Mit weltweit 750 Millionen Anschlüssen ist die Telefonanschlussleitung die am weitesten verbreitete Kommunikationsumgebung. Sie besteht aus einem verdrillten Zweidrahtpaar (TTP), zwei dünnen, isolierten Kupferdrähten, die radial miteinander verdrillt sind und die Endnutzer mit einem Verteilerpunkt (einer Telefonzentrale) verbinden. Die Nutzung der bestehenden TTP-Infrastruktur für die digitale Breitbandübertragung bietet den offensichtlichen Vorteil ihrer weiten Verbreitung, sofern dies möglich ist. Wir werden untersuchen, wie die DSL-Technologie die Probleme der TTP als Breitbandmedium überwindet, und beginnen mit einem kurzen Abriss der Geschichte der Nutzung des Telefonsystems zur Übertragung digitaler Signale.
Von analog zu digital: Ein kurzer Überblick von der Telegrafie zur ISDN-Technologie.
Digitale Fernkommunikation über Kupferleitungen existierte bereits vor dem Telefon. Sowohl Telegraf als auch Telex nutzten eine sehr einfache Form der digitalen Codierung. Ende der 1950er-Jahre verwendeten Streitkräfte, Fluggesellschaften und Banken neben Telegrafensystemen und -codes auch herkömmliche Telefonleitungen, um ihre Endgeräte mit einem entfernten Zentralrechner zu verbinden. Diese Systeme wiesen typischerweise sehr niedrige Übertragungsgeschwindigkeiten (meist zwischen 100 und 150 Bit/s) auf und nutzten ein sehr einfaches „Ein/Aus“-Signal, funktionierten aber über Entfernungen von bis zu etwa 30 km.
In den 1960er-Jahren kamen Modems (Modulator-Demodulator-Geräte) auf den Markt, um höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Diese wandelten das einfache digitale „Ein/Aus“-Signal in Audiosignale um, die über einen Standard-Telefonkanal übertragen werden konnten. Im Laufe der Zeit erreichten Modems immer höhere Geschwindigkeiten (bis zu 56 kbit/s). Anfang der 1970er-Jahre begannen die Betreiber jedoch, digitale Vermittlungstechniken in den Vermittlungsstellen einzusetzen, und es wurde deutlich, dass eine vollständig digitale Verbindung zum Teilnehmer ein wesentlich besseres System ermöglichen würde. Die Anfang der 1980er-Jahre standardisierten Integrated Services Digital Networks (ISDN) boten dem Telefonteilnehmer digitalen Zugang und konnten über die Standard-TTP-Leitung zwei digitale 64-kbit/s-Sprachkanäle und einen 16-kbit/s-Daten-/Signalisierungskanal über Entfernungen von bis zu 5 km und mit Repeatern bis zu 20 km übertragen.
Ende der 1980er-Jahre entwickelten die Betreiber die Dienste „T1“ (1,544 Mbit/s) und „E1“ (2 Mbit/s), die Vierdrahtverbindungen und Repeater im Abstand von etwa 1,5 km erforderten. Diese waren die Vorläufer von HDSL, der ersten von mehreren DSL-Lösungen.
High-Speed Digital Subscriber Line (HDSL)
bietet Geschwindigkeiten, die mit denen von T1- und E1-Anschlüssen vergleichbar sind – und diese sogar übertreffen, wenn die Übertragung hauptsächlich unidirektional über Entfernungen von bis zu 6 km erfolgt, abhängig von der Leitungsqualität. HDSL eignet sich für kleine Unternehmen für traditionelle Anwendungen wie die Anbindung an eine Telefonanlage (PBX) und die Datenübertragung. Für kleine Websites ist es deutlich besser geeignet als ADSL, da es wesentlich höhere Upload-Geschwindigkeiten als die von ADSL angebotenen 640 kbit/s bietet.
HDSL wurde von anderen Standards abgelöst. SHDSL nutzt dieselbe DMT-Technologie wie ADSL (siehe unten), jedoch nur ein Adernpaar. SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) ist ein Protokoll, das HDSL sehr ähnlich ist und mit 784 kbit/s in beide Richtungen über ein einzelnes verdrilltes Kupfertelefonader-Paar (TTP) über Entfernungen von bis zu 6 km arbeitet. IDSL (ISDN Digital Subscriber Line) ist in seiner Struktur ähnlich wie SDSL, nutzt jedoch ISDN-Chipsätze und -Infrastruktur (Basistarif), um einen einzelnen 128-kbit/s-Zugang bereitzustellen. IDSL bietet eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 128 kbps, ermöglicht aber den Einsatz von ISDN-Repeatern, um Entfernungen von bis zu 20 km zu überbrücken.
