Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie in den letzten rund 30 Jahren ist die Nachfrage der Endnutzer nach hochwertigem und schnellem Zugang zu Telekommunikationsdiensten stetig gestiegen. Diese Nachfrage kommt aus allen Gesellschaftsbereichen – von großen und kleinen Unternehmen bis hin zu Privatpersonen, die von zu Hause aus Internetzugang benötigen. Typischerweise brauchen Nutzer einfach einen Breitbandanschluss (d. h. einen schnellen Internetzugang). Die Begriffe „Breitband“ und „schnell“ bezeichnen im engeren Sinne jede Zugangsgeschwindigkeit, die höher ist als die über das Telefonnetz per Einwahlverbindung erreichbare. Die genaue Bedeutung dieser Begriffe hängt vom jeweiligen Kontext ab.
Viele Regierungen sind überzeugt, dass ein hochwertiger und schneller Zugang zu Telekommunikationsdiensten für die wirtschaftliche Entwicklung ihrer Länder im 21. Jahrhundert entscheidend sein wird. Dies wird oft mit dem Ausbau des Autobahnnetzes im 20. Jahrhundert verglichen. Darüber hinaus veröffentlicht die OECD (Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung) regelmäßig Statistiken und Ranglisten der Länder hinsichtlich der Verfügbarkeit und Nutzung von Breitband durch Endnutzer.¹ Daher gilt der Breitbandausbau als Indikator für die wirtschaftliche Entwicklung eines Landes und sein zukünftiges Wachstumspotenzial. All dies beweist lediglich, dass Telekommunikationsdienste zu einem grundlegenden Bestandteil des täglichen Lebens in der modernen Gesellschaft geworden sind.

Heutzutage beziehen die meisten Breitbandnutzer ihren Zugang über die gemeinsame Nutzung der „letzten Meile“ des Kabels vom bestehenden Telefon- oder Fernsehnetz. Dies führt zu Upload-Geschwindigkeiten zwischen 128 kbit/s und 1 Mbit/s und Download-Geschwindigkeiten von etwa 6 Mbit/s (tatsächlich ist die nominell verfügbare Download-Geschwindigkeit höher, da der Zugang von mehreren Nutzern geteilt wird). Das Problem besteht nun darin, dass Endnutzer Bandbreiten fordern, die die Kapazität der Frequenzbänder der ersten Generation bereits übersteigen. Es wird bereits über den Wunsch nach Bandbreiten von bis zu 100 Mbit/s gesprochen.

Eine derart hohe Kapazität im Vergleich zum heutigen Stand erfordert einen radikalen Technologiewandel, der die Grundlage für zukünftige Entwicklungen bilden wird. Es existieren mehrere technische Alternativen, die einen universellen Hochgeschwindigkeitszugang ermöglichen könnten, deren Hauptproblem jedoch die Kosten sind. Im Telefonsystem machen die Zugangsnetze bis zu 70 % der gesamten Netzkosten aus. Die Betriebs- und Wartungskosten des Zugangsnetzes können sogar 70 % der gesamten Betriebskosten übersteigen.
Jede neue Zugangsmethode muss zudem die bestehenden Dienste unterstützen. Das Internet ist unbestritten die Technologie des World Wide Web und von E-Mails, und es erscheint unausweichlich, dass bestehende Dienste wie Telefonie und sogar Kabelfernsehen schnell ins Internet migrieren werden. Dies ist jedoch noch nicht geschehen, und es werden noch viele Jahre vergehen, bis der Übergang abgeschlossen ist.
Es gibt verschiedene potenzielle Architekturen, die die Anforderungen in gewisser Weise erfüllen würden. Selbstverständlich haben sie alle ihre Vorteile und sind mit gewissen Kosten verbunden.

Eine ideale Lösung wäre die direkte Anbindung jedes Endnutzers an eine Telefonanlage (PBX) über ein dediziertes Glasfaserpaar. Dies würde alle absehbaren Bedürfnisse erfüllen und wäre trotz der hohen Anfangskosten eine lohnende Langzeitinvestition.
Eine andere Lösung bestünde darin, höhere Geschwindigkeiten über bestehende Kupfertelefonleitungen zu erzielen, indem die Entfernung zwischen Nutzern und Telefonanlage verkürzt wird. Dies wäre die sogenannte FTTx-Lösung („Fiber to x“ – das „x“ steht hier für den möglichen Standort des Zwischenanschlusses, solange dieser nicht weiter als etwa 500 Meter vom Endnutzer entfernt ist). Hierfür müssen Verteilerkästen zwischen den bestehenden Telefonanlagen und den Endnutzern installiert werden. Diese Verteilerkästen könnten auf der Straße, in einem geeigneten Gebäude oder auf dem Grundstück des Nutzers aufgestellt werden. Diese Lösung ist deutlich kostengünstiger als die vollständige Installation von Glasfaser, allerdings würde die verfügbare Geschwindigkeit nur den unmittelbaren Internetzugangsbedarf decken, und die Kosten für die regelmäßige Wartung könnten recht hoch sein.

