FTTH- oder FTTP-PON-Glasfaserverbindungen:
Wie bereits erwähnt, wäre eine direkte Punkt-zu-Punkt-Glasfaserverbindung zwischen jedem Nutzer und der Vermittlungsstelle technisch ideal, aber unter normalen Umständen extrem teuer. Ein passives optisches Netzwerk (PON) bietet zwar geringere Datenübertragungsraten, aber eine Kapazität, die die aktuellen Anforderungen übertrifft, und das zu deutlich niedrigeren Kosten.
Wirtschaftliche Überlegungen:
Diskussionen über Netze für Privatverbraucher gehen oft von einem fiktiven Modell aus, in dem alle in Einfamilienhäusern leben. In der Realität sind jedoch selbst in entwickelten westlichen Ländern in vielen Gebieten Mehrfamilienhäuser (Wohnungen, Reihenhäuser usw.) vorherrschend, häufig in Kombination mit Gewerbegebäuden, während viele weitere in ländlichen Gebieten liegen. Jede Gebäudeart stellt unterschiedliche Anforderungen an das Netz.
Hochverdichtetes Wohnen (Mehrfamilienhäuser):
In dicht bebauten Gebieten ist die naheliegendste Lösung für die Internetversorgung eine direkte Glasfaseranbindung des Gebäudes, wobei die Endnutzer über Kupfer- oder Glasfaserkabel angebunden werden. VDSL, PON oder einfaches Ethernet mit Switches wären ebenso geeignet, da die Herausforderungen eher praktischer als technischer Natur sind. Beispiele hierfür sind die Standortwahl für die Verteilerkästen, die benötigten Kabeltypen für die einzelnen Wohneinheiten und die Eigentums- bzw. Betreiberfrage. Rechtliche und administrative Hürden, die von Land zu Land variieren, können erheblich sein.
„Typisches“ Wohngebiet
Wie oben erläutert, handelt es sich hierbei um die Umgebung, für die PON- oder VDSL-Systeme üblicherweise konzipiert werden.
Halbländliche Gebiete:
Diese Situation stellt Netzbetreiber seit jeher vor Probleme. Die Entfernungen zwischen Endnutzer und einem geeigneten Vermittlungspunkt betragen häufig durchschnittlich 10 km oder mehr. Dies erfordert den Einsatz dickerer Kupferleitungen und Verstärker oder Repeater innerhalb der Telefonleitung oder, in jüngerer Zeit, Funksysteme. Für PON-Systeme ist dies ein sehr attraktives Szenario, da sie mit typischen Entfernungen von 10–20 km kompatibel sind und somit alle erforderlichen Funktionen bereitstellen können.
Gewerbeimmobilien
variieren in ihrer Größe vom kleinen Laden um die Ecke bis hin zu Einrichtungen in riesigen Komplexen mit Tausenden von Mitarbeitern. In vielen Fällen eignen sich die für Wohngebäude mit hoher Dichte eingesetzten Technologien am besten, während andere einen individuellen Glasfaseranschluss benötigen.
Der Einsatz moderner Verteilnetzarchitekturen (NGN/PON) kann die Struktur eines städtischen Mobilfunknetzes grundlegend verändern. Während eine typische mittelgroße westliche Stadt mit zwei bis drei Millionen Einwohnern 200 bis 300 Vermittlungsstellen benötigt, kann PON Nutzer verbinden, die bis zu 20 km von einer einzigen Vermittlungsstelle entfernt liegen. Städte könnten daher theoretisch von einer einzigen Vermittlungsstelle versorgt werden (in der Praxis wären es aus praktischen Gründen wahrscheinlich vier), was enorme Einsparungen ermöglicht. Das Problem liegt in den Kosten für die Verlegung von Glasfaserkabeln für jeden einzelnen Nutzer, insbesondere aufgrund der notwendigen Tiefbauarbeiten und der Frage der Anschlussplanung. Wo immer jedoch neue Verkabelung erforderlich ist, ist der Vorteil eines Glasfasernetzes unbestreitbar.
Sektorstruktur:
Die Einführung neuer Breitbandtechnologien kann die Struktur des Telekommunikationssektors grundlegend verändern. Traditionell bestand die Telefonbranche eines Landes aus einem einzigen, staatlichen Unternehmen, dem die Infrastruktur gehörte und das alle Dienste anbot. Mit der zunehmenden Vielfalt an Diensten konkurrieren heute zahlreiche Organisationen um deren Angebot. Es wäre sehr schwierig, mit einem Unternehmen zu konkurrieren, das über eine VDSL- oder PON-Zugangsnetzinfrastruktur verfügt. Viele verschiedene Organisationen könnten dann, indem sie die benötigten Einrichtungen vom Infrastrukturbetreiber mieten, Dienste anbieten. Dies wird voraussichtlich ein neues, bisher unbekanntes Geschäftsmodell hervorbringen.
