1.1 Einleitung

Angesichts steigender Datenvolumen stossen analoge Modemtechnologien und ISDN immer häufiger an technische Grenzen. Abhilfe schafft ADSL.

Aufwendig gestaltete Informationsangebote im Internet und neue Kommunikationsbereiche wie Video-on-demand, Videoconferencing oder auch Telearbeit erfordern höchste Transferraten und somit neue Übertragungstechniken. Dabei ist die analoge Modemtechnologie mit Einführung von V.90 weitgehend ausgereizt und auch ISDN stösst zunehmend an Grenzen: Selbst bei optimalen digitalen Verbindungen sind flüssige Übertragung aufwendiger Animationen aus dem Internet oder Konferenzschaltungen mit Bild und Datenaustausch nur selten möglich.

Bereits seit Anfang der neunziger Jahre gibt es eine technische Lösung, die weitaus höhere Transferraten über das herkömmliche Telefonnetz (POTS, Plain Old Telephone Service) ermöglicht: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). ADSL ist ein Protokoll aus der xDSL-Familie, das den Vorteil bietet, das herkömmliche Kupferleitungsnetz zu unterstützen – ein teures Umrüsten auf Glasfaserkabel entfällt.

1.2 Das DSL-Prinzip: Kanaltrennung

Ende der Achtziger präsentiert Bellcore (http://www.bellcore.com) mit der DSL-Technologie erstmals eine komplette Protokollfamilie für den schnellen Datenaustausch. Der DSL-Ansatz setzt auf nicht ausgelastete Bandbreiten innerhalb des Kupferkabelnetzes. Derzeit werden die Kabel lediglich zur Übertragung von Sprache im Telefonverkehr genutzt – was Frequenzen von bis zu 4 kHz belegt. Kupferkabel decken jedoch einen Frequenzbereich bis zu 1,1 MHz ab – bieten also Platz für mehr als 250mal soviel Informationen. Dabei beschränken lediglich Filter im Telefonnetz den nutzbaren Frequenzbereich. Um die brachliegenden Frequenzbereiche also effektiv zu nutzen, ist schlichtweg eine Aufteilung des Kupferkabels erforderlich. Der Nachteil ist allerdings, dass in hohen Frequenzbereichen enorm Verluste auftreten. Aus diesem Grund finden in der Praxis nur Bandbreiten bis 120 kHz Verwendung.

Die Kupferleitung wird von xDSL-Modems in drei Kanäle aufgeteilt: Ein Kanal steht wie bisher den Telefondiensten zur Verfügung (POTS-Kanal), ein zweiter wird für die Verbindung vom Anwender zum Provider verwendet (Upstream-Kanal) und der dritte (Downstream-Kanal) dient der Datenübertragung vom Anbieter zurück zum Anwender. Digitale Modems sorgen in den Vermittlungsstellen dafür, dass der POTS-Kanal durch Filter von den beiden anderen Bereichen strikt getrennt wird.

1.3 Trennung bietet neue Nutzungsoptionen

Erst diese Trennung ermöglicht eine gleichzeitige Nutzung des Kabelnetzes für Sprach- und Datenübertragung. Dabei ermöglicht ADSL Übertragungsraten zwischen 0,5 und 55 MBit/s, wobei die Grenzen hauptsächlich von Kabellänge und -querschnitt definiert sind.

1.4 Theoretische Grenzen im analogen Netz
Die Grenzen der Übertragungskapazität der analogen Telefonleitung sind durch das Nyquist- und das Shannon-Theorem beschrieben. Das Nyquist-Theorem besagt, dass die Schrittgeschwindigkeit bei der verzerrungsfreien Übertragung von Impulsen maximal doppelt so gross wie die Bandbreite des benutzten Übertragungskanals sein darf. Das Shannon-Theorem beschäftigt sich mit Zusammenhängen zwischen der verfügbaren Bandbreite, dem Verhältnis zwischen Signal- und Rauschpegel und der maximal möglichen Anzahl übertragbarer Bits pro Sekunde. Beim derzeitigen analogen Telefonnetz ist die Bandbreite auf 4 kHz beschränkt und das Signal-/Rauschverhältnis liegt bei 30 bis 35 dB. Daraus resultiert eine Übertragungsrate von maximal 35 kBit/s.