Funkfrequenzlösungen können eine Lösung bieten – und das tun sie auch. Das Problem dabei ist die unzureichende Bandbreite. Die Lösung wäre für eine kleine Anzahl von Nutzern zwar funktionsfähig und sehr wirtschaftlich, aber für den flächendeckenden Einsatz in dicht besiedelten Städten ungeeignet. Eine zellulare Architektur, ähnlich der von Mobilfunknetzen, könnte potenziell eine geeignete Lösung sein. Dies würde jedoch eine große Anzahl von Basisstationen in der Nähe der Endnutzer erfordern. Diese Basisstationen müssten über Glasfaser verbunden werden und bräuchten eine leistungsstarke Stromversorgung sowie große Antennen. In der Praxis wäre die Umsetzung dieser Lösung aus verschiedenen Gründen kompliziert, unter anderem aufgrund politischer Bedenken hinsichtlich der Strahlungsrisiken.
Die wirtschaftlichste Lösung für die meisten Anwendungsfälle wäre eine globale optische Lösung. Jeder Endnutzer würde über Glasfaser angebunden, und diese Fasern würden über passive optische Splitter im Straßenraum miteinander verbunden. In der Vermittlungsstelle wären an ein einzelnes Glasfaserpaar 32 (oder mehr) Nutzer gleichzeitig angeschlossen. Da bei jedem Endnutzer neue Glasfasern verlegt werden müssen, verursacht diese Lösung zwar hohe Installationskosten, diese liegen jedoch deutlich unter denen der zuvor angenommenen „idealen“ Lösung. Die regelmäßigen Wartungskosten sind gering, und bei Bedarf kann die Lösung zukünftig durch die „ideale“ Architektur ersetzt werden. Aktuell sind verschiedene Varianten dieser Lösung verfügbar, die alle unter dem Oberbegriff PON (Passives Optisches Netzwerk) zusammengefasst werden. Das derzeit am besten geeignete PON ist GPON (Gigabit-PON). Es besteht kaum ein Zweifel daran, dass eine PON-basierte Lösung die einzige Architektur ist, die den absehbaren Bedarf der nächsten 20 Jahre und mehr zu einem vernünftigen Preis decken kann. FTTx erfüllt jedoch ebenfalls die aktuelle Nachfrage und lässt zudem die Möglichkeit offen, zukünftig auf PON umzusteigen.

Unabhängig von der gewählten Architektur muss im Zugangsnetz Glasfasertechnik eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht darin, ein Netzwerk zu finden, das den aktuellen Nutzerbedarf deckt und gleichzeitig (technologieneutral) zukünftige Entwicklungen ermöglicht – und das alles zu einem erschwinglichen Preis.

Aktuelle und zukunftssichere Anwendungen
Alle vorgeschlagenen Netzwerktechnologien müssen sich an den Bedürfnissen aller Arten potenzieller Nutzer orientieren.

Heimnetzwerke:
Die Netzwerkanbindung in Privathaushalten ist aufgrund des schieren Datenvolumens wohl die am weitesten verbreitete Anwendung. Sie umfasst ein breites Spektrum an Anwendungen, darunter Alarmanlagensteuerung (die nur minimalen Datentransfer erfordert), E-Mail, Internetzugang (WWW), Telefonie, Kabelfernsehen, Video-on-Demand und vieles mehr. Immer mehr dieser Anwendungen verzeichnen ein stetiges Wachstum. Beispielsweise enthalten Websites heutzutage viele Flash-Animationen sowie Audio- und Videoinhalte. Eine schnellere Verbindung erleichtert das Surfen und spart Nutzern Zeit, sowohl im Beruf als auch zu Hause.
Eine weitere häufig genannte bandbreitenintensive Anwendung ist Video-on-Demand. Früher wurde dies als kontrollierte Übertragung von Videos (Filmen aller Art) über eine Verbindung zwischen Dienstanbieter und Nutzer betrachtet (und getestet). Es ist jedoch wichtig zu erwähnen, dass mit der heutigen Technologie eine alternative Architektur realisiert werden könnte, die den gesamten Film (etwa 3 oder 4 GB) als Datei auf die Festplatte der Set-Top-Box des Nutzers überträgt. So könnte der Nutzer den Film genauso ansehen wie jede andere aufgezeichnete Sendung. Diese Architektur macht die Synchronisierung des Nutzers mit dem Netzwerk überflüssig und vereinfacht die Bereitstellung für den Anbieter. Um dies mit HDTV-Inhalten zu erreichen, wäre eine Verbindungsgeschwindigkeit von mindestens 10 Mbit/s erforderlich, wobei Geschwindigkeiten über 100 Mbit/s noch effizienter wären.
IPTV könnte sich auch als vorherrschende Methode der Fernsehübertragung in unseren Haushalten etablieren. Derzeit werden nur wenige Fernsehprogramme live ausgestrahlt (praktisch nur Sport- und Nachrichtensendungen); die meisten sind voraufgezeichnet. In diesem Fall könnte der Zuschauer ein Menü der aktuell verfügbaren Programme einsehen, diese auf eine Set-Top-Box herunterladen und von dort abspielen. Die Verarbeitung der wenigen Live-Übertragungen würde einen speziellen Mechanismus erfordern, doch einige Experten prognostizieren bereits, dass dies die Zukunft des Fernsehens sein wird.
Allerdings ist es nicht nur die Unterhaltung, die die Nachfrage nach schnelleren Internetverbindungen in unseren Haushalten antreibt; auch Unternehmen benötigen sie, da die steigenden sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Kosten des Transports immer mehr Menschen dazu veranlassen, zumindest einen Teil der Woche von zu Hause aus zu arbeiten.