(Asymmetric Digital Subscriber Line)
wurde um 1990 für die Fernsehübertragung über Telefonleitungen entwickelt, als Reaktion auf US-amerikanische Kabelfernsehbetreiber, die Telefonanschlüsse über ihre Koaxialkabel anboten. Das ADSL-Protokoll ist „asymmetrisch“, da die Downloadgeschwindigkeit (zum Nutzer) deutlich höher ist als die Uploadgeschwindigkeit. Dadurch eignet es sich ideal zum Fernsehen und Surfen im Internet. Obwohl die ADSL-Technologie für das Fernsehen scheinbar nicht weit verbreitet war, eignete sie sich daher hervorragend für die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsverbindungen während des Internetbooms einige Jahre später. Die im Standard festgelegten maximalen Datenübertragungsgeschwindigkeiten betragen 6 Mbit/s im Download und 640 kbit/s im Upload. In der Praxis variieren sie jedoch je nach Anschluss und Vertrag: Anbieter können 1,5-, 3- oder 6-Mbit/s-Anschlüsse zu unterschiedlichen Preisen anbieten.
ADSL-Lite und RADSL:
In Haushalten mit mehreren Telefonanschlüssen kann ein Techniker einen passiven Splitter installieren, um Telefonie und Breitbanddaten zu trennen. Dies ist jedoch mit Kosten verbunden. Das ADSL-Lite-Protokoll (auch bekannt als G.lite) ermöglicht den direkten Anschluss einfacher, verteilter Filter und spart so Kosten für Techniker und Verkabelung. Allerdings ist die maximale Übertragungsgeschwindigkeit auf 1,5 Mbit/s im Download und 512 kbit/s im Upload begrenzt. RADSL (Adaptive Rate DSL) verwendet ein anderes Protokoll der physikalischen Schicht und kann die Übertragungsgeschwindigkeit dynamisch an die Qualität der verfügbaren Leitung anpassen.
Überwindung der erheblichen Bandbreitenbeschränkungen von TTP:
Der Erfolg von ADSL und anderen DSL-Protokollen beruht auf der „Mehrträgerübertragung“, die die Schwäche von TTP bei der Übertragung digitaler Signale kompensiert. Die ursprünglichen Entwickler von TTP hatten nie vorgesehen, dass das System digitale Signale mit hoher Bandbreite übertragen kann. Viele Eigenschaften der TTP-Verbindung, die für analoge Telefonsignale völlig ausreichend sind, schränken die Qualität der Übertragung hoher Bandbreiten erheblich ein. Dazu gehören:
Dämpfung, die mit steigender Frequenz drastisch zunimmt;
Rauschen und Übersprechen. Kopplungseffekte von anderen Adernpaaren im selben Kabel oder anderen Umgebungsquellen (z. B. Funksendern) können Rauschen verursachen, ebenso wie Übersprechen zwischen den Adernpaaren und, häufiger, zwischen Sender und Empfänger an den Kabelenden.
Abzweigbrücken. Beim Trennen von Telefonleitungen werden die verdrillten Adernpaare nicht physisch entfernt, sondern bleiben unkonfektioniert. Wenn neue Nutzer an den Anschluss angeschlossen werden, können diese unkonfektionierten Adernpaare ebenfalls einen Teil des Signals übertragen und so Reflexionen zurück zum Sender verursachen. In einigen Betreibernetzen verfügen bis zu 30 % aller Benutzeranschlüsse über mindestens eine gebrückte Buchse, was zwar analoge Verbindungen nicht verhindert, aber die DSL-Verbindung erheblich beeinträchtigt.
DMT-Technologie: Der Schlüssel zu ADSL-Geschwindigkeit.
Das in ADSL und VDSL verwendete Mehrträgerverfahren namens „DMT“ (Discrete Multi-Tone) hat sich als besonders effektiv bei der Überwindung dieser Einschränkungen erwiesen. Das Prinzip von DMT beruht darauf, dass Einschränkungen in verschiedenen Bereichen des Frequenzspektrums unterschiedlich auftreten. Rauschen betrifft nur wenige Frequenzen; die Dämpfung variiert mit der Frequenz, und auch die Auswirkungen von Reflexionen und Übersprechen hängen von der Frequenz ab. Wird ein kleiner Teil des Frequenzbandes eingeschränkt, wirkt sich dies auf das gesamte Signal aus. Aus diesem Grund verwendet DMT anstelle eines einzelnen Hochgeschwindigkeits-Breitbandsignals eine Vielzahl von Schmalbandsignalen (oder Kanälen) mit niedriger Geschwindigkeit. Rauschen und Verzerrungen, die in einem Teilkanal auftreten, können die anderen nicht beeinträchtigen.
DMT kann verschiedene Varianten aufweisen. Hier wird es in seiner „normalen“ ADSL-Version beschrieben, die 249 unabhängige Kanäle nutzt. Alle Kanäle werden im selben Vorgang (Senden mittels inverser schneller Fourier-Transformation, Empfangen mittels schneller Fourier-Transformation) durch digitale Signalverarbeitung gesendet und empfangen. Obwohl dies enorme Rechenleistung erfordert, werden diese Funktionen derzeit von angepassten VLSI-Chips zu relativ geringen Kosten ausgeführt.