1.5 Potential und Einschränkungen
ADSL ermöglicht nun durch die Kanalteilung unterschiedliche Datenübertragungsraten: Während der Telefonkanal wie bisher auf 35 kBit/s begrenzt bleibt, sind die neuen Datenkanäle wesentlich erweiterbar. Durch das asymmetrische Verfahren kann für den Zugang vom Benutzer zum Dienstleister eine geringere Übertragungsgeschwindigkeit eingestellt werden als für das Downloaden von Daten. Dabei weisen die Kanäle lediglich unterschiedliche Frequenzbereiche auf. Untersuchungen belegen, dass die Upload- Datenmengen im Verhältnis zu Downloads unterhalb von zehn Prozent liegen. Diesen Umstand nutzt ADSL und prädestiniert damit die Technologie für den Zugriff auf das Internet.

In der Praxis werden über die Downstream- Leitungen vom Provider zum Anwender Übertragungswerte zwischen 1,5 und 6,1 MBit/s erzielt, was bereits bei der schlechtesten Transferrate gegenüber ISDN eine um den Faktor 24 bessere Performance bietet. Bei Upstream-Verbindungen liegen die Werte bei 16 bis 640 kBit/s auf den Leitungen zum Zugangsknoten. Jeder Kanal lässt sich zudem in weitere Subkanäle unterteilen.

1.6 Übertragungsfaktoren
Allerdings ist das Erreichen der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von verschiedenen Faktoren abhängig: Insbesondere die Länge und der Querschnitt des Kupferkabels sowie die Dämpfung begrenzen die theoretisch möglichen Tranferraten. In der Praxis bedeutet das für Anwender, deren Hausanschluss weit von der nächsten Vermittlungsstelle entfernt liegt, Tranferraten im unteren Bereich.

1.7 ADSL-Intern
ADSL basiert technisch auf der Trennung des nutzbaren Frequenzspektrums in drei Kanäle. Hierbei finden zwei unterschiedliche Verfahren Verwendung: Frequency Division Multiplexing (FDM) oder Echo Cancellation (EC). Welches System zum Einsatz kommt, liegt bislang noch in Händen der Gerätehersteller. Vorgaben von Seiten der ADSL-Spezifikation gibt es nicht. Es zeichnet sich allerdings ab, dass EC eine untergeordnete Rolle spielt. Grund dafür ist, dass im Gegensatz zu FDM die Kanäle für Up- und Downstream nicht komplett getrennt, sondern überlagert werden. Dies erhöht den technischen Aufwand zur Signaltrennung wesentlich und verteuert die Endgeräte.

FDM hingegen erzeugt einen schmalbandigen Frequenzbereich, der direkt oberhalb der Sprachfrequenzen angesiedelt ist. Der breitbandige Downstream-Bereich schliesst direkt an den Upstream-Bereich an.

1.8 Datentransfer per ADSL
Frequency Division Multiplexing beziehungsweise Echo Cancellation sorgen lediglich für die Trennung des Frequenzspektrums in entsprechende Kanäle, schaffen also nur die Grundlage für den eigentlichen Datentransfer. Dieser kann wiederum durch verschiedene Übertragungsmethoden realisiert werden. Auch hier lässt die ADSL-Spezifikation, die in Händen von ANSI (American National Standards Institute) und ETSI (European Telecommunications Standards Institute) liegt, verschiedene Methoden zu. Daher kommen derzeit in der Praxis drei Modulationsverfahren zum Einsatz, die zueinander inkompatibel sind. Ähnlich wie anfangs bei der 56k-Technik kann es also dem Anwender passieren, dass eine Kommunikation trotz gleicher Basistechnologie scheitert. Folgende Verfahren kommen derzeit zur Anwendung:

· QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Hier werden die Signale einfach in einen höheren Frequenzbereich versetzt. Dies wird durch Modulation eines Basisbandsignals mit einem Trägersignal erreicht, wobei die Amplitude moduliert wird.

· CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation): Grundlage von CAP ist eine trägerlose Amplituden-/Phasenmodulation. Ein einziges Trägersignal dient als Transportmittel, das selbst weder übertragen wird noch eigene Informationen beinhaltet.