Unternehmen (große wie kleine)
zeichnen sich traditionell durch eine große Anzahl von Endnutzern, relativ geringe Transaktionsdatenmengen und den Bedarf an sehr kurzen Reaktionszeiten aus. Dies erfordert einen schnellen Netzwerkzugang. Dieser Trend entwickelt sich weiter, da immer mehr Anwendungen Grafiken nutzen, insbesondere im Zuge der Weiterentwicklung von Anwendungen wie Videotelefonie und Videokonferenzen. Eine demografische Herausforderung für viele Unternehmen ist ihre Lage in Gewerbegebieten, wo Kabelnetzbetreiber aufgrund hoher Kosten und geringer Nachfrage ihre Netze nicht ausbauen. Dadurch haben viele dieser Unternehmen keinen Breitbandzugang, der in Privathaushalten sehr beliebt ist.

Krankenhäuser, Universitäten und Schulen:
Diese Nutzer ähneln denen großer Unternehmen, mit dem Unterschied, dass sie in letzter Zeit vermehrt Datenvisualisierungsanwendungen einsetzen. Computertomographie-Scans und „wissenschaftliche Visualisierungen“ erfordern die Übertragung sehr großer Dateien innerhalb kurzer Zeit.
In der Medizin boomen derzeit Anwendungen, die es Spezialisten ermöglichen, Diagnosen zu stellen oder Fernkonsultationen durchzuführen, selbst wenn sie Hunderte oder Tausende Kilometer vom Patienten entfernt sind. Selbst so etwas Einfaches wie ein Röntgenbild muss in hoher Auflösung übertragen werden, da, wie die Spezialisten betonen, die größtmögliche Bildqualität benötigt wird. Dasselbe gilt für Fernkonsultationen, bei denen Ärzte erklären, dass Videos von hoher Qualität sein müssen, um den Patienten klar beurteilen zu können. Scheinbar triviale Details wie die Krankengeschichte eines Patienten können im Notfall von größter Bedeutung sein. Wenn jemand die Notaufnahme aufsucht, befindet er sich oft weit entfernt von seinem Hausarzt. Der Zugriff auf seine Krankengeschichte kann daher über Leben und Tod entscheiden. Daher gibt es gute Gründe, medizinische Unterlagen (wie Röntgenbilder, CT-Scans usw.) online verfügbar zu machen, damit sie im Notfall von überall abgerufen werden können.
Außerdem wird es nicht mehr lange dauern, bis Visualisierungstechnologien in Klassenzimmern und sogar in Spielen, die wir zu Hause spielen, weit verbreitet sind.

Mobilfunkinfrastruktur: Mobilfunk- (und Daten-)Netze verbinden Endnutzer über Funkverbindungen mit kurzer Reichweite (typischerweise unter einem Kilometer). Dies bedeutet, dass eine große Anzahl von Basisstationen über das gesamte Versorgungsgebiet verteilt ist. Alle diese Basisstationen müssen an ein Backbone-Daten- und Telefonnetz angeschlossen sein. In der Vergangenheit wurde dies über Glasfaser, Mikrowellenverbindungen und Kupferkabel realisiert. Mit der Weiterentwicklung und dem Ausbau von Mobilfunknetzen (insbesondere zur Bereitstellung von Internetzugang) benötigen mobile Basisstationen nun Hochgeschwindigkeits-Uplink-Verbindungen. Diese könnten selbstverständlich in andere Netzwerkgeräte integriert (oder zumindest an anderen Standorten platziert) werden. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die Bandbreitenanforderungen für bestehende Anwendungen .

Das bestehende Telefonnetz.
Frühe Telefonnetze nutzten offene Leitungen für die Verbindungen – eine Methode, die sich gut eignete, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Allerdings war selbst für eine geringe Anzahl von Nutzern eine große Freifläche für die Installation von Telefonmasten erforderlich. Darüber hinaus wurde berechnet, dass die Bereitstellung von Telefondiensten für eine größere Bevölkerung in westlichen Ländern mehr Kupfer erfordern würde, als in allen bekannten Kupfervorkommen vorhanden ist.
Die Architektur des traditionellen Telefonzugangsnetzes (Abbildung 1) ist wie folgt:

