Struktur und kann für Fiber to the Building, Home, Office usf. benutzt werden. Dynamisch skalierbare Bandbreite hilft bei der systematischen Versorgung der ONUs, der Optical Network Units.

    Einer der wesentlichen Nachteile von ADSL oder VDSL ist die extreme Abhängigkeit der realisierbaren Bandbreite von der Leitungslänge. Hersteller sprechen davon, in den interessanten Bereichen zwischen 2 und 6 km mit vollständig passiver, preiswerter Technologie Datenraten im Gbps-Bereich realisieren zu können. Die optischen Modems auf der Seite der Teilnehmer werden dabei aber nicht dumm sein müssen, sondern können Funktionen wie Firewalling, Routing, Switching und dynamische Bandbreitezuordnung beinhalten.

    Ein Optisches Modem ist sozusagen der Eingang zur bestehenden Hausverkabelung. Dieser Ansatz es ermöglicht es, ein Carrier Netz ganz in optischer Technologie auszuführen und gleichzeitig die Investitionen in bestehende Verkabelungen zu retten.

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