Was zeichnet Glasfasernetze aus?
Die Geschwindigkeit und Kapazität von Singlemode-Fasern sind legendär und der Hauptgrund für ihre Verwendung. Da sie nicht elektrisch sind, spielen Funkstörungen oder Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Standorten keine Rolle. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu Kupferkabeln liegt in der Signalübertragung – sowohl innerhalb der Faser selbst als auch durch Splitter und Konzentratoren. Das Signal kann vielfach aufgeteilt werden: Bei einer 64-fachen Aufteilung (bei Verwendung verlustfreier Komponenten) beträgt der Signalverlust 6 x 3 = 18 dB.
Glasfaserkabel weisen jedoch auch Probleme auf, die bei Kupferkabeln nicht auftreten. Wird die Glasfaser zu stark gebogen, geht Signal verloren, daher ist der Biegeradius entscheidend. An Stellen, an denen Glasfaserkabel verbunden oder an Geräte angeschlossen werden müssen (z. B. in einem Splitter), ist es notwendig, mit dem überschüssigen Fasermaterial an beiden Enden eine Schleife zu bilden. Dieses Problem lässt sich teilweise durch die Verwendung von Singlemode-Fasern abmildern, die speziell für städtische Umgebungen entwickelt wurden (gemäß den Normen G.652.D und G.657.A und B).
Passive Netze.
Ein vorheriger Artikel über VDSL wies darauf hin, dass ein praktisches VDSL-System an jedem Verteilerpunkt (d. h. an nahezu jeder Straßenkreuzung) einen Verteilerkasten mit aktiver Ausrüstung benötigt. Eine Stadt mit zwei bis drei Millionen Einwohnern bräuchte etwa 3.000 dieser Verteilerkästen, die alle regelmäßige Wartung und eine zuverlässige Stromversorgung erfordern und somit extrem hohe Betriebskosten verursachen. Ein passives Netz bietet deutlich niedrigere Betriebskosten, doch auch hier entstehen Kosten für Netzerweiterungen und die Reparatur beschädigter Kabel. Ein passives optisches Netz muss zudem mindestens kleine Verteilerkästen (ähnlich wie Abzweigkästen) für die Splittergeräte umfassen.
Passive optische Netzwerke:
Es gibt drei gängige Methoden zum Aufbau eines passiven optischen Netzwerks:
1. Punkt-zu-Punkt: Eine dedizierte Glasfaser (oder ein Glasfaserpaar) verbindet jeden Endnutzer mit der Vermittlungsstelle. Wie bereits erwähnt, ist dies ein sehr teures und im Verhältnis zu den Anforderungen unverhältnismäßig großes System.
2. Punkt-zu-Mehrpunkt: Jeder Nutzer verwendet eine eigene Wellenlänge über eine spezifische Verbindung. Dies ist eine weitere sehr gute Lösung, jedoch sind wellenlängensensitive Multiplexer (xWDM) und geeignete Laser teuer und für die angestrebten Anforderungen viel zu kostspielig. xWDM scheint jedoch eine zukunftsweisende Technologie zu sein, die sich derzeit in der Entwicklung befindet.
3. Punkt-zu-Mehrpunkt-Netzwerke, in denen sich viele Nutzer dieselbe optische Wellenlänge teilen. Diese Lösung bietet die gesamte notwendige Kapazität und alle Funktionen zu deutlich geringeren Kosten als die beiden vorherigen Alternativen. Diese Netzwerkkonfiguration mit gemeinsam genutzter Glasfaser hat den großen Vorteil, dass nur ein Transceiver pro Nutzer und in der Vermittlungsstelle benötigt wird. Die Verkabelung ist im Vergleich zu einer Punkt-zu-Punkt-Architektur ebenfalls einfacher, da für bis zu 64 Nutzer nur eine Verbindung in der Vermittlungsstelle benötigt wird (die Möglichkeit von 128 Nutzern für GPON wird geprüft). Darüber hinaus bietet sie eine stabile Infrastruktur, die sich zukünftig ohne Installation neuer Nutzeranschlüsse an nahezu jede andere denkbare Architektur anpassen lässt.