Ein einzelnes Adernpaar aus relativ dünnen Drähten (0,4–0,8 mm²) stellt eine dedizierte, durchgehende Verbindung von jedem Endnutzer zur Vermittlungsstelle her, die sich üblicherweise in einem Radius von etwa 4 km befindet, mitunter auch bis zu 6 km über dickere Kabel.
Die zur Vermittlungsstelle führenden und von ihr abgehenden Kabel enthalten jeweils etwa 600 Kupferaderpaare, gelegentlich auch mehr.
Die Kabel sind oft unterirdisch verlegt und an einen Verteilerkasten auf der Straße angeschlossen. Im Verteilerkasten wird jedes Adernpaar isoliert und mit einem anderen abgehenden Adernpaar verbunden.
Jedes Adernpaar überträgt das analoge Telefonsignal und Gleichstrom (DC) mit niedriger Spannung zum empfangenden Telefon. In den meisten Netzen wird eine höhere Spannung an die Leitung angelegt, damit das Telefon klingelt. Dies ermöglicht es den Nutzern oft, im Notfall auch bei Stromausfall zu telefonieren.
In Einfamilienhäusern genügt in der Regel ein einzelnes Adernpaar für den Anschluss. In Gebäuden mit mehreren Wohneinheiten werden hingegen üblicherweise Mehrpaarleitungen verwendet.
– Das Netzwerk zwischen der Vermittlungsstelle und dem Endnutzer ist vollständig passiv. Obwohl die Kabel elektrische Energie transportieren, befinden sich keine aktiven Komponenten im Signalweg. Dies ist einer der Gründe für die hohe Zuverlässigkeit von Telefonnetzen.
– Vermittlungsstellen sind oft recht große Gebäude, in denen rund um die Uhr Techniker und Wartungspersonal vor Ort sind.

Breitbandzugang über bestehende Telefonleitungen (xDSL)
Digital Subscriber Line/Loop (DSL) ist die allgemeine Bezeichnung für Technologien, die die Nutzung bestehender Telefonleitungen zur Übertragung von Breitbanddaten (mehrere Megabit pro Sekunde) ermöglichen. Die verwendete Telefonleitung ist ein verdrilltes Zweidrahtpaar (TTP), bestehend aus zwei Kupferdrähten, die in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen der Vermittlungsstelle und dem Endnutzer verbunden sind. Typischerweise handelt es sich beim Endnutzer um einen Privathaushalt oder ein kleines Unternehmen, prinzipiell kann es aber jeder Standort mit einem analogen Telefonanschluss sein. In vielen Ländern ist ADSL die vorherrschende Technologie für den Breitband-Internetzugang.

Es gibt verschiedene DSL-Protokolle. Bei xDSL steht das „x“ für jede Komponente der allgemeinen Protokollfamilie. Das am weitesten verbreitete DSL ist ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Es wird als asymmetrisch bezeichnet, da die Geschwindigkeit von der Übertragungsrichtung der Daten abhängt. Die Konfiguration ist in Abbildung 2 dargestellt. Besonders hervorzuheben ist, dass die TTP (Terminal Post Terminal), die den Nutzer mit der Vermittlungsstelle verbindet, die einzige gemeinsame Komponente des Telefonnetzes und der Breitband-Datenverbindung ist.
Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal. Telefonleitungen für Nebenstellen (auch Teilnehmeranschlussleitungen genannt) wurden im 20. Jahrhundert für analoge Telefone entwickelt. Alle Eigenschaften dieser Leitungen (maximale Länge, physikalische Topologie, Kabeldicke, Isoliermaterial usw.) wurden damals durch wirtschaftliche Überlegungen im Zusammenhang mit der Telefonkommunikation bestimmt. Als Medium für digitale Breitbandsignale mit hoher Geschwindigkeit ist dieses System alles andere als ideal.
Jedes Protokoll hat spezifische Eigenschaften. Einige davon sind im Folgenden zusammengefasst:

Asymmetrische digitale Teilnehmerleitung (ADSL)
wurde ursprünglich für den Breitband-Internetzugang in Privathaushalten entwickelt. Die im Standard festgelegte maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 6 Mbit/s im Download und 640 kbit/s im Upload. Der Standard lässt Geräteherstellern jedoch einen gewissen Spielraum, höhere Geschwindigkeiten anzubieten. Die maximal erreichbare Geschwindigkeit wird jedoch häufig durch die Entfernung oder die Leitungsqualität reduziert. Je größer die Entfernung, desto geringer die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit. Die tatsächlich verfügbare Geschwindigkeit kann je nach Tarif variieren. Beispielsweise kann ein Anbieter 1,5 Mbit/s, 3 Mbit/s und 6 Mbit/s zu unterschiedlichen Preisen anbieten.

ADSL-Lite:
Ein Problem von ADSL besteht darin, dass analoge Telefonie und Breitbanddaten über dieselbe Leitung laufen. In Gebäuden mit mehreren Telefonanschlüssen ist daher ein (passiver) Splitter an der Telefonleitung erforderlich, um Sprache und Daten zu trennen. Dies erfordert neue Datenkabel. Der Nachteil: Die Installation dieses Splitters und der neuen Kabel erfordert einen Techniker und verursacht somit erhebliche Zusatzkosten.
Das ADSL-Lite-Protokoll wurde entwickelt, um die direkte Installation einfacher, mitgelieferter Filter an den Endgeräten des Nutzers (z. B. Telefon und Modem) zu ermöglichen. In manchen Fällen sind diese Filter sogar überflüssig. Dadurch entfällt der Techniker (und somit die Kosten), allerdings wird die Datenübertragungsgeschwindigkeit dadurch deutlich reduziert. Die maximal definierte Geschwindigkeit beträgt 1,5 Mbit/s im Download und 512 kbit/s im Upload.