· DMT (Discrete Multi-Tone Modulation) beschreibt ein Verfahren, bei dem mehrere Trägersignale für die Übermittlung eingesetzt werden. Die übermittelten Daten verteilen sich also auf eine Vielzahl von Trägern, die alle eine Form der Quadrature Amplitude Modulation (QAM) einsetzen. DMT basiert auf der Discrete-Fast-Fourier- Transformation, die aus der digitalen Technik stammt.

1.9 Übertragungsmethoden im Detail

QAM ist ein sogenanntes Einträger- Bandpassübertragungsverfahren, das ein Trägersignal mit einem Symbolstrom moduliert. Bei diesem Verfahren wird der Datenstrom in zwei einzelne Ströme halber Übertragungsrate aufgespaltet und anschliessend mit einem Trägerpaar aufmoduliert. Bei den orthogonalen Trägern handelt es sich um eine Sinus- und eine Kosinusfunktion.

Der Sender beinhaltet einen Scrambler (Chiffrierer), einen Leitungskodierer, einen Sendefilter, einen Modulator und einen D/A- Wandler. Das Signal wird in einem Demultiplexer in zwei Teilsignale aufgeteilt. Diese Teilsignale durchlaufen anschliessend die Leitungscodierer, die eine Bit-nach-Symbol- Kodierung ähnlich wie bei der 56k-Technologie vornehmen. Anschliessend werden die kodierten Signale im Modulator mit einer definierten Frequenz (f0) multipliziert. Das eine Signal wird mit einem Kosinus, das andere mit einem Sinus moduliert. Anschliessend erfolgt die Addition sowie eine D/A-Wandlung. Ein Sendefilter schliesslich bringt das Signal auf die Leitung.

Auf der Empfängerseite passiert ähnliches: Das Signal wird zunächst in einem Empfangsfilter bandbegrenzt und nach einer A/D-Wandlung mit einem Kosinus- beziehungsweise Sinusträger gleicher Frequenz wie beim Sender multipliziert. Ein nachfolgender Entzerrer macht eventuell bei der Übertragung aufgetretene Verzerrungen des Leiterpaares rückgängig und filtert die Frequenzanteile (f0) heraus. Danach liegt wieder das ursprüngliche Basisbandsignal vor. Dieses wird für das jeweilige Signal getrennt dekodiert, um die Teilsignale schliesslich in einem Multiplexer (zur Serialisierung der Signale) zusammenzufassen.

1.10Carrierless Amplitude/Phase Modulation

Auch CAP zählt zu den Einträger- Bandpassübertragungsverfahren. Schon die Bezeichnung des Modulationsverfahren deutet seine Besonderheit an: Es wird eine trägerlose Amplituden-/Phasenmodulation durchgeführt, wobei ein technischer Kniff die Übertragung der Trägerfrequenz verhindert. Zusätzlicher Unterschied zu QAM: Modulation und Demodulation erfolgen beim Sender und Empfänger über digitale Filter.

Die Grafik verdeutlicht die Arbeitsweise der CAP. An die Stelle der orthogonalen Trägerfunktionen von QAM treten digitale Filter, um die Teilströme zu modulieren. Das zu übertragende Signal wird einfach durch Addition der beiden Filterausgaben gebildet.

Nachdem das Signal eine D/A-Wandlung erfahren hat und den Sendefilter passiert hat, wird es auf die Leitung gelegt.

1.11Discrete Multi-Tone Modulation

Im Unterschied zu CAP und QAM zählt DMT zu den sogenannten Mehrträger- Bandpassübertragungsverfahren. Dieses Verfahren findet bei den Herstellern derzeit breite Unterstützung. Zur Umsetzung wird der gesamte Übertragungskanal in mehrere Teilkanäle unterteilt, die – theoretisch – die gleiche Bandbreite aufweisen. Im einfachsten Fall findet bei jedem dieser Teilkanäle das gleiche Modulationsschema Verwendung. Die Übertragungsrate ist daher identisch. Allerdings hat dies einen entscheidenden Nachteil gegenüber den zuvor beschriebenen Modulationsmethoden: Liegen Teilkanäle in hohen Frequenzbereichen, schlagen sich die schlechten Übertragungseigenschaften von Kupfer auf den Datentransfer nieder. Daher legen die Hersteller die Bitrate des jeweiligen Teilkanals entsprechend seiner Störanfälligkeit fest. Nur so ist eine optimale Nutzung des Übertragungsmediums Kupfer möglich.