Gestaltungsüberlegungen
Der wichtigste Aspekt bei der PON-Entwicklung ist die Topographie des Gebiets, einschließlich Art und Anzahl bestehender oder geplanter Gebäude, wie bereits erwähnt, ein Faktor, der auch als „potenzielle Abonnenten pro Quadratmeter“ bezeichnet wird. Darüber hinaus müssen, obwohl nicht direkt mit den technischen Aspekten verbunden, die drei nachfolgend beschriebenen Gestaltungselemente berücksichtigt werden.
Optisches Leistungsbudget:
Ein Schlüsselfaktor im PON-Design ist das optische Linkbudget. Es beschreibt die Differenz zwischen der vom Lasersender erzeugten Leistung und der minimalen Leistung, die ein Empfänger für eine präzise Signalwiederherstellung benötigt. Dies entspricht der im Netzwerk planbar verfügbaren Leistung. Für den Systembetrieb muss die Summe aller Verluste unterhalb des Budgets liegen. Die Hauptverluste sind:
1. Leistungsabfall im Laufe der Zeit: Bei der Netzwerkplanung muss die Sendeleistung des Lasers auf Basis seiner Betriebsleistung am Ende seiner Lebensdauer berechnet werden.
2. Die Empfängerempfindlichkeit muss ebenfalls auf Basis ihrer Leistung am Ende ihrer Lebensdauer abgeschätzt werden.
3. Leistungsaufnahme durch Dämpfung in der Faser, Faserspleiße (sehr gering bei fachgerechter Ausführung, andernfalls hoch), Splitter und Kombinierer (sowohl logische als auch bauliche Komponenten) sowie die Datenübertragungsrate.
Im Allgemeinen halbiert sich die Empfindlichkeit eines Empfängers bei Verdopplung der Datenübertragungsrate. Die meisten PON-Standards bieten verschiedene optionale Übertragungsraten. Unter sonst gleichen Bedingungen führt der Wechsel von einer Übertragungsrate von 1 Gbit/s auf 2 Gbit/s zu einer Reduzierung der Link-Budgetierung um 3 dB.
Lasereigenschaften:
Ein Halbleiterlaser neigt nach dem Einschalten kurzzeitig zu Oszillationen (schneller Wellenlängenänderung), bis er sich stabilisiert. Um die Auswirkungen dieser Oszillationen zu minimieren, ist es üblich, Kommunikationslaser dauerhaft im Sendebetrieb zu halten. In einem gemeinsam genutzten Netzwerk können jedoch die Übertragungen anderer Nutzer (selbst bei sehr geringen Pegeln) Interferenzen verursachen, wenn ein Nutzer sendet. Daher ist es notwendig, jeden Laser am Ende eines Datenblocks oder -rahmens abzuschalten und so ein Zeitintervall zwischen dem Ende der Übertragung eines Nutzers und dem Beginn der Übertragung des nächsten einzuhalten.
Verbindungsgeschwindigkeit:
Alle verbundenen Benutzer teilen sich die Upstream- und Downstream-Kanäle. Jedem Benutzer wird ein Anteil der verfügbaren Kapazität zugewiesen. Beispielsweise könnte ein PON mit 10 Benutzern, die mit 1 Gbit/s im Upstream und Downstream arbeiten, jedem Benutzer 100 Mbit/s Kapazität zuweisen. Die verfügbaren Verbindungsgeschwindigkeiten gemäß dem GPON-Standard sind unten aufgeführt. Im Jahr 2008 war die gängigste Wahl 1,24416 Gbit/s im Upstream und 2,48832 Gbit/s im Downstream. Siehe Tabelle I.
Fazit:
In den meisten Industrieländern steigt die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsinternetanschlüssen in Haushalten und Unternehmen rasant an. Auch die Fernsehverteilung steht vor einem grundlegenden Wandel. Der Bedarf an zuverlässigem Zugang zu herkömmlichen Telefondiensten bleibt natürlich unverändert hoch. Bestehende Kupferdrahtnetze reichen für die Weiterentwicklung dieser Dienste nicht mehr aus. Glasfasertechnologie bietet hierfür eine zukunftsfähige technische Lösung. An Standorten, an denen bereits Kupferleitungen (TTP) zu den Kundenanschlüssen vorhanden sind, lässt sich eine FTTN-Lösung (Fiber To The Node) mit VDSL-Technologie realisieren.
Autor: Patrick Gahwiller. Partner Account Manager, R&M.