Kabelfernsehnetze (HFC)
Abbildung 3 zeigt die Standardnetzwerkarchitektur, die für die Bereitstellung von Kabelfernsehen erforderlich ist. Dies wird als HFC-Netzwerk (Hybrid-Glasfaser-Koaxialkabelnetz) bezeichnet:

Glasfasern verlaufen von der Vermittlungsstelle zu einem Verteilerkasten auf der Straße. Die Verbindung zwischen Verteilerkasten und Vermittlungsstelle erfolgt über ein einzelnes Adernpaar aus Singlemode-Glasfaser.
Das Hochfrequenzsignal (HF-Signal) wird in der Glasfaser wie ein analoges Signal übertragen. Dies reduziert den Geräteaufwand am Glasfaserknoten, erfordert jedoch einen speziellen optischen Transceiver (mit linearem Frequenzgang).
Am Glasfaserknoten wird das Signal aus der Glasfaser gewonnen, verstärkt und über ein Koaxialkabel übertragen.
Beim Endnutzer wird das Signal abgegriffen und ein Teil davon über ein kurzes, dediziertes Koaxialkabel zum Nutzer geleitet.
Die Entfernung zwischen Glasfaserknoten und Vermittlungsstelle kann bis zu 50–70 km betragen, sodass selbst in Großstädten nur ein oder zwei Vermittlungsstellen benötigt werden.
Glasfaserknoten enthalten aktive elektronische Bauteile und führen daher Strom. Bei Verdacht auf ein Problem müssen Techniker den Knoten überprüfen, um die Ursache zu ermitteln.
Ein Aspekt, der zwar nicht mit der Technologie zusammenhängt, aber grundlegend für die Eigenschaften von Kabelfernsehnetzen ist, liegt darin, dass deren Hauptziel die Unterhaltung ist. Daher investieren die meisten Nutzer nur einen begrenzten Betrag. In vielen Ländern hat dies zu kostengünstigen Installationen und einer entsprechend niedrigen Servicequalität geführt, was sich meist in langen Reparaturzeiten nach einem Ausfall äußert. „Schließlich ist es ja nur Unterhaltung.“
Es sei angemerkt, dass sich die aktuelle Struktur kaum von der von VDSL- oder PON-Netzen unterscheidet, auf die wir später eingehen werden. Der einzige Unterschied besteht in der Anbindung der letzten 500 Meter an den Endkunden.

Breitbandanschlüsse über HFC-Netze:
Das Koaxialkabel, das Nutzer mit HFC-Netzen verbindet, ist eine sehr geeignete Kommunikationsmethode. Es kann eine sehr große Signalbandbreite übertragen. Kabelnetzbetreiber bieten heutzutage routinemäßig Breitband (Internet) und herkömmliche Telefondienste über bestehende Kabel an.
Breitbanddienste werden durch die Zuweisung ungenutzter Frequenzbänder innerhalb des Kabels realisiert. Die größte technische Herausforderung bei der Bereitstellung des Zugangs besteht darin, dass diese Kabel als „Busse“ fungieren. Das bedeutet, dass sich viele Nutzer einen einzigen Kanal teilen und ein Zugriffsarbitrierungsprotokoll für die Upstream-Verbindung vorhanden sein muss. Obwohl die beworbene Geschwindigkeit typischerweise 30 Mbit/s beträgt, ist dies die gesamte gemeinsam genutzte Geschwindigkeit, die einer ganzen Nutzergruppe zur Verfügung steht. Um die Sache zu vereinfachen und fair zu gestalten, ist die Upload-Geschwindigkeit für Nutzer in der Regel auf 128 kbit/s begrenzt. Selbstverständlich kann jedes Kabel mehrere gemeinsam genutzte Kanäle haben, denen jeweils eine Nutzergruppe zugeordnet ist. Denn wenn es zu einer Überlastung kommt, kann der Netzbetreiber relativ einfach ein Segment des Kabels teilen, um zwei Glasfaser-Upload-Verbindungen anstelle von einer bereitzustellen. Das System funktioniert bei einer geringen Anzahl von Benutzern sehr gut, aber bei Überlastung kann es zu erheblichen Qualitätseinbußen kommen.

Funkverbindungen:
Breitbandinternet kann auch über Funktechnologie realisiert werden; dies ist vielerorts bereits der Fall. Das Problem der Funktechnologie besteht darin, dass das verfügbare Funkfrequenzspektrum recht klein ist, sodass eine großflächige Funknutzung die Bandbreite schnell auslasten würde. Es ist jedoch möglich, ein Mobilfunknetz (ähnlich einem Mobilfunknetz) aufzubauen. Mit minimaler Sendeleistung über kurze Distanzen könnten dieselben Frequenzen wiederholt genutzt werden. Eine solche Struktur würde eine Architektur ähnlich FTTx erfordern und ebenfalls Glasfaserkabel nutzen, um eine große Anzahl von Basisstationen zu einem weitverzweigten Netzwerk zu verbinden. Die Funkwellenausbreitung stellt jedoch in städtischen Gebieten mit hohen Gebäuden, in Bergregionen usw. eine Herausforderung dar. In der Praxis ist die Antennenplatzierung oft schwierig.