DMT lässt sich im Prinzip als eine Reihe von parallel arbeitenden QAM-Systemen verstehen. Dabei verwendet jedes QAM-System die zu einem DMT-Teilkanal korrespondierende Trägerfrequenz. Der Transmitter moduliert Daten, indem er Töne bestimmter Frequenzen erzeugt, diese zusammenfasst und schliesslich über die Leitung schickt.

1.12Vorteile der neuen Technik

Bei hinreichend kleiner Teilkanalbandbreite ist die Dämpfung für jeden einzelnen Teilkanal nahezu konstant. Ein weiterer Vorzug dieser Technik: Beim Empfänger entfällt der Entzerrer. Es reicht ein einfacher Kanalverstärker, da der Einfluss der nichtlinearen Phase des Kabels auf das übertragene Signal in einem Teilkanal vernachlässigbar ist. Damit ist die Herstellung derartiger ADSL-Modems relativ preiswert.

Allerdings setzt ein Mehrträger- Modulationsverfahren Orthogonalität zwischen den verschiedenen Teilkanälen voraus. Dies kann man beispielsweise durch die Verwendung von Fast-Fourier-Transformation-Methoden erreichen. Der Aufbau eines DMT-ADSL- Transceivers entspricht im wesentlichen dem eines CAP-ADSL-Gerätes.

Wie bereits erwähnt, kann die Anzahl der Bits, die über einen Teilkanal gesendet werden, bei DMT variieren. Daraus ergibt sich eine verbesserte Performance, da störanfällige Frequenzen aussen vor bleiben. Die mögliche Übertragungsrate beim Upstream-Kanal erhöht sich dabei auf 176 kBit/s.

2 Die Zukunft: VDSL
ADSL ist eine interessante Technologie, von der nicht nur Internetnutzer, sondern auch Informationsanbieter profitieren. Allerdings stellt ADSL lediglich die erste Stufe innerhalb der neuen DSL-Technik dar: Obwohl ADSL in Deutschland noch immer in Pilotversuchen steckt, haben die Hersteller bereits Geräte der nächsten Generation im Versuchsstadium: Die nächste Version des digitalen Breitbandzugangs heisst VDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line).

VDSL ist der ADSL-Technologie sehr ähnlich, da die Kanalaufteilung ebenfalls asymmetrisch erfolgt – sprich unterschiedliche Down- und Upstream-Bereiche nutzt. Voraussetzung für VDSL ist jedoch ein Hybridnetz, das aus Glasfaser- und Kupferleitungen besteht. Durch den Einsatz von Glasfaser lässt sich die mögliche Übertragungsrate extrem nach oben schrauben.

Beim Aufbau von Hybridanschlussnetzen werden derzeit mehrere Ansätze verfolgt. Man unterscheidet zwischen Fibre To The Curb (FTTC), Fibre To The Neighborhood (FTTN), Fibre To The Basement (FTTB) und Fibre To The Home (FTTH).

3 FTTH
FTTH ist sehr teuer, da dazu bis zur Haustür beziehungsweise zum Modem Glasfaserleitungen liegen müssten. Entsprechende Infrastrukturen fehlen derzeit noch. Eine günstigere Alternative wäre FTTN. Bei dieser Strategie werden sogenannte Optical Network Units (ONUs) installiert, die über Glasfaser verkabelt sind. Die letzten Teilstücke zum Endanwender lassen sich über existierende Kupferleitungen überbrücken. Allerdings liegen hier noch Probleme: VDSL will Daten mit einer maximalen Downstream-Übertragungsrate von bis zu 55 MBit/s zum Empfänger bringen. Dazu dürften die Kupferleitungen bei den bisherigen Querschnitten jedoch nicht länger als 300 Meter sein. Dies ist entschieden zu wenig, um in der Praxis umsetzbar zu sein.

Ansonsten baut VDSL im wesentlichen auf dieselben technischen Grundlagen wie ADSL, wobei jedoch neben den beschriebenen Übertragungsmethoden zwei weitere in der Diskussion sind:

· DWMT (Discrete Wavelet Multitone)

· SLC (Simple Line Code)

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Verkehrsmittel: Bus

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