Bei ADSL wird jeder einzelne Subkanal als separate Einheit behandelt und überträgt zwischen 0 und 15 Bit Information pro Signalperiode (Baud). Technisch gesehen verwendet es QAM (Quadraturamplitudenmodulation) mit Trellis-Codierung. Ein Baud entspricht einer Zustandsänderung der Leitung (Signalperiode oder Symbol) pro Sekunde. Bei 4000 Datensymbolen pro Sekunde ist die Baudrate in DMT natürlich sehr niedrig. Während der Initialisierung analysiert der ADSL-Transceiver jeden Subkanal, um dessen Qualität und Eigenschaften zu bestimmen. Anschließend weist er jedem Subkanal entsprechend seiner Qualität eine Anzahl von Bits (zwischen 0 und 15) zu.
Die oben beschriebenen Datenraten für die Kanäle ergeben bei ADSL die folgenden maximalen Datenübertragungsgeschwindigkeiten:
Upload: 25 Kanäle * 15 Bit/Symbol/
Kanal * 4 kbaud = 1,5 Mbit/s
– Download: 249 Kanäle * 15 Bit/Symbol/
Kanal * 4 kbaud = 14,9 Mbit/s
Realistische ADSL-Systeme bieten eine maximale Downloadgeschwindigkeit zwischen 6 und 9 Mbit/s.
Very High Speed DSL (VDSL):
Wie bereits im vorherigen Artikel erläutert, erhöht ein Verteilerkasten mit aktiver DSL-Technik entlang der bestehenden Kabeltrasse die Geschwindigkeit deutlich, da die Distanz zwischen Kopfstelle und Nutzer verkürzt wird. Das Uplink-Kupferkabel (Mehrpaarleitung) wird durch ein Glasfaserpaar ersetzt, der Kupferkabelanschluss des Nutzers bleibt jedoch erhalten. Das kürzere Kabel unterstützt deutlich höhere Frequenzen und ist weniger störungsanfällig.
Dank der höheren Frequenzbandbreite im Vergleich zu ADSL nutzt VDSL mehr Subkanäle und erzielt durch die höhere Symbolrate (VDSL-2: 8 kbaud) zusätzliche Geschwindigkeiten. Die erforderliche, schnellere Signalverarbeitung ist mittlerweile relativ kostengünstig verfügbar. VDSL-2, aktuell die fortschrittlichste Technologie, ermöglicht Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s in beide Richtungen über relativ kurze Distanzen zwischen 350 Metern und 3 Kilometern. Darüber hinaus ist VDSL-2 mit der bestehenden ADSL- und ADSL-2-Ausrüstung der Nutzer kompatibel (eine wesentliche Voraussetzung). Dadurch können Betreiber ihre ADSL-Ausrüstung auf VDSL-2 aufrüsten, ohne dass die Nutzer Änderungen vornehmen müssen. Selbstverständlich können die Nutzer die neuen Geschwindigkeiten nur dann nutzen, wenn sie ihre Geräte aufrüsten.
Nächste Schritte: VDSL oder PON?
In den meisten Industrieländern steigt die Nachfrage nach sehr schnellen Internetzugängen für Haushalte und Unternehmen stetig an, und die Deckung dieser Nachfrage ist entscheidend für ihre wirtschaftliche Entwicklung. Mit der Einführung des Fernsehens in einer Zeit revolutionärer Veränderungen dürfte die Verbrauchernachfrage sprunghaft ansteigen. Gleichzeitig ist die Nachfrage nach zuverlässigem Zugang zu herkömmlichen Telefondiensten ungebrochen hoch. Obwohl ADSL-Netze und andere Kupferdrahtverbindungen enorme Geschwindigkeitssteigerungen erzielt haben, reichen sie für die Weiterentwicklung dieser Dienste nicht mehr aus. Der Einsatz von Glasfaser in der einen oder anderen Form ist eine weitere gute technische Lösung, wobei die Kosten berücksichtigt werden müssen. In Gebieten, in denen noch Kupferleitungen bis zum Kunden vorhanden sind, ist eine FTTN-Lösung (Fiber to the Node) mit VDSL-Technologie für die letzten 350–1000 Meter in der Regel die wirtschaftlichste Lösung. Wo neue Infrastruktur installiert werden muss, bieten PON-Systeme (Passive Optical Network), insbesondere GPON, eine sofortige, vollständige und kostengünstige Lösung mit offener Kapazität für zukünftige Erweiterungen. Der nächste Artikel dieser Reihe wird sich mit PON-Systemen befassen.
Autor: Patrick Gahwiller. Partner Account Manager, R&M.