Aktuelle Netzwerkumgebung:
Das erste weit verbreitete Kommunikationsnetz der Geschichte war das Telefonnetz. Noch heute gilt es als die größte und komplexeste Maschine, die die Menschheit je geschaffen hat. Kabelfernsehnetze hingegen wurden ursprünglich von kleinen Gemeinden entwickelt, die ihren Fernsehempfang verbessern wollten und dafür Gemeinschaftsantennen installierten. In den USA werden diese Netze noch immer CATV (Community Antenna TV) genannt.
Mit dem Aufkommen von Computernetzwerken waren die ersten Nutzer große Unternehmen, die bereit waren, für spezielle, maßgeschneiderte Dienste zu bezahlen. Der universelle Zugang war langsam und nutzte bestehende Telefonleitungen. Um höhere Geschwindigkeiten (Breitband) zu erreichen, wurden neue Netze aufgebaut, indem in den meisten Vermittlungsstellen entsprechende Geräte installiert wurden. Der Zugang wurde durch die gemeinsame Nutzung der „letzten Meile“ des Kabels von der Vermittlungsstelle für den neuen Datendienst und für den bestehenden Kabel- oder Telefondienst ermöglicht.

Das Hauptproblem besteht nun darin, dass die Nutzer noch höhere Geschwindigkeiten wünschen, weshalb die gemeinsame Nutzung mit bestehenden Diensten nicht mehr praktikabel ist. Die Kosten für die Verlegung neuer Kabel (jeglicher Art) an den Standorten der Nutzer sind jedoch hoch, und der Austausch aller bestehenden Kabel wäre sehr aufwendig. Externe Bauarbeiten (Straßenaufbrüche etc.) sind extrem teuer. Funkbasierte Technologien könnten eine Alternative darstellen, doch die begrenzte Bandbreite scheint deren flächendeckende Einführung in städtischen Gebieten unmöglich zu machen.

Langfristig (20 Jahre) wird die vollständige Ersetzung der bestehenden Kupferverkabelung durch Glasfaser im Prinzip die einzige Alternative sein. Es ist jedoch möglich, bestehende Installationen mithilfe von Technologien wie FTTc (Fiber to the Cabinet) zu modernisieren. Dies ist von großer Bedeutung, da so der aktuelle Bedarf zu deutlich geringeren Kosten als mit der idealen Lösung gedeckt werden kann. Zudem lassen sich alle neu verlegten Kabel später wiederverwenden, wenn ein Upgrade auf eine endgültige Lösung erforderlich wird.
Wichtig ist, dass jede vorgeschlagene Lösung dauerhaft nutzbar und bei Bedarf erweiterbar sein muss. Darüber hinaus sollten die vorgeschlagenen Lösungen schrittweise und parallel zu anderen Diensten (wie z. B. Stromversorgungskabeln) installiert werden.

Physische Umgebung:
Bei der Betrachtung von Netzwerkbedürfnissen denken viele Menschen nur an Einfamilienhäuser auf eigenen Grundstücken. In den meisten Ländern ist diese Wohnform jedoch eher die Ausnahme als die Regel.

Viele Menschen leben heutzutage in Mehrfamilienhäusern oder Wohnblöcken.
In Amerika und Europa gibt es außerhalb der Städte große, ländlich geprägte Gebiete, in denen die Häuser Hunderte oder sogar Tausende von Metern voneinander entfernt liegen.
Die Kosten für die Versorgung eines großen Wohnblocks könnten potenziell geringer sein, da die Ausgaben geteilt werden. Allerdings befinden sich solche Blöcke oft an Straßen, wo die Verlegung von Zugangskabeln sehr teuer ist. Zudem ist die Installation der Ausrüstung von Serviceanbietern in den Wohnungen der Kunden in vielen Ländern durch rechtliche Bestimmungen eingeschränkt.
Kleine Unternehmen weisen ähnliche Merkmale wie Wohnimmobilien auf.
Auch viele große Unternehmen außerhalb der Ballungsräume benötigen Dienstleistungen.

Rechtliches, politisches und wirtschaftliches Umfeld:
In den meisten Ländern beeinflussen rechtliche Bestimmungen die Netzwerkeigenschaften. In den USA beispielsweise definieren und beschränken verschiedene Gesetze die Rolle von Kabel- und Telefongesellschaften. In anderen Ländern hat die Regierung Gesetze erlassen, die den Wettbewerb zwischen den Anbietern fördern sollen. Diese Regeln und Gesetze gehen davon aus, dass die aktuell verfügbare Technologie auch zukünftig genutzt wird und bestimmen weitgehend die möglichen Optionen für die Netzwerkentwicklung.

Sehr schnelles FTTx-DSL (VDSL):
Bestehende ADSL-Netze funktionieren sehr gut, doch viele Nutzer wünschen sich deutlich höhere Geschwindigkeiten. Wie bereits erwähnt, hängt die maximal erreichbare Geschwindigkeit einer ADSL-Verbindung stark von ihrer Länge ab (eine typische Eigenschaft von Kupferkabeln). Warum also nicht die Verbindungslänge verkürzen? Die Idee ist, einen Verteilerkasten mit aktiver Ausrüstung entlang der bestehenden Kabeltrasse zu platzieren. Das Kupferkabel (Mehrpaar-Uplink) wird durch ein Glasfaserpaar ersetzt, während die Kupferkabelverbindung zum Nutzer erhalten bleibt. Die DSL-Ausrüstung befindet sich im Verteilerkasten. Diese Architektur wird oft als FTTx bezeichnet, wobei das „x“ für einen beliebigen Buchstaben des Alphabets stehen kann (Verteilerkasten, Bordstein, Knoten usw.).
VDSL funktioniert über relativ kurze Distanzen zwischen 350 Metern und 1,5 Kilometern mit Geschwindigkeiten von bis zu 52 Mbit/s im Download und 2,3 Mbit/s im Upload. VDSL-2, die aktuell führende Technologie, bietet noch höhere Geschwindigkeiten und etwas größere Reichweiten und ist zudem mit der vorhandenen ADSL-Ausrüstung der Nutzer kompatibel.
Es ist wichtig zu beachten, dass die oben genannten Geschwindigkeiten und Entfernungen stark von den Eigenschaften des vorhandenen Kabels abhängen. In manchen Fällen können die Entfernungen etwas größer, in anderen deutlich kürzer sein. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass sich die Übertragungseigenschaften eines Adernpaares in einem Mehrpaarkabel von denen eines benachbarten Paares unterscheiden können.

Der Hauptvorteil der FTTx-Technologie besteht darin, dass sie zwar Glasfaser vom Vermittlungsamt zum Verteilerkasten benötigt, aber die Kosten für die Verlegung neuer Kabel beim Kunden einspart.
Allerdings ist sie nicht völlig ideal, denn:

- Es erfordert die Installation elektrisch betriebener Verteilerschränke an jeder Ecke. Da ein Telefonanschluss benötigt wird, müssen diese Schränke über eine äußerst zuverlässige Stromversorgung verfügen.
- Die Kosten dürften hoch sein, da für die Versorgung einer der 50 größten Städte der Welt zwischen 2.000 und 5.000 Verteilerschränke erforderlich wären. Obwohl diese Infrastruktur nicht zukunftssicher ist, lassen sich unnötige Kosten minimieren, wenn sie mit einem durchdachten Plan für die zukünftige Migration zu einer reinen Glasfaserinfrastruktur installiert wird.
- Die im Straßenraum installierten aktiven Geräte verursachen hohe laufende Wartungskosten.
- In vielen Fällen reichen die vorhandenen Kupferkabel für die angestrebten Geschwindigkeiten aus, in anderen jedoch nicht. Es bestehen erhebliche Bedenken hinsichtlich der korrekten Funktion des Systems bei einer großen Anzahl von VDSL-Nutzern. Derzeit wählen Techniker die hochwertigsten Adernpaare für ADSL oder VDSL aus und reservieren die weniger hochwertigen Paare für herkömmliche Telefonnutzer. Würde jeder xDSL nutzen, wären viele (oder die meisten) der vorhandenen Kabel vermutlich nicht mehr nutzbar.

Glasfaseranschluss (FTTH) oder PON-Standort

Wenn Sie ein großes Mehrfamilienhaus mit rund 100 Wohneinheiten mit Internet versorgen möchten, bietet es sich an, Glasfaser bis zum Gebäude zu verlegen und dort einen VDSL-Knoten zu installieren. Dadurch entfällt die kostspielige Neuverlegung von Kabeln im Gebäude. Selbstverständlich müssen die Gebäudeeigentümer kooperieren und einen sicheren Raum für die Installation der Geräte bereitstellen.
Diese Lösung, oft auch als FTTH oder FTTB bezeichnet, ist bis auf den Standort des Zugangspunkts identisch mit FTTC. Da die Verbindungen zum Endnutzer kurz sind und in der Regel aus Einzelkabeln bestehen, ist die Qualität sehr gut und der Service exzellent. Die Kosten, die für Einfamilienhäuser möglicherweise zu hoch sind, können sich bei der Versorgung einer großen Anzahl von Wohnungen durchaus lohnen.

Passive optische Netzwerke (PON)
: Wie bereits erwähnt, wäre eine Punkt-zu-Punkt-Glasfaserverbindung von jedem Nutzer zur Vermittlungsstelle aus den meisten technischen Perspektiven die ideale Lösung – abgesehen von den Kosten. Eine solche Lösung böte jedem Nutzer eine Kapazität von mehreren Gigabit pro Sekunde und würde damit jeden absehbaren Bedarf decken. Eine Lösung, die mehr als ausreichende Kapazität bietet und kostengünstiger ist, ist das passive optische Netzwerk (PON).
Die Idee hinter einem PON besteht darin, eine optische Netzwerkinfrastruktur aufzubauen, die passive optische Splitter nutzt, um viele Nutzer an eine einzige Glasfaser anzuschließen, sobald diese in der Vermittlungsstelle ankommt.

Das Diagramm in Abbildung 4 zeigt die grundlegende PON-Konfiguration. Splitter teilen das Signal auf und senden einen Teil davon an jeden Benutzer. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Licht kein elektrischer Strom ist. Splitter unterscheiden sich grundlegend von Spannungsreglern. Sie können jedoch im Allgemeinen als ähnlich betrachtet werden, da sie das optische Signal (in beide Richtungen) deutlich reduzieren. Wäre die obige Konfiguration elektronisch statt optisch, könnte sie Hunderte oder sogar Tausende von Benutzern unterstützen. Da sie optisch ist,
liegt die aktuelle Grenze bei 32, obwohl unter bestimmten Umständen 64 (GPON) möglich sind.

Die wichtigsten Merkmale dieser Architektur sind folgende:

Da keine externen Schränke benötigt werden, sind Netzwerkkonfiguration und -betrieb einfacher. Splitter können ähnlich wie Patchpanels installiert werden.
Die optischen Netzwerkgeräte/-anschlüsse (ONUs/ONTs) müssen nicht modifiziert werden, um die Netzwerkzugriffskapazitäten für zukünftige Breitband- und Multimedia-Dienste zu erweitern.
Die Wartung ist unkompliziert, da das System keine aktiven elektronischen Komponenten im Feld enthält. Nach der Installation der Glasfaser funktioniert das System zuverlässig, solange keine äußeren Einflüsse auftreten.
Je nach PON-System kann der Endnutzer bis zu 20 km vom optischen Leitungsabschluss (OLT) entfernt sein. Derzeit gibt es in Großstädten bis zu 500 Vermittlungsstellen. Mit einem PON-System wären deutlich weniger, nämlich 12 bis 20, erforderlich. Dies kann zu erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten führen.

PON-Betriebsprotokolle:
Alle gängigen PON-Systeme nutzen gemeinsam genutzte Glasfaser in irgendeiner Form. Aus Sicht der Vermittlungsstelle sind viele Endnutzer an dieselbe Glasfaser angeschlossen. Dies bietet einen erheblichen Kostenvorteil, da in der Vermittlungsstelle deutlich weniger Leitungsanschlüsse benötigt werden. Allerdings erfordert diese Situation einen disziplinierten Umgang mit den Verbindungen. Zwar wäre es möglich, die Glasfaser mithilfe mehrerer Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex) zu „kanalisieren“, die elektronische Kanalisierung ist jedoch wesentlich kostengünstiger. Da beispielsweise alle Nutzer ihre Upstream-Daten über denselben Kanal senden, ist ein Steuerungsprotokoll erforderlich, um sicherzustellen, dass jeweils nur ein Nutzer Daten sendet. Darüber hinaus wird ein Protokoll für die Fehlersuche und die Gerätewartung benötigt.

Praktische Netzwerke: Zusammenfassung und Schlussfolgerung.
Im Juni 2007 hatten 50 % der Haushalte in Westeuropa und den USA Zugang zu Breitbandinternet. In den USA nutzten die meisten Anwender Kabelmodems, die an Kabelfernsehnetze angeschlossen waren. In den meisten europäischen Ländern ist DSL die am weitesten verbreitete Zugangsmethode; über 75 % der Nutzer sind in jedem Land angeschlossen.
In den USA nutzen rund 1,5 Millionen Abonnenten FTTx-Pilotnetze (einschließlich PON) verschiedener Art. In Japan und Südkorea sind etwa 40 % der Nutzer hauptsächlich über PON-Netze verbunden. In der Volksrepublik China sind rund 15 Millionen FTTx-Abonnenten registriert. Der Einsatz von FTTx- und PON-Technologien nimmt weltweit deutlich zu.
Die steigende Nachfrage nach Telekommunikationsdiensten hat ihren Höhepunkt erreicht, da sie nicht mehr allein durch den Ausbau von Telefon- oder Kabelfernsehnetzen gedeckt werden kann. Ein vollständiger Ersatz des Telefonnetzes durch eine neue Technologie würde massive Investitionen erfordern, die nicht mit den Preisen vereinbar sind, die die Nutzer zu zahlen bereit oder in der Lage sind.
Netzbetreiber und Regierungen müssen den aktuellen Bedarf ermitteln und den Bedarf in naher Zukunft prognostizieren sowie die potenzielle Situation in 20 Jahren berücksichtigen. Sie müssen die langfristig benötigten Technologien identifizieren und die Netzentwicklung und -anpassungen unter Berücksichtigung der zukünftig erforderlichen Architektur verbessern.

 

Weitere Informationen oder ein Angebot

 

Patrick Gähwiler, Reichle & De-Massari AG (R&